南京邮电大学毕业设计(论文)开题报告

 

第二篇：LTE

TD-LTE主要技术

内容摘要： TD-LTE技术是介于第三代移动通信技术基于第四代移动通信技术直接的一个过渡，是3.9G的标准。采取了正交频分复用技术（OFDM）和多入多出技术（MIMO），改进了3G的无线电传输技术，使得网络传输速度和带宽得到显著提高。

关键词：MIMO OFDM

TD-LTE主要技术

前言

随着现代移动通信的快速发展，移动网络的变得复杂且庞大，现有的移动网络无法满足TD-LTE(Long Term Evolution)是在TD-SCDMA的技术基础上长期演进而来的，目的是为了满足日益增高的数据传输需求，为了与WiMAX竞争。截至20xx年底中国移动互联网用户数7.3亿，其中超5亿用户利用移动客户端连接互联网，建设高带宽，高速移动网络成了现阶段运营商最主要的业务。以满足日益增长的数据流量传输。TD-LTE的出现提高了人们对数据流量的需求，增加了通信运营商的盈利空间。

1 TD-LTE 的技术优势

1.1 速率优势

在通信业务下降，数据业务上升的现在。运营商提供高速数据传输业务成了迫切的需求，TD-LTE系统是目前从成本，组网时间，速率要求都能满足的最佳选择，其数据传输速度与其他系统的比较如表1-1所示。

表1-1 国内通信系统传输速率比较

1.2 频谱指标

支持5个独立的带宽，分别是1.4/3.5/10/15/20MHz。弹性的使用现有的频谱，有两种频谱使用方式：对称和非对称的频谱。在有负荷的网络中下行频谱资源是R6HSDPA的2~4倍，上行频谱效率是R6HSUPA的2~3倍。

1.3 网络结构

LTE的是扁平化的网络结构，媒体面和控制面分离，又与传统网络互通。与传统网络相比减少了CS域，将CS域整合到IP中，由IP承载语音数据。LTE网络结构中提供接入网的e-NodeB和提供控制面的E-UTRAN组成。MME、S-GV和P-GV组成核心网EPC。其网络结构如图1-1所示

图1-1 LTE网络结构

2 正交频分复用（OFDM）

频分复用是指在宽频信道上分成若干正交的子信道，将高速的数据信号转换成并行的低速子数据流，调制在每个子信道上进行传输。在通信系统中，没有进行正交频分复用的信号需要一个很宽的带宽，但是若采用了频分复用的系统，传输一路信号所需的带宽实际上比原有系统信道所提供的带宽要小很多。所以，该信道如果只传输一路信号，是很浪费信道带宽的，为了让信道利用率提高，使用频分复用的方法是最好的。

2.1 OFDM原理

频移监控和正交幅度调制都可以对一个OFDM符号之内的载波进行调制，OFDM符号可以从t=????表示为：

1??S t = ?????+?? ??????? ????≦??≦????+??i=0???????????? ???????? 2 exp ??2?? ?????? ?? =0 （2-1）

N是指子信道个数,???? 是指第零个子载波的载波频率，T是指OFDM符号宽度，rect(t)=1,|t|≦T 2。

接收端，子载波的正交性：

exp ?j????t dt= 0??1??1 ??=?? (2-2) 0 ??≠n

然后对2-1中的第j个子载波进行解调：

d??=1 ????+??????exp ???2 π ??????? · ????exp ??2π ??????? ???? i=0

??+?????11 =?? ???i=0???? ??1exp ???2π??????? ??????? ????

