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u e 上行链路自适应技术研究 摘要 3 g p p 长期演进( 如陋) 项目是近几年来3 g p p 启动的最大的新技 术研发项目，这种以o f i ) m ，f i m a 为核心的技术，是通信技术的一 个革命。 链路自适应技术的采用，是u e 项目的重要标志之一。链路自 适应技术的目的是无线资源的最优配置。 为了更好地对自适应技术进行研究，我们建立了l 1 e 上行链路 仿真平台。物理层技术中，我们仿真了自适应编码调制、功率控制、 资源调度；链路层仿真了弛气r q ；网络层的分层协作未涉及。 本仿真器的设计依据主要是3 g p p2 5 系列的技术报告，如3 g p p t r2 5 8 1 4 。同时，各大通信公司在每次会议上的提案也是本仿真的 重要参考，对本仿真器的设计和性能研究具有重要的指导意义。 经过对结果的分析和探讨，我们对自适应技术的研究有了更深入 的进展。 根据链路级仿真结果，采用自适应调制编码技术，使调制编码参 数能够适应信道的变化，可以提供更高的频谱效率和更可靠的传输性 能。将h a r q 与自适应调制编码相结合，能够提高系统的频谱利用 率，两者相互补充，有利于改善系统性能。 功率控制对系统的频谱利用率有着重要的影响。频谱利用率和目 标信噪比的关系是一个渐近函数。对某一信道条件，当目标信噪比达 到一定的数值( 拐点) 后，频谱利用率不再发生变化，趋近极值。而 分组功控方法的采用，可以使系统在平均发射功率较低的情况下，实 现较好的频谱利用率。 频带预分配时域调度机制，更“照顾”信道条件差的用户，在保 证系统性能的前提下，可以提高边缘用户的速率。相同条件下，采用 正比公平算法进行调度，系统的频谱利用率会比轮询机制高出大约 3 0 。 关键词l 1 陋链路自适应功率控制调度自适应调制编码地气r q r e s e a r c h0 n u 甩u p u ：n ka d a y n v et e c h n i q u e s 3 g p ph n gt e 加e v o l u t i o n i st h el a 玛e s tr e s e a r c hp r o j e c t n e wt e c h i q u e s 俩t i a t e db y3 g p en i sl t et e c h l l i q l l cb a s e s仙 o f i ) m f i ) m a 姐di ii sar e v o l u t i o ni nc 0 衄u n i c a t i o ni n d u s n y t h ea p p l i c a t i o no fa d a p t i v et e c l l n i q u 船i s 趾i m p o n 加tc h a m c t c r i s t i c o ft h ei 胍p r o j e d n ea d a p t i v et e c h n i q u 鹤a i mt 0o p t i n l 妇i h e c o n f i g i l r a t i o no fw i r e l e 鼹r e s o u r c e s t bb e t t e rs t l i d yt h ea d a p t i v et c c h n i q u e s ，w eb u i l tas i 肌l a t i o n p l a 伍。皿o fl t eu p l i i l l 【i np h y s i c a ll a y e r ，w es 血l a t c dt h ep 赋e d u r e s o f a d a p t i v em o d u l a t i o n 柚dc o d i i l go m c ) ，p o w e rc o n t r o l ( p c ) 龃dr e u 眦 a l l o c a t i o n ba l s os i m u l a t e dh a r qp r o c e d u r ei nl i i l k l a y e r - t h e c f o s s 1 a v e rc o u a b o r a t i i nn e “阳r l 【l a y e rw a sn o ti i l c l u d e d 1 h es i m l l l a c o rm a i l l l yr e 幻dt ot h et e c h n i c a lr e p o n so f3 g p p2 5 r i e s 【c a l w ，h i l e ，t h ec o n t r i b u t i o n st 03 g p pc o n f c r e n sb yl a r g e c o 衄u n i c a t i o nm p 加i e sw e r ea l s 0c 0 吣i d e r e d卸dt h e yp f o v i d c d s i 印i 丘c a n ti n s t n l c t i o 璐t 0t h es i m u l a t o rd e s i 萨孤dp e 咖珊a n s t