LTE技術(shù)-LTE關(guān)鍵技術(shù)

LTE技術(shù)第一章：LTE關(guān)鍵技術(shù)主要內(nèi)容雙工方式1正交頻分復(fù)用2多址方式3MIMO技術(shù)44高階調(diào)制和自適應(yīng)編碼混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳561雙工方式頻分雙工時(shí)分雙工頻分雙工時(shí)分雙工頻分雙工FDD上下行數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸，操作時(shí)需要兩個(gè)獨(dú)立的信道，一個(gè)信道用來(lái)向下傳送信息，另一個(gè)信道用來(lái)向上傳送信息，兩個(gè)信道之間存在一個(gè)保護(hù)頻段，以防止鄰近的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間產(chǎn)生相互干擾。采用FDD模式工作的系統(tǒng)是連續(xù)控制的系統(tǒng)，適應(yīng)于大區(qū)制的國(guó)家和國(guó)際間覆蓋漫游，適合于對(duì)稱業(yè)務(wù)，如話音和交互式數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。頻分雙工時(shí)分雙工時(shí)分雙工TDD是利用時(shí)間來(lái)區(qū)分上行信道和下行信道的雙工方式。在TDD模式的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，接收和傳送使用的是相同的頻率（即載波），但是在不同的時(shí)隙里，即在不同的時(shí)段發(fā)送信息，相互之間留有一定的保護(hù)時(shí)隙，保證上行與下行之間相互隔離。頻分雙工時(shí)分雙工頻分雙工與時(shí)分雙工的區(qū)別-1TDD可以靈活地設(shè)置上下行轉(zhuǎn)換時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱的上下行業(yè)務(wù)帶寬，有效地提高了系統(tǒng)傳輸不對(duì)稱業(yè)務(wù)時(shí)的頻譜利用率。而FDD必須使用成對(duì)的收發(fā)頻率，在支持對(duì)稱業(yè)務(wù)時(shí)能充分利用上下行的頻譜，但在進(jìn)行非對(duì)稱的業(yè)務(wù)時(shí)，頻譜利用率則大為降低。FDD系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。對(duì)于FDD技術(shù)，由于基站的接收和發(fā)送使用不同的射頻單元，且有收發(fā)隔離，因此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，而對(duì)于TDD而言，射頻單元需要分時(shí)隙進(jìn)行接收和發(fā)送，因此TDD需要一個(gè)收發(fā)開(kāi)關(guān)控制射頻模塊。頻分雙工時(shí)分雙工頻分雙工與時(shí)分雙工的區(qū)別-2TDD設(shè)備成本相對(duì)較低。采用TDD模式工作的系統(tǒng)，上下行工作于同一頻率，使之很適用于運(yùn)用智能天線技術(shù)，通過(guò)智能天線的自適應(yīng)波束賦形可有效減少多徑干擾，提高設(shè)備的可靠性，而收發(fā)采用相同頻段的FDD系統(tǒng)則難以采用上述技術(shù)。同時(shí)，智能天線技術(shù)要求采用多個(gè)小功率的線性功率放大器代替單一的大功率線性放大器，其價(jià)格遠(yuǎn)低于單一大功率線性放大器，因此TDD系統(tǒng)的基站設(shè)備成本遠(yuǎn)低于FDD的基站成本。