=d?? (2-3)

由式子可知，信号恢复为d??，因为原信号还在积分间隔之内，其他的载波频率相差（i-j）/T可以生成周期的整数倍，使得积分结果等于零。根据2-1可得，在一个OFDM符号周期T中，有多个非零的子载波。实际上奈奎施特准则能运用在OFDM符号之间，每个子信道频谱之间没有频率干扰。如图2-1所示:

图2-1 子信道的频谱图

2.2 OFDM的核心操作

图2-2 OFDM信号的调制与解调

在调制过程中，有一个数值代换过程。比如0 0 对应得是—1+i。它将单一的串行数据加入虚部，使得进行复数的FFT变换更容易，并且增加了冗余度。冗余度的增加虽然降低了频谱的使用效率，但是也让信息的误码率的降低了。

在数字信号处理中，傅里叶变换是获取信号频域特征的原理。计算量大，用的时间长的傅里叶变换，显然是不利于计算机的处理。而基于傅里叶变换的FFT快速离散傅里叶计算方法，可以在实际工程得到应用

OFDM中考虑到频谱效率和符号间的干扰插入循环前缀CP是主要方法。在信号强度好时，CP的长度是4.68705us，频谱效率是最高。在信号强度弱是，CP长度能达到33.33us，可以避免符号间干扰和子载波间的干扰。因为CP的长度消耗了频谱资源。

2.3 OFDM的优势

第一，抗信号衰落能力强。多子载波传输系统将信号的传输时间比相同速率的单载波系统信号时间长去多倍。使得OFDM系统可以使信号的快衰落影响降低，脉冲噪声也更低。OFDM中的子信道使用正交的子载波，提高了频率的利用率。在信号情况良好时，采用高阶调制方式，让系统大量数据在信道上高数传输。而信号差时，采用低阶调制，让系统拥有更好的抗干扰能力。

此外，在数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰是码间干扰（ISI），码间干扰能力强。，是一种乘性的干扰，这与加性的噪声干扰不同。导致码间干扰的原因有很多，然而，有限的传输信道的频带，在时域会有拖尾，有可能会造成一定的码间干扰。值得一提的是OFDM由于采用了循环前缀，对与抗码间干扰的能力很强。

2.4 OFDM的缺点

由于OFDM系统中的载波数比较多，多载波叠加后的造成峰值平均功率比（PAPR—Peak to Average Power Ratio），让载波信号进入功率放大区的非线性区域，导致信号非线性失真，由于信号非线性失真，产生明显的频谱扩展干扰以及带内信号畸变，使得整个系统性能严重下降。

OFDM系统虽然确保了小区内用户的正交性，但无法实现自然的小区间的多址，如果不采取其他的措施的话，会让OFDM系统出现小区间频域不协调，小区间的干扰。 3 多天线技术（MIMO）

无线通信系统中可以利用的资源只有时间、功率、频率、空间。在2G和3G通信中已经将前三者利用殆尽。开发新的技术以支持通信系统的发展，LTE系统空间资源和频率资源的重新开发，大大提升了系统性能。在信道在收发两端同时使用多跟不同频率的天线，扩展了空间域，充分利用了空间扩展所提供的特征，从而使系统容量提高。

3.1 MIMO技术的分类

传输分集(Transmit Diversity)：采用大间距的赋形之间或者天线阵元之间的没有相关联性，向终端接收或者发射同一个数据流，预防了单个信道衰落而对整个通信链路的影响。在接收端使用分级合并，将频率分集、时间分集和空间分集多路信息合并在一起，提高接受信号的可靠性和覆盖能力。

波束赋形(Beamforming)：为了实现更宽广的覆盖范围和更好的干扰抑制效果，我们利用间距小的天线阵元之间的相关特性，将其发射的波之间产生干涉，并且向指定方向发射能量集中的波，这就是波束。这是对信道的准确估测，针对情况形成波束，将不同用户之间的干扰降低，所能够覆盖的面积也增加，降低了相互之间的干扰，提高了系统的吞吐量。

空间复用(Spatial Multiplexing)： 提高峰值速率的办法就是在天线阵元之间，采用较大间距的波束赋形之间非相关性，向某一个终端发射多个并行的数据流。在接收端将接受到的信号取最小均方差或者串行干扰删除，在建筑密集，多径信号干扰较强的地方，理论上可以成倍提高峰值速率。

