（信号与信息处理专业论文）lteadvanced系统中信道估计技术的研究.pdf

摘要 摘要 l t e a d v a n c e d 是第三代伙伴项目( 3 g p p ) 提出的长期演进( l t e ) 的增强技 术，旨在提高传输速率以适应移动宽带通信市场的应用需求，并保持3 g p p 标准在 移动通信领域的竞争力。它继续沿用了正交频分复用( o f d m ) 和多天线( m 蹦o ) 技术作为物理层核心技术。对m i m o 信道状态信息估计的准确与否，将直接影响 接收端的信号检测，所以信道估计在l t e a d v a n c e d 系统中起着十分关键的作用。 l t e a d v a n c e d 设计了用于下行p d s c h 解调的参考信号( d m r s ) ，接收端利 用d m r s ，通过一定的信道估计算法获得下行信道的状态信息。本文在4 根发送 天线的d m r s 基础上，考虑到后向兼容和系统性能，提出了一种适合于 l t e a d v a n c e d 系统的8 根发送天线的d m r s 设计方案。 本文还研究了l t e a d v a n c e d 系统在多径信道环境和高速铁路信道环境下的信 道估计技术。在多径信道环境下，通过对几种常用的信道估计算法的均方误差性 能和误码率性能的仿真比较，分析出2 d m m s e 算法是一种适合l t e a d v a n c e d 多 径信道环境的信道估计插值算法。但在信道估计的过程中，对参考信号信道频域 响应的估计一般没有考虑噪声的影响，其估计的误差会使信道估计性能降低。所 以本文借鉴m m s e 信号检测算法的原理，采用m m s e 准则估计参考信号信道频域 响应，并通过仿真表明了该信道估计方法能够有效的改善信道估计的m s e 性能。 针对高速铁路信道环境，影响信道估计性能的主要因素是多普勒频偏，所以 本文提出了一种结合多普勒频偏估计的信道估计方案：首先利用参考信号或c p 估 计出多普勒频偏，然后对时域接收信号进行多普勒频偏因子的补偿，最后再对补 偿之后的信号采用信道估计算法进行信道估计。通过对误码率性能的仿真，其结 果表明，基于c p 估计频偏的信道估计方法比基于参考信号估计频偏的信道估计方 法更优，同时也证明了本文提出的信道估计方法是一种有效的适合于高速铁路信 道环境的信道估计解决方案。 关键词：l t e a d v a n c e d 、信道估计算法、参考信号设计、频偏估计 a b s t r a c t a b s t r a c t l o n gt e r me v o l u t i o n - a d v a n c e d ( l t e a d v a n c e d ) i sa ne n h a n c e dt e c h n o l o g yo f l t e p r o p o s e db yt h et h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ( 3 g p p ) i ti sa i m e dt om e e t t h ec h a n g i n gm a r k e td e m a n db yi n c r e a s i n gt r a n s m i t t i n gr a t e ，a n dt om a i n t a i nt h e c o m p e t i t i v e n e s so ft h e3 g p ps t a n d a r di nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nf i e l d o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) a n dm u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) t e c h n o l o g y i e sa r eu s e da st h ec o r ep h y s i c a lt e c h n o l o g i e si nd o w n l i n k s i n c e t h e a c c u r a c yo ft h e e s t i m a t i o nf o rt h em i m oc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o nw i l l s i g n i f i c a n t l ya f f e c t st h es i g n a ld e t e c t i o no fr e c e i v e r s ，c h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n o l o g y p l a y sak e yr