（通信与信息系统专业论文）基于匹配滤波的lte小区搜索技术研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于匹配滤波的l t e 小区搜索技术研究 l 1 飞小区搜索就是移动终端开机以后，首次取得与服务小区的时频同步及获取小区i d 的过程。这是一个非常关键的过程，因为它是用户终端与基站建立通信链路的前提。只有 与小区取得同步，才能接收并解调基站所发送的信息，只有获取小区i d ，才能过滤其它小 区发送的信息。由于与传统的3 g 系统不同，l 1 e 系统需要支持1 2 5 m h z 2 0 m h z 的系统 带宽，因此l 1 飞小区搜索的同步问题，不能靠信道扫描来实现，这就需要对l t e 小区搜 索技术进行进一步的研究。 为了实现l t e 小区快速准确的搜索，本文首先从o f d m 同步技术及u e 小区识别技 术入手，分析了o f d m 系统中同步误差对系统性能的影响，并研究了目前常用的非数据辅 助和基于数据辅助的同步算法。非数据辅助的同步算法虽然具有频谱利用率高，及有效数 据传输速率高的优点，但是这类算法计算量大、捕获时间长，精度不高，而且对于多径时 延扩展比较大时，这种算法失效。而基于导频的同步算法需要占用更多的频谱资源，所以 本文主要研究了基于训练序列的同步算法，这种算法具有捕获快、精度高、灵活性强的优 点。为了快速获得小区标识，本文还采用了小区分组技术。 本文重点研究了现有的m 小区搜索改进算法的性能，并提出了一种简化的l t e 小 区搜索方案：( 1 ) 由于接收信号会发生定时偏差和小数倍频偏，可以通过本地的主同步信 号( p s s ) 对其在时域进行匹配相关运算，根据峰值判决检测，实现半帧的粗定时、小数 倍频偏及小区i d 的估计。( 2 ) 如果根据半帧粗定时的位置获取0 f d m 符号，然后进行f f t 变换到频域，那么频域的采样数据将会发生整数倍的偏移，而且还会因为定时的偏差附加 一个相位因子，由此可以通过变换域的方法，对定时残留偏差和整数倍频偏进行联合估计， 从而减少了算法的复杂度。( 3 ) 因为小区搜索采用了分组的策略，所以还需要检测出所属 的小区i d 组，此外还要确定帧的起始位置。这就需要用辅助同步信号( s s s ) 来实现。为 了使算法适用于t d d 和f d d 两种双工模式，本文没有采用相干检测获取s s s ，而是通过 本地的s s s 与接收信号进行匹配相关运算而获取。该算法能够在较短的时间内实现小区准 浙江工业大学硕士学位论文 确搜索。 最后，根据常见的通信场景下的信道模型，对本文所提出的小区搜索方案进行了可行 性研究，并做了初步仿真，证明了算法的有效性。文章最后对本文进行总结，指出了尚存 在的问题，并对进一步的研究进行了展望。 - ， 关键词：l 1 陋小区搜索，变换域，小区分组，主同步信号，辅同步信号 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ni j ec e l ls e a r c h t e c h n i q u e s b a s e do nm a t c h e df 1 1 月e r r i n g a b s t r a c t l t ec e us e a r c hi s 钌1 ef i r s ts t e p 蠡竹m em o b i l es 切畸o nt 0g e tm et i m e 锄d 能q u e n c y s y n c h o n i z a t i o n a n da c q u nm ec e ui d 1 1 1 i s i sav e 巧c i r i t i c a lp r o g r e s s ，b e c 龇s ei ti s 廿1 e p r e m i s ef 1 0 r 伍eu s c rt 0e s t a 【b l i s ht h ec o m n 删c a t i o nl i n | 【sw i t l lt h eb a s es t a t i o n o n l yw i t hm e a c q u i s i t i o no ft h es ) ，n c h r o n i z 撕0 na n dc e ni d ，i n f 0 】胁a t i o ns e n db ym eb 嬲es t a 肛0 nc 锄b e r e c e i v e d 加dd e c o d e da tt h er e c e i v e r 锄do t l l e fi n 】研n 掇t j o ns e n db yo m e rb a s es t a t i o n sc 髓b e f i l t e 硎晰t 1 1t h ed i 毹r e n c e 舶m 衄d i t i o n a l3 gs y s t e m s ，l r ec 伽舢i c 撕0 ns y s t 锄n e e d st 0 s u p p 嘣t h es y s t e mb a n d w i d m e s 删a g e 舶m1 2 5 m h zt 02 0 m h z s o t 1 1 es ) ，n c h