在抗干擾方面，F(xiàn)DD可消除鄰近小區(qū)基站和本區(qū)基站之間的干擾，但仍存在鄰區(qū)基站對(duì)本區(qū)移動(dòng)機(jī)的干擾以及鄰區(qū)移動(dòng)機(jī)對(duì)本區(qū)基站的干擾，而使用TDD則能引起鄰區(qū)基站對(duì)本區(qū)基站、鄰區(qū)基站對(duì)本區(qū)移動(dòng)機(jī)、鄰區(qū)移動(dòng)機(jī)對(duì)本區(qū)基站以及鄰區(qū)移動(dòng)機(jī)對(duì)本區(qū)移動(dòng)機(jī)的四項(xiàng)干擾。綜合比較，F(xiàn)DD系統(tǒng)的抗干擾性能要優(yōu)于TDD系統(tǒng)。2正交頻分復(fù)用OFDM基本概念關(guān)鍵技術(shù)頻分雙工OFDM基本概念OFDM主要思想是將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號(hào)可以通過(guò)在接收端采用相關(guān)技術(shù)來(lái)分開(kāi)，這樣可以減少子信道之間的相互干擾。每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道上可以看成平坦性衰落，從而可以消除碼間串?dāng)_。OFDM的子信道多徑效應(yīng)帶來(lái)的符號(hào)間干擾插入空閑保護(hù)間隔帶來(lái)的子載波干擾如果保護(hù)間隔內(nèi)不插入任何符號(hào)，由于多徑傳播的影響，子載波間的正交性遭到破壞，不同的子載波之間會(huì)產(chǎn)生載波間干擾。循環(huán)前綴為了插入空閑保護(hù)間隔引起的子載波間干擾，OFDM需要在保護(hù)間隔內(nèi)引入循環(huán)前綴CP的概念。CP是將OFDM符號(hào)最后的一段數(shù)據(jù)復(fù)制到該符號(hào)前面形成循環(huán)結(jié)構(gòu)，這樣就可以保證有時(shí)延的OFDM符號(hào)在傅立葉積分周期內(nèi)總是有整數(shù)倍的周期，從而達(dá)到相互正交的結(jié)果。循環(huán)前綴長(zhǎng)度OFDM數(shù)據(jù)處理過(guò)程O(píng)FDM技術(shù)優(yōu)勢(shì)-11）頻譜效率高：各子載波之間可以部分重疊，理論上可以接近奈奎斯特極限；實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)各用戶之間的正交性，避免用戶間干擾，取得很高的小區(qū)容量；相對(duì)單載波系統(tǒng)（如WCDMA），多載波技術(shù)是更直接實(shí)現(xiàn)正交傳輸?shù)姆椒ā?）帶寬擴(kuò)展性強(qiáng)：OFDM系統(tǒng)的信號(hào)帶寬取決于使用的子載波數(shù)量，幾百kHz至幾百M(fèi)Hz都較容易實(shí)現(xiàn)，非常有利于提供未來(lái)寬帶移動(dòng)通信所需的更大帶寬，也更便于使用2G系統(tǒng)退出市場(chǎng)后留下的小片頻譜，而單載波CDMA只能依賴提高碼片速率或多載波的方式支持更大帶寬，都有可能造成接收機(jī)復(fù)雜度大幅上升。OFDM系統(tǒng)對(duì)大帶寬的有效支持成為其相對(duì)單載波技術(shù)的決定性優(yōu)勢(shì)。OFDM技術(shù)優(yōu)勢(shì)-23）抗多徑衰落：多徑干擾在系統(tǒng)帶寬增加到5MHz以上變得相當(dāng)嚴(yán)重，OFDM通過(guò)將寬帶轉(zhuǎn)化為窄帶傳輸，每個(gè)子載波上可看作平坦衰落，并且插入CP可以用單抽頭頻域均衡糾正信道失真，大大降低了接收機(jī)均衡器的復(fù)雜度。單載波信號(hào)的多徑均衡復(fù)雜度隨著帶寬的增大而急劇增加，很難支持較大的帶寬。對(duì)于帶寬20M以上，OFDM優(yōu)勢(shì)更加明顯。4）頻域調(diào)度和自適應(yīng)：OFDM可以利用集中式或者分布式的子載波分配方式應(yīng)對(duì)頻率選擇性衰落的影響。由于用于傳輸?shù)淖虞d波帶寬較小且相互正交，受到頻率選擇性衰落影響的情況各不相同。在為用戶提供載波資源時(shí)，就可以選擇衰落影響小，無(wú)線環(huán)境良好的載波進(jìn)行傳輸。