主頁(yè)（http://www.www.xzhtuan.com）：LTE關(guān)鍵技術(shù):OFDM和MIMO

概述：

LTE是Long TermEvolution,大多數(shù)資料也都有介紹，是3G伙伴組織3GPP牽頭制定的第四代移動(dòng)通信技術(shù)。我這里特別要指出的是LTE是一個(gè)站在巨人肩膀上的技 術(shù)，借鑒了很多其它通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，如OFDM和MIMO都是借鑒的Wimax，HARQ是借鑒的CDMA,所以通信技術(shù)發(fā)展到LTE算是一個(gè)集大成者， 另外隨著3GPP2沒(méi)落和高通宣布CDMA支持LTE的演進(jìn)，LTE可以說(shuō)將來(lái)有一統(tǒng)通信技術(shù)的趨勢(shì)。

背景簡(jiǎn)述：

在講LTE關(guān)鍵技術(shù)之前先講講影響通信速率的關(guān)鍵點(diǎn)吧，大家都知道通信技術(shù)越發(fā)展速率越快，可是到底是哪些技術(shù)促成了速率的提升呢？下面我寫一個(gè)公式:

C = B x V

在這里，C表示為速率，B是帶寬，V是每Hz的速率，通過(guò)這個(gè)公式我們可以發(fā)現(xiàn)，如果想提高網(wǎng)絡(luò)的速度有2個(gè)方法，一個(gè)是增加帶寬，一個(gè)是增加頻帶利用率。那么LTE是如何在這兩方面進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的呢？

首 先講講增加帶寬，這個(gè)技術(shù)說(shuō)起來(lái)簡(jiǎn)單但是實(shí)際上是非常復(fù)雜的，也是直接導(dǎo)致CDMA技術(shù)在4G被pass的原因之一。如果將一個(gè)通信技術(shù)的頻譜從 1.25MHz擴(kuò)展到20MHz，要面臨很多的問(wèn)題，第一個(gè)是多載波的聚合，舉個(gè)例子，你原來(lái)只需要管理個(gè)單車道，現(xiàn)在突然給你個(gè)100車道，第一個(gè)就是 協(xié)調(diào)問(wèn)題，要保證不亂，其次調(diào)度問(wèn)題，要保證高效，所以復(fù)雜程度大大的增加，其次是頻譜特性問(wèn)題，那有的人會(huì)問(wèn)，干嘛要多載波聚合，直接一個(gè)載波不行了么？如果你真的搞一個(gè)20Mhz的載波，跨度那么大，頻率特性就很難兼顧，包括傳播特性，擴(kuò)頻效率等，另外包太大的話調(diào)度的精度也受影響，因此LTE選擇 了含正交子載波技術(shù)的OFDM技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)多增加帶寬。

其 次就是增加頻帶利用率，在這里簡(jiǎn)單說(shuō)明一下信道編碼的方式，信源要最終發(fā)射必須要經(jīng)過(guò)編碼和調(diào)制，編碼的作用是將前后的信息位建立聯(lián)系并最終保證糾錯(cuò)，相當(dāng)于一種冗余，而調(diào)制的方式則是通過(guò)相位來(lái)區(qū)別更多的符號(hào)，相當(dāng)于一種壓縮，那么高效的編碼和高階的調(diào)制無(wú)疑會(huì)增加頻譜利用率，在這點(diǎn)上LTE并沒(méi)有多大 進(jìn)步，和3G一樣，最高速率用的是turbo編碼和64QAM調(diào)制技術(shù)，但是LTE支持MIMO也是一種增加頻譜利用率的方式。

所以，LTE速率的提升關(guān)鍵就在于OFDM和MIMO這兩個(gè)技術(shù)，下面先重點(diǎn)講解這兩個(gè)技術(shù)。

LTE關(guān)鍵技術(shù)：

一、 OFDM（orthogonalfrequently division multiplexing）正交頻分復(fù)用。

OFDM原理很簡(jiǎn)單，就是將大的頻譜分為若干小的子載波，各相鄰子載波相互重疊，相鄰子載波互相正交（通過(guò)傅里葉變實(shí)現(xiàn)），從而使其重疊但不干擾。然后將串行數(shù)據(jù)映射到子載波上傳輸，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度。

圖1 OFDM

由上圖可以看出，OFDM和傳統(tǒng)的FDM多載波調(diào)制技術(shù)的區(qū)別，傳統(tǒng)的多載波是分開的，載波之間要有保護(hù)間隔，而OFDM則是重疊在一起的，最大的一個(gè)好處就是節(jié)省了帶寬，同時(shí)OFDM是統(tǒng)一調(diào)度，而傳統(tǒng)的FDM是子載波分別調(diào)度，效率是不一樣的。

