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TDLTE系统关键技术
第三章TD-LTE系统关键技术
TD-LTE是TDD版本的LTE技术,相比3GPP之前制定的技术标准,其在物理层传输
技术方面有较大的改进。
为了便于理解TD-LTE系统的核心所在,本章将重点介绍TD-LTE
系统中使用的关键技术,如多址接入技术、多天线技术、混合自动重传、链路自适应、干扰
协调等。
希望读者通过本章的阅读,对TD-LTE的物理层技术有一个全面的了解。
3.1TDD双工方式
TDD(TimeDivisionDuplexing)时分双工技术是一种通信系统的双工方式,与FDD相
对应。
在TDD模式下,移动通信系统中的发送和接收位于同一载波下的不同时隙,通过将
信号调度到不同时间段传输进行区分。
TDD模式可灵活配置于不对称业务中,以充分利用
有限的频谱资源。
在原有的模拟和数字蜂窝系统中,均采用了FDD双工/半双工方式。
在3G的三大国际
标准中,WCDMA和CDMA2000系统也采用了FDD双工方式,而TD-SCDMA系统采用的
是TDD双工方式。
FDD双工采用成对频谱(PairedSpectrum)资源配置,上下行传输信号
分布在不同频带内,并设置一定的频率保护间隔,以免产生相互间干扰。
由于TDD双工方
式采用非成对频谱(UnpairedSpectrum)资源配置,具有更高的频谱效率,在未来的第四代
移动通信系统IMT-Advanced中,将得到更广泛的应用,满足更高系统带宽的要求。
基于TDD技术的TD-LTE系统,与FDD方式相比,具有以下优势:
(1)频谱效率高,配置灵活。
由于TDD方式采用非对称频谱,不需要成对的频率,
能有效利用各种频率资源,满足LTE系统多种带宽灵活部署的需求。
(2)灵活地设置上下行转换时刻,实现不对称的上下行业务带宽。
TDD系统可以根据
不同类型业务的特点,调整上下行时隙比例,更加灵活地配置信道资源,特别适用于非对称
的IP型数据业务。
但是,这种转换时刻的设置必须与相邻基站协同进行。
(3)利用信道对称性特点,提升系统性能。
在TDD系统中,上下行工作于同一频率,
电波传播的对称特性有利于更好地实现信道估计、信道测量和多天线技术,达到提高系统性
能的目的。
(4)设备成本相对较低。
由于TDD模式移动通信系统的频谱利用率高,同样带宽可
提供更多的移动用户和更大的容量,降低了移动通信系统运营商提供同样业务对基站的投
资;另外,TDD模式的移动通信系统具有上下行信道的互惠性,基站的接收和发送可以共
用一些电子设备,从而降低了基站的制造成本。
因此,相比与FDD模式的基站,TDD模式
的基站设备具有成本优势。
除了这些独特的优势,TDD双工方式也存在一些明显的不足。
主要表现在以下几个方
面。
(1)终端移动速度受限。
在高速移动时,多普勒效应会导致时间选择性衰落,速度越
快,衰落深度越深,因此必须要求移动速度不能太高。
以3G系统为例,在目前芯片处理速
度和算法的基础上,使用TDD的TD-SCDMA系统中,当数据率为144kbps时,终端的最
大移动速度可达250km/h,与FDD系统相比,还有一定的差距。
一般TDD终端的移动速度
只能达到FDD终端的一半甚至更低。
(2)干扰问题更加复杂。
由于TDD系统收发信道同频,无法进行干扰隔离,系统内
和系统间均存在干扰,干扰控制难度更大。
(3)同步要求高。
由于上下行信道占用同一频段的不同时隙,为了保证上下行帧的准
确接收,系统对终端和基站的同步要求更高。
未来移动通信系统对带宽的要求越来越高,频谱资源的紧缺会使TDD系统的重要性日
益凸显,TDD双工方式将得到更为广泛的应用,可能发展为主流的双工方式。
3.2多址传输方式
多址接入技术(MultipleAccessTechniques)是用于基站与多个用户之间通过公共传输
媒质建立多条无线信道连接的技术。
移动通信系统中常见的多址技术包括频分多址(FrequencyDivisionMultipleAccess,、