u d y a n e r 锄a l 灿g 加ds t i l d y i n gt h es i m u l a t i r e s u l t s ，w eo b t a 沁d p r o f b u n dc o n c l u s i o n so nt h ca d a p t i v et e c t l i l i q u e s b ya p p l y i n g 蝴ca c c o r d i l l g t ol i n k - l e v e ls i 舢l a t i n s u l t s ，t h c p a m m e t e 璐f o rm o d u l a t i o n 觚dc o d i n g 咖a d a p tt 0t h ev a f ) r i n gc h a 皿e 1 i nt h i s w a y ，h i g l l e rs p e c t m me f f i c i e n c ) ，a n d b e t t e rt r a 璐m i s s i p e d b 衄a n c cc a nb ea c h i e v e d h a r q 锄da m c a r cc o m p l e m e n t a r yt 0 e a c ho m e lt h ec o m b i n a t i o no fh a r qa n da m cw i l li m p r o v et h es y s t e m p e f f b 珊a n c e p o w e rc o n t r o lp r o c e d u r eh a s 柚i m p o r t a n te 骶c to ns y s t e ms p e c t m m e f f i c i e n c y t 1 l er e l a t i o n s h i pb e t 、】l r e e ns p e c t m me 伍c i e n c ya n ds n rt 鹕e t s i s 卸a s v m p t o t i cf u n c t i o n f 研c e r t a i nc h a 姗e lc o n d i t i o n s ，w h e nt h es n r t a 玛e t s a c h i e v eac e n a i l l v a l u e ( t h et r a d e - o f cp o i n c ) ，t h es p c c c m m e f f i d e n c yc 姐n o tb ci i n p r o v e df i l n h e r 锄da p p r o a c h 髓t 0al i i i l i t a n d w i t ht h ea p p l i c a t i o no fg m u p i i l gp c ，t h es y s t e mc a na c i l i e v eg o o d s p e c t n l me 伍c i e n c yw i c hl o wa v e r a g e dt 啪s m i t t i l l gp o w e l t h em e i h o do ft i m ed o m a i n s c h e d i l l i n g 惦i i l g a p r e - a 鹃i g n e d 丘e q u e n c yb a n d w i d t hp a y sm o r ea t c e n t i o nt ot h e 惦e re q u i p m e n t s ( u e ) w i t hp o o rc h a n n e lc o n d i t i o n s i ti sa b l et oi l n p r o v et h ec e l le d g eu e s d a t ar a t e u n d e rs a m e 弱s u m p t i o n s ，s p e c t j l l me f f i d e n c yw i t hp m p o n i o n a l f a i m e s s 口f ) s c h e d l l l i f l g 诵ub e3 0 h i g l l e rt h a nr o u n dm b i n ( r r ) s c h e d u l i i l g i ( i ww o r d su el i n ka d a p t a t i o n a d a p t i v em o d u l a t i a n dc o d i i l gh a r q 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。尽我所知，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，本人承担一切相关责任。 