2.LTE系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)：OFDM

TD-LTE3TD-LTE<10kbps<200kbps300kbps-10Mbps<50Mbps50M-1Gbps

數(shù)據(jù)速率(OFDM/MIMO)3GPPFDDIMT-AdvancedWCDMAHSPAHSPA+LTEFDDLTE+GSMGPRS/EDGETDDTD-SCDMAHSPAHSPA+TD-LTETDLTE+

IS-95cdmaOnecdma20001XDORevADORevBUMBUMB+3GPP2

DORev0注：彼此兼容IEEE802.16802.16e802.16mTD-LTE是LTE中的TDD模式，是TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)期演進(jìn)TD-LTE

可變帶寬1.4、3.0MHz，5、10、15、20MHz

高速率下行:100Mbps上行:50Mbps

高效率下行:5bit/s/Hz，上行:2.5bit/s/Hz

低時(shí)延控制面:100ms用戶面:10ms4TD-LTETD-LTE6TD-LTE8TD-LTE9TD-LTE高速數(shù)據(jù)流、擴(kuò)頻增益、呼吸效應(yīng)之間的矛盾 閉環(huán)功控對(duì)電路型業(yè)務(wù)的適應(yīng)性更好10TimeTD-LTEUser#1 #2 #3 #4 #5OnePRBPower

(code)Frequency #620世紀(jì)70年代：使用DFT/IDFT〔FFT/IFFT〕；20世紀(jì)80年代：引入循環(huán)前綴；20世紀(jì)90年代：PRBBandwidthPRBTime-width

采用OFDM的系統(tǒng)播送：DAB、DVB-T/H，高通的MF、我國(guó)清華方案00年代：有線：ADSL/VDSLWPAN:UWBWLAN：802.11a、HIPERLAN-2WMAN：802.16d/e/m、HIPERMAN-2、WiBRO、WWAN：802.20、LTE〔3GPP〕、UMB〔3GPP2〕WRAN：802.22IMT-Ad:4G11TD-LTEOFDM根本原理OFDM信號(hào)產(chǎn)生

OFDM主要參數(shù)

OFDM信號(hào)頻譜保護(hù)間隔循環(huán)前綴1213TD-LTE時(shí)域方波信號(hào)傳統(tǒng)頻分復(fù)用 正交頻分復(fù)用高速串行數(shù)據(jù)流經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后，分割成假設(shè)干低速并行數(shù)據(jù)流；每路并行數(shù)據(jù)流采用獨(dú)立載波調(diào)制并疊加發(fā)送；14TD-LTE信道傳輸函數(shù)信道傳輸函數(shù)H2OFDMH1

Hk…….

頻率OFDM對(duì)信道頻帶的分割作用??TD-LTEh(t)

OFDM用于地面移動(dòng)通信系統(tǒng)， 必須解決多徑時(shí)延擴(kuò)展問(wèn)題；

t

多徑時(shí)延擴(kuò)展現(xiàn)象

循環(huán)擴(kuò)展保護(hù)間隔OFDM時(shí)域信號(hào) OFDM信號(hào)的循環(huán)擴(kuò)展保護(hù)間隔引入循環(huán)前綴CP〔CyclicPrefix〕；CP保護(hù)間隔長(zhǎng)于信道時(shí)延擴(kuò)展； 1516TD-LTE 下行：基于公共參考信號(hào) 上行：基于探測(cè)參考信號(hào)LTE系統(tǒng)支持最大20MHz的信道帶寬，可以充分利用信道的頻率選擇性，獲得：1〕頻率分集增益：不進(jìn)行頻域調(diào)度；2〕頻域調(diào)度增益〔多用戶分集增益〕：用戶選擇最好頻域資源進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；TD-LTE17TD-LTEOFDM子載波時(shí)域圖

18TD-LTEOFDM子載波頻域圖

19??????TD-LTE??????TD-LTE22TD-LTEWHYDOOFDM？發(fā)射信號(hào)

