LTE：3GPP向4G发展的核心技术

LTE：3GPP向4G发展的核心技术

       今天呢，就向大家介绍一下3GPP也可以说是超3G向4G发展的核心技术：MIOMO技术和OFDM技术。进入正题之前，还得废话几句，在我上大学之后，我其实最不愿意搞的就是通信方向，说不上为什么，可能是从小被电信营业局架电缆的工人刺激了吧！哈哈！开个玩笑，实际上我们学校最厉害的专业就是通信工程，可能很多人考到我们学校就是为了学习通信工程吧。我倒好，虽然专业课里学习了有关通信的东西，但却从内心讲一直回避通信，东搞搞，西搞搞，就是没有搞通信。讽刺的是，看来在短时间之内或者长期内，我都要以通信为生了。都别拦我，让我先找个地方哭会儿！！！话不多说，我们进入正题。

      LTE（Long Term Evolution,长期演进）是由3GPP组织制定的UMTS（通用移动通信系统）技术标准的技术演进。LTE系统引入了OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）和MIMO（Multi-Input& Multi-Output，多输入多输出）等关键技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率。听到这里，可能很多人都晕晕的，这都是些什么跟什么嘛。那么现在容我向大家解释一下：移动通信技术的发展，已经经历了3代的发展，1G采用了模拟技术和FDMA技术，主要提供文字服务；2G采用了GSM（数字语音传输技术），主要提供高质量的语音服务，3G采用TD-SDMA、智能天线、多载波技术等，除了提供语音服务外，还有图像，视频等服务。超3G是向4G过渡的一个阶段，提出了MIMO技术和OFDM技术，也被称之为4G的核心技术，将来是为了提供更大的高速数据通信，可穿戴设备和远程控制等领域也会出现4G的身影。那么现在，大家应该明白了，MIMO技术和OFDM技术是4G的核心技术。

     未来的宽带无线通信系统，将在高稳定性和高数据传输速率的前提下，满足从语音到多媒体的多种综合业务要求。而要在有限的频谱资源上实现综合业务内容的快速传输，需要频谱效率极高的技术，传统的编码技术诸如Turbo、LDPC码几乎已经抵达了香农容量极限，因此，亟需研究全新的通信技术。MIMO技术充分开发空间资源，利用多个天线实现多发多收，在不需要增加频谱资源和天线发送功率的前提下，可以成倍的提高信道容量。OFDM技术是多载波窄带传输的一种，其子载波之间相互正交，可以高效地利用频谱资源。二者的有效结合可以克服多径效应和频率选择性衰落带来的不良影响，实现信号传输的高度可靠性，还可以增加系统容量，提高频谱利用率，它俩的组合可谓是取长补短，强强联手啊！！！

一、OFDM技术

        首先呢，我想讲一下OFDM技术，但是又不希望自己讲的很死板，让大家看起来容易犯困，因此呢，我就简单的介绍一下OFDM技术的工作原理和实现方案，最后再讲一些OFDM系统中的困难与挑战，希望简单明了，容易看懂。

        OFDM的中文名字叫做正交频率复用调制技术，那么就说，它是一种调制技术，是一种多载波的频率复用技术，而最大的特点就是在于它的所有子载波都是正交的。这下应该就理解了吧。它是将一个高速的输入数据以串并变化的方式变换到N个并行的子信道上传输，这样就使得每一个调制子载波数据的周期扩展为原始符号周期的N倍。精彩的就在这一个正交和周期变长上！！！

        首先说正交，OFDM说白了也是一种多载波调制技术，传统的多载波调制技术是将数据调制到不同频率的载波上，相加之后统一传输，那么为了在频域上能够将它们分开，子载波的频段之间都会隔上一段距离防止码间干扰。如下图a所示：

        奈奎斯特第一定律给出，理想低通信道的最大频谱利用率为2Baud/Hz,理想带通信道的最大频谱利用率为1Baud/Hz，那么看上图所示，频谱利用率还不到奈奎斯特极限。

