主頁（http://www.130131.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通信技術(shù)。我這里特別要指出的是LTE是一個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，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算是一個集大成者， 另外隨著3GPP2沒落和高通宣布CDMA支持LTE的演進，LTE可以說將來有一統(tǒng)通信技術(shù)的趨勢。

背景簡述：

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，通過這個公式我們可以發(fā)現(xiàn)，如果想提高網(wǎng)絡(luò)的速度有2個方法，一個是增加帶寬，一個是增加頻帶利用率。那么LTE是如何在這兩方面進行實現(xiàn)的呢？

首 先講講增加帶寬，這個技術(shù)說起來簡單但是實際上是非常復(fù)雜的，也是直接導(dǎo)致CDMA技術(shù)在4G被pass的原因之一。如果將一個通信技術(shù)的頻譜從 1.25MHz擴展到20MHz，要面臨很多的問題，第一個是多載波的聚合，舉個例子，你原來只需要管理個單車道，現(xiàn)在突然給你個100車道，第一個就是 協(xié)調(diào)問題，要保證不亂，其次調(diào)度問題，要保證高效，所以復(fù)雜程度大大的增加，其次是頻譜特性問題，那有的人會問，干嘛要多載波聚合，直接一個載波不行了么？如果你真的搞一個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)來實現(xiàn)多增加帶寬。

其 次就是增加頻帶利用率，在這里簡單說明一下信道編碼的方式，信源要最終發(fā)射必須要經(jīng)過編碼和調(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，相當于一種冗余，而調(diào)制的方式則是通過相位來區(qū)別更多的符號，相當于一種壓縮，那么高效的編碼和高階的調(diào)制無疑會增加頻譜利用率，在這點上LTE并沒有多大 進步，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這兩個技術(shù)，下面先重點講解這兩個技術(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（通過傅里葉變實現(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，載波之間要有保護間隔，而OFDM則是重疊在一起的，最大的一個好處就是節(jié)省了帶寬，同時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，舉個例子，1hz和1.1hz之間的無線特性 幾乎一樣，而1hz和101hz之間的無線特性就差別大了，帶寬越小，衰落越一致，同理一個OFDM符號的時間也是很小的，小于相干時間可以克服時間選擇 性衰落，等效為一個線性時不變系統(tǒng)。

而對于OFDM來說，最難的還是在于如何保證各個子載波間的正交，其重要的一點就是利用了快速傅里葉變換，還有就是近代芯片運算能力的增加。傅里葉變換本身很復(fù)雜（LTE用的是快速傅里葉變換，簡單了很多），下面是個簡化版的公式

由 于是簡化版的，所以這個公式的版本還有很多，表明意思即可，看公式只有當m和n相等時才會得出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，這點很重要。下面舉個例子，例如信息A在子載波m上傳遞，信息B在n上傳遞，那么當子載波重疊后，我要將A取出怎么辦？可 以計算下。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。從而保證了各個子載波雖然重疊但是不會互相干擾。

OFDM有很多優(yōu)點，但是也有其不可克服的缺點，如由于一個OFDM符號時間和頻率都很小所以對頻偏比較敏感，還有由于信號重疊厲害就會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)而實現(xiàn)的多址技術(shù)，很多人會搞混，舉個例子說，OFDM像是數(shù)字，而OFDMA是學(xué)號，利用學(xué)好可以區(qū)分學(xué)生，但是實際講述的時候還是很難分開講，因為OFDMA就是基于OFDM。

嚴格的是OFDMA=OFDM+FDMA+TDMA從而實現(xiàn)區(qū)分用戶的目的

OFDMA要實現(xiàn)主要有2點

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

2、將每一路調(diào)制到各個子載波上，子載波在經(jīng)過快速傅里葉變換FFT（或者IFFT）實現(xiàn)互相正交。

圖2 OFDM發(fā)射圖

OFDMA繼 承了OFDM的特點，具有隨著帶寬的增加，OFDMA信號仍能保持正交的特點，而CDMA則會因為多載波多徑而失去正交。同時OFDMA可以輕松實現(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 際需要靈活使用。

