（通信与信息系统专业论文）lte中基于ebb的多天线技术研究.pdf

：一，。；、厂j 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： 霹勾久像 日期：二。i d 刍j o 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：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 球勾久。秉 日期：2 。口_ 3 j i 。 导师签名： 日期：2 , , i o3 i o t 巾 ，o*f；nvk霉；。7 长ri ，- ， l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 作为下一代移动通信的主要标准，其 标准化工作由3 g p p 负责，目前的研究重点包括增强型m i m o ( m 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 ) 技术，该方向的研究有利于更 有效的提高系统性能。其中t d d ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 模式下可 以利用信道互易性通过导频估计信道信息，而不需要占用专门的资源 来进行信道信息的反馈，因此特别适合需要较多信道质量信息的多天 线传输技术。基于多天线的波束赋形技术因其在t d d 系统中良好的 表现，被确定为l t e 技术演进中一个重要的m i m o 实现方式。本文 主要研究了基于l t e 的下行多天线增强型波束赋形技术和与之相关 的信道质量反馈机制的设计，并且通过搭建系统级仿真平台和进行计 算机仿真给出了相应算法和改进技术对于系统性能的改善结果和性 能分析。 m i m o o f d m 系统的特性决定了对该系统的仿真需要基于有别 于其他系统的仿真环境，本文结合其特点设计出了更适合该系统的仿 真器结构，基于模块化和松耦合化的设计保证了可扩展性以及运行的 效率，为后续的理论研究和仿真验证打下了基础。 通过对传统波束赋形算法的研究和相关信道质量反馈机制的设 计，本文创新性的提出了基于s v d 分解的流自适应波束赋形技术， 通过计算机仿真，我们看出该算法在保证用户间公平性和用户满意度 最大化的基础上，在使用相同的资源调度算法的条件下可以获得更高 的系统性能。 关键词：t d l t e e b b 多天线 ， _ h 4t：b ， i 之e s e a r c ho nb e a m f o r 删gb a s e d m u l t i a n t e n n at e c h n i q u ei nl t e + s y s t e m a b s t r c t l o n gt e r me v o l u t i o n ( l t e ) i st h em a i nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s t a n d a r df o rn e x tg e n e r a t i o n ，a n dt h es t a n d a r d i z a t i o nw o r ki st a k e n c h a r g eb y3 g p p c u r r e n t l y , t h em a j o rr e s e a r c hi s s u e si n c l u d ee n h a n c e d m i m o t e c h n i q u e ，w h i c h c a n i m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e d r a m a t i c a l l y e s p e c i a l l yi nt i m ed i v i s i o nd u p l e x ( t d d ) m o d e ，u t i l i z i n g c h a n n e lr e c i p r o c i t y , t h ed o w n l i n kc h a n n e li n f o r m a t i o nc a nb ea c q u i r e d t h r o u g hu p l i n kc h a n n e le s t i m a t i o na n dt h ee x t r as i g n a l i n go v e r h e a df o r c h a n n e lf e e d b a c ki ss a v e d t h u s i ti sf i tf o rt h es y s t e mw h i c hi s e q u i p p e dw i t hm u l t i p l ea n t e n n a s