o l ei nl t e a d v a n c e ds y s t e m l t e a d v a n c e dd e s i g n e st h ed e m o d u l a t i o nr e f e r e n c es i g n a l ( d m - r s ) u s e df o r d e m o d u l a t i o no fp h y s i c a ld o w r d i n ks h a r e dc h a n n e l ( p d s c h ) t h er e c e i v e ro b t a i n st h e d o w n l i n kc h a n n e li n f o r m a t i o n t h r o u g h t h ed m - r sa n dt h ec h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h m s t h i sp a p e r , b a s e do nt h ed m r so ff o u rt r a n s m i ta n t e n n a s ，c o n s i d e r st h e b a c k w a r d c o m p a t i b i l i t y a n d s y s t e mp e r f o r m a n c e ，a n dp r o p o s e s t o d e v e l o p a d m r s - d e s i g nf o re i g h tt r a n s m i ta n t e n n a so fl t e - a d v a n c e ds y s t e m t h i s p a p e ra l s o s t u d i e st h ec h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n o l o g yo fl t e - a d v a n c e d s y s t e mi nt h em u l t i p l ep a t hc h a n n e le n v i r o n m e n ta n di nt h eh i g hs p e e dt r a i nc h a n n e l e n v i r o n m e n t b ys i m u l a t i n gt h em s ep e r f o r m a n c ea n dt h eb e rp e r f o r m a n c eo fs e v e r a l c o m m o nc h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h m s ，i t c o n c l u d e st h a t a d o p t i n g2 d m m s e a l g o r i t h ma st h ec h a n n e le s t i m a t i o ni n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m si sp r e f e r e di nt h em u l t i p l e p a t hc h a n n e le n v i r o n m e n t d u r i n gt h ep r o c e s so fc h a n n e le s t i m a t i o n ，s i n c et h e e s t i m a t i o nf o rt h ec h a n n e lf r e q u e n c yr e s p o n s eo fr e f e r e n c es i g n a l si g n o r e st h ei n f l u e n c e o fn o i s ec u s t o m a r i l y , i t se s t i m a t i o ne r r o r sc a nr e d u c et h ep e r f o r m a n c eo fc h a n n e l e s t i m a t i o n t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rr e f e r st ot h ep r i n c i p l eo fm m s es i g n a ld e t e c t i o n a l g o r i t h m ，a n da d o p t st h em m s ec r i t e r i o nt oe s t i m a t et h ec h a n n e lf r e q u e n c yr e s p o n s e s