這樣就規(guī)避了頻率對(duì)于信道衰落的影響。OFDM技術(shù)不足1）對(duì)頻率偏移特別敏感：由于OFDM子信道的頻譜相互覆蓋，這就對(duì)它們之間的正交性提出了更高的要求。然而由于無(wú)線信道的時(shí)變性，無(wú)線信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)發(fā)生頻率偏移。載波頻率偏移帶來(lái)兩個(gè)破壞性的影響：一是降低信號(hào)幅度，其次由于OFDM子載波之間的正交性遭到破壞，導(dǎo)致載波間干擾，使得系統(tǒng)的誤碼率性能惡化。在低階調(diào)制下，頻率誤差控制在2%以內(nèi)才能避免信噪比急劇下降。使用更高階調(diào)制時(shí)，頻率精確度要求就更高。OFDM技術(shù)不足2）高峰均比問(wèn)題，高PAPR會(huì)增加模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換的復(fù)雜度，降低射頻功率放大器的效率，增加發(fā)射機(jī)功放的成本和耗電量，不利于在上行鏈路實(shí)現(xiàn)（終端成本和耗電量受到限制）。3多址方式碼分多址時(shí)分多址頻分多址舉一反三多址方式無(wú)線通信系統(tǒng)中常用的多址技術(shù)有碼分多址（CodeDivisionMultipleAccess,，CDMA）頻分多址（FrequencyDivisionMultipleAccess，F(xiàn)DMA）、時(shí)分多址（TimeDivisionMultipleAccess，TDMA）、空分多址（SpaceDivisionMultipleAccess，SDMA）和正交頻分多址（OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess，OFDMA）。CDMA多址方式CDMA多址方式用不同碼型的地址碼來(lái)劃分信道，每一地址碼對(duì)應(yīng)一個(gè)信道，每一信道對(duì)時(shí)間及頻率都是共享的，在CDMA方式中，每個(gè)用戶所分配到的碼字是唯一的，互相正交或準(zhǔn)正交的，以此實(shí)現(xiàn)不同用戶的信號(hào)在頻率和時(shí)間上都可以重疊。在發(fā)射端，信息數(shù)據(jù)被高速地址碼調(diào)制；在接收端，用與發(fā)端相同的本地地址碼控制的相關(guān)器進(jìn)行相關(guān)接收；FDMA多址方式頻分多址是把通信系統(tǒng)的總頻段劃分成若干個(gè)等間隔的頻道（或稱信道）分配給不同的用戶使用。這些頻道互不交疊，其寬度應(yīng)能傳輸一路數(shù)字話音信息，而在相鄰頻道之間無(wú)明顯的串?dāng)_。頻分多址的頻道被劃分成高低兩個(gè)頻段，在高低兩個(gè)頻段之間留有一段保護(hù)頻帶，其作用是防止同一部電臺(tái)的發(fā)射機(jī)對(duì)接收機(jī)產(chǎn)生干擾。TDMA多址方式時(shí)分多址是把時(shí)間分割成周期性的幀，每一幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙（無(wú)論幀或時(shí)隙都是互不重疊的），然后根據(jù)一定的時(shí)隙分配原則，使各個(gè)移動(dòng)臺(tái)在每幀內(nèi)只能按指定的時(shí)隙向基站發(fā)送信號(hào)，在滿足定時(shí)和同步的條件下，基站可以分別在各時(shí)隙中接收到各移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)而不混淆。SDMA多址方式空分多址也稱為多光束頻率復(fù)用，它通過(guò)標(biāo)記不同方位的相同頻率的天線光束來(lái)進(jìn)行頻率的復(fù)用。這種技術(shù)是利用空間劃分成不同的信道。舉例來(lái)說(shuō)，在一顆衛(wèi)星上使用多個(gè)天線，各個(gè)天線的波束射向地球表面的不同區(qū)域。