1、LTE關鍵技術分析Page 2培訓目標l學完本課程后，您應該能：l了解LTE高階調制 、AMC 、HARQ和宏分集技術分析l掌握OFDM的基本原理l了解OFDM和CDMA技術各自的優缺點l掌握LTE的下行多址方式和上行多址方式l掌握LTE采用的MIMO方式Page 3目 錄l高階調制 、AMC 、HARQ和宏分集技術分析lOFDM技術基本原理lOFDM技術優勢與不足l下行多址技術和上行多址技術lLTE 下行和上行MIMO技術Page 4目 錄l高階調制 、AMC 、HARQ和宏分集技術分析lOFDM技術基本原理lOFDM技術優勢與不足l下行多址技術和上行多址技術lLTE 下行和上行MIMO技術

2、Page 5LTE的調制方式Page 6LTE 關鍵技術關鍵技術_高階調制對吞吐量的改善高階調制對吞吐量的改善l PA3 Channel (64QAM vs 16QAM)l 小區邊緣小區邊緣: 0% 增益。增益。l 小區中心小區中心: 0%10% 增益。增益。l 靠近基站靠近基站: 30%50% 增益。增益。高階調制增益受信道條件影響較大高階調制增益受信道條件影響較大l PB3 Channel (64QAM vs 16QAM)l 小區邊緣: 0% 增益。l 小區中心: 0% 增益。l 靠近基站: 10%20% 增益。Page 7自適應調制和編碼AMC）l信道質量的信息反饋，即Channel Q

3、uality Indicator （CQI）lUE測量信道質量，并報告每1ms或者是更長的周期給eNodeBleNodeB基于CQI來選擇調制方式，數據塊的大小和數據速率較差的信道環境 較多的信道編碼冗余Node BNode B較好的信道環境較差的信道環境較好的信道環境 較少的信道編碼冗余 較低階的調制較低階的調制 較高階的調制Page 8CQI索引CQI indexmodulationcode rate x 1024efficiency0out of range1QPSK780.15232QPSK1200.23443QPSK1930.37704QPSK3080.60165QPSK4490.8

4、7706QPSK6021.1758716QAM3781.4766816QAM4901.9141916QAM6162.40631064QAM4662.73051164QAM5673.32231264QAM6663.90231364QAM7724.52341464QAM8735.11521564QAM9485.5547Page 9LTE關鍵技術 - HARQ傳統的傳統的ARQ接收端接收數據塊，并解編碼接收端接收數據塊，并解編碼根據根據CRC解校驗，得到誤塊率解校驗，得到誤塊率如果數據塊誤塊率高如果數據塊誤塊率高 丟棄錯誤的數據塊丟棄錯誤的數據塊接收端要求發送端重發完整的錯誤的數接收端要求發送端重發

5、完整的錯誤的數據塊據塊混合混合HARQ接收端接收數據塊，并解編碼接收端接收數據塊，并解編碼根據根據CRC解校驗，得到誤塊率解校驗，得到誤塊率如果誤塊率較高如果誤塊率較高 暫時保存錯誤的數據塊暫時保存錯誤的數據塊接收端要求發送端重發接收端要求發送端重發接收端將暫存的數據塊和重發的數據混合后再解接收端將暫存的數據塊和重發的數據混合后再解編碼編碼HARQ with Soft Combining eNodeBUEPacket1?NPacket 1Packet 1Packet 1Packet1?+APacket2TransmitterReceiverPage 10H-ARQ不同類型lLTE中HARQ技術

6、主要是系統端對編碼數據比特的選擇重傳以及終端對物理層重傳數據合并。l通過RV參數來選擇虛擬緩存中不同編碼比特的傳送。不同RV參數配置支持：lCCChase Combining）（重復發送相同的數據）lFIRFull Incremental Redundancy）（優先發送校驗比特）l不同次重傳，盡可能采用不同的r參數，使得打孔圖樣盡可能錯開，保證不同編碼比特傳送更為平均。Page 11Hybrid Automatic Repeat reQuest ( HARQ )lChase Combining ( CC ) 重傳方式舉例Page 12Hybrid Automatic Repeat reQue