o fr e f e r e n c es i g n a l s t h es i m u l a t i o ns u g g e s t st h a tt h i sc h a n n e le s t i m a t i o na p p r o a c hc a i l s i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ec h a n n e le s t i m a t i o nm s ep e r f o r m a n c e g i v e nt h a td o p p e rf r e q u e n c yo f f s e ti st h ep r i m a r i l yi n f l u e n t i a lf a c t o r f o r t h e c h a n n e le s t i m a t i o ni nt h eh i 曲s p e e dt r a i nc h a n n e le n v i r o n m e n t ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa n e wc h a n n e le s t i m a t i o ns c h e m ew h i c hi sc o m b i n e dw i t hf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n s p e c i f i c a l l y , t h ep r o p o s e da p p r o a c hf o l l o w st h r e es t e p s ：f i r s t ，e s t i m a t et h ed o p p e r f r e q u e n c yo f f s e tb yu t i l i z i n gr e f e r e n c es i g n a l so rc p ；s e c o n d ，c o m p e n s a t et h er e c e i v e d i i a b t r a c t s i g n a l sw i t hd o p p e rf r e q u e n c yo f f s e t 。f a c t o ri nt i m ed o m a i n ；a n dt h i r d ，e s t i m a t et h e c h a n n e li n f o r m a t i o nw i t ht h es i g n a l sw h i c hi sc o m p e n s a t e dc o m p l e t e l y t h es i m u l a t i o n r e s u l to fb e r p e r f o r m a n c es h o w st h a tt h ep r o p o s e dn e wc h a n n e le s t i m a t i o na p p r o a c h w h i c hu s e sc pt oe s t i m a t ed o p p e rf r e q u e n c yo f f s e ti sb e t t e rt h a nt h ec h a n n e le s t i m a t i o n m e t h o dw h i c hu s e sr e f e r e n c es i g n a l st oe s t i m a t ed o p p e rf r e q u e n c yo f f s e t ，a n di ta l s o p r o v e st h i sc h a n n e le s t a m a t i o na p p r o a c hi sah i g h l ye f f e c t i v ea n dd e s i r a b l es o l u t i o ni n t h eh i 曲s p e e dt r a i nc h a n n e le n v i r o n m e n t k e yw o r d ：l t e - a d v a n c e d ，c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m s ，r e f e r e n c es i g n a ld e s i g n ， f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n i i i 图形目录 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图1 7 图1 8 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图形目录 l t e a d v a n c e d 的时间安排函2 ( a ) 传统f d m 频谱( b ) o f d m 频谱。