（信号与信息处理专业论文）tdlte系统上行mimo技术研究.pdf

北京邮电大学硕士学位论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名： 本人承担一切相关责任。 日期：四! ：! ：i 皇 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布 学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释： 本学位论文不属 本人签名： 导师签名： 权书。 日期：圆受：! 蔓 日期：汪进乒塔一 北京邮电大学硕士学位论文 中文摘要 t d l t e 系统上行m i m o 技术研究 摘 无线通信系统中的多输入多输出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ， m i m o ) 技术，是指利用多根发射天线和接收天线进行无线传输的技 术。随着无线承载业务的多样化，频谱资源越来越稀缺，如何在有限 的频率资源上，实现更高的频谱利用率，成为迫在眉睫的需求。m i m o 技术是未来移动通信系统在有限的频谱范围内实现更高的数据传输 速率、提高数据传输质量的重要途径。 在已经确定的l t e 标准中，下行链路采用了m i m o 技术，随着 各厂商的大力推进，下行m i m o 技术已经相对比较成熟。虽然用户 终端有多根天线，但考虑到功放限制，这多根天线只能接收信号，进 行上行链路传输时，只采用其中一根天线发射信号，即上行是单发多 收( s i m o ) 系统。随着移动互联网时代的到来及无线应用的爆发式 增长，对无线网络的上行传输速率和质量要求越来越高。在向 l t e a d v a n c e d 标准演进过程中，上行m i m o 技术也成为3 g p p 会议 讨论的重要内容之一。 本文对目前上行m i m o 链路可能采用的技术方案进行研究评估， 内容可以分为两大部分：空间分集和空间复用。 关于空间分集主要研究了l t e 下行链路所采用的一些开环 北京邮电大学硕士学位论文 中文摘要 m i m o 分集方案，如空时编码( s t b c ) 、空频编码( s f b c ) 、循环延 时分集( c d d ) 等。将这些方案在移植到上行链路时，有几个需要注 意的问题：( 1 ) 对上行信号单载波特性的影响；( 2 ) 带来的分集增益 或性能改善有多大。本文对这些分集方案做了定性分析，并提出了2 天线下的a l a m o u t i 和4 天线下的m d c 发射分集方案，做了定量分析， 将其与单天线发射进行性能对比。 关于空间复用主要研究了闭环预编码技术，分为基于码本的预编 码和基于非码本的预编码两个部分。基于码本的预编码，首先分析了 上行码本设计的原则，研究了根据码本设计原则需要注意的事项，结 合l t e 下行码本提出了新的码本，并将其与下行码本性能做了比较 分析，最终得出了适合上行链路的2 天线码本和4 天线部分码本。基 于非码本的预编码，尤其适用于满足信道互易性的t d d 系统。通过 仿真评估，基于非码本的预编码性能略好于基于码本的预编码，但基 于非码本的预编码仍面临许多实际问题，有待进一步研究。 此外，本文将链路自适应技术引入到上行链路，与上行预编码结 合使用，研究了白适应机制对上行链路的性能改善作用。 关键词l t em i m o 上行发射分集预编码 u p l i n km i m ot e c h n o l o g y f o rt d l t es y s t e m a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fm u l t i p l e i n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m i m e ) f o r w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，r e f e r st ot h eu s eo f m u l t i p l et r a n s m i ta n dr e c e i v e a n t e n n a sf o rw i r e l e s st r a n s m i s s i o n w i t ht h ed i v e r s i t yo fr a d i ob e a r e r s e r v i c e s ，r a d i os p e c t r u mi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es c a r c e h