7、st ( HARQ )lIncremental Redundancy ( IR ) 重傳方式舉例Page 13多進程“停-等HARQl “停-等”（Stop-and-Wait，SaWHARQl 對于某個HARQ進程，在等到ACK/NACK反饋之前，此進程暫時中止，待接收到ACK/NACK后，在根據是ACK還是NACK決定發送新的數據還是進行舊數據的重傳。Page 14目 錄l高階調制 、AMC 、HARQ和宏分集技術分析lOFDM技術基本原理lOFDM技術優勢與不足l下行多址技術和上行多址技術lLTE 下行和上行MIMO技術Page 15OFDM的由來單載波lOFDM：l Orthogonal

8、 Frequency Division Multiplexingl 正交頻分復用frequency傳統多載波frequencyOFDMfrequencyPage 16OFDM發射流程Page 17OFDM的核心操作Page 18OFDM實現方法l使用傳統振蕩器l使用IFFTPage 19OFDM實現方法續）Page 20正交性體現在一個OFDM符號內包含多個子載波。所有的子載波都具有相同的幅值和相位，從圖中可以看出，每個子載波在一個OFDM符號周期內都包含整數倍個周期，而且各個相鄰的子載波之間相差1個周期。Page 21OFDM是為多徑衰落信道而設計的l時域影響：符號間干擾l頻域影響：頻率選擇

9、性衰落Page 22加CP操作Page 23CP長度的確定Page 24CP長度的確定lCP長度的考慮因素：頻譜效率/符號間干擾和子載波間干擾l越短越好：越長，CP開銷越大，系統頻譜效率越低l越長越好：可以避免符號間干擾和子載波間干擾Page 25CP長度的確定Page 26應對頻率選擇性衰落-窄帶并行傳輸l化零為整，簡化接收機的信道均衡操作l避免符號間干擾和天線間干擾相互混雜，有效分離信道均衡和MIMO檢測Page 27子載波間隔確定l考慮因素：頻譜效率和抗頻偏能力l子載波間隔越小，調度精度越高，系統頻譜效率越高l子載波間隔越小，對多普勒頻移和相位噪聲過于敏感l當子載波間隔在10KHz以上，

10、相位噪聲的影響相對較低l多普勒頻移影響大于相位噪聲以此為主）Page 28多普勒頻移Page 29多普勒頻移l 設手機發出信號頻率為fT，基站收到的信號頻率為fR，相對運動速度為，為電磁波在自由空間的傳播速度(光速)；fdoppler即為多普勒頻移l 例360km/h車速，3GHz頻率的多普勒頻移：1RTTdopplerVffffC398360 10 /36003 1010003 10HzPage 30子載波間隔確定-多普勒頻移影響l2GHz頻段，350km/h帶來648Hz的多普勒頻移，對高階調制64QAM造成顯著影響。l低速場景，多普勒頻移不顯著，子載波間隔可以較小l高速場景，多普勒頻移是

11、主要問題，子載波間隔要較大l仿真顯示，子載波間隔大于11KHz，多普勒頻移不會造成嚴重性能下降l當15KHz時，EUTRA系統和UTRA系統具有相同的碼片速率，因此確定單播系統中采用15KHz的子載波間隔l獨立載波MBMS應用場景為低速移動，應用更小的子載波間隔，以降低CP開銷，提高頻譜效率，采用7.5KHz子載波lWimax的子載波間隔為10.98KHz，UMB的子載波間隔為9.6KHzPage 31OFDM圖示Page 32目 錄l高階調制 、AMC 、HARQ和宏分集技術分析lOFDM技術基本原理lOFDM技術優勢與不足l下行多址技術和上行多址技術lLTE 下行和上行MIMO技術Page

12、 33OFDM技術的優勢l頻譜效率高l帶寬擴展性強l抗多徑衰落l頻域調度和自適應l實現MIMO技術較為簡單Page 34OFDM技術的優勢-頻譜效率高l各子載波可以部分重疊，理論上可以接近Nyquist極限。l實現小區內各用戶之間的正交性，避免用戶間干擾，取得很高的小區容量。l相對單載波系統WCDMA），多載波技術是更直接實現正交傳輸的方法Page 35OFDM技術的優勢-帶寬擴展性強lOFDM系統的信號帶寬取決于使用的子載波數量，幾百kHz幾百MHz都較容易實現，FFT尺寸帶來的系統復雜度增加相對并不明顯。l非常有利于實現未來寬帶移動通信所需的更大帶寬，也更便于使用2G系統退出市場后留下的小