r o n 幻狃t i o n 蠡竹l 1 _ e s y s t e mc 觚n o tb ea c h i e v e db ys c a n n i n g 也ec h 锄e l ，w h i c hr e s u l t si 1 1 t om e 缸r d l c rr e s e a r c h0 n i j ec e us e a r c h 二， i no r d e rt 0a c h i e v et h el 1 mc e us e a f c hf ；l s t 锄da c c 啪钯1 y ，m i s 也e s i ss t a n e dw i t ht t l es 伽y o f 也es y n c h r 0 】也a t i o na l g 耐也l na n dt h ec e l li dd e t e 嘶0 na l g 嘶t h m ，m 明t l l ei m p a c t0 no f d m s y s t e i nb y 吐地s ) r n c h r o n i z a t i o ni s 觚a l y z e d - n 0 td a a i d e ds y n c h r o 】缸z a t i o na l g 硎t h ma n d d a t a - a i d e ds y n c h i 0 1 1 i z a t i o na l g 嘶t 量l ma f eb o ms t u d i e d ，a n dm ef 1 0 m e rh 嬲t h e 酞l v a n t a g e so fh i g h d a t ar 如a n ds p e c 仃a le 伍c i e n c y ，b mi tb 血g sa b o u tt h ep r o b l e n l so fc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i 饥 l o n ga c q u i s i t i o nt i m e ，觚dl o w c l l r a c y ，e v e ni nm es c e n eo fl a 玛em u l t i - p a md e l a y ，m i s a l g 嘶t h mi sd i s a b l e d t h el a t t e rn e e d st 00 c c u p ym o r es p e c 仇胁r e s o u e s i nm i sn l e s i st 1 1 e s ) ，n c h r o n i 盟t i a l g o r i t l l mb a s e d0 n 的i n i n gs e q u e n c ei s s t u d i e de s p e c i a l l y w r h i c hh 硒t h e a d v a n t a g e so f h i g hc a p t u r es p e e 也a c c 眦a c y ，姐dn e x i b i l i 够f 0 rt l l eq u i c ka c q u i s i t i o no fc e l li d ， c e l lg m u pa l s oa d o p t e d t h e 也e s i sa l s of o c u s e so nm ei m p r 0 v e m e n ta l g o r i m me x i s t i n g ，a n dp r o p o s e das i m p l i f 论d u ec e l ls e a r c hs c h e m e ：( 1 ) s i n c et h et i i n i n gd e v i 撕0 na n d 觎c 廿o m l & q u c yo 凰e tw i l l o c c u n e di n 也er e c e i v e ds i g 船l ，t h eh a l f 五砌ec o a i s et i m i n g ，f f o ，a n dc e l li dc a nb ee s t i m a t e d a c c o r d j 卫gt 0t 1 1 ep e a kd e t e c t i o no fm ec o r r e l a t i o nv a l u e so ft h er e c e i v e ds i 印a lb y1 0 c a lp d m a d r s y n c l 玳) n i z a t i o ns i g m l ( p s s ) ( 2 ) i fw eg e t 也eo f d ms y l n b o l s 舶mm ep o s i t i o nb y 也eh a l f 如m e 缸l i n g ，t l l e n 缸a n s f o mi ti n t ot l l e 丹e q u e n c yd o m a i nb yf f t m es 锄p l e so 凰e tw i l l o c c 峨d ，a n dap h a s ef a c t o rw i l la 位a c h