        那么为了达到奈奎斯特带宽，OFDM采用了正交技术，也就是说子载波之间在频域上是正交的，如上图b所示。是不是很震撼？！！没错，就是这么简单的一个方式，提高了频带利用率。在保证带宽不增加的前提下增加了子载波的数量，试问数据容量怎能不大大提高。还有一点，各子载波相互间正交，恰巧避免了频率选择性衰落的问题，因为在OFDM系统看来，只是相当于单载波频率的线性衰落而已，要想知频率选择性衰落可是MIMO系统永远都无法解决的伤痛啊，这在后面讲MIMO技术的时候会给大家指出。

        第二个精彩之处就在于并行传输增加了符号周期上。众所周知，在时间弥散的信道中，多径延时扩展将产生符号间干扰（ISI），这是由于高速符号的时延分量会进入当前传输的符号内，而OFDM增加了符号周期，这样一来便降低了时延符号的干扰灵敏度，降低了ISI，实际上，为最大限度的消除ISI，通常还要在OFDM符号之间插入保护间隔，而且保护间隔的长度L一般要大于无线信道的最大时延扩展，另外，由于多径传播也会造成载波间干扰ICI，所以通常会在保护间隔之间插入CP循环前缀，它是一种特殊的保护间隔，是OFDM符号后部数据的循环复制，使得FFT计算的窗起始位置落入保护间隔内，便会防止ICI，保护间隔和CP循环前缀的具体原理我会在后面的博文中向大家详细介绍，今天先不做主要描述。

        讲了OFDM的主要思路之后，那么现在我就给大家讲一下OFDM的具体实现方法，我尽量会用最简单的方式告诉大家这个原理，希望大家可以认真思考。OFDM可以用DFT的方法实现，但一般高速大容量的数据计算量都比较大，因此计算机会采用FFT的实现方法，在此，我向大家简明扼要的介绍一下DFT的实现方法。

设OFDM信号的发射周期为[0，T]，在一个周期内传输的N个符号为（D0，D1，…DN-1）。第k个符号Dk调制第k个载波fk，所以合成的OFDM信号为：

      这个公式隐含了一个定理就是cos(x)与sin(x)各自的倍频函数是正交的。

    其中：设发射载频为,为使各子载波在整个OFDM信号的符号周期内满足正交性，令，为子载波之间的频率间隔，取：              

式②中，为符号序列（D0，D1，…DN-1）的时间间隔，显然T=N.ts。则：

                             

其中S（t）信号的复包络为：

                                 

如果以fs=1/ts为采样频率对C（t）采样，那么一个发射周期内共有T/ts=N个采样值，取0，则有:

                           

                       

      由式⑤可见，以fs对C（t）采样得到的N各样值{C0，C1，……,CN-1}刚好为{D0,D1，……,DN-1}的N点反向离散傅里叶变换（IDFT）。因此，ODFM系统可以通过这样的方式实现：在发射端，先由{D0,D1，……,DN-1}的IDFT求得{C0，C1，……,CN-1}，再经过低通滤波器得到所需的ODFM信号C(t)；在接收端，先对C(t)采样得到{C0，C1，……,CN-1}，再对{C0，C1，……,CN-1}求DFT，即得{D0,D1，……,DN-1}。

好！这就是OFDM的DFT实现方法，实际上是在发射端IDFT将频域正交信号转化成时域信号发射出去！！！

啊啊啊啊啊啊啊啊啊！！！讲了这么多，终于把OFDM的ＤＦＴ实现方法讲完了，相信很多人已经理解了吧。

本来想着把MIMO技术也给大家讲一下来着，其实现在我的双手已经快要废了，敲这么多的字实属不易吖，那MIMO技术就只能留到下次再给大家讲清楚了，最后呢，我再对OFDM系统做一个简要的总结：

OFDM技术是无线通信领域的一大突破，它在抗多径效应和频率选择性衰落方面有着很重要的作用，另外也提高了频谱利用率，扩大了通信容量，BUT！！！！！！！

       想要实现OFDM系统，仍然存在着很多的挑战，前面讲的ISI问题，ICI问题，还有

        最难解决的PAR（峰均比）过大问题，以及同步问题，信道估计问题，自适应处理问题，多址接入问题等等一系列的问题，每一个问题都足以让人头脑发胀！！！！！！

        以后抽出机会，也会将这些技术一一解密，呈现给大家。

  好了！今天实在写不动了，就先讲到这里吧，下次我们在继续！！！！！！

  各位看官麻烦动手点个赞啊！！！！写这些东西也是够烧脑子耗体力的！！！！