FDDTDD系统下HARQ机制和时序分析【毕业论文说明书】
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目录II目 录摘要 .Abstract.1 绪论 .11.1课题提出的意义 .11.2 课题的研究现状 .12 LTE简介 .32.1LTE性能及其特征 .32.2LTE关键技术介绍 .43 HARQ简介 .53.1HARQ技术简介 .53.2HARO技术基本类型 .63.3HARQ系统常用编码技术介绍 .93.4RCPC（穿孔卷积码）应用优点与现状 .94 TDD/FDD中上、下行 HAQR流程 .104.1 HARQ上下行 .104.1.1 上行 HARQ.104.1.2下行 HARQ .114.2时序分析 .124.3系统流程 .145系统仿真和验证 .155.1 HARQ机制仿真 .155.2分析 .216 总结 .22参考文献 .23致 谢 .24摘要IIIFDD/TDD 系统下 HARQ 机制和时序分析摘 要移动通信诞生以来，因其广泛的影响、快速的发展、庞大的规模而闻名于世。在当今以信息爆炸为主题的背景下，移动互联网通讯拥有着无与伦比的地位，同时也是通信范畴中关注度最高，发展前景无限光明的核心之一。当下，第四代移动通信系统，简称为 4G，以传输速率高、系统存储容量高、传输稳定性高等特点逐渐完成对市场战略的部署。由于信号的传输环境对移动通信的影响甚大，严重的影响了信号传输的质量，其中最为常见的有 multipath effect（多径效应），Doppler effect（多普勒效应），以及空间选择性效应等。HARQ 是提高传输可靠性的一项重要技术，用以对抗干扰和噪声的影响。如果没有 HARQ 混合请求重传机制，就不会有高质量，高速率的通信。本文首先介绍了 LTE 系统中 HARQ 的结构、原理；随后研究在 TDD 制式中上下行时隙的深度剖析；最后重点对 TDD 系统时序的设计及 HARQ性能利用仿真实现并加以验证。关键词：移动通信；第四代；3G；4G；LTE；HARQ；TDDAbstractIVHARQ mechanism and timing analysis in FDD/TDD systemAbstractSince the birth of mobile communication,it is well known by the extensive influence,the rapid development and the large scale. Mobile communication plays an irreplaceable role in the information society, and is also one of the most promising prospects in the field of communication. Currently the 4th Generation mobile communication,with the feature of high data rate,high capacity and high realibility,， has come into commercial practice. Due to the bad propagation environment,including multi-path effect,， Doppler effect and space-selective fading, etc., the transmission quality degrades. HARQ is an important technique to improve transmission reliability by combating interference and noise. HARQ is the key way to guarantee the communication with high quality and high data rate. The structure and principle of HARQ in LTE system are introduced firstly,and then how to set up the slot ration between uplink and downlink in the TDD mode is studied. At last,the design of TDD HARQ process and performance are evaluated by computer simulation.Key words: mobile communication；The fourth generation；3G ；4G；LTE；HARQ；TDD第 1 章 绪论01 绪论1.1 课题提出的意义移动通信技术在近几十年里以飞快的速度发展和完善，从 20世纪末期的模拟技术开始，经历了 2G和 3G技术的快速演进。