e df o rt h et i m i n ge r r o r i nv i e wo ft h ep r o b l e i 玛锄j o 血 i i 浙江工业大学硕士学位论文 e s t i n l a t i o no ft i m i n g 册觚d 缸e g e r 舶q u e n c yo 魅e ti sl l s e dt or e d u c et h ec o m p l 嘲够o fm e a l g o r i m m ( 3 ) 1 钛ei n _ t 0t 1 1 es 僦l t e g yo fc e l l 铲0 u p ，c e u 粤伽pi ds h o u d b ed e t e c t e d ，b e s i d e s ，也e 纳m es 觚i 1 1 9p o s i t i o nn e e dt 0b ed e t e m i n e dw h i c hc 姐b ea c h i v e db yt h es e c o n d a 巧 s y n c h r o n i z a t i o ns i g n a l ( s s s ) f o rt 1 1 es a k eo f 印p l yt 0b o 也o ft h et w od u l p l e xm o d e st d da n d f d d ，l i sm e s i sl o c a t e s 也es s sb ym a m i n gm el o c a ls s sw i 也m er e c e i v e ds i 盟a l ，i n s t e a do f c o h e r e n t ( 1 e t e c t i o n f i i l a l l y ，u n d e r 也es c e n 撕o so f 也ec 0 咖0 nc o 删n u n i c 撕0 n ，f e a s i b i l i 锣s t i l d y t h el t e c e l ls e a r c hs c h e m ei sc a r r i e do u t ，姐ds i i n u l a t i o n sp r 0 v eo ft h ev a l i d i t ) ro ft h ea l g o r i m m i i lm e e n 也t 1 1 i st h e s i ss 啪咖撕z e d 也ew o r kih a v ed o n e ，p o i n t e do u tt 1 1 er e m a i n i n gp r o b l e m sa n dg a v e s o m ep r o s p e c tf o rt l l en e x tp h 弱eo f w o r k k e y w o r d s ：mc e l ls e a r c h ，眦s f 0 衄d o m a i 玛c o m 咖m i 够g r o u p s ，m a i ns ) r n c h r o n i z a t i o n s i 印a l ，c o n ( 1 a 巧s i 印a l 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 。 1 1 课题的研究背景 2 0 世纪9 0 年代以来，g s m 等数字移动通信网络获得广泛普及，语音通信业务在全球 范围内迅速发展。随着点到点的通信业务向人与人的通信业务的转变，个人通信越来越受 到重视。同时在线游戏、多媒体消息、音乐下载、视频点播、移动电视等数据业务越来越 受到客户的青睐。g s m 网络逐步演进到g p r s e d g e 、w c d m a h s d p i a 网络，以适应多 样化的通信业务。 2 0 0 9 年1 月7 日，工业和信息化部分别向中国移动、中国电信及中国联通发放了第三 代移动通信牌照，即中国移动的t d s c d m a ，中国电信的c d m a 2 0 0 0 ，中国联通的 w c d m a ，这标志着我国正式进入3 g 时代。目前，第三代移动通信技术( 3 g ) 已渐成熟 并大规模商用。不仅在传输语音和数据的速度上获得提升，而且能够在全球范围内更好地 实现无线漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会 r 一 ， 议、电子商务等多种信息服务，同时与第二代系统向下兼容。 3 g 是移动通信与宽带无线接入技术的融合的产物，然而，3 g 却不能满足客户的需求， 用户期望在任何时间任何地点可以获得不低于l m b p s 的无线接入速度，小于2 0 m s 的传输 延迟，高速移动环境下实现全网无缝覆盖，较为理想的q o s ，而且要求终端设备和服务比 较廉价。显然目前的3 g 网络是难以达到这些要求的，而且由于成本过高，难以大规模商 用。 为了提高无线网络的传输速率，w i f i ( i e e e8 0 2 1 l b ) 这种通过热点覆盖的联网技术 应运而生。它通过无线网卡和接入点( a p ) 就可以实现热点范围内的无线通信，大大节省 了设备成本。w i f i 在2 4 g h z 频段上支持的最高速率可以达到5 4 m b p s 。