（通信与信息系统专业论文）lte+fdd基带系统中ue的接入过程研究.pdf

摘要 移动通信的最终目标是实现所谓的“个人通信 ，即在任何地点和任意时间 可以和任何人进行任意形式的交流。现在基本上可以在任何地点和任意时间和任 何人进行通信，但任意形式的交流由于一些限制还不能实现。这些限制主要来自 两个方面：一是因为业务类型的多样性，二是因为有限带宽的限制。 为了提高移动通信的持续竞争力，3 g p p 组织提出了l t e ( l o n g t e r me v o l u t i o n ) 系统标准，采用o f d m 多载波技术，并结合m i m o 、自适应编码调制以及调度等， 以提高系统的性能。本文是针对l t ef d d 基带系统中u e ( u s e re q u i p m e n t ) 接入 过程的研究。u e 的接入包括两个关键的环节：小区初始搜索和随机接入。通过小 区初始搜索，刚开机的u e 捕获所在小区的时间和频率同步，同时识别本小区的标 识号与e n o d e b ( 基站) 建立连接；然后通过随机接入获得上行同步并申请用户资 源，这样u e 与e n o d e b 且p 可正常通信了。 本文首先简要介绍了l t e 的市场和技术背景及性能目标；接着阐述了0 f d m 技 术及l t e 系统上下行链路传输方案，下行采用o f d m a 方式，可以有效的支持多种 带宽，并可以采用灵活的资源调度策略，上行采用s c f d m a 方式，在具有灵活资 源调度的同时，也具有低的峰均比( p a p r ) ；然后重点描述下行同步和小区搜索， 设计了同步信道结构和同步序列，并给出了基带检测算法的实现方案。最后对上 行随机接入进行重点阐述，在研究随机接入时频结构的基础上，研究了前导序列 的选取原则，随机接入流程的比较，并给出了基带检测算法的实现方案。 关键字：l t e 小区初始搜索上行随机接入 a b s t r a c t 刀彬u l t i m a t e t a r g e t o ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o ni s “ p e r s o n a l c o m m u n i c a t i o n , w h i c hm e a n sc o m m u n i c a t i o nw i t ha n y o n ei na n y w h e r ea n da n y t i m e a n da n yt y p e s n o ww ea l m o s tc a nc o m m u n i c a t ew i t ho t h e rp e o p l ei na n y t i m ea n d a n y w h e r e ，b u tn o ta n ys e r v i c e ，d u et ot h eb a n d w i d t hl i m i t a t i o na n dv a r i o u ss e r v i c e s i no r d e rt ok e e pt h ed u r a t i v er i v a l r o u s n e s so ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，3 g p p p r o p o s e d t h el t es y s t e m st o i m p r o v e t h e p e r f o r m a n c e ，w h i c ha p p l y t h e o f d m ，m i m o a m ca n ds c h e d u l e de t c w es t u d yt h ep r o c e d u r eo ft h eu e sa c c e s so f l t ef d ds y s t e mi nt h i sp a p e r 1 1 1 ep r o c e d u r eo ft h eu e 。sa c c e s si n c l u d e st w op i v o t a l a s p e c t s ：i n i t i a lc e l ls e a r c ha n dr a n d o ma c c e s s b yi n i t i a lc e l ls e a r c h ，t h eu ew h i c hj u s t b o o t s t r a pc a p t u r e st h et i m ea n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na n dd i s t i n g u i s h e st h ec e l li d a tt h es a m et i m e i nt h i sw a yt h eu eh a sb e e ne s t a b l