【文章內(nèi)容簡介】 )和TDD(時分雙工，Time Division Duplex)。FDD指的是上行信號(UE到基站)和下行信號(基站到UE)，發(fā)送信號和接收信號在相同的頻帶內(nèi)，上下行信號在不同的時隙發(fā)送。 在LTE中，不但要支持FDD和TDD，還要考慮支持半雙工FDD(HFDD)。在HFDD中，基站仍采用全雙工FDD方式，終端的發(fā)送和接收信號雖然分別在不同的頻段上傳輸，采用成對頻譜，但其接收和發(fā)送不能在同時進(jìn)行。在LTE中采用HFDD是因?yàn)镠FDD不像全雙工FDD那樣要求嚴(yán)格的上下行頻段保護(hù)間隔，所以可以使用一些分散頻段，而且HFDD終端收發(fā)雙工器的要求比較低，應(yīng)用HFDD方式可以減小功耗。2. 多址技術(shù) LTE采用OFDMA作為下行多址技術(shù)方案，這并不是說不是說OFDMA技術(shù)比CDMA技術(shù)先進(jìn)而是由于3GPP的選擇。在傳統(tǒng)的FDMA多址方式中，將較寬的頻帶分成若干較窄的子帶(子載波)，每個用戶占用一個或幾個頻帶進(jìn)行收發(fā)信號。但是為了避免各子載波之間的十?dāng)_，不得不在相鄰的子載波之間保留較大的間隔，大大降低了頻譜效率。OFDM可以按兩種方式組合自信道：集中式(Locallized)和分布式(Distributed)。集中式將連續(xù)的子載波分配給一個信道，既可以在時域調(diào)度，又可以在頻域調(diào)度，獲得更多的用戶增益。在高速情況下，無法進(jìn)行頻域調(diào)度，而分布式將分配給一個子信道的子載波分散到整個帶寬，各個子信道的子載波交替排列，從而可以獲得和CDMA相似的頻率增益。 終端UE的發(fā)射功率有限，對上行技術(shù)的選擇有很大影響，為了降低多載波技術(shù)帶來的高PAPR(峰值平均功率比)的影響，在LTE中選用單載波FDMA(SCFDMA)做為上行多址技術(shù)。單載波(SC)傳輸技術(shù)具有PAPR/CM較低的特點(diǎn)，在LTE中定義的單載波傳輸是指其信號包絡(luò)符合單載波特性，從而可以獲得較低的PAPR/CM，但在頻域仍可通過集中式和分布式兩種方法實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過一系列考慮，LTE最終選擇基于頻域生成的單載波方法，DFT擴(kuò)展OFDM(DFTOFDM)作為上行SCFDMA傳輸技術(shù)的額具體實(shí)現(xiàn)方法。原理是在發(fā)射機(jī)的IFFT處理前對系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)擴(kuò)展處理。其中最典型的就是用離散傅里葉變換進(jìn)行擴(kuò)展。將每個用戶使用的子載波進(jìn)行DFT處理，由時域轉(zhuǎn)換到頻域，然后將各用戶的頻域信號輸入IFFT模塊，由頻域轉(zhuǎn)換到時域并發(fā)送。經(jīng)過這樣的改進(jìn)，PAPR就大大減小了，在接收端進(jìn)行反操作，最后通過DFT解擴(kuò)展數(shù)據(jù)。3. MIMO技術(shù) 為了支持LTE在高數(shù)據(jù)率和大系統(tǒng)容量方面的需求，LTE系統(tǒng)支持多輸入多輸出技術(shù)，在LTE系統(tǒng)的下行鏈路，系統(tǒng)的基本天線配置為2*2，即2天線發(fā)送和2天線接收，最大支持4天線進(jìn)行下行方向四層傳輸。在上行鏈路其天線基本配置為1*2，即一根發(fā)送天線和2接收天線，即只考慮存在單一上行傳輸鏈的情況。4. 小區(qū)間干擾抑制技術(shù) 因?yàn)镺FDM技術(shù)存在嚴(yán)重的小區(qū)之間干擾，在LTE的早期研究中，提出了小區(qū)干擾隨機(jī)化、小區(qū)干擾消除、小區(qū)干擾協(xié)調(diào)、回避等方法，這些方法可以結(jié)合起來使用。 MIMO技術(shù)研究 MIMO技術(shù)簡介 多輸入多輸出（Multiinput MultioutputMIMO）是一種用來描述多天線無線通信系統(tǒng)的抽象數(shù)學(xué)模型，能利用發(fā)射端的多個天線各自獨(dú)立發(fā)送信號，同時在接收端用多個天線接收并恢復(fù)原信息。