另一种宽带无线 连接方案是w i m a x ，它能够在比w i f i 更广阔的地域范围内提供“最后一公里”宽带连接 性。w i m a x 采用正交频分多址( o f d m a ) 访问和多个输入多个输出( m i m o ) 智能天线技术， 所能提供的最高接入速度是7 0 m b p s ，这个速度是3 g 所能提供的宽带速度的3 0 倍，而且 可以为5 0 公里线性区域内提供服务。因此w i m a ) ( 在标准化进度上获得领先并迅速发展， 也曾受到业界的关注。 为了应对w i m a x 标准的市场竞争，更为了实现移动通信宽带化，2 0 0 4 年1 1 月， 一l一 浙江工业大学硕士学位论文 3 g p p ( 第三代合作伙伴计划) 在加拿大多伦多举办的3 g p p 接入网演进学术讨论会( r a n e v o l 而0 nw 0 r l 曲叩) 上开始了3 g p pu e ( l o n gt e 衄e v o l u t i o n ) 的研究，参与无线通信技 术的竞争。同年1 2 月正式成立了l t e 研究项目( s t u d yi t e m ) ，明确了研究项目的目标：3 g p p 无线接入技术向着“高数据速率、低系统延迟和优化分组业务”的方向演进。2 0 0 6 年9 月， 研究阶段结束，明确了l 1 陋需求、空中接口技术和接入网结构等。之后开始了3 g p p 工作 项目，进入标准化工作阶段，到2 0 0 8 年底结束，并在2 0 0 9 到2 0 1 0 年实现系统商用。在 研究m 的同时，3 g p p 启动了s a e ( s y s t e m a r c h i t e c t u r ce v o h l t i o n ) 的研究项目，从而共 同构建了3 g p p 的系统的整体演进。3 g p pl 1 e 以0 f d m ( 正交频分复用) 为核心，并采用了 m i m o ( 多输入多输出) 、s d m a ( 空分复用) 、s t b c ( 时空分组码) 等技术，以达到如下主 要性能目标：可灵活配置1 2 5m h z 到2 0 m h z 的多种带宽，并支持成对或非成对频谱；在 2 0 m h z 频谱带宽条件下能够提供下行1 0 0 m b p s 、上行5 0 m b p s 的峰值速率；改善小区边缘 用户性能；提高小区容量；降低系统延迟，用户平面内部单向传输时延小于5 i 璐，控制平 面从睡眠状态到激活状态迁移时间小于5 0 m s ，从驻留状态到激活状态的迁移时间低于 1 0 0 麟；能够提供l o o l ( 1 n 半径的小区覆盖；可以为3 5 0 舢高速移动用户提供大于l o o k b p s 的接入服务。 1 2 课题的研究意义与现状 在蜂窝移动通信系统中，移动终端( u e ) 开机上电以后，通过下行同步信道，获取与 服务小区之间的时间和频率同步，并检测提供服务的物理小区i d ，这一过程称为小区搜索。 由于小区搜索过程是u e 接入通信网络的第一步，是一个非常重要非常关键的过程。首先 需要搜寻周边可能存在的小区，并通过某种算法获得性能最优的小区i d 。只有获得小区i d ， 并取得与服务基站的同步后，才能实现注册，以获得所属小区的更多信息，也才能获取相 邻小区的有关信息。只有成功登陆小区之后，才能监听、寻呼及发起呼叫等。 由于l 1 陋系统采用高效的o f d m 传输方式，所以和基站建立时频同步的过程也就是 o f d m 系统实现时频同步的过程。在3 g 移动通信系统中，由于存在不同的技术及系统架 构，分别采取了不同的小区初始同步技术。c d m a 2 0 0 0 系统首先获取导频信息，建立p n 码同步和符号同步，然后通过同步信道实现帧同步和扰码同步。w c d m a 系统的初始同步 则首先通过基本同步信道实现p n 码同步和符号同步，再对辅助同步信道的不同扩频码进 行非相干接收，识别扰码组号等，最后通过对所有的扰码进行全局搜索，建立扰码同步。 由于当前小区搜索技术大多都是针对c d m a 为核心技术的3 g 系统，而l 1 卫系统的发 浙江工业大学硕士学位论文 生了变革，整个系统架构趋于扁平化，以往针对c d m a 为核心技术的3 g 系统的小区搜索 方案不再适合。因此，3 g 中的小区搜索算法不能直接用于l t e 系统中，这就要求寻找一 种新的小区搜索方案。 m 下行信道采用了正交频分复用技术( o f d m ) ，它具有频谱利用率高，抗符号间干 扰能力强，均衡简单等优点，被制定为u e 的下行调制方案。然而，o f d m 技术存在峰 均功率比( p a j p r ) 大，对定时和频率偏移敏感等缺点。o f d m 符号由多个正交的子载波信号 叠加而成，因此确保这种正交性对于o f d m 系统来说是非常重要的。另外为了对接收信号 进行准确的解调，也需要确定接收数据符号的起始时刻，因此准确的符号定时和载波频率 同步是非常重要的。下面详细分析o f d m 符号定时偏差及频偏对系统的影响。 l 、定时偏差对系统的影响 在信号接收端，要正确解调连续到来的信息序列，必须找到o f d m 符号的正确位置， 否则就会引起定时同步误差。