本人签名： 圣l 庄酞 日期： 坚z ：兰 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问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年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名；到空丛 日期：2 壁2 ：兰 导师签名：7 学勺非日期：墨匹字她 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章背景概述 伴随g s m 等移动网络在过去二十年中的广泛普及，全球语音通信业务获得 了巨大的成功。目前，全球的移动语音用户已超过了1 8 亿。同时，我们的通信 习惯也从以往的点到点演进到人与人。 个人通信的迅猛发展极大地促使了个人通信设备的微型化和多样化，结合多 媒体消息、在线游戏、视频点播、音乐下载和移动电视等数据业务的能力，大大 满足了个人通信和娱乐的需求。 另外，尽量利用网络来提供计算和存储能力，通过低成本的宽带无线传送到 终端，将有利于个人通信娱乐设备的微型化和普及。g s m 网络演进到 g p r s e d g e 和w c d m h s d p a 网络以提供更多样化的通信和娱乐业务，降低 无线数据网络的运营成本，己成为g s m 移动运营商的必经之路。但这也仅仅是 往宽带无线技术演进的一个开始。w c d m a h s d p a 与g p r s e d g e 相比，虽然 无线性能大大提高，但是，在邛r 的制肘、应对市场挑战和满足用户需求等领域， 还是有很多局限。 由于c d m a 通信系统形成的特定历史背景，3 g 所涉及的核心专利被少数公 司持有，在口r 上形成了一家独大的局面。专利授权费用己成为厂家的沉重负担。 可以说，3 g 厂商和运营商在专利问题上处处受到制肘，业界迫切需要改变这种 不利局面。 面对高速发展的移动通信市场的巨大诱惑和大量低成本高带宽无线技术的 快速普及，众多非传统移动运营商也纷纷加入了移动通信市场，并引进了新的商 业运营模式。这些新兴力量给传统移动运营商带来了前所未有的挑战，加快现有 网络演进，满足用户需求，提供新型业务成为在激烈的竞争中处于不败之地的唯 一选择。 与此同时，用户期望运营商提供任何时间任何地点不低于1 m b p s 的无线接 入速度，小于2 0 m s 的低系统传输延迟，在高移动速率环境下的全网无缝覆盖。 而最重要的一点是能被广大用户负担得起的廉价终端设备和网络服务。 这些要求已远远超出了现有网络的能力，寻找突破性的空中接口技术和网络 结构是势在必行。与w j f i 和w j m a x 等无线接入方案相比，w c d m a h s d p a 空中接口和网络结构过于复杂，虽然在支持移动性和o o s 方面有较大优势，但 在每比特成本、无线频谱利用率和传输时延等能力方面明显落后。根据3 g p p 标 准组织原先的时间表，4 g 最早要在2 0 1 5 年才能正式商用，在这期间传统电信设 备商和运营商将面临前所未有的挑战。用户的需求、市场的挑战和i p r 的制肘共 北京邮电大学硕上研究生学位论文 同推动了3 g p p 组织在4 g 出现之前加速制定新的空中接口和无线接入网络标准。 2 0 0 4 年1 1 月，3 g p p 加拿大多伦多“u 1 1 r a n 演进”会议收集了无线接入网r 6 版本之后的演进意见，在随后的全体会议上，“i r i r a 和i r r r a n 演进”研究项 目得到了二十六个组织的支持，并最终获得通过。这也表明了3 g p p 组织运营商 和设备商成员共同研究3 g 技术演进版本的强烈愿望。基本思想是采用过去为 b 3 g 或4 g 发展的技术来发展u e ，使用3 g 频段占有宽带无线接入市场。 2 0 0 4 年1 2 月3 g p p 雅典会议决定由3 g p p r a n 工作组负责开展u e 研究， 将于2 0 0 6 年6 月完成，2 0 0 7 年6 月推出。3 g p p 经过激烈的讨论和艰苦的融合， 终于在2 0 0 5 年1 2 月选定了l 1 飞的基本传输技术，即下行0 f d m ；上行s c f d m a 。 u e 讨论中的一个焦点是是否采用宏分集技术。这个问题看似是物理层技术的取 舍，实则影响到网络架构的选择，对删s a e 系统的发展方向有深远的影响。 宏分集的基础是软切换，这种c d m a 系统的典型技术在h m a 系统中却引出了 “弊大还是利大”的争论。3 g p p 在2 0 0 5 年1 2 月进行了“示意性”的投票，最 后决定u e 至少在目前不考虑宏分集技术。 u e 在数据传输延迟方面的要求很高( 端到端延迟小于5 m s ) ，这一指标要 求u m 系统必须采用很小的交织长度( 1 1 1 ) ，因此大多数公司建议采用0 5 麟 的子帧长度。但是一些研发t d d 技术的3 g p p 成员注意到这种子帧长度和u m 髑 中现有的两种t d d 技术的时隙长度不匹配。例如t d s c d m a 的时隙长度为 o 6 7 5 m s ，如果u 卫t d d 系统的子帧长度为0 5 m s ，则新、老系统的时隙无法对 齐，使得t d s c d m a 系统和l 1 卫1 1 ) d 系统难以“临频同址”共存。在中国公 司的坚持下，3 g p p 在这个问题上达成一致：基本的子帧长度为0 5 m s 。