1、第第8章章LTE移动通信系统移动通信系统 LTE概况概况8.1 LTE系统架构及工作原理系统架构及工作原理8.2 LTE的两种制式的两种制式8.3 LTE的主要业务及现状的主要业务及现状8.4 LTE关键技术关键技术8.5 LTE无线网络规划无线网络规划8.6 LTE的发展趋势的发展趋势8.7 2013年年12月月4日，中华人民共和国工业和信息化日，中华人民共和国工业和信息化部部发布公告，向中国移动、中国电信和中国联通颁发布公告，向中国移动、中国电信和中国联通颁发发“LTE/第四代数字蜂窝移动通信业务（第四代数字蜂窝移动通信业务（TD-LTE）”经营许可经营许可，4G牌照的发放，意味着牌照的发
2、放，意味着4G网络、终端、网络、终端、业务都进入正式商用的阶段，标准着我国正式进入业务都进入正式商用的阶段，标准着我国正式进入4G时代。时代。4G又称为又称为宽带接入和分布网络宽带接入和分布网络，具有超过，具有超过2Mbit/s的数据传输能力。它包括宽带无线固定接入、的数据传输能力。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动光带系统和互操作的广播网宽带无线局域网、移动光带系统和互操作的广播网络（基于地面和卫星系统）。络（基于地面和卫星系统）。l LTE(Long Term Evolution，长期演进，长期演进)是由是由3GPP组织制定的通用移动通信系统组织制定的通用移动通信系统(UMTS)
3、的的长期演进标准（通常被称作长期演进标准（通常被称作3.9G），于），于2004年年12月在月在3GPP多伦多多伦多TSG RAN#26会议上正式立项会议上正式立项并启动。并启动。LTE关注的核心是无线接口和无线组网关注的核心是无线接口和无线组网架构的技术演进问题。架构的技术演进问题。8.1 LTE8.1 LTE概况概况l LTE引入关键技术：引入关键技术：正交频分复用正交频分复用(OFDM)和和多输入多输出多输入多输出(MIMO)等，显著提高了频谱效率等，显著提高了频谱效率和数据传输速率。相对于和数据传输速率。相对于3G网络显著提高了小网络显著提高了小区容量，降低了网络延迟，提高了频谱效率和
4、数区容量，降低了网络延迟，提高了频谱效率和数据传输速率（一般认为下行峰值速率为据传输速率（一般认为下行峰值速率为100Mbps，上行为上行为50Mbps）并支持多种带宽分配。）并支持多种带宽分配。l LTE的主要目标：的主要目标：设计一种高性能无线接口，设计一种高性能无线接口，也称之为演进的陆地无线接入网也称之为演进的陆地无线接入网(E-UTRAN)。与已有的数字移动通信系统相比，与已有的数字移动通信系统相比，4G-LTE通信系通信系统具有以下优点：统具有以下优点：l 通信速度快、质量高通信速度快、质量高。第一代模拟式通信系统仅第一代模拟式通信系统仅提供语音服务；第二代数字式移动通信系统传输速
5、提供语音服务；第二代数字式移动通信系统传输速率、只有率、只有9.6kbps，最高达到，最高达到32kbps；第三代移动通；第三代移动通信系统理论数据传输速率可达到信系统理论数据传输速率可达到2Mbps，实际最高，实际最高数据传输速率最高只有数据传输速率最高只有386kbps；第四代移动通信系；第四代移动通信系统最高数据传输速率则可达到统最高数据传输速率则可达到100Mbps。l网络频谱宽、频率使用效率高网络频谱宽、频率使用效率高。4G网络的通信网络的通信带宽比带宽比3G网络的带宽宽很多。比如，网络的带宽宽很多。比如，4G信道占信道占有有100MHz的频谱，相当于的频谱，相当于W-CDMA 3G
6、网络的网络的20倍。倍。l 提供各种增值服务。提供各种增值服务。4G移动通信关键技术以正移动通信关键技术以正交频分复用（交频分复用（OFDM）最受瞩目，利用这种技术）最受瞩目，利用这种技术人们可以实现例如无线区域环路（人们可以实现例如无线区域环路（WLL）、数）、数字音讯广播（字音讯广播（DAB）等方面的无线通信增值服务。）等方面的无线通信增值服务。l 通信费用更便宜。通信费用更便宜。4G通信解决了与通信解决了与3G通信的兼通信的兼容性问题，让用户能轻易地升级到容性问题，让用户能轻易地升级到4G通信，而且通信，而且4G通信引入了许多尖端的通信技术，使通信引入了许多尖端的通信技术，使4G通信更容