o wt o a c h i e v eh i g h e rs p e c t r a le f f i c i e n c yw i t hli m i t e dr a d i of r e q u e n c yr e s o u r c e ， h a sb e e nu r g e n tc u r r e n t l y m i m ei sj u s tak e yt e c h n o l o g yt oe n h a n c e d a t a t r a n s m i s s i o nr a t ea n dq u a l i t yf o rf u r o r em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i nt h el t es t a n d a r dw h i c hh a sb e e n a g r e e da n de s t a b l i s h e d ， d o w n l i n kh a sa d o p t e dm i m e t e c h n o l o g y , a n da sl o t so fv e n d o r ss t r i v et o p r o m o t et h es t a n d a r d ，d o w n l i n km i m eh a sb e c o m er e l a t i v e l ym a t u r e a l t h o u g hu s e rt e r m i n a lm a yh a v em o r et h a no n ea n t e n n a , o n l yo n e a n t e n n ac a nb eu s e dt ot r a n s m i tu p l i n ks i g n a lc o n s i d e r i n gp a c o n s t r a i n t s ， w h i l em u l t i p l ea n t e n n a sa r eu s e df o rd o w n l i n kr e c e p t i o n i no t h e r w o r d s ， u p l i n ki sas i m oa r c h i t e c t u r e w i t ht h ea r r i v a lo f m o b i l ei n t e m e te r aa i l d e x p l o s i v eg r o w t ho fw i r e l e s sa p p l i c a t i o n s ，i tr e q u i r e su p l i r & t op r o v i d e m u c hh i g h e rd a t at r a n s m i s s i o nr a t ea n db e t t e rs e r v i c eq u a l i t yi n c r e a s i n g l y i nw i r e l e s sn e t w o r k i nt h ee v o l u t i o no fl t et o w a r d sl t e a d v a n c e d ， u p l i n km i m o b e c o m e sa ni m p o r t a n tp a r tt ob ed i s c u s s e di nt h e3 g p p m e e t i n g s i nt h i sp a p e r , p o s s i b l eu p l i n km i m os c h e m e sw h i c hm i g h tb c i n v o l v e dw e r es t u d i e d t h ec o n t e n ti n c l u d e st w op a r t s ：s p a t i a ld i v e r s i t y a n ds p a t i a lm u l t i p l e x i n g a st os p a t i a ld i v e r s i t y , s o m eo p e n l o o pm i m od i v e r s i t ys c h e m e s u s e di nd o w n l i n kw e r ed i s c u s s e d ，s u c ha ss p a c et i m eb l o c kc o d i n g ( s t b c ) ，s p a c ef r e q u e n c yb