i s hc o n n e c t i o nw i t he n o d e b a n d t h e n ，b yr a n d o ma c c e s s t h eu eo b t a i n su p l i n kt i m es y n c h r o n i z a t i o na n dr e q u e s t s r e s o u r c e sa l l o c a t i o n s ot h eu ea n de n o d e bc a nc o m m u n i c a t en o r m a l l y t 1 1 ec o n t e n to ft h i st h e s i si sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do fm a r k e ta n dt e c h n o l o g y ，a n dt h e t a r g e to fp e r f o r m a n c eo ft h el t e ；t h e nd e s c r i b e st h eo f d mt e c h n o l o g ya n dt h er t t o f t h el t e ，t h ed o w n l i n ki s a p p l i e d t h eo f d m a ，w h i rc a ne f f e c t i v e l ys u p p o r tt h e v a r i o u sb a n d w i d t ha n df l e x i b l es c h e d u l e dm e t h o d s ；t h eu p l i n ki sa p p l i e dt h es c f d m a ， w h i c hc a na l s os u p p o r tt h ef l e x i b l es c h e d u l e dm e t h o d sa n dt h el o wp a p r ；a n dt h e n d e s c r i b et h ed o w n l i n ks y n c h r o n i z a t i o na n dc e l ls e a r c hm a i n l y , d e s i g nt h es t r u c t u r eo ft h e s c ha n dt h es c hs e q u e n c e ，a n dt h e ng i v et h es c h e m eo ft h eb a s e - b a n dd e t e c t i o n a l g o r i t h m f i n a l l y , w ee m p h a s i z et h eu p l i n kr a n d o ma c c e s s ，w h i c hi si n c l u d e dt h et i m e a n df r e q u e n c ys t r u c t u r e ，t h ep r i n c i p l eo fs e l e c t i n gt h ep r e a m b l es e q u e n c e ，t h ep r o c e d u r e o fr a n d o ma c c e s sa n dt h es c h e m eo ft h eb a s e - b a n dd e t e c t i o na l g o r i t h m k e y w o r d ：l t ei n i t i a lc e l ls e a r c hu p l i n kr a n d o ma c c e s s 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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；也不包含为获得西安电子科技大学或其它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己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：豇趁日期卫壁望：盟! 12 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布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论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名：豪褒宴 日期一! ? ：刍! ! t 第一章绪论 第一章绪论帚一早三百t 匕 1 1l t e 市场背景和技术背景介绍 伴随g s m 