5.lte理論基礎學習介紹ofdma及mimo

1、16.AuG 2007LTE 物理層介紹OFDMA及MIMOC&W設計部TECHNOLOGIES CO.,.LTE 物理層介紹OFDMA及MIMOOFDMA基本原理為什么引入OFDMAOFDMA基本原理OFDMA的優(yōu)點OFDMA的缺點OFDMA與CDMALTE基帶結構特點下行OFDM上行SC-FDMA幀結構RBOFDM參數(shù)峰值速率MIMO基本原理比較增益：陣列增益、分集增益、復用增益、干擾抑制增益Wimax MIMO/BF的系統(tǒng)增益TECHNOLOGIES CO.,.Page 2為什么引入OFDMA無線信道的特性：頻域選擇性干時間）（相干帶寬）、時間選擇性（相模型A，PA 3km/h模型B，P

2、B 10 km/h模型C，VA 30km/h模型D，VA 120km/h模型E模型，Doppler=1.5HzTECHNOLOGIES CO.,.Page 3為什么引入OFDMA單載波系統(tǒng)和多載波系統(tǒng)通常采用的通信系統(tǒng)是單載波方案（如GSM），這種系統(tǒng)在數(shù)據(jù)速率不高時，信號帶寬小于信道的相干帶寬，接收端符號間干擾（ISI）不嚴重，只要采用簡單的均衡器（Equalizer）就可以消除符號間干擾。隨著數(shù)據(jù)速 率的提高，信號帶寬大于信道的相關帶寬，均衡器的抽頭數(shù)量和運算的復 雜性提高，使用均衡器已經(jīng)無法消除ISI。多載波系統(tǒng)通過把高速的串行數(shù)據(jù)流變成幾個低速并行的數(shù)據(jù)流，同時去調(diào)制幾個載波，這樣在每

3、個載波上的符號寬度增加，由于信道時延擴展引起的ISI減小，同時，由或干擾引起接收端的錯誤得以分散。多載波調(diào)制的方案有三種：傳統(tǒng)頻分復用、3dB頻分復用、OFDM由于OFDM的頻譜利用率最高，又適于用FFT算法處理，近年來在多種系統(tǒng)得到成功的應用，在理論和技術上已經(jīng)成熟，因此3GPP/3GPP2成員多數(shù)為第四代移動通訊無線接入技術之一。OFDM作TECHNOLOGIES CO.,.Page 4OFDMA基本原理OFDM系統(tǒng)的基本模型如下：e j0t 0ed0e j1te 1e jN 1te j N 1tdN 1TECHNOLOGIES CO.,.Page 5信道d1P/SS(t)S/Pd0d1d

4、N-1OFDMA基本原理OFDM信號的循環(huán)前綴空白保護間隔第二徑的頻譜符號傳輸周期 TTg符號積分時間Tspath1path2X(k)X(k)Y(k)Y(k)多經(jīng)時延循環(huán)前綴TECHNOLOGIES CO.,.Page 6OFDMA基本原理OFDM信號技術對抗頻率選擇性眾多幅度與相位不同的徑的疊加，將會使到該子載波的信號的相。位發(fā)生偏轉，幅度發(fā)生波動，即產(chǎn)生這種對于每一個子載波來說是平坦的，雖然對于整個OFDM的頻譜來說是頻率選擇性，但是由于每一個子載波所分得的頻寬相對的窄，所以在該子載波上看，可近似地認為是平坦的 。頻率選擇性變?yōu)槠教苟鄰皆斐傻腡ECHNOLOGIES CO.,.Page 7