13、片頻譜。l單載波CDMA只能依賴提高碼片速率或多載波CDMA的方式支持更大帶寬，都可能造成接收機復雜度大幅上升。lOFDM系統對大帶寬的有效支持成為其相對單載波技術的決定性優勢。Page 36OFDM技術的優勢-抗多徑衰落l多徑干擾在系統帶寬增加到5MHz以上變得相當嚴重。lOFDM將寬帶轉化為窄帶傳輸，每個子載波上可看作平坦衰落信道。l插入CP可以用單抽頭頻域均衡FDE糾正信道失真，大大降低了接收機均衡器的復雜度l單載波信號的多徑均衡復雜度隨著帶寬的增大而急劇增加，很難支持較大的帶寬。對于更大帶寬20M以上，OFDM優勢更加明顯Page 37OFDM技術的優勢-頻域調度和自適應l集中式、分布

14、式子載波分配方式l集中式子載波分配方式：時域調度、頻域調度l分布式子載波分配方式：終端高速移動或低信干噪比，無法有效頻域調度Page 38多載波/單載波對頻率選擇性衰落的適應Page 39OFDM技術的優勢-實現MIMO技術簡單lMIMO技術關鍵是有效避免天線間的干擾IAI），以區分多個并行數據流。l在平坦衰落信道可以實現簡單的MIMO接收。l頻率選擇性衰落信道中，IAI和符號間干擾ISI混合在一起，很難將MIMO接收和信道均衡分開處理Page 40OFDM技術存在的問題lPAPR問題l時間和頻率同步l多小區多址和干擾抑制Page 41OFDM不足1峰均比高l下行使用高性能功放，上行采用SC-

15、FDMA以改善蜂均比Page 42OFDM不足2對頻率偏移特別敏感lLTE使用頻率同步解決頻偏問題Page 43OFDM不足3-多小區多址和干擾抑制lOFDM系統雖然保證了小區內用戶的正交性，但無法實現自然的小區間多址CDMA則很容易實現）。如果不采取額外設計，將面臨嚴重的小區間干擾某些寬帶無線接入系統就因缺乏這方面的考慮而可能為多小區組網帶來困難）。可能的解決方案包括加擾、小區間頻域協調、干擾消除、跳頻等。Page 44目 錄l高階調制 、AMC 、HARQ和宏分集技術分析lOFDM技術基本原理lOFDM技術優勢與不足l下行多址技術和上行多址技術lLTE 下行和上行MIMO技術Page 45

16、多址技術l下行多址技術：OFDMAl上行多址技術l主要考慮因素：終端處理能力有限，尤其發射功率受限。OFDM技術由于高的PAPR問題不利于在上行實現。l單載波SC傳輸技術PAPR較低lLTE采用在頻域實現的多址方式：單載波頻分多址SC-FDMA）Page 46OFDMA VS SC-FDMAPage 47下行調制多址OFDMASub-carriers TTI： 1ms Frequency Time Time frequency resource for User 1 Time frequency resource for User 2 Time frequency resource for U

17、ser 3 System Bandwidth Sub-band： 12Sub-carriers Page 48E-UTRAN空口技術-上行調制多址SC_FDMAPage 49目 錄l高階調制 、AMC 、HARQ和宏分集技術分析lOFDM技術基本原理lOFDM技術優勢與不足l下行多址技術和上行多址技術lLTE 下行和上行MIMO技術Page 50目 錄5. LTE 下行和上行MIMO技術 5.1 MIMO技術概述 5.2 下行MIMO的實現 5.3 上行MIMO的實現Page 51LTE多天線技術l無線通信系統可以利用的資源：時間、頻率、功率、空間lLTE系統中，對空間資源和頻率資源進行了重新