強(qiáng) 度

接收信號(hào)0時(shí)間移動(dòng)通信不得不處理多徑干擾和多普勒效應(yīng)：OFDM優(yōu)勢(shì)明顯。TD-LTEISI產(chǎn)生原理示意圖23TD-LTE基于OFDM實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸

exp(?jπNs(t?ts)/T) exp(?jπ(Ns?2)(t?ts)/T)

∑

exp(?jπ(Ns?2)(t?ts)/T)

24TD-LTEOFDM數(shù)據(jù)傳輸

傳輸數(shù)據(jù)

保護(hù)數(shù)據(jù)0 1 010Frequency

time

Time產(chǎn)生頻率差異，以提高抗衰落的能力。

25TD-LTE頂峰均比頻偏敏感相位敏感26TD-LTETD-LTEMC時(shí)頻資源表aaddaaddaaddaacceeaacceeaaccee頻率begbegbegbbbeffgggbbbeffgggbbbeffggg時(shí)間

30TD-LTE多載波調(diào)制〔MCM〕單載波調(diào)制〔SCM〕 31TD-LTE OFDM根本原理〔1〕Distanttransmitter NearesttransmitterTD-LTE OFDM根本原理〔2〕 exp(?jπNs(t?ts)/T)exp(?jπ(Ns?2)(t?ts)/T) ∑ exp(?jπ(Ns?2)(t?ts)/T) 34TD-LTEOFDM根本原理〔3〕 352?2?36TD-LTEOFDM根本原理〔4〕IDFT/DFT計(jì)算量：IFFT/FFT計(jì)算量(基2算法)：O(N)

?N?O?log2(N)?37TD-LTE OFDM符號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)OFDM系統(tǒng)滿足Nyquist無(wú)碼間干擾準(zhǔn)那么。但此時(shí)的符號(hào)成型不象通常的系統(tǒng)，不是在時(shí)域進(jìn)行脈沖成型，而是在頻域?qū)崿F(xiàn)的。因此時(shí)頻對(duì)偶關(guān)系，通常系統(tǒng)中的碼間干擾(ISI)變成了OFDM系統(tǒng)中的子載波間干擾(ICI〕為了消除ICI，要求OFDM系統(tǒng)在頻域采樣點(diǎn)無(wú)失真。38TD-LTE OFDM時(shí)域信號(hào)例如 3 2 1 0-1-2-300.20.40.60.81子載波數(shù)目N=4，承載的數(shù)據(jù)為(1,1,1,1)時(shí)，四個(gè)載波獨(dú)立的波形和迭加后的信號(hào)TD-LTEOFDM符號(hào)的產(chǎn)生

5MHzBandwidthFFTSub-carriersSymbolsGuardIntervals…

Frequency…Time39TD-LTE

在RF信道中組織時(shí)間&頻率劃分

Time RF信道帶寬

頻率子帶 時(shí)間段

Frequency

42TD-LTE在“時(shí)間vs頻率〞單元上展開(kāi)子載波 Time OFDM 符號(hào)Frequency使子載波正交，以防止“載波間〞干擾43Fs?f????????'TD-LTEOFDM的主要參數(shù)采樣頻率FsFFT點(diǎn)數(shù)NFFT子載波間隔△f有用符號(hào)時(shí)間Ts循環(huán)前綴時(shí)間TgOFDM符號(hào)時(shí)間Ts’可用子載波數(shù)目Nc載波的調(diào)制方式

?f=

NFFTTs=1

Ts'=Tg+Ts?前向糾錯(cuò)編碼的選擇Ts?f=

1TsTgT'

sTs關(guān)鍵參數(shù)：△f,Tcp以及Nc采樣頻率以及FFT點(diǎn)數(shù)與實(shí)現(xiàn)相關(guān)

