TD-LTE移动通信技术
目录
第一代——模拟蜂窝通信系统（1G）
第二代——数字蜂窝移动通信系统（2G）
第三代——IMT-200（3G）
无线帧结构——类型1（FDD）
无线帧结构——类型2（TDD）
系统占用带宽分析
资源分组
简述LTE的特性
LTE关键技术演进
LTE网络结构
LTE网络结构——各网元功能
LTE网络结构——优点
关键技术演进
LTE关键技术概述
1.链路自适应技术
2.HARQ
3.信道调度与快速调度
4.小区干扰消除
5.LTE OFDM基本原理介绍
保护间隔GI（Guarding Interval）
循环前缀CP（Cyclic Prefix）
同步技术
降峰均比技术
限幅方法
压缩扩张
6.LTE MIMO基本原理介绍
空间复用
发射分集
波束成形原理图
MIMO关键技术——层映射和预编码
LTE中7种MIMO模式
LTE系统中MIMO模式优先级
MIMO模式总结
闭环空间复用的应用场景
第一代——模拟蜂窝通信系统（1G）
各系统间没有公共接口
数字承载业务难于开展
频率利用率低，无法适应大容量的要求
安全利用率低，易于被窃听
第二代——数字蜂窝移动通信系统（2G）
TDMA CDMA
第三代——IMT-200（3G）
国际上目前最具代表性的第三代移动通信技术标准有三种：
CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA
其中CDMA2000和WCDMA属于FDD方式，TD-SCDMA属于TDD方式，并且其上、下行工作于同一频段。
IMT-2000，它的三大特点：
1.无缝的全球漫游
2.高速传输
3.无缝业务传递，即在固定网、移动网和卫星网上均能互通。
3GPP LTE（Long Term Evolution），又称之为UTRAN LTE。LTE的目标峰值速率为下行100 Mbps，上行50 Mbps。
1、基站如何区分手机
解决方案：多址或复用技术
- 让手机工作在不同的频率
- 让手机工作在不同的时间
多址技术：
多址技术使众多的用户共用公共的通信线路而相互不干扰
常用的方法基本上有三种：频分多址FDMA、时分多址TDMA、码分多址CDMA
什么是频带？
对信道而言，频带就是允许传送的信号的最高频率与允许传送的信号的最低频率之间的频率范围。
频分多址FDMA
业务信道在不同频段分配给不同的用户。（各用户使用不同的频率）
时分多址TDMA
业务信道在不同的时间分配给不同的用户。如：GSM、DAMPS。（各用户使用不同的时隙）
码分多址CDMA
所有用户在同一时间、同一频段上、根据不同的编码获得业务。（各用户使用不同的正交化码序列）
频率复用：异频组网、一频组网
2、手机如何找到基站
基站：用不同的频率广播信息
手机：自动扫描整个频段，选择信号最强的基站
3、基站如何找到手机
手机通过侦听广播信道信息，得知自己所在的位置区，如果发现自己的位置区发生了变化，则主动联系无线网络，上报自己所在的位置。（周期性上报）
4、如何识别手机用户的身份
1.用户标示：将IMSI（International Mobil Subscriber Identity,国际移动用户识别）号存储于SIM卡和核心网络中，IMSI号相当于身份证号。
2.密码
5、如何保证对话不被他人窃听
数字通信系统：加密
发送端是比特流：01110010101010
基站下发给用户：特定比特流
加密运算：与、或、非、异或等
6、如何保证“移动”着打电话不会有问题
硬切换：通信会发生瞬时的中断（先断后连）
软切换：切换期间没有中断通话（先连后断）
无线帧结构——类型1（FDD）
1.每个10ms无线帧被分为10个子帧
2.每个子帧包含两个时隙，每时隙长0.5ms
3.Ts=1/（15000*2048）是基本时间单元
4.任何一个子帧即可以作为上行，也可以作为下行
无线帧结构——类型2（TDD）
- 每个10ms无线帧包括2个长度为5ms的半帧，每个半帧由4个数据子帧和1个特殊子帧组成。
- 特殊子帧包括3个特殊时隙：DwPTS，总长度为1ms
- 支持5ms和10ms上下行切换点
- 子帧0、5和DwPTS总是用于下行发送
系统占用带宽分析
- 占用带宽=子载波*每RB的子载波数目*RB数目
- 子载波宽度=15KHz
- 每RB的子载波数目=12
资源分组
简述LTE的特性
1.分FDD和TDD两种模式
2.采用OFDM和MIMO技术,用户峰值速率：
DL 100Mbps
UL 50Mbps
3.扁平、全IP网络架构减少系统时延，减少建网成本
CP：驻留—激活小于100ms，休眠—激活小于50ms
