讲义 认识LTE网络(3)

2019-08-01 23:25

样就实现了频时转换, OFDM符号前插入CP后,进行数/模转换并上变频到发射频带上进行信号发送。接收端信号处理是发送端的逆过程。

图5-3-2 OFDM的发射接收原理

(2)LTE系统的OFDMA多址接入方式

在通信系统中,信道所能提供的带宽通常比传送一路信号所需的带宽要宽得多。如果一个信道只传送一路信号是非常浪费的,为了能够充分利用信道的带宽,就可以采用频分复用的方法。传统的FDMA多址方式中,各子载波间通过一定的频率间隔来避免载波间的干扰。与传统的FDMA相比,基于OFDM技术的进OFDMA的各子载波间通过正交复用方式避免干扰,有效地减少了载波间的保护间隔,提高了频谱利用率。

下行OFDMA方式

在3GPP LTE的标准化过程中,诺基亚、北电等公司提交了若干多址方案,如多载波(MC)-WCDMA,MC-TD-SCDMA,正交频分多址接入(OFDMA),交织频分复用(IFDMA)和基于傅立叶变换扩展的正交频分复用(DFT-S OFDM),OFDMA已成为下行链路的主流多址方案。

由于OFDMA多址接入方式具有众多的优点,在TD-LTE系统中,下行多址采用OFDMA方式。OFDMA将整个频带分割成许多子载波,通过给不同的用户分配不同的子载波,将频率选择性衰落信道转化为若干平坦衰落子信道,从而能够有效地抵抗无线移动环境中的频率选择性衰落,并且由于占用不同的子载波,用户间满足相互正交,没有小区内干扰。图5-3-3为OFDMA的主要原理图。

发端信号首先进行信道编码、交织与加扰,然后将交织后的数据作QAM调制再进行串/并转换,将数据映射到OFDM符号的各子载波上,将导频符号插入到相应子载波后,对所有子载波上的符号进行傅里叶反变换生成时域信号,然后在每个OFDM符号前插入一个循环前缀,以在多经衰落的环境下保持子载波之间的正交性。

图5-3-3 OFDMA的主要原理图

TD-LTE系统中,OFDMA将资源的最小分配单位定义为连续的12个子载波,即资源块(RB,Resource Block)。在整个传输带宽的频域上将资源划分为一系列RB,每个UE可以使用其中一个或多个RB资源承载数据。单个用户可以使用连续或离散的RB进行数据传输,不同用户通过资源的频域正交性保证不同用户之间没有多址干扰。

插入CP是将OFDM符号尾部的一段复制到OFDM符号之前,CP的长度只有长于主要多径分量的时延扩展,才能保证接收端信号的正确解调,TD-LTE系统中, CP长度为33us,子载波间隔为7.5kHz。

上行FC-FDMA多址方式

LTE系统采用了多载波多址方案替代码分多址方案,这是LTE相对3G系统的重大区别和进步。然而,多载波多址方案在避免了知识产权成本过高和提高系统容量的同时,也存在一个重大问题,即系统PAPR过高的问题。这是因为多载波系统每个载波的信息可能会在时域进行叠加,导致很高的PAPR,这一方面对信号发送端的功放提出了很高的要求,同时也牺牲了信号的发射功率。

对于下行链路,由基站发射信号,采用多载波技术后,数据速率大幅度提升,相对来说对于PAPR带来的功放成本和发射功率的牺牲还可以容忍。然而,在上行链路中,信号由用户终端发射,过高的发射功率将会降低电池的使用寿命,提高对系统功放的要求,并进一步增加终端设备的成本。

目前LTE上行方向采用FC-FDMA作为其多址方式。

SC-FDMA(Single-carrier Frequency-Division Multiple Access,单载波频分多址),因为SC-FDMA在传统的OFDMA处理过程之前有一个额外的DFT(离散傅立叶变换)处理,SC-FDMA也被叫做线性预编码OFDMA技术。SC-FDMA信号可以在时域生成,也可以在频域生成。处于和下行链路的兼容考虑,LTE选择了在频域生成 SC-FDMA技术,即DFT-S-OFDM(Discrete Fourier Transform-Spread OFDM)技术。该技术是在 OFDM的IFFT调制之前对信号进行DFT扩展,这样系统发射的是时域信号,从而可以避免OFDM系统发送频域信号带来的PAPR问题。DFT-S-OFDM是一种特殊的OFDMA系统,其多用户子载波的映射在频域上完成,它将传输带宽分为正交的子载波集合,将不同

的子载波集合分配给不同的用户,从而在多用户之间灵活的共享系统传输带宽,同时由于信号在频域的正交性,避免了系统中的用户间多址干扰。与OFDM相比,DFT-S-OFDM具有单载波的特性,因此其发送信号峰均比较低,在上行功放要求相同的情况下,可以提高上行的功率效率,降低系统对终端功耗的要求。DFT-S-OFDM原理如图5-3-4.

