td-lte原理及关键技术-word教材

td-lte原理及关键技术-word教材内容摘要：

VE 状态下 UE 的 LTE 接入系统内的移动性管理功能； 2) X2 接口自身的管理功能，如错误指示等； 3) 上行负荷管理功能。 LTE 的应用频段 在 3GPP R8中， TDD可用的频段从 33到 40号，有 8个。 其中 B38： ~，可全球漫游； B39： ~，这是国内 TD‐ SCDMA的频段； B40： ~，可全球漫游。 B是 Band的缩写，代表频段的意思。 这些频段中，中国移动采用 B38以及 B39来实施室外覆盖， B40来实施室内覆盖。 B3 B3 B40在中国移动分别又有绰号： D频段、 F频段和 E频段。 表 1 TDLTE频段 频段 双工方式 FDL_low/FUL_low (MHz) FDL_high/FUL_high (MHz) 33 TDD 1900 1920 34 TDD 2020 2025 35 TDD 1850 1910 36 TDD 1930 1990 37 TDD 1910 1930 38 TDD 2570 2620 39 TDD 1880 1920 40 TDD 2300 2400 41 TDD 2496 2690(非连续） TDLTE 原理及关键技术 17 42 TDD 3400 3600 43 TDD 3600 3800 到了 R10， 3GPP又引入了新的 TDD频段，其中 B41为 2500~2690MHz，非常重要。 因为中国政府已经宣布，将 B41的全部频段用于 TD‐ LTE。 LTE 的标准演进路线 随着移动数据业务的大量应用以及新业务种类的出现，对移动通信网络性能和质量方面的要求越来越高。 中国移动通信运营商从 2020年左右启动 GPRS数据网络的部署工作，经过了短短 10年左右的时间，移动通信就迅速从 2G商用进入4G试验网建设阶段。 对移动通信用户来讲，这意味着网络性能的提高和质量的改善，而对运营商来讲，则意味着面临网络演进方向的选择以及网络运营和融合方面的挑战。 数据业务的演进一直朝着业务速率增加、时延降低以及 QoS提升的方向迈进。 为了实现这些目标，一系列新的技术和手段都逐步被引入到通信系统中，如高阶调制、多天线技术、新的无线接入方式等，也正是这些新的技术点带来了通信标准的迅速发展， LTE就是面向长期演进的体系和网 络，它实际上并不是一个标准，但是它导致了 3G标准的全面演进。 目前 3G网络已经普遍引入了 HSDPA和 HSUPA，下一步将面临 HSPA+与 LTE演进方向选择的问题，分析 LTE的演进路线和标准化的过程以及它与 HSPA+的异同，无疑有助于更深入地了解目前和未来网络的演进方向。 GSM网络是最早出现的数字移动通信技术，它基于 FDD和 TDMA技术来实现，由于 TDMA的局限性， GSM网络发展受到容量和服务质量方面的严峻挑战，从业务支持种类来看，虽然采用 GPRS/EDGE引入了数据业务，但是由于采用的是 GSM原有的空中接口 ，因此其带宽受到限制，无法满足数据业务多样性和实时性的需求。 在技术标准发展方面，针对 GPRS提出了 EDGE以及 EDGE+的演进方向，但是基于 CDMA接入方式的 3G标准的出现使得 EDGE不再进入人们的视线。 CDMA采用码分复用方式，虽然 2G时代的 CDMA标准成熟较晚，但是它具有抗干扰能力强、频谱效率高等技术优势，所以 3G标准中的 WCDMA、TDSCDMA和 CDMA2020都普遍采用了 CDMA技术。 演进到 3G网络时， GSM系统可以采用 WCMDA或者 TDSCDMA的路线，而CDMA则使用 CDMA2020的 途径。 WCDMA和 TDSCDMA早期标准为 R99，后来 TDLTE 原理及关键技术 18 在 R4版本中引入 IMS， R5版本中引入 HSDPA， R6版本中引入 HSUPA， R7版本中引入 HSPA+， R8版本则面向 LTE， CDMA系列的演进经由 CDMA2020到 CDMA1x再到 UWB的方向发展，演进路径如 下 图所示。 图 10 3G演进路径 经过协议的反复修改和最终确认， 3G的三大主流标准都将 LTE作为其最终发展的方向，从而实现真正的无缝覆盖。 图 11 3G三大 标准最终演进路线 TDLTE 原理及关键技术 19 2 TDLTE 核心技术 LTE 主要有两个核心技术，一是 OFDM 技术，另一个是 MIMO 技术。 