18、開發，大大提高了系統性能。l多天線技術通過在收發兩端同時使用多根天線，擴展了空間域，充分利用了空間擴展所提供的特征，從而帶來了系統容量的提高。Page 52MIMO的定義l廣義定義：多進多出廣義定義：多進多出Multiple-Input Multiple-OutputMultiple-Input Multiple-Output）l多個輸入和多個輸出既可以來自于多個數據流，也可以來自于一個數據流的多個多個輸入和多個輸出既可以來自于多個數據流，也可以來自于一個數據流的多個版本。版本。l按照這個定義，各種多天線技術都可以算作按照這個定義，各種多天線技術都可以算作MIMOMIMO技術技術l狹義定義：多

19、流狹義定義：多流MIMOMIMO提高峰值速率提高峰值速率l多個信號流在空中并行傳輸多個信號流在空中并行傳輸l按照這個定義，只有空間復用和空分多址可以算作按照這個定義，只有空間復用和空分多址可以算作MIMOMIMOPage 53MIMO技術的分類l從從MIMOMIMO的效果分類：的效果分類：l傳輸分集傳輸分集Transmit DiversityTransmit Diversity）l利用較大間距的天線陣元之間或賦形波束之間的不相關性，發射或接收一個數據流，利用較大間距的天線陣元之間或賦形波束之間的不相關性，發射或接收一個數據流，避免單個信道衰落對整個鏈路的影響。避免單個信道衰落對整個鏈路的影響。

20、l波束賦形波束賦形BeamformingBeamforming）l利用較小間距的天線陣元之間的相關性，通過陣元發射的波之間形成干涉，集中能量利用較小間距的天線陣元之間的相關性，通過陣元發射的波之間形成干涉，集中能量于某個或某些特定方向上，形成波束，從而實現更大的覆蓋和干擾抑制效果。于某個或某些特定方向上，形成波束，從而實現更大的覆蓋和干擾抑制效果。l空間復用空間復用Spatial MultiplexingSpatial Multiplexing）l利用較大間距的天線陣元之間或賦形波束之間的不相關性，向一個終端利用較大間距的天線陣元之間或賦形波束之間的不相關性，向一個終端/ /基站并行發射基站并

21、行發射多個數據流，以提高鏈路容量峰值速率）。多個數據流，以提高鏈路容量峰值速率）。l空分多址空分多址SDMASDMA）l利用較大間距的天線陣元之間或賦形波束之間的不相關性，向多個終端并向發射數據利用較大間距的天線陣元之間或賦形波束之間的不相關性，向多個終端并向發射數據流，或從多個終端并行接收數據流，以提高用戶容量。流，或從多個終端并行接收數據流，以提高用戶容量。l從是否在發射端有信道先驗信息分：從是否在發射端有信道先驗信息分：l閉環閉環Close-LoopClose-LoopMIMOMIMO：通過反饋或信道互異性得到信道先驗信息：通過反饋或信道互異性得到信道先驗信息l開環開環Open-Loop

22、Open-LoopMIMOMIMO：沒有信道先驗信息：沒有信道先驗信息Page 54下行MIMO技術使用場景Page 55下行MIMO技術使用場景Page 56目 錄5. LTE 下行和上行MIMO技術 5.1 MIMO技術概述 5.2 下行MIMO的實現 5.3 上行MIMO的實現Page 57下行物理信道的基帶信號處理l碼字：經過FEC編碼和QAM調制的數據流，形成于QAM調制模塊的輸出端。我們假定一個碼字只能有一個碼率如1/3碼率和一種調制方式如16QAM）。l層：明確的QAM調制數據流，形成于碼字到層映射模塊的輸出端。一個層的峰值速率可以等于或低于一根傳輸天線的峰值速率。此外，不同的層

23、可以傳輸相同或不同的比特信息。l秩r）：若定義R為單根天線的峰值速率，則發送端可以達到的峰值速率為rR。對于空間復用秩等于層數。lLTE支持最大層數L=4，最大碼字數Q=2 Page 58層映射l層映射實體有效地將復數形式的調制符號映射到一個或多個傳輸層上，從而將數據分成多層。根據傳輸方式的不同，可以使用不同的層映射方式。Page 59碼字層天線口之間的關系Page 60傳輸分集的層映射層數（L）碼字數目（Q)映射關系21第1碼字第1層和第2層41第1碼字第1層、第2層、第3層和第4層Page 61MIMO-傳輸分集l最常用的傳輸分集技術包括：（Alamouti編碼）l空時塊碼STBC，Spa