而定时同步误差会导致子载波相位旋转，且旋转的角度跟载 波频率成正比。 假如不考虑噪声影响，当f f t 窗中包含第i 1 个o f d m 符号的第0 到秒一1 个样点，以 及第i 个o f d m 帧的第矽到n 1 个样点，对窗体内的n 个样点值作f f t 变换得到： = 寺( ，；q ，肿句叔p ( 0 2 万被) + ，；扩一e x p ( 一，2 万旆加) 月= 0n = 口 2 专( 荟，；，j le x p ( 2 册州) e x p ( 一_ ，2 舭加+ ( 1 - 1 ) ( 勘+ 句一，；，。) e x p ( 一_ 2 万以七忉 = h t 3 i l e 醑沿冗9 k | 七i k 其中， 凸- 1 厶= ( 铀一+ 句一，1 ) e x p ( 一j 2 石础忉 ( 1 2 ) 刀= o 由上式可以看出，定时误差使接收信号产生了2 棚七的相位旋转，同时产生符号间 干扰。如果不考虑，；一l ，一矽+ 刀与巧，刀的相关性，煦发送信号的能量为可以得到损失的信噪 比【1 2 】： 邶) - 1 0 o g l o ( + 等。静 其中b o 为实际信号的信噪比。 如果符号定时在c p 范围内，那么子载波之间的正交性不会遭到破坏，定时误差只是 引起一个相位差，这个相位差可以在频域估计出来。但是如果得到的o f d m 符号起始位置 一3 一 浙江工业大学硕士学位论文 超出了c p 范围，则当前采样的o f d m 符号就会包含一些其它的o f d m 符号的采样点， 那么f f t 输出数据会产生码间干扰，严重降低系统性能。 2 、载波频偏对系统的影响 设发送信号为 毛：艺以p ，等_ b i 一 其中以为发送o f d m 符号的星座映射。那么接收信号可以表示为 必，丝丝，垫坚 虼= 五吼可p 。可+ ( 1 5 ) 式中吼为信道响应，嵋为加性高斯白噪声，占为载波频偏，包含两部分，即整数倍频偏 ( i f o ) 和分数倍频偏( f f o ) ，可以表示为 占= 占，+ 毛 ( 1 6 ) 其中占，为分数被频偏，岛为整数倍频偏。下面分别分析i f o 及f f o 对系统的影响。 对接收信号作f f t 变换，得到 乓= 氙置啼) ) 纸置叶) ) 2 州2 引耐+ 7 笋以帆笋一：咖m 咖，+ 吸 ( 1 - 7 ) 。 以峨一2 州”“咖脚+ 。 r 叫 m = 0 一= o “x 一句) ) j 其中( ( ”表示模运算，可见整数倍频偏只是引起了信号的循环移位，不会带来载波间干扰。 但是如果接收信号的各个子载波上所携带的信号顺序发生变化，会使系统产生更高的误比 特率。对于f f 0 ，它会引起接收信号的幅度衰减和相位旋转，而且会带来载波间干扰，使 误码率严重增加。 加性高斯白噪声信道条件下，由载波频偏引起的误比特率3 1 为 聃) = 盖( 耐急 ( 1 8 ) 由以上分析可见，如果不能与小区准确地实现时间同步，就会提升误码率；如果频偏 不能有效地校正，那么误比特率就会上升，破坏系统的性能，影响小区搜索。 目前常见的小区搜索同步算法有数据辅助的同步算法和数据辅助的同步算法，前者主 要通过循环前缀来实现，后者则是通过插入的导频或者训练序列达到同步的目的，详细请 见第三章的研究。 为了提高l t e 小区搜索的性能，文献【4 8 】分别从用来同步的前导信号入手，通过设计 前导信号，提高系统的鲁棒性，即使在低s n r 下仍然可以保持良好的性能。文献 9 】设计 浙江工业大学硕士学位论文 了一种信道结构，用s c h 和b c h 实现小区搜索。文献【1 0 提出用有限冲击响应和部分相 关算法在时域进行小区搜索，避免了因符号定时不准确导致的f f t 变换互扰，但是算法的 精度会受到f i r 的参数的制约。文献【1 1 】针对判决过程中可能会出现多个最大值的问题， 提出了软硬判决的方法，实现小区的准确搜索，然而这种算法会使算法的复杂度增加。文 献 1 2 ，1 3 】提出了一种快速小区搜索方案，但是它要求每个o f d m 符号前都插入四重复的前 导信号，这降低了信息的有效传输速率。文献【1 4 提出了通过过采样的方法提高了系统的 性能，并提出在一个子帧中的两个0 f d m 符号中调制一个导频序列，从而增大可以识别的 小区i d 数目。这些算法在一定程度上改善了搜索的性能，但是也带来了计算复杂度的增 加，而且受到l 1 陋技术规范的限制，有些算法不再适合。为了提高小区搜索算法的精度和 速度，以及在不同信道环境下的鲁棒性，本文对现有的小区搜索技术进行了研究，提出了 利用变换域的方法，进行定时同步和频偏的联合估计，并采用小区分组的方法，减少了相 关运算的次数。本算法不仅简化了算法，而且对同步过程中的误差在变换域中得到弥补， 从而提高搜索的精度。 1 3 论文的主要工作与章节安排 本文主要研究了3 gl t e 小区搜索技术。重点对o f d m 同步技术及小区i d 识别技术 进行了研究，分析了小区同步算法中存在的问题，并提出了优化的小区搜索方案，最后进 行了仿真验证。 第l 章首先概述了课题的研究背景，简要介绍了无线通信的发展历程，以及3 gm 提出的紧迫性。归纳了3 gl 1 飞小区搜索算法研究的意义与现状，分析了3 gl 1 甩系统的变 革及小区搜索同步误差对系统的影响。