7、易通信更容易部署；同时在建设部署；同时在建设4G通信网络系统时，通信运营商通信网络系统时，通信运营商们直接在们直接在3G通信网络的基础设施之上，采用逐步引通信网络的基础设施之上，采用逐步引入的方法，能够有效地降低费用。入的方法，能够有效地降低费用。此外，还有可以容纳更多的用户，支持包括非此外，还有可以容纳更多的用户，支持包括非对称性业务在内的多种业务；实现全球范围内多个对称性业务在内的多种业务；实现全球范围内多个移动网络和无线网络间的无缝漫游等优点。移动网络和无线网络间的无缝漫游等优点。LTE相对3G性能的提升8.2.1 8.2.1 3GPP3GPP的演进系统架构的演进系统架构8.2 LTE8
8、.2 LTE系统架构及工作原理系统架构及工作原理 在无线接入技术不断演进的同时，在无线接入技术不断演进的同时，3GPP还开展了系统架还开展了系统架构演进构演进(SAE，System Architecture Evolution)的研究。的研究。演进演进过程如图过程如图8.1所示：所示：图图8.1 网络结构演进过程网络结构演进过程无线网络演进的主要过程无线网络演进的主要过程n第一阶段，早期的第一阶段，早期的2G架构。架构。2G GSM蜂窝网络最初是蜂窝网络最初是为话音和电路交换业务而设计，网络结构相对简单，为话音和电路交换业务而设计，网络结构相对简单，主要由接入网络主要由接入网络(AN，Acce
9、ss Network)和电路交换核和电路交换核心网络域心网络域(CS域域)两部分组成。接入网络部分包括无线两部分组成。接入网络部分包括无线接口以及支持无线相关功能的网络节点和其他接口。接口以及支持无线相关功能的网络节点和其他接口。n第二阶段，第二阶段，随着随着IP和和Web业务的出现，业务的出现，2G GSM网络网络逐步演进到能够支持分组数据传输方式的阶段，例如逐步演进到能够支持分组数据传输方式的阶段，例如GPRS和和EDGE。系统在接入网中引入了支持分组发。系统在接入网中引入了支持分组发送和共享资源分配的方案。此外，还增加了与送和共享资源分配的方案。此外，还增加了与CS域域并行的分组交换核心
10、网络域并行的分组交换核心网络域(PS域域)。PS域与域与CS域具域具有相同的作用，即支持分组发送有相同的作用，即支持分组发送(包括认证和计费包括认证和计费)以以及与公共或私有及与公共或私有Internet(或或IP)网络的互通。网络的互通。8.2.1 8.2.1 3GPP3GPP的演进系统架构的演进系统架构n 第三阶段，第三阶段，3G UMTS网络结构的演进。网络结构的演进。UMTS逐步在逐步在PS域上面增加了一个新的域：域上面增加了一个新的域：IP多媒体多媒体子系统子系统(IMS，IP Multimedia Subsystem)。IMS的主要目标是制订一个新的标准，在的主要目标是制订一个新的
11、标准，在3GPP的各的各种无线网络间采用统一的方法来实现种无线网络间采用统一的方法来实现IP业务。业务。8.2.1 8.2.1 3GPP3GPP的演进系统架构的演进系统架构n 第四阶段，第四阶段，EPS架构。架构。LTE系统架构主要分为两部分：系统架构主要分为两部分：一是一是演进后的分组核心网演进后的分组核心网EPC（Evolved Packet Core），），采用全采用全IP结构，旨在帮助运营商通过采用无线接入技术来结构，旨在帮助运营商通过采用无线接入技术来提供先进的移动宽带服务；二是提供先进的移动宽带服务；二是E-UTRAN（Evolved Universal Terrestrial R
12、adio Access Network，演进的，演进的UMTS 陆地无线接入网络）。演进后的系统主要存在于陆地无线接入网络）。演进后的系统主要存在于分组交换域。分组交换域。EPC和和E-UTRAN合称演进分组系统（合称演进分组系统（EPS，Evolved Packet System）。）。EPS的目标是在简单的公共平的目标是在简单的公共平台上综合所有业务台上综合所有业务。3GPP的目标的目标是实现由是实现由2G网络到网络到3G网络的平滑过渡，保网络的平滑过渡，保证未来技术的后向证未来技术的后向兼容性兼容性，支持轻松建网及系统间的漫游，支持轻松建网及系统间的漫游和兼容性。和兼容性。8.2.1 8
13、.2.1 3GPP3GPP的演进系统架构的演进系统架构8.2.2 8.2.2 LTELTE的系统架构的系统架构l 在在3GPP的的LTE项目中，对系统的时延需求更加严格。项目中，对系统的时延需求更加严格。LTE系统与系统与3GPP系统相似，无线接入网与核心网依然存在系统相似，无线接入网与核心网依然存在逻辑关系，其接口也依旧清楚，空中接口在无线接入网终止。逻辑关系，其接口也依旧清楚，空中接口在无线接入网终止。l 由于由于E-UTRAN的网元设备仅由的网元设备仅由eNodeB构成，因此形成了构成，因此形成了更扁平化的网络结构。更扁平化的网络结构。LTE网络实现了全网络实现了全IP路由，各个网络路由
