（通信与信息系统专业论文）下一代无线通信系统中的干扰抑制技术研究.pdf

j，1 。 r 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： 日期：j 必生 一 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： 导师签名： 日期： 日期： 丝! 翌：查：! 一 j 出五啤一 、 p 。 弋 下一代无线通信系统中的干扰抑制技术研究 摘要 l t e 是3 g p p 在“移动通信宽带化”趋势下，为了对抗w i m a x 等 移动宽带无线接入技术的市场挑战而产生的技术。在l t e 中，小区间 干扰成为系统性能的主要瓶颈，因此小区间干扰协调在l t e 中得到了 广泛研究。 2 0 0 8 年3 月，在l t e 标准化接近完成之时，一个在l t e 基础上 继续演进的项目先进的l t e ( l t e - a d v a n c e d ) 项目又在3 g p p 拉开 了帷幕。由于l t e - a d v a n c e d 提出了比l t e 更高的平均用户速率和边 缘用户速率，因此，l t e - a d v a n c e d 中提出使用多点协作技术来消除 小区间干扰。 本文首先介绍了无线通信的背景以及发展趋势，然后介绍了被广 泛认可的干扰抑制技术：小区间干扰随机化，小区间干扰协调，小区 间干扰消除。随后本文主要介绍了干扰协调技术以及基于多点协作的 干扰消除技术，并提供了系统级仿真结果。最后本文对未来干扰抑制 技术的发展趋势做了展望。 关键词：l t e ，l t e - a d v a n c e d ，干扰协调，多点协作，干扰消除 气 r e s e a r c ho fi n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o n t e c h n o l o g i e si nt h en e x tg e n e r 棚0 nw i r e l e s s c o m m u n i c 加o ns y s t e m a st h ee v o l u t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt ob r o a d b a n d c o m m u n i c a t i o n ，3 g p ps t r a t e dt h es t a n d a r d i z a t i o no fi j i et oc o m p e t ew i t h w i m a x t h ei n t e r - c e l l i n t e r f e r e n c eh a sb e c a m eab o t t l e n e c ko fu 陋s o t h ei n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o nt e c h n o l o g yi sr e s e a r c h e dw i d e l y a st h es t a n d a r d i z a t i o no fl t ei sn e a r l yc o m p l e t e di nm a r c h ，2 0 0 8 ， t h es t a n d a r d i z a t i o no fl t e a d v a n c e dw h i c hi sb a s e do nl 砸s t a r t e db v 3 g p p m u c hh i g h e ra v e r a g eu s e rr a t ea n dc e l le d g eu s e rr a t ea t er e q u i r e d i nl t e - a d v a n c e d ，t h e r e f o r e ，t h ec o o r d i n a t e dm u l t i p l ep o i n t st e c h n o l o g y i sr a i s e dt oe l i m i n a t et h ei n t e r f e r e n c e i nt h i s p a p e r , t h eb a c k g r o u n d a n de v o l u t i o no fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o na r ei n t r o d u c e da tf i r s t t h e nt h r e ei m p o r t a n ti n t e r f e r e n c e s u p p r e s s i o nt e c h n o l o g i e s a r e d e s c r i b e d ， i n c l u d i n g i n t e r f e r e n c e r a n d o m i z a t i o n ，i n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o na n di n t e r f e r e n c ee l i m i n a t i o n t h ei n t e r c e l li n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o na n di n t e r f e r