等移动网络在过去的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( p l a c et op l a c e ) 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 a 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，已成为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i p r ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s 知识产权) 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i p r 上形成了一家独大的局面。专利授权费用已成为厂家承重负担。可 以蜕，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、高带宽的无线技术快 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。例如，g o o g l e 与互联网业务提供商( i s p ) e a r t h l i n k 合作，已在美国旧 金山全市提供免费的无线接入服务，双方共享广告收入，并将广告收入作为其主 要盈利途径，g o o s e 更将这种新的运营模式申请了专利。另外，大量的酒店、度 假村、咖啡厅和饭馆等，由于本身业务激烈竞争的原因，提供免费w i f i 无线接入 方式，通过因特网可以轻易的查询到这类信息。最近，网络服务提供商“s k y p e ” 更在这些免费的无线宽带接入基础上，新增了几乎免费的语音及视频通信业务。 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。 l t ef d d 基带系统中u e 的接入过科研究 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 构看来是势在必行。与w i f i 和w i 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q 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 t r a n 演进”会议收集了无线接入网r 6 版本之后 的演迸意见，在随后的全体会议上， u t r a 和u t 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型3 1 。 1 2l t e 项目计划与主要性能目标 3 g p p 组织在l t e 项目的工作，基本可以分为两个阶段：2 0 0 5 年3 月到2 0 0 6 年6 月为s i ( s t u d yi t e m ) 阶段，完成可行性研究报告：2 0 0 6 年6 月到2 0 0 7 年6 月为w i ( w o r ki t e m ) 阶段，完成核心技术的规范工作。 在2 0 0 7 年中期完成l t e 相关标准制定( 3 g p pr 7 ) ，在2 0 0 8 年或2 0 0 9 年推 出商用产品。到目前为止，l t e 项目的研究工作取得了一系列的重大进展，截至 到2 0 0 6 年3 月已完成或正在进行的内容包括：物理层接入方案、无线接口协议体 系结构，r a n c n 功能划分与调整，及宏分集、射频的相关研究。虽然如此，原 计划于2 0 0 6 年3 月完成的部分工作被推迟到6 月才可以完成，从目前来看，仍滞 后于既定的工作计划。 3 g p pl t e 项目的主要性能目标包括【l 】： 支持1 2 5 m h z 2 0 m h z 带宽； 峰值数据率：上行5 0 m b p s ，下行1 0 0 m b p s 。频谱效率达到3 g p pr 6 的2 - 4 倍； 提高小区边缘的比特率； 用户面延迟( 单向) 小于5 m s ，控制面延迟小于l o o m s ； 支持与现有3 g p p 和非3 g p p 系统的互操作； 支持增强型的广播多播业务； 第一章绪论 降低建网成本，实现从r 6 的低成本演进； 实现合理的终端复杂度、成本和耗电； 支持增强的i m s ( i p 多媒体子系统) 和核心网； 追求后向兼容，但应该仔细考虑性能改进和向后兼容之间的平衡； 取消c s ( 电路交换) 域，c s 域业务在p s ( 包交换) 域实现，如采用v o i p ； 对低速移动优化系统，同时支持高速移动； 以尽可能相似的技术同时支持成对( p a i r e d ) 和非成对( u n p a i r e d ) 频段； 尽可能支持简单的临频共存。 3 g p p 毫不讳言l t e 项目的启动是为了应对“其他无线通信标准”的竞争。针对 w i m a x 低移动性宽带i p 接入”的定位，l t e 提出了相对应的需求，如相似的带宽、 数据率和频谱效率指标、对低移动性进行优化、只支持p s 域，强调广播多播业务 等。