14、，各个网络节点之间与节点之间与Internet区别不大，网络结构趋近于区别不大，网络结构趋近于IP宽带网络宽带网络结构，其最大优势在于低时延、低成本及高带宽等。结构，其最大优势在于低时延、低成本及高带宽等。扁平化无线网络构架MME/S-GWMME/S-GWX2S1p移动性管理移动性管理p服务网关服务网关pMME/SGW 与与 eNode B的的接口接口EPCE-UTRANpeNode B间的接口间的接口Node BRNC+=eNode BEPSeNode BX2X2eNode BeNode BUuLTELTE的无线网络架构的无线网络架构图图8.2 LTE的无线网络架构的无线网络架构1.LTE系
15、统组成系统组成 由图由图8.2可知整个可知整个LTE系统由系统由3部分组成：部分组成：1）核心网（核心网（EPC）。EPC的体系结构如图的体系结构如图8.3所示：所示：图图8.3 演进分组核心（演进分组核心（EPC）的体系结构）的体系结构EPCEPC架构架构各组件功能各组件功能 HSSMMEServing GWPDN GW是一个中央数据库是一个中央数据库，包含了所有网络，包含了所有网络运营商的用户信息运营商的用户信息 NAS信令以及安全性功能 3GPP接入网络移动性导致的CN节点间信令 空闲模式下UE跟踪和可达性 漫游 鉴权 承载管理功能（包括专用承载的建立）支持UE的移动性切换用户面数据的功
16、能 E-UTRAN空闲模式下行分组数据缓存和寻呼支持 数据包路由和转发上下行传输层数据包标记基于用户的包过滤合法监听IP地址分配上下行传输层数据包标记DHCPv4和DHCPv6（client、relay、server）2）接入网（）接入网（E-UTRAN）l 在在3G网络中，接入网部分叫做网络中，接入网部分叫做UTRAN（UMTS Terrestrial Radio Access Network，UMTS陆地陆地无线无线接入网接入网）。）。LTE中的很多标准接手于中的很多标准接手于3G UMTS的更的更新并最终成为新并最终成为4G移动通信技术。其中，将原有的移动通信技术。其中，将原有的UMTS
17、下下电路交换电路交换+分组交换分组交换相结合的网络简化为全相结合的网络简化为全IP扁平化基础网络架构是其工作重点。在扁平化基础网络架构是其工作重点。在LTE网络网络中，将接入网部分称为中，将接入网部分称为E-UTRAN，即，即LTE中的移动中的移动通信无线网络。通信无线网络。l 由图由图8.2可知可知E-UTRAN由由eNodeB（LTE中基站的中基站的名称，简称为名称，简称为eNB）构成，）构成，eNodeB除了具有原来除了具有原来3G网络网络中中NodeB的功能外，还承担了原有的功能外，还承担了原有RNC（Radio Network Controller，无线网络控制器无线网络控制器）的大
18、部分的）的大部分的功能，使得网络更加扁平了。功能，使得网络更加扁平了。l 另外，另外，eNodeB和和eNodeB之间采用网格方式直接之间采用网格方式直接相连，和原有相连，和原有UTRAN结构大不相同。结构大不相同。核心网核心网则则采用采用全全IP分布式的结构。分布式的结构。l 每个每个eNB通过通过S1接口与接口与EPC连接，也可以通过连接，也可以通过X2接口连接到附近的基站，接口连接到附近的基站，eNB主要用于在越区切换过主要用于在越区切换过程中信令和数据包的转发。程中信令和数据包的转发。l eNB具有具有NodeB的全部和的全部和RNC大部分功能，包括：大部分功能，包括：物理层功能；物理
19、层功能；RRM（Radio Resource Management，无线资源管理无线资源管理）功能；移动性管理功能；无线接入控）功能；移动性管理功能；无线接入控制；制；IP头压缩及用户头压缩及用户数据流加密数据流加密；寻呼信息和广播信；寻呼信息和广播信息的调度传输；以及设置和提供息的调度传输；以及设置和提供eNB的测量等功能。的测量等功能。3 3）用户设备（）用户设备（UEUE）用于用于LTELTE的用户设备（的用户设备（UEUE）的内部结构是相同的，它实际）的内部结构是相同的，它实际上是一个移动设备（上是一个移动设备（MEME）。）。UEUE通过通过UuUu接口与接口与eNodeBeNode
