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LTE关键技术:OFDM和MIMO

2017/12/17    来源:今日头条    作者:佚名      
关键字:OFDM  MIMO  
LTE是Long TermEvolution,大多数资料也都有介绍,是3G伙伴组织3GPP牵头制定的第四代移动通信技术。
    概述:
 
    LTE是Long TermEvolution,大多数资料也都有介绍,是3G伙伴组织3GPP牵头制定的第四代移动通信技术。我这里特别要指出的是LTE是一个站在巨人肩膀上的技 术,借鉴了很多其它通信技术的优点,如OFDM和MIMO都是借鉴的Wimax,HARQ是借鉴的CDMA,所以通信技术发展到LTE算是一个集大成者, 另外随着3GPP2没落和高通宣布CDMA支持LTE的演进,LTE可以说将来有一统通信技术的趋势。
 
    背景简述:
 
    在讲LTE关键技术之前先讲讲影响通信速率的关键点吧,大家都知道通信技术越发展速率越快,可是到底是哪些技术促成了速率的提升呢?下面我写一个公式:
 
    C = B x V
 
    在这里,C表示为速率,B是带宽,V是每Hz的速率,通过这个公式我们可以发现,如果想提高网络的速度有2个方法,一个是增加带宽,一个是增加频带利用率。那么LTE是如何在这两方面进行实现的呢?
 
    首先讲讲增加带宽,这个技术说起来简单但是实际上是非常复杂的,也是直接导致CDMA技术在4G被pass的原因之一。如果将一个通信技术的频谱从 1.25MHz扩展到20MHz,要面临很多的问题,第一个是多载波的聚合,举个例子,你原来只需要管理个单车道,现在突然给你个100车道,第一个就是 协调问题,要保证不乱,其次调度问题,要保证高效,所以复杂程度大大的增加,其次是频谱特性问题,那有的人会问,干嘛要多载波聚合,直接一个载波不行了么?如果你真的搞一个20Mhz的载波,跨度那么大,频率特性就很难兼顾,包括传播特性,扩频效率等,另外包太大的话调度的精度也受影响,因此LTE选择 了含正交子载波技术的OFDM技术来实现多增加带宽。
 
    其次就是增加频带利用率,在这里简单说明一下信道编码的方式,信源要最终发射必须要经过编码和调制,编码的作用是将前后的信息位建立联系并最终保证纠错,相当于一种冗余,而调制的方式则是通过相位来区别更多的符号,相当于一种压缩,那么高效的编码和高阶的调制无疑会增加频谱利用率,在这点上LTE并没有多大 进步,和3G一样,最高速率用的是turbo编码和64QAM调制技术,但是LTE支持MIMO也是一种增加频谱利用率的方式。
 
    所以,LTE速率的提升关键就在于OFDM和MIMO这两个技术,下面先重点讲解这两个技术。
 
    LTE关键技术:
 
    一、 OFDM(orthogonalfrequently division multiplexing)正交频分复用。
 
    OFDM原理很简单,就是将大的频谱分为若干小的子载波,各相邻子载波相互重叠,相邻子载波互相正交(通过傅里叶变实现),从而使其重叠但不干扰。然后将串行数据映射到子载波上传输,实现统一调度。
 

OFDM

    图1 OFDM
 
    由上图可以看出,OFDM和传统的FDM多载波调制技术的区别,传统的多载波是分开的,载波之间要有保护间隔,而OFDM则是重叠在一起的,最大的一个好处就是节省了带宽,同时OFDM是统一调度,而传统的FDM是子载波分别调度,效率是不一样的。
 
    同时OFDM的子载波也不同于传统的载波,他非常小,小于信道相干带宽,这样的好处是可以克服频率选择性衰落,举个例子,1hz和1.1hz之间的无线特性 几乎一样,而1hz和101hz之间的无线特性就差别大了,带宽越小,衰落越一致,同理一个OFDM符号的时间也是很小的,小于相干时间可以克服时间选择 性衰落,等效为一个线性时不变系统。
 
    而对于OFDM来说,最难的还是在于如何保证各个子载波间的正交,其重要的一点就是利用了快速傅里叶变换,还有就是近代芯片运算能力的增加。傅里叶变换本身很复杂(LTE用的是快速傅里叶变换,简单了很多),下面是个简化版的公式
 
 LTE关键技术:OFDM和MIMO   
 
    由于是简化版的,所以这个公式的版本还有很多,表明意思即可,看公式只有当m和n相等时才会得出1,m和n不等的话就是0。这就是正交的自相关性,也就是只 有自己才能解出自己,别人不行,这点很重要。下面举个例子,例如信息A在子载波m上传递,信息B在n上传递,那么当子载波重叠后,我要将A取出怎么办?可 以计算下。由于A在m子载波上,所以我用
 