該技術(shù)最早是由馬可尼于1908年提出的，他利用多天線來抑制信道衰落（fading）。根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量，相對于普通的單輸入單輸出系統(tǒng)（SingleInput SingleOutput，SISO），MIMO 此類多天線技術(shù)尚包含早期所謂的“智慧型天線”，亦即單輸入多輸出系統(tǒng)（SingleInput MultiOutput，SIMO）和多輸入單輸出系統(tǒng)（MultipleInput SingleOutput，MISO）。 通常，多徑要引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結(jié)果表明，對于MIMO系統(tǒng)來說，多徑可以作為一個有利因素加以利用。MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天線(或陣列天線)和多通道，MIMO的多入多出是針對多徑無線信道來說的。圖23所示為MIMO系統(tǒng)的原理圖。傳輸信息流s(k)經(jīng)過空時編碼形成N個信息子流Ci(k)，I=1，……，N。這N個子流由N個天線發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個接收天線接收。多天線接收機(jī)利用先進(jìn)的空時編碼處理能夠分開并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實(shí)現(xiàn)最佳的處理。特別是，這N個子流同時發(fā)送到信道，各發(fā)射信號占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的通道響應(yīng)獨(dú)立，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個并行空間信道。通過這些并行空間信道獨(dú)立地傳輸信息，數(shù)據(jù)率必然可以提高。信源時空編碼S(k)N1……Ci(k)C1(k)時空解碼1MR1(k)Ri(k) MIMO系統(tǒng)原理圖 特別是，這N個子流同時發(fā)送到信道，各發(fā)射信號占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的通道響應(yīng)獨(dú)立，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個并行空間信道。通過這些并行空間信道獨(dú)立地傳輸信息，數(shù)據(jù)率必然可以提高。MIMO將多徑無線信道與發(fā)射、接收視為一個整體進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)高的通信容量和頻譜利用率。這是一種近于最優(yōu)的空域時域聯(lián)合的分集和干擾對消處理。 MIMO技術(shù)原理 MIMO技術(shù)可以成倍提高衰落信道下的信道容量，在圖23中的天線之間的信道可以用H表示，那么某時刻N(yùn)個接收天線收到的信號可以表示為[6]： (21)其中：為發(fā)射天線信號矢量，元素是滿足某一星座關(guān)系的調(diào)制符號，為接受信號，為加性復(fù)高斯噪聲。 在不同的環(huán)境和天線配置下，H中的元素分布形式是不同的，這就導(dǎo)致了不同的信道模型和相應(yīng)的信道容量問題。 假設(shè)環(huán)境中有L個散射物，個發(fā)射天線經(jīng)散射后到達(dá)個接受天線，第i條路徑以角度離開發(fā)射天線，以角度到達(dá)接收天線，路徑的增益為，時延為。假設(shè)所有路徑時延都遠(yuǎn)小于發(fā)射符號長度，第i個散射體對Nt個發(fā)送天線引入的Nt階陣列響應(yīng)矢量為αr，i(t)。則從弟i個散射體到發(fā)射天線的信道響應(yīng)矢量表示為： ht,it=αt,it?αt,it?ejφt,i(t) (22)其中：αt,it為路徑損失，φt,i(t)為相移。此時，假設(shè)所有發(fā)送天線到散射體i的路徑損失洗相移近似相等。