LTE的关键技术MIMO.docx
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LTE的关键技术MIMO
MIMO技术的关键是有效避免天线之间的干扰,以区分多个并行数据流。
众所周知,在水平衰落信道中可以实现更简单的MIMO接收。
而在频率选择性信道中,由于天线间干扰和符号间干扰混合在一起,很难将MIMO接收和信道均衡分开处理。
如果采用将MIMO接收和信道均衡混合处理的MIMO接收均衡的技术,则接收机会比较复杂。
因此,由于每个OFDM子载波内的信道(带宽只有15KHz)可看作水平衰落信道,MIMO系统带来的额外复杂度可以控制在较低的水平(随天线数量呈线性增加)。
相对而言,单载波MIMO系统的复杂度与天线数量和多径数量的乘积的幂成正比,很不利于MIMO技术的应。
MIMO系统在一定程度上可以利用传播中多径分量,也就是说MIMO可以抗多径衰落,但是对于频率选择性深衰落,MIMO系统依然是无能为力。
目前解决MIMO系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术,还有一种是利用OFDM。
4G需要极高频谱利用率的技术,而OFDM提高频谱利用率的作用毕竟是有限的,在OFDM的基础上合理开发空间资源,也就是MIMO-OFDM,可以提供更高的数据传输速率。
另外ODFM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。
由于多径时延小于保护间隔,所以系统不受码间干扰的困扰,这就允许单频网络(SFN)可以用于宽带OFDM系统,依靠多天线来实现,即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应,来实现完全覆盖。
1、多普勒频移
设手机发出信号频率为fT,基站收到的信号频率为fR,相对运动速度为V,C为电磁波在自由空间的传播速度(光速);fdoppler即为多普勒频移。
例360km/h车速,3GHz频率的多普勒频移:
子载波间隔确定-多普勒频移影响
■2GHz频段,350km/h带来648Hz的多普勒频移,对高阶调制(64QAM)
造成显著影响。
■低速场景,多普勒频移不显著,子载波间隔可以较小
■高速场景,多普勒频移是主要问题,子载波间隔要较大
■仿真显示,子载波间隔大于11KHz,多普勒频移不会造成严重性能下降
■当15KHz时,EUTRA系统和UTRA系统具有相同的码片速率,因此确定单播系统中采用15KHz的子载波间隔
■独立载波MBMS应用场景为低速移动,应用更小的子载波间隔,以降低CP开销,提高频谱效率,采用7.5KHz子载波
■Wimax的子载波间隔为10.98KHz,UMB的子载波间隔为9.6KHz
2、OFDM
(1)OFDM技术的优势
■频谱效率高
各子载波可以部分重叠,理论上可以接近Nyquist极限。
实现小区内各用户之间的正交性,避免用户间干扰,取得很高的小区容量。
相对单载波系统(WCDMA),多载波技术是更直接实现正交传输的方法
注:
OFDM小区内用户之间信号是正交的,但小区间如果想做到同频组网的化,
同频干扰还是比较严重的,需要相应的抑制小区间干扰的技术,如加扰(504个
扰码,与504个小区ID对应)、干扰对消、干扰协调。
■带宽扩展性强
OFDM系统的信号带宽取决于使用的子载波数量,几百kHz—几百MHz都较容易实现,FFT尺寸带来的系统复杂度增加相对并不明显。
非常有利于实现未来宽带移动通信所需的更大带宽,也更便于使用2G系统退出市场后留下的小片频谱。
单载波CDMA只能依赖提高码片速率或多载波CDMA的方式支持更大带宽,都可能造成接收机复杂度大幅上升。
OFDM系统对大带宽的有效支持成为其相对单载波技术的决定性优势。
■抗多径衰落
多径干扰在系统带宽增加到5MHz以上变得相当严重。
OFDM将宽带转化为窄带传输,每个子载波上可看作平坦衰落信道。
插入CP可以用单抽头频域均衡(FDE)纠正信道失真,大大降低了接收机均衡器的复杂度
单载波信号的多径均衡复杂度随着带宽的增大而急剧增加,很难支持较大的带宽。
对于更大带宽20M以上,OFDM优势更加明显
■频域调度和自适应
集中式、分布式子载波分配方式
集中式子载波分配方式:
时域调度、频域调度
分布式子载波分配方式:
终端高速移动或低信干噪比,无法有效频域调度
集中式子载波分配可以进行时域调度和频域调度,可以获得多用户增益。
UE运动速度很快无法进行频域调度,此时更适合采用分布式分配方式,用户子载波均匀的分散到整个频域带宽内,来获得频域分集增益。