b e a m f o r m i n gt e c h n i q u ei ss e l e c t e da s a ni m p o r t a n tm i m 0 c o n f i g u r a t i o nf o ri t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei nt d d m o d e i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h e d o w n l i n ke n h a n c e d b e a m f o r m i n g t e c h n i q u ei nl t es y s t e ma n dt h ec o r r e s p o n d i n gd e s i g no fc h a n n e l q u a l i t yi n f o r m a t i o n ( c q i ) f e e d b a c kr e g i m ei ss t u d i e d t h r o u g ht h e s y s t e ml e v e ls i m u l a t i o n ，t h i sp a p e rg i v e st h ei m p r o v e dr e s u l t sb r o u g h t b yi m p r o v e dt e c h n i q u ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gp e r f o r m a n c ea n a l y s i s t h es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n to fm i m o o f d ms y s t e mi sd i f f e r e n t w i t ho t h e rs y s t e m s a c c o r d i n gt oi t so w nc h a r a c t e r i s t i c ，t h i s p a p e r d e s i g n sas i m u l a t o rs t r u c t u r ew h i c hi sq u i t ef i tf o rm i m 0 o f d m s y s t e m t h em o d u l a r i z a t i o nm a k et h es i m u l a t o rh a v eb e t t e rs c a l a b i l i t y a n dh i g h e re f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，t h es i m u l a t o rc a na d v a n t a g et h ef u t u r e t h e o r e t i c a ls t u d ya n ds i m u l a t i o nv a l i d a t i o n t h r o u g ht h es t u d yo ft h et r a d i t i o n a lb e a m f o r m i n ga l g o r i t h ma n d c q i f e e d b a c k r e g i m e ，t h i sp a p e rp r o p o s e s an o v e l a d a p t i v e b e a m f o r m i n gt e c h n i q u ew h i c hi sb a s e do nt h es t r e a mf r o ms i n g u l a r v a l u ed e c o m p o s i t i o n s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w s ，w h e nt h ef a i r n e s sf o r 蹿；，一 u s e r si s p r o m i s e da n dt h eu s e rs a t i s f a c t i o nd e g r e ei sm a x i m i z e d ，t h i s a l g o r i t h mc a na c q u i r eb e r e rs y s t e mp e r f o r m a n c et h a nt r a d i t i o n a lm e t h o d w h i c hu s e st h es a m er e s o u r c es c h e d u l i n ga l g o r i t h m k e yw o r d s ：t d l t ee b bm u l t i a n t e n n a i。