但在考 虑和t d s c d m a 系统兼容时可以采用0 6 7 5 的子帧长度。 至今为止，0 f d m s g f d m a 的基本设计参数初步确定。0 f d m 和s d f i ) m a ( 以d f r _ s o f d m 为例) 的子载波宽度为1 5 k k ，o h ) m 循环前缀( c p ) 的长 度有长短两种选择，短c p 为基本选项，长c p 可用于大范围小区或多小区广播。 d f r s 一0 f d m 的一个子帧由长短两种数据块组成，长块主要用于传送数据，短 块主要用于传送导频信号。 下行主要采用q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 三种调制方式，上行主要采用位移 b p s k ( 用于进一步降低d f r - s 0 f i ) m 的b 廿r ) 、q p s k 、8 p s k 和1 6 q a m ，另 一个正在考虑的降p a p r 技术是频域滤波。上下行的最小资源块大小为2 5 个子 载波，即3 7 5 k h z 。系统可以采用集中式( 1 0 c a l 眈d ) 或分散式( d j s t b u t e d ) 方 式将数据映射到资源块上。 在信道编码方面，u e 主要考虑t u r b o 码，但也正在考虑其它编码方式，如 u ) p c 码。在m i m o 方面，u e 的基本m i m 0 模型是下行2 2 、上行1 x 2 个天 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文 线，但同时也正在考虑更多的天线配置( 最多4 4 ) 。正在被考虑的m “o 技术 包括空间复用( s m ) 、空分多址( s d m a ) 、预编码( p 咒- 0 0 d i n g ) 、秩自适应 ( r a n l 【- a d a p t a t j o n ) 、以及开环发射分集( s 1 1 d ，主要用于控制信令的传输) 等。 上行将采用一种特殊的s d m a 技术，即已被w i m a x 采用的虚拟( r t 岫1 ) m i m 0 技术。另外，u 卫也正在考虑采用小区干扰抑制技术提高小区边缘的数据率和系 统容量等。 在切换方面，除了u 色系统内的切换，也正在考虑不同频率之间和不同系 统( 如其它3 g p p 系统、) l r i a n 系统等) 的切换。对于其它的物理层技术，如 上行导频、小区搜索、随机接入、多播广播( m b m s ) 、l a v e f1 和l a v c r2 信令等， 也正在讨论之中。 总之，尽管u e 的研究工作已经取得了一系列重大的进展，但仍然明显滞 后于原工作计划。如果3 g p p 不能如期完成u e 的可行性研究，则研究阶段( s i ) 将被迫延长，从而导致工作阶段( w l ，标准制定阶段) 无法按时开始。 另外，h s p a ( h s p d a + h s u p a ) 的演进项目b h s p a 也已经启动，有公司 认为b h s p a 系统应该在5 m h z 带宽内达到和u e 相似的性能。这个项目是否 会分散各公司对u e 项目的投入，影响u e 研究和标准化的进程，我们将拭目 以待。 3 北京邮电大学硕士研究生学位论文 2 1l t e 技术指标 第二章l t e 技术特点 i r r r a 和i r n l a n 演进的目标，是建立一个能获得高传输速率、低等待时间、 基于包优化的可演进的无线接入架构。3 g p pu 限正在制定的无线接口和无线接 入网架构演进技术主要包括如下内容i l j ： 1 明显增加峰值数据速率。如在2 0 m h z 带宽上达到1 0 0 m b i 垤的下行传输速率 ( 5 b i t ，s 慢 z ) 、5 0 m b i 怕的上行传输速率( 2 5 b i v 虮 z ) 。 2 在保持目前基站( b 够e s t a t i ，b s ) 位置不变的情况下增加小区边界比特速 率。如m b m s 在小区边界可提供1 b i 舭的数据速率。 3 明显提高频谱效率。如2 4 倍的r 6 频谱效率。 4 无线接入网延迟时间低于1 0 m s 。 5 明显降低控制面等待时间，低于1 0 0 咄。 6 带宽等级为：a ) 5 、1 0 、2 0 m 和可能取的1 5 m h z ；b ) 1 2 5 、1 6 和2 5 m h z ， 以适应窄带频谱的分配。 7 支持与已有的3 g 系统和非3 g p p 规范系统的协同运作。 8 支持进一步增强的m b m s 。 上述演进目标涉及到系统的能力和系统的性能，是u m 研究中最重要的部 分，也是e - u r r a 和e i m r a n 保持最强竞争力的根本。 在l 1 吧中，还规范了一些其它要求，如与配置相关的要求、e - i r 兀l a n 架构 和移植要求、无线资源管理要求、复杂性要求、成本相关要求和业务相关要求。 与其它无线接入方式相比，高频谱效率、广域覆盖和支持用户高速移动是 e i r r r a n 系统的主要特点。在b u t r a n 中，当移动速率为1 5 1 2 0 k n l h 时，能获 得最高的数据传输性能。