UP：最小可达到5ms
4.控制面处理能力：单小区5M带宽内不少于200用户
5.频谱利用率：1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz，灵活支持不同带宽
6.频谱利用率相对于3G提高2-3倍
7.更低的OPEX（管理支出）和CAPEX（资本支出）
LTE关键技术演进
| LTE R8
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LTE R9 |
LTE Advanced |
| 1.灵活的频谱 a.灵活的带宽 b.灵活的双工技术 2.新的接入技术 a.上行：SC-FDMA b.下行：OFDMA 3.多天线技术 a.传送分集 b.空间复用 4.快速调度 5.AMC 6.HARQ 7.SON
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LTE网络结构
UE——user设备
Uv——用户和基站接口
X2——基站间
S1——基站和核心网
实线——光纤
EPC——分组核心演进
- UTRAN——进化UMTS地面无线接入网
MME：移动性管理实体（管理和控制）
- 用户鉴权
- 移动性管理
- 漫游控制
- 网关选择
- 承载管理
SGW（业务网关）：中转站或港口
- 漫游时分组核心网的接入点
- LTE系统内部移动性的锚点
- 空闲状态时缓存下行数据
- 数据包的路由和转发
- 计费
- 合法监听
PGW（PDN GateWay，PDN网关）
- 外网互联的接入点
- 用户IP地址分配
- 数据包路由和转发
- 计费
- 策略控制执行
- 合法监听
LTE网络结构——各网元功能
| E-Node B 演进型基站 |
MME 移动性管理实体 |
Serving GW 服务网关 |
PDN GW 分组数据网网关 |
| 具有现3GPP NodeB全部和RNC大部分功能，包括： 1.物理层功能 2.MAC、RLC、PDCP功能 3.RRC功能 4.资源调度和无线资源管理 5.无线接入控制 6.移动性管理 |
1.NAS信令以及安全性功能 2.3GPP接入网络移动性导致的CN节点间信令 3.空闲模式下UE跟踪和可达性 4.漫游 5.鉴权 6.承载管理功能（包括专用承载的建立） |
1.支持UE的移动性切换用户面数据的功能 2.E-UTRAN空闲模式下行分组数据缓存和寻呼支持 3.数据包路由和转发 4.上下行传输层数据包标记 |
1.基于用户的包过滤 2.合法监听 3.IP地址分配 4.上下行传输层数据包标记 5.DHCPv4和DHCPv6（client、relay、server） |
RNC（无线网络控制器）+Node B（基站）=eNode B（演进型基站）
策略计费功能实体（PCRF）：是支持业务数据流检测，策略实施和基于流量计费的功能实体的总称
位置寄存器（HSS）：储存用户签约数据和位置信息
LTE网络结构——优点
- 网络扁平化使得系统延时减少，从而改善用户体验，可开展更多业务
- 网元数目减少，使得网络部署更为简单，网络的维护更加容易
- 取消了RNC的集中控制，避免单点故障，有利于提高网络稳定性
关键技术演进
1G（FDMA）——2G（TDMA为主）——3G（CDMA）——LTE（OFDM+MIMO+IP）
LTE的主要增强型技术：OFDM、MIMO
LTE关键技术概述
- OFDM
- MIMO多天线技术
- 链路自适应技术
- HARQ
- 信道调度与快速调度
- 小区间干扰消除
1.链路自适应技术
1.链路自适应技术可以通过两种方法实现：功率控制和速率控制。
2.一般意义上的链路自适应都指速率控制，LTE中即为自适应编码调制技术（Adaptive Modulation and Coding），应用AMC技术可以使得eNode B能够根据UE反馈的信道状况及时地调整不同的调制方式（QPSK、16QAM、64QAM）和编码速率。从而使得数据传输能及时地跟上信道的变化状况。这是一种较好的链路自适应技术。
3.对于长时延的分组数据，AMC可以在提高系统容量的同时不增加对邻区的干扰。
链路自适应技术——功率控制
- 通过动态调整发射功率，维持接收端一定的信噪比，从而保证链路的传输质量
- 当信道条件较差时，需要增加发射功率，当信道条件较好时，需要降低发射功率，从而保证了恒定的传输功率（功率控制可以很好的避免小区内用户间的干扰）
链路自适应技术——速率控制（即AMC）
充分利用信道条件有效发送用户数据
—信道条件好：高速率传送用户数据