空分多址（SDMA）：采用大间距的赋形之间或者天线阵元之间的没有相关联性，让并行的数据流从多个终端发射并行数据或者在接收数据多个并行数据流，让系统容量得到提升。

3.2 LTE的传输模式

3.3 MIMO系统的极限容量

衡量一个通信的重要指标之一是通信系统中的系统容量，它是在信噪比增益恒定的情况下让传输速率最大。MIMO系统通过多天线技术，充分利用空间资源，使信号抗衰落能力提高，有效的将通信系统的信道容量提升到新的档次。以收发端都采用2天线为例,接收端接收的信号为（3-1）：

??1=?11??1+?12??2+??1 ??2=?21??1+?22??2+??2

Y=Hx+n （3-1）

X为发送信号，n为加性高斯白噪声，y为接收信号，所以极限容量为：

????????????????C=log2det?[??+=min ????,????, log2[1+ 00

??????=??(??????) （3-2）

上述公式中MIMO信号容量的本质就是多个并行子信道正交。信道衰落系数H是在m根天线到第n根天线，????为接收天线数，????,为发送天线数。det表示取行列式。这个公式表明在通信系统带宽和发射功率不变的情况下，越多的天线，系统的容量就越大。成倍的提高无线信道的容量和频谱利用率。

采用不同天线数的MIMO信道极限容量如下图:

图3-1 极限容量比较

3.4 MIMO技术的缺点

在MIMO技术从出现到现在，虽然MIMO技术取得非常大的发展，但是在实际运用中任然还有很多的问题没有解决，并不能达到理论上的信道容量，还有很多技术难点需要攻克。主要是以下几个方面：

天线数量和间距方面：在基站的周围安装大量的天线后，会对环境造成破坏，并且会占用较大的空间。在2GHz频率上，十倍波长的间隔，1.5平米空间内就只能容纳

4

根天线。而在手机端，根据计算，若采用4根天线时所用的空间为7.5cm。要知道在手机上就算是安装2根天线的空间也不够。

在信号设计和系统集成方面：如何识别MIMO信道和如何在已识别信道发射最佳的信号。设计一个通用信号，该信号适用在大多数的信道模型，在接收端信号的处理方面都需要对应信号设计。设计者需要考虑信号的处理结构的性能和复杂性之间平衡。

信道实时状态的利用方面：怎样将移动端实时反馈的信道状态反馈给发射机是MIMO系统中的难点之一，因为发射端如何利用信道是根据注水原理而不是平均分配发射功率。

4 小区干扰抑制技术

现在网络覆盖中，在小区中心和小区边缘的下载速率有很大差异，这样就会造成服务质量的下降，用户体验也不好。造成这种现象的原因就是小区间干扰，相邻小区间的若使用相同的频谱资源会造成频率干扰，采用频分复用是较好的办法。目前频分复用系数一般采用（3或7），这样就能有效抑制小区间干扰，但是这样又会造成频谱效率的下降。

4.1 小区干扰抑制技术 波速赋形天线技术：若采用普通天线，天线的覆盖范围是整个扇形区域，相邻的小区就会造成信号重叠，造成小区间干扰。由基于天线阵列的信号预处理技术的波速赋形天线定向发送的窄波束，仅有在窄波束发生碰撞才会造成小区间干扰。

干扰信号随机化：小区内的信道交织和信道编码完成后使用伪随机扰码流，让干扰白化效果。LTE系统中有504个小区（与504个小区ID绑定）区分每一个小区，进行干扰随机化。

小区间干扰协调：处于小区中心的用户能所有的频率，在小区边缘的用户使用一部分频率资源。相邻小区的边缘用户使用的频率不相同。

结束语

通过此次设计，让我对4G通信有了更深的认识，对4G通信网主要技术认了更加深刻的认识。对4G技术优势进行分析，对4G通信中采用正交频分复用（OFDM）和多入多出（MIMO）的技术进行潜析，掌握了正交频分复用基本原理，对移动通信多天线技术在移动通信网中的运作方式都已掌握。

参考文献

[1] 章坚武：移动通信[M] 西安电子科技大学出版社，2013，P5-29，P70-82

[2] 华成英、童诗白：集成运算放大电路[J]，模拟电子基础，2006，P185-187

[3] 何方白、蒋青：现代通信概论[M]，人民邮电出版社，2011，P256-P258