TD-LTE关键技术（OFDM和MIMO）

1 OFDM

1.1 OFDM发展历史

1.2 OFDM概述

概念：

正交频分复用技术，多载波调制的一种。将一个宽频信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。

1.3 OFDM的优势

1.3.1 对比传统FDM的优势

与传统FDM的区别？
传统FDM:为避免载波间干扰，需要在相邻的载波间保留一定保护间隔，大大降低了频谱效率。

OFDM:各(子)载波重叠排列，同时保持(子)载波的正交性（通过FFT实现）。从而在相同带宽内容纳数量更多(子)载波，提升频谱效率。

 

1.3.2 对比CDMA的优势

考虑到系统设计的复杂程度及成本，OFDM更适用于宽带移动通信。

1.4 OFDM不足

较高的峰均比（PARP）
OFDM输出信号是多个子载波时域相加的结果，子载波数量从几十个到上千个，如果多个子载波同相位，相加后会出现很大幅值，造成调制信号的动态范围很大。因此对RF功率放大器提出很高的要求

受频率偏差的影响 --> 子载波间干扰(ICI）
●高速移动引起的Doppler频移；
●系统设计时已通过增大导频密度（大致为每0.25ms发送一次导频，时域密度大于TD-S）来减弱此问题带来的影响。

受时间偏差的影响 --> ISI(符号间干扰）& ICI
●折射、反射较多时，多径时延大于CP(Cyclic Prefix，循环前缀)，将会引起ISI及ICI；
●系统设计时已考虑此因素，设计的CP能满足绝大多数传播模型下的多径时延要求（4.68us)，从而维持符号间无干扰。

1.5 LTE多址方式

1.5.1 下行

下行多址方式—OFDMA
将传输带宽划分成一系列正交的子载波资源，将不同的子载波资源分配给不同的用户实现多址。因为子载波相互正交，所以小区内用户之间没有干扰。

集中式：连续RB分给一个用户

优点：调度开销小

分布式：分配给用户的RB不连续
优点：频选调度增益较大

下行多址方式特点

同相位的子载波的波形在时域上直接叠加。因子载波数量多，造成峰均比(PAPR)较高，调制信号的动态范围大，提高了对功放的要求。

1.5.2 上行

上行多址方式—SC-FDMA
和OFDMA相同，将传输带宽划分成一系列正交的子载波资源，将不同的子载波资源分配给不同的用户实现多址。注意不同的是：任一终端使用的子载波必须连续。

上行多址方式特点

考虑到多载波带来的高PAPR会影响终端的射频成本和电池寿命，LTE上行采用Single Carrier-FDMA （即SC-FDMA）以改善峰均比。

 

SC-FDMA的特点是，在采用IFFT将子载波转换为时域信号之前，先对信号进行了FFT转换，从而引入部分单载波特性，降低了峰均比。

1.6 符号间保护间隔

无保护间隔
符号间无保护间隔时，多径会造成ISI和ICI
●ISI: Inter-symbol Interference，符号间干扰

●ICI: Inter-Carrier Interference，载频间干扰

有空白保护间隔
有保护间隔，但保护间隔不传输任何信号；
可以有效消除多径的ISI，但引入了ICI。

符号之间空出一段时间做为保护间隔，这样做可以消除ISI（因为前一个符号的多径信号无法干扰到下一个符号），但同时引起符号内波形无法在积分周期内积分为0，导致波形在频域上无法和其他子载波正交。

应用于CDMA系统。因为CDMA载波间采用传统FDM分隔，所以频域信号即使有一定偏差也没有问题

循环前缀做保护间隔
保护间隔中的信号与该符号尾部相同，即循环前缀（Cyclic Prefix,简称CP）；
既可以消除多径的ISI,又可以消除ICI。

CP使一个符号周期内因多径产生的波形为完整的正弦波，因此不同子载波对应的时域信号及其多径积分总为0 ，消除载波间干扰(ICI)。

应用于OFDM系统。每个子载波宽度仅为15kHz且交叠存在，子载波间干扰（ICI）对系统影响较大，因此采用CP消除ICI

1.7 上下行资源单位

 

