LTE关键技术及MIMO技术在LTE中的应用

LTE关键技术及MIMO技术在LTE中的应用(一)2010-06-2021:31班级：010791姓名：余沛学号：01079042e-mail：[e-mail]【摘要】：随着移动通信技术的蓬勃发展，无线通信系统呈现出移动化、宽带化和IP化的趋势。本文简单介绍了3GPP长期演进（LTE）的发展背景及其关键技术，重点分析介绍了MIMO技术在LTE中的应用，最后简要讨论了LTE的发展现状及其发展前景。【关键字】：3GPP长期演进、时分双工、频分双工、正交频分复用、小区间干扰抑制、多入多出系统【Abstract】：Withtherapiddevelopmentofmobilecommunicationtechnology,wirelesscommunicationsystemshowingamobile,broadbandandIP-basedtrend.Thisarticleexplainsthe3GPPLongTermEvolution(LTE)developmentbackgroundanditskeytechnology.AnalyzedintroducesLTEMIMOtechnologyintheapplication,andfinallyabriefdiscussionofthedevelopmentofLTEsituationanddevelopmentprospects.【Keywords】：LTE、TDD、FDD、OFDM、MIMO1．LTE的发展背景随着移动通信技术的蓬勃发展，无线通信系统呈现出移动化、宽带化和IP化的趋势，移动通信市场的竞争也日趋激烈。为应对来自WiMAX，Wi-Fi等传统和新兴无线宽带接入技术的挑战，提高3G在宽带无线接入市场的竞争力，保证3GPP未来十年的竞争力，2004年12月3GPP组织正式成立了LTE研究项目，开展UTRA长期演进（LongTermEvolution,LTE）技术的研究，以实现3G技术向B3G和4G的平滑过渡。3GPPLTE的改进目标是实现更高的数据速率、更短的时延、更低的成本，更高的系统容量以及改进的覆盖范围。其主要性能目标有：在20MHz频谱带宽能够提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率；改善小区边缘用户的性能；提高小区容量；降低系统延迟，用户平面内部单向传输时延低于5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms；支持100Km半径的小区覆盖；能够为350Km/h高速移动用户提供100kbps的接入服务；支持成对或非成对频谱，并可灵活配置1.25MHz到20MHz多种带宽。2．LTE的关键技术2．1LTE网络架构LTE网络技术的一个关键设计目标是网络完全基于分组交换的，传统语音通信只是网络给终端用户提供的服务之一。从核心网的观点看，LTE摒弃了在2G和3G网络中存在的双核心网结构，即语音核心网和分组核心网。在LTE网络中，分组核心网成为管理UE移动性和处理信令的唯一的核心网，其核心网主要由下述功能单元组成。(1)MME：负责处理与UE相关的信令信息。MME有两个关键的功能，首先是UE的位置管理和移动性管理，其次是完成UE与任何IP节点之间的信息承载的建立。MME的功能包括：寻呼消息发送，安全控制，Idle态的移动性管理，SAE承载管理以及NAS信令的加密及完整性保护等。(2)服务SAEGW(S-GW)：是一个终止于E-UTRAN接口的网关，是一个用户面功能实体，负责为UE提供承载通道来完成分组数据的路由和转发。作为3GPP系统内的一个数据锚点，当UE在eNodeB之间切换，或2G/3G和SAE之间切换时，S-GW都不会发生改变，这种锚点功能可屏蔽切换对PDNGW的影响；另外，S-GW还需要完成UE在空闲模式下的下行数据包的缓存。在任意时刻，一个UE只会有一个S-GW为其服务。(3)PDNGW(P-GW)：是连接外部数据网的网关，UE可以通过连接到不同的PDNGW访问不同的外部数据网。PDNGW主要执行包括从PCRF获取得PCC(Policy&ChargingControl)策略、基于用户的数据包的过滤、计费以及为UE分配IP地址等功能。LTE核心网涉及的其他功能单元还有：HSS（用于存储用户签约信息的数据库，负责保护用户相关的信息，归属网络中可以包含一个或多个HSS）和PCRF（策略计费控制单元）。LTE网络架构LTE关键技术及MIMO技术在LTE中的应用(二)2010-06-2021:352．2TDD和FDDLTE标准定义了频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两种方式，FDD是在分离的两个对称频道上进行接收和发送，用保护频段来分离接收和发送信道。FDD必须采用成对的频率，依靠频率来区分上下行链路，其单方向的资源在时间上是连续的。TDD用时间来分离接收和发送信道，接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载，上行或下行方向的资源时间上是不连续的。某个时间段由基站发送信号给移动台，其他时间由移动台发送信号给基站，基站和移动台之间必须协同一致才能顺利工作。从技术上比较，LTEFDD/TDD两者均是LTE标准的不同方式，但二者网络结构和协议栈完全相同。两种技术在商用软件开发中大约只有20%的代码不能复用，能够共用相同的SDR硬件平台。LTEFDD与LTETDD可以共享相同的SAE网关，使得两者非常容易实现系统融合。两者之间的相同点与不同点如下表。相同点不同点高层信令，包括NAS、RRC等帧结构：影响无线资源管理、调度实现2层用户面处理，MAC、RLC等TDD上下行时分方式：影响物理层反馈过程物理层基本机制，帧长，调制，多址，信道编码，功率控制，干扰控制等同步：TDD系统要求时间同步，FDD在支持eMBMS时才考虑TDD与FDD空中接口指标要求完全相同多天线：TDD可基于上行下行估计一旦LTEFDD/TDD实现融合，运营商无论在拥有什么样的频谱资源的情况下都可以采用TDD技术。