l o c kc o d i n g ( s f b c ) ，c y c l i cd e l a yd i v e r s i t y ( c d d ) ，e t c w h e nt h e s es c h e m e s a r et r a n s p l a n t e dt ou p l i n k ，s o m ei s s u e s s h o u l db en o t e d ：( 1 ) i n f l u e n c eo nt h es i n g l e - c a r r i e rp r o p e r t yo fu p l i n k s i g n a l ，( 2 ) h o w a b o u tt h ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t t h i sp a p e rh a sd o n e s o m eq u a l i t a t i v ea n a l y s i sa b o u tt h e s ed i v e r s i t ys c h e m e s ，a n da l s o ， p r o p o s e da l a m o u t id i v e r s i t ys c h e m e u n d e r2t r a n s m i ta n t e n n a sa n dm d c d i v e r s i t ys c h e m eu n d e r4t r a n s m i ta n t e n n a s ，a n dh a sd o n eq u a n t i t a t i v e a n a l y s i sa b o u tt h e ma l o n gw i t hap e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nw i t hs i m o t r a n s m i s s i o nm o d e t h e p a r t o fs p a t i a l m u l t i p l e x i n gm a i n l y s t u d i e d c l o s e d - l o o p p r e c o d i n gt e c h n o l o g y , w h i c hc o u l d b ed i v i d e di n t ot w ok i n d so fo p e r m i o n i nd e t a i l ：c o d e b o o kb a s e dp r e c o d i n ga n dn o n - e o d e b o o kb a s e dp r e c o d i n g a b o u tc o d e b o o kb a s e dp r e c o d i n g ，w ea n a l y z e dd e s i g np r i n c i p l ef o r u p l i n kc o d e b o o kf i r s t , a n dt h e nd i s c u s s e ds o m ei s s u e sw h i c hs h o u l db e n o t e d ，f i n a l l yp r o p o s e dan e wc o d e b o o ka p p r o p r i a t ef o ru p l i n ko nt h e b a s i so fd o w n l i n kc o d e b o o k t h r o u g hp e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nw i t h d o w n l i n kc o d e b o o k ，w eg a v eac o d e b o o kf o r2 - a n t e n n as c e n a r i oa n da p a r to fc o d e b o o kf o r4 - a n t e n n as c e n a r i of i n a l l y n o n - e o d e b o o kb a s e d p r e c o d i n g i s e s p e c i a l l ya p p l i c a b l e t ot d d s y s t e m w i t hc h a n n e l r e c i p r o c i t y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tn