4 o f d m 发射机结构。5 典型的信道容量曲线示意图6 l t e a d v a n c e d 无线帧结构6 下行带宽配置结构7 普通循环前缀下物理资源块的定义8 l t e a d v a n c e d 物理层信道流程。9 无线信道中多径传播示意图1 4 散射环境下的天线阵列图2 0 m o 信道抽头延时模型2 1 l t e a d v a n c e d 信道仿真流程图2 2 不同信道环境的1 个无线帧数据对应的时域衰落曲线。2 3 高速铁路下的多普勒频率频移轨迹i2 5 4 根发送天线的d m r s 结构2 8 4 根发送天线的d m r s 映射图示2 9 8 根发送天线的d m r s 结构，o c c = 4 3 0 8 根发送天线的d m r s 结构，o c c = 2 31 e p a 5 信道环境下两种正交码长度的d m r s 的b e r 性能比较3 2 e v a 7 0 信道环境下两种正交码长度的d m r s 的b e r 性能比较3 2 绑定2 r b s 的8 根发送天线的d m r s ：p a t t e r n a 3 4 绑定2 r b s 的8 根发送天线的d m r s ：p a t t e r nb 3 4 e p a 5 信道环境下两种绑定方案与非绑定方案的b e r 性能比较3 5 e v a 7 0 信道环境下两种绑定方案与非绑定方案的b e r 性能比较3 6 4 根接收天线时下行u e 端处理流程。3 7 舰上o f d m 解调及解映射流程3 8 d m r s 扩频发送和接收示意图3 8 信道估计过程的示意图3 9 e p a 5 信道环境下各种信道估计算法的m s e 性能比较4 7 e v a 7 0 信道环境下各种信道估计算法的m s e 性能比较4 8 e t u 3 0 0 信道环境下各种信道估计算法的m s e 性能比较4 8 v l 图形目录 图4 8e p a 5 信道环境下各种信道估计算法的b e r 性能比较4 9 图4 9e v a 7 0 信道环境下各种信道估计算法的b e r 性能比较5 0 图4 1 0e t u 3 0 0 信道环境下各种信道估计算法的b e r 性能比较5 0 图4 11e p a 5 信道环境下改进算法与一般方法的m s e 性能比较5 3 图4 1 2e v a 7 0 信道环境下改进算法与一般方法的m s e 性能比较5 3 图4 1 3e t u 3 0 0 信道环境下改进算法与一般方法的m s e 性能比较。5 4 图4 1 4 多径信道环境下的信道估计解决方案5 4 图5 1高铁信道下各种信道估计算法的b e r 性能比较5 8 图5 2d m r s 参考信号的自相关特性5 9 图5 3 循环前缀示意图6 2 图5 4 采用参考信号估计频偏的信道估计方法示意图；6 3 图5 5 高铁环境下采用参考信号估计频偏的信道估计方法的b e r 性能比较6 5 图5 6 采用c p 估计频偏的信道估计方法示意图6 5 图5 7 高铁环境下采用c p 估计频偏的信道估计方法的b e r 性能比较6 6 图5 8高铁环境下采用参考信号和c p 估计频偏的信道估计方法的b e r 性能比较 6 7 v u 表格目录 表格目录 表1 1 上下行配置7 表1 2 系统带宽与资源块数目的关系8 表2 1 协议3 6 1 0 1 中定义的不同信道环境1 7 表2 2 协议3 6 1 0 1 中定义的不同信道环境多径时延参数1 7 表2 3 不同信道环境的最大多普勒频移值1 7 表2 4e n o d eb 相关矩阵1 8 表2 5u e 相关矩阵1 8 表2 6 不同天线配置下的空间相关矩阵定义1 8 表2 7 不同相关度下的0 【和p 值1 9 表2 8 高速铁路场景的参数：2 4 v i l i 第一章l t e - a d v a n c e d 综述 第一章l t e - a d v a n c e d 综述 1 1 本文的研究背景 当前，在中国移动、中国联通和中国电信的积极推动下，t d s c d m a 、 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 等3 g 网络正在全国各地进行广泛部署，而作为呼声甚高的 后3 g 标准l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ，长期演进) 是第三代伙伴项目( t h i r d g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ，3 g p p ) 近年来启动的最大的新技术研发项目，被视 为移动通信系统向下一代演进的主流技术。目前，l t e 标准已基本完成， l t e a d v a n c e d 标准化工作正在紧锣密鼓地展开。 