LTE的关键优势之一就是频谱利用的灵活性，灵活性包括对不同宽度的频谱使用以及对不同对称或者不对称的频谱使用。LTE可以支持从低于1.4MHZ到最高20MHZ的灵活的载波带宽，同时也支持FDD和TDD技术来使用对称或者不对称的频谱资源。LTETDD可用频谱集中在2.5/2.3GHz和1.9/2.0GHz，其中部分国家2.5/2.3GHz牌照已发放，典型牌照频谱带宽高于20MHz。多数欧洲国家已分配1.9/2.0GHz频段，基本处于闲置状态，典型牌照频谱带宽为5MHz。2．3OFDMOFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）即正交频分复用，实际上OFDM是MCM（Multi-CarrierModulation）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，调制到在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信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易，其系统的组成如下图。OFDM工作原理图OFDM的工作原理如上图所示，输入数据信元的速率为R，经过串并转换后，分成M个并行的子数据流，每个子数据流的速率为R/M，在每个子数据流中的若干个比特分成一组，每组的数目取决于对应子载波上的调制方式，如PSK、QAM等。M个并行的子数据信元编码交织后进行IFFT变换，将频域信号转换到时域，IFFT块的输出是N个时域的样点，再将长为Lp的CP（循环前缀）加到N个样点前，形成循环扩展的OFDM信元，因此，实际发送的OFDM信元的长度为Lp+N，经过并/串转换后发射。接收端接收到的信号是时域信号，此信号经过串并转换后移去CP，如果CP长度大于信道的记忆长度时ISI仅仅影响CP，而不影响有用数据，去掉CP也就去掉了ISI的影响。LTE关键技术及MIMO技术在LTE中的应用(三)2010-06-2021:36OFDM技术之所以越来越受关注，是因为OFDM有很多独特的优点：(1)频谱利用率很高，频谱效率比串行系统高近一倍。这一点在频谱资源有限的无线环境中很重要。OFDM信号的相邻子载波相互重叠，从理论上讲其频谱利用率可以接近Nyquist极限。(2)抗多径干扰与频率选择性衰落能力强，由于OFDM系统把数据分散到许多个子载波上，大大降低了各子载波的符号速率，从而减弱多径传播的影响，若再通过采用加循环前缀作为保护间隔的方法，甚至可以完全消除符号间干扰。(3)采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。通过选取各子信道，每个符号的比特数以及分配给各子信道的功率使总比特率最大。即要求各子信道信息分配应遵循信息论中的“注水定理”，亦即优质信道多传送，较差信道少传送，劣质信道不传送的原则。(4)通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。但通过将各个信道联合编码，可以使系统性能得到提高。(5)采用FFT（快速傅里叶变换）和IFFT（快速傅里叶逆变换）来实现调制和解调，易用DSP实现。TD—LTE物理层的下行方向，采用了OFDM技术。它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，使可用带宽资源被灵活地在不同移动终端之间共享，从而避免了不同用户间的多址干扰。由于OFDM多址接入技术存在较高的PAPR（峰值平均功率比），从而对信号的发送端功放提出了很高的要求，大大提升了功放的成本，因此，在LTE的上行多址方案中，SC-FDMA（单载波频分多址）方式更受关注，原因主要在于这种多址方案降低了发射信号的PARP，可以有效的降低上行发送端（手机）的功率消耗，并且终端处不需要使用昂贵的线性功率放大器，大大降低了对手机终端的设备需求，从而降低了成本。2．4小区间干扰抑制技术LTE系统下行OFDMA多址方式使本小区内的用户信息均承载在相互正交的不同载波上，因此，大部分干扰都来自于其他小区。对于小区中心的用户来说，其本身离基站的距离就比较近，而外小区的干扰信号距离又较远，则其信干比（SIR）相对较大；但是对于小区边缘的用户，由于相邻小区占用同样载波资源的用户对其干扰比较大，加之本身距离基站较远，其信干比相对就较小。这就导致了虽然小区整体的吞吐量较高，但是小区边缘的用户服务质量却较差，吞吐量较低。因此，在LTE系统中，十分重视小区间干扰问题的解决。3GPP讨论的LTE系统小区间干扰抑制技术主要有3种解决方式，即小区间干扰随机化、小区间干扰删除和小区间的干扰协调与避免。小区间干扰随机化就是要将干扰信号随机化，这种随机化不能降低干扰的能量，但是能够通过加扰的方式将干扰信号随机化为“白噪声”，从而抑制小区间干扰，因此又称为“干扰白化”。干扰随机化主要包括小区专属加扰和小区专属交织两种方法。小区专属加扰即在信道编码后，对干扰信号随机加扰。小区专属交织，即在信道编码后，对传输信号进行不同方式的交织，也称为交织多址技术（IDMA）。对于干扰随机化而言，小区专属交织和小区专属加扰可以达到相同的系统性能。此外，还可以考虑在不同小区采用不同的跳频图案来取得干扰随机化的效果。经过多次讨论，LTE系统最终决定采用504个小区扰码进行干扰随机化。小区间干扰删除的原理是对小区内的干扰信号进行某种程度的解调甚至解码，然后利用接收机处理增益从接收信号中消除干扰分量。LTE系统主要考虑了干扰抑制合并（IRC）和基于交织多址（IDMA）的迭代干扰删除两种干扰删除方法。IDMA干扰技术的主要优势在于，对小区边缘的频率资源没有限制，相邻小区即使在小区边缘也可以使用相同的频率资源，因此，系统可以获得更高的小区边缘频谱效率和总频谱效率。其局限性主要在于小区间必须保持同步，目标小区必