20、B相连，相连，它主要包括以下三个重要模块：它主要包括以下三个重要模块：（1 1）移动终端）移动终端 （MTMT）：）：处理所有通信相关的功能；处理所有通信相关的功能；（2 2）终端设备）终端设备 （TETE）：）：终止数据流的作用；终止数据流的作用；（3 3）通用集成电路卡）通用集成电路卡 （UICCUICC）：也被称为：也被称为LTELTE设备的设备的SIMSIM卡。它运行的是通用用户识别模块（卡。它运行的是通用用户识别模块（USIMUSIM）的应用程序。）的应用程序。USIMUSIM存储的是用户特定的数据，包括用户的电话号码、家庭存储的是用户特定的数据，包括用户的电话号码、家庭网络身份和安
21、全密钥等信息，类似于网络身份和安全密钥等信息，类似于3G SIM3G SIM卡。卡。1）S1接口接口l 控制平面接口控制平面接口S1-MMEl 用户平面接口用户平面接口S1-U2）X2接口接口3）Uu接口接口l 用户面数据用户面数据l 控制面数据控制面数据2.LTE网络接口网络接口 由图由图8.2可知，可知，LTE网络结构中主要有三大网络接口：网络结构中主要有三大网络接口：扁平化无线网络构架pE-UTRAN中只有一种网元eNodeBp网络结构扁平化：RNC(无线网络控制器）+NodeB=eNodeBp全IP网络结构，与传统网络互连互通p 网络扁平化减少系统延时，更好地用户体验p 网元数目减少，
22、网络部署简单，维护更加容易p 取消了RNC的集中控制，避免单点故障，有利于提高网络稳定MME/S-GWMME/S-GWX2S1p移动性管理移动性管理p服务网关服务网关pMME/SGW 与与 eNode B的的接口接口EPCE-UTRANpeNode B间的接口间的接口Node BRNC+=eNode BEPSeNode BX2X2eNode BeNode BUu3.LTE网络架构特点网络架构特点LTE的网络架构特点：的网络架构特点：8.3 LTE8.3 LTE的两种制式的两种制式 8.3.1 LTE8.3.1 LTE两种制式的由来两种制式的由来l 实际上，只有升级版的实际上，只有升级版的LTE
23、-Advanced才满足国际电信联才满足国际电信联盟对盟对4G的要求。的要求。LTE-Advanced（简写为（简写为LTE-A）是）是LTE的演的演进版本。进版本。LTE-Advanced是一个向后兼容的技术，完全兼容是一个向后兼容的技术，完全兼容LTE。l LTE-Advanced的相关特性有：宽带的相关特性有：宽带100MHz；峰值速率下；峰值速率下行行1Gbps，上行，上行500Mbps；峰值频谱效率下行；峰值频谱效率下行30b/(sHz)，上，上行行15b/(sHz)；针对室内环境进行优化；有效支持新频段和大宽；针对室内环境进行优化；有效支持新频段和大宽带应用；峰值速率大幅提高，频谱
24、效率有效改进。如果带应用；峰值速率大幅提高，频谱效率有效改进。如果LTE作为作为3.9G移动互联网技术，那么移动互联网技术，那么LTE-Advanced作为作为4G标准更确切标准更确切一些。一些。l TD-LTE（Time Division Long Term Evolution）是是LTE技术中的技术中的TDD（Time Division Duplexing）时分双工模式。时分双工模式。TD-LTE是我国自主研发的是我国自主研发的4G标准，标准，是由是由TD-SCDMA（3G网络）发展而来。网络）发展而来。l FDD-LTE（Frequency Division Duplexing Long
25、 Term Evolution）是）是LTE技术中的技术中的FDD（Frequency Division Duplexing）频分双工模式。）频分双工模式。FDD-LTE是现在国际上主流的是现在国际上主流的4G标准。标准。l FDD-LTE的标准化与产业发展领先于的标准化与产业发展领先于TD-LTE。FDD-LTE已成为当前世界上采用的国家及地区最广已成为当前世界上采用的国家及地区最广泛的，终端种类最丰富的一种泛的，终端种类最丰富的一种4G标准。标准。8.3.2 LTE8.3.2 LTE两种制式的对比两种制式的对比l TD-LTE省资源，省资源，FDD-LTE速度快速度快 l TD-LTE热点