o n c o d e b o o kb a s e dp r e c o d i n g p e r f o r m sab i tb e t t e rt h a nc o d e b o o kb a s e dp r e c o d i n g h o w e v e r , t h e r ea r e s t i l lm a n yp r a c t i c a lp r o b l e m sw h e nn o n - c o d e b o o kb a s e dp r e c o d i n gi s a p p l i e d i n a d d i t i o n ，l i n ka d a p t i o nt e c h n o l o g yw a si n t r o d u c e dt ou p l i n k ， i n t e g r a t e dw i t hu p l i n kp r e c o d i n g ，t os e eh o wa d a p t i v em e c h a n i s mc a n i m p r o v el i n kp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：l t e ，m i m o ，u p l i n k ，t r a n s m i td i v e r s i t y , p r e c o d i n g 北京邮电大学硕士学位论文 目录 目录 第一章绪论l 1 1 课题研究背景，l 1 2 论文结构及内容安排2 第二章m i m o 系统简介一4 2 1 m i m o 系统模型5 2 2 发射分集6 2 3 空间复用6 第三章上行链路物理层关键技术8 3 1 帧结构8 3 2 上行多址接入s c f d m a 1 0 3 2 1 s c f d m a 基本原理l o 3 2 2 s c f d m a 平台下接收s n r 计算1 2 3 3 上行链路自适应技术1 9 3 4 上行m i m o 的特殊性1 9 3 4 1 l i e 的物理结构及功耗问题2 0 3 4 2 上行s u m i m o 的几种模式2 0 第四章上行发射分集技术2 2 4 1 需要考虑的问题2 2 4 2 2 天线上行发射分集2 2 4 2 1 循环延时分集( c d d ) 一2 3 4 2 2 频率切换发射分集( f s t d ) 2 3 4 2 3 空时块码发射分集( s t b c 2 4 4 2 4 向量切换预编码( p v s ) 2 4 4 3 4 天线上行发射分集2 5 4 3 1 s t b c - c d d 2 5 4 3 2 s t b c f s t d 一2 6 4 3 3 m d c 2 8 4 4 方案比较3 0 4 5 本章小结3 3 第五章上行预编码技术3 4 5 1 m i m o 预编码简介3 4 5 2 基于码本的预编码3 6 5 2 1 总体设计原则3 7 5 2 2 码本设计3 8 5 2 3 预编码矩阵选择4 5 5 2 4 性能仿真分析4 7 5 3 基于非码本的预编码5 3 5 3 1 t d d 系统的信道互易性一5 3 5 3 2 基于s v d 分解的预编码5 5 5 4 接收端处理5 7 北京邮电大学硕士学位论文 目录 5 4 1实际信道估计5 7 5 4 2m m s e 均衡6 l 5 5 闭环自适应传输机制6 2 5 5 1 自适应编码调制a m c 6 2 5 5 2 r a n k 自适应传输6 2 5 5 3 混合自动重传h a r q 6 3 5 5 4 性能仿真分析6 3 5 6 本章小结6 7 第六章结论与展望6 8 参考文献6 9 致谢7 2 攻读硕士学位期间发表的学术论文7 3 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 l t e 系统虽然是3 g 系统的演进版本，但从技术角度讲实则是革新其采用 的两大关键技术就是o f d m 1 】和m i m o 2 1 。 o f d m 技术是l t e 系统的技术基础，o f d m 系统参数设定对整个系统的性 能会产生决定性的影响，其中载波间隔又是o f d m 系统的最基本参数，经过理 论分析与仿真比较最终确定为1 5 k h z 。上下行的最小资源块为3 7 5 k h z ，也就是 2 5 个子载波宽度，数据到资源块的映射方式可采用集中( 1 0 c a l i z e d ) 方式或离散 ( d i s t r i b u t e d ) 方式。循环前缀c y c l i cp r e f i x ( c p ) 的长度决定了o f d m 系统的 抗多径能力和覆盖能力。