FDD-LTE技术简介
摘 要: 伴随着人类社会进入信息时代，通信技术的发达程度对社会的发展速度有着关键的影响作用。如今全球已经迈入4G时代，4G移动通信技术作为目前最前沿的通信技术，已被全球广泛的采用，在生产生活和科技进步方面发挥着无可替代的作用。TD-LTE和FDD-LTE作为4G的两种不同的网络制式，虽然在双工模式、帧结构等方面有所不同，但除此之外的相似度达到百分之九十。本文主要介绍FDD-LTE关键技术OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）和MIMO（Multi-Input & Multi-Output，多输入多输出）。
关键词：FDD-LTE OFDM MIMO 一、前言
随着现代社会信息化程度越来越高，通信技术的发达程度对社会的发展速度有着关键的影响作用，移动互联网成为了目前信息化时代最具时代特色的前沿技术。移动互联网是通信产业与传统的IT产业的交汇和融合作用下的产物，是信息技术IT(Information Technology)产业向通信技术 CT ( Communication Technology )产业的渗透。其发展程度源于人们对高数据传输速率日益增长的需求及智能移动终端设备的出现，人们已经越来越不满足最传统的语音通信业务，开始追求高质量的移动视听服务，高清晰度的IPTV享受，人们需要体验快捷方便的移动支付，需要进行实时流畅的手机游戏，需要进行高速准确的移动搜索、实时的获取各种新闻信息，需要进行移动商务以实时的和客户进行沟通，人们希望在移动中进行轻松的社交活动，这些都成为推动移动通信技术迅速发展的的驱动力。
目前，我们已经进入4G移动互联时代，4G网络已经遍布全球，移动互联网用户的数量正在以史无前例的速度增长。据统计，目前全球移动上网的用户已经远远超过了固定网络上网的用户；移动话音通信的用户已经远远超过了固定电话通信的用户；移动数据业务收人已经远远超过了移动话音业务收人；手机用户保有量已经超过PC和TV用户的保有量。4G移动互联正在构建一个全新的信息时代。
二、FDD-LTE简介
LTE（Long Term Evolution，长期演进)是由3GPP（The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）组织制定的UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移动通信系统）技术标准的长期演进，于2004年12月在3GPP多伦多会议上正式立项并启动。LTE系统引入了OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）和MIMO（Multi-Input & Multi-Output，多输入多输出）等关键技术，显著增加
了频谱效率和数据传输速率（20M带宽2X2MIMO在64QAM情况下，理论下行最大传输速率为201Mbps，除去信令开销后大概为150Mbps，但根据实际组网以及终端能力限制，一般认为下行峰值速率为100Mbps，上行为50Mbps），并支持多种带宽分配：1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz和20MHz等，且支持全球主流2G/3G频段和一些新增频段，因而频谱分配更加灵活，系统容量和覆盖也显著提升。LTE系统网络架构更加扁平化简单化，减少了网络节点和系统复杂度，从而减小了系统时延，也降低了网络部署和维护成本。LTE系统支持与其他3GPP系统互操作。
根据双工方式不同LTE系统分为FDD-LTE（Frequency Division Duplexing）和TDD-LTE (Time Division Duplexing)，FDD（频分双工）是该技术支持的两种双工模式之一，应用FDD（频分双工）式的LTE即为FDD-LTE。作为LTE的需求，TD系统的演进与FDD系统的演进是同步进行的。绝大多数企业对LTE标准的贡献可等同用于FDD和TD模式。两者的相似度可达90%。由于无线技术的差异、使用频段的不同以及各个厂家的利益等因素，FDD-LTE的标准化与产都领先于TD-LTE。FDD-LTE已成为当前世界上采用的国家及地区最广泛的，终端种类最丰富的一种4G标准。
FDD采用两个独立的信道分别进行向下传送和向上传送信息的技术。为了防止邻近的发射机和接收机之间产生相互干扰，在两个信道之间存在一个保护频段。FDD操作时需要两个独立的信道。一个信道用来从基站向终端用户传送信息，另一个信道用来从终端用户向基站发送信息。
FDD-LTE主要的关键技术有OFDM（正交频分复用）、MIMO（多入多出）技术即多天线技术、循环前缀CP、为了减小峰均比而使用的单载波频分多址（SO-FDMA）等等。接下来将详细讲解这些技术，简析这些技术的优劣。
三、正交频分复用（OFDM）
1、概述
正交频分复用(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一种多载波调制技术，早在20世纪60年代就已经提出了OFDM的概念，不过由于实现复杂度高，大家并不怎么关注，之后随着DFT(离散傅立叶变化)、FFT(快速傅立叶变换)的提出以及DSP芯片技术的发展，极大减少了OFDM实现复杂度和成本，OFDM逐步在通信领域得到了广泛的应用，并且成为了高速移动通信中的主流技术。OFDM使用相互重叠但正交的窄带传输数据，相比传统的多载波系统具有更高的频谱利用率。3gpp选择OFDM作为LTE下行数据传输制式。 由于OFDM信号是多个子载波信号的叠加，所以存在较高的PAPR(峰均比)，对功放的要求较高，不适合于上行使用，所以为了克服OFDM的缺点，3gpp在上行引入了单载波频分多址(SC-FDMA: Single Carrier Frequency Division Multiple Access)机制，SC-FDMA是OFDM的一种修正形式，和OFDM使用多载波并行方式传输数据相比，SC-FDMA采用单载波串行方式传输数据，从而具有较低的PAPR。