26、覆盖，热点覆盖，FDD-LTE广域覆盖广域覆盖 l TD-LTE与与FDD-LTE能混合组网能混合组网 TD-LTE和和FDD-LTE都是基于都是基于LTE的不同分支，相似的不同分支，相似度超过度超过90%。二者的主要区别在。二者的主要区别在空中接口空中接口的物理层上的物理层上（帧结构、时分设计、同步等）。（帧结构、时分设计、同步等）。FDD-LTE系统空口系统空口上下行传输采用一对对称的频段接收和发送数据，而上下行传输采用一对对称的频段接收和发送数据，而TD-LTE系统上下行则使用相同的频段在不同的时隙上系统上下行则使用相同的频段在不同的时隙上传输，相对于传输，相对于FDD双工方式，双工方式
27、，TDD有着较高的有着较高的频谱利频谱利用率用率。可从以下三方面比较：。可从以下三方面比较：相同点不同点 高层信令，包括非接入层(NAS)和无线资源控制层(RRC)的信令 TDD采用同一频段分时进行上下 行通信；FDD上下行占用不同频段 L2用户面处理，包括MAC、RLC及PDCP等 采用的帧结构不同；FDD上下行子帧相关联，TDD上下行子帧数目是不同的；帧结构还会影响无线资源管理和调度的实现方式 物理层基本机制，如帧长，调制、多址、信道编码、功率控制和干扰控制等 物理层反馈过程不同，TDD可以根据上行参考信号估计下行信道 时分双工与频分双工空中接口指标相同 下行同步方式不同，时分双工系统要求
28、时间同步；频分双工在支持增强多播广播多媒体业务（eMBMS）时才需考虑表表8.1 TD-LTE与与FDD-LTE的比较的比较8.4 LTE8.4 LTE的主要业务及现状的主要业务及现状 8.4.1 LTE8.4.1 LTE的主要业务的主要业务l 移动高清多媒体业务移动高清多媒体业务l 实时移动视频监控实时移动视频监控l 移动移动Web2.0应用应用l 支持移动接入的支持移动接入的3D游戏游戏l支持移动接入的远程医疗系统支持移动接入的远程医疗系统l智能出租车智能出租车 l 车载网真终端车载网真终端l 高清视频即摄即传高清视频即摄即传l 移动化电子学习移动化电子学习l M2M8.4.1 LTE8.
29、4.1 LTE的业务现状的业务现状l 运营商力挺运营商力挺 LTE技术得到了全球移动通信（技术得到了全球移动通信（GSM）协会的大力支）协会的大力支持，同时很多运营商也纷纷选择了持，同时很多运营商也纷纷选择了LTE。最先采用。最先采用LTE技术技术的是美国的是美国AT&T，英国沃达丰于，英国沃达丰于2007年年9月宣布月宣布LTE计划。计划。2007年年11月，月，LTE标准在标准在GSM得到应用，并声称这一标准得到应用，并声称这一标准在全球将有诸多在全球将有诸多GSM运营商作为首选。运营商作为首选。2008年年2月，在巴月，在巴塞罗举行的塞罗举行的3GSM大会上，中国移动总裁王建宙表示，对大
30、会上，中国移动总裁王建宙表示，对于于LTE的测试，中国移动将与美国威瑞森电信（的测试，中国移动将与美国威瑞森电信（Verizon）、）、英国沃达丰共同加入。英国沃达丰共同加入。l 设备商跟进设备商跟进 LTE由于得到诸多运营商的普遍选择，这为全球移动通由于得到诸多运营商的普遍选择，这为全球移动通信产业的发展指明了方向，在信产业的发展指明了方向，在LTE领域中，设备制造商也领域中，设备制造商也纷纷投入，促进了纷纷投入，促进了LTE的不断发展。的不断发展。在商用产品的推出上，在商用产品的推出上，LTE根据根据3GPP所制定的计划，商所制定的计划，商用产品于用产品于20082009年推出，与此对应，
31、商用年推出，与此对应，商用LTE产品计产品计划也有设备制造商纷纷推出。其中，多制式基站的划也有设备制造商纷纷推出。其中，多制式基站的LTE商商用产品为华为在用产品为华为在2009年推出，并将年推出，并将LTE商用网络在全球进商用网络在全球进行了部署。行了部署。第四代移动通信系统主要是以正交频分复用第四代移动通信系统主要是以正交频分复用(OFDM)为技术核心为技术核心 OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交频分复用，是一种能够充分利用）即正交频分复用，是一种能够充分利用频谱资源的多载波传输方式。常规频分复用与频谱资源的多载波传输方式
32、。常规频分复用与OFDM的信道分配情况如图的信道分配情况如图8.4所示。可以看出所示。可以看出OFDM至少能至少能够节约二分之一的频谱资源。够节约二分之一的频谱资源。8.5 8.5 LTELTE关键技术关键技术8.8.5 5.1.1 OFDM技术技术OFDM主要思想：主要思想：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信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间相互干扰以减少子