长c p 利于克服多径干扰，支持大范围覆盖，但系统开 销也会相应增加，导致数据传输能力下降。为了达到小区半径1 0 0 k m 的覆盖要 求，l t e 系统采用长短两套循环前缀方案，根据具体场景进行选择：短c p 方案 为基本选项，长c p 方案用于支持l t e 大范围小区覆盖和多小区广播业务。 m i m o 作为提高系统输率的最主要手段，也受到了各方代表的广泛关注。 l t e 己确定m i m o 天线个数的基本配置是下行2x2 、上行l 2 ，但在最新的l t e 标准演进过程中，也在考虑下行4 x 4 、上行2 2 的高阶天线配置【3 1 。另外，l t e 也正在考虑采用小区干扰抑制技术来改善小区边缘的数据速率和系统容量。下行 方向m i m o 方案相对较多，根据2 0 0 6 年3 月雅典会议报告，l t em i m o 下行方 案可分为两大类：发射分集和空间复用两大类。目前，考虑采用的发射分集方案 包括空时频块码发射分集( s t b c ，s f b c ) ，时间( 频率) 切换发射分集( t s t d ， f s l d ) ，包括循环延迟分集( c d d ) 在内的延迟分集( 作为广播信道的基本方案) ， 基于预编码向量选择的预编码技术。其中预编码技术己被确定为多用户m i m o 场景的传送方案。 上行链路高峰值传送输率是l t e 向l t e a d v a n c e d 演进过程中需要解决的主 要问题之一。同时，l t e 上行方向关注的首要问题是控制峰均比，降低终端成本 及功耗，目前主要考虑采用位移b p s k 和频域滤波两种方案进一步降低上行 s c - f d m a 的峰均比。因此，本文的选题就是考虑可行的上行m i m o 传输方案。 另一方面，从资源利用的角度看，频段资源是无线通信中最宝贵的资源，在 这一领域t d d 技术具有极大优势。f d d 双工方式占用了大量的频段资源，同时， 一些零散频谱资源由于不能使用而闲置，造成了频谱浪费。丽t d l t e 系统无需 成对的频率，可以方便地配置在f d d 系统所不易使用的零散频段上，具有一定 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 的频谱灵活性，能有效提高频谱利用率。 t d l t e 系统具有上下行信道一致性，基站的接收和发送可以共用部分射频 单元，降低了设备成本；接收上下行数据时，不需要收发隔离器，只需一个开关 即可，降低了设备的复杂度。在t d dl t e 系统中，上下行链路使用相同频率， 具有上下行信道互易性，能够更好地采用传输预处理技术，如预编码技术、联合 传输技术、智能天线技术等，能有效地降低移动终端的处理复杂性。例如，在使 用赋形算法时，上下行链路可以使用相同的权值，而f d d 系统上下行链路权值 无法复用。因而，t d dl t e 系统能有效地降低移动终端的处理复杂性。 2 0 0 7 年1 1 月，3 g p pr a n l 会议通过了2 7 家公司联署的l t et d d 融合帧 结构的建议，统一了l t et d d 的两种帧结构。融合后的l t et d d 帧结构是以 t d s c d m a 的帧结构为基础的，这就为t d s c d m a 成功演进到l t e 乃至4 g 标准奠定了基础。t d d 帧结构的融合使更多的厂商参与到t d d 的标准化进程中， l t et d d 技术受到了广泛的重视，其产业化进程也有了显著的发展。 在这种发展大背景下，本文着重探讨t d l t e 系统的上行m i m o 传输技术。 1 2 论文结构及内容安排 本论文的主要研究内容是：根据l t e a d v a n c e d 标准化对上行峰值速率的要 求，尝试在上行链路中采用单用户m i m o 技术，分别对上行发射分集方案、基 于预编码的上行空间复用方案进行了设计和仿真。 第一章介绍课题的研究背景，l t e l t e a 物理层标准化现状和进展，以及 m i m o 技术在其中的应用。 第二章专门对m i m o 系统进行了简单介绍，包括m i m o 系统通用模型和基 本原理、典型的发射分集技术和空间复用技术。 第三章针对上行链路物理层技术的几个关键点展开说明。首先对物理层帧结 构做了全面介绍，本文注重研究t d d 模式下的上行m i m o 技术，因而引入了 t d d 模式下特有的帧结构。另外，上行多址接入技术已经选定为s c - f d m a ，本 章详细阐述了s c - f d m a 多址接入方式原理，并对s c - f d m a 平台下接收s n r 的计算进行了详细推导，以此作为搭建仿真平台的基础。