散射體i到Nr個接收天線的信道響應(yīng)矢量為 ht,it=αr,it?αr,it?ejφr,i(t) (23)則由散射體i所構(gòu)建的整個子女到響應(yīng)為 Hit=hr,it?ht,iHt=αr,it?αt,iH(t)?αi(t)?ejφi(t) (24)其中上標(biāo)H表示共軛，αit=αr,it?αt,it。φit=φr,itφt,it。則包含所有L個散射體的MIMO信道可以表示為 Hit=i=0L1 Hit=i=0L1(αr,it?αt,iH(t)?αi(t)?ejφi(t)) (25)當(dāng)L很大時，根據(jù)中心極限定理，H(t)中的元素會趨向于復(fù)高斯分布，此時，MIMO信道矩陣可表示為 Ht=h11t h12t ?h1N1th11t h12t ?h1N1thr1t hr2t?h1N1t (24)該信道被稱為i,i,d的瑞利平坦衰落矩陣，信道中的每個元素都是復(fù)高斯隨機(jī)變量，均值為0，一維方差為σn2/2。 當(dāng)信號帶寬增加，使得多徑時延擴(kuò)展將近或超過發(fā)射符號長度時，信道就變成了頻率選擇性衰落信道。對于頻率選擇性衰落的MIMO信道，可以采用一些技術(shù)對其進(jìn)行改造（如后面將要討論的MIMOOFDM結(jié)合方式），使其轉(zhuǎn)化成平坦衰落信道，然后再進(jìn)行后繼處理。也可以直接對頻率選擇性的MIMO信道進(jìn)行建模和處理，但接收端均衡器的設(shè)計(jì)就變得非常復(fù)雜[5]。 對于具有Nt個發(fā)送天線和Nr個接收天線的MIMO系統(tǒng)來說，其信道容量為 CMIMO=lbdetINr+ρNtHH* b/(s?Hz) (25)其中：det()表示對矩陣取行列式，IN表示N階單位矩陣，H為信道矩陣，當(dāng)各個天線間的信道增益hij不相關(guān)時，E(HH*)所有的特征值都近似相等，令其為γ，則MIMO信道的統(tǒng)計(jì)容量可表示為 CMIMO=M lb1+ρNtγ b/(s?Hz) (26)其中：M=min(Nt,Nr)。由此可看出，在理想情況下，MIMO系統(tǒng)的信道容量隨發(fā)送天線 和接收天線的最小值的增加二線性增加，上述公式是基于很多前提條件的，他們是：(1) 信道是平坦衰落信道，即信號帶寬遠(yuǎn)小于信道的相干帶寬。對于頻率選擇性信道而言，不同頻率引起的衰落不同。(2) 信道矩陣各元素之間是相互獨(dú)立的。但在實(shí)際中天線間距有限，信道矩陣的部分元素是相關(guān)的。(3) 式26是假設(shè)信道各元素是復(fù)高斯分布，即滿足包絡(luò)Rayleigh分布，但在實(shí)際中，可能是LOS分布或者Rice分布。(4) 信道是時不變的，起碼在每個符號長度內(nèi)不變。(5) 信道是無記憶的。(6) 噪聲是高斯白噪聲且沒有其他干擾。(7) 發(fā)射總功率有限，切平均分配給每個天線。 LTE系統(tǒng)中的MIMO技術(shù)應(yīng)用在LTE系統(tǒng)中，其下行MIMO技術(shù)包括空間復(fù)用、波束賦形和傳輸分集，上行MIMO技術(shù)包括空間復(fù)用和傳輸分集。(1) 下行MIMO應(yīng)用在下行MIMO中，LTE主要采用空頻分集技術(shù)，采用Alamouti編碼方式對發(fā)送的符號進(jìn)行頻域和空域編碼，因此這種碼塊又叫空頻碼塊(SFBC)，他將同一組數(shù)據(jù)承載在不同的子載波上面獲得頻率分集增益。發(fā)射機(jī)發(fā)射的高速數(shù)據(jù)被分成并行的低速數(shù)據(jù)流，在同一頻帶從多個天線同時發(fā)射出去。由于多徑傳播，每個發(fā)射天線對于接收機(jī)產(chǎn)生不同的空間簽名，接收機(jī)利用這些這些不同的簽名分離出獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，最后再復(fù)用成原始數(shù)據(jù)流。因此空間復(fù)用可以成倍提高數(shù)據(jù)傳輸速率。