圖3 支持帶寬

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

圖4 子載波分配方式

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

注：LTE 上行的技術(shù)是SC-FDMA，很多人說不是OFDM，其實就是理解錯了，因為SC-FDMA字面理解是單載波頻分多址，實際上就是在OFDM之前增加了一 步，DFT擴頻，模擬出一個單載波，由于單載波可以克服OFDMA多子載波造成的峰均比問題，所以對于功放能力較差的手機來說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CP，那么CP的作用是干嘛用的呢。眾所周知，信號在空間的傳遞是會經(jīng)過反射和折射的，那么一路信號到達接收端會變成幾路，這幾路會存在時延導(dǎo)致互相干擾，如圖5

圖5 多徑導(dǎo)致符號間干擾

上面就是典型的多徑導(dǎo)致符號間干擾，由于第2徑的第一個信號延遲，一部分落到第1徑的第二個符號上，導(dǎo)致第二個符號正交性破壞從而失去正交性無法解調(diào)出來。為了避免這種狀況，就設(shè)計了保護間隔出來，在每個信號之前增加一個間隔，只要時延小于間隔就不會互相影響，如圖6

圖6 加入保護間隔

加 入了保護間隔后，雖然第2徑第一個信號延遲了，但是剛好落入第1徑的第二個符號的保護間隔內(nèi)，在解調(diào)時會隨著CP一起拋棄，不會干擾到第二個符號，但是上 圖有個問題，就是第2徑的第二個符號的保護間隔落入了第1徑的第二個符號內(nèi)，會不會產(chǎn)生干擾呢？答案是肯定的，因為保護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的意思就是我這個保護間隔不用傳統(tǒng)的全0，而是用我自身的一部分，如圖7，將符號的最后一部分拿出來放到前面當保護間隔，就是CP。由于保護間隔是信號的一部分，所以不會破壞符號本身的正交性，是一種非常聰明的做法。

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

圖8 cp長度

一般來說超長擴展除非在海邊等特殊場景其它地方是用不到的，所以常見的就常規(guī)和擴展2種，CP的長度也會影響物理層資源塊的大小，間接影響速率。（以目前移動LTE實驗網(wǎng)的密度，我估計只有常規(guī)CP就行了）

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

MIMO技術(shù)可以說是4G必備的技術(shù)，無論哪種4G制式都會用，原理是通過收發(fā)端的多天線技術(shù)來實現(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。有的資料加了一個多用戶MIMO，其實就是單用戶的一個引申。

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)射或接收一個數(shù)據(jù)流，避免單個信道衰落對整個鏈路的影響。其實很簡單，看圖就明白了。

圖9 空間分集

其實說白了，就是2跟天線傳輸同一個數(shù)據(jù)，但是2個天線上的數(shù)據(jù)互為共軛，一個數(shù)據(jù)傳2遍，有分集增益，保證數(shù)據(jù)能夠準確傳輸。

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，向一個終端/基站并行發(fā)射多個數(shù)據(jù)流，以提高鏈路容量（峰值速率）。

圖10 空間復(fù)用

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

另外注意一點，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，否則會導(dǎo)致無法解出2路數(shù)據(jù)，直說大家理解不了，可以通過數(shù)學(xué)公式來闡明。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，那么這個公式就無解。如

是一個二元一次方程，由于上下兩個方程成比例，所以無法解出x1和x2的。也就無法使用空間復(fù)用，因為這兩根天線相關(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，具體要看天線說明。

3、波束賦形

利用較小間距的天線陣元之間的相關(guān)性，通過陣元發(fā)射的波之間形成干涉，集中能量于某個（或某些）特定方向上，形成波束，從而實現(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，通過判斷UE位置進行定向發(fā)射，提高傳輸可靠性。這個在TD-SCDMA上已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用。

而 至于多用戶MU-MIMO，實際上是將兩個UE認為是一個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有個很重要的限制條件，就 是這2個UE信道必須正交，否則解不出來。這個在用戶較多的場景還行，用戶少了的話很難找到。（也有中說法只要相關(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數(shù)據(jù)，適用于覆蓋邊緣。

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

（4） 同上，只不過增加了用戶反饋，對無線環(huán)境的變化更敏感

（5） 多個天線傳輸給多個用戶，如果用戶較多且每個用戶數(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） 無需碼本的波束賦形，適用于TDD，由于TDD上下行是在同一頻點，所以可以根據(jù)上行推斷出下行，無需碼本和反饋，F(xiàn)DD由于上下行不同頻點所以不能使用。

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就會知道為何LTE能夠?qū)崿F(xiàn)那么高的速率了，希望看完本文能讓你對此有個整體的認識。