FDMA)、时分多址(TimeDivisionMultipleAccess,TDMA)、码分多址(CodeDivisionMultiple
Access,CDMA)、空分多址(SpaceDivisionMultipleAccess,SDMA)。
FDMA是以不同的
频率信道实现通信。
TDMA是以不同的时隙实现通信。
CDMA是以不同的代码序列来实现
通信的。
SDMA是以不同方位信息实现多址通信。
正交频分多址接入技术(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess,OFDMA)是
后3G时代最主要的一种接入技术。
其基本思想是把高速数据流分散到多个正交的子载波上
传输,从而使单个子载波上的符号速率大大降低,符号持续时间大大加长,对因多径效应产
生的时延扩展有较强的抵抗力,减少了符号间干扰(InterSymbolInterference,ISI)的影响。
通常在OFDM符号前加入保护间隔,只要保护间隔大于信道的时延扩展则可以完全消除符
号间干扰。
在TD-LTE系统中,下行方向上采用了OFDM的复用方式,而上行方向,采用
了具有单载波峰均比特征的DFT-S-OFDMA多址方式。
3.2.1下行多址传输
(一)OFDM技术基本原理
在传统FDM系统中,为了避免各子载波间的干扰,相邻载波之间需要较大的保护频带,
频谱效率较低。
OFDM系统允许各子载波之间紧密相临,甚至部分重合,通过正交复用方
式避免频率间干扰,降低了保护间隔的要求,从而实现很高的频率效率。
两种复用方式的频
谱使用对比如图3-1所示。
(a)传统FDMA频谱
(b)OFDMA频谱
图3-1传统FDMA和OFDMA频谱时使用对比
图3-2是TD-LTE下行多址接入方式OFDMA的示意图,发端信号先进行信道编码与交
织,然后进行QAM调制,将调制后的频域信号进行串/并变换,以及子载波映射,并对所
有子载波上的符号进行逆傅里叶变换(IFFT)后生成时域信号,然后在每个OFDM符号前
插入一个循环前缀(CyclicPrefix,CP),以在多径衰落环境下保持子载波之间的正交性。
插
入CP就是将OFDM符号尾部的一段复制到OFDMA符号之前,CP长度必须长于主要多径
分量的时延扩展,才能保证接收端信号的正确解调。
图3-2LTE下行多址方式OFDMA的示意图
3.2.2上行多址传输
DFT-S-OFDM是基于OFDM的一项改进技术,在TD-LTE中,之所以选择DFT-S-OFDM,
即SC-FDMA(单载波)作为上行多址方式,是因为与OFDM相比,DFT-S-OFDM具有单
载波的特性,因而其发送信号峰均比较低,在上行功放要求相同的情况下,可以提高上行的
功率效率,降低系统对终端的功耗要求。
LTE上行多址方式的示意图如图3-3所示。
图3-3LTE上行多址方式示意图
上述关于下行与上行的两种多址方式,对于其中的“子载波映射”,都存在两种可能的
实现方式。
一种是集中式(Localized),即DFT产生的频域信号按原有顺序集中映射到IFFT
的输入;另一种是分布式(Distributed),即均匀地映射到间隔为L的子载波上,如图3-4
所示
L1=L2=...=Ln
。
在TD-LTE系统中,上行DFT-SOFDM不支持分布式(Distributed)
的传输模式,而采用帧内(时隙间)或帧间的跳频来获得频率分集的增益。
L1
L2
Ln
图3-4子载波映射方式
OFDM/OFDMA技术是TD-LTE系统的技术基础与主要特点,OFDM/OFDMA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系统的最基本参数,
经过理论分析与仿真比较最终确定载波间隔为15kHz。
上下行的最小资源块为375kHz,也
就是25个子载波宽度,数据到资源块的映射方式可采用集中(Localized)方式或离散
(Distributed)方式。