并对本文研究的主要工作和章节作了计划和安排， 明确了本文的研究目标。 第2 章研究了l 1 陋下行物理信道，介绍了下行时隙结构，是由二维空间中的资源粒 子构成的。分析了下行基带信号产生流程，及u 琶的两种下行帧结构。最后研究了o f d m 系统收发过程及调制解调原理，分析了信号检测过程，并对参数的设置进行了详细分析。 第3 章主要介绍了l t e 通信网络及无线信道环境，描述了u 、e 通信网络架构及l t e 小区搜索过程。接着分析了无线通信信道传输特性，并对常见的无线通信信道进行分类和 建模。 第4 章归纳总结了u e 小区搜索中目前常用的同步算法及小区i d 识别技术。分别研 究比较了非数据辅助算法和数据辅助算法的优缺点，分析了小区i d 全局搜索和分组搜索 浙江工业大学硕士学位论文 算法的计算复杂度。 第5 章针对传统的同步算法比较复杂的问题，本文提出了低复杂度的l 1 r e 小区搜索 算法。通过变换域进行时频联合估计，采用了小区i d 分组搜索的方法，降低了算法的复 杂度。并通过m a t l a b 进行验证了算法的可行性，分析了其性能和计算复杂度的改进。 第6 章总结本论文的研究成果，并指出尚存在的不足j 最后对课题的深入研究作展 望，提出下一步的研究方向。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章l t e 下行物理信道及0 f d m 技术 2 1l t e 下行物理信道 物理信道对应一系列用以承载高层信息的资源粒子( i 迮) 的集合，用来规范3 6 2 1 2 与3 6 2 1 l 之间的接口【1 5 1 。物理信号对应物理层使用的l 也资源，但是不传递任何来自高层 的信息，下行物理信号包括参考信号和同步信号。下行物理信道包括下行共享信道 ( p d s c h ) 、物理多播信道( p m c h ) 、物理下行控制信道( p d c c h ) 、物理广播信道( p b c h ) 、 物理控制格式指示信道( p h i c h ) 等。此外，还有用来传输同步信号( s s ) 的的同步信道 和用来传输参考信号的( r s ) 的参考信道。 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 1 下行时隙结构与物理资源粒子 1 个下行时隙( 岩乙个o f d m 符号) n 器n 翌 个 子 载 波 o f d m 符号 图2 1 下行资源栅格 如图所示，资源栅格中的最小单元就是资源粒子( r e ) ，它由坐标( 1 ，k ) 唯一标识， 其中l - o ，”，嬲6 1 ，一，嚣霉1 。定义一个资源块( i 出) ，用于描述物 理信道到资源粒子的映射。一个物理妥源块定义为时域上连续的= 6 个o f d m 符号和 霉个频域上连续的子载波，则它的大小为需6 篇个资源单元。其中，翥6 是一 个下行时隙中所包换的o f d m 数量，磐表示一个资源块中所包含的子载波数，嚣表 示资源块数。所以，每个时隙中所传输的信号都可以用资源栅格来表示，大小为嚣譬 浙江工业大学硕士学位论文 个子载波和茄6 个o f d m 符号。 物理资源块中子载波数及o f d m 符号数主要由循环前缀的类型及子载波间的距离决 定，如下表【8 1 所示。一个资源块时域上为一个时隙，对于常规c p 频域上宽度为 15 1 2 = 18 0 拖。 ， 表2 1 物理资源块的配置 配置 n 翌 说。 一$ 朔6 常规c p = 15 眦 7 1 2 矽= l 5 抛6 扩展c p 弩：1 5 k h z2 4 3 2 1 2 下行物理信道基带传输原理 通常情况下，我们分析o f d m 信号，需要研究它的基带特性。下面来讨论l t e 下行 基带信号的产生过程，如下图所示， 天线端口 ，z 叫引。热号p - 帼咂回_ 、 层映射预编码 一圆 _ 卧 vr 一引。热号一 图2 - 2 下行基带信号产生过程示意图 对于物理信道上传输的每个码字经过信道编码后的比特流，在调制之前，需要对它进 行加扰，即将比特流中的连续0 或者连续l 进行处理，保证其经过q w 映射后的星座点 不总在阿二位置，这样可以使解码出错的概率降低。对于加扰后生成的比特块，需要进行 调制，根据星座图映射，生成复数调制符号。l 1 陋的p d s c h 信道支持q p s k 、1 6 q a m 、 6 4 q 削等调制方式。层映射提供了对调制码元的解复用，由于l t e 的下行链路采用m i m o 技术，允许多天线发射( 最大为4 ) ，所以，将所得到的复数调制符号根据天线发射端口个 数的不同，映射在一个或者多个传输层。然后对于来自不同层映射的调制码元块，根据某 种预编码方案，映射到天线端口资源上的相量块，可以去除不同层上的信号的时域相关性， 一9 一 浙江工业大学硕士学位论文 便于天线端口上的传输。对于物理信道传输使用的每一个天线端口，将每个复值调制符号 映射到用于传输的虚拟资源块上的资源粒子上。最后在每个天线端口上生成o f d m 信号， 再经过d a 转换，由天线发射出去。 2 1 3 下行帧结构 ， l 1 陋支持支持两种类型的无线帧结构【1 6 1 ，种适用于频分双工( f d d ) 模式，另一种 适用于时分双工( t d d ) 模式。