同时，出于对v o l p 和在线游戏的重视，l t e 对用户面延迟的要求近乎苛刻。 关于向后兼容的要求似乎模棱两可，从目前的情况看，由于选择了大量的新技术， 至少在物理层已难以保持从u m t s 的平滑过渡。 为了实现l t e 系统的上述目标性能，需要改进与增强现有3 g 系统的空中接口 技术和网络结构。3 g p p 标准化组织经过激烈的讨论于2 0 0 5 年1 2 月，批准采用 o f d m 和m i m o 方案作为其无线网络演进( l t e ) 的唯一标准。同时l t e 系统核 心网采用两层扁平网络架构，由w c d m h s d p a 阶段的n o d e b 、r n c 、s g s n 、 g g s n 四个主要网元，演进为e n o d e b ( e n b ) 和接入网关( a g w ) 两个主要网元。 核心网同时采用全i p 分布式结构，支持i m s 、v o l p 、s i p 、m o b i l ei p 等各种先进 技术。 1 3 课题的研究意义 移动通信系统中，小区搜索是一个非常关键的环节。因为它是用户终端与基站 建立通信链路的前提。无论用户终端是在开机后接入小区，还是在通信过程中进 行小区切换，都需要依靠小区搜索过程与基站建立连接。通常小区搜索的主要目 的就是让用户终端捕获所在小区的时间和频率同步，同时识别本小区的标识号以 及本小区广播的一些基本信息。 与传统的3 g 系统不同，l t e 小区搜索的同步捕获不再依靠单纯的信道扫描来 实现。因为l t e 需要支持可变的系统带宽要求。为兼容不同带宽下的小区搜索， l t e 规定小区搜索的工作频段就锁定在系统带宽的中心12 5 m h z 频带内。在小区 搜索的频带内主要传输小区的同步训练序列，小区的标识号序列以及小区的一些 基本配置信息( 如基本的天线配置、系统带宽等等) 。小区搜索的过程将主要体现 4l t ef d d 基带系统中u e 的接入过科研究 在小区信息的检测上。从l t e 的标准化讨论中可见，基于码字序列的小区信息检 测是技术的主流。 用户终端在获得下行同步及小区i d 号后，如果要正常通信，就需要上行随机 接入获得上行同步并申请资源。 在l t e 系统中随机接入主要用于用户的初始注册以及用户资源带宽的申请。 根据接入目的的不同，随机接入过程又分为异步和同步随机接入两种。随机接入 技术主要采用基于资源预留的s l o t t e d a l o h a ，即用户是先申请后调度接入。由于 l t e 是3 gu m t s 系统的演进系统，所以l t e 系统中的随机接入与传统的3 gu m t s 系统存在一些不同。首先随机接入的目的，在l t e 中，随机接入主要用于上行定 时同步校正，用户功率调整和用户资源需求的申请；而传统的3 g 系统主要是利用 随机接入进行用户开机后的信息注册。其次，物理层的接口不同，l t e 的上行采 用基于s c f d m a 的传输技术，而传统的3 g 系统都是基于c d m a 的传输技术。 此外，l t e 对短时延的高要求也在很大程度上制约了随机接入进程的设计。所以， 这些新的需求和变化给l t e 的随机接入设计带来了新的挑战【2 1 。 本文的研究意义在于：1 、针对下行同步和小区搜索，设计了同步信道结构和 同步序列，并给出了基带检测算法的实现方案。2 、对于上行随机接入，在研究随 机接入时频结构的基础上，研究了前导序列的选取原则，随机接入流程的比较， 并给出了基带检测算法的实现方案。 厂 小区搜索 、厂 随机接入 、 图1 1u e 开机后处理流程图 1 4 本文的主要工作和内容安排 本文首先简要的介绍了l t e 的发展现状和目标，在此基础上介绍了u e 开机后 的一般处理流程和本文的主要内容；然后对l t e 基带无线传输技术进行了介绍； 接着对小区搜索和随机接入分别进行重点分析，给出相应的基带解决方案，并进 行了性能仿真。 论文的内容组织安排如下t 第一章：绪论 第一章绪论 首先对l t e 的背景进行了介绍，接着对论文研究的主要内容进行了说明，最 后介绍了论文的组织结构。 第二章：o f d m 技术及l t ef d d 系统基带传输方案 本章首先对o f d m 基本原理、o f d m 技术的优缺点以及系统的参数选择做了 介绍。然后介绍了l t e 上下行多址传输方案，下行采用o f d m a 、上行采用 s c f d m a ，并对相关的技术参数进行了说明。接着简单介绍了其他物理层传输方 案和技术。 第三章：l t e 下行同步及小区搜索 本章就同步信道s c h 结构是否进行分层，如何携带当前小区i d 等一些必要信 息，时频域结构，s c h 序列设计以及检测算法进行了研究；并给出仿真参数进行 了性能仿真。 第四章：l t e 上行随机接入 本章主要是对非同步随机接入过程进行了分析。