最后，分析了上行m i m o 需要考虑的特殊因素。 第四章主要研究上行发射分集技术。分别研究了2 根发射天线和4 根发射天 线下可能会采用的发射分集方案，提出了2 天线下的a l a m o u t i 空时编码方案和4 天线下的m d c 方案，并对其进行了仿真评估。 第五章是整篇论文的重点部分，集中讨论了基于预编码的空分复用技术。其 中预编码主要分为两大类：基于码本和基于非码本的预编码。基于码本的预编码， 2 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 将r e l 8 下行码本与l t e - a 上行链路已经确定的部分码本进行了性能对比；基于 非码本的预编码，是在满足信道互易性条件下采用的方案，通过对信道矩阵进行 s v d 分解获得预编码矩阵。同时，对基于码本和非码本的预编码进行了性能比 较。此外，链路自适应技术对链路性能也有一定影响，本章最后一节也对此进行 了仿真评估。 第六章总结本文所作的工作，并提出有待进一步研究的问题。 北京邮电大学硕士学位论文 第二章m i m o 系统简介 第二章m i m o 系统简介 随着无线通信的发展，对更高网络容量和更高无线网络性能的需求是不变 的。多输入多输出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 系统能极大地改善 频谱效率，因此m i m o 将在很多未来的无线通信系统中扮演重要角色。本章将 概述m i m o 传输的原理和在标准化中的应用。 为了满足3 g p p 长期演进( l o n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) 在高数据率和高系 统容量方面的需求【4 1 ，l t e 系统支持下行应用m i m o 技术，包括传输分集 ( t r a n s m i td i v e r s i t y ，t x d ) ，波束赋形( b e a m f o r m i n g ，b f ) 以及空间复用( s p a t i a l m u l t i p l e x i n g ，s m ) 。在l t e 中应用m i m o 技术的下行基本天线配置为2 2 ，即 2 天线发送和2 天线接收，最大支持4 天线进行下行方向四层传输p l 。 传输分集的主要原理是利用空间信道的弱相关性，结合时间频率上的选择 性，为信号的传递提供更多的副本，提高信号传输的可靠性，从而改善接收信号 的信噪比。l t e 中传输分集技术的候选技术很多，比如空时编码( s p a c e - t i m e c o d e ，s t c ) ，循环延迟分集( c y c l i cd e l a yd i v e r s i t y ，c d d ) 以及天线切换分集 ( t r a n s m i ta n t e n n as w i t c h ，t a s ) 技术等。 波束赋形技术是一种应用于小间距天线阵列的多天线传输技术，其主要原理 是利用空间信道的强相关性，利用波的干涉原理产生强方向性的辐射方向图，使 得辐射方向图的主瓣自适应地指向用户来波方向，从而提高信噪比，提高系统容 量或者覆盖范围。 空间复用技术则是一种利用空间信道的弱相关性的技术，其主要工作原理是 通过在不同天线发射相互独立的信号实现空间复用，如b l a s t t 6 算法，从而提 高数据传输的峰值速率。 这三种技术对空间信道的要求不同，因而其应用的场景也有所不同。典型的 信道容量曲线在低信噪比区域的斜率比较大，应用传输分集技术和波束赋形技术 可以有效地提高接收信号的信噪比，从而提高传输速率或者覆盖范围，而在高信 噪比区域，容量曲线接近平坦，再提高信噪比也无法明显改善传输速率，此时就 可以利用空间复用技术来提高传输速率。 根据链路是否存在反馈，可以将m i m o 系统划分为开环m i m o 系统和闭环 m i m o 系统。链路发射端不需要信道信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，c s i ) ，称 之为开环m i m o 系统。在信道变化较慢的场合，如大城市的室内环境和游牧式 的接入服务，闭环m i m o 系统能够进一步提升系统性能。闭环m i m o 系统是接 收端将信道信息反馈给发射端，然后对传输数据进行预编码、波束成型或者天线 选择等操作。闭环m i m o 的反馈方式又可以分为全反馈和部分反馈 7 1 等。全反馈 4 北京邮电大学硕士学位论文第二章m i m o 系统简介 是将全部信道信息反馈给发射端，由于反馈链路要占用系统开销，在实际系统中， 一般都采用部分反馈技术。