—信道条件坏：低速率传送用户数据
时域AMC、频域AMC、空域AMC
（调制方式、编码方式等各项参数组合，使得AMC技术更加高效、灵活）
- 保证发射功率恒定的情况下，通过调整无线链路传输的调制方式与编码速率，确保链路的传输质量
- 当信道条件较差时选择较小的调制方式与编码速率，当信道条件较好时选择较大的调制方式，从而最大化了传输速率
链路自适应技术——LTE上下行方向链路自适应
—LTE 上行方向的链路自适应技术基于基站测量的上行信道质量，直接确定具体的调制与编码方式
—LTE下行方向的链路自适应技术基于UE反馈的CQI，从预定义的CQI表格中确定具体的调制与编码方式
2.HARQ
FEC：前向纠错编码 (Forward Error Correction)
ARQ：自动重传请求(Automatic Repeat reQuest)
HARQ=FEC+ARQ
FEC通信系统
数据传送——FEC编码——信道——FEC解码——数据接收
| 优势：
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劣势：
|
ARQ通信系统
数据发送——信道——数据接收
|——ACK/NACK——|
| 优势：
|
劣势：
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HARQ机制
HARQ实际上整合了ARQ的高可靠性和FEC的高效率
HARQ特性
1.采用N进程停等方式(N-Process Stop-and-Wait)
2.HARQ对传输块进行传输与重传
在下行链路
—异步自适应HARQ
—下行传输(或重传)对应的上行ACK/NACK通过PUCCH或者PUSCH发送
—PDCCH指示HARQ进程数目以及是初传还是重传
—重传总通过PDCCH调度
上行链路
—同步HARQ
—针对每个UE配置重传最大次数
—上行传输或重传对应的下行ACK/NACK通过PHICH发送
HARQ——定时关系
1.重传与初传之间的定时关系：同步HARQ协议；异步HARQ协议
2.LTE上行为同步HARQ协议：如果重传在预先定义好的时间进行，接收机不需要显示告知进程号，则称为同步HARQ协议
—根据PHICH传输的子帧位置，确定PUSCH的传输子帧位置
—与PDCCHàPUSCH的定时关系相同
3.LTE下行为异步HARQ协议：如果重传在上一次传输之后的任何可用时间上进行，接收机需要显示告知具体的进程号，则称为异步HARQ协议
HARQ——自适应/非自适应HARQ
1.自适应HARQ：自适应HARQ是指重传时可以改变初传的一部分或者全部属性，比如调制方式，资源分配等，这些属性的改变需要信令额外通知
2.非自适应HARQ：非自适应的HARQ是指重传时改变的属性是发射机与接收机事先协商好的，不需要额外的信令通知
3.LTE下行采用自适应的HARQ
4.LTE上行同时支持自适应HARQ和非自适应的HARQ
—非自适应的HARQ仅仅由PHICH信道中承载的NACK应答信息来触发
—自适应的HARQ通过PDCCH调度来实现，即基站发现接收输出错误之后，不反馈NACK，而是通过调度器调度其重传所使用的参数
HARQ——HARQ与软合并
单纯HARQ机制中，接收到的错误数据包都是直接被丢掉的
HARQ与软合并结合：将接收到的错误数据包保存在存储器中，与重传的数据包合并在一起进行译码，提高传输效率（CC合并）
LTE支持使用IR合并的HARQ，其中CC合并可以看作IR合并的一个特例（IR合并，增量冗余合并）
3.信道调度与快速调度
信道调度
基本思想：对于某一块资源，选择信道传输条件最好的用户进行调度，从而最大化系统吞吐量。（多用户分集）
LTE系统支持基于频域的信道调度
相对于单载波CDMA系统，LTE系统的一个典型特征是可以在频域进行信道调度和速率控制
下行：基于公共参考信号
上行：基于探测参考信号
快速调度
快速调度即为分组调度，其基本理念就是快速服务
调度原则：
1.公平调度算法 Round Robin(RR)
2.最大C/I调度算法 (Max C/I)载干比
3.部分公平调度算法 (PF)
调度方法：TDM、FDM、SDM
| 基于时间的轮循方式 |
每个用户被顺序的服务，得到同样的平均分配时间，但每个用户由于所处环境的不同，得到的流量并不一致
|
| 基于流量的轮循方式 |
每个用户不管其所处环境的差异，按照一定的顺序进行服务，保证每个用户得到的流量相同 （公平） |
| 最大C/I方式 |