5、OFDMA基本原理OFDM加窗原理整體功率譜為子載波功率譜的疊加OFDM信號功率譜密度的理論值包絡曲線加升余弦窗的OFDM信號仿真功率譜密度曲線TECHNOLOGIES CO.,.Page 8OFDMA基本原理OFDM符號的時頻結構TECHNOLOGIES CO.,.Page 9OFDMA基本原理OFDM符號的時頻結構采用空白保護間隔的一個OFDM信號的時域波形TECHNOLOGIES CO.,.Page 10OFDMA基本原理OFDM收發(fā)機框圖TECHNOLOGIES CO.,.Page 11OFDMA基本原理OFDMA基帶框圖子載波解時頻同步去CPFFT信道估計均衡OFDMA系統(tǒng)基本框圖T

6、ECHNOLOGIES CO.,.Page 12解調(diào)解擾解交織譯碼CRC校驗信宿子載波映射IFFT加CP加窗無線信道調(diào)制加擾交織編碼加CRC信源OFDM系統(tǒng)的主要優(yōu)點減小ISIOFDM把高速串行數(shù)據(jù)變成低速并行數(shù)據(jù)傳輸，增加每個符號的周期長度，從而有效對抗無線信道的時延擴展，減小ISI。頻譜利用率高傳統(tǒng)FDM是用濾波器把整個頻帶分割成互不交疊，從而提高頻譜利用效率?？衫肍FT實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)的子載波，子載波之間的保護頻帶很寬，OFDM允許子載波頻譜OFDM用IFFT和FFT實現(xiàn)信號的調(diào)制與解調(diào)，目前FFT易于用DSP或FPGA實現(xiàn)，比之用傳統(tǒng)的濾波器實現(xiàn)容易，體積小。易于實現(xiàn)非對稱性上下行可以使

7、用不同數(shù)量的子載波實現(xiàn)非對稱業(yè)務。受頻率選擇性影響小由于無線信道的頻率選擇性，不可能所有的子載波都處于比較深的中，因此可以通過動態(tài)比特分配和動態(tài)子信道分配，充分利用信噪比高的子信道，提高系統(tǒng)性能。OFDMA系統(tǒng)易于OFDM易于與其他多址方式組合OFDM）, OFDM-TDMA等。抵抗窄帶干擾OFDM通過把高速串行數(shù)據(jù)譯碼恢復干擾引起的錯誤。靈活的多址接入系統(tǒng)，如多載波碼分多址（MC-CDMA）, 跳頻OFDM（FH-到并行的多個子載波上，窄帶干擾只能影響一部分子載波，接收端可以通過糾錯TECHNOLOGIES CO.,.Page 13OFDM系統(tǒng)的主要缺點易受頻率偏差的影響OFDM的子載波互相

8、交疊，只有保證接收端精確的頻率取樣才能避免子載波間干擾。由于無線信道的時變性，在傳輸過程中的時延擴展會引起接收端頻率偏移，無線終端移動引起的Doppler頻移也會使接收端發(fā)生頻率偏移，接收端本地振蕩器與發(fā)射端的頻率偏差也是一種頻率偏移。頻率偏移會引起子載波間干擾（ICI），對頻率偏移敏感是OFDM的缺點之一。時間同步要求OFDM的子載波正交性要求信號落入FFT窗口內(nèi),因此同步網(wǎng)絡最方便組管理技術;上行要求調(diào)整信號發(fā)射提前/延后時間;較高的峰均比（PAR）別是對FFR等干擾OFDM發(fā)送端輸出信號是多個子載波相加的結果，目前應用的子載波數(shù)量從幾十個到幾千個，如果各個子載波同相位，相加后就會出現(xiàn)很大

9、的幅值，即調(diào)制信號的動態(tài)范圍很大，這對后級 RF功率放大器提出了很高的要求。信道容量的劣勢信息論,信號正交方式(TDMA,FDMA,OFDMA等)的多用戶復用比CDMA在信道容量上要差. 但以目前的器件實現(xiàn)水平該問題并不明顯,甚至是優(yōu)勢.TECHNOLOGIES CO.,.Page 14OFDMA與CDMA比較DS-CDMA和多載波的調(diào)制過程擴頻序列擴頻后信號信息符號1 2 L載波fc1 21 21212 L L L LDS-CDMA信號的時域擴頻調(diào)制子 載 子波 載 f1 波f2子載. 波號Nc并行數(shù)據(jù)符fNc串并變換OFDM調(diào)制示意圖TECHNOLOGIES CO.,.Page 15OFD