为了满足数字多媒体通信的要求，LTE-TDD 担起了移动 4G部署的大梁，成为了中国普及率最高，信号覆盖最广的 LTE网络。 相信在不久的将来，下一代通信系统中将采纳更为先进的技术，给现在的人们提供无法想象的上网速度和通话质量。近年来，由于服务提供商对移动通信的业务增加，要求也越来越高，对标准的制定占据的比例愈发增高。并且运营商相当于产业链核心枢纽，作为各个终端之间的桥梁，进行终端与终端，终端与运营商，终端与生产商等的信息传输。3G 时代中，传统运营商纷纷转移目标，大力发展 4G移动通信，其中大多数 CDMA运营商都采用 LTE作为第 4代移动通的标准进行部署。如：美国Verizon Wireless、日本 KDDI、韩国 SK电讯和韩国电信（KTF）、加拿大 Bell和 Telus。LTE技术发展较晚，研究深度比较浅显，技术不够成熟，在 HSPA的速率明显不足，而美国达沃丰和 AR&T采用 LTE为主导和 WiMAX补充的相结合方案作为第四代移动通讯的标准。而在这几年中 LTE技术逐渐完善，但是 WiMAX的标准却不再进一步演进，LTE 逐渐一枝独秀，成为新一代通讯的唯一标准。综上所述，运营商对 4G的标准影响有着重要作用，再加上如爱立信、诺基亚等主流设备制造商的产品推进，目前 LTE已经事实上成为 4G的唯一标准。8年前中国移动、沃达丰和 Verizon合作进行 LTE-TDD的下一步研究，力挺 LTE-TDD，并且在中国部署 LTE-TDD最大的网络系统，彻底形成 LTE-TDD与 FDD两雄相争的局面，为以后双方共同进步打下坚实的基础。1.2 课题的研究现状上世纪七十年代中期到八十年代中期，以频分复用、模拟调制、蜂窝组网技术为核心的第一代移动通信系统基本形成，以美国贝尔实验室研制的 AMPS、英国的 TACS，北欧的 NMT、日本的 NAMTS为典型代表 1。伴随着用户对移动通讯业务需求逐渐增加，运移动通信商业化也随之演变，系统资源占用高、提供服务少、信号传输速度低、安全性差和系统架设成本高昂等一系列缺点逐渐显第 1 章 绪论1露出来，为了解决这些缺点，移动数字通信技术随之诞生，逐渐演变成为第二代移动通信系统。2G 同时被称为窄带数字通信系统，主要是采用蜂窝组网技术，依靠数字通信技术的支持一跃成为主流通讯技术。为其提供良好的语音通话业务和低速率数据传输。上世纪末，为了满足用户逐渐提高的业务需求，出现了以 GPRS和 CDMA为代表的 2.5G移动通讯系统，也就是人们常说的 3G网络。当下，第四代移动通讯系统的主流技术是 LTE-Advanced，它以优越的性能博得各大企业的青睐。信号传输也是采用介质或者无线电波进行传输，对信号的质量的影响尤为明显，当信号达到接收端以后，会出现无法解码等错误，造成数据传输的失败。为了减少误比特率，可采用各种方法来进行控制，以此减少信道传输特性对传输性能的影响。譬如可以采用各种信道编码或者提高发射功率的方法克服噪声的影响，采用自适应均衡的方法克服多径效应，采用交织的方法克服突发干扰2。在现代移动数字通信系统中，通常会在发送端对要发送的数据帧进行编码处理，这种方式可以有效的减少误码率，提高系统传输性能，称之为差错控制（error control）。一般的差错控制通常会子啊信号传输前为其添加上监督码元，也就是按照一定的规则的科学计算编码。当接收端接收到这段附加上监督码元的信号后，进行一段相同的计算，如果信号传输在出现错误，得到两次计算结果则不一样，接收端根据计算结果的不同，来判定是否反馈信息让发送端重传数据帧，来达到纠错的目的。编码涉及到的内容比较广泛，常见的差错控制编码的方法有线性码、汉明码、循环码、理德-索罗蒙码（RS 码）、BCH 码、卷积码等 3。本课题的研究是采用差错控制编码技术中的打孔卷积码的仿真分析，通过打孔卷积码的特性，打孔删余来模拟 HARQ的第一次传输，然后进行第二次传输余下的码块来研究 HARQ的机制对于整个移动通信系统信号传输性能的改善。第 2 章 LTE 简介22 LTE 简介2.1 LTE 性能及其特征伴随着移动通讯业务的飞速进步现有的二代、三代通信技术已经逐渐无法满足用户群渐渐增长的业务需求。用户的需求逐渐向无线移动通信转移，这对于移动通信的移动范围，传输质量以及有线网络的宽带化和 IP化提出了更高的要求，因此 ITU为满足用户的需求，对 IMT-Advanced有了更高的追求。WIMAX、LTE 和 UMB曾经是向 4G演进的主要标准；由于多种多样的原因，LTE 成为事实上 4G的唯一标准，其它两个标准的演进均已停止。 LTE（Long Term Evolution）同时定义了 LTE FDD和 LTE TDD两种方式，其中 LTE TDD由于采用非对称的频谱，在频谱资源日益稀缺的今天尤为重要，获得了较多运营商的关注。具体内容包括：峰值数据速率：在系统带宽 10MHz条件下，信道支持下行最大数据速率达到50Mbps、信道上行最大传输数据速率达到 25Mbps；频谱效率下行最高达到2.5bps/Hz、上行最高达到 1.25bps/Hz；提高小区边缘传输速率 4。