舞 第一章 1 1 1 2 1 3 第二章 2 1 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 3 2 2 4 2 2 5 2 3 第三章 3 1 3 1 1 3 1 2 3 1 3 3 2 3 2 1 3 2 2 3 2 3 第四章 4 1 4 1 1 4 1 2 4 2 4 2 1 4 2 2 4 2 3 目录 绪论1 移动通信系统概述l 新一代移动通信标准中t d d 系统的演进3 本课题研究内容及意义5 l t e 系统关键技术7 l t e 物理层概述7 l t e 系统关键技术8 o f d m 技术8 m i m o 技术13 自适应技术。l6 自适应调制编码技术18 h a r q 机制18 l t e 未来发展方向19 仿真方法论研究。2 1 概述2l 链路级系统级仿真2l 时间事件驱动型仿真2 2 静态仿真动态仿真2 2 仿真平台总体设计2 4 仿真平台基本结构2 4 仿真流程关键模块分析2 6 传输块判决原则3l 基于多天线系统的增强型波束赋形性能研究3 3 波束赋形技术概述3 3 波束赋形技术的分类的和发展3 4 波束赋形技术在m i m o 系统中的研究3 5 基于s v d 分解的l t e 系统波束赋形算法研究3 6 本算法基本思路3 6 算法模型设计3 7 自适应编码调制条件下的波束赋形3 8 4 2 4 基于a m c 的仿真接口设计3 8 4 3 e b b 算法详细设计及实现3 9 4 3 1 信道状态反馈机制建模策略4 0 4 3 2 s o u n d i n g 建模策略4 2 4 3 3 单流e b b 算法设计及实现4 4 4 3 4 双流e b b 算法设计及丈现4 6 4 3 5 改进型( 流自适应) e b b 算法设计及实现5 0 4 4 仿真结果及分析5 2 4 4 1 基本仿真参数5 2 4 4 2 e b b 信道增强效果分析5 4 4 4 3 e b b 条件下信道空间选择性分析5 6 4 4 4 e b b 多流传输约束条件分析5 7 4 4 5 单流及双流e b b 性能分析6 0 4 4 6 系统级综合性能分析6 2 4 4 7总l g i 6 3 第五章论文总结与展望6 5 参考文献6 7 e l ， 蜂窝移动通信的飞速发展是超乎想象的，它是2 0 实际人类最伟大的科技成 果之一。从1 9 4 6 年a t & t 推出第一个移动电话，到如今第三代移动通信系统的 兴起，移动通信已经发展了半个世纪，也深刻的改变了人们的生活和思维方式。 第一代模拟移动通信系统( 1 g ) 主要建立在频分多址接入( f d m a ) 和蜂 窝频分复用的理论基础上，典型代表有美国的a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n e s y s t e m ) 和欧洲的t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y a e m ) 。我国建设移动 通信系统的初期主要就是引入的这两类系统。i g 在商业上取得了巨大的成功， 但随着移动通信市场的大大发展，对移动通信技术提出了更高的要求。模拟系统 本身有频谱效率低、网络容量有限、保密性差等缺陷，越来越难以满足人们的需 求。 第二代数字移动通信系统( 2 g ) 克服了模拟系统所存在的许多缺陷，可以 有效的提供语音和低速率的数据n k 务，能够基本满足人们对信息交流的需求。因 此一经推出就倍受人们瞩目，得到了迅猛的发展，短短的十几年就成为了世界范 围的、最大的移动通信网【2 1 。最具代表性的是g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ) 和n c d m a 系统。我国已经用数字通信系统完全取代了模拟系 统。随着人们对移动通信业务需求越来越大，尤其是对移动多媒体以及高速数据 业务的需求，迫切的需要设计出一种新的系统，能够提供更宽的带宽，更大的容 量，更多种不同的业务，并且能够实现移动终端在不同的网络之间漫游。第三代 移动通信系统就是在这样的背景下产生的。 i t u 在1 9 8 5 年就提出了第三代移动通信系统的概念，最初命名为f p l m t s ( 未来公共陆地移动通信系统) ，在1 9 9 6 年后正式确定名称为i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s2 0 0 0 ) 。 第三代移动通信系统的目标就是实现移动通信网络全球化、业务综合化以及 通信个人化。具体内容为： 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 全球漫游，以低成本的多模手机来实现。