系统跟踪每个用户的无线信道衰落特征，依据无线信道C/I的大小顺序，确定给每个用户的优先权，保证每一时刻服务的用户获得的C/I都是最大的 （最大吞吐量） |
| 部分公平方式 |
综合了以上几种调度方式，既照顾到大部分用户的满意度，也能从一定程度上保证比较高的系统吞吐量，是一种实用的调度方法
|
4.小区干扰消除
小区间同频组网，同频干扰 危害：降低信号的质量
小区间干扰消除技术方法包括：
1.加扰
2.跳频传输
3.发射端波束赋形以及IRC
4.小区间干扰协调
5.功率控制
4.1 小区间干扰消除——加扰
LTE系统充分使用序列的随机化避免小区间干扰
一般情况下，加扰在信道编码之后、数据调制之前进行即比特级的加扰
—PDSCH，PUCCH format 2/2a/2b，PUSCH：扰码序列与UE id、小区id以及时隙起始位置有关
—PMCH：扰码序列与MBSFN id和时隙起始位置有关
—PBCH，PCFICH，PDCCH：扰码序列与小区id和时隙起始位置有关
PHICH物理信道的加扰是在调制之后，进行序列扩展时进行加扰
—扰码序列与小区id和时隙起始位置有关
4.2 小区间干扰消除——跳频传输
目前LTE上下行都可以支持跳频传输，通过进行跳频传输可以随机化小区间的干扰
—除了PBCH之外，其他下行物理控制信道的资源映射均于小区id有关
—PDSCH、PUSCH以及PUCCH采用子帧内跳频传输
—PUSCH可以采用子帧间的跳频传输
4.3.1 小区干扰消除——发射端波束赋形
1.提高期望用户的信号强度
2.降低信号对其他用户的干扰
3.特别的，如果波束赋形时已经知道被干扰用户的方位，可以主动降低对该方向辐射能量
4.3.2 小区干扰消除——IRC
当接收端也存在多根天线时，接收端也可以利用多根天线降低用户间干扰，其主要的原理是通过对接收信号进行加权，抑制强干扰，称为IRC（Interference Rejection Combining）
4.4 小区间干扰消除——小区间干扰协调
基本思想 ：以小区间协调的方式对资源的使用进行限制，包括限制哪些时频资源可用，或者在一定的时频资源上限制其发射功率
1.静态的小区间干扰协调（频率资源协调）：
—不需要标准支持
—频率资源协调/功率资源协调
2.半静态小区间干扰协调（功率资源协调）：
—需要小区间交换信息，比如资源使用信息
—目前LTE已经确定，可以在X2接口交换PRB的使用信息进行频率资源的小区间干扰协调（上行），即告知哪个PRB被分配给小区边缘用户，以及哪些PRB对小区间干扰比较敏感。
—同时，小区之间可以在X2接口上交换过载指示信息（OI：Overload Indicator），用来进行小区间的上行功率控制
4.5 小区间干扰消除——功率控制
1.小区间功率控制（Inter-Cell Power Control）
—一种通过告知其它小区本小区IoT信息，控制本小区IoT的方法
2.小区内功率控制（Intra-Cell Power Control）
—补偿路损和阴影衰落，节省终端的发射功率，尽量降低对其他小区的干扰，使得IoT保持在一定的水平之下
功率控制：对于上行PUSCH、PUCCH以及SRS都需要进行功率控制
5.LTE OFDM基本原理介绍
无线信道传播特性
| 路径损耗（大尺度衰落） |
阴影衰落（中等尺度衰落） |
多径衰落（小尺度衰落） |
| 电波在自由空间内的传播损耗 |
由于传播环境的地形起伏、建筑物和其他障碍物对地波的阻碍或遮蔽而引起的衰落
|
无线电波在空间传播存在反射、绕射、衍射等，因此造成信号会经过多条路径到达接收端，而每个信号分量的时延、衰落和相位不同，在接收端对多个信号分量叠加时，造成同相增加，异相减小 |
频率选择性衰落
多径效应会引起频率选择性衰落
—当多路信号的相对时延与一个符号的时间相比不可忽略, 那么当多路信号迭加时, 不同时间的符号就会重迭在一起,造成符号间干扰（InterSymbol Interference，ISI），此时就认为发生了频率选择性衰落。
时间选择性衰落
—除上面讲到的几种衰落之外，由于移动台的运动，还会使无线信道呈现出时变性，即时间选择性衰落。
—时间选择性衰落的一种具体表现就是多普勒频移（Doppler shift），即单一频率信号经过时变衰落信道之后会呈现为具有一定带宽和频率包络的信号，称为信道的频率弥散性。频率弥散性会造成信道间干扰(InterChannel Interference，ICI)。
无线信道要解决的问题
1.自由空间的传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区域的覆盖，通过合理的设计就可以消除这种不利影响。