因为l t e 物理规范中规定，时域大小表示为单位时间c 的倍 数，该单位时间大小为瓦= 1 ( ) = l ( 15 0 0 0 2 0 4 8 ) s ，那么一个无线帧的长度 表示为乃= 3 0 7 2 0 0 e = 1 0 ，淞。 ( 1 ) 帧结构类型1 ( f s l ) 这种结构适用于f d d 模式，支持全双工和半双工两种方式。如图2 3 所示，每一个无 线帧长度为1 0 m s ，分为2 0 个时隙，则每个时隙长度为o 5 傩。由相邻的两个时隙构成一 个子帧，对应长度为l m s 。每个无线帧中，1 0 个子帧都可以用作上行传输和下行传输，并 且通过频域分开。 一个无线帧l o 麟 一个子帧1 m s 图2 3m 帧结构类型i 示意图 ( 2 ) 帧结构类型2 ( f s 2 ) 这种结构适用于t d d 模式。如图2 - 4 所示，每个无线帧长度也为1 0 l 璐，它又分为两个半 帧，长度均为5 m s 。每个半帧又是由8 个长度为l m s 时隙和总长度为l m s 的d w p t s 、g p 、 u p p t s 个特殊时隙构成，其中，3 个特殊时隙的长度是可配置的。 对于l 1 r et d d 模式支持5 脚和l o n 塔的上下行子帧切换周期。子帧0 和子帧5 及 d w p t s 永远用于下行传输。在5 m s 上下行子帧切换周期情况下，子帧2 和7 及u p p t s 总 是用于上行。对于l o i n s 上下行子帧周期切换情况，每个半帧都有d w p t s ，只是在前半帧 浙江工业大学硕士学位论文 有g p 和u p p t s ，所以后半帧d w p t s 长度= 1 m s 。u p p t s 和子帧2 用作上行传输，子帧7 和9 用作下行传输。 、 、。 一个时隙一个子帧 o 5 严；1 盥； 1 m s _-l：o k ：j r 7 。r 7 l 子帧棚子帧群2子帧撑3子帧稃4子帧撑5 i 子帧撑7子帧撑8子帧 ；6 9i 图2 - 4u t 帧结构类型2 示意图 2 2o f d m 技术研究 对于l t e 物理层，下行采用基于循环前缀的正交频分复用( o f d m ) 技术。可以使用 t 一 频分双工( f d d ) 和时分双工( t d d ) 两种模式，从而可以兼顾成对和不成对的频谱，提高 频谱的利用率。 o f d m 技术，就是把高速串行数据流通过串并转换，变成多个低速并行数据流，然后 每个低速数据流分别在不同的子信道上进行传输。这使得每个子信道上的符号周期得到加 长，降低了时延扩展对码间干扰( i s i ) 的影响。为了最大限度地降低i s i ，可以在o f d m 符号之间插入大于信道最大时延的保护间隔，通常采用循环前缀( c p ) 来实现。串行数据 调制到相互正交的子载波上，有效的减小了载波间的干扰( i c i ) ，大大提高了频谱利用率。 2 2 1o f d m 技术原理 图2 5 为o f d m 系统收发机原理图，发送端将所传输的数字信号进行星座图映射， 串并转换后进行i f f t 操作将数据变换到时域。图中方向相反的两个链路分别描述了发射 机和接收机部分。因为f f t 和i f f t 计算方法类似，所以在发射机和接受机中都可以使用 相同的设备，降低了成本。 浙江工业大学硕士学位论文 毳h 交织h 蔫翥h 孽金h 妻羹 笔h 臀h 差翥h 曩差h 萎囊 环前缀 和加窗 去循环 前缀 b 哥呻翌 图2 5o 印m 基带信号传输原理示意图 o f d m 符号可以看成是n 个经过相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q 舢订) 的子载波的 合成信号。那么，o f d m 等效基带输出信号表达式为： 一l s o ) = 4 砒( f r 2 ) e x p 【- ，2 万( z + 必厂弘】，o f r ( 2 - 1 ) j = o 其中t 为o f d m 符号的周期时间，谚( 扛0 ，l ，2 ，一1 ) 为该o f d m 符号内第i 个子载波上 所分配的数据符号，z 为载波频率，v = l 丁为子载波间隔，也就是信道的频宽，窗函数 陀f c ( f ) = 1 ，h r 2 。o f d m 信号中n 个子载波间保持正交性的条件是子载波频率五必须 满足数学关系：正= 五+ f r ，扛o ，l ，2 ，一1 。 粕土厶竺1 | 必。方( o ) 土加一襽 图2-6fi)m系统调制解调原理图一鹾 浙江工业大学硕士学位论文 z 甥蒜孥枷 p 为 = 亭篓4r 唧( 伽竽 一 r e x p u 2 研) e x p u 2 删衍= 悟三 ( 2 - 3 ) 2 2 2l 1 m 系统中o f d m 参数设置 0 f d m 参数主要涉及系统带宽，子载波间隔，循环前缀( c p ) 长度，及子载波数等。系 统带宽b s 表示为子载波间隔矽与子载波数n 的乘积，即风= 矽。所以，对于给 定的系统带宽，可以减小厂来增大n 。然而，厂过小，对频偏比较敏感，容易遭到多普 勒频移的影响，使载波间正交性破坏，而且n 的增大，会使系统的复杂度提高。