OFDM 是一种特殊的多载波调制技术，它利用载波间的正交性进一步提高频谱利用率，且可以抗窄带干扰和多径衰落。 OFDM 的基本思想就是将串行的数据并行的调制在多个正交的子载波上，这样可降低每个子载波的码元速率，增大码元的符号周期，提高系统的抗衰落和干扰的能力，同时由于每个子载波的正交性，频谱的利用率大大提高。 目前， OFDM 技术都可以通过 FFT 技术实现，所以系统实现结构简单。 但是 OFDM 技术也存在一定的缺陷，首先对频率偏移敏感，对同步技术的要求较高，其次， OFDM 信号的峰均比大，对系统中的非线性敏感。 3GPP组织决定对 LTE系统物理层下行传输方案采用先进成熟的 OFDMA技术，对于上行传输考虑到 OFDM 较高的峰均比会增加终端的功放成本和功率消耗，限制终端的使用时间，决定采用峰均比比较低的单载波方案 SCFDMA 技术。 OFDM 技术是 LTE 系统的技术基础与主要特点， OFDM 系统参数设定对整个系统的性能会产生决定性的影响，其中载波间隔又是 OFDM 系统的基本参数，目前 3GPP 给出了两种载波间隔， 分别为 15kHz和。 当传输信道中出现多径传播时，接收子载波间的正交性就会被破坏，使得每个子载波上的前后传输符号间以及各个子载波间发生相互干扰。 为了解决这个问题，在每个 OFDM 符号前插入保护间隔，即循环前缀，它是由 OFDM 符号进行周期扩展得到的。 循环前缀 CP（ Cyclic Prefix）的长度决定了 OFDM 系统的抗多径衰落能力和覆盖能力。 长 CP 利于克服多径干扰，支持大范围覆盖，但是系统的开销也会相应增加，导致数据传输能力下降。 为了达到小区半径 100km的覆盖要求， LTE 系统采用长短两套循环前缀方案 ，也即是普通 CP 和增强型 CP 两种方案。 根据具体场景进行选择 CP，一般普通 CP 方案为基本选择，增强型 CP 方案用于支持 LTE大范围小区覆盖和多小区广播业务。 MIMO 作为提高系统传输率的最重要手段，也被 3GPP 采用为 LTE 的一项核心技术。 LTE 已确定可采用的天线数为 2 或 4， MIMO 的天线个数基本配置为 2*2,4*4 高阶天线配置正在考虑中。 下行方向 MIMO 的方案较多，根据 2020年 3 月雅典会议报告， LTE MIMO 下行方案可分为两大类：发射分集和空间复用两类。 目前，考虑采用的发射分集方案包括基于码块的发射分集 （ STBC、 SFBC），时间 /频率转换发射分集（ TSTD、 FSTD），循环延迟分集（ CDD），循环移位 TDLTE 原理及关键技术 20 分集（ CSD），基于预编码向量选择的预编码技术，其中预编码技术已被确认为多用户 MIMO 的传输方式。 LTE 系统按照双工方式可以分为两种： FDD 和 TDD。 LTE 上行主要关注的首要问题是峰均比的问题，目前主要考虑采用位移 BPSK 和频域滤波两种方案进一步降低上行 SCFDMA 的峰均比。 LTE 下行链路要求传输速率可到 100Mbps，故高峰值速率是 LTE 下行链路需要解决的主要问题。 为了实现该目标，在 3G 原有的 QPSK、 16QAM 的基础上， LTE 系统新增加了 64QAM 高阶调制。 LTE 的信道编码主要有两种，一种是采用 Turbo 信道编码， Turbo 编码在 FPGA 中较容易实现，另一种采用咬尾卷积编码，实现也较简单。 OFDM OFDM（ Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交频分复用技术，实际上 OFDM 是 MCM（ MultiCarrier Modulation）多载波调制的一种。 其主要思想是：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 进行传输。 正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰 ICI。 每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。 而且由于每个子信道的带宽仅仅是原始带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。 图 12 频域波形 OFDM的技术发展 OFDMA 起源于二十世纪四十年代的第二次世界大战时期，早期用于美国军方的高频通信项目，主要技术特点是采用多个并行传输信道进行信号传输。 