44有用的符號(hào)UsefulTD-LTE參數(shù)的選擇原那么

帶寬Nc=F/△f

時(shí)延TGTU速率保護(hù)TransmittedSymbolSymbol1/4TS

1/81/1645TD-LTEISI與ICI

46TD-LTE兩徑信道傳輸例如47TD-LTE保護(hù)時(shí)間48TD-LTEOFDM插入保護(hù)間隔，以防止“符號(hào)間〞干擾保護(hù)間隔有用的符號(hào)間隔

timeOFDM

符號(hào)frequency保護(hù)間隔導(dǎo)致了傳輸容量的損失49TD-LTEOFDM保護(hù)間隔-抗多徑Multipath

發(fā)射機(jī)A

1微秒

= 300米符號(hào)周期[1ms]反射

直接路徑接收點(diǎn)

信號(hào)來(lái)自回波的幾微秒干擾。保護(hù)間隔OFDM具有天生的抗干擾性。一般系統(tǒng)需要時(shí)域均衡器，符號(hào)周期短。50TD-LTEOFDM保護(hù)間隔-SFN

發(fā)射機(jī)B

1微秒

= 300米保護(hù)間隔符號(hào)周期平安區(qū)域反射

發(fā)射機(jī)A

直接路徑接收點(diǎn) 信號(hào)

51TD-LTE循環(huán)前綴和后綴

TI=T+TGTprefixTTpostfixβTs

52tTD-LTECP的來(lái)源-DFT的周期性TTT1CyclicPrefix2CyclicPostfixor CyclicSuffic 3CyclicPrefixand CyclicSuffic

53TD-LTEOFDM符號(hào)循環(huán)前綴

54TD-LTE循環(huán)前綴CP的使用會(huì)導(dǎo)致：功率損失和帶寬損失

55frequencyfrequencyBWBWTD-LTEOFDM中的信道估計(jì)SubframetimeSubframetime

57TD-LTEOFDM插入“同步導(dǎo)頻〞幫助接收機(jī)鎖定在信號(hào)上 OFDM幀 NOFDM符號(hào)) time FFT 對(duì)接收機(jī)frequency時(shí)間窗同步信號(hào)再次導(dǎo)致了傳輸容量的損失

58???????,?0??c=,?259TD-LTE信道估計(jì)算法

×

線性插值算法H(k,m)=HP(k,m1)a+HP(k,m2)(1?a)Df

×

高階線性插值算法H(k,(m?1)×Df+l)= =c1Hp(k,m?1)+c0Hp(k,m)+c?1Hp(k,m+1)Dfwherea=d1/Df,d1<Df

α(α?1)

?c1=2where?c=?(α?1)(α+1), α(α+1)

?1α=l/NTD-LTEOFDM中的同步 由于定時(shí)偏移(TimingOffset) 和載波頻率偏移〔CFO: CarrierFrequencyOffset〕都 會(huì)嚴(yán)重影響OFDM性能的檢測(cè) 性能，頻率同步和時(shí)間同步對(duì) OFDM系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是必需的?找出符號(hào)邊界和最優(yōu)定時(shí)，以使載?糾正接收信號(hào)的載波頻偏,因?yàn)槿尾ㄩg干擾(ICI)及符號(hào)間干擾(ISI)最小何頻偏都會(huì)導(dǎo)致ICI61?TD-LTE OFDM中的同步〔1〕FFT處理窗位置與OFDM符號(hào)的相對(duì)關(guān)系超前放置FFT處理窗延遲放置FFT處理窗CP1