2、原理
将高速的数据流分解为多路并行低速数据流，在多个载波上同时进行传输。OFDM允许子载波频谱部分重叠,只要能满足子载波之间相互正交就可以从混叠的子载波上分离出数据信息。由于OFDM允许子载波频谱混叠,其频谱效率大大提高,因而是一种高效的调制方式。对比传统的FDM，OFDM的频带利用率大大提高。
3、优缺点分析
OFDM相比于传统的单载波系统，它的优势是无可比拟的：频谱利用率高（OFDM中各个子载波之间是彼此重叠的、相互正交，从而极大地提高了频谱利用率）抗多径干扰（为了最大限度地消除符号间干扰，在OFDM符号之间插入循环前缀CP。当CP长度大于无线信道的最大时延扩展时，前一个符号的多径分量不会对下一个符号造成干扰）抗频率选择性衰落（由于无线信道的频率选择性衰落，OFDM系统可以通过动态子载波分配，充分利用信噪比高的子载波，提高系统性能）。但是，OFDM的缺陷也是非常明显并且需要我们去解决的：OFDM具有较高的峰均比PAPR，比CDMA高很多，从而会影响射频放大器的效率，增加硬件成本。对同步误差较敏感，时间偏移会导致OFDM子载波的相位偏移，而频率偏移误差则会导致子载波间失去正交性，带来子载波之间的干扰，影响接收性能。对频偏和相位噪声比较敏感，会导致各个子载波之间的正交性恶化，仅仅1%的频偏就会使信噪比下降30dB。
4、减小峰均比（PAPR）
高峰平比是影响OFDM技术应用的一个关键问题，为了降低OFDM系统的PAPR，国内外学者进行了大量深入的研究,提出了很多方法。解决高峰平比问题主要有两种途径：一是提高功率放大器的性能，二是降低OFDM 信号的峰平比。其中，从提高功率放大器的性能着手解决OFDM系统存在的高峰平比问题有一定的局限性。实际应用中,更多的是从OFDM信号本身的角度出发，采取措施降低大峰值信号的出现概率或是避免大峰值信号的出现。降低OFDM信号峰平比的技术可以从本质上解决OFDM系统存在的高峰平比问题。
目前所存在的减小PAPR的方法大概可以分为三类：（1）信号预畸变技术，即在信号经过放大之前，首先要对功率值大于门限值的信号进行非线性畸变，包括限幅、峰值加窗或者峰值消除等操作。这些信号畸变技术的好处在于直观、简单，但信号畸变对系统性能造成的损害是不可避免的；（2）编码方法，即避免使用那些会生成大峰值功率信号的编码图样，例如采用循环编码方法。这种方法的缺陷在于，可供使用的编码图样数量非常少，特别是当子载波数量N较大时，编码效率会非常低，从而导致这一矛盾会更加突出；（3）利用不同的加扰序列对OFDM符号进行加权处理，从而选择PAR较小的OFDM信号来传输。
四、保护间隔与循环前缀——克服OFDM的干扰
应用OFDM的一个最主要的原因是它可以有效地对抗多径时延扩展。通过把输入的数据流串并变换到N个并行的子信道中，使得每个用于去调制子载波的数据符号周期可以扩大为原始数据符号周期的N倍，因此时延扩展与符号周期的比值也同样降低N倍。为了最大限度地消除符号间干扰，还可以在每个OFDM符号之间插入保护间隔（guard inerval），而且该保护间隔长度一般要大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即是一段空闲的传输时段。然而在这种情况中，由于多径传播的影响，则会产生信道间干扰（ICI），即子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰。为了消除由于多径所造成的ICI，OFDM符号需要在其保护间隔内填入循环前缀（CP）。循环前缀是将OFDM符号尾部的信号搬移到头部构成的，这样就可以保证有时延的OFDM信号在FFT周期内总是具有整数倍周期。这样，时延小于保护间隔的时延信号就不会在解调过程中产生ICI。
五、 多天线技术(MIMO)
多天线技术是移动通信领域中无线传输技术的重大突破。通常多径效应会引起衰落，因而被视为有害因素，然而，多天线技术却能将多径作为一个有利因素加以利用。MIMO (Multiple Input Multiple output ：多输入多输出)技术利用空间中的多径因素，在发送端和接收端采用多个天线，通过空时处理技术实现分集増益或复用増益，充分利用空间资源，提高频谱利用率。
为了满足LTE系统中高速数据传输速率和高系统容量方面的需求，LTE系统中MIMO技术主要包括：空间分集、 空间复用及波束成形3大类： （1）空间分集：采用多个收发天线的空间分集可以很好的对抗传输信道的衰落。空间分集分为发射分集、接收分集和接收发射分集三种。 （2）空间复用：空间复用的主要原理是利用空间信道的弱相关性，通过在多个相互独立的空间信道上传输不同的数据流，从而提高数据传输的峰值速率。LTE系统中空间复用技术包括：开环空间复用和闭环空间复用。开环空间复用：LTE系统支持基于多码字的空间复用传输。所谓多码字， 即用于空间复用传输的多层数据来自于多个不同的独立进行信道编码的数据流，每个码字可以独立地进行速率控制。闭环空间复用：即所谓的线性预编码技术。 （3）波束成形：MIMO中的波束成形方式与智能天线系统中的波束成形类似，在发射端将待发射数据矢量加权，形成某种方向图后到达接收端，接收端再对收到的信号进行上行波束成形，抑制噪声和干扰。与常规智能天线不同的是，原来的下行波束成形只针对一个天线，现在需要针对多个天线。通过下行波束成形，使得信号在用户方向上得到加强，通过上行波束成形，使得用户具有更强的抗干扰能力和抗噪能力。因此，和发射分集类似，可以利用额外的波束成形増益提高通信链路的可靠性，也可在同样可靠性下利用高阶调制提高数据率和频谱利用率。
FDD-LTE技术简介