1966 TDLTE 原理及关键技术 21 年， Robert W. Change 第一次提出了一种在有限带宽下并行传输多个数据流，并确保各数据流间的无符号间干扰（ ISI， InterSymbol Interference）和无载波间干扰（ ICI， InterCarrier Interference）的并行信号传输方式，并于 1970 年获得了OFDM 的第一个专利。 但此时的 OFDM 多址接入技术在实际系统应用中还存在众多难以克服的困难。 主要表现是：每个子载波需要单独的信号振荡器用于信号的生成和调制，这对硬件的要求比较高，且由于信号振荡器间的非同步，容易造成子载波间干扰；同 时，由于子载波信号的单独调制和生成，在子载波数量比较多的情况下，基带信号处理计算复杂度也很高。 随着 OFDM 的两个重要实用化设计方案的提出，为 OFDM 的大规模应用铺平了道路。 一个是在 1971年 Weinstein和 Ebert提出了采用离散傅里叶变换（ DFT， Discrete Fourier Transform）进行 OFDM 信号的调制和解调，使得 OFDM 各子载波信号的生成只需要一个信号振荡器，从而使得 OFDM 调制的实现更为简单。 另一个重要设计是 Peled和 Ruiz在 1980年提出了在 OFDM各子载波符号中引入循环前缀（ CP， Cyclic Prefix）的设计，从而使得 OFDM 各子载波调制信号在复杂的传输信道中仍然能够保证正交性。 采用循环前缀的 OFDM 符号方式如下图所示。 在图中，一个 OFDM 符号后部的部分信号被复制并放在信号的最高端。 相比原有的在 OFDM 符号间插入空时隙保护间隔方法，插入循环前缀方式使得 OFDM 符号在接收处理时，信道实现类似于一个具有循环卷积特性的信号。 在信号的多径不大于 CP 长度的情况下，保证了在多径频选信道中各子载波间的正交性，减少了 ICI。 图 13 OFDM符号生成方式 目前， OFDM多址接入技术已经被广泛应用于无线广播系统，如 DAB（ Digital Audio Broadcast）、 DVB（ Digital Video Broadcast）以及无线局域网和近距离通信，如 IEEE 、 等系统，并将在未来的第四代移动通信系统中广泛应用。 TDLTE 原理及关键技术 22 OFDMA 的基本原理 OFDMA 多址接入方式，本质上仍然是一种频分复用多址接入方式，不同的用户被分配在各子载波上，通过频率资源上的正交方式来区分用户。 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， 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。 下图给出了传统 FDMA 和OFDMA 的信号生成方式的区别，从图中可以看到，在传输同等带宽的数据符号时， OFDMA 需要更小的带宽。 图 14 传统 FDMA 和 OFDMA 信号生成方式的区别 OFDM 多址方式的发送及接收机结构如下图所示。 以 OFDM 发射端为例，首先对发 送信号进行信道编码并交织，然后将交织后的数据比特进行串 /并转换，并对数据进行调制后映射到 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，并对其进行并 /串变换；在每个 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 15 OFDM发送端结构图 图 16 OFDM接收端结构图 TDLTE 原理及关键技术 23 OFDM作为未来无线通信应用的主要多址接入技术，相对于其他多址方式，具有以下几方面的优势： 1) 频谱效率更高。 相对于传统的频分复用技术，各子载波相互重叠，理论上可以接近 Nyquist 极限。 同时，由于具有良好的多址正交性，保证较低的用户间干扰，以 OFDM 为调制多址方式的系统具有更高的频谱效率。 2) 接收信号处理更为简单，降低了接收机的实现复杂度。 对于传统的窄带无线传输系统，由于多径所带来的频选特性并不明显，一般通过采用时域自适应滤波器来补偿衰落信道的损失和减少符号间干扰。 但对于宽带系统，符号间的串扰将达几十甚至几百符号，如果仍采用时域自适应滤波器方式来补充信道的损失，这会给接收。