然而，标准的制定与产业部署都要遵循“部署一代、研发一代、准备一代”的规 律与准则，当前3 g 进入到部署阶段，l t e 进入到研发阶段，l t e a d v a n c e d 也进 入到了准备阶段。 每一种新标准的提出，都分为两种模式：对原来标准的继承、发展之后进一 步做出改进和完善；对原有标准革命性、颠覆性地进行创新。l t e 相对于w c d m a 、 t d s c d m a 等3 g 技术而言，由于在物理层做出了极大的创新，其革命性和颠覆 性更强。而l t e - a d v a n c e d 是l t e 的增强技术，相对来讲，则继承性较强，它保留 了l t e 的核心，并在此基础上进行了许多外围扩展，比如增加带宽、空间维度上 的进一步增强等。目前3 g p p r a n l 的工作重点已经逐步转向l t e a d v a n c e d ，r a n 其他各工作组也将逐渐增加在l t e a d v a n c e d 方面的投入。 i 2l t e a d v a n c e d 项目进展情况 2 0 0 8 年3 月，在l t e 标准化接近尾声时，一个在l t e 基础上继续演进的项目 l t e a d v a n c e d 项目又拉开了序幕。如果l t e 是“准4 g ”技术，那么 l t e a d v a n c e d 则是名正言顺的“4 g ”技术，因为此项目的启动事实上是为了满足 i t u ri m t - a d v a n c e d 技术征集的需要【l j 。 i t u r 于2 0 0 8 年1 月向全球征集i m t - a d v a n c c d 技术，各个技术阵营于2 0 0 8 年年底开始向i t u r 提交i m t - a d v a n c c d 技术提案。3 g p pl t e 作为当前最受关注 的移动通信标准，其向i m t - a d v a n e e d 的进一步演进是毋庸置疑的。3 g p p 也将利 用这一演进来巩固l t e 标准在未来市场竞争中的优势地位。随着3 g p p 中 l t e a d v a n c e d 技术讨论的逐渐展开，3 g p p 产业界对l t e a d v a n c e d 的需求和技术 重庆邮电大学硕士论文 演进的看法也日渐明朗。 l t e a d v a n c e d 工作的时间安排如下图所示。2 0 0 8 年年初，i t u - r 新成立了 w p 5 d ( 第5 d 工作组) ，负责i m t - a d v a n c e d 技术的征集和评估。w p 5 d 第一次会 议发出了征集i m t - a d v a n c e d 技术的通函，标志着i m t - a d v a n c e d 技术征集拉开了 序幕。2 0 0 8 年3 月初，3 g p pr a n 全会通过了l t e a d v a n c e d 的立项申请， l t e a d v a n c e d 的相关工作正式开始。 图1 1l t e a d v a n c e d 的时间安排 4 月初，t s gr a n 通过组织讨论会( w o r k s h o p ) ，收集各公司在l t e a d v a n c e d 需求和技术方面的观点，初步明确了基本需求和研究方向。r i u rw p 5 d 于2 0 0 8 年6 月召开第2 次会议，最终确定了l t e a d v a n c e d 技术需求指标，l t e a d v a n c e d 技术指标全面高于i m t - a d v a n c e d 。r a n l 已于2 0 0 8 年7 月开始了l t e a d v a n c e dt r 的起草工作。从长期实践目标来看，l t e a d v a n c e d 于2 0 0 9 年9 月完成玎u r 的 提案提交工作。接下来，r r u r 将开始进行评估和一致性构建，最后进入规范起草 阶段，当这个过程于2 0 11 年初结束时，l t e a d v a n c e d 也将基本完成。 1 3l t e a d v a n c e d 下行物理层概况 1 3 1l t e a d v a n c e d 系统的特点 作为向下一代移动通信系统演进的主流技术，l t e 改进并增强了3 g 的无线接 入网络，以期达到更高的数据传输速率和频谱效掣2 1 ，即在2 0 m h z 频率带宽上提 供下行1 0 0 m b i t s 的峰值速率。为了达到这目标，l t e 在下行物理层进行了彻底 2 第一章l t e - a d v a n c e d 综述 的技术演进，打造了基于正交频分复用( o f d m ) 和m i m o 技术的全新物理层【3 】。 这两项技术代表了未来宽带无线技术的发展趋势，大大提高了通信系统传输速率 和频谱使用效率，同时也对下一代用户设备u e ( u s e re q u i p m e n t ) 端信号处理提 出了新的要求。