图5-3-4 DFT-S-OFDM原理

上行DFT-S-OFDM采用了与下行OFDM几乎一样的参数: 15kHz的子载波间隔、相同的CP长度和符号长度。

2 MIMO

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收,从而改善通信质量。MIMO技术利用空间中的多径因素,利用多天线收发,实现分集增益或复用增益,进而提高小区容量、扩大覆盖范围、提升数据传输速率等性能指标。MIMO技术是移动通信领域中无线传输技术的重大突破,是LTE系统的核心技术之一。

MIMO技术主要包括三种:空间分集、空间复用及波束赋形三大类。-

空间分集的主要原理是利用空间信道的弱相关性,结合时间/频率上的选择性,为信号的传递提供更多的副本,提高信号传输的可靠性,从而改善接收信号的信噪比。LTE系统中空间分集技术包括:空时/频编码、循环延迟分集、天线切换分集等。

空间复用的主要原理也是利用空间信道的弱相关性,通过在多个相互独立的空间信道上传递不同的数据流,从而提高数据传输的峰值速率。LTE系统中空间复用技术包括:开环空间复用和闭环空间复用。

波束赋形是一种应用于小间距天线阵列的多天线传输技术,其主要原理是利用空间信道的强相关性,利用波的干涉原理产生强方向性的方向图,从而提高信噪比,增加系统容量或覆盖范围。

(1)空间分集

空间分集,也称天线分集,主要是使用多根天线进行发射和/或接收,空间分集则可以提高信道的可靠性,降低信道误码率。根据收发天发射分集、接收分集和接收发射分集线数又分为发射分集、接收分集与接收发射分集。空间分集是通信中使用较多的分集形式,这里主要介绍发射分集。

发射分集,是在发射端使用多幅发射天线发射信号,通过对不同的天线发射的信号进行编码达到空间分集的目的,使接收端获得比单天线高的信噪比。发射分集本质上可以认为是将空间、时间、频率和编码等多种资源相互组合的一种多天线技术,主要有空时分组编码(Space-Time Block Coding,STBC)、空时发射分集(Space-Time Transmit Diversity,STTD)编码、空频分组编码(Space-Frequency Block Coding,SFBC)和延迟分集(Cyclic-Delay Diversity,CDD)。

多发射天线可以采用空时编码技术,STBC将调制后的符号映射到时间域或空间域,从而获得发射分集增益。

空时发射分集通过对不同的天线发射的信号进行空时编码达到时间和空间分集的目的,在发射端对数据流进行联合编码以减小由于信道衰落和噪声导致的符号错误概率,空时编码通过在发射端的联合编码增加信号的冗余度,从而使得信号在接收端获得时间和空间分集增益。可以利用额外的分集增益提高通信链路的可靠性,也可在同样可靠性下利用高阶调制提高数据率和频谱利用率。

SFBC与STBC类似,只是编码不是在空间/时间域,而是在空间/频率域上进行。因此,SFBC尤其适用于OFDM及类似关系。和空时编码类似,空频编码的不足在于其需要以一定的速率降低为代价。

目前,LTE系统支持采用SFBC的空间分集传输技术。

CDD是在不同的发射天线上发送具有不同相对延时的同一个信号, 人为地制造时间弥散,获得分集增益,循环延迟分集与延迟发射分集类似,但循环延时分集采用的是循环延时而不是线性延时,延迟是通过固定步长的移相(Cyclic Shift,循环移相)来等效实现延迟 。因此,CDD技术尤其适用于OFDM、DFT-S-OFDM等基于数据块的传输方案。

CDD技术可以方便地与空时/频编码相结合。目前LTE系统定义了大延迟CDD技术与预编码相结合使用的方案。 (2)空间复用

空间复用就是在接收端和发射端使用多副天线,充分利用空间传播中的多径 分量,在同一频带上使用多个数据通道(MIMO子信道)发射信号,从而使得容

量随着天线数量的增加而线性增加。这种信道容量的增加不需要占用额外的带宽, 也不需要消耗额外的发射功率,因此,空间分集是多个天线发送相同的数据,主要目的是抗衰落,空间复用是多个天线发送不同的数据,主要目的是提高信道容量。

目前,LTE系统支持开环和闭环两种空间复用方式。闭环空间复用就是所谓的线性预编码技术。空间复用还可用于多用户场景,也即空分多址(SDMA)。

开环空间复用的意思是不需要反馈。这是针对闭环空间复用而言的,闭环空间复用,也就是预编码是需要反馈PMI的。

用于空间复用传输的多层数据来自于多个不同的、独立进行信道编码的数据流,每个码字可以独立进行速率控制,就是基于多码字(Multiple Codeword,MCW)的空间复用传输,复用时码字数量与天线数量不一定要一致。

线性预编码技术的作用是将天线域的处理转换为波束域进行处理。在发射端,利用已知的空间信道进行预处理操作,从而进一步提高用户和系统的吞吐量。线性预编码技术可以按其预编码矩阵的获取方式划分为两大类:非码本的预编码和基于码本的预编码。

开环和闭环模式下,UE都要上报CQI和RI。CQI用于进行MCS选择以及TBS分配,RI用于进行TM模式选择和适配。而只有闭环模式下才需要上报PMI,用于进行码本的选择。 (3)波束赋形

波束赋形是一种基于天线阵列的信号预处理技术,波束赋形通过调整天线阵列中每个阵元的加权系数产生具有指向性的波束,从而能够获得明显的阵列增益。因此,波束赋形技术在扩大覆盖范围、改善边缘吞吐量以及干扰抑止等方面都有很大的优势。通过波束赋形技术的使用,使得合成后的波束强度变大,从而支持更高的数据速率。

在发射端,波束赋形器控制每一个发射装置的相位和信号幅度,从而在发射出的信号波阵中获得需要相长和相消干涉模式。在接收端,不同接收器接收到的信号被以一种恰当的方式组合起来。波束赋形的一般过程为:

首先根据系统性能指标(如误码率、误帧率)的要求确定优化准则(代价函数),一般这是权重矢量与一些参数的函数;其次采用一定的方法获得需要的参数,最后用一定的算法求解该优化准则下的最佳解,得到权重矢量的值。

目前R9版本主要分了8类MIMO,如表5-3-1,具体现网中使用哪种需要网优人员结合实际情况去设置相关的门限和条件。下面列出这8类作简单介绍。


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