10、MA與CDMA比較CDMA的收發(fā)機結構Schematic for IS-2000Walsh擴頻HPSKDTX產(chǎn)生信道功率加載MS發(fā)射機RPC延遲無線信道BS中頻噪聲估計導頻SIR測量插值濾波RPC產(chǎn)生相干解調(diào)與合并符號合并/補零Conv/LLR求取多徑分離解擾解擴解交織Turbo信道估計/速度估計/多徑搜索頻偏估計TECHNOLOGIES CO.,.Page 16盲速率判決同失步檢測閉環(huán)功控偏置產(chǎn)生交織符號重復/抽取Conv/ Turbo編碼尾比特連綴預留比特/ CRC連綴數(shù)據(jù)發(fā)生OFDMA與CDMA比較CDMA的收發(fā)機基本結構多徑合并信道估計/頻偏估計/速度估計CDMA收發(fā)機基本結構子載波解

11、FFT時頻同步去CP信道估計均衡OFDMA收發(fā)機基本結構TECHNOLOGIES CO.,.Page 17解調(diào)解擾解交織譯碼CRC校驗信宿子載波映射IFFT加CP加窗無線信道調(diào)制加擾交織編碼加CRC信源解調(diào)解交織譯碼CRC校驗信宿無線信道多徑搜索插值濾波多徑分離解擾解擴各徑相干解調(diào)調(diào)制擴頻加擾交織編碼加CRC信源OFDMA與CDMA比較CDMA的多徑搜索的基本原理多徑搜索的目的：找到各個徑的時延信息 ，通過多徑分離得到單徑信號，克服頻率選擇性。2倍碼片速率基帶數(shù)據(jù)8倍碼片速率多徑時延信息1倍碼片速率幅度t徑1，延遲t1徑2，延遲t2幅度徑3，延遲t3天線發(fā)射數(shù)據(jù)t幅度天線接收數(shù)據(jù)=各徑+噪聲幅

12、度t幅度ttTECHNOLOGIES CO.,.Page 18譯碼解調(diào)多徑分離多徑搜索插值濾波OFDMA與CDMA比較CDMA的多徑分離假設多徑搜索已經(jīng)把每個徑的時延求出來了，接下來對數(shù)據(jù)進行分離，因為多徑的時延信息是8倍碼片數(shù)據(jù)的，如某徑延遲1/8chip，而接收到的基帶數(shù)率是2倍碼片數(shù)率的，為了找到延遲1/8chip的樣點，必須先把基帶數(shù)據(jù)插值至8倍碼片數(shù)率。分離的算法如下 ：幅度8倍碼片速率的基帶數(shù)據(jù)t1t2t3t徑1的數(shù)據(jù)降采樣徑2的數(shù)據(jù)降采樣徑3的數(shù)據(jù)降采樣TECHNOLOGIES CO.,.Page 19徑3解調(diào)徑2解調(diào)徑1解調(diào)OFDMA與CDMA比較OFDMA與CDMA主要異同B

13、it級處理兩種體制相同。Bit級處理主要包括解擾、解交織、譯碼、CRC校驗等。CDMA解調(diào)需要每個用戶每個徑單獨解調(diào)，然后再進行用戶的多徑合并，多徑搜索、解調(diào)的運算量很大。OFDMA只采用一次FFT就完成了用戶數(shù)據(jù)分離，解調(diào)算法簡單，實現(xiàn)容易，成本低。CDMA采用擴頻機制，其接收信噪比要求較低，量化位寬比較小。OFDMA子載波的信噪比直接影響解調(diào)，量化位寬比較大，一般為16位。CDMA的可以每個用戶進行頻偏校正和補償，OFDMA的頻偏校正只能由終端完成，BS無法對各個用戶單獨糾偏TECHNOLOGIES CO.,.Page 20LTETECHNOLOGIES CO.,.Page 21LTEWi