地面上不同地區(qū)的地球站，它們?cè)谕粫r(shí)間、即使使用相同的頻率進(jìn)行工作，它們之間也不會(huì)形成干擾。OFDMA多址方式OFDMA多址接入技術(shù)將傳輸帶寬劃分成正交的互不重疊的一系列子載波集，將不同的子載波集分配給不同的用戶實(shí)現(xiàn)多址。OFDMA系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)地把可用帶寬資源分配給需要的用戶，很容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的優(yōu)化利用。由于不同用戶占用互不重疊的子載波集，在理想同步情況下，系統(tǒng)無(wú)多用戶間干擾，即無(wú)多址干擾。4MIMO產(chǎn)生背景技術(shù)分類MIMO技術(shù)產(chǎn)生背景C=Blog2（1+S/N）（bit/s）B為信道的帶寬（以Hz為單位）；S為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率；N為信道內(nèi)部的平均高斯噪聲功率；MIMO技術(shù)產(chǎn)生背景香農(nóng)公式表明，信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信道的極限傳輸速率就越高。只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)的傳輸。實(shí)際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。對(duì)于頻帶寬度已確定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且碼元傳輸速率也達(dá)到了上限值，此時(shí)提高信道容量C的有效方式就是采用多天線技術(shù)，它能更好地利用空間維度資源，在不增加發(fā)射功率和帶寬的前提下，成倍地提高無(wú)線通信系統(tǒng)的傳輸容量。MIMO技術(shù)分類所謂多天線，就是在進(jìn)行信號(hào)接收和發(fā)送的時(shí)候使用了多根天線，也就意味著系統(tǒng)可以同時(shí)接收和發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)流或者是一個(gè)數(shù)據(jù)流的多個(gè)版本，因此其又稱為多進(jìn)多出或者是多輸入多輸出技術(shù)，即MIMO。利用MIMO達(dá)成的傳輸效果，可以將其分為三類：空間復(fù)用、空間分集、波束賦形空間復(fù)用在空間復(fù)用技術(shù)中，發(fā)射端的高速數(shù)據(jù)流被分割為多個(gè)較低速率的子數(shù)據(jù)流，不同的子數(shù)據(jù)流在不同的發(fā)射天線上采用相同頻段發(fā)射出去。如果發(fā)射端與接收端的天線陣列之間構(gòu)成的空域子信道足夠不同，即能夠在時(shí)域和頻域之外額外提供空域的維度，使得在不同發(fā)射天線上傳送的信號(hào)之間能夠相互區(qū)別，因此接收機(jī)能夠區(qū)分出這些并行的子數(shù)據(jù)流，而不需付出額外的頻率或者時(shí)間資源。空間復(fù)用技術(shù)在高信噪比條件下能夠極大提高信道容量，并且能夠在“開(kāi)環(huán)”，即在發(fā)射端無(wú)法獲得信道信息的條件下使用?？臻g分集在空間分集技術(shù)中，利用較大間距的天線陣元之間或賦形波束之間的不相關(guān)性，發(fā)射或接收同一個(gè)數(shù)據(jù)流，避免單個(gè)信道衰落對(duì)整個(gè)鏈路的影響。信號(hào)包絡(luò)在短距離傳播時(shí)呈瑞利分布，長(zhǎng)距離傳播呈標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。通過(guò)多個(gè)信道接收到承載相同信息的多個(gè)信號(hào)副本，由于信道不同，接受信號(hào)也不同，接收機(jī)將多徑信號(hào)分離成不相關(guān)的多路信號(hào)，這時(shí)接收端誤碼率最小。