单载波系统,只能根据平均信噪比来选择相应的调制编码方式,而多载波系统,可以将整个频带分成若干个小频带分别进行自适应调制和编码方式的选择(AMC),这样可以更好的适应频率选择性衰落,获得更佳的性能。
■实现MIMO技术较为简单
MIMO技术关键是有效避免天线间的干扰(IAI),以区分多个并行数据流。
在平坦衰落信道可以实现简单的MIMO接收。
频率选择性衰落信道中,IAI和符号间干扰(ISI)混合在一起,很难将MIMO
接收和信道均衡分开处理
注:
频率选择性衰落信道中,IAI和符号间干扰(ISI)混合在一起,很难将
MIMO接收和信道均衡分开处理,采用混合处理的接收机复杂度比较高,OFDM
使得信道衰落是平坦的,降低了接收机实现的难度。
(2)OFDM技术存在的问题
■PAPR问题
下行使用高性能功放,上行采用SC-FDMA以改善蜂均比
当独立调制的很多子载波连贯在一起使用时,OFDM符号就有很高的峰均比(PAPR)。
当N个具有相同相位的信号叠加在一起时,峰值功率是平均功率的N倍。
高PAPR会增加模数转换和数模转换的复杂度,降低RF功率放大器的效率,增加发射机功放的成本和耗电量,不利于在上行链路实现(终端成本和耗电量受到限制)
降低PAPR技术:
信号预失真技术、编码技术、加扰技术
■时间和频率同步-对频率偏移特别敏感
LTE使用频率同步解决频偏问题
载波频率偏移带来两个破坏性的影响:
1.降低信号幅度(sinc函数移动造成无法在峰值点抽样)。
2.造成载波间干扰(ICI)。
研究表明,在低阶调制下,频率误差控制在2%以内才能避免SNR性能急剧下降。
使用更高阶调制时,频率精确度要求就更高。
(360km/h速度3GHz频率多普勒频移1kHz)
时间偏移会导致OFDM子载波的相位偏移大。
由于使用了CP,对时间同步要求在一定程度上可以放松。
假如同步误差和多径扩展造成的时间误差小于CP,
系统就能维持子载波之间的正交性。
但如果时间偏移大于CP,就会导致载波
间干扰(ICI)和符号间干扰(ISI)。
如果CP太短,就不能完全避免ISI。
CP
的长度是由所要求的系统容量、信道相关时间、FFT复杂度共同确定的。
短的
CP,只允许有限的ISI,有利于更高的系统容量。
插入CP降低了OFDM对时间同步精度的要求,但由于子载波宽度较小,对
频偏较敏感,因此OFDM系统需要保持严格的频率同步,以确保子载波之间
的正交性。
多载波系统对载波相位噪声也比单载波系统更加敏感。
发射机和接收机的晶振的误差往往带来载波相位噪声。
在OFDM系统中,载
波相位噪声会造成相位偏移和ICI。
造成ICI的原因:
1.OFDM符号周期内的信道变化(OFDM符号周期相对于信道相关时间太长)。
2.非线性失真。
3.保护间隔不够长。
4.在接收机端的频率偏移和相位噪声。
■多小区多址和干扰抑制
OFDM系统虽然保证了小区内用户的正交性,但无法实现自然的小区间多址(CDMA则很容易实现)。
如果不采取额外设计,将面临严重的小区间干扰(某些宽带无线接入系统就因缺乏这方面的考虑而可能为多小区组网带来困难)。
可能的解决方案包括加扰、小区间频域协调、干扰消除、跳频等。
(3)多址技术
下行多址技术:
OFDMA
上行多址技术:
SC-FDMA
主要考虑因素:
终端处理能力有限,尤其发射功率受限。
OFDM技术由于高的PAPR问题不利于在上行实现。
单载波(SC)传输技术PAPR较低。
LTE采用在频域实现的多址方式:
单载波频分多址(SC-FDMA)。
OFDMAVSSC-FDMA
①DFT-S-OFDM信号产生
SC-FDMA是基于DFT(离散傅里叶变换)扩展的OFDM(S表示扩展spread)
②DFT-S-OFDM解调
③DFT-S-OFDM方式下的上行用户复用
④下行调制多址OFDMA
OFDMA技术是基于时频二维资源的一种多址调度方式,频域上的调度资源为子载波,时域上的最小调度单元为slot。
OFDMA可以实现时频调度,支持频域集中式分配和分布式分配。
⑤E-UTRAN空口技术-上行调制多址SC-FDMA
✍相对于OFDMA,SC_FDMA具有如下特性:
相对OFDMA,具有更低的PAPR,便于UE功放的设计。
相对传统的单载波频率复用,能实现用户间完全正交的频率复用,同时保
证频谱效率。
用户复用可以通过DFT变换,正交子载波映射等过程方便地实现。
支持频率维度的链路自适应和多用户调度。
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