LTE系统中上下行同步设计和实现【毕业论文说明书】
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目录目 录摘 要 .IIIAbstract .IV1 绪 论 .11.1 研究背景 .11.2 LTE 的关键技术和标准化 .11.2.1 LTE 关键技术 .11.2.2 LTE 标准化 .21.3 LTE 同步技术研究现状 .21.4 研究内容 .32 OFDM 系统 .42.1 OFDM 基本原理 .42.2 循环前缀与子载波间隔 .42.3 OFDM 同步误差的影响 .43 LTE 系统下行同步 .63.1 下行链路基本概念 .63.1.1 下行链路帧结构 .63.1.2 下行物理信号 .63.2 LTE 下行同步过程 .83.3 算法检测 .103.3.1 PSS 检测 .103.3.2 SSS 检测 .114 LTE 中的上行同步 .124.1 上行随机接入过程 .124.2 ZC 序列 .124.3 LTE 上行同步流程 .134.4 LTE 中的上行定时提前 .144.5 上行同步前导序列 .15目录I5 系统模拟与仿真 .175.1 MATLAB 简介 .175.2 系统设计与结果分析 .175.2.1 下行同步 .175.2.2 上行同步 .20总 结 .23参考文献 .24致 谢 .25附 录 .26摘要IILTE 系统中上下行同步设计和实现摘 要由于人们对数据传输速率的需求越来越高，第三代合作伙伴计划(3GPP)设计了通用移动通信系统的长期演进( LTE)标准。在目前情况来看，LTE 会是主流的宽带移动通信技术。LTE 采用了以正交频分复用 (OFDM)为基础的多址接入技术， OFDM 对时间和频率偏移十分敏感，所以精准的同步对该系统来说是极其重要的。上行同步技术和下行同步技术是移动通信系统的一个重要环节，文章主要研究 LTE上行链路和下行链路同步的原理并且通过仿真来实现上下行同步。首先介绍了 LTE 通信技术的相关概念，然后概述了 OFDM 的系统模型，阐述了在 LTE 中获得普遍应用的Zadoff-Chu 序列的性质，分析了时间和频率误差对系统性能的影响。最后对上下行同步的原理以及实现进行详细的叙述，下行同步是通过 PSS 的互相关特性计算得到频域信道估计值并用它作 SSS 的相干检测。上行同步则涉及在 PRACH 信道中提取时间提前量。本文主要使用 MATLAB 来搭建仿真环境并进行仿真从而实现上下行同步过程。关键词：移动通信；正交频分复用；LTE；MATLABAbstractIIIDesign and implementation of uplink and downlink synchronization in LTE systemAbstractIn order to meet the growing demand for data transmission rate, the third Generation Partner Program (3GPP) has designed the long-term evolution (LTE) standard of the universal mobile communication system. At present, LTE will be the mainstream of broadband mobile communication technology. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is employed by LTE as the basis of multiple access technology. OFDM is very sensitive to time and frequency offset, and thus the precise synchronization is very important for the system.The uplink and downlink synchronization are important in the mobile communication system. The theory and process of LTE uplink and downlink synchronization are studied in this paper. By summarizing the system model of OFDM, expounding the feature of the widely used Zadoff-Chu sequence