全球具有共用频段，用户不再 限制于一个地区和一个网络，而能够在整个系统和全球漫游，其在设计上具有高 度的通用性，拥有足够的系统容量和强大的多种用户管理能力，能提供全球漫游， 是个覆盖全球的、具有高度智能和个人服务特色的移动通信系统。 ( 2 ) 适应多种环境，采用多层小区结构，即微微蜂窝、微蜂窝、宏蜂窝，将 地面移动通信系统和卫星移动通信系统结合在一起，与不同网络互通，提供无缝 漫游和业务一致性，网络终端具有多样性，并与第二代系统的共存和胡同，开放 结构，易于引入新技术。 ( 3 ) 能提供高质量的多媒体业务，包括高质量的话音、可变速率的数据、高 分辨率的图像等多种业务，实现多种信息一体化。 ( 4 ) 足够的系统容量、强大的多种用户管理能力、高保密性能和服务质量。 用广可用为一个人电信号码( p t n ) 在任何终端上获取所需要的电信业务，这就 超越了传统的终端移动性，真正实现了个人移动性。 为实现上述目标，对无线传输技术提出了一下要求： 高速传输以支持多媒体业务： 室内环境至少2 m b p s ； 室外不行环境至少3 8 4 k b p s ； 室外车辆环境至少1 4 4 k b p s ； 传输速率按需分配； 上下行链路能适应不对称业务的需求； 简单的小区结构和易于管理的信道结构； 灵活的频率和无线资源的管理、系统配置和服务设施。 第三代移动通信系统的开发给各个国家的移动通信产业的发展都带来了机 遇和挑战。为了能在未来的标准化工作中取得领先地位，各个国家、公司以及标 准化组织纷纷提出自己的技术和技术标准。在1 9 9 9 年1 1 月5 日赫尔辛基举行的 t g s 1 第1 8 次会议上，确认了5 种第三代移动通信无线传输技术。其中两种 t d m a 技术，s c t d m a ( u m c 1 3 6 ) ，m c t d m a ( e p d e c t ) ；三种c d m a 技术：m c c d m a ( c d m a2 0 0 0m c ) 、d s c d m a ( 包括u t r a w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 d s ) 、t d dc d m a ( t d s c d m a 和u t r at d d ) 。主流技术是三种c d m a 技术。 w c d m a 最初是由爱立信、诺基亚为代表的欧洲通信设备商提出的。日本 由于在第二代移动通信时期采用自主开发的通信标准，而不是全球主流的技术标 准，因此，在很大程度上限制了日本设备商在世界范围内的市场，所以希望通过 第三代移动通信占据国际市场。以n t t d o c o m o 为主的公司提出的w c d m a 与 2 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 欧洲的标准融合，形成现在的w c d m a 系统。w c d m a 主要采用带宽为5 m h z 的宽带c d m a 技术，上、下行快速功率控制，下行发射分集，基站间可以异步 操作3 1 。 c d m a 2 0 0 0 是在i s 9 5 系统的基础上由高通、朗讯、摩托罗拉和北电等公司 一起提出的，c d m a2 0 0 0 系统的设计考虑和i s 9 5 系统的后向兼容，很多基本 参数和特征都是相似的，在无线接1 2 1 采用了增强技术，表现在以下几个方面【4 】： ( 1 ) 提供反向导频信道，反向可以进行相干解调。在i s 9 5 系统中，反向链 路没有导频信道，使得基站接收机中同步和信道估计比较困难。 ( 2 ) 前向链路采用发射分集方式，提高了信道的抗衰落能力。 ( 3 ) 增强了前向快速功率控制，提高前向信道的容量。 ( 4 ) 业务信道引入了t u r b o 码，提高系统性能。 ( 5 ) 引入快速寻呼信道，增加了移动台的待机时间。 w c d m a 和c d m a2 0 0 0 都是采用f d d 模式，需要大段成对的频谱，而t d d 模式上、下行工作在同一频段，在频率资源日趋紧张的今天，这一点显得尤为重 要。而且，基站可以根据上行链路的信号来估计下行链路信道特性，因此不需要 快速的功率控制。此外，上、下行链路的对称特性便于使用智能天线。同时t d d 的工作模式便于支持不对称业务的需求，这些优势都是f d d 系统难以实现的。 t d s c d m a 就是在这样的环境下产生的。t d s c d m a 作为一个t d d 系统， 与w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 在具体技术的选取上有着自身独特的特点，如低码片 速率( l c r ) 、单载波带宽小、上下行同一频率、上下行均是同步的等等。正因 为这些这些特点，使得一些技术在t d s c d m a 上能发挥出更大的优势。低码片 速率使得硬件的实现更加简单，成本得以降低，一些复杂的技术在现有软硬件基 础上得以支持，如联合检测。