包括r a c h 的功能需求，时 频结构，p r e a m b l e 序列的选择，检测算法，虚警漏警及冲突的研究；并给出仿真 参数进行了性能仿真。 第五章：结束语 总结全文，并给出相关遗留问题，指出进一步的研究方向。 第二章o f d m 技术及l t ef d d 系统基带传输方案 第二章o f d m 技术及l t ef d d 系统基带传输方案 o f d m 是一个5 0 年前就已经出现的技术，但由于使用模拟滤波器实现多载波 系统的复杂度较高，所以一直没有发展起来。在7 0 年代，s b w e i n s t e i n 提出用离 散傅立叶变换( d f t ) 实现多载波调制，为o f d m 技术的实现化奠定了理论基础， 成为众多通信系统的首选传输方式。o f d m 调制最大的优势就是将宽带弥散信道 转换为多个并行的窄带子信道，因此接收端只需要简单的均衡。而且o f d m 系统 可以灵活的分配功率和传输速率。 l t e 是3 g 的演进，为了应对一系列具有挑战性的性能目标，它改进并增强了 3 g 的空中接入技术，采用o f d m 和m i m o 作为其无线网络演进的唯一标准。在 2 0 m h z 频谱带宽下能够提供下行1 0 0 m b i t s 与上行5 0 m b i t s 的峰值速率，改善了 小区边缘用户的性能，提高小区容量和系统延迟。 本章首先介绍了o f d m 基本技术，然后对l t e 多址技术及系统参数进行了介 绍，同时也简单介绍了其他物理层传输方案和技术。 2 1o f d m 基本原理 o f d m 是一种频分复用的多载波传输方式，只是复用的各路信号( 各路载波) 是正交的。o f d m 技术通过串并转换将高速的数据流变成多路并行的低速数据流， 再将它们分配到若干个不同频率的子载波上的子信道中传输。o f d m 技术利用了 相互j 下交的子载波，从而子载波的频谱是重叠的，而传统的f d m 多载波调制系统 中子载波间需要保护间隔，从而o f d m 技术大大的提高了频谱利用率。 o f d m 是一种频分复用的多载波调制方式，在一个o f d m 符号中，包含了多 个并行的进行数字调制后( p s k 或者q a m ) 的数据符号，o f d m 调制起到将这些基 带传输的数据符号映射到各个子载波上的作用。下面我们先考虑一个符号周期内 的o f d m 符号【4 】： n l_ 一l一l s ( f ) = d ，g ，( 卜) = d ，p 2 邪g ( t - t s ) = s ，( f ) ( 2 1 ) 这里n 表示子载波数目，乙。表示o f d m 符号周期，4 表示分配给子载波i 的已调数据符号，z 表示第i 个子载波频率，g ( f ) 表示矩形脉冲函数， 岛( f ) = 喀既( f 一) = p 7 2 砟g ( t - ) 表示第i 个子载波上的发送信号。 l t ef d d 基带系统中u e 的接入过程研究 图2 io f d m 系统基本实现框图 从上图可以看到，o f d m 发射端将高速的数据流串并转换为n 个数据子流， 然后每个子流调制到对应的子载波频率z 上，最后形成复合信号在信道中发送。 而在接收端，对每个子载波数据进行解调。在解调第j 个子载波时，先从子载波乃 上解调出信号，然后在时间长度。积分，就可以恢复出第j 个子载波上的期望符 号。 d ，p 。2 别卜u d ，2 妒邪t d t 弋_ 删e 豇删f 一擀气= d j 之所以能得到上式，是利用了子载波j 和其他子载波的正交性。 图2 2o f d m 信号频谱 ( 2 - 2 ) 珏删竺坌p 2 矾 趟e-j2nfzt。璺坌卜 并串 龟7 共 啦l e j + 掣酽 i e ，2 靠一 一射i 啦 叫妒可西p 吐 p工州瑚 一l 上 第二章o f d m 技术及l t ef d d 系统基带传输方案 9 2 2 1o f d m 技术的优点 2 2o f d m 技术的优缺点 o f d m 系统和其他系统相比存在很多优势： 通过把高速率数据流进行串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长 度相对增加，从而有效地减少由于无线信道时间弥散所带来的i s i ，进而减 少了接收机内均衡器的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，而仅仅通过 插入循环前缀的方法消除i s i 的不利影响。 o f d m 技术可有效的抑制无线多径信道的频率选择性衰落。因为o f d m 的 子载波间隔比较小，一般的都会小于多径信道的相关带宽，这样在一个子 载波内，衰落是平坦的。进一步，我们通过合理的子载波分配方案，可以 将衰落特性不同的子载波分配给同一个用户，这样可以获取频率分集增 益，从而有效的克服了频率选择性衰落。 传统的频分多路传输方法是将频带分为若干个不相交的子频带来并行传 输数据流，各个子信道之间要保留足够的保护频带。而o f d m 系统由于各 个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频 分复用系统相比，o f d m 系统可以最大限度的利用频谱资源。