循环前缀 的作用是克服多径信道引起的符号间干扰，一般要求c p 长度大于最大时延。所以，一方 面希望c p 越长越好，可以有效地对抗符号间干扰；另一方面又希望c p 尽量短，降低系统 资源的开销。通常，在市区宏小区或者微小区传输距离比较小的覆盖小区内用常规c p ，而 在郊区等大覆盖的小区用扩展的c p 。 l t e 系统支持1 4 2 0 瑚z 多种系统带宽，对于常规c p 支持1 5 l ( h z 的载波间隔，对于扩 展c p ，支持7 5i ( h z 和1 5 l ( h z 两种子载波间隔，并且l t e 标准化小组规定小区搜索工作在 系统带宽的中心频率为的1 - 2 5 删z 频带内。 2 3 本章小结 本章研究了l t e 下行物理信道及o f d m 的有关技术。首先介绍了下行时隙结构，是 由二维空间中的资源粒子构成的。接下来分析了下行基带信号产生流程，对m 系统有一 浙江工业大学硕士学位论文 个整体的把握。然后进一步研究了l t e 的两种下行帧结构，分别对应于f d d 和，i d d 两种 双工模式。最后研究了o f d m 系统收发过程及调制解调原理，分析了信号检测过程，并对 参数的设置进行了详细分析。 浙江工业大学硕士学位论文 第三章l t e 通信网络及无线信道环境 3 1l 1 陋通信系统架构分析 t s 3 6 3 0 0 【1 刀和t s 3 6 4 0 1 中规定了l t e 总体系统架构【1 5 】。如图3 1 所示，整个系统 由演进型分组核心网( e p c ) 及演进型接入网( e u t 灿两部分构成。其中核心网包含移 动性管理实体( m m e ) 和服务网关( s g w ) 。e u t 黜n 由演进型接入点( e n o d eb ) 构 成，e n o d eb 间由x 2 接口互联，每个e n o d eb 与e p c 通过s 1 接口互连。s 1 接口的控制 面终止在m m e 上，用户面终止在s g w 上。与以往通信系统相比，取消了无线网络控制 单元( 1 矾c ) ，采用只用e n o d e b 构成的单层架构，e n o d e b 之间采用网格( m e s h ) 结构进 行连接，因此整个系统结构趋于扁平化。 田 啊 e 器6 w 田 l 啊睚t s 锄， f e p c ， l ， 、( 旃迸塑分组核心同) ： x 2。： j 。? 吣艿 删 e u t r n 【演迸型接入网) 图3 1l 1 甩系统架构及小区搜索示意图 图3 1 中还描述了l 1 e 小区分组情况【1 9 】，t s 3 6 2 1 l 中最终规定l t e 系统支持5 0 4 个 小区i d ，并对小区i d 进行分组，共分为1 6 8 个小区i d 组，每组有3 个小区i d ( 扇区) ， 如图所示，用三种颜色表示各组中的不同扇区。每个e n o d eb 覆盖一个扇区，当移动终端 开机上电后，首先要搜索所在的服务小区，实现与小区e n o d eb 的同步，并获取小区i d 号，这就是l t e 小区搜索过程。 一1 5 一 圄 浙江工业大学硕士学位论文 3 2 无线通信信道的传输特性及分类 在研究l t e 小区搜索之前，首先有必要了解一下无线通信信道的有关知识，因为无 线信道的传输特性直接影响着l 1 ： e 小区搜索。 在移动通信中，无线电波在自由空间中是按直线传播的。然而，当受到山脉、树木、 高层建筑等各种障碍物的影响时，发射端发出的电磁波的传播方式会发生改变，主要有折 射、反射、衍射等，而且这些传播方式是随机变化的。当发射信号在无线信道中传输时， 因传播媒介或传播途径的改变导致部分能量损耗，使得接收信号产生衰落。按衰落信号变 化快慢来分，无线通信信道可以分为快衰落信道和慢衰落信道。按通信信道的带宽与信号 带宽的相对大小来分，可以分为频率选择性信道和平坦衰落信道。按照无线信道对信号的 影响可以分为大尺度衰落和小尺度衰落两种。当移动台大范围移动时，接收信号随发射机 与接收机的位置变化而发生大尺度的衰落，需要通过传输模型来预测接收信号强度的中 值。当发送信号发生多径传输而产生多径时延扩展，或者由于多普勒效应导致信道时变时 会造成小尺度衰落。下面就各传输信道的传输特性进行分析口o 】。 3 2 1自由空间路径损耗 所谓自由空间传播，指电波在无限大、均匀的、各向同性的空间中的传播，它是较为 理想的传播条件。电波在自由空间传播时，不发生反射、折射、散射，其能量也不会被障 碍物所吸收，传播损耗只来自电磁波能量扩散，最为常见的自由空间传输模型有卫星通信 及微波视距通信等。当发射点以全向波发射，则自由空间中的接收功率【2 l 】为： 删) = 嬲 ( 3 - 1 ) 其中，分别为发送和接收功率，g f ，g ，分别为发送和接受天线的增益，五为发射波 的波长，三为系统的损耗因子( l 1 ) ，与传播无关，d 表示传播距离。有该式可以看出， 对于确定的发送信号，它的接收功率不但与收发天线有关，而且与传输距离的平方成反比。 当距离比较大时，信号功率会减小，可以用如下公式描述自由空间中电波传播的路径 损耗， 三= 3 2 4 4 + 2 0 l g d + 2 0 l g 厂( 3 - 2 ) 其中，l 表示自由空间的传播损耗，单位为d b ，d 表示传播距离，单位