2.在无线通信系统中，重点要解决时间选择性衰落和频率选择性衰落。采用OFDM技术可以很好的解决这两种衰落对无线信道传输造成的不利影响。
OFDM: 正交频分复用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是一种多载波传输方式。
1.带宽利用率高：OFDM将频域划分为多个子信道，各相邻子信道相互重叠，但不同子信道相互正交。将高速的串行数据流分解成若干并行的子数据流同时传输。
2.频率选择性衰落小：OFDM子载波的带宽 < 信道“相干带宽”时，可以认为该信道是“非频率选择性信道”，所经历的衰落是“平坦衰落”。
3.时间选择性衰落小：OFDM符号持续时间 < 信道“相干时间”时，信道可以等效为“线性时不变”系统，降低信道时间选择性衰落对传输系统的影响。
OFDM系统实现原理——多载波技术
多载波传输是相对于单载波传输而来的：使用多个载波并行传输数据。
- 把一串高速数据流分解为若干个低速的子数据流——每个子数据流将具有低得多的速率
- 将子数据流放置在对应的子载波上
- 将多个子载波合成，一起进行传输
OFDM原理图
1.OFDM技术中各子载波之间相互正交且相互重叠，可以最大限度地利用频谱资源。
2.OFDM是一种多载波并行调制方式，将符号周期扩大为原来的N倍，从而提高了抗多径衰落的能力。
3.OFDM可以通过IFFT（快速傅里叶发变换）和FFT（快速傅里叶变换）分别实现OFDM的调制和解调。
LTE OFDM时频结构
时域：对应OFDM符号
频域：对应OFDM子载波
OFDM的优势
| 抗多径衰落 |
频谱利用率高 |
计算简单 |
频谱资源灵活分配 |
| 将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传输，可以减少子信道的干扰。 每个子信道上的信号带宽小于信道的相干带宽，因此每个子信道上的信号可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰
|
由于子载波之间正交，允许子载波之间具有1/2的重迭，具有很高的频谱利用率
|
选用基于IFFT/FFT的OFDM实现方法，计算方法简单高效
|
通过选择子信道数目的不同，实现上下行不同的传输速率要求；通过动态分配充分利用信噪比高的子信道，提高系统吞吐量
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OFDM的不足
| 易受频率偏差的影响 |
存在较高的峰均比 |
| 由于OFDM子信道的频谱相互重叠，因此对正交性要求严格。然而由于无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信号的频率偏移，会导致OFDM系统子载波之间的正交性被破坏，引起子信道间的信号干扰
|
因为OFDM信号是多个小信号的总和，这些小信号的相位可能同相，在幅度上叠加在一起会产生很大的瞬时峰值幅度。而峰均比(PAPR)过大，将会增加A/D和D/A的复杂性，降低射频功率放大器的效率。由于OFDM系统峰均比大，对非线性放大更为敏感，故OFDM调制系统比单载波系统对放大器的线性范围要求更高
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OFDM的关键技术
多径效应将引起符号间干扰（路径1的第二个符号和路径2的第一个符号形成干扰）
保护间隔GI（Guarding Interval）
加入保护间隔避免符号间干扰
优势：当保护间隔的长度超过信道最大延迟，一个符号的多径分量不会干扰下一个符号子载波干扰
劣势：引入保护间隔后，积分区间内不再具有整个子载波，子载波间的正交性被破坏，两个子载波之间会产生载波间的干扰。
循环前缀CP（Cyclic Prefix）
1.循环前缀是此符号后一段样点值的重复，加入循环前缀的目的是不破坏子载波间的正交性。
2.只要每个路径的时延小于保护间隔，FFT的积分时间长度就可以包含整数个多径子载波波形。
3.加入循环前缀，要牺牲一部分时间资源，降低了各个子载波的符号速率和信道容量，优点就是可以有效的抗击多径效应。
4.下图为采用IFFT实现OFDM调制并加入循环前缀的过程：输入串行数据信号，经过串/并转换，输出的并行数据就是要调制到相应子载波上的数据符号，可以看成是一组位于频域上的数据。经过IFFT就实现了频域到时域的转换。
同步技术
OFDM系统的同步要求：
载波同步：实现接收信号的相干解调；
样值同步：使接收端的取样时刻与发送端完全一致；