14、max基本傳輸和多址技術下行OFDMA，上行SCFDMAOFDM或OFDMA雙工方式，TDD，半雙工，TDD，半雙工幀結構幀長10ms，分為10個子幀，每個子幀分為兩個時隙幀長2.5-20ms子載波間隔15kHz10.94KHz資源分配基本RB為12個子載波，下行支持集中和分散分配，上行支持集中分配子信道大小為24/48個子載波，支持集中和分散分配子幀/時隙結構每個實現(xiàn)包含7/6個OFDM符號或SC-FDMA塊每個子幀分為若干個突發(fā)調(diào)制方式QPSK,16QAM,64QAMBPSK, QPSK,16QAM,64QAM編碼方式Turbo，卷積卷積+RS級聯(lián)碼，塊Turbo碼，卷積Turbo碼，LD

15、PC多天線技術下行：預編碼SU-MIMO，預編碼MU-MIMO，波束成型，發(fā)射分集上行：MU-MIMO，天線選擇開環(huán)：空間復用，發(fā)射分集，自適應天線系統(tǒng)閉環(huán)：天線分組，選擇，預編碼，SDMAHARQ增量冗余HARQ，下行自適應HARQ，上行同步HARQChase合并與增量冗余HARQLTE基帶結構特點下行OFDMLTE下行采用OFDM技術。其原理圖如下：變換（IFFT和FFT），前者將并行的數(shù)據(jù)流調(diào)制到不同的子載波上，完成頻域到從圖中可以看出，發(fā)端和收端時域的轉換。后者是相反的過程。是添加Cyclic Prefix的作用是避免載波間干擾，保證不同子載波的正交性。TransmitterChann

16、elReceiverTECHNOLOGIES CO.,.Page 22Remover(t)P/SFFTCyclicS/PPrefixn(t)Adds(t)S/PIFFTCyclicP/SPrefixLTE基帶結構特點 上行SC-FDMALTE上行采用單載波頻分復用技術SC-FDMA中的頻域實現(xiàn)方式DFT-S-OFDM（下圖）上行采用單載波技術的原因是，多載波帶來的高PAPR會影響終端的射頻成本和電池可以看出與OFDM不同的是在調(diào)制之前先進行了DFT的轉換，這樣最終發(fā)射的時域信號會大大減小PAPR這種處理的缺點就是增加了射頻調(diào)制的復雜度Coded symbol rate= RSub-carrie

17、r MapCPinsertionDFTIFFTNTX symbolsSize-NFFTSize-NTX實際上DFT-S-OFDM可以認為是一種特殊的多載波復用方式，其輸出的信息同樣具有多載波特性，但是由于其有別于OFDM的特殊處理，使其具有單載波復用相對較低的PAPR特性。TECHNOLOGIES CO.,.Page 23LTE 基帶結構特點LTE 幀結構雙工方式：/TDD下行為OFDMA，上行為SC-OFDMAOne radio frame, Tf = 307200Ts=10 msOne slot, Tslot = 15360Ts = 0.5 ms#0#1#2#3One subframeTE

18、CHNOLOGIES CO.,.Page 24#18#19Resource GridOne downlink slot, TslotOne uplink slot, TslotN ULSC-FDMA symbolsResource blockDLRBResource blockresource elementssymbscULRBsymbscResource elementResource element, N DLOFDM symbolssymbN ULl 0l1symbTECHNOLOGIES CO.,.Page 25DLN RBsubcarriersNRBscRBNscsubcarrie

19、rsN ULN RBsubcarriersNRBscsymbLTE基帶結構特點LTE的OFDM參數(shù)f /系統(tǒng)帶寬/信號帶寬采樣率FsFFT size 子載波間隔 CP符號長度Tbff/1bTECHNOLOGIES CO.,.Page 26LTE下行峰值速率需求()TECHNOLOGIES CO.,.Page 27DownlinkAmptions64 QAM, R=1Signal overhead for referenignals and control channel occupying one OFDM symbolUnitMbps in 20MHzb/s/HzRequirement100