e i 瓜a n 支持在蜂窝之间1 2 5 0 k m l l 甚至高达 5 0 0 l 锄h 的移动速率。在整个速率范围内，r 6 中c s 域的语音和其它实时业务在 b i r n l a n 中通过p s 域支持，并要求至少获得与u 1 1 认n 相同的性能。 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文 2 2上行物理层技术 2 2 1 核心技术 o f i ，m ，即正交频分复用，是一种无线环境下的高速传输技术，该技术的基 本原理是将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据并对不同的载波进行 调制。这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度，提高了抗多径衰落的性能。 传统的频分复用方法中各个子载波的频谱是互不重叠的，需要使用大量的发送滤 波器和接收滤波器，这样就大大增加了系统的复杂度和成本。同时，为了减小各 个子载波间的相互干扰，各子载波间必须保持足够的频率间隔，这样会降低系统 的频率利用率。而现代o f d m 系统采用数字信号处理技术，各子载波的产生和 接收都由数字信号处理算法完成，极大地简化了系统的结构。同时为了提高频谱 利用率，使各子载波上的频谱相互重叠，但这些频谱在整个符号周期内满足正交 性，从而保证接收端能够不失真地复原信号。 当传输信道中出现多径传播时，接收子载波间的正交性就会被破坏，使得每 个子载波上的前后传输符号间以及各个子载波问发生相互干扰。为解决这个问 题，在每个0 f d m 传输信号前面插入一个保护间隔，它是由o f d m 信号进行周 期扩展得到的。只要多径时延不超过保护间隔，子载波问的正交性就不会被破坏。 这种技术是枷，a ( h o m e p l u gp a w e r l i n e 灿l i 如c c ) 联盟工业规范的基础。由 于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易受外界 干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。 其实，0 f d m 并不是如今发展起来的新技术，o f d m 技术的应用已有近4 0 年的历史，主要用于军用的无线高频通信系统。但是，一个0 f d m 系统的结构 非常复杂，从而限制了其进一步推广直到上世纪7 0 年代，人们采用离散傅立 叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统结构，使得o f d m 技术更趋于实用 化。8 0 年代，人们研究如何将o f d m 技术应用于高速m o d e m 。进入9 0 年代 以来，o f d m 技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输。目前o f i m 技术已经被广泛应用于广播式的音频、视频领域和民用通信系统，主要的应用包 括：非对称的数字用户环路( a d s l ) 、e t s i 标准的数字音频广播( 姬) 、数字 视频广播( d ) 、高清晰度电视( h d l ) 、无线局域网( w u 蝌) 等。 2 2 2 技术优势 o f d m 技术之所以代替c d m a ，成为新一代无线通信核心技术发展的趋势， 是因为它具有如下的优点： 5 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 频谱效率高 由于兀丌处理使各子载波可以部分重叠，理论上可以接近n y q u i s t 极限。以 o f d m 为基础的多址技术0 f i ，m a ( 正交频分多址) 可以实现小区内各用户之间 的正交性，从而有效地避免了用户间干扰。这使o f i ) m 系统可以实现很高的小 区容量。 2 带宽扩展性强 由于o f d m 系统的信号带宽取决于使用的子载波的数量，因此o f d m 系统 具有很好的带宽扩展性。小到几百k h z ，大到几百m h z ，都很容易实现。尤其 是随着移动通信宽带化( 将由5 m h z 增加到最大2 0 m h z ) ，0 f d m 系统对大带宽 的有效支持，成为其相对于单载波技术( 如c d m a ) 的“决定性优势”。 3 抗多径衰落 由于0 f i ) m 将宽带传输转化为很多子载波上的窄带传输，每个子载波上的 信道可以看作水平衰落信道，从而大大降低了接收机均衡器的复杂度。相反，单 载波信号的多径均衡的复杂度随着带宽的增大而急剧增加，很难支持较大的带宽 ( 如2 0 m h z ) 。 4 频谱资源灵活分配 o f d m 系统可以通过灵活地选择适合的子载波进行传输，来实现动态的频域 资源分配，从而充分利用频率分集和多用户分集，以获得最佳的系统性能。 5 易于实现m i m o 由于每个0 f i ) m 子载波内的信道可看作水平衰落信道，多天线系统带来的 额外复杂度可以控制在较低的水平( 随天线数量呈线性增加) 。相反，单载波 m i m 0 系统的复杂度与天线数量和多径数量的乘积的幂成正比，很不利于m i m 0 技术的应用。 