符号同步：区分每个OFDM符号块的边界，因为每个OFDM符号块包含N个样值。
与单载波系统相比，OFDM系统对同步精度的要求更高，同步偏差会再OFDM系统中引起ISI（频率选择性衰落）及ICI（时间选择性衰落）。
同步技术——载波技术
OFDM系统利用导频实现载波同步，载波同步分为两个过程：
跟踪模式：只需要处理很小的载波抖动；
捕获模式：频偏较大，可能是载波间隔的若干倍。
OFDM系统接收机通过两个阶段的同步，可以提供良好的捕获性能和精准的跟踪性能。
第一阶段：尽快进行粗略的频率估计，解决载波的捕获问题；
第二阶段：能够锁定并且执行跟踪任务
同步技术——符号同步和载波同步
OFDM系统中，采用最大似然方法联合实现符号定时同步和载波同步。
通常多载波系统都采用插入保护间隔的方法来消除符号间干扰，最大似然方法正是利用保护间隔所携带的信息完成符号定时同步和载波频率同步，克服了需要插入导频符号实现载波同步，浪费资源的缺点。
信道估计技术
加入循环前缀后的OFDM系统可等效为N个独立的并行子信道。如果不考虑信道噪声，Ｎ个子信道上的接收信号等于各自子信道上的发送信号与信道的频谱特性的乘积。如果通过估计方法预先获知信道的频谱特性，将各子信道上的接收信号与信道的频谱特性相除，即可实现接收信号的正确解调。
常见的信道估计方法有基于导频信道和基于导频符号（参考信号）两种，多载波系统具有时频二维结构，因此采用导频符号的辅助信道估计更灵活。
导频符号位置
导频符号辅助方法是在发送端的信号中某些固定位置插入一些已知的符号和序列，在接收端利用这些导频符号和导频序列按照某些算法进行信道估计。
在多载波系统中，通常在时间轴和频率轴两个方向同时插入导频符号，在接收端提取导频符号估计信道传输函数。只要导频符号在时间和频率方向上的间隔相对于信道带宽足够小，就可以采用二维内插滤波的方法来估计信道传输函数。
降峰均比技术
峰均比（PAR）
导频符号辅助方法是在发送端的信号中某些固定位置插入一些已知的符号和序列，在接收端利用这些导频符号和导频序列按照某些算法进行信道估计。
在多载波系统中，通常在时间轴和频率轴两个方向同时插入导频符号，在接收端提取导频符号估计信道传输函数。只要导频符号在时间和频率方向上的间隔相对于信道带宽足够小，就可以采用二维内插滤波的方法来估计信道传输函数。
降峰均比技术
| 降峰均比技术 |
OFDM系统中采用信号预畸变技术降峰均比 |
| 实现原理 |
在信号被送到放大器之前，首先经过非线性处理，对有较大峰值功率的信号进行预畸变，使其不会超出放大器的动态变化范围，从而避免较大峰均比的出现 |
| 实现方法 |
限幅 压缩扩张 |
限幅方法
限幅作用：信号经过非线性部件之前进行限幅，可以使得峰值信号低于所期望的最大电平值。
限幅导致的问题：会对系统造成自身干扰；会导致带外辐射功率值的增加。
解决方法：利用其他非矩形窗函数对OFDM符号进行时域加窗。
压缩扩张
压缩扩张变化方法：把大功率发射信号压缩，而把小功率发射信号进行放大，从而可以使得发射信号的平均功率相对保持不变。
OFDM在上下行链路的应用
下行多址技术方案—OFDMA
OFDMA（正交频分多址接入）：是传统的基于CP的OFDM技术。
OFDMA多址接入方式：将传输带宽划分成相互正交的子载波集，通过将不同的子载波集分配给不同的用户，可用资源被灵活的在不同移动终端之间共享。这可以看成是一种OFDM+FDMA+TDMA技术相结合的多址接入方式。如下图所示：
根据每个用户需求的数据传输速率、当时的信道质量随频率资源进行动态分配。
下行多址技术方案——OFDMA的优势
- 频谱效率高：子载波重叠、正交、支持非对称
- 带宽扩展性强：带宽取决于子载波的数量
- 抗多径衰落：子信道可以看做水平衰落信道、CP的引入
- 频域调度和自适应：
集中式/分布式子载波分配：子载波连续分配给一个用户，频域调度选择较优子信道，获得多用户分集增益；（高速移动或SINR较低时）将分配给子信道的子载波分散到整个带宽，交替排列，获得频率分集增益。（使干扰随机化）
频率选择性：SINR、调制编码方式MSC
- 实现MIMO技术较简单：水平衰落信道，避免天线间干扰。
上行多址接入技术方案——需求
1.上行多址技术的要求和下行不同，OFDM等多载波系统的输出是多个子信道号的叠加，因此，如果多个信号的相位一致，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，存在较高的峰均比PAPR。
2.对发射机的线性度提出了很高的要求，会增加数模转换的复杂度，降低RF功放的效率，使发射机功放的成本和耗电量增加。