33、信道间相互干扰ISI。每个子信道上的信号带宽小于。每个子信道上的信号带宽小于信道的相干带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，信道的相干带宽，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。原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。l 在在OFDM传播过程中，高速信息数据流通过串并传播过程中，高速信息数据流通过串并变换，分配到速率相对较低的若干子信道中传输，每变换，分配到速率相对较低的若干子信道中传输，每个子信道中的符号周期相对增加，这样可减少因无
34、线个子信道中的符号周期相对增加，这样可减少因无线信道多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的信道多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的码间干扰。码间干扰。1.OFDM1.OFDM调制和解调调制和解调 在基带相互正交的子载波就是类似在基带相互正交的子载波就是类似 和和 的正弦波和余弦波，的正弦波和余弦波，属于基带调制部分。基带相互正交的子载波再调制属于基带调制部分。基带相互正交的子载波再调制在射频载波在射频载波 上，成为可以发射出去的射频信号。上，成为可以发射出去的射频信号。在接收端，将信号从射频载波上解调下来，在基带在接收端，将信号从射频载波上解调下来，在基带用相应的子载波通过码元周期内
35、的积分把原始信号用相应的子载波通过码元周期内的积分把原始信号解调出来。基带其他子载波信号与信号解调所用的解调出来。基带其他子载波信号与信号解调所用的子载波由于在一个码元周期内积分结果为子载波由于在一个码元周期内积分结果为0，相互正，相互正交，所以不会对信息的提取产生影响。交，所以不会对信息的提取产生影响。sin()sin(2)sin(3)ttt、cos()ttt、cos(2)、cos(3)cOFDMOFDM调制解调过程调制解调过程图图8.5 OFDM调制解调过程调制解调过程2.2.保护间隔和循环前缀保护间隔和循环前缀 采用采用OFDM可以有效地对抗多径时延扩展。通可以有效地对抗多径时延扩展。通
36、过把输入的数据流串过把输入的数据流串/并变换到并变换到N个并行的子信道个并行的子信道中，使得每个用于调制子载波的数据符号周期可中，使得每个用于调制子载波的数据符号周期可以扩大为原始数据符号周期的以扩大为原始数据符号周期的N倍，因此时延扩倍，因此时延扩展与符号周期的比值也同样降低到原来的展与符号周期的比值也同样降低到原来的1/N倍。倍。从图中可以看出，由于在从图中可以看出，由于在FFT运算时间范围内，第一子运算时间范围内，第一子载波与带有时延的第二子载波之间的周期个数之差不再是载波与带有时延的第二子载波之间的周期个数之差不再是整数，所以当接收机试图对第一子载波进行解调时，第二整数，所以当接收机试
37、图对第一子载波进行解调时，第二子载波会对此造成干扰。同样，当接收机对第二子载波进子载波会对此造成干扰。同样，当接收机对第二子载波进行解调时，有时会存在来自第一子载波的干扰。行解调时，有时会存在来自第一子载波的干扰。图图8.6 空闲保护间隔引起空闲保护间隔引起ICI 为了消除由于多径所造成的为了消除由于多径所造成的ICI，OFDM符号需要在符号需要在其保护间隔内填入循环前缀信号，如图其保护间隔内填入循环前缀信号，如图8.7所示。这样所示。这样就可以保证在就可以保证在FFT周期内，周期内，OFDM符号的延时副本内符号的延时副本内包含的波形的周期个数也是整数。小于保护间隔包含的波形的周期个数也是整数
38、。小于保护间隔Tg的的时延信号就不会在解调过程中产生时延信号就不会在解调过程中产生ICI。图图8.7 OFDM符号的循环前缀符号的循环前缀3.3.同步技术同步技术一般的通信系统中存在如下的同步问题：一般的通信系统中存在如下的同步问题：发射机和接收机的载波频率不同。发射机和接收机的载波频率不同。发射机和接收机的采样频率不同。发射机和接收机的采样频率不同。接收机不知道符号的定时起始位置。接收机不知道符号的定时起始位置。OFDMOFDM系统中同步要求系统中同步要求载波同步：接收端的振荡频率要与发送载波同步：接收端的振荡频率要与发送载波同频同相；载波同频同相；样值同步：接收端和发射端的采样频样值同步：