2 MIMO

2.1 分集、空间复用和波束赋形

发射分集
多路信道传输同样信息

●包括时间分集，空间分集和频率分集

●提高接收的可靠性和提高覆盖
●适用于需要保证可靠性或覆盖的环境

空间复用
多路信道同时传输不同信息

●理论上成倍提高峰值速率

●适合密集城区信号散射多地区，不适合有直射信号的情况

波束赋形（Beamforming）
多路天线阵列赋形成单路信号传输

●通过对信道的准确估计，针对用户形成波束，降低用户间干扰

●可以提高覆盖能力，同时降低小区内干扰，提升系统吞吐量
 

2.2 天线模式相关概念

●“码字”与“流”的概念相同，LTE目前有单流或双流；
◇信道条件好时，可使用双流---空间复用
◇信道条件不好时，可切换成分集模式或波束赋形

●层与秩（rank）的概念相同，秩为1，2，3，4，表示任一时刻终端和基站间的独立传播信道的个数

●公共导频的逻辑天线端口有1、2、4三种情况
◇也就是说，即便最多可使用4个逻辑天线进行空间复用传输，仍然只传输两个信息流
 

2.3 典型传输模式中对应的基本概念

波束赋型中的业务信道与控制信道使用的参考信号不同：

◇业务信道使用Port 5专用参考信号（单流波束赋形）或Port 7,8(双流波束赋形）
◇控制信道使用2天线端口发射分集模式

这意味着，TD-LTE中的波束赋形仅仅是业务信道的（解调用参考信号在port 5和业务信道一起发送），控制信道仍然采用全向方式发送给终端。

2.4 LTE传输模式
 

2.4.1 概述

●传输模式是针对单个终端的。同小区不同终端可以有不同传输模式；
●eNB自行决定某一时刻对某一终端采用什么传输模式，并通过RRC信令通知终端；
●模式3到模式8中均含有发射分集。当信道质量快速恶化时，eNB可以快速切换到模式内发射分集模式。

2.4.2 发射分集（Mode 2）

两天线端口---SFBC
(空频块编码）

●天线端口0传原始调制符号

●天线端口1传原始符号的变换符号

四天线端口---SFBC+FSTD
（频率偏移发射分集）

●天线端口0与2(1与3）为一个天线端口对，二者之间为SFBC；

●天线端口0与1在频域上交替传送原始信号，二者之间为FSTD;2与3传送相应的交换信号,亦为FSTD。

■发射分集利用了天线间的弱相关性，在天线对上传送原始信号及其变换符号（一般为原始符号的共轭），提高信号传输的可靠性。
■既可用于业务信道，又可用于控制信道。

2.4.3 空间复用（Mode 3,4,6）

开环空间复用

普通的空间复用，接收端和发送端无信息交互

闭环空间复用

●基于非码本的预编码：

基于终端提供的SRS(探测参考信号)或DMRS(解调参考信号)获得的CSI，基站自行计算出预编码矩阵。

●基于码本的预编码：
基于终端直接反馈的PMI(预编码矩阵索引号)从码本中选择预编码矩阵。

■空间复用利用了天线间空间信道的弱相关性，在相互独立的信道上传送不同的数据流，提高数据传输的峰值速率。
■只应用于下行业务信道（为了确保传输，控制信道普遍采用发送分集）。

2.4.4 波束赋形（Mode 7，8）

定义
波束赋型是发射端对数据先加权再发送，形成窄的发射波束，将能量对准目标用户，提高目标用户的信噪比，从而提高用户的接收性能。

特点
●波束赋型只应用于业务信道
控制信道仍使用发射分集保证全小区覆盖（类比于TD-SCDMA中PCCPCH也是广播发射）
●可以不需要终端反馈信道信息
平均路损和来波方向可通过基站测量终端发射的SRS（Sounding Reference Signal，探测参考信号，类比于TD-SCDMA里的midamble码）

单流beamforming

产生定向波束，获得赋型增益

双流beamforming

两个波束传递相同信息，获得分集增益+赋型增益

 

两个波束传递不同信息，获得复用增益+赋型增益

2.5 LTE上行天线技术：接收分集

原理
接收机使用来自多个信道的副本信息能比较正确的恢复出原发送信号，从而获得分集增益。手机受电池容量限制，因此在上行链路中采用接收分集也可有效降低手机发射功率。

接收分集的主要算法：MRC &IRC

MRC（最大比合并）
●线性合并后的信噪比达到最大化
◇相干合并：信号相加时相位是对齐的
◇越强的信号采用越高的权重
●适用场景：白噪或干扰无方向性的场景

IRC（干扰抑制合并）
●合并后的SINR达到最大化
◇有用信号方向得到高的增益
◇干扰信号方向得到低的增益
●适用场景：干扰具有较强方向性的场景。

性能比较
●由于IRC在最大化有用信号接收的同时能最小化干扰信号，故通常情况IRC优于MRC
●天线数越多及干扰越强时，IRC增益越大

●IRC需进行干扰估计，计算复杂度较