3.终端的能力有限，尤其是发射功率受限，所以在上行链路，基于OFDM的多址接入技术并不适合用在UE侧使用。
上行多址技术方案——SC-FDMA多址方式
1.采用（单载波）SC-FDMA多址接入方式，多用户复用频谱资源时只需要改变不同用户DFT的输出到IDFT输入的关系就可以实现多址接入，同时子载波之间具有良好的正交性，避免了多址干扰。
2.通过改变DFT到IDFT的映射关系，实现多址；改变输入信号的数据符号块M的大小，实现频率资源的灵活配置。
3.SC-FDMA的两种资源分配方式：集中式资源分配、分布式资源分配是3GPP讨论过的两种上行接入方式，最终为了获得低的峰均比，降低UE的负担选择了集中式的分配方式。
为什么选择SC-FDMA？
OFDM:
信号功率峰均比较高 à 功放效率较低 à 电池效率较低 à 不适合终端UE
SC-FDMA (Single Carrier FDMA：单载波FDMA):
信号峰均比较低 功放效率较高 电池寿命较长 适合终端UE
OFDMA和SC-FDMA的比较
6.LTE MIMO基本原理介绍
几种传输模型
MIMO (Multiple Input Multiple output：多输入多输出)系统，其基本思想是在收发两端采用多根天线，分别同时发射与接收无线信号
LTE中的MIMO模型
SU-MIMO（单用户MIMO）：指在同一时频单元上一个用户独占所有空间资源，这时 的预编码考虑的是单个收发链路的性能；
MU-MIMO（多用户MIMO）：指在同一时频单元上多个用户共享所有的空间资源，相当于一种空分多址技术，这时的预编码还要和多用户调度结合起来，评估系统的性能。
MIMO系统容量
MIMO系统中，系统容量随着天线数目的增加成线性增加。
为什么选择MIMO技术？
- MIMO为无线资源增加了空间维的自由度。
- MIMO通过空时处理技术，充分利用空间资源，在无需增加频谱资源和发射功率的情况下，成倍地提升通信系统的容量与可靠性，提高频谱利用率。（多路发送相同数据时，收到信噪比更好的信号）
- MIMO能够获得比单入单出（SISO），单入多出（SIMO）和多入单出（MISO）更高的信道容量。
基本原理：空间复用和空间分集技术能够提高速率
MIMO关键技术：空间复用，空间分集，波束成型，层映射和预编码。
空间复用
空间复用：发射的高速数据被分成几个并行的低速数据流，在同一频带从多个天线同时发射出去。
码字≤ 层数 ≤ 发射天线数
不同的数据内容 —— 提高吞吐量
更复杂的预编码技术 —— 码本
发射分集
空间分集（发射分集、接收分集和接收发射分集），使用多根天线进行发射和/或接收，根据收发天线数又分为发射分集、接收分集与接收发射分集。
发射分集：是在发射端使用多幅发射天线发射信息，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，接收端获得比单天线高的信噪比。
空时发射分集STTD
循环延迟分集CDD
空频发射分集SFTD
空时发射分集
1.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；
2.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；
3.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。
4.STC技术的物理实质在于：利用存在于空域与时域之间的正交或准正交特性，按照某种设计准则，把编码冗余信息尽量均匀映射到空时二维平面，以减弱无线多径传播所引起的空间选择性衰落及时间选择性衰落的消极影响，从而实现无线信道中高可靠性的高速数据传输。
5.典型的有空时格码（Space-Time Trellis Code，STTC） 和空时分组码（Space-Time Block Code，STBC）
空频发射分集
空频发射分集与空时发射分集类似，不同的是SFTD是对发送的符号进行频域和空域编码
将同一组数据承载在不同的子载波上面获得频率分集增益
空时空频的相同点：多根天线、都需要编码，发射端承载的信息都相同，都能获得分集增益，较高信噪比。
循环延迟发射分集（CDD）
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，能够获得分集增益。且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 。
两天线发射分集
接收分集