20、5.022 MIMO172.88.644 MIMO326.416.3LTE上行峰值速率需求()TECHNOLOGIES CO.,.Page 28UplinkAmptionsSingle TX UE, R=1Signal overhead for referenignals and control channel occupying 2RBUnitMbps in 20MHzb/s/HzRequirement1005.016QAM57.62.964QAM86.44.3MIMO的基本原理MIMO的本質是線性方程組一個發(fā)端信號對應一個未知數(shù),一個收端信號對應一個方程; 當未知數(shù)個數(shù)不大于方程個數(shù), 并

21、且線性變換關系可逆(非奇異,滿秩),則可解出未知數(shù);能解出的未知數(shù)個數(shù)是MIMO的度的增加;度;MIMO信道容量增大的來源于TECHNOLOGIES CO.,.Page 29使用MIMO的若干方式SISOSingle Input, Single OutputMISOMultiple Input,Single OutputSIMOSingle Input,Multiple OutputMIMOMultiple Input,Multiple OutputSDMATECHNOLOGIES CO.,.Page 30多天線技術的優(yōu)勢TECHNOLOGIES CO.,.Page 31提高頻譜利用率陣列增益

22、改善系統(tǒng)覆蓋改善系統(tǒng)容量提值速率（Array gain）分集增益（Diversity gain）空間復用增益（Spatial multiplexing gain）干擾抑制增益（co-channelerferencereduction）多天線系統(tǒng)的收益陣列增益：通過對N個天線的接收分集和閉環(huán)發(fā)射分集對接收的信號進行相干合并，實際是對接收信號實際信噪比的改善分集增益：減少信道下接收信號信噪比的波動空間復用增益：如果信道環(huán)境散射充分，那么復用復用技術可以將MIMO等效成空口速率。實質是將SINR在不同天線上進行多個并行的傳輸信道，成倍的分配，使用并行較低的SINR代替串行的較高的SINR信道干擾對消

23、增益：考慮多用戶下的干擾消除，類似與智能天線技術TECHNOLOGIES CO.,.Page 32支持MIMO方式的對比*TDD系統(tǒng)可以利用上下行信道的對稱性進行beamforming或SDMATECHNOLOGIES CO.,.Page 33LTEwimax同步信道TSTD分集無下行公共控制信道基于SFBC的分集技術無下行數(shù)據(jù)信道基于SFBC的分集技術 Precoding 空間復用 Precoding 多用戶MIMO基于STTD分集 Precoding 空間復用 Precoding 多用戶MIMOTDD beamforming/SDMA*上行控制信道天線選擇分集無上行數(shù)據(jù)信道天線選擇分集多用

24、戶協(xié)作MIMOSFBC多用戶協(xié)作MIMOWimax MIMO/BF的系統(tǒng)增益下行2天線MIMO A/B自適應比MIMO A有10左右的容量下行4天線BF MIMO A/B自適應比2天線MIMO A/B自適應有10左右的容量上行4天線接收比2天線接收有15左右的容量。上行4收 CSM比4收 w/o CSM，有15左右的容量備注：SU-MIMO表示單用戶MIMO，CSM表示上行協(xié)作MIMO，上述容量前提：29：18，2.5G，10M帶寬TECHNOLOGIES CO.,.Page 34天線配置發(fā)射方案移動速度（km/h）ISD扇區(qū)吞吐量(Mbps)扇區(qū)吞吐量比較permuion12SU-MIMOPUSC3700m3.391003900m2.2810014SU-MIMOPUSC3700m3.941163900m2.6611612CSM(V-MIMO)PUSC3500m6.4512314CSM(V-MIMO)PUSC3500m6.45139天線配置