当子载波个 数很大时，系统的频谱利用率趋于2 b a u d h z 。 各个子信道的正交调制和解调可以分别通过采用i d f t 和d f t 实现，在子载 波数很大的系统中，可以通过采用i f f t 和f f t 实现，随着大规模集成电路 技术和d s p 技术的发展，i f f t 和f f t 都是非常容易实现的。 无线数据业务一般存在非对称性，即下行链路中的数据传输量大于上行链 路中的数据传输量，这就要求物理层支持非对称的高速率数据传输，o f d m 系统可以通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传 输速率。 2 2 2o f d m 技术的缺陷 o f d m 系统由于存在多个正交的子载波，而且其输出信号是多个子信道信号 的叠加，因此与单载波系统相比存在如下缺点： 易受频率偏差的影响。由于子信道的频谱相互覆盖，这就对他们之间的正 交性提出了严格的要求，无线信道的时变性在传输过程中造成了无线信号 频谱偏移，或发射机与接收机本地振荡器之间存在频率偏差，都会使o f d m 1 0l t ef d d 基带系统中u e 的接入过程研究 系统子载波之间的正交性遭到破坏，导致子信道问干扰( i c i ，i n t e r c h a r m e l i n t e r f e r e n c e ) ，这种对频率偏差的敏感性是o f d m 系统的主要缺点之一。 存在较高的峰值平均功率比。多载波系统的输出是多个子信道信号的叠 加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会 远远高于信号的平均功率，导致较大的峰值平均功率比( p a p r ， p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) ，这就对发射机内放大器的线性度提出了很高 的要求，因此可能带来信号畸变，使信号的频谱发生变化，从而导致各个 子信道间的正交性遭到破坏，产生干扰，使系统的性能恶化。 2 3o f d m 系统的参数选择 本部分主要讨论o f d m 系统物理层的一些参数，如o f d m 符号周期( 不包括 循环前缀c p ) ，循环前缀长度，子载波间隔，子载波数目，采样点数，以及相互 之间的关系。 o f d m 系统最小时间单位：o f d m 系统中最小的时间单位，定义为z 。一 般的，最小时间单位是采样周期，但是l t e 为了降低复杂度，对于不同的 系统带宽规定了相同的最小时间单位。 子载波间隔矽：子载波间隔是指o f d m 系统中两个相邻子载波的频率差， 定义为厂。 系统最大子载波数和采样点数：即系统中理论上最大可用的子载波数( 不 考虑频率保护带) 。由于目f j 都采用i f f t f f t 实现o f d m 调制解调，因此 最大子载波数也等于发送端的i f f t 点数，接收端的f f t 的采样点数。 系统配置子载波数目：系统中配置的最大子载波数目m ，简称为系统子载 波数。系统子载波数会远小于理论上最大子载波数，主要是考虑到对系 统上下边界的子载波增加频率保护带。 o f d m 符号i f f t 长度：在发射端做i f f t 或接收端做f f t 的时间间隔， 1 骗= n 乃= 古 刽 循环前缀长度：循环前缀c p 的长度露p 。 系统带宽：o f d m 系统的带宽b 。 下面我们研究各个参数之间的关系以及在设计o f d m 系统中如何选择这些参 数的值。 第二章o f d m 技术及l t ef d d 系统基带传输方案 1 1 2 3 1 系统带宽子载波间隔子载波数 在通信系统中，大家首先关注的是系统带宽，o f d m 系统也不例外，因为系 统带宽是影响系统容量的重要参数。一般的o f d m 系统都要求支持可配置带宽， l t e 支持的系统带宽b 。也有多种：2 0 m h z ，1 0 m h z ，5 m h z ，2 5 m h z ，1 2 5 m h z 等。o f d m 系统带宽丑。等于子载波间隔鲈乘以系统理论最大子载波数： b 。= a f n 。从这个关系看，在给定系统带宽b 。时，减小子载波间隔鲈可以增加 最大子载波数，从而提高了系统容量。但是我们知道实际上是不能随便选择， 即不能太小，也不能太大。 1 ) a f 作为子载波间隔，不能太大 首先，o f d m 系统为了克服无线传播环境中的频率选择性衰落，要求远 小于无线信道的相关带宽，或者说o f d m 符号长度远大于多径信道的时延 扩展，即a f r ，这里忍和f 分别表示多径信道的相关带宽 和时延扩展。 其次，在给定带宽情况下，选择较大的，必然导致系统最大子载波数 目减少，降低了系统容量。 1 最后，较大的a f ，导致o f d m 的f f t 时间长度骗= 寺变小。