多个天线接收来自多个信道的承载同一信息的多个独立的信号副本。
由于信号不可能同时处于深衰落情况中，因此在任一给定的时刻至少可以保证有一个强度足够大的信号副本提供给接收机使用，从而提高了接收信号的信噪比。
波束成形原理图
在发射端将待发射数据矢量加权，形成某种方向图后到达接收端，接收端再对收到的信号进行上行波束形成，抑制噪声和干扰。
波束成形的分类
按照信号的发射方式：
- 传统波束成形：当信道特准值只有一个或只有一个接收天线时，沿特征向量发射所有功率实现波束形成；
- 特征波束成形：对信道矩阵进行特征值分解，信道将转化为多个并行的信道，在每个信道上独立传输数据。
按反馈的信道信息：
- 瞬时信道信息反馈
- 信道均值信息反馈
- 信道协方差矩阵反馈
【特征值只有一个，信道相关——分集用，发送相同数据
多个特征值，信道不相关（几个特征值，就几个不相关信道）——空间复用】
MIMO关键技术——层映射和预编码
空间复用：
1、空间复用方式下层映射
2、空间复用方式下预编码
3、闭环空间复用预编码
4、开环空间复用预编码
发射分集：
1、发射分集方式下的层映射
2、发射分集方式下预编码
3、发射分集2天线预编码
1、空间复用方式下层映射
层映射
根据协议36.211，层数V≤P，P表示物理信道用于发射的天线端口数，且码字流的个数最多为2 。
协议规定：码字到层的映射可有1：1，1：2，2：2，2：3，2：4。
且1：2的情况只发生在P=4的条件下。
2、空间复用方式下预编码
预编码：克服无线信道的相关性。当多路径信道在一个或多个MIMO接收机上无法提供足够的SINR（信噪比）时，预编码技术可以极大地提高系统性能。
3、闭环空间复用预编码（低速或静止移动环境）
1）无CDD(循环延迟发射分集)时的预编码
2）W是阶数为P*V的预编码矩阵。
3）闭环空间复用
需要UE反馈PMI(预编码矩阵指示),RI(秩指示)。
4、开环空间复用预编码
1）大CDD时的预编码（开环空间复用）
2）W是阶数为P*V的预编码矩阵，D,U为矩阵。 加入CDD之后能够人为的制造多径效应，以获得更大的增益。
3）开环空间复用
需要UE反馈RI(秩指示)，且当RI=1时为发射分集。两天线时Codebook的索引号为0，四天线时Codebook的索引号为12-15。
1、发射分集方式下的层映射
层映射
根据协议，只允许对一个码字进行层映射，层数V和物理信道用于发射的天线端口数P相等。
码字到层的映射只允许有1：2和1：4，即一码字流映射至两层或四层 。
2、发射分集方式下预编码
发射分集方式的层映射要求映射层数和天线口数目相等，且层映射只有1：2和1：4，故预编码模块输入的层数也是2层或4层。
3、发射分集2天线预编码
LTE整个下行过程
LTE中7种MIMO模式
- 单天线端口——适用于单天线端口
- 发射分集——提供发射分集对抗衰落
- 开环空间复用——适用于高速移动环境
- 闭环空间复用——提高峰值速率
- 多用户MIMO——提高系统容量
- 码本波束成形——提高小区覆盖，抑制干扰
- 非码本波束成形——提高小区覆盖，抑制干扰
LTE系统中MIMO模式优先级
- 单天线端口——单天线系统优选
- 发射分集——高优先级
- 开环空间复用——两天线高优先级，四天线中等优先级
- 闭环空间复用——两天线高优先级，四天线中等优先级
- 多用户MIMO——中低优先级
- 码本波束成形——中等优先级在四天线系统
- 非码本波束成形——优先级较低（尤其在TDD系统）
MIMO模式的应用
手机自适应MIMO模式
MIMO模式总结
| 传输 方案 |
秩 |
信道 相关性 |
移动性 |
数据 速率 |
在小区中 的位置 |
| 发射分集 (SFBC) |
1 |
高 |
高/中速移动 |
低 |
小区边缘 |
| 开环空间复用 |
2/4 |
低 |
高/中速移动
|
中/低 |
小区中心/边缘 |
| 双流预编码 |
2/4 |
低 |
低速移动 |
高 |
小区中心 |
| 多用户MIMO |
2/4 |
低 |
低速移动 |
高 |
小区中心 |
| 码本波束成形 |
1 |
高 |
低速移动 |
低 |
小区边缘 |
| 非码本波束成形 |
1 |
高 |
低速移动 |
低 |
小区边缘 |
闭环空间复用的应用场景
注意:
支持天线端口 2/4;
支持1个码字和2个码字;
要求终端反馈RI和PMI;
秩RANK=1 对应于1个码字; 秩RANK>=2对应于两个码字;
一个码字的情况被称为码本波束成形;
适用于小区中心的高信噪比用户
东莞理工学院TD-LTE移动通信技术——黄妙娜[2019]