TGData1

TCP2Data2?一個(gè)OFDM符號(hào)由保護(hù)間隔和有效數(shù)據(jù)采樣構(gòu)成，保護(hù)間隔 在前，有效數(shù)據(jù)在后。如果FFT處理窗延遲放置，那么FFT積 分處理包含了當(dāng)前符號(hào)的樣值與下一個(gè)符號(hào)的樣值。而如 果FFT處理窗超前放置，那么FFT積分處理包含了當(dāng)前符號(hào)的 數(shù)據(jù)局部和保護(hù)時(shí)間局部。后者不會(huì)引入碼間干擾，而前 者卻可能?chē)?yán)重影響系統(tǒng)性能。 62TD-LTE OFDM中的同步〔2〕?時(shí)域同步——確定OFDM系統(tǒng)符號(hào)邊界，并且 提取出最正確的采樣時(shí)鐘，從而減小載波干擾 (ICI)和碼間干擾(ISI)造成的影響。?時(shí)間同步誤差將導(dǎo)致FFT處理窗包含連續(xù)的兩 個(gè)OFDM符號(hào)，從而引入了OFDM符號(hào)間干擾 (ISI)?即使FFT處理窗位置略有偏移，也會(huì)導(dǎo)致 OFDM信號(hào)頻域的偏移，從而造成信噪比損 失，BER性能下降 63TD-LTE OFDM中的同步〔3〕?OFDM系統(tǒng)的時(shí)間同步需要估計(jì)以下幾個(gè)方面 的內(nèi)容： 〔1〕塊的起始位置 〔2〕采樣頻率同步 〔3〕幀的起始時(shí)刻 64FFT?t*tTD-LTE采用循環(huán)前綴實(shí)現(xiàn)OFDM的同步接收信號(hào)的前端信號(hào)與經(jīng)過(guò)T時(shí)延，與后端信號(hào)進(jìn)行TG時(shí)間的相關(guān)運(yùn)算，可以表示：f=

R(?)2π

TFFT估計(jì)最大相關(guān)值的 相位偏移頻率偏移TFFT共軛OFDM信號(hào)∫0TGdt找到最大相關(guān)值符號(hào)同步

TGR(t)=∫0y(t?τ)y(t?τ?TFFT)dτOFDM符號(hào)邊界的估計(jì)

?=argmaxR(t)

t65TD-LTE采用訓(xùn)練序列進(jìn)行OFDM同步OFDM信號(hào)

c0Tsample

c1Tsample……

∑Tsample

cN?1

求最大值符號(hào)同步TD-LTE OFDM中的同步〔4〕?頻域同步 –系統(tǒng)估計(jì)和校正接收信號(hào)的載波偏移 –頻偏〔CFO〕主要由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的本地 振蕩器的不穩(wěn)定性造成 –如果頻率誤差是子載波間隔的整數(shù)倍，將造 成OFDM信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)錯(cuò)位，從而導(dǎo)致誤 碼率BER為50%的嚴(yán)重錯(cuò)誤 –如果頻率誤差不是載波間隔的整數(shù)倍，將引 入ICI，也會(huì)造成系統(tǒng)性能的下降 67TD-LTE OFDM中的同步〔5〕?頻率誤差造成OFDM系統(tǒng)產(chǎn)生載波間干擾例如A(f)A(f)fn?1fnfn+1ffn+δff(a)(b)68TD-LTE OFDM中的同步〔6〕?OFDM系統(tǒng)的同步算法可以分為以下三類： –基于同步導(dǎo)頻的同步算法 –基于循環(huán)前綴〔CP〕的同步算法 –其它不需要導(dǎo)頻的盲同步算法?同步算法可以在頻域或時(shí)域?qū)崿F(xiàn)?OFDM系統(tǒng)的時(shí)頻同步處理分為捕獲和跟蹤兩個(gè)階段： –在捕獲階段，系統(tǒng)使用比較復(fù)雜的同步算法，對(duì)較 長(zhǎng)時(shí)段的同步信息進(jìn)行處理，獲得初步的系統(tǒng)同步。 –在跟蹤階段，可以采用比較簡(jiǎn)單的同步算法，對(duì)于 小尺度的變化進(jìn)行校正 69TD-LTEOFDM實(shí)現(xiàn)方式

多載波OFDM；OFDMA；

單載波DFT-S-OFDMIFDMA71TD-LTE多載波：OFDM/OFDMA〔1〕?根本傳輸框圖 72TD-LTE多載波：OFDM/OFDMA〔2〕?分集

–多用戶分集

?每個(gè)用戶集中在某一頻段發(fā)射

?在頻域進(jìn)行信道相關(guān)調(diào)度

–頻率分集

?各用戶分布在頻域

?額外的頻率分集

73TD-LTEOFDM實(shí)現(xiàn)框圖

75????TD-LTEOFDM系統(tǒng)的峰均比問(wèn)題PSD(dB)TD-LTEOFDM和SCM的功率譜PSD

10

OFDM

0

SCM 20dB-10-20-30-40-50-40-2002040f

N?1Ps(w)=C∑

m=0sin2(πTu(f?m/Tu))