根據(jù)收發(fā)天線數(shù)又分為發(fā)射分集、接收分集與接收發(fā)射分集。波束賦形在波束賦形技術(shù)中，利用較小間距的天線陣元之間的相關(guān)性，通過(guò)陣元發(fā)射的波之間形成干涉，集中能量于某個(gè)（或某些）特定方向上，形成波束，從而實(shí)現(xiàn)更大的覆蓋和干擾抑制效果。波束賦型技術(shù)又稱為智能天線，通過(guò)對(duì)多個(gè)天線輸出信號(hào)的相關(guān)性進(jìn)行相位加權(quán)，使信號(hào)在某個(gè)方向形成同相疊加，在其他方向形成相位抵消，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的增益。MIMO增益1. 陣列增益由于接收機(jī)對(duì)接收信號(hào)做的相干合并而獲取的平均接收信噪比的提高稱為陣列增益。在發(fā)送端不知道信道信息的情況下，MIMO信道可以獲得的陣列增益與接收天線數(shù)成正比。陣列增益可以提高接收端信噪比，從而提升信號(hào)接收質(zhì)量。MIMO增益2. 復(fù)用增益復(fù)用增益來(lái)源于空間信道理論上的復(fù)用階數(shù)。對(duì)于M*N的MIMO系統(tǒng)，假設(shè)每對(duì)發(fā)射天線和接收天線之間的信道獨(dú)立，并假設(shè)每根天線發(fā)射的信號(hào)相互獨(dú)立且速率相等，則理論上相對(duì)單天線發(fā)射可以獲得的復(fù)用階數(shù)是min（M,N）。min（M,N）表示取發(fā)射天線數(shù)和接收天線數(shù)的最小值。復(fù)用階數(shù)是空間信道容量能力的一個(gè)理論表征，可理解為M*N的MIMO系統(tǒng)提供的理論上的系統(tǒng)容量能力為SISO系統(tǒng)的min（M,N）倍。分集增益3.分集增益分集增益來(lái)源于空間信道理論上的分集階數(shù)。根據(jù)收發(fā)天線數(shù)目的不同，可以分為下面三類。接收分集：被用于SIMO信道，分集階數(shù)的最大值等于接收天線的數(shù)目。發(fā)射分集：常用于MISO信道，可以在發(fā)射機(jī)已知或未知下行信道狀態(tài)信息的情況下進(jìn)行。時(shí)空編碼技術(shù)是一種特殊的發(fā)射分集，依靠特定編碼方案，在無(wú)下行信道信息情況下，仍有較好性能。收發(fā)聯(lián)合分集：對(duì)于M*N的MIMO系統(tǒng)，假設(shè)每對(duì)發(fā)射天線和接收天線之間的信道獨(dú)立，并假設(shè)每根天線發(fā)射的信號(hào)相同，則理論上相對(duì)單天線發(fā)射可以獲得的分集階數(shù)是M*N。M*N表示發(fā)射天線數(shù)和接收天線數(shù)的乘積。分集階數(shù)是空間信道容錯(cuò)能力的一個(gè)理論表征，可理解為M*N的MIMO系統(tǒng)提供的理論上的系統(tǒng)容錯(cuò)能力為SISO系統(tǒng)的M*N倍。LTE系統(tǒng)中的傳輸模式Mode傳輸模式技術(shù)描述應(yīng)用場(chǎng)景1單天線傳輸信息通過(guò)單天線進(jìn)行發(fā)送無(wú)法布放雙通道室分系統(tǒng)的室內(nèi)站2發(fā)射分集同一信息的多個(gè)信號(hào)副本分別通過(guò)多個(gè)衰落特性相互獨(dú)立的信道進(jìn)行發(fā)送信道質(zhì)量不好時(shí)，如小區(qū)邊緣3開(kāi)環(huán)空間復(fù)用終端不反饋信道信息，發(fā)射端根據(jù)預(yù)定義的信道信息來(lái)確定發(fā)射信號(hào)信道質(zhì)量高且空間獨(dú)立性強(qiáng)時(shí)4閉環(huán)空間復(fù)用需要終端反饋信道信息，發(fā)射端采用該信息進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理以產(chǎn)生空間獨(dú)立性信道質(zhì)量高且空間獨(dú)立性強(qiáng)時(shí)，終端靜止時(shí)性能好5多用戶MIMO基站使用相同時(shí)頻資源將多個(gè)數(shù)據(jù)流發(fā)送給不同用戶，接收端利用多根天線對(duì)干擾數(shù)據(jù)流進(jìn)行取消和零陷。