    LTE关键技术:OFDM和MIMO
 
    去取A,都积分
 
 LTE关键技术:OFDM和MIMO
 
    也就是A的m载波和m载波自相关,所以=1,而B的n载波和m载波完全不想关,所以=0。从而保证了各个子载波虽然重叠但是不会互相干扰。
 
    OFDM有很多优点,但是也有其不可克服的缺点,如由于一个OFDM符号时间和频率都很小所以对频偏比较敏感,还有由于信号重叠厉害就会需要克服较大的峰均比PARA。
 
    二、 OFDMA正交频分多址Orthogonal Frequency Division Multiple Access
 
    OFDM是一种频分技术,而OFDMA则是利用这种频分技术而实现的多址技术,很多人会搞混,举个例子说,OFDM像是数字,而OFDMA是学号,利用学好可以区分学生,但是实际讲述的时候还是很难分开讲,因为OFDMA就是基于OFDM。
 
    严格的是OFDMA=OFDM+FDMA+TDMA从而实现区分用户的目的
 
    OFDMA要实现主要有2点
 
    1、将高速串行数据流转化为并行,实现串并转换,必须为并行能进行傅里叶变换。
 
    2、将每一路调制到各个子载波上,子载波在经过快速傅里叶变换FFT(或者IFFT)实现互相正交。
 
    OFDM发射图
    图2 OFDM发射图
 
    OFDMA继 承了OFDM的特点,具有随着带宽的增加,OFDMA信号仍能保持正交的特点,而CDMA则会因为多载波多径而失去正交。同时OFDMA可以轻松实现频域 调度,避免了传统FDMA技术的调度和协调难题,还有就是更加支持MIMO。尤其是OFDMA对频谱的支持多样,现网是支持6种带宽,如下图,可以根据实 际需要灵活使用。
 

支持带宽
图3 支持带宽

 
    另外,OFDMA在实际应用中分为集中式和分布式,如图4,集中式会将连续的子载波都分给1个用户,而分布式则是交叉分布,各有优缺点,但是现网多用集中式,调度起来简单效率高。
 
    LTE关键技术:OFDM和MIMO
    图4 子载波分配方式
 
    其实OFDM还有很多东西要讲,也很复杂,但是我个人认为大家只需要理解精髓就可以了,OFDM技术在我们LTE中最重要的一点就是可以快速的实现子载波的正交。
 
    注:LTE 上行的技术是SC-FDMA,很多人说不是OFDM,其实就是理解错了,因为SC-FDMA字面理解是单载波频分多址,实际上就是在OFDM之前增加了一 步,DFT扩频,模拟出一个单载波,由于单载波可以克服OFDMA多子载波造成的峰均比问题,所以对于功放能力较差的手机来说也是一种变通的做法。
 
    三、 CP(cyclic prefix)循环前缀
 
    在上面的图2,在并串转换后需要插入一个CP,那么CP的作用是干嘛用的呢。众所周知,信号在空间的传递是会经过反射和折射的,那么一路信号到达接收端会变成几路,这几路会存在时延导致互相干扰,如图5
 
    多径导致符号间干扰
    图5 多径导致符号间干扰
 
    上面就是典型的多径导致符号间干扰,由于第2径的第一个信号延迟,一部分落到第1径的第二个符号上,导致第二个符号正交性破坏从而失去正交性无法解调出来。为了避免这种状况,就设计了保护间隔出来,在每个信号之前增加一个间隔,只要时延小于间隔就不会互相影响,如图6
 

加入保护间隔

    图6 加入保护间隔
 
    加入了保护间隔后,虽然第2径第一个信号延迟了,但是刚好落入第1径的第二个符号的保护间隔内,在解调时会随着CP一起抛弃,不会干扰到第二个符号,但是上 图有个问题,就是第2径的第二个符号的保护间隔落入了第1径的第二个符号内,会不会产生干扰呢?答案是肯定的,因为保护间隔本身也不是正交的,那么解决的 办法就是采用CP,循环前缀。
 
CP
    图7 CP
 
    所谓循环前缀CP的意思就是我这个保护间隔不用传统的全0,而是用我自身的一部分,如图7,将符号的最后一部分拿出来放到前面当保护间隔,就是CP。由于保护间隔是信号的一部分,所以不会破坏符号本身的正交性,是一种非常聪明的做法。

责任编辑:李欢
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