2 2 3 技术原理 当调制信号通过无线信道到达接收端时，由于信道多径效应带来的码间干扰 的作用，子载波之间不再保持良好的正交状态，因而发送前需要在码元间插入保 护间隔。如果保护间隔大于最大时延扩展，则所有时延小于保护间隔的多径信号 将不会延伸到下一个码元期间，从而有效地消除了码间干扰。当采用单载波调制 时，为减小码间干扰的影响，需要采用多级均衡器，这会遇到收敛和复杂性高等 问题。 图2 1 是0 f d m 基带信号处理原理图。其中，( a ) 是发射机工作原理，( b ) 是接收机工作原理【2 】o 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文 叫黼h 蒸卜 i _ ji 。_ j ( a ) 发射机工作原理 ( b ) 接收机工作原理 图2 一l0 肿基带信号处理原理图 在发射端，首先对比特流进行q a m 或q p s k 调制，然后依次经过串并变换 和i f l 盯变换，再将并行数据转化为串行数据，加上保护间隔，形成0 f i ) m 码元。 在组帧时，需加入同步序列和信道估计序列，以便接收端进行突发检测、同步和 信道估计，最后输出正交的基带信号。 当接收机检测到信号到达时，首先进行同步和信道估计。当完成时间同步、 小数倍频偏估计和纠正后，经过h t 变换，进行整数倍频偏估计和纠正，此时 得到的数据是q a m 或q p s k 的已调数据对该数据进行相应的解调，就可得到 比特流。 2 2 4 基本传输技术 l 1 r e 上行传输方案采用带循环前缀的s c f d m a ，使用d f r 获得频域信号， 然后插入零符号进行扩频，扩频信号再通过i f 】f 1 r 。这个过程简写为d f t s o f i ) m 。 这样做的目的是，上行用户问能在频域相互正交，以及在接收机一侧得到有效的 频域均衡。图2 2 是l 1 e 上行传输方案的结构1 3 】o 7 北京邮电大学硕士研究生学位论文 图2 2s c f d m 传输结构图 子载波映射决定了哪一部分频谱资源被用来传输上行数据，而其它部分则被 插入若干个零值。频谱资源的分配有两种方式，如图2 3 所示：一是集中式传输， 即d f t 的输出映射到连续的子载波上；另一个是分布式传输，即d f t 的输出 映射到离散的子载波上。 从d f r ：7到i f f r从d f r 图2 3 集中式和分散式传输示意图 到i f f r 集中式将若干连续子载波分配给一个用户，这种方式下系统可以通过频域调 度选择较优的子载波组( 用户) 进行传输，从而获得多用户分集增益。另外，集 中方式也可以降低信道估计的难度。但这种方式获得的频率分集增益较小，用户 平均性能略差。分布式系统将分配给一个用户的子载波分散到整个带宽，从而获 得频率分集增益。但这种方式下信道估计较为复杂，也无法采用频域调度。设计 中应根据实际情况在上述两种方式中灵活进行选择。 上行系统将频率资源分为若干资源单元( r e s o u r c cu n i t ，r u ) ，r u 是上行 资源的最小分配单位，大小同为2 5 个子载波，即3 7 5 k h z 。为了保持单载波信号 格式，如果一个移动台( u s e re q u i p m e n t ，u e ) 占用多个集中式r u ( u t u ) ， 这些l r u 必须相邻：如果占用多个分散式r u ，所有子载波必须等间隔。 8 北京邮电大学硕士研究生学位论文 2 2 5 帧结构 u 限上行传输方案采用传统的带循环前缀( c p ) 的o f d m ，每一个子载波 占用1 5 k h z ，循环前缀的持续时间为4 7 1 6 7 郎，分别对应短c p 和长c p 。为了满 足数据传输延迟的要求( 在轻负载情况下，用户面延迟小于5 m s ) ，u 限系统必 须采用很短的交织长度( 1 兀) 和自动重传请求( a r q ) 周期，因此，大多数公 司主要出于对f d d 系统的设计，建议把1 0 m s 无线帧分成2 0 个同等大小的子帧， 长度为0 5 m s 。 + 一一! 女幽随幽g ! q 点啦! 鲎 囤2 4 上行链路帧结构图一“ 表2 1 上行链路传输参数一m 子帧 长块大小短块大小 带宽c p 时间 长度 ( 岫有效子载波数，采样( 呻有效子载波数 ( m h z ) ( 州采样数) ( m s ) 数)采样数1 ( 4 1 3 1 2 7 ) x7 ， 2 00 56 6 6 7 1 加o _ 2 0 4 83 3 3 3 ，鲫1 0 2 4 ( 4 3 9 ，1 3 5 ) xl ( 4 1 5 ) x7 ， 1 50 56 6 f 7 删1 5 3 6 3 3 3 3 “5 0 ，7 鲳 ( 4 4 7 ，1 0 3 ) l ( 4 1 ，6 3 ) x7 1 0o 56 6 6 7 6 0 0 ，1 0 2 4 3 3 3 粥伽i ，5 1 2 ( 4 6 z 厂7 1 ) x1 ( 4 0 4 3 1 ) x7 5帖 6 6 疗m 如o 5 1 23 3 3 3 ，1 5 w 2 5 6 ( 5 0 8 ，3 9 ) x1 ( 3 9 1 ，1 5 ) 7 ” 6 6 6 7 1 5 0 2 5 63 3 3 3 ，7 5 1 2 8 ( 5 9 9 ，2 3 ) x1 ( 3 6 5 仍x7 ， 1 2 50 5 6 6 6 7 厂7 5 ，1 2 83 3 3 3 ，3 8 6 4 ( 7 8 1 1 5 ) 1 但是，一些研发t d d 技术的3 g p p 成员注意到这种子帧长度和u m ，r s 中现有 的两种i d d 技术的时隙长度不匹配。