同 時(shí)OFDM的子載波也不同于傳統(tǒng)的載波，他非常小，小于信道相干帶寬，這樣的好處是可以克服頻率選擇性衰落，舉個(gè)例子，1hz和1.1hz之間的無(wú)線特性 幾乎一樣，而1hz和101hz之間的無(wú)線特性就差別大了，帶寬越小，衰落越一致，同理一個(gè)OFDM符號(hào)的時(shí)間也是很小的，小于相干時(shí)間可以克服時(shí)間選擇 性衰落，等效為一個(gè)線性時(shí)不變系統(tǒng)。

而對(duì)于OFDM來(lái)說(shuō)，最難的還是在于如何保證各個(gè)子載波間的正交，其重要的一點(diǎn)就是利用了快速傅里葉變換，還有就是近代芯片運(yùn)算能力的增加。傅里葉變換本身很復(fù)雜（LTE用的是快速傅里葉變換，簡(jiǎn)單了很多），下面是個(gè)簡(jiǎn)化版的公式

由 于是簡(jiǎn)化版的，所以這個(gè)公式的版本還有很多，表明意思即可，看公式只有當(dāng)m和n相等時(shí)才會(huì)得出1，m和n不等的話就是0。這就是正交的自相關(guān)性，也就是只 有自己才能解出自己，別人不行，這點(diǎn)很重要。下面舉個(gè)例子，例如信息A在子載波m上傳遞，信息B在n上傳遞，那么當(dāng)子載波重疊后，我要將A取出怎么辦？可 以計(jì)算下。由于A在m子載波上，所以我用去取A，都積分

也就是A的m載波和m載波自相關(guān)，所以=1，而B的n載波和m載波完全不想關(guān)，所以=0。從而保證了各個(gè)子載波雖然重疊但是不會(huì)互相干擾。

OFDM有很多優(yōu)點(diǎn)，但是也有其不可克服的缺點(diǎn)，如由于一個(gè)OFDM符號(hào)時(shí)間和頻率都很小所以對(duì)頻偏比較敏感，還有由于信號(hào)重疊厲害就會(huì)需要克服較大的峰均比PARA。

二、 OFDMA正交頻分多址Orthogonal Frequency Division Multiple Access

OFDM是一種頻分技術(shù)，而OFDMA則是利用這種頻分技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的多址技術(shù)，很多人會(huì)搞混，舉個(gè)例子說(shuō)，OFDM像是數(shù)字，而OFDMA是學(xué)號(hào)，利用學(xué)好可以區(qū)分學(xué)生，但是實(shí)際講述的時(shí)候還是很難分開講，因?yàn)镺FDMA就是基于OFDM。

嚴(yán)格的是OFDMA=OFDM+FDMA+TDMA從而實(shí)現(xiàn)區(qū)分用戶的目的

OFDMA要實(shí)現(xiàn)主要有2點(diǎn)

1、將高速串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為并行，實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換，必須為并行能進(jìn)行傅里葉變換。

2、將每一路調(diào)制到各個(gè)子載波上，子載波在經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換FFT（或者IFFT）實(shí)現(xiàn)互相正交。

圖2 OFDM發(fā)射圖

OFDMA繼 承了OFDM的特點(diǎn)，具有隨著帶寬的增加，OFDMA信號(hào)仍能保持正交的特點(diǎn)，而CDMA則會(huì)因?yàn)槎噍d波多徑而失去正交。同時(shí)OFDMA可以輕松實(shí)現(xiàn)頻域 調(diào)度，避免了傳統(tǒng)FDMA技術(shù)的調(diào)度和協(xié)調(diào)難題，還有就是更加支持MIMO。尤其是OFDMA對(duì)頻譜的支持多樣，現(xiàn)網(wǎng)是支持6種帶寬，如下圖，可以根據(jù)實(shí) 際需要靈活使用。

圖3 支持帶寬

另外，OFDMA在實(shí)際應(yīng)用中分為集中式和分布式，如圖4，集中式會(huì)將連續(xù)的子載波都分給1個(gè)用戶，而分布式則是交叉分布，各有優(yōu)缺點(diǎn)，但是現(xiàn)網(wǎng)多用集中式，調(diào)度起來(lái)簡(jiǎn)單效率高。

圖4 子載波分配方式

其實(shí)OFDM還有很多東西要講，也很復(fù)雜，但是我個(gè)人認(rèn)為大家只需要理解精髓就可以了，OFDM技術(shù)在我們LTE中最重要的一點(diǎn)就是可以快速的實(shí)現(xiàn)子載波的正交。

