mimo技術在lte中的應用（LTE關鍵技術:OFDM和MIMO）

2023-11-05 06:58:13 2

概述：

LTE是Long TermEvolution,大多數資料也都有介紹，是3G夥伴組織3GPP牽頭制定的第四代移動通信技術。我這裡特別要指出的是LTE是一個站在巨人肩膀上的技術，借鑑了很多其它通信技術的優點，如OFDM和MIMO都是借鑑的Wimax，HARQ是借鑑的CDMA,所以通信技術發展到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可以說將來有一統通信技術的趨勢。

背景簡述：

在講LTE關鍵技術之前先講講影響通信速率的關鍵點吧，大家都知道通信技術越發展速率越快，可是到底是哪些技術促成了速率的提升呢？下面我寫一個公式:

C = B x V

在這裡，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現，如果想提高網絡的速度有2個方法，一個是增加帶寬，一個是增加頻帶利用率。那麼LTE是如何在這兩方面進行實現的呢？

圖1 OFDM

由上圖可以看出，OFDM和傳統的FDM多載波調製技術的區別，傳統的多載波是分開的，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省了帶寬，同時OFDM是統一調度，而傳統的FDM是子載波分別調度，效率是不一樣的。

同時OFDM的子載波也不同於傳統的載波，他非常小，小於信道相干帶寬，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，小於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。

而對於OFDM來說，最難的還是在於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立葉變換，還有就是近代晶片運算能力的增加。傅立葉變換本身很複雜（LTE用的是快速傅立葉變換，簡單了很多），下面是個簡化版的公式

由於是簡化版的，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，那麼當子載波重疊後，我要將A取出怎麼辦？可以計算下。由於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，所以=1，而B的n載波和m載波完全不想關，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有很多優點，但是也有其不可克服的缺點，如由於一個OFDM符號時間和頻率都很小所以對頻偏比較敏感，還有由於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，而OFDMA則是利用這種頻分技術而實現的多址技術，很多人會搞混，舉個例子說，OFDM像是數字，而OFDMA是學號，利用學好可以區分學生，但是實際講述的時候還是很難分開講，因為OFDMA就是基於OFDM。

嚴格的是OFDMA=OFDM FDMA TDMA從而實現區分用戶的目的

OFDMA要實現主要有2點

1、將高速串行數據流轉化為並行，實現串並轉換，必須為並行能進行傅立葉變換。

2、將每一路調製到各個子載波上，子載波在經過快速傅立葉變換FFT（或者IFFT）實現互相正交。

圖2 OFDM發射圖

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可以輕鬆實現頻域調度，避免了傳統FDMA技術的調度和協調難題，還有就是更加支持MIMO。尤其是OFDMA對頻譜的支持多樣，現網是支持6種帶寬，如下圖，可以根據實際需要靈活使用。

圖3 支持帶寬

另外，OFDMA在實際應用中分為集中式和分布式，如圖4，集中式會將連續的子載波都分給1個用戶，而分布式則是交叉分布，各有優缺點，但是現網多用集中式，調度起來簡單效率高。

圖4 子載波分配方式

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

註：LTE 上行的技術是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，由於單載波可以克服OFDMA多子載波造成的峰均比問題，所以對於功放能力較差的手機來說也是一種變通的做法。

三、 CP（cyclic prefix）循環前綴

在上面的圖2，在並串轉換後需要插入一個CP，那麼CP的作用是幹嘛用的呢。眾所周知，信號在空間的傳遞是會經過反射和折射的，那麼一路信號到達接收端會變成幾路，這幾路會存在時延導致互相干擾，如圖5

圖5 多徑導致符號間幹擾

上面就是典型的多徑導致符號間幹擾，由於第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，導致第二個符號正交性破壞從而失去正交性無法解調出來。為了避免這種狀況，就設計了保護間隔出來，在每個信號之前增加一個間隔，只要時延小於間隔就不會互相影響，如圖6

圖6 加入保護間隔

加入了保護間隔後，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，在解調時會隨著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，會不會產生幹擾呢？答案是肯定的，因為保護間隔本身也不是正交的，那麼解決的辦法就是採用CP，循環前綴。