π2(f?m/Tu)277TD-LTE降低PAPR的方法對(duì)每個(gè)OFDM符號(hào)BER惡化？數(shù)字？模擬？降低峰均比78TD-LTE 單載波：DFT-S-OFDM〔1〕?根本傳輸框圖 7900000120000TD-LTE單載波：DFT-S-OFDM〔2〕?LocalizedFDMAIncomingBit Stream

Serialto ParallelConvertermbitsmbits

BittoConstellation Mapping BittoConstellation Mappingx(0,n)x(1,n)

fo

f1M-pointfM/2?1

FFT

fM/2N-point IFFTAddcyclic prefixParallelto SerialconvertermMbits

BittoConstellation Mappingx(M-1,n)fM?2

fM?10ChannelBW800000000000TD-LTE單載波：DFT-S-OFDM〔3〕?DistributedFDMAm1bits

BittoConstellationx(0,n)fo00IncomingBit Stream

Serialto ParallelConverterm2bits

Mapping BittoConstellation Mappingx(1,n)M-point FFTf1fM/2?1fM/2N-point IFFTAddcyclic prefixParallelto Serial convertermMbits

BittoConstellation Mappingx(M-1,n)fM?2

fM?10001234ChannelBW

81TD-LTE單載波：IFDMA?根本傳輸框圖IncomingBit Stream

Serialto Parallelconvertermbits

BittoConstellation Mapping

DS-Spreading(Optional)User-specific block repetitionAddcyclic prefixPulse-shape filter?梳狀頻譜User-specific modulation code–時(shí)域重復(fù)–相位偏移區(qū)分用 戶

82TD-LTELTEDFTS-OFDM參數(shù)子載波間隔 ?15kHz，用于單播〔unicast〕和多播傳輸子載波數(shù)目信道帶寬〔MHz〕子載波數(shù)目1.4 72

3180

5300

10600

15900

201200循環(huán)前綴長(zhǎng)度

?一個(gè)時(shí)隙中不同DFTS-OFDM

符號(hào)的循環(huán)前綴長(zhǎng)度不同

83TD-LTEOFDM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖

84IDFT-NDFT-2NMMMNTD-LTELTE系統(tǒng)OFDM原理框圖X(k,0)X(k,1)x(k,0)

x(k,1)sin(2πfct)

?

MX(k,N?1)x(n)⊕sRF(t)Yk=H?Xk+Wkx(k,N?1)

?

cos(2πfct)sin(2πfct)時(shí)變多徑信道h(t,τ)Y(k,0)y(k,0)?

Y(k,1)Y(k,N?1)

M

y(k,1)y(k,2M?1)y(n)

?cos(2πfct)rRF(t)88TD-LTE根本參數(shù)?OFDM(withCP) –子載波間隔：15KHz –短/長(zhǎng)CP：4.7/16.7us，對(duì)應(yīng)不同傳輸場(chǎng)景 –FDD和TDD幀結(jié)構(gòu)一為10ms無(wú)線幀分為20個(gè) 0.5ms的子幀，每個(gè)子幀有7/6個(gè)符號(hào)〔短/長(zhǎng) CP〕 –采樣頻率為1.92MHz的整數(shù)倍〔5MHz帶寬 時(shí)為7.68MHz，20MHz帶寬時(shí)為30.72MHz〕 –頻譜效率約為90% 90TD-LTELTEOFDM參數(shù)子載波間隔 ?15kHz，用于單播〔unicast〕和多播傳輸 ?7.5kHz，僅僅可以應(yīng)用于獨(dú)立載波的MBSFN傳輸子載波數(shù)目信道帶寬〔MHz〕子載波數(shù)目1.4 72