and analyzing the influence of time and frequency error on system performance. At last, the principle and implementation of the synchronization of uplink and downlink are described in detail. The downlink synchronization use the correlation characteristic of PSS to calculate the channel estimation in frequency domain, and it is used as the coherent detection of SSS. The uplink synchronization involves in the extraction of time advance from PRACH. MATLAB is employed for system simulation and both the uplink and downlink synchronization process are realized.Key words：Mobile communication; OFDM; LTE; MATLAB第 1 章 绪论01 绪 论1.1 研究背景在过去的二十年，全球移动通讯系统（GSM，Global System for Mobile communication）和第三代移动通信技术（ 3G，3rd-Generation）等移动网络得到广泛应用1。 3G 业务使得人们的生活有了许多改变，然而用户和运营商的需求越来越多，当前 3G系统无法满足需求，因此越来越关注作为从 3G 向 4G 演进的主流技术的下一代演进技术（LTE ，Long Term Evolution） 2。LTE 主要有以下的性能指标 3-4：1） 在 20MHz 带宽下提供高峰值数据传输速率；2） 提高系统容量和覆盖扩展，提升小区边缘用户的 QoS（Quality of Service，服务质量）；3） 降低系统的延迟（用户平台和控制平台之间的延迟）；4） 节约成本；5） 支持成对或者非成对频谱以及可变带宽操作。为了达到上面的性能要求，LTE 采用了一系列全新的网络结构和空中接口技术。3GPP 标准化组织通过讨论，在 2004 年多伦多会议上正式启动 LTE 技术，并且授权采用以 OFDM （正交频分复用技术） 5和 MIMO（多入多出技术方案） 6作为其关键技术，同时确定其接入网架构采用扁平网络的结构。LTE 系统摈弃了 3G 网络中两个网元的结构，只采用一个网元，即取消 NodeB 和 RNC 结构转变为只有 eNodeB 的结构。LTE 技术的发展给运营商带来了巨大的发展机遇，LTE 网络较 3G 网络，显著地提高网络传输能力，极大地减少传输的成本，同时也实现无线通信的宽带化。总而言之，LTE 技术使得用户体验的质量得到了极大的提高，在科研领域改革了新技术，给运营商节约成本，从而巩固了其在蜂窝移动技术方面的主导地位。1.2 LTE 的关键技术和标准化1.2.1 LTE 关键技术2004 年，3GPP 组织提出了 LTE，即长期演进技术，被视为从 3G 向 4G 演进的主流技术 7。LTE 关键技术中包括了 OFDM，MIMO，turbo 编码和动态链路自适应技术等相关技术。OFDM8是一种多载波传输方案。它将信道在频域上分割成许多个正交的子信道，将信息调制到每个子载波上进行传输，这样以高速传输的数据信号就被分为多个以低速的子数据流并行的形式进行传输。当在两个子载波频率间隔足够小时，OFDM 传送可表现为一个频率选择性衰落信道，如同多个窄带平坦衰落子信道的结合。这使 OFDM 能够成第 1 章 绪论1为一个直观途径，通过发送已知数据和参考信号评估传输信道频率响应。OFDM 的各个子载波频谱波形相互重叠在一起，OFDM 接收端能够根据正交性进行信号区分，从而提高了频谱效率。OFDM 多载波传输 9的一个缺点就是瞬态发送功率的大范围波动。瞬态发送功率的大范围波动对功率放大器产生影响从而使终端和基站功率消耗负担较高。因此在 OFDM 基础引入 SC-FDM 用在上行链路传送。它正常和标准的 OFDM 系统进行集成配置，并使用离散傅里叶变换预编码。多输入多输出技术 10是 LTE 标准中的核心技术，它提高了总数据速率并提升通信链路的可靠性。应用于 LTE 标准的 MIMO 算法可分为 4 类：接收分集，发送分集，波束形成和空域复用。