单载波带宽小，不要求对称的上下行频带，上下行 负载可以灵活分配，符合分组业务上下行流量不对称的现实，又可以灵活地利用 零散的频率资源，使得最终频谱利用率得到提高，为运营商节省频率资源。上下 行同频使得上下行的信道具有相当的互易性，使得发送端利用接收信号进行信道 估计更加准确，这对于许多依赖于信道估计的技术都有好处，如联合检测、智能 天线等。上下行同步模式的c d m a 使得由于码字之间的不正交性带来的多址干 扰大大降低，对上行容量的提高尤其有意义。 1 2 新一代移动通信标准中t d d 系统的演进 t d s c d m a ( t i m ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 第 3 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 三代移动通信系统标准是信息产业部电信科学技术研究院( 现大唐集团) 在有关 部门的支持下，经过多年的研究而提出的具有一定特色的第三代移动通信系统标 准，是中国百年通信史上第一个具有自主知识产权的国际通信标准，在我国通信 发展史上具有里程碑的意义并产生深刻影响。 该标准在我国原无线通信标准组( c w t s ，c h i n e s ew i r e l e s s t e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 最终修改完成后，经院有点不批准，于1 9 9 8 年6 月 代表我国提交到国际电信联盟( i t u ，i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 和 县官国际标准组织。 1 9 9 9 年1 1 月在芬兰赫尔辛基召开的国际电信联盟会议上，t d s c d m a 被 列入i t u 建议i t u rm 1 4 5 7 中，成为i t u 认可的第三代移动通信无线传输技术 ( r t t , r a d i ot r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y ) 主流技术之一。 1 9 9 9 年1 2 月3 g p pr a n ( r a d i oa c c e s sn e t w o r k ) 第七次全会上正式确定了 t d s c d m a 与u t r a t d d 标准的融合原则。 2 0 0 0 年5 月世界无线电行政大会正式接纳t d s c d m a 为第三代移动通信系 统国际标准，从而使t s s c d m a 成为与欧洲、日本提出的w c d m a 以及美国提 出的c d m a 2 0 0 0 并列成为三代主流3 g 标准之一。这是百年来中国电信史上的重 大突破，标志着我国在移动通信技术方面进入世界先进行列。 2 0 0 1 年3 月的3 g p pr a n 的1 1 次全会上，t d s c d m a 被正式列入3 g p p 关于第三代移动通信系统的技术规范，包含在3 g p pr 4 版本中，这表明 t d s c d m a 作为一个国际标准，被众多业界通信制造商和运营商所接受，并为 以后的市场化打开了局面。从此，t d s c d m a 进入了稳定发展和逐步完善的阶 段。 在我国的标准化组织中国通信标准协会( c c s a ) 的第五技术委员会 ( t c 5 ) 中，t d s c d m a 的标准化工作也在稳步进行，目前c c s a 已经制定了 t d s c d m a 的一整套行业标准，包括系统体系、空中接口和网元接口的详细技 术规范，为t d s c d m a 的产业发展和商用化奠定了良好的基础。 2 0 0 2 年1 0 月2 3 日，信息产业部公布t d s c d m a 频谱规划，为t d s c d m a 标准划分了专用的频段。 2 0 0 6 年1 月2 0 日，信息产业部正式颁布t d s c d m a 为我国通信行业标准。 t d s c d m a 于2 0 0 1 年3 月被写入3 g p p 的r e l e a s e4 标准之后，在3 g p p r e l e a s e5 标准中引入了t d s c d m a 的短期演进h s d p a 标准；与之对应，在3 g p p r e l e a s e6 标准中，则提出h s u p a 标准方案；随着t d s c d m a 进一步演进，在 3 g p pr e l e a s e7 中提出了l t e ：随后在3 g p pr e l e a s e8 标准中又引入了h s p a + 标 准。在未来的标准化工作中，t d s c d m a 的增强和演进工作将进一步深入，包 4 在无线网络中，用户对高速数据业务的需求不断增大，而由于无线网络资源 的有限性，是的用户对资源需求与有限的资源之间的矛盾日益激烈，已经成为制 约无线通信发展的主要因素。