循环前缀CyclicPrefix(CP)的长度决定了OFDM系统的抗多径能力
和覆盖能力。
长CP利于克服多径干扰,支持大范围覆盖,但系统开销也会相应增加,导致
数据传输能力下降。
为了达到小区半径100Km的覆盖要求,TD-LTE系统采用长短两套循
环前缀方案,根据具体场景进行选择:
短CP方案为基本选项,长CP方案用于支持TD-LTE
大范围小区覆盖和多小区广播业务。
由于OFDM具有频谱效率高、带宽扩展灵活等特性,成为B3G/4G演进过程中的关键
技术之一,它可以结合分集技术,时空编码技术,干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术,
最大限度的提高系统性能。
3.3MIMO技术
MIMO(MultipleInputMultipleOutput)技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分
集的技术。
它采用的是分立式多天线,能够有效的将通信链路分解成为许多并行的子信道,
从而大大提高容量。
在下行链路,多天线发送方式主要包括发送分集、波束赋形、空时预编
码以及多用户MIMO等;而在上行链路,多用户组成的虚拟MIMO也可以提高系统的上行
容量。
3.3.1发射分集
在无线通信系统中,分集技术主要用于对抗衰落、提高链路可靠性。
传输分集的主要原
理是,利用空间信道的弱相关性,结合时间/频率上的选择性,为信号的传递提供更多的副
本,提高信号传输的可靠性,从而改善接收信号的信噪比。
空间发射分集利用了分集增益的原理,在基站发射端,对发射的信号进行预处理,采用
多根天线进行发射,在接收端通过一定的检测算法获得分集信号。
TD-LTE中发射分集技术的实现方式有:
空时/频编码、延迟发射分集、循环延时发射分
集、切换发射分集等。
(一)空时/频编码
对2天线传输来说,最著名的空时/频块码方式是Alamouti编码,其编码矩阵为:
⎢
⎢⎣s2
*
*
⎥
(3-1)
Alamouti编码是一种速率为1(Rate1)的正交编码方式,可以获得2天线传输情况下
的全分集。
在发送天线数大于2时,不存在满足Rate1的正交空时/频块码。
在LTE中,当
传输天线数为4时,主要考虑采用Alamouti编码与其他分集方式进行组合的方式进行分集
传输,如SFBC与CDD结合的方式、SFBC与天线切换分集结合的方式等。
1.空时块码(SpaceTimeBlockCode,STBC)
空时块码技术是1998年由VahidTarokh等人提出的一项基于发射分集的技术。
STBC
属于Alamouti编码方式,式(3-1)的编码矩阵中,其基本原理就是在时刻t天线1上传输
符号s1、天线2上传输符号s2,在时刻t+1天线1上传输符号-s2*、天线2上传输符号s1*。
2.空频块码(SpaceFrequencyBlockCode,SFBC)
STBC适用于窄带慢衰落无线信道,对于实际的宽带无线信道,直接应用STBC并不合
适。
将空时分组码与OFDM结合,便构成了空频块码。
在图3-5所示SFBC系统中,发射
端的信息比特经过调制得到信息符号,经SFBC编码,然后分流并进行OFDM调制,在各
个天线中发送出去。
接收端先对各天线收到的信号进行OFDM解调,然后利用解调后的频
域数据进行信道估计,并将由此得到的频域信道信息连同频域接收数据一起送往SFBC译码
器进行译码,再经解调恢复得到原始信息比特。
空
频
OFDM
OFDM-1
空
频
调制
码
码
解调
编
码
OFDM
OFDM-1
译
码
图3-5SFBC系统原理图
此时式(3-1)表示:
同一个SFBC编码块将占据两根发射天线的相邻两个子载波i、i+1,
*
*
(二)延迟发射分集
延时发射分集是一种最基本的发射分集方式,最初应用于单载波系统。
在这个方案中,
发射端使用多个天线传输信号,相同信号的副本引入不同的时间延迟在不同的天线上发送,
各个路径的信号在统计意义上相互独立。
该方案将空间分集转化为频率分集,利用频率分集