39、接收端和发射端的采样频率一致。率一致。符号定时同步：符号定时同步：IFFT和和FFT起止时刻一起止时刻一致。致。图图8.8 OFDM系统内的同步示意图系统内的同步示意图4.4.信道估计信道估计 通过估计方法预先获知信道的频谱特性，通过估计方法预先获知信道的频谱特性，将各子信道上的接收信号与信道的频谱特将各子信道上的接收信号与信道的频谱特性相除，即可实现接收信号的正确解调。性相除，即可实现接收信号的正确解调。常见的信道估计方法有基于导频信道和常见的信道估计方法有基于导频信道和基于导频符号（参考信号）这两种，多载基于导频符号（参考信号）这两种，多载波系统具有时频二维结构，因此采用导频波系统具有时频
40、二维结构，因此采用导频符号的辅助信道估计更灵活。符号的辅助信道估计更灵活。5.5.降峰均比技术降峰均比技术 与单载波系统相比，由于与单载波系统相比，由于OFDM符号是由符号是由多个独立的经过调制的信号相加而成的，这多个独立的经过调制的信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，由此会带来较大的峰值平均功率比。率，由此会带来较大的峰值平均功率比。OFDM的优点的优点6.OFDM6.OFDM技术的特点技术的特点频谱利用率高频谱利用率高带宽可灵活配置带宽可灵活配置可扩展性强可扩展性强系统的自适应能力增强系统的自适应能力增强抗衰落能力和抗干扰能力强
41、抗衰落能力和抗干扰能力强OFDM的缺点的缺点OFDM的峰均比高的峰均比高 多普勒频移大多普勒频移大时间和频率同步要求严格时间和频率同步要求严格小区间干扰控制难度大小区间干扰控制难度大 1.MIMO的原理的原理 多输入多输出（多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）的系统框图如图的系统框图如图8.11所示。所示。该技术最早是由该技术最早是由Marconi于于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。MIMO技术是指技术是指在发射端和接收端分别设置多副发射天线和接收天线，其出在发射端和接收端分别设置多副发射天线
42、和接收天线，其出发点是将多发送天线与多接收天线相结合以改善每个用户的发点是将多发送天线与多接收天线相结合以改善每个用户的通信质量（如差错率）或提高通信效率（如数据速率）。通信质量（如差错率）或提高通信效率（如数据速率）。8.5.8.5.2 2 MIMO MIMO与智能天线与智能天线 信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用可以利用MIMOMIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。发射端：发射
43、端：输入的串行码流通过某种方式（编码、调输入的串行码流通过某种方式（编码、调制、加权、映射）转换成并行的多路子码流，通过不同制、加权、映射）转换成并行的多路子码流，通过不同的天线的天线同时同频同时同频发送出去。发送出去。接收端：接收端：利用信道传输特性与发送子码流之间一定利用信道传输特性与发送子码流之间一定的编码关系，对多路接收信号进行处理，从而分离出发的编码关系，对多路接收信号进行处理，从而分离出发送子码流，最后转换成串行数据输出。送子码流，最后转换成串行数据输出。2.MIMO核心核心技术技术 MIMO系统在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就系统在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是
44、说是说MIMO可以抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，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。目前解决系统依然是无能为力。目前解决MIMO系统中的频率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。OFDM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的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（不受码间干扰的困扰，这就允许单频网络（SFN）可以用）可以用于宽带