针对现有的系统，要解决这一矛盾，一方面需要在 物理层采用更为先进的技术( 如：波束赋形技术等) ，提高系统性能。此外还可 以通过采用m i m o ，o f d m 等更先进的传输技术来提高无线信道传输速率。 m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 作为提高系统容量的最主要手段， 受到了各方代表的关注。l t e 已经确定m i m o 天线个数的基本天线的配置是下 行2 * 2 ，上行l 堆2 ，但也在考虑4 * 4 的高阶天线配置。n o t e l 的专利技术虚拟m i m o 也被l t e 采纳作为提高小区边缘数据速率和系统性能的主要手段。另外l t e 也 正在考虑采用小区间干扰一直技术来改善小区边缘的数据速率和系统容量。下行 方向的m i m o 方案相对较多，l t em i m o 下行方案主要可以分为两类：发射分 集和空间复用。目前，基于预编码向量选择的预编码技术。其中预编码技术已经 被确定为多用户m i m o 场景的传输方案。 e b b ( e i g e nb a s e db e a m f o r m i n g ) 是类似与传统m i m o 的预编码技术的多 天线技术，其通过对空间相关矩阵进行特征值的分解来得到权矢量。由于t d d 信道的互易性使得我们可以在发送端利用信道特性信息，因此e b b 算法可以在 t d d 系统有效的实施。当发送端天线阵列的天线数量较多且能够较为准确的估 计出信道冲击响应矩阵的情况下，可以获得较好的波束赋形增益。 由于现有的t d s c d m a 系统所使用的是空中接口技术是基于g o b ( g r i do f b e a m ) 算法的d o a 估计，通过估计用户到达角度实现波束赋形，其所使用的天 线配置是基站端8 根天线的配置，并且相邻天线之间强相关。在作为t d s c d m a 的后向演进的t d d l t e 技术，如果将e b b 作为空口传输技术的主流技术，将为 运营商的设备部署和无线通信系统的平滑演进和升级提供更多的便利和支持。利 用t d d 系统特有的性能优势，能够较好的估计信道信息，对于e b b 性能的提升， 也大有裨益。 北京邮电大学硕：l j 学位论文 第一章绪论 主要的研究内容包括： 一无线通信系统模型的建立 - 设计并搭建较为完善的系统级动态仿真平台 _ 算法策略研究和仿真验证 网络部署策略分析 目前国内主流的t d d 系统巾s c d m a 系统已经在相关运营商和政府 的大力推动下在全国范围内得到广泛的部署和商用，由于对提高系统容量和用户 体验的呼声越来越高，下一代移动通信系统特别是基于t d d 模式下的无线通信 网络的研究和产业化工作正在加紧实施。 本文的研究结果对于改善l t e 系统中波束赋形的性能有一定的参考作用， i 一时该增强型波束赋形技术在l t e 以及l t e + 中的相关研究结果可以扩展到其他 的通信系统标准中，尤其对于高速数据业务有较强的参考价值。 6 对于l t e 的物理层的多址方案，在下行方向上采用基于循环前缀( c y c l i c p r e f i x ，c p ) 的正交频分复用( o r t h o g o n a lf 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 ) ， 在上行方向上采用基于循环前缀的单载波频分多址( s i n g l ec a r r i e r m f r e q u e c n y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s ，s c f d m a ) 。为了支持成对的和不成对的频谱，支 持频分双t ( f r e q u e c yd i v i s i o nd u p l e x ，f d d ) 模式和时分双i ( t i m ed i v i s i o n d u p l e x ，t d d ) 模式。 物理层是基于资源块以带宽不可知的方式进行定义的，从而允许l t e 的物 理层适用于不同的频谱分配。一个资源块在频域上或者占用1 2 个宽度为1 5 k h z 的子载波，或者占用2 4 个宽度为7 5 k h z 的子载波，在时域上持续时间为0 5 m s 。 无线帧结构l 用于f d d 模式( 包括全双工和半x 2 t ) ，其无线子帧长度为 1 0 m s ，包含2 0 个时隙( s l o d ，每一个时隙的长度为0 5 m s 。两个相邻的时隙构 成一个子帧，长度为l m s 。 无线t d d 帧结构2 用于t d d 模式，具有两个时长为5 m s 的半帧( h a l f - f r a m e ) ， 每一个半帧包括8 个0 5 m s 的时隙以及3 个特殊区域：下行导频时隙( d o w n l i n k p i l o tt i m es l o t ，d w p t s ) 、保护时隙( g u a r dp e r i o d ，g p ) 和上行导频时隙( u p l i n k p i l o tt i m es l o t ，u p p t s ) ，这3 个特殊区域的总时长为l m s ，各自的时长可配。