而作为l t e 的增强技术一i ，t e a d v a n c e d ，主要在以下几个方面 做出了新的提升和增强： 首先是通过对频域进行扩充，迸一步提高带宽。因为i m t - a d v a n c e d 峰值速率 的指标要求支持最大1 0 0 m h z 的带宽，而l t e 的最大带宽是2 0 m h z ，不能满足 i m t - a d v a n c e d 的要求，所以需要扩充到更高带宽，比如4 0 m h z 、6 0 m h z ，甚至更 高。提高带宽和峰值速率的方法之一是对频域进行扩充，即把几个基于2 0 m h z 的 l t e 捆绑在一起，通过“频谱聚合( s p e c t r u m a g g r e g a t i o n ) ”的方式将多个离散的频 谱联合在一起使用来增强带宽【4 l 【5 1 。 第二种方法是通过增加天线数量以提高峰值频谱效率，即利用空间维度进行 扩充。目前最直接的方法是在基站站点上增加天线数目即采用更高阶的 m i m o 技术。在l t e 阶段可以做到在基站侧设置4 根天线，终端侧设置4 根接收 天线和2 根发射天线，这样只能做到下行4 发4 收、上行2 发4 收。为了进一步 提高峰值频谱效率，l t e a d v a n c e d 基站侧将增加到8 根天线、终端侧增加到8 根 接收天线和4 根发射天线，这样就可以做到下行8 发8 收、上行4 发8 收，则 l t e a d v a n c e d 的峰值频谱效率有望比l t e 有进一步提升，达到下行3 0 b p s h z 和 上行1 5 b p s h z 6 。但这样大的天线数量在实际部署中是否现实，是很值得商榷的， 因此应首先将工作重点放在4 x 4 天线以下的天线配置上。 除了以上方法，对空域的扩充还有两种方法：第一种是r e l a y ( 无线中继) 技术 【4 】；第二种是多点协同，即c o m p 技术【7 1 。这两种技术尽管也是进一步利用空间的 维度进行扩充，但是其设计思路更加开阔，不仅仅是在原有站点上增加天线，而 是增加一些新的站点。集中在单个站点上增加天线的方法可以看作是一种集中式 的多天线技术，而通过增加新站点来增加天线的方法则是一种分布式多天线技术。 下面将对l t e a d v a n c e d 系统的物理层关键技术o f d m 技术和m i m o 技 术进行阐述。 1 3 1 1o f d m 技术 在新一代宽带无线通信系统中，o f d m 技术逐步取代单载波扩频技术( 如 c d m a ) 而成为主流的基本发送技术。较早采用o f d m 技术的包括数字音频广播 ( d a b ) 和数字视频广播( d v b ) 。随后，宽带无线接入系统i e e e8 0 2 1 l g a 、 8 0 2 1 6 d e 、8 0 2 2 0 以o f d m o f d m a 技术为基础。而目前的3 g p pl t e 技术和 重庆邮电大学硕士论文 l t e a d v a n c e d 系统也选用更适合宽带传输的o f d m 技术。 频分复用频分多址( f d m f d m a ) 技术将宽带的频带分成若干较窄的子带 ( 子载波) 进行并行发送，这是最朴素的实现宽带传输的方法。为了避免各个载 波之间的干扰，不得不在相邻的予载波之间保留较大的间隔( 如图1 2 ( a ) 所示) ， 这大大降低了频谱效率。因此，频谱效率更高的t d m t d m a ( 时分复用时分多 址) 和c d m c d m a ( 码分复用码分多址) 技术成为了无线通信的核心传输技术。 但近几年，由于数字信号处理技术f f t ( 快速傅立叶变换) 的发展，使f d m 技术 有了革命性的变化。f f t 允许将f d m 的各个子载波重叠排列，同时保持子载波之 间的正交性( 以避免子载波之间的干扰) o 如图1 2 ( b ) 所示，部分重叠的子载波 排列方式可以大大提高频谱效率，因为相同的带宽内可以容纳更多的子载波【8 】。由 此，o f d m 技术从实际上得以应用。 f 1g f 3f 4f 5 毛 f lf 2f 3f 4 f 5 f 6 塞 ( b ) 图1 2 ( a ) 传统f d m 频谱( b ) o f d m 频谱 o f d m 发射机结构如下图所示：将经过编码调制后的符号数据流，串并变换 后映射到频域的m 个子载波上，经过快速反傅立叶变换( 巧f t ) 将m 个并行子载 波上的频域信号转换到时域，i f f t 输出的o f d m 符号为有个采样点的时域信号 ( n 为i f f t 长度，n m ) ，即m 个子载波上时域信号的合成波形。然后在每个 o f d m 符号之间插入一个循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) ，使得在多径衰落环境下 保持子载波之间的正交性。