我们知道在 喇 o f d m 系统中，o f d m 符号前还要插入循环前缀( c p ) ，c p 不携带有效的数 据信息，如果过小，则导致c p 开销变大，降低了系统容量。 2 ) 鲈作为子载波间隔，不能太小 那是不是厂越小就越好呢? 事实上也不是的。 首先，在给定系统带宽的情况下，过小，必然导致系统最大子载波数 过大，这显然大大增加了系统处理复杂度。目前l t e 系统，最大取值2 0 4 8 ( 对应厂= 1 5 k h z ) ，这已经相当复杂了；并且协议中也定义了可选的 = 7 5 k h z ，对应为4 0 9 6 。 其次，减小导致骗= 专变大，使得o f d m 符号f f t 时间远大于移动无 叫 线信道的相关时间，同时矽远小于多普勒扩展。这样引起信号失真，从 而破坏了o f d m 系统的正交性。 1 2 l t ef d d 基带系统中u e 的接入过程研究 最后，过小，导致o f d m 系统对于频率偏差( 频偏由各种原因引起，即 使系统作t a f c ) 极其敏感，这显然不是一个成熟系统拥有的特征。 2 3 2 系统配置子载波数目m 在o f d m 系统中，理论上系统最大可用子载波数为i f f t f f t 点数n ，但是由 于矩形脉冲有很大的带外杂散( o u t o f - b a n de m i s s i o n ) ，旁瓣衰落较慢。为了克服这 个问题，通常采用滤波或者时域加窗的办法。因此实际上o f d m 系统会预留1 0 左右的保护带宽。因此系统配置的子载波数目m 会小于最大可用子载波数。 2 3 3 循环前缀c p 长度 插入c p 的目的是为了克服无线多径信道时间弥散引起的符号间干扰，因此我 们希望c p 长度耳p 能够远大于无线多径信道的最大时延扩展。但是由于c p 是占 用了系统资源的，因此c p 长度过大将导致系统开销增加，系统容量下降。 多径时延扩展和小区半径及无线信道传播环境相关，一般的小区半径大多径 时延扩展也会大一些。同时l t e 的s f n ( s i n g l e f r e q u e n c yn e t w o r k ) 中也需要较 大的c p 长度。因此l t e 定义了两种c p 长度： 短c p ，应用于小小区环境，最优化c p 开销； 长c p ( 扩展c p ) ，应用于时间弥散很大或者s f n 操作的情况。 2 4l t e 上行链路传输方案 空中接口物理层技术和多址接入技术是无线通信系统的基础与标志。3 g p p 组 织就l t e 系统物理层下行传输方案和多址接入技术很快就达成了一致，即采用先 进成熟的o f d m a 技术；然而在上行传输方案上却产生了很大的分歧。很大一部 分设备商考虑到o f d m 作为一种多载波传输方案，具有较高的峰均比，会增加终 端功放成本和功率消耗，限制终端的使用时间，因而坚持采用峰均比较低的单载 波频分多址方案s c f d m a ，但是一些积极参与w i m a x 标准组织的公司却认为可 以采用滤波、循环消波等方法有效地降低o f d m 信号的峰均比。双方各持己见， 一度僵持不下，经过多次会议的艰苦协商，最后上行多址接入方案选择了单载波 频分多址方案s c f d m a 。这样，l t e 系统传输方案最终确定为下行o f d m a 和上 行s c f d m a i 2 1 。 第二章o f d m 技术及l t ef d d 系统基带传输方案 l3 2 4 1s c f d m a 符号的生成 所谓s c f d m a ( s i n g l e c a r r i e rf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ，全称叫做 单载波频分多址技术，该技术联合了传统的频分多址和单载波传输方案，并且具 有动态的带宽分配功能。l t e 的上行链路都采用s c f d m a ，相对于o f d m a 信号 来说具有更好的p a r p 性能，从而相应地提高了功放的效率和增加小区覆盖面积， 这是选择s c f d m a 作为l t e 上行多址方案的一个重要原因。而且s c f d m a 的 信号产生与o f d m a 的信号产生有一些相似之处，因此下行和上行的参数是可以 兼容的。 有很多产生s c f d m a 信号的方法。l t e 采用了d f t - s p r e a d o f d m ，它是 s c f d m a 的频域实现方式，它将传输带宽分为正交的子载波集合，并将不同的子 载波集合分配给不同的用户，实现传输带宽可以灵活地在多用户之间共享，同时 由于信号在频域的正交性，避免了系统中的用户间多址干扰。其原理如图2 3 所示。 o ”“ 椭茬幽：e i l m i 伽口 0 0 - - 叫 - - li： i t , n 巾嘲憎 。a 廿cc y d l c p a 憎i d b 叩卫n gb l 舰薛v扭：一i网bitto i 舢日 m - a o h t ，- 扛l i f f t p r 口 , j x s e a i j p t ，崔s e n d t o p * a h f | l c a r w 角r i 钾 f f t k 。