LTE使用的是基于多碼字(Multiple CodeWord，MCW)的空間復(fù)用傳輸，他用于空間復(fù)用傳輸?shù)亩鄬訑?shù)據(jù)來自多個不同的獨(dú)立進(jìn)行信道編碼的數(shù)據(jù)流，每個碼字可以獨(dú)立的進(jìn)行速率控制，分配獨(dú)立的混合自動重傳請求(Hybrid Automatic RepeatreQuest，HARQ)。信道編碼碼字1.。信道編碼碼字Q調(diào)制調(diào)制層映射.。.。層1層2層L圖 多碼字空間復(fù)用傳輸示意圖波束賦形是一種應(yīng)用于小間距的天線陣列多天線傳輸技術(shù)，其主要原理是利用空間的強(qiáng)相關(guān)性及波的干涉原理產(chǎn)生強(qiáng)方向性的輻射方向圖，使輻射方向圖的主瓣自適應(yīng)的指向用戶來波方向，從而提高信噪比，提高系統(tǒng)容量或覆蓋范圍。當(dāng)基站將占用相同時頻資源的多個數(shù)據(jù)流發(fā)送給不同的用戶時，即為多用戶MIMO(MUMIMO)，或者叫空分多址，MUMIMO有兩種實(shí)現(xiàn)方式：每用戶酉速率控制(PerUser Unitary Rate Control，PU2RC)和迫零(ZF)波束賦形。(2) 上行MIMO應(yīng)用上行MIMO對終端天線的要求較高，為了節(jié)省功率和降低射頻開銷，在終端側(cè)期望使用更小數(shù)目的功放，上行MIMO引入天線選擇技術(shù)，這就要求終端有兩個或兩個以上的天線。上行基帶單元數(shù)模轉(zhuǎn) 換上行射頻單元天線切 換上行基帶單元數(shù)模轉(zhuǎn) 換上行射頻單元 天線選擇方案框圖與下行多用戶MIMO不同，上行多用戶MIMO是一個虛擬的MIMO系統(tǒng)，即每一個終端均發(fā)送一個數(shù)據(jù)流，但是兩個或者以上的數(shù)據(jù)流占用占用相同的視頻資源，這樣從接收機(jī)來看，就構(gòu)成了一個MIMO系統(tǒng)。與SUMIMO相比，MUMIMO可以獲得更多用戶分集增益，MUMIMO信號來自不同終端，更容易獲得信道之間的獨(dú)立性。 OFDM技術(shù)研究 OFDM技術(shù)原理 OFDM系統(tǒng)的基本原理是將高速的數(shù)據(jù)流分解為低速的并行數(shù)據(jù)流，并在多個載波上同時傳輸，對于低速并行的子載波而言，由于符號周期展寬，多徑效應(yīng)造成的時延擴(kuò)展相對變小。當(dāng)每個OFDM符號插入一定的保護(hù)時間后，碼間干擾就幾乎可以忽略不計(jì)。串／并編碼映射IFFT附加CP并／串信道并／串反映射譯碼FFT去除CP串／并輸入比特流比特流輸出。。。 OFDM系統(tǒng)原理框圖 如上圖所示，在系統(tǒng)的發(fā)射端，輸入的高速比特流經(jīng)過串/并轉(zhuǎn)換，變?yōu)镹跳并行的低速的子數(shù)據(jù)流，其中，每N個并行的數(shù)據(jù)組成一個OFDM符號(該變換可以看成是時頻映射)，然后利用快速傅里葉反變換(IFFT)對每個OFDM符號進(jìn)行調(diào)制，變成時域信號，為了能在接收端抑制符號間干擾(InterSymbol Interference，ISI)，通常在每個時域OFDM符號前加上長度為Ng個采樣的保護(hù)間隔CP，最后經(jīng)并/串轉(zhuǎn)換，由發(fā)射天線發(fā)送[10][18]。 接收端首先對接收信號進(jìn)行處理，完成定時同步和載波同步。接著進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換，去除CP后，進(jìn)行FFT解調(diào)，同時進(jìn)行信道估計(jì)，然后將信道估計(jì)值和FFT解調(diào)值一同送入檢測器進(jìn)行相干檢測，檢測出每個子載波上的信息符號，最后再通過反映射和信道譯碼恢復(fù)出原始比特流。 在OFDM系統(tǒng)中，由于調(diào)制的模式是可以自適應(yīng)變化的，因此每個子載波的調(diào)制模式是可變的，串/并變換需要分配給每個子載波數(shù)據(jù)段的長度可以不同，當(dāng)有OFDM符號在無線信道傳輸時，由于頻率的選擇性衰落會導(dǎo)致某幾組子載波受到衰減，從而引起錯誤，由于大多數(shù)的前向糾錯嗎FEC工作在無碼分布均勻的情況下，因此為了提高系統(tǒng)性能，