插入c p 就是将o f d m 符号末尾处的若干个采样点复 制到此o f d m 符号的前面，c p 长度必须长于主要多径分量的最大时延扩展。最后 经过并串转换完成o f d m 调制。 4 第一章l t e a d v a n c e d 综述 l+ 频域 l + 子载 廿 o f - 串 + 波映i f f t 卜躺h 黝制件 串并 射 i + + i o f d m 调制 图1 3o f d m 发射机结构 o f d m 接收机的结构大致为发射机的逆过程，其核心部分就是f f t 处理，经 过f f t 处理之后，时域信号就被还原到频域，得到每个子载波上的发送信号。 1 3 1 2m o 技术 为了满足l t e a d v a n c e d 在高数据率和高系统容量方面的需求，l t e a d v a n c e d 系统支持下行应用多输入多输出( m m 0 ) 技术，包括发送分集、空间复用和波束 赋形。在l t e 中应用m i m o 技术的下行基本天线配置为2 x 2 ，即2 天线发送和2 天线接收，最大支持4 天线的下行传输。为了进一步提高峰值频谱效率， l t e a d v a n c e d 基站侧将最大增加到8 根发送天线、终端侧增加到8 根接收天线， 这样就可以做到下行8 发8 收。 发送分集的主要原理是利用空间信道的弱相关性，结合频率时间上的选择 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。 波束赋形技术是一种应用于天线阵列间距较小的多天线传输技术，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方向性较强的辐射方向图， 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，其主要工作机理是 在多个相互独立的空间信道上传递不同的数据流，从而提高数据传输的峰值速率。 这3 种技术对空间信道的要求不同，其应用场景也有所不同。如下图所示的 典型信道容量曲线，在低信噪比区域的斜率比较大，应用波束赋形和发送分集技 术可以有效地提高接收信号的信噪比，从而提高覆盖范围或者传输速率；而在高 信噪比区域，容量曲线接近平坦，提高信噪比已无法明显的改善传输速率，此时 则可以应用空间复用技术来提高传输速率【9 】。 重庆邮电大学硕士论文 佰噪比 图1 4 典型的信道容量曲线示意图 1 3 2 下行物理层帧结构 l t e a d v a n c e d 在空中接口上支持两种帧结构【1 0 】，上下行发送的无线帧时长都 为1 0 m s ，一种应用于f d d 系统，另一种应用于t d d 系统，这里我们只分析应用 于t d d 系统的帧结构，如图1 5 所示： ， = - 个半帧z = 5 。 疗s 时隙0 5 、川j l 脚，i 、一 手帧o卒帧2 孚帧3孚帧4孚帧5手帧7孚帧8孚帧9 图1 5l t e - a d v a n c e d 无线帧结构 t d d 系统帧结构与t d s c d m a 系统帧结构类似，都包含d w p t s ，g p 和u p p t s 特殊时隙，这也是考虑到l t e a d v a n c e d 系统对t d 的兼容性要求。 每个无线帧由两个时长为5 m s 的半帧组成，每个半帧由8 个时长为o 5 m s 的 常规时隙和三个特殊时隙( d w p t s ，g p 和u p p t s ) 组成。d w p t s ，g p 和u p p t s 的总时长为l m s ，具体每一部分的时长由协议3 6 2 1 1 做了专门的配置。子帧1 和 子帧6 包含d w p t s ，g p 和u p p t s 。其余的子帧都由两个时隙构成，例如子帧f 由 时隙2 f 和2 i + 1 构成。子帧0 、5 和d w p t s 通常留作下行传输。用作下行传输的 子帧和用作上行传输的子帧之间由一个转换点分开。上下行转换点的周期可以为 5 m s ，也可以为1 0 r n s 。对于5 m s 的上下行转换点周期，u p p t s 和子帧2 、7 留作 上行传输。对于1 0 m s 的上下行转换点周期，d w p t s 存在于一个无线帧的两个半 第一章l t e - a d v a n c e d 综述 帧中，而g p 和u p p t s 只存在于第一个半帧中，d w p t s 在第二个半帧中的持续时 间为l m s 。u p p t s 和子帧2 留作上行传输，子帧7 到9 留作下行传输。具体的上 下行配置见表1 1 ，d 代表下行，u 代表上行，s 代表包含三个特殊域的子帧。 表1 1 上下行配置 c o n f i g u r a t i o ns w i t c h - p o i n tp e r i o d i c i t y s u b f r a m en u m b e r ol23456789 o5 1 1 1 5dsuuudsuuu l5m sds uuddsuud 2 5m sdsudddsudd 31 0m sdsuuud d d dd 41 0m sdsuuddd ddd 51 0r 璐dsudddd d dd 65 眦 。 