45、于宽带OFDM系统，依靠多天线来实现，即采用由大量低系统，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。覆盖。MIMO-OFDM系统的核心技术主要包括：系统的核心技术主要包括：1）MIMO-OFDM的信道估计的信道估计 MIMO-OFDM系统信道估计方法一般有三种：非盲信道估计、系统信道估计方法一般有三种：非盲信道估计、盲信道估计和半盲信道估计。盲信道估计和半盲信道估计。（1）非盲信道估计）非盲信道估计 非盲信道估计是通过在发送端发送导频信号或训练序列，接非盲信道估计是通过在发送端发送导频信号或训练序列
46、，接收端根据所接收的信号估计出导频处或训练序列处的信道参数，收端根据所接收的信号估计出导频处或训练序列处的信道参数，然后根据导频或训练序列处的信道参数得到数据信号处的信道参然后根据导频或训练序列处的信道参数得到数据信号处的信道参数。这类方法的好处是估计误差小，收敛速度快，不足是由于发数。这类方法的好处是估计误差小，收敛速度快，不足是由于发送导频或训练序列而浪费了一定的系统资源。送导频或训练序列而浪费了一定的系统资源。（2 2）盲信道估计）盲信道估计 盲信道估计是利用信道的输出以及与输入有关的盲信道估计是利用信道的输出以及与输入有关的统计信息，在无需知道导频或训练序列的情况下估计信统计信息，在无
47、需知道导频或训练序列的情况下估计信道参数。其好处是传输效率高，不足是鲁棒性相对较差、道参数。其好处是传输效率高，不足是鲁棒性相对较差、收敛速度慢，而且运算量较大。收敛速度慢，而且运算量较大。（3 3）半盲信道估计）半盲信道估计 半盲信道估计是在盲信道估计的基础上发展起来半盲信道估计是在盲信道估计的基础上发展起来的，它利用尽量少的导频信号或训练序列来确定盲信道的，它利用尽量少的导频信号或训练序列来确定盲信道估计算法所需的初始值，然后利用盲信道估计算法进行估计算法所需的初始值，然后利用盲信道估计算法进行跟踪、优化、获得信道参数。由于盲信道算法运算复杂跟踪、优化、获得信道参数。由于盲信道算法运算复杂
48、度较高，目前还存在很多问题，难以实用化。而半盲信度较高，目前还存在很多问题，难以实用化。而半盲信道估计算法有望在非盲算法和盲算法的基础上进行折衷道估计算法有望在非盲算法和盲算法的基础上进行折衷处理，从而降低运算复杂度。处理，从而降低运算复杂度。2 2）空时信号处理技术空时信号处理技术 空时信号处理是随着空时信号处理是随着MIMOMIMO技术而诞生的新概念，与传统技术而诞生的新概念，与传统信号处理方式的区别在于其从时间和空间两方面同时研究信号信号处理方式的区别在于其从时间和空间两方面同时研究信号的处理问题。从信令方案的角度看，的处理问题。从信令方案的角度看，MIMOMIMO主要分为空时编码和主要
49、分为空时编码和空间复用两种。空间复用两种。（1 1）空时编码）空时编码 空时编码技术在发射端对数据流进行联合编码，以减小空时编码技术在发射端对数据流进行联合编码，以减小由于信道衰落和噪声所导致的符号错误率，同时增加信号的冗由于信道衰落和噪声所导致的符号错误率，同时增加信号的冗余度，从而使信号在接收端获得最大的分集增益和编码增益。余度，从而使信号在接收端获得最大的分集增益和编码增益。（2 2）空间复用）空间复用 空间复用是通过不同的天线尽可能多地在空间信道上传空间复用是通过不同的天线尽可能多地在空间信道上传输相互独立的数据。输相互独立的数据。3）MIMO-OFDM系统同步技术系统同步技术（1）载
50、波同步）载波同步 载波频率不同步会破坏子载波之间的正交性，不仅造成载波频率不同步会破坏子载波之间的正交性，不仅造成解调后输出的信号幅度衰减以及信号的相位旋转，更严重的解调后输出的信号幅度衰减以及信号的相位旋转，更严重的是带来子载波间的干扰是带来子载波间的干扰（ICI），），同时载波不同步还会影响同时载波不同步还会影响到符号定时和帧同步的性能。一般来说，到符号定时和帧同步的性能。一般来说，MIMO-OFDM系系统的子载波之间的频率间隔很小，因而所能容忍的频偏非常统的子载波之间的频率间隔很小，因而所能容忍的频偏非常有限，即使很小的频偏也会造成系统性能的急剧下降，所以有限，即使很小的频偏也会造成系统