除 子帧1 和子帧6 以外，一个子帧包括两个相邻的时隙，子帧1 和子帧6 包含 d w p t s 、g p 和u p p t s ，支持5 m s 和l o r e s 的切换点周期。 为了支持多媒体广播和多播业务( m u l t i m e d i ab r o a d c a s ta n dm u l t i c a s t s e r v i c e ，m b m s ) ，l t e 提供了在单频网多播广播( m u l t i c a s t b r o a d c a s ts i n g l e f r e q u e n c yn e t w o r k ，m b s f n ) q a 传输多播广播业务的可能性，即在给定的时间 内，可以从多个小区发送时间同步的公共波形。m b s f n 提供了更高效的m b m s ， 允许终端可以在空i = 1 合并多个小区的传输，其中使用循环前缀来应对不同传输时 延的差别，这对于终端来说，m b s f n 传输就像来自一个大覆盖小区的传输一样。 对于m b s f n ，支持在专用载波上使用更长的c p 和7 5 k h z 的子载波间隔，并 且在一个载波上可以使用时分复用的方式支持m b m s 传输和点对点传输。 支持多输入多输出( m i m o ) 传输，在下行方向上可以配置2 根或者4 根传输 天线，以及2 根或者4 根接收天线，允许最大4 个流的多层传输。在上行和下行 7 北京邮电大学硕士学位论文第二章l t e 系统关键技术 都支持多用户m i m o ( m u l t i p l eu s e r m i m o ，m u m i m o ) ，即分配不同的流给不 同的用户。 2 2l t e 系统关键技术 l t e 通信系统为了达到相应的性能需求，采用了许多先进的技术，比如 o f d m 技术，m i m o 技术，自适应技术和编码技术等等，下面对此类技术进行 介绍。 2 2 1o f d m 技术 其实o f d m 并不是特别新的技术，它由多载波调制( m c m ) 发展而来。美 国军方早在上世纪的五六十年代就创建了世界一卜第一个m c m 系统，在1 9 7 0 年 衍生出采用大规模子载波和频率重叠技术的o f d m 系统。但在以后相当长的一 段时间，o f d m 技术发展特别缓慢。这是由于o f d m 的各个子载波之间相互正 交，采用fft 实现这种调制，但在实际应用中，实时傅立叶变换设备的复杂度、 发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素都成为 o f d m 技术实现的制约条件。后来经过大量研究，终于在2 0 世纪8 0 年代，m c m 获得了突破性进展，大规模集成电路让f f t t 2 】技术的实现不再是难以逾越的障 碍，一些其它难以实现的困难也都得到了解决，自此，o f d m 走上了通信的舞 台，逐步迈入高速m o d e m 和数字移动通信的领域。2 0 世纪9 0 年代，o f d m 开 始被欧洲和澳大利亚广泛用于广播信道的宽带数据通信，数字音频广播( d a b ) 、 高清晰度数字电视( h d t v ) 和无线局域网( w l a n ) 。随着d s p 芯片技术的发 展，格栅编码技术、软判决技术、信道自适应技术等成熟技术的应用，o f d m 技 术进入了高速的发展时期。 正交频分复用( o f d m ) 是多载波调制( m c m ) 技术的一种。m c m 的基本思 想是把数据流串并变换为n 路速率较低的子数据流，用它们分别去调制n 路子 载波后并行传输。因子数据流的速率是原来的i n ，即符号周期扩大为原来的n 倍，远人于信道的最大延迟扩展s m a x ，这样m c m 就把一个宽带频率选择性信 道划分成了n 个窄带平坦衰落信道( 均衡简单) ，从而先天具有很强的抗无线信道 多径衰落和抗脉冲干扰的能力，特别适合于高速无线数据传输。o f d m 是一种子 载波相互混叠的m c m ，因此它除了具有上述m c m 的优势外，还具有更高的频 谱利用率。o f d m 选择时域相互正交的子载波，它们虽然在频域相互混叠，却仍 8 冬 北京邮电大学硕士学位论文 第二章l t e 系统关键技术 能在接收端被分离出来。一个o f d m 符号之内包含多个经过相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 的子载波。 由于信道有记忆性导致结果输出块不仅与当前输入块有关，还与上一个块的 最后m 个输入有关，这样就导致了i b i 。