主頁（http://www.by236.com）：LTE關鍵技術:OFDM和MIMO
概述： LTE是Long TermEvolution,大多數資料也都有介紹，是3G伙伴組織3GPP牽頭制定的第四代移動通信技術。我這里特別要指出的是LTE是一個站在巨人肩膀上的技 術，借鑒了很多其它通信技術的優點，如OFDM和MIMO都是借鑒的Wimax，HARQ是借鑒的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。那么LTE是如何在這兩方面進行實現的呢？
首 先講講增加帶寬，這個技術說起來簡單但是實際上是非常復雜的，也是直接導致CDMA技術在4G被pass的原因之一。如果將一個通信技術的頻譜從 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，現在突然給你個100車道，第一個就是 協調問題，要保證不亂，其次調度問題，要保證高效，所以復雜程度大大的增加，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，另外包太大的話調度的精度也受影響，因此LTE選擇 了含正交子載波技術的OFDM技術來實現多增加帶寬。
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，信源要最終發射必須要經過編碼和調制，編碼的作用是將前后的信息位建立聯系并最終保證糾錯，相當于一種冗余，而調制的方式則是通過相位來區別更多的符號，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調制技術，但是LTE支持MIMO也是一種增加頻譜利用率的方式。
所以，LTE速率的提升關鍵就在于OFDM和MIMO這兩個技術，下面先重點講解這兩個技術。
LTE關鍵技術： 一、 OFDM（orthogonalfrequently division multiplexing）正交頻分復用。 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），從而使其重疊但不干擾。然后將串行數據映射到子載波上傳輸，實現統一調度。
圖1 OFDM 由上圖可以看出，OFDM和傳統的FDM多載波調制技術的區別，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的子載波也不同于傳統的載波，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。 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
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，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就是基于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并行，實現串并轉換，必須為并行能進行傅里葉變換。 2、將每一路調制到各個子載波上，子載波在經過快速傅里葉變換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可以輕松實現頻域 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，也很復雜，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。 注：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）循環前綴 在上面的圖2，在并串轉換后需要插入一個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致互相干擾，如圖5
圖5 多徑導致符號間干擾 上面就是典型的多徑導致符號間干擾，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，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，循環前綴。
圖7 CP 所謂循環前綴CP的意思就是我這個保護間隔不用傳統的全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，擴展和超長擴展，應用范圍也不同。
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實驗網的密度，我估計只有常規CP就行了）
四、 MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)系統 MIMO技術可以說是4G必備的技術，無論哪種4G制式都會用，原理是通過收發端的多天線技術來實現多路數據的傳輸，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性，發射或接收一個數據流，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據，但是2個天線上的數據互為共軛，一個數據傳2遍，有分集增益，保證數據能夠準確傳輸。 2、空間復用（空分復用） 利用較大間距的天線陣元之間或賦形波束之間的不相關性，向一個終端/基站并行發射多個數據流，以提高鏈路容量（峰值速率）。
圖10 空間復用 如果上一個技術是增加可靠性，這個技術就是增加峰值速率，2個天線傳輸2個不同的數據流，相當于速率增加了一倍，當然，必須要在無線環境好的情況下才行。 另外注意一點，采用空間復用并不是天線多了就行，還要保證天線之間相關性低才行，否則會導致無法解出2路數據，直說大家理解不了，可以通過數學公式來闡明。假設收發雙方是MIMO2*2，如圖11
圖11 例子 那么UE側的計算公式是
由于是UE接收，所以y1和y2都知道，h和n是天線的相關特性也都知道，求x。假如天線的相關性較高，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用，因為這兩根天線相關性太高了，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性，通過陣元發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位置進行定向發射，提高傳輸可靠性。這個在TD-SCDMA上已經得到了很好的應用。 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，具體現網中使用哪種需要網優人員結合實際情況去設置相關的門限和條件。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據，適用于覆蓋邊緣。 （3） 開環空分復用，無需用戶反饋，不同天線傳輸不同的數據，相當于速率增加一倍，適用于覆蓋較好區域 （4） 同上，只不過增加了用戶反饋，對無線環境的變化更敏感 （5） 多個天線傳輸給多個用戶，如果用戶較多且每個用戶數據量不大的話可以采用，增加小區吞吐量。 （6） 閉環波束賦形一種，基于碼本的（預先設置好），預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。 （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，所以可以根據上行推斷出下行，無需碼本和反饋，FDD由于上下行不同頻點所以不能使用。
小結： 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能夠實現那么高的速率了，希望看完本文能讓你對此有個整體的認識。 (中國集群通信網 | 責任編輯：陳小雨) |