6單層閉環(huán)空間復(fù)用終端反饋RI=1時(shí)，發(fā)射端采用單層預(yù)編碼，使其適應(yīng)當(dāng)前的信道7單流Beamforming發(fā)射端利用上行信號(hào)來(lái)估計(jì)下行信道的特征，在下行信號(hào)發(fā)送時(shí)，每根天線上乘以相應(yīng)的特征權(quán)值，使其天線陣發(fā)射信號(hào)具有波束賦形效果信道質(zhì)量不好時(shí)，如小區(qū)邊緣8雙流Beamforming結(jié)合復(fù)用和智能天線技術(shù)，進(jìn)行多路波束賦形發(fā)送，既提高用戶信號(hào)強(qiáng)度，又提高用戶的峰值和均值速率5高階調(diào)制和自適應(yīng)編碼高階調(diào)制自適應(yīng)編碼調(diào)制數(shù)字通信領(lǐng)域中，經(jīng)常將數(shù)字信號(hào)在復(fù)平面上表示，以直觀的表示信號(hào)以及信號(hào)之間的關(guān)系，這種圖示就是星座圖。星座圖可以看成數(shù)字信號(hào)的一個(gè)“二維眼圖”陣列。一般來(lái)說(shuō)，每種調(diào)制方式都有它特定的星座圖。一種調(diào)制方式的“星座點(diǎn)”越多，每個(gè)點(diǎn)代表的比特?cái)?shù)就越多，在同樣的頻帶寬度下提供的數(shù)據(jù)傳輸速率就越快。常見(jiàn)調(diào)制方式常見(jiàn)的調(diào)制方式有如下幾種。BPSK：BinaryPhaseShiftKeying，二相相移鍵控,一個(gè)符號(hào)代表1bit；QPSK：QuadraturePhaseShiftKeying，正交相移鍵控，一個(gè)符號(hào)代表2bit；8PSK：8PhaseShiftKeying，八相相移鍵控，一個(gè)符號(hào)代表3bit；16QAM：16QuadratureAmplitudeModulation，6正交幅相調(diào)制，一個(gè)符號(hào)代表4bit；64QAM：64QuadratureAmplitudeModulation，64正交幅相調(diào)制，一個(gè)符號(hào)代表6bit。高階調(diào)制高階調(diào)制主要用于改善基站的吞吐量，同樣的信號(hào)脈沖，利用64QAM進(jìn)行調(diào)制，相對(duì)于利用16QAM進(jìn)行調(diào)制，信息的傳送速率可以提高50%；但同時(shí)，高階調(diào)制受到信道質(zhì)量的影響較大，在通信環(huán)境惡劣的時(shí)候，高階調(diào)制更容易產(chǎn)生誤碼。LTE的調(diào)制方式LTE支持的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，包括QPSK，16QAM以及64QAM。具體選用哪種調(diào)制方式，需要根據(jù)信道質(zhì)量狀況和資源使用情況來(lái)決定。自適應(yīng)編碼自適應(yīng)調(diào)制編碼（AdaptiveModulationandCoding，AMC）是指系統(tǒng)能夠根據(jù)信道的變化情況，選擇合適的調(diào)制和編碼方式。即系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶瞬時(shí)信道質(zhì)量狀況和目前資源選擇最合適的鏈路調(diào)制和編碼方式，使用戶達(dá)到盡量高的數(shù)據(jù)吞吐率。LTE采用的MCS6HARQ高階調(diào)制自適應(yīng)編碼自動(dòng)請(qǐng)求重傳自動(dòng)請(qǐng)求重傳（AutomaticRepeatRequest，ARQ）是有線通信中