增益,降低系统的差错概率,其原理如图3-6所示。
⎡s1
−s2⎤
s1⎥⎦
发射天线1子两个子载波上一次承载信息符号s1和−s2,发射天线2在这两个子载波上依
和s
次承载信息符号s21。
⎜1
⎜2
⎜n
图3-6延时发射分集的原理
第i根天线上的信号为:
ri[n,k]=
1
2
(H1i[n,k]+H2i[n,k]e−j2ðk⊗fT2+...+Hni[n,k]e−j2ðk⊗fTn)*t[n,k]+wi[n,k]
其中,Tm(m=2,…,n)为延迟时间,⊗f为OFDM子载波之间的间隔,k为载波数,
wi[n,k]为第i根接收天线上的加性高斯白噪声。
在接收端,系统的接收机结构与单天线接收机完全一致。
但是为了避免延迟发射分集造
成的码间干扰,接收端需要利用均衡技术消除干扰,如采用最大似然序列估计(MLSE)/
最小均方误差(MMSE)算法,或用维特比译码法均可获得分集增益。
延时发射分集适用于
改善平坦衰落信道或时延扩展较小的信道的信道质量。
(三)循环延时发射分集
延迟发射分集获得了分集增益,但是引入了码间干扰,接收机需要采用均衡器来消除干
扰,这增加了接收机的复杂度。
为解决这个问题,提出了循环延时发射分集(CyclicDelay
Diversity,CDD)。
在循环延迟发射分集系统中,各个天线支路的信号并没有在时间上滞后,
而是在信号内部进行了循环移位,既不会产生码间干扰的问题也不用增加循环前缀的长度,
此方案可以在不增加接收机的复杂度的前提下获得分集增益。
CDD方案在OFDM系统中的
实现原理如图3-7所示,在插入循环前缀(CP)之前,将同一个OFDM符号分别循环移位Dm
个样点,其中m(m=1,…,M)表示天线序号,然后每个天线根据各自对应的循环移位之
后的版本,分别加入各自的CP并将信号发射出去。
图3-7OFDM系统中CDD方案的原理图
(四)切换发射分集
切换发射分集技术是指当发射端存在多根传输天线时,按照预定的模式选择其中的一根
天线进行传输,并不断在天线间进行切换,包括时间切换分集(TimeSwitchedTransmit
Diversity,TSTD)和频率切换发射分集(FrequencySwitchedTransmitDiversity,FSTD)两
种。
TSTD方案中,在不同的时间段上选择不同的天线交替进行信号发送,其原理如图3-8
所示。
TSTD的时间切换发送过程削弱了同一个码块内符号之间的时间相关性,这样可以通
过纠错编码获得分集增益。
图3-8时间切换发射分集原理图
FSTD方案中,在不同的子载波上选择不同的天线交替进行信号发送,其原理如图3-9
所示。
FSTD方式中,减小了子载波之间的相关性,使等效信道产生了频率选择性,因而同
样可以利用纠错编码提高差错概率性能。
图3-9频率切换发射分集原理图
TSTD和FSTD也可以写成编码矩阵的形式,即:
⎡S1
⎢0
0⎤
S2⎥⎦
上式表示在时刻t(或频率f),在天线1上传输符号S1,天线2上不传输任何信息;在
时刻t+1(或频率f+1),在天线2上传输符号S2,天线1上不传输任何信息。
天线切换分
集扩展到基站存在多根发射天线的情况,如下所示:
⎡S1
⎢
⎢.
⎢
⎢.
⎢⎣0
0
S2
⋅
.
.
0
...0⎤
...0⎥⎥
.
⎥
..⎥
...SN⎥⎦
其中,N为发射天线数。
3.3.2波束赋形(Beamforming)
波束赋形是一种基于天线阵列的信号与预处理技术,其工作原理是利用空间信道的强相
关性及波的干涉原理产生强方向性的辐射方向图,使辐射方向图的主瓣自适应的指向用户来
波方向,从而提高信噪比,获得明显的阵列增益,其原理如图3-10所示。
波束赋形技术在
扩大覆盖范围、改善边缘吞吐量以及干扰抑制等方面都有很大的优势。
波束赋形的权值仅仅
需要匹配信道的慢变化,比如来波方向(DirectionOfArrival,DOA)和平均路损。
因此,在进
行波束赋形时,可以不利用终端反馈所需信息,而在基站侧通过测量上行接收信号获得来波
方向和路损信息。
⎣
⎢0
⎢.