例如t d s c d m a 的时隙长度为0 6 7 5 m s ，如 果l 1 吧t d d 系统的子帧长度为0 5 m s ，则新、老系统的时隙无法对齐，使得 t d s c d m a 系统和l 匝t d d 系统难以“临频共址”共存。在中国公司的坚持下， 3 g p p 在这个问题上形成决议：基本的子帧长度为o 5 m s ，但在考虑和1 d d 系统兼 容时，可以采用0 6 7 5 m s 的子帧长度。 0 北京邮电大学硕士研究生学位论文 图2 5 上行链路帧结构图二“ 表2 2 上行链路传输参数二埘 子帧长块大小短块大小 带宽c p 时间 长度 ( s 有效子载波数( 脯效子载波数 ( 删z ) ( s 采样数) ( n l s ) 采样数1采样数) ( 6 7 1 2 0 6 ) 9 ， 2 00 6 7 56 6 6 7 ，1 加0 1 2 0 牾3 3 3 3 6 0 0 1 0 2 4 ( 6 9 7 佗1 4 ) 1 ( 6 7 7 ，1 5 6 ) x9 ， 1 5o 6 7 56 6 6 7 聊唧1 5 3 63 3 3 3 ，4 5 0 7 6 8 ( 7 1 1 1 6 4 ) x1 ( 6 7 1 1 0 3 ) x9 ， 1 0 o 6 7 5 6 6 6 7 鲫，1 0 2 43 3 3 3 3 伽临1 2 ( 7 2 2 1 1 1 ) 1 ( 6 6 4 ，5 1 ) x9 ， 50 6 7 56 6 6 仍伽临1 23 3 3 3 ，1 5 0 ，2 5 6 ( 7 6 7 5 9 ) x1 ( 6 5 1 ，2 5 ) x9 ， 2 50 6 7 56 6 6 7 1 5 眈5 63 3 3 3 ，7 5 1 2 8 ( 8 5 8 ，3 3 ) 1 ( 6 2 5 1 2 ) x9 ， 1 2 50 6 7 56 6 6 7 ，7 5 1 2 83 3 3 3 ，3 8 m ( 1 0 4 2 0 ) x1 2 2 6 物理层关键技术 2 2 6 1 调制与编码 上行调制主要采用p 2 位移b p s k 、q p s k 、8 p s k 和1 6 q a m 。同下行一样， 上行信道编码还是沿用r 6 的t u t b o 编码。很多公司也在研究其它编码方式，并期 望被引入l 1 f e 中，如低密度奇偶校验( l d p c ) 码。在大数据量情况下，u ) p c 码 可获得比1 u b o 码高的编码增益，在解码复杂度上也略有减小。 n ，2 位移b p s k 的采用，是为了进一步降低d f r s o f i ) m 的上行峰平比，从而 减少手持终端的功放成本和电池寿命。 t u r b o 编码是1 9 9 3 年两位法国教授b e r f 伽、g l a v j e 呱和他们的缅甸籍博士生 t 1 l i t i m a i s h i m a 在i c c 会议提出的一种全新的编码方式。它巧妙地将两个简单分量 码通过伪随机交织器并行级联来构造具有伪随机特性的长码，并通过在两个软输 1 0 北京邮电大学硕士研究生学位论文 入，软输出( s i s o ) 译码器之间进行多次迭代实现了伪随机译码。 u ) p c ( k 唧d 钮s i t yp a r i t ) rc h e c k ) 码是g a l l a g e r 最早于1 9 6 2 年提出的一种具 有稀疏校验矩阵的分组纠错码，亦称g a i l a g c r 码。之后，在1 1 l r b o 码研究的巨大成 功的带动下，m a c k a y 等人重新研究了u ) p c 码，并发现它具有非常好的特点。 u ) p c 码逼近香农限的性能，且描述和实现简单，易于进行理论分析和研究，译 码简单且可实行并行操作，适合硬件实现。 2 2 6 2 多天线技术 多入多出( m i m 0 ) 空间复用技术就是在接收端和发射端使用多副天线，充 分利用空间传播中的多径矢量，在同一频带上使用多个数据通道( m i m o 子信道) 发射信号，从而使得容量随着天线数量的增加而呈线性增加。这种信道容量的增 加不需要占用额外的带宽，也不需要消耗额外的发射功率，因此是提高信道和系 统容量的一种非常有效的手段。 空间复用是将需要传送的信号经过串并转换成几个平行的信号流，并且在 同一频带上使用各自的天线同时传送。由于多径传播，每一副发射天线针对接 收端产生一个不同的空间信号，接收方利用信号不同来区分各自的数据流。实 现空间复用必须要求发射和接收天线之间的间距大于相关距离，这样才能保证 收发端各个子信道是独立衰落的不相关信道。 l 1 【e 中，上行单用户m i m o 天线的基本配置，是在移动台有一个发射天线， 在基站有两个接收天线。另外，在上行传输中，一种特殊的被称为虚拟( v i n i i a l ) m 讧0 的技术在l 1 e 中被采纳。通常是2 2 的虚拟m 订0 ，两个移动台各自有一个 发射天线，并共享相同的时频域资源。