： c o r l v e d 置 攀! 露闻触，2 划r 百 u i 。渊尝等1 l o一 一 凡，0 ； 。 0 j 鲢二i- - 。 厂、 ：一 图2 3d 阼s - o f o m 原理 对d f t - s o f d m 来说，首先对m 个调制符号的数据块进行了m 点的d f t ( q p s k ，1 6 q a m ，6 4 q a m 都可以作为上行l t e 的调制方案) ，然后d f t 将调制符 号变换到频域上，也就是映射到可用的子载波上，然后进行了n ( n m ) 点i f f t 变换，接着进行加循环前缀和并串变换。这里在s c f d m a 信号产生中的d f t 与 o f d m a 信号产生中的d f t 是不同的。在一个s c f d m a 信号中，每一个子载波 承载了所有发送调制符号的信息，这是因为输入数据流被d f t 变换映射到了所有 的可用子载波上。不同的是，在o f d m a 信号中每个子载波只承载了特定调制符 号的信息。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，而其他部 分则被插入若干个零值。频谱资源的映射方式有两种方式：一种是集中式映射， 1 4 l t ef d d 基带系统中u e 的接入过稃研究 即d f t 的输出映射到连续的子载波上：另一个是分布式映射，即d f t 的输出映射 到离散的子载波上，如图2 4 所示。不同线形代表不同用户。相对于前者，分布式 映射可以获得额外的频率分集，与此同时，分布式映射的缺点在于其对频率偏移 以及高多普勒现象更加敏感。上行信道编码仍沿用r 6 的t u r b o 编码，其他方式的 前向纠错编码正在研究之中。 2 4 2s c f d m a 参数 图2 4 子载波映射方式 在l t ef d d 上行链路中，每一个无线帧有墨= 3 0 7 2 0 0 x 互= 1 0 m s ，包括2 0 个s l o t ，每个s l o t 长巧i a l = 1 5 3 6 0 x t , = o 5 m s ，标号为0 到1 9 ，一个子帧包括两个 连续的s l o t 。图2 5 给出了帧结构【5 1 。 o n er a d i of r a m e ，墨23 0 7 2 0 0 x 1 2 1 0m s o n es l o t ，r , l o t 。1 5 3 6 0 x t s2 0 5m s l l 毋0撑1般撑3 l o n es u b f r a m e 表2 1 给出了上行参数： 图2 5l t e 上行帧结构 表2 。1 上行通刖帧结构参数 i i 撑1 8撑1 9 l n u m b e ro fs y m b o l s c y c l i cp r e f i xl e n g t hi n c y c l i cp r e f i xl e n g t hi n c o n f i g u 陌t i o n 地s a m p l e s 嶂 n o r m a lc y d i cp r e f i x 7 1 6 0f o rf i r s ts y m b o l 5 2p sf o rf i r s ts y m b o l f ：1 5 k h z 1 4 4f o ro t h e rs y m b o l s 4 7i j s 细o t h e rs y m b o l s e x t e n d e dc y c l i cp r e f i x 65 1 21 6 7u s 厶仁1 5 k h z 一：一一一：一一一：一一一：一一一；一 ririri-ri-ri 。l|i| 一。 一 一 u 一 一 一：斗0k；- 一；。一一一一一一i：；。一 r，1【- 一，jli【 第- 二章o f d m 技术及l t ef d d 系统基带传输方案1 5 上行数据在多个资源块上传输。上行资源块大小与下行相同( 下节将进行介 绍) ，在频域上占1 2 个子载波。上行数据在物理上行共享信道( p u s c h ) 上传输。 物理上行控制信道( p u c c h ) 传输上行控制信息如c q i 以及与下行数据包接收有 关的a c k n a c k 。p u c c h 在上行的保留频带上进行传输。 l t e 上行参考信号有两种，一种是用于接收端信道估计以便解调控制和数据 信道数据，另一种是用于指示信道质量，这是基站进行调度的基础，也叫做s o u n d i n g 信号。 2 4 3s c f d m a 与o f d m a 比较 如图2 6 所示，如果在o f d m a 系统中，没有d f t 模块，a 处信号位于频域， 直接分配到不同的子载波上，经过i f f t 转换到时域上，d 处的信号相当于在时域 上将多个子载波的时域信号叠加，因此叠加后的波形和单载波波形相差很大，p a p r 很高。 c o d e ds y m b o l