注：LTE 上行的技術(shù)是SC-FDMA，很多人說(shuō)不是OFDM，其實(shí)就是理解錯(cuò)了，因?yàn)镾C-FDMA字面理解是單載波頻分多址，實(shí)際上就是在OFDM之前增加了一 步，DFT擴(kuò)頻，模擬出一個(gè)單載波，由于單載波可以克服OFDMA多子載波造成的峰均比問(wèn)題，所以對(duì)于功放能力較差的手機(jī)來(lái)說(shuō)也是一種變通的做法。

三、 CP（cyclic prefix）循環(huán)前綴

在上面的圖2，在并串轉(zhuǎn)換后需要插入一個(gè)CP，那么CP的作用是干嘛用的呢。眾所周知，信號(hào)在空間的傳遞是會(huì)經(jīng)過(guò)反射和折射的，那么一路信號(hào)到達(dá)接收端會(huì)變成幾路，這幾路會(huì)存在時(shí)延導(dǎo)致互相干擾，如圖5

圖5 多徑導(dǎo)致符號(hào)間干擾

上面就是典型的多徑導(dǎo)致符號(hào)間干擾，由于第2徑的第一個(gè)信號(hào)延遲，一部分落到第1徑的第二個(gè)符號(hào)上，導(dǎo)致第二個(gè)符號(hào)正交性破壞從而失去正交性無(wú)法解調(diào)出來(lái)。為了避免這種狀況，就設(shè)計(jì)了保護(hù)間隔出來(lái)，在每個(gè)信號(hào)之前增加一個(gè)間隔，只要時(shí)延小于間隔就不會(huì)互相影響，如圖6

圖6 加入保護(hù)間隔

加 入了保護(hù)間隔后，雖然第2徑第一個(gè)信號(hào)延遲了，但是剛好落入第1徑的第二個(gè)符號(hào)的保護(hù)間隔內(nèi)，在解調(diào)時(shí)會(huì)隨著CP一起拋棄，不會(huì)干擾到第二個(gè)符號(hào)，但是上 圖有個(gè)問(wèn)題，就是第2徑的第二個(gè)符號(hào)的保護(hù)間隔落入了第1徑的第二個(gè)符號(hào)內(nèi)，會(huì)不會(huì)產(chǎn)生干擾呢？答案是肯定的，因?yàn)楸Ｗo(hù)間隔本身也不是正交的，那么解決的 辦法就是采用CP，循環(huán)前綴。

圖7 CP

所謂循環(huán)前綴CP的意思就是我這個(gè)保護(hù)間隔不用傳統(tǒng)的全0，而是用我自身的一部分，如圖7，將符號(hào)的最后一部分拿出來(lái)放到前面當(dāng)保護(hù)間隔，就是CP。由于保護(hù)間隔是信號(hào)的一部分，所以不會(huì)破壞符號(hào)本身的正交性，是一種非常聰明的做法。

由于基站覆蓋的距離遠(yuǎn)近不同，多徑延遲也不同，所以CP也分3種。常規(guī)，擴(kuò)展和超長(zhǎng)擴(kuò)展，應(yīng)用范圍也不同。

圖8 cp長(zhǎng)度

一般來(lái)說(shuō)超長(zhǎng)擴(kuò)展除非在海邊等特殊場(chǎng)景其它地方是用不到的，所以常見(jiàn)的就常規(guī)和擴(kuò)展2種，CP的長(zhǎng)度也會(huì)影響物理層資源塊的大小，間接影響速率。（以目前移動(dòng)LTE實(shí)驗(yàn)網(wǎng)的密度，我估計(jì)只有常規(guī)CP就行了）

四、 MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)系統(tǒng)

MIMO技術(shù)可以說(shuō)是4G必備的技術(shù)，無(wú)論哪種4G制式都會(huì)用，原理是通過(guò)收發(fā)端的多天線技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的傳輸，從而增加速率。

MIMO大致可以分為3類，空間分集，空間復(fù)用和波束賦形。有的資料加了一個(gè)多用戶MIMO，其實(shí)就是單用戶的一個(gè)引申。

1、空間分集（發(fā)射分集、傳輸分集）

利用較大間距的天線陣元之間或賦形波束之間的不相關(guān)性，發(fā)射或接收一個(gè)數(shù)據(jù)流，避免單個(gè)信道衰落對(duì)整個(gè)鏈路的影響。其實(shí)很簡(jiǎn)單，看圖就明白了。

圖9 空間分集

其實(shí)說(shuō)白了，就是2跟天線傳輸同一個(gè)數(shù)據(jù)，但是2個(gè)天線上的數(shù)據(jù)互為共軛，一個(gè)數(shù)據(jù)傳2遍，有分集增益，保證數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確傳輸。