.⎥
..⎥
图3-10波束赋形技术原理示意图
为了获得波束赋形增益,需要使用较多的天线单元,而目前LTE仅仅考虑最多使用4个公共
导频,无法支持在超过4根天线单元的天线阵列上使用波束赋形,因此波束赋形需要使用专
用导频。
波束赋形的一般过程为:
⑴根据系统性能指标(如误码率、误帧率)的要求确定优化准则(代价函数),一般这
是权重矢量与一些参数的函数;
⑵采用一定的方法获得需要的参数;
⑶选用一定的算法求解该优化准则下的最佳解,得到权重矢量的值。
波束赋形技术已经在TD-SCDMA系统中得到了成功的应用,在TD-LTER8中采用了单
流波束赋形技术。
TD-LTER9中则将波束赋形技术扩展到了双流波束赋形。
(一)单流波束赋形
LTER8中仅支持基于专用导频的单流波束赋形技术。
传输过程中,UE需要通过对专用
导频的测量来估计波束赋形后的等效信道,并进行相干检测。
为了能够估计波束赋形后传输
所经历的信道,基站必须发送一个与数据同时传输的波束赋形参考信号,这个参考信号是用
户专用的,对应于用户专用参考信号的传输称作使用天线端口5的传输。
单流波束赋形的处
理流程如图3-11所示。
图3-11TD-LTER8单流波束赋形的处理流程
上图中的层映射与预编码都只是简单的一对一的映射,单流波束赋形示意图如图3-12
所示。
单流波束赋形可根据赋形向量的获得分为长期波束赋形和短期波束赋形两种。
短期的
波束赋形最常见的是基于奇异值分解(SingularValueDecomposition,SVD)波束赋形,长
期的波束赋形通常称为基于来波方向(DirectionOfArrival,DOA)的波束赋形。
图3-12单流波束赋形示意图
SVD方法中,发送端从上行探测导频(Sounding)估计出信道信息,然后对用户信道
进行SVD分解计算出对应的预编码酉矩阵。
其中SVD分解操作如下:
假设天线发送数目为
M,接收天线数目为N,那么空间信道矩阵H的维数为N⋅M,空间信道矩阵H的SVD分
解,即为:
H=U⊄VH
(3-2)
其中,U和V分别是维数为N⋅M和M⋅M的酉矩阵,⊄是一个维数为N⋅M的矩阵,
其对角线元素是非负的实数,非对角线元素为0,并且⊄的对角线元素⎣1≥⎣2≥≥⎣n,
即按照大小排序之后的矩阵H的奇异值,其中n是M和N中的最小值。
经过奇异值分解之
后获得的酉矩阵V即为线性预编码。
DoA波束赋形是一种长期波束赋形技术,即赋形加权向量是基于远大于信道相干时间
的一段时间内对信道的测量。
(二)双流波束赋形
LTER9中将波束赋形扩展到了双流传输,实现了波束赋形与空间复用技术的结合。
双
流波束赋形技术应用于信号散射体比较充分的条件下,结合了智能天线技术和MIMO空间
复用技术,利用TDD信道的对称性,同时传输多个数据流实现空分复用,并且能够保持传
统单流波束赋形技术广覆盖、小区容量大和干扰小的特性,既可以提高边缘用户的可靠性,
同时可有效提升小区中心用户的吞吐量。
LTER9中定义了新的双端口专用导频,并引入了
新的控制信令,天线推荐配置是8⋅2的。
在双流赋形中,UE基于对专用导频的测量估计波束赋形后的等效信道。
对于TDD系
统,更适合利用信道的互易性并采用非反馈预编码矩阵的码本号(Pre-codingMatrixIndex,
PMI)的方式实现双流波束赋形。
eNodeB通过对SRS的测量获得CSI并计算每个流的波束
赋形向量。
双流波束赋形又可分为单用户波束赋形和多用户波束赋形两种。
1.单用户波束赋形
单用户双流波束赋形技术,由基站测量上行信道,得到上行信道状态信息后,基站根据
上行信道信息计算两个赋形矢量,利用该赋形矢量对要发射的两个数据流进行下行赋形,其
原理如图3-13所示。
采用单用户双流波束赋形技术,使得单个用户在某一时刻可以进行两个数据流传输,同
时获得赋形增益和空间复用增益,可以获得比单流波束赋形技术更大的传输速率,进而提高
系统容量。
图3-13单用户波束赋形原理
2.多用户波束赋形
多用户双流波束赋形技术,基站将两个或多个UE调度在同样的时—频资源上,根据上
行信道信息或者UE反馈的结果进行多用户匹配,完成后按照一定的准则生成波束赋形矢
量,利用得到的波束赋形矢量为每一个UE、每一个流进行赋形,其原理如图3-14所示。
多
用户双流波束赋形技术,利用了智能天线的波束定向原理,实现多用户的空分多址。
图3-14多用户波束赋形原理
3.3.3空时预编码
LTE既支持开环方式的空间复用,也支持闭环方式的空间复用。
开环方式的空间复用系
统中,接收端不能获得任何信道状态信息(ChannelStateInformation,CSI),各个并行的数
据流均等的分配功率与传输速率,并采用全向天线进行发射。
在这种开环的方式中,接收机
需要通过均衡算法匹配信道进行信号接收,而发送信号并未与信道相匹配。
闭环方式的空间
复用(即预编码技术)系统中,接收端将信道状态信息反馈给发送端,发送端对发射信号的
空间特性进行优化,使发送信号的空间分布特性和信道条件相匹配,因而可以有效降低接收
机均衡算法的复杂度获得更好的性能。
预编码技术可以分为线性或非线性方法,目前考虑到非线性方法的复杂度,无线通信系
统中一般只考虑线性预编码。
线性预编码的作用就
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