为了消除i b i ，可以在每个o f d m 符号 之间插入保护间隔( g i ，g u a r di n t e r v a l ) ，而且该保护间隔长度一般要大于无线 信道中的最大时延扩展，即在n 个数据块后加m 个零。然而在这种情况下，由 于多径传播的影响，会产生载波之间干扰( i c i ) ，即子载波之间的正交性遭到破 坏。由于在f f t 运算时间长度内，第一个子载波和第二个子载波之问的周期数 之差不再是整数，由上而正交性证明知，这两个予载波不再正交，所以当接受机 试图对第一予载波进行解调时，第二子载波会对第一子载波造成干扰1 9 8 0 年 p e l e d 和r u i z 对o f d m 技术做出了一个重要贡献，即把循环前缀( c p ) 或称循 环扩展引入o f d m 以解决正交性问题。为了克服i c i ，他们在防卫间隔中加入 的是of d m 符号的循环扩展，而不是使用空白防卫间隔。改用循环前缀后，只 要多径时延小于保护间隔，在f f t 的运算时间长度内，不会发生信号相位的跳 变，因此o f d m 接收机所看到的仅仅是存在某些相位偏移的，多个单纯连续正弦 波的叠加信号，而且这种叠加也不会破坏予载波之间的正交性。 9 北京邮电大学硕士学位论文 第二章l t e 系统关键技术 图2 - io f d m 的物理信号基本结构 在o f d m 技术当中，还伴随着同步技术。同步技术大致分为四种，第一种 是载波同步：当采用同步解调和相干检测时，接收端需要提供一个与发射端调制 载波同频同相的相干载波；第二种是符号同步：是使接收端得到与发送端周期相 同的符号序列，并确定每个符号的起止时刻( 即确定准确的f f t 窝位置) ，进而 实现块同步和帧同步；第三种是样值定时同步：是为了接受端确定每个样值符号 的起止时刻；最后一种是样值频率同步：是为了保证使接受端有与发送端具有相 同的采样频率。同步一般分为捕获和跟踪两步。连续传输数据符号的系统( d a b ， d v b ) 允许有相当长的时间先去捕获同步，然后再转到跟踪模式，而对于突发 方式传输的系统( w l a n ) ，传输不连续，需在很短时间内获得同步，所以基本 上都使用训练信息，以降低传输效率获得可靠同步。同步实施步骤：粗同步专细 同步j 跟踪。捕获：要尽快地进行偏差变量估计，在比较宽的范围内捕捉到参 数，又要使补偿后各偏差变量的偏差限定在一个非常小的范围内。跟踪：能够锁 定并执行跟踪任务，针对各偏差变量随机变部分所引起的抖动( 如多普勒频移， 相位抖动和定时抖动等) ，需要对它们随时进行调整，以获得更高精度的同步。 粗同步：把较大的初始偏差减少到一个较小范围内，如细同步范围之内，但并不 1 0 仍 驴 钐 z 北京邮电大学硕士学位论文第二章l t e 系统关键技术 需要实现完全精确的同步。细同步：将各偏差变量的剩余误差进一步减少。 由于o f d m 符号由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成，在某个时 刻，若多个载波以同一个方向进行累加时，就会产生比较大的峰值功率( p e a k p o w e r ) ，以此会带来较大的峰值平均功率比( p a r ) 。如果发射机输出的瞬时功 率超过系统的某些部件的线性动态范同，就会使信号产生畸变，从而产生子载波 间的互调干扰和带外辐射，破坏子载波问的正交性，从而影响o f d m 系统的性 能。 对于o f d m 符号实施过采样是非常必要的，因为过采样更加有助于收集到 较大的峰值功率，可以更加准确地衡量o f d m 系统内的p a r 特性，但实施过采 样时，可能破坏各样值问的相关性。基于相关性来考虑p a r 时较困难，可以假 设利用洲个子载波进行非过采样来近似描述对n 个载波的过采样，其中口 l 。 那么为了减小p a r 给o f d m 系统带来的影响，可能采用如下措施： 限幅 基本思路：信号在经过非线形部件之前进行限幅，使得峰值信号低于所期望 的最大电平值。缺点：尽管限幅比较简单，但它也会为o f d m 带来相关的问题。 首先，对o f d m 符号幅度进行预畸变，会对系统造成自身干扰，从而造成系统 的b e r 性能降低。由分析知，所能允许的p a r 门限值越低，对系统的b e r 所 造成的影响越大。其次，o f d m 符号的畸变会导致带外辐射功率的增加。 压扩变换 基本原理：压扩变换把大功率发射信号压缩，而把小功率发射信号进行放大， 从而使发射信号的平均功率相对保持不变，这样不但可以减小系统的p a r 而且 还可以提高系统的抗干扰能力。在发射端对信号进行压扩，而在接受端要实施逆 操作。优点；减小p a r ，增强小功率信号抗干扰的能力。 一非畸变减小p a r 的方法 基本思想：o f d m 系统内出现较大峰值功率信号的原因在于多个子载波信 号的叠加( 计算i f f t ) 。如果可以利用多个序列来表示同一组信息的传输，则在 给定的p a r 门限条件下，可以从中选择一组用于传输，这样就会显著减小峰值 功率信号出现的概率。 编码类