dsuuudsu ud 1 3 3 系统带宽与下行物理资源块 1 3 3 1 系统带宽 o f d m 物理信号传输需要占用一定的信道带宽，l t e a d v a n c e d 系统中物理资 源以物理资源块( p h y s i c a lr e s o u r c eb l o c k ，p r b ) 的形式定义，单个物理资源块占 用1 8 0 k h z 的传输带宽，在具体的传输信道环境中，物理资源块与信道带宽之间有 如下关系【l l 】： 信信道带宽( m i - - i z ) - 7 1 配置传输带宽 r b l： 1 1 传输带e r b i 信 信 i - o ! 道 i 边 道 型竺鬯竺! ! ! ! 竺一 界 边 jl 界 瓷 、 源 块 ，lj k 占用资源块 图1 6 下行带宽配置结构 如图可见，在一定的信道带宽中可以配置若干物理资源块，一般来说，配置 7 重庆邮电大学硕士论文 物理资源块的传输带宽之和并不等于信道带宽，而是留有冗余，主要考虑了不同 信道边界的隔离保护。而且分配的传输带宽中的子载波也不是全部利用，比如在 带宽中心位置上的载频处所对应的子载波，由于对应基带信号的直流( d i r e c t c u r r e n c y ，d c ) 分量，为了避免对接收滤波带来的影响，常常空置。系统还考虑 了保护带，即边缘处对应基带信号高频分量位置被空置。 在3 g p p 协议中【l l 】定义了下行系统带宽从1 4 m h z 到2 0 m h z 可选，以适应不 同应用场景。系统带宽不同时对应的资源块数对应关系如表1 2 所示，可以看到， 并不是系统带宽上的所有载波用于传输，而是留有一定冗余，用于系统保护带。 表1 2 系统带宽与资源块数目的关系 c h a n n e lb a n d w i d t h 1 4351 01 52 0 b 、 ，c h 。叫【m i - i z l 61 52 55 07 51 0 0 1 3 3 2 物理资源块 根据o f d m 调制特性，下行物理资源是时频二维的，即子载波个数和o f d m 符号数。在下行信号时频结构中，最小单位为物理资源单元( r e s o u r c ee l e m e n t ， r e ) ，即一个o f d m 符号内的一个子载波。l t e a d v a n c e d 中在进行下行数据传输 时，将时频域物理资源单元组成物理资源块，作为进行调度与分配的物理资源单 位【1 0 】。 一十下乏竺! 墨氅o 5 墅 警 , i n 耘 壅 1 一o ，一7 图1 7 普通循环前缀下物理资源块的定义 8 箐譬番士篝掣n一 第一章l t e - a d v a n c e d 综述 图1 7 反映了普通循环前缀( n o r m a lc p ) 下物理资源块的时频分布。一个p r b 在频域上包含1 2 个连续的子载波，子载波间隔1 5 k h z ( 在m b s f n 情况下可能为 7 5 k h z ) ，在时域上包含7 个连续的o f d m 符号( 在扩展循环前缀情况下为6 个) ， 即频域宽度为1 8 0 k h z ，时间长度为一个时隙，即0 5 m s 。在以下的分析中，都将 以普通循环前缀下的物理资源块为基础。 1 4l t e a d v a n c e d 物理层信号流程 l t e a d v a n c e d 系统物理层下行链路的信号流程如下图所示： e n o d e b + 囤一 厂、 多， l x 黼同、 ! 同弼弱巧司广砑面丽g 映射l调制 j 空时编码 商 星 ，l 屠 - r x 阿画u 硒画w i l _ 厂硎篡荔h 俐鼎口 h 立v u e 噬兰竺! l 图1 8l t e - a d v a n c e d 物理层信道流程 基站( e n o d e b ) 端根据物理层协议3 6 2 11 完成下行链路发射端通用处理流程。 模拟数据源随机产生的0 ，1 比特经过信道编码、加扰后通过调制生成数据符号。 l t e a d v a n c e d 下行支持b p s k 、q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 四种调制方式，用于不 同物理信道和不同传输速率。调制后的符号被映射到一层或多层上，层映射是根 据“发送分集”或者“空间复用”采用不同的映射矩阵。预编码将数据从层映射到各个 天线端口，它通过把层映射的输出数据乘上一个预编码矩阵来完成的，具体的预 编码矩阵和层映射方式相对应【1 0 】，共同完成发射分集或者空间复用等不同m i m o 传输方式。对单天线发射而言，这一过程可以省略，数据符号直接进入下一步骤。 下行参考信号d m r s 根据协议产生，产生的参考信号首先进行正交码扩频，然后 映射到