3180

5300

10600

15900

201200循環(huán)前綴長(zhǎng)度

?一個(gè)時(shí)隙中不同OFDM

符號(hào)的循環(huán)前綴長(zhǎng)度不同

91DD???TD-LTE復(fù)用和參考信號(hào)結(jié)構(gòu)OneOFDMsymbol

Onesubframe

R1:FirstreferencesymbolOnesubcarrierDR1DDDDDDDDR2DR2:SecondreferencesymbolDR1DDDDDD:DataDDDDDR2D-Exactfrequency-domainreference-symbolDR1DDDDD

densityisTBD(50%inthisfigure)-Frequency-domainstaggeringbetweenfirstDDDDDR2D

andsecondreferencesymbolsisTBD-Thefirstreferencesymbolsmay,alternatively,beDR1DDDDDlocatedinthefirstOFDMsymbolofthesubframeDDDDDR2D-Exacttime-domainpositionofsecondreference symbolsisTBD可以使用TDM或/和FDM方式實(shí)現(xiàn)Layer3信息到OFDM時(shí)/頻符號(hào)的映射一個(gè)資源塊由M個(gè)連續(xù)子載波和N個(gè)連續(xù)符號(hào)組成，具體數(shù)值待定也支持非連續(xù)子載波上的數(shù)據(jù)發(fā)送?資源分配由NodeB的調(diào)度器決定92TD-LTE

DFTS-OFDM實(shí)現(xiàn)單載波特性：a)信號(hào)具有低的峰均比b)信號(hào)帶寬取決于M

93TD-LTE根本參數(shù)〔1〕?低PAPR的SC-FDMA〔有CP〕 –頻域?qū)崿F(xiàn)：DFT-S-OFDM，和下行具有較高的 共同性 –Localizedanddistributedmapping?頻譜效率約90%?子幀結(jié)構(gòu) 1sub-frame=0.5msecCPLB#1CPSB #1CPLB#2CPLB#3CPLB#4CPLB#5CPSB #2CPLB#6?調(diào)制方式：QPSK,〔8PSK〕,16QAM 94205TD-LTE根本參數(shù)〔2〕SpectrumAllocation (MHz)Sub-frame duration (ms)Longblocksize (μs/#ofoccupied subcarriersShortblocksize (μs/#ofoccupied subcarriers/samples)CPduration (μs/samples*1)/samples*2)0.566.67/1200/204833.33/600/1024

(4.13/127)×7,(4.39/135)×1*

15 10 2.51.250.50.50.50.50.566.67/900/153666.67/600/1024 66.67/300/512 66.67/150/256 66.67/75/12833.33/450/76833.33/300/51233.33/150/256 33.33/75/128 33.33/38/64

(4.12/95)×7,(4.47/103)×1* (4.1/63)×7, (4.62/71)×1* (4.04/31)×7, (5.08/39)×1* (3.91/15)×7, (5.99/23)×1* (3.65/7)×7,(7.81/15)×1*195TD-LTELTEDFTS-OFDM參數(shù)子載波間隔 ?15kHz，用于單播〔unicast〕和多播傳輸子載波數(shù)目信道帶寬〔MHz〕子載波數(shù)目1.4 72

3180

5300

10600

15900

201200循環(huán)前綴長(zhǎng)度

?一個(gè)時(shí)隙中不同DFTS-OFDM

符號(hào)的循環(huán)前綴長(zhǎng)度不同

96????TD-LTE復(fù)用和參考信號(hào)結(jié)構(gòu)〔1〕在子幀中的兩個(gè)短塊〔SB〕中發(fā)送參考信號(hào) –上行信道估計(jì)〔用于相關(guān)解調(diào)〕 –上行信道質(zhì)量估計(jì)，用于時(shí)域/頻域調(diào)度參考信號(hào)的頻域分布為集中或分布式可以產(chǎn)生多個(gè)正交的上行參考信號(hào)用于多個(gè)UE或多天線 –頻分，時(shí)分或碼分根據(jù)數(shù)據(jù)的頻域分布〔集中或分布〕，參考信號(hào)