例如反馈信道的统计特征值、s v d 8 1 分解值、基于码 本的码字序号等，实现性能和复杂度的权衡。 2 1 _ im 0 系统模型 m i m o 技术是无线通信领域的重大突破。m m o 系统收发同时利用多根天 线，为通信系统提供了空间自由度。m i m o 技术能在不增加带宽的情况下成倍地 提高通信系统的容量和频谱利用率。 假设点对点的m m o 系统，具有n t 根发射天线，n r 根接收天线，系统结 构如图。 发射机 t x 2 v h z ： r x l 。即 _ y r x 2 ：v 图2 - 1m i m o 系统模型 接收机 天线之间的信道衰落特性可以用一个n r n t 的矩阵日来表示，此即信道响 应矩阵。矩阵中第行亍第j 列的元素表示从第根发射天线到第，根接收天线之 间的信道衰落系数。假设每个符号周期系统发送的信号为n t l 维列矢量x ，其 中第f 个分量表示从第f 根天线发送的信号。y 为n r xl 维的接收信号列矢量。i t 为加性白高斯噪声。那么对应的信号模型即为 y = h x + n 其中，信道矩阵日的形式为 日= 眨乏) 为了达到归一化的目的，假设每根接收天线的接收信号功率等于所有发射天 线的信号总功率。 。 岔 b 妒 北京邮电大学硕士学位论文第二章l v l i m o 系统简介 2 2 发射分集 移动通信中由于传播的开放性，信道的传输条件比较恶劣，发送出的已调制 信号经过信道后在接收端会产生严重的衰落，导致接收的信号质量严重下降。 分集技术是抗衰落的最有效措施之一。分集技术是利用无线传播环境中信号 在某些维存在相互独立( 或近似独立) 的性质来实现的，其基本思想是：如果在 某一维中某一点上信号经历了深度衰落，而另外同一维中相距足够远的一点上传 输的独立信号却可能没有经历深度衰落，仍可能包含有较强的信号，对许多点上 的信号按一定的规则合并，就可以使衰落的程度大大减小，接收到的有用信号能 量最大。分集技术包括空间分集、时间分集、频率分集、极化分集等等。本章主 要介绍在发射端进行的分集，即发射分集。 为了减弱通信信号在信道中的衰落，通常采用的发射分集是在基站的两根或 两根以上的天线上发射含有相同信息的信号，各发射信号在不同的信道中保持独 立的衰落，这样接收端对不同信道来的信号进行合并就能减少信号衰落的影响， 从而改善信道的衰落特性，提高系统的信噪比，进而提高系统的数据速率和系统 容量。 根据系统是否需要利用信道的反馈信息，又将发射分集分为两类：开环发射 分集和闭环发射分集。开环发射分集不需要知道具体的信道信息，而闭环发射分 集中，基站根据移动台反馈的信息对发射机的参数进行调整，发射参数随信道的 变化而变化，更好地利用了不同的发射路径，因而，闭环发射分集的性能较开环 发射分集的性能好，能获得更高的增益。但闭环发射分集技术进行处理的延时较 长，且由于引入了反馈，带来一定的反馈开销，降低了频谱利用率。总的来说， 在移动台低速运动时，采用闭环发射分集的性能要优于开环发射分集；而移动台 的快速运动会引起信道变化过快，反馈时延使发射机得不到及时正确的发射权 值，从而降低了系统的性能，这是采用开环发射分集的性能要优于闭环发射分集。 本文只考虑开环发射分集。 开环发射分集指发射端不需要知道具体的信道信息，而将信号从各发射天线 上均匀地发射出去，各天线的发射权值是相同的，这时系统实现比较简单而且分 集的效果不受信道变化的影响。u e 标准中支持空时分集( 空时块码s 1 b c ) 和 空频分集( 空频块码s f b c ) 等开环发射分集方案。 2 3 空间复用 不同于空间分集技术，空间复用是利用空间信道的相对独立性，在同一频带 6 北京邮电大学硕士学位论文 第二章m i m o 系统简介 上发送不同的数据流，从而达到更高的数据吞吐速率。 贝尔实验室提出的v - b l a s t l 9 1 结构，如图2 - 2 ，就是最典型的空间复用结构。 发射机采用多根天线，每根天线发送不同的数据流，接收端通过多根天线接收到 信号后，通过一定的检测算法解出各数据流的原始发送符号，实现空间复用增益。 vv x o； 、 ，7 功 ， 、 。j、7 ；。一 、 、 v，7 一、v 。： ，。 r i 一 一 图2 - 2 垂直分层空时( y - b l a s t ) 结构示意图 空间复用结构的检测算法，主要有贝尔实验室的b l a s t 算法、迫零( z f ) 算法、最小均方误差( m m s e ) 算法、最大似然( m e ) 算法。m l 算法具有很 好的译码性能，但是复杂度比较大，对于实时性要求较高的无线通信不能满足要 求。z f 算法简单容易实现，但是对信道的信噪比要求较高。m m s e 算法较好地 平衡了噪声和干扰，也是在实际系统中应用最为广泛的检测算法。