2、空間復(fù)用（空分復(fù)用）

利用較大間距的天線陣元之間或賦形波束之間的不相關(guān)性，向一個(gè)終端/基站并行發(fā)射多個(gè)數(shù)據(jù)流，以提高鏈路容量（峰值速率）。

圖10 空間復(fù)用

如果上一個(gè)技術(shù)是增加可靠性，這個(gè)技術(shù)就是增加峰值速率，2個(gè)天線傳輸2個(gè)不同的數(shù)據(jù)流，相當(dāng)于速率增加了一倍，當(dāng)然，必須要在無(wú)線環(huán)境好的情況下才行。

另外注意一點(diǎn)，采用空間復(fù)用并不是天線多了就行，還要保證天線之間相關(guān)性低才行，否則會(huì)導(dǎo)致無(wú)法解出2路數(shù)據(jù)，直說(shuō)大家理解不了，可以通過(guò)數(shù)學(xué)公式來(lái)闡明。假設(shè)收發(fā)雙方是MIMO2*2，如圖11

圖11 例子

那么UE側(cè)的計(jì)算公式是

由于是UE接收，所以y1和y2都知道，h和n是天線的相關(guān)特性也都知道，求x。假如天線的相關(guān)性較高，h11和h21相等，h12和h22相等，或者等比例，那么這個(gè)公式就無(wú)解。如

是一個(gè)二元一次方程，由于上下兩個(gè)方程成比例，所以無(wú)法解出x1和x2的。也就無(wú)法使用空間復(fù)用，因?yàn)檫@兩根天線相關(guān)性太高了，如果想解決的話，可以增加天線的間隔從而使h不成比例，一般建議大于4倍波長(zhǎng)，具體要看天線說(shuō)明。

3、波束賦形

利用較小間距的天線陣元之間的相關(guān)性，通過(guò)陣元發(fā)射的波之間形成干涉，集中能量于某個(gè)（或某些）特定方向上，形成波束，從而實(shí)現(xiàn)更大的覆蓋和干擾抑制效果。

圖12 各種波束賦形

上面是單播波束賦形，波束賦形多址和多播波束賦形，通過(guò)判斷UE位置進(jìn)行定向發(fā)射，提高傳輸可靠性。這個(gè)在TD-SCDMA上已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用。

而 至于多用戶MU-MIMO，實(shí)際上是將兩個(gè)UE認(rèn)為是一個(gè)邏輯終端的不同天線，其原理和單用戶的差不多，但是采用MU-MIMO有個(gè)很重要的限制條件，就 是這2個(gè)UE信道必須正交，否則解不出來(lái)。這個(gè)在用戶較多的場(chǎng)景還行，用戶少了的話很難找到。（也有中說(shuō)法只要相關(guān)性弱就行）

4、LTE r8版本中的MIMO分類

目前的R8版本主要分了7類MIMO，具體現(xiàn)網(wǎng)中使用哪種需要網(wǎng)優(yōu)人員結(jié)合實(shí)際情況去設(shè)置相關(guān)的門限和條件。下面列出這7類分別講解下原理和適用場(chǎng)景。

（1） 單天線傳輸，也是基礎(chǔ)模式，兼容單天線ue。

（2） 不同模式在不同天線上傳輸同一個(gè)數(shù)據(jù)，適用于覆蓋邊緣。

（3） 開環(huán)空分復(fù)用，無(wú)需用戶反饋，不同天線傳輸不同的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于速率增加一倍，適用于覆蓋較好區(qū)域

（4） 同上，只不過(guò)增加了用戶反饋，對(duì)無(wú)線環(huán)境的變化更敏感

（5） 多個(gè)天線傳輸給多個(gè)用戶，如果用戶較多且每個(gè)用戶數(shù)據(jù)量不大的話可以采用，增加小區(qū)吞吐量。

（6） 閉環(huán)波束賦形一種，基于碼本的（預(yù)先設(shè)置好），預(yù)編碼矩陣是在接收端終端獲得，并反饋PMI，由于有反饋所以可以形成閉環(huán)。

（7） 無(wú)需碼本的波束賦形，適用于TDD，由于TDD上下行是在同一頻點(diǎn)，所以可以根據(jù)上行推斷出下行，無(wú)需碼本和反饋，F(xiàn)DD由于上下行不同頻點(diǎn)所以不能使用。

小結(jié)：

OFDM和MIMO雖然不是LTE最先采用但是確是LTE精髓所在，如果你能理解的話就有一定編碼的知識(shí)就會(huì)知道為何LTE能夠?qū)崿F(xiàn)那么高的速率了，希望看完本文能讓你對(duì)此有個(gè)整體的認(rèn)識(shí)。