LTE 标准在下行链路协议中提供了 4 径天线多路传送配置，LTE-Advance在下行链路允许使用最多 8 径发送天线。链路自适应 11是指一种可以调整和适应移动通信系统传输参数来响应通信信道的动态性的技术。根据信道质量不同，我们可以使用不同的调制和编码技术，调整几个发送或接受天线，甚至调整传输带宽。1.2.2 LTE 标准化LTE 和 LTE-Advanced 标准由 3GPP 开发。LTE 标准化工作从 2004 年开始并最终产生大规模移动网络架构重建。经过四年研究，LTE 标准化工作最终在 2008 年完成版本 8，之后又演进为 R9 版和 R10 版，也就是 LTE-Advanced 标准 12。LTE-Advanced 的进步表现在频谱效率、峰值数据速率和用户体验方面。1.3 LTE 同步技术研究现状在一个 LTE 小区中，用户终端(UE) 与基站联系时首先要进行时频同步，一般先进行下行链路同步，再进行上行同步。用户终端在开机后根据自己的位置选择合适的小区，然后通过小区接入到 LTE 网络，并且和 eNodeB 基站建立同步，主要包括时域同步和频域同步。在下行链路中，基站eNodeB 同步地向各个移动终端进行发信号的动作，移动终端也同步接收来自基站eNodeB 的信号。在上行链路中，由于受到外界的影响，比如用户终端的位置等从而发生传输延迟的问题，这样就会导致不同终端发送的信号不能同时到达基站 eNodeB，进一步会导致各个子载波的正交性受到影响，为了保证子载波间的正交性，就需要采取相对应的方法使得不同移动终端的信号通过一定时间的调整最终一起到达基站。这时候分配给终端的子载波上的信息就可以用来估计各个移动终端的时频偏移，然后基站对这些偏移进行估计，将估计的值发送到移动终端，各个移动终端通过这些估计值进行同步调整，最终保证不同的用户终端发送的信号能够同时到达基站。UE 通过检测 eNode B 同步信号得到频偏估计，然后可得到下行链路帧结构，之后 UE反馈随机信号，eNode B 检测出 PRACH，就可估计 UE 的定时提前量。第 1 章 绪论2在进行对同步信号和参考信号的研究时，一些学者提出了一种定时同步算法，这种算法主要是基于 ZC 序列 13，通过 ZC 序列的时域全相关性，将主同步序列中的 ZC 序列与已知序列进行计算，由相关峰值确定定时同步。1.4 研究内容本文主要是对 LTE 系统中下行链路同步和上行链路同步过程进行研究。根据 LTE 中下行和上行同步的基本原理，了解 LTE 系统中终端接入网络的具体过程。研究移动通信同步实现过程中下行主/从同步与终端下行同步，以及掌握上行时间提前量调整的时序等，并对其使用 MATLAB 建模并仿真。第 2 章 OFDM 系统32 OFDM 系统2.1 OFDM 基本原理OFDM 即正交频分复用技术，主要是一种采用多载波调制解调的方法，它是将传输的信号调制在多个并行的正交子载波上传输。子载波的正交性提高了带宽利用率和系统容量。信号的串并变换使得每个子载波中的符号周期变长，无线信道多径时延扩展引起的码间干扰减少。OFDM 引入了保护间隔来避免信道间的互相干扰，即当保护间隔的长度大于最大多径时延的长度的时候，就可规避信道间干扰 14。在 OFDM 系统中，符号周期为 T，频域子载波的频率间隔为 ， ，这些子载波之间相互正交，并且在调制fT/1和解调的时候使用快速傅里叶变化的方式，来实现快速计算。由于 OFDM 的关键就是采用正交的子载波，所以对子载波的正交性要求非常高，对于时间和频率的偏移，这些因素对它的性能方面影响非常大。OFDM 的系统框图如图 2.1。LTE 系统中由于上行和下行链路的需求不同，所以采用的技术也不相同，在下行链路采用的是 OFDMA 技术，而在上行链路采用的是 SC-FDMA 技术 15。S/PTx QAW/PSK 子 载 波 映 射 IDFT/IFFT P/S CP插 入 D/A多 径 信 道S/PRx 解 映 射 子 载 波 映 射 DFT/FFT S/P CP去 除 A/Dn(t)OFDM反 OFDM图 2.1 OFDM 的系统框图2.2 循环前缀与子载波间隔插入循环前缀在 OFDM 信号生成过程非常重要 16，因为循环前缀可以非常有效的防止前一个 OFDM 信号发送过程中对目前发送信号带来的干扰。它能确保接收端子载波的正交性这一正交频分传输的基础条件。LTE 标准包括三个不同的循环前缀值：普通（4.7us)、对间隔 15kHz 子载波的扩展（ 16.6us)和对间隔 7.5kHz 子载波的扩展（33us ）。比较小的子载波频率间隔可以确保每一个子载波的衰落是非频率选择性的。但是，当子载波间隔减
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