对于多天线或 多层数据流的发射信号，最优的算法是b l a s t 算法，该算法实际上是使用z f 或m m s e 算法加上干扰删除技术得出的，如z f s i c 、m m s e s i c 算法。 7 北京邮电大学硕士学位论文第三章l t e 上行链路物理层关键技术 第三章上行链路物理层关键技术 相对于下行链路，l t e 上行链路具备以下独有的特点： 1 ) 多址接入方式采用单载波特性的s c f d m a t l o l ，因其具有较低p a p r 和 c m ，以降低用户终端的功放成本、尺寸及电量消耗； 2 ) 支持先进的多天线技术，如m i m o 、s d m a 等，但要充分考虑到这些技 术对上行发射信号单载波特性的影响。 本章围绕这些问题作了深入研究，并就s c - f d m a 平台下的信号处理技术细 节进行了推导，此作为搭建仿真平台的理论基础。 另外，还介绍了l t e 物理层的关键技术，如帧结构、链路自适应技术等， 这些同样适用于上行链路传输。 3 1 帧结构 l t e 系统同时定义了频分双工( f d d ) 和时分双工( t d d ) 两种双工方式， 支持两种类型的无线帧结构i l l l ：类型1 ，适用于f d d 模式；类型2 ，适用于t d d 模式。 1 帧结构类型l 帧结构类型l 适用于全双工和半双工的f d d 模式。每一个无线帧长度为 1 0 m s ，由2 0 个时隙构成，每一个时隙长度为乙= 1 5 3 6 0 x ：i s = 0 s i n s 。一个子帧 由两个相邻时隙构成，长度为l m s ，如图3 1 所示。 个无线帧，t f = 3 0 7 2 0 0 t ，= 1 0m s 。t ；个时隧，= 1 5 3 6 0 t ，= 0 5m s 。呻 图3 - 1 帧结构类型1 在f d d 模式下，每一个1 0 m s 无线帧中，l o 个子帧可用于下行传输，l o 个 子帧可用于上行传输。上下行传输对称，在频域上进行分开。 2 帧结构类型2 帧结构类型2 适用于t d d 模式。每一个无线帧长1 0 m s ，由两个长为5 m s 的半帧构成。每一个半帧又由5 个子帧构成，每个子帧长l m s 。常规子帧由两个 长为0 5 m s 的常规时隙构成，特殊子帧由d w p t s 、g p 和u p p t s 三个特殊时隙 构成。d w p t s 和u p p t s 的长度是可配置的，并且要求d w p t s 、g | p 以及u p p t s 8 北京邮电大学硕士学位论文第三章l t e 上行链路物理层关键技术 的总长度为l m s 。子帧撑l 包含d w p t s 、g p 和u p p t s ，子帧拍在表3 一l 所列的 配置0 、l 、2 和6 中包含d w p t s 、g p 以及u p p t s 。所有其他子帧包含两个相 邻的时隙，其中第i 个子帧由第2 i 和2 i + 1 个时隙构成，如图3 2 所示。 d 椰一l ，l m h 揶g p l p m 图3 - 2 帧结构类型2 ( 5 m s 切换周期) l t et d d 支持5 m s 和1 0 m s 的上下行子帧切换周期。具体配置参见表3 1 ， 其中d 表示用于下行传输的子帧，u 表示用于上行传输的子帧，s 表示包含 d w p t s 、g p 以及u p p t s 的特殊子帧。 子帧0 和子帧5 以及d w p t s 永远预留为下行传输。 在5 m s 切换周期情况下，u p p t s 、子帧2 和子帧7 预留为上行传输。 在1 0 m s 切换周期情况下，d w p t s 在两个半帧中都存在，但是g p 和u p p t s 只在第一个半帧中存在，在第二个半帧中的d w p t s 长度为l m s 。u p p t s 和子帧 2 预留为上行传输，子帧7 到子帧9 预留为下行传输。 表3 - 1 上下行子帧切换点配置 配置切换周期子帧序号 o1 2 345 6 78 9 05m sds u uu ds uu u 15m sdsuuddsuud 25 鹏dsudddsudd 3 1 0r r 憾ds u uu ddo0d 41 0m sdsuudddddd 5 1 0m sd s udddd d dd 6 5m s dsuuudsuud 本文研究t d - l t e 系统下的上行传输，因此选用类型2 作为实际传输信号的 帧结构。 9 北京邮电大学硕士学位论文 第三章u 您上行链路物理层关键技术 3 2 上行多址接入s c - f d m a 上行多址技术的要求【1 2 】与下行有所不同。由于用户终端的能力有限，尤其是 发射功率受限，对上行传输技术的选择有很大的影响。多载波技术，如正交频分 复用( o f d m ) ，由于很多独立调制的子载波叠加在一起使用，会导致发送信号 具有很