这些移动台采用相互正交的参考信号图谱， 以简化基站的处理。从移动台的角度看，2 x 2 虚拟m m l 0 与单天线传输的不同之 处，仅仅在于参考信号图谱的使用必须与其它移动台配对但从基站的角度看， 确实是一个2 x 2 的m 订0 系统，接收机可以对这两个移动台发送的信号进行联合 检测。 2 2 6 3 调度 调度就是动态地将最适合的时频资源分配给某个用户，系统根据信道质量信 息( c q i ) 的反馈、有待调度的数据量、移动台能力等决定资源的分配，并通过 控制信令通知用户。调度实际上和链路自适应、h a r q 是密不可分的。u 限的调 度可以灵活的在集中式和分散式方式之闻切换，并将考虑减小开销的方法。一种 方法就是对话音业务一次性调度相对固定的资源。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 2 2 6 4自适应调制与编码 自适应调制编码，可以在共享信道上应用不同的调制编码方式( m 0 d u l a t i o n a n dc 0 d i n gs c h e m e ，m c s ) 适应不同的信道变化，获得最大的传输效率【4 】。将编 码和调制方式变化组合成一个列表，基站根据移动台的反馈和其它一些参考数 据，在列表中选择一个调制速率和编码方式，应用于1 a y c r2 的协议数据单元，并 映射到调度分配的资源块上。 2 2 6 5混合重传 为了获得正确无误的数据传输，m 仍采用前向纠错编码( f e c ) 和自动重 复请求( a r q ) 结合的差错控制，即混合a r q ( m 堰q ) 。h a r q 应用增量冗 余( m ) 的重传策略，而c h a s e 合并( o c ) 实际上是瓜的一种特例。为了易于实 现和避免浪费等待反馈消息的时间，l 1 吧仍然选择n 进程并行的停等协议 ( s a w ) ，在接收端通过重排序功能对多个进程接收的数据进行整理。h a r q 在重传时刻上可以分为同步h a r q 和异步h a r q 。同步h a r q 意味着重传数据必 须在移动台确知的时间即刻发送，这样就不需要附带h a r q 处理序列号，比如予 帧号。而异步h a r q 则可以在任何时刻重传数据块。从是否改变传输特征来分， 地r q 又可以分为自适应和非自适应两种。 2 2 6 6 功率控制 由于不存在c d m a 系统中的“用户间干扰”，l 1 陋系统可以在每个子频带内 分别进行“慢速功控”但如果对小区边缘用户进行完全的功控，可能导致小区 间干扰问题。因此，目前正在考虑只对边缘用户“部分的”的补偿路损和阴影衰 落，从而避免产生较强的小区干扰，这样可以获得更大的系统容量 2 2 6 7 同步 除了考虑基本的移动台和基站之间的同步外，基于0 f 【 m f d m a 的l 1 f e 系统 还需要考虑两种特殊的同步。一种是上行同步( 又称时间控制) 。为了保证上行 多用户之间的正交性，要求各用户的信号同时到达基站，误差在c p 以内。因此 需要根据用户距基站的位置远近调整它们的发射时间。 另一个问题是基站之间的同步。与异步的w c d m a 系统不同，保持基站之间 的正交性可以使基于o f d m f d m a 的l 1 限系统获得更好的性能。3 g p p 系统不像 3 g p p 2 系统可以依靠外部时钟( 如g p s ) 取得同步，因此需要采取别的方法。目 1 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文 前正在考虑的方法是：基站借助小区内各移动台的报告和相邻基站作同步校准， 以此类推，使全系统逐步和参考基站取得同步。 2 2 6 8 小区间干扰抑制 与c d m a 不同，0 f d m a 无法通过扩频方式消除小区间的干扰。为了提高频 谱效率，也不能简单地采用如g s m 中复用因子为3 或7 的频率复用方式。因此， 在l 1 咂中，非常关注小区间干扰消减技术小区间干扰消减途径有3 种，即干扰 随机化、干扰消除和干扰协调避免。另外，在基站采用波束成形天线的解决方 案也可以看成是下行小区间干扰消减的通用方法。干扰随机化可以采用如小区专 属的加扰和小区专属的交织，后者即为大家所知的交织多址( i d m a ) ；此外， 还可采用跳频方式。干扰消除则讨论了采取如依靠u e 多天线接收的空间抑制和 基于检测相减的消除方法。而干扰协调避免则普遍采取一种在小区间以相互协 调来限制下行资源的分配方法，如通过对相邻小区的时频域资源和发射功率分配 的限制，获得在信噪比、小区边界数据速率和覆盖方面的性能提升 1 3 北京邮电大学硕士研究生学位论文 3 1仿真器介绍 第三章系统建模 本仿真器的设计依据主要是3 g p p2 5 系列的技术报告，如3 g p p t r2 5 8 1 4 。 同时，各大通信公司在每次会议上的提案也是本仿真的重要参考，对本仿真器的 设计和性能研究具有重要的指导意义。 本仿真器是由宋谱、聂霄两位同学和我共同搭建的。算法调研阶段，宋谱和 聂霄两位同学主要学习系统级仿真的原理和实现方法，我主要负责收集整理 3 g p p 会议的提案，提供算法供大家讨论，选择合适的算法应用于我们的仿真平 台。编码实