控制面：从空闲状态到激活状态时延低于 50ms；系统支持每个小区接入大量激活状态用户，在 5MHz带宽下，小区支持至少 200个用户同时处于激活状态；在提供更高系统带宽条件下，小区支持至少 400个用户同时处于激活状态；并且支持大量用户处于驻留和空闲状态 5。覆盖：信号塔覆盖 5公里范围内，前文中定义的需求应全部支持；信号塔覆盖半径 30公里内，允许有一定程度的降低，但必须满足基本业务需求。增强型 MBMS （Multimedia Broadcast Multicast Service）为了降低终端设备（接收端）复杂程度，应和单波操作采用相同的调制、编码和多址接入方法；同时支持语音和 MBMS服务；同时支持数据和 MBMS服务；支持频谱非对称使用的非对称 MBMS操作 6。与 3GPP中 RAT（radio access technology）共存与互操作：演进的 UTMS陆地无线接入网终端支持 UTRAN和 GERAN测量操作；演进的 UTMS陆地无线接入网和 UTMS陆地无线接入网即时业务切换等待时长低于 300ms，非即时业第 2 章 LTE 简介3务切换中断等待时长按需求应低于 500ms；而 E-UTRAN和 GERAN实时业务切换时延则需要低于 300ms。系统架构：按需求应支持单一 E-UTRAN（演进的 UTMS陆地无线接入网）体系结构；支持针对每个用户的即时数据业务和通话请求；一定程度上避免单个用户请求失败；支持 RNL（Radio Network Layer）和 TNL（Transport Network Layer）交互；支持端到端的 QoS（Quality of Service），支持多因素综合计量 QoS；降低延迟。总体要求：改良反馈信息或者数据回传、简化 E-UTRAN结构的复杂度、多接口并发、优化降低 UE复杂度、有效的降低 OAM&P的成本；支持多种多样的数据需求业务如上网、FTP（File Transfer Protocol）、VoIP（Voice over Internet protocol）、网络视频等。2.2 LTE 关键技术介绍3GPP在召开 LTE标准制定会议将多种先进的技术列入其中，目的低时延、高速传输效率、减少传输错误，提高系统吞吐量、增大信号的覆盖范围和降低成产和使用成本等需求。这些技术包括：（1）传输与多址接入技术：LTE 系统物理层下行链路传输和下行多址接入技术采用正交频分多址技术（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）。而为了降低上行峰均比，物理层上行链路传输和上行多址接入技术采用 SC-FDMA（Single Carrier-Frequency Division Multiple Access）。（2）MIMO 技术：LTE 支持下行 2I、22、42、44 和上行 1、2 的MIMO。LTE 采用 Space Frequency Block Code发射分集、Bell Labs Layered Space-Time空间复用、预编码技术、SU-MIMO（single-user MIMO）、MU-MIMO（Multi-User MIMO）、波束成形等 MIMO技术。（3）工作模式：LTE 支持 FDD、TDD 和半双工 FDD模式。（4）编码与调制：LTE 中使用 convolutional code（卷积）码和 Turbo码等调制解调编码技术；Turbo 码因为具有更好纠错能力，接近于 shannon极限而且实现复杂度较低，所以被广泛的使用在上下行共享信道上。而卷积码以串形式进行传输可以达到性能最优，时延较小，所以更加合适使用在上下行控制信道上；支持 Binary Phase Shift Keying（二进制相移键控）、Quadrature Phase Shift Keyin（正交相移键控）、16QAM 和 64QAM调制方式，采用的 AMC技术，实现链路自行根据不同的环境以及传输特性进行相应的调制编码。（5）技术：4G 移动数字通讯采用的是混合自动请求重传（HARQ）差错控制第 2 章 LTE 简介4方法，提高数据传输的可靠性。HARQ 技术是前向纠错码（Forward Error Correction，FEC）和自动请求重传（Automatic Repeat Request，ARQ）技术结合所诞生的。LTE 采用两层重传机制来达到更优性能的系统自动纠错，即控制链路层（RLC）的 ARQ技术和介质访问控制（MAC）层的 HARQ技术，来实现对通信传输更高的性能要求。第 3 章 HARQ 简介53 HARQ 简介3.1 HARQ 技术简介差错控制系统经过前几代移动通信的发展，自动重传请求（ARQ）技术日渐成熟，并被使用在多代通信系统中；前向纠错码（FEC）更是主流的纠错技术，一直被各大运营商所喜爱，采用各种形式手段去降低传输信道的时时变化性和多径衰落造成的误码率，提高移动通信系统对信号数据的吞吐量，保证数据传输的稳定性以及可靠性，最主要的使用为用户提供高质量的数据业
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