24、ce-Time Block Codes）p空頻塊碼SFBC，Space-Frequency Block Codes）lLTE支持SFBC傳輸分集技術Page 62MIMO-傳輸分集l當傳輸天線數為2時，采用SFBCl當傳輸天線數為4時，采用Alamouti編碼和其他方式進行組合的方式進行分集傳輸lSFBC+循環延遲分集CDDlSFBC+天線切換分集Page 63天線切換分集l當發射端存在多根傳輸天線時，從時間或頻率上按照一定的順序依次選擇其中一根天線進行傳輸的技術。l時間切換傳輸分集：在不同的時間上進行天線的切換Time Switched Transmit Diversity，TSTD）；l頻

25、率切換傳輸分集：在不同的子載波上進行天線切換Frequency Switched Transmit Diversity, FSTD）。Page 64時間切換傳輸分集TSTDPage 65頻率切換傳輸分集FSTDPage 66天線切換分集與SFBC結合*12*21*34*4300000000sssssssslFSTD和SFBC結合的4發射天線傳輸分集lLTE支持上行天線時間切換傳輸分集TSTD）。l支持FSTD和SFBC結合作為一種傳輸分集方式頻率頻率1 1 頻率頻率2 2 頻率頻率3 3 頻率頻率4 4天線天線1 1天線天線2 2天線天線3 3天線天線4 4Page 67空間復用傳輸l LTE

26、支持多碼字MCW的空間復用傳輸l 多碼字：用于空間復用傳輸的來自于多個不同的獨立進行信道編碼的數據流，每個碼字可以獨立的進行速率控制，分配獨立的混合自動重傳請求HARQ進程；l 單碼字的空間復用傳輸：用于空間復用傳輸的多層數據流僅僅來自于一個信道編碼之后的數據流。Page 68空間復用層映射l LTE支持最大層數L=4，最大碼字數Q=2l 碼字和層映射關系：層數（L）碼字數目（Q)映射關系11第1碼字第1層21第1碼字第1層;第1碼字第2層22第1碼字第1層;第2碼字第2層32第1碼字第1層第2碼字第2層和第3層42第1碼字第1層和第2層第2碼字第3層和第4層Page 69開環空間復用l開環空

27、間復用模式下的Large-delay CDDleNodeB周期地分配不同的Precoding碼字到不同的數據子載波中。其中每m個子載波用不同的Precoding碼字，m為Rank數。lLarge-delay CDD方案只用于Rank1l支持Rank 1和開環空間復用的動態Rank自適應l不需要PMI反饋，兩個碼字的CQI沒有空間差異l設計用于高速場景的UEl較少的反饋開銷)()()()()()()1()0()1()0(ixixUiDiWiyiyPPage 70閉環空間復用leNodeB需要進行數據預編碼l系統從預定義的碼本中選擇最適合的Precoding矩陣，預定義碼本同時保存在eNodeB和

28、UE中lUE在評估信道質量的基礎上，選擇該時刻最適合的Precoding矩陣，并將矩陣索引發送給eNode BPage 71閉環空間復用 - 預編碼碼本l反饋內容：lCQI：信道質量指示lPMI：預編碼矩陣指示lDL SU-MIMO碼本數量l2 Tx天線：6； 4 Tx天線： 16l碼本方案可適用于不同的天線配置l交叉極化和線性天線陣列Page 72下行預編碼方式l兩種預編碼方式：l非碼本的預編碼方式(non-codebook based pre-coding)l基于碼本的預編碼方式(codebook based pre-coding)Page 73非碼本的預編碼方式:預編碼矩陣計算得到Pag

29、e 74基于碼本的預編碼方式：預編碼矩陣從碼本中選擇得到Page 75下行MIMO應用l支持分集和復用的MIMO模式以及不同MIMO模式之間的自適應切換Pre-coding vectorsUser k dataUser 2 dataUser 1 dataChannel Information1s2sUser1User2User kSchedulerPre-coderPage 76下行波束賦形單流波束賦形單流波束賦形分組波束賦形分組波束賦形基于分組波束賦形的空分多址基于分組波束賦形的空分多址Page 77LTE TDD Beamforming性能lBeamforming性能l單流Beamforming主要用于改善小區邊