e n c ee l i m i n a t i o n w h i c hi sb a s e do nc o o r d i n a t e dt r a n m i s s i o na t ec h i e f l yi n t r o d u c e di nt h i s p a p e r , a n dt h es y s t e ms i m u l a t i o nr e s u l t sa r ep r o v i d e d t h ee v o l u t i o no f i n t e r f e r e n c ee l i m i n a t i o nt e c h n o l o g i e si sg i v e ni nt h ee n d k e yw o r d s ：l t e ，l t e - a d v a n c e d ，i n t e r f e r e n c e c o o r d i n a t i o n ， c o o r d i n a t e dm u l t i p l ep o i n t s ，i n t e r f e r e n c ee l i m i n a t i o n ， 第一章 1 1 1 2 1 3 1 4 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 第三章 3 1 3 2 3 3 弓l 言。i 移动通信的发展i l t e 系统概况3 l t e a d v a n c e d 系统概况4 未来技术的发展趋势5 下一代无线通信系统中的关键技术7 上下行多址技术7 2 1 1下行多址技术7 2 1 2 上行多址技术1 0 上下行m i m o 技术1 2 2 2 1下行m i m o 技术1 2 2 2 2 上行m i m o 技术1 5 自适应调制和编码1 5 混合自动重传请求1 6 分组调度原理1 7 2 5 1轮询算法。1 7 2 5 2 最大c i 算法。1 8 2 5 3 正比公平算法。1 9 多频段协同与频谱整合1 9 中继技术2 0 分布式天线2 1 家庭基站2 3 小区间干扰抑制技术概述一。2 4 小区间干扰随机化。2 4 3 1 1 小区特定的加扰2 4 3 1 2 小区特定的交织2 5 3 1 3 小区特定的跳频2 5 小区间干扰协调2 6 小区间干扰消除2 8 3 3 1 基于多天线接收终端的空间干扰压制技术2 8 3 3 2 基于干扰重构的干扰消除技术2 8 3 3 3 基于小区间协作的干扰消除技术2 9 第四章小区间干扰协调技术研究3 l 4 1 小区间干扰协调方案3 1 4 1 1 小区模型简介3 1 4 1 2 部分频率复用3 l 4 1 3 软频率复用3 3 4 2 资源调度方案3 4 4 3 仿真参数3 5 4 4 仿真结果与分析3 6 4 4 1 比例公平调度下的仿真结果3 6 4 4 2 令牌调度下的仿真结果3 7 4 4 3 仿真结果分析3 8 第五章小区间干扰消除技术研究。4 0 5 1 多点协作系统介绍4 0 5 2 上行c o m p 系统模型4 1 5 3 多点协作方案。4 3 5 3 1 静态协作。4 3 5 4 动态协作4 4 5 5 所有扇区协作4 5 5 6 仿真参数。4 6 5 7 仿真结果与分析4 7 第六章结束语5 1 参考文献5 3 致谢! ；! ； 第一章引言 第一章引言 移动通信是通信领域中最具活力、发展最为迅猛的一种通信方式。顾名思义， 移动通信就是指通信双方至少有一方在运动状态中进行信息传输。例如，移动台 ( 车辆、船舶、飞机或者行人) 与固定点之间，或者移动台之间的通信都属于移动 通信的范畴。另外，还有一种可移动的概念，即通信用户的位置是可变的，但在 通信过程中用户可能并不处于运行状态这类通信也可称为移动通信，但与严格 意义的移动通信相比，两者的无线信道特性有较大的差别。 如今，世界各国都在致力于移动通信的研究及标准的制定。未来移动通信的 目标是：能在任何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠的通信服务。 本章将简要回顾移动通信技术的发展历程，对如今移动通信的概况作一个简 单介绍，并展望未来技术的发展趋势。 1 1 移动通信的发展 移动通信可以说从无线电通信发明之日就产生了。1 8 9 7 年，m g 马可尼所 完成的无线通信实验就是在固定站与一艘托船之间进行的，当时的距离为1 8 海 里，现代移动通信技术的发展始于2 0 世纪2 0 年代，但是一直到2 0 世纪7 0 年代中期， 才迎来了移动通信的蓬勃发展时期。1 9 7 8 年底，美国贝尔实验室研制成功先进移 动电话系统( a m p s ) ，建成了蜂窝状模拟移动通信网，大大提高了系统容量。与 此同时，其它发达国家也相继开发出蜂窝式公用移动通信网。这一阶段的特点是 蜂窝移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展。移动通信得到迅猛发展 的原因，除了用户要求迅速增加这一主要推动力之外，还有几方面技术进展所提 供的条件。首先，微电子技术在这一时期得到迅速发展，使得通信设备能够实现 小型化、微型化。其次，提出并且形成了移动通信新体制，即贝尔实验室在7 0 年代提出的蜂窝网的概念蜂窝网，即所谓的小区制，由于实现了频率再用，大 大提高了系统容量。第三方面进展是随着大规模集成电路的发展而出现的微处理 器技术同趋成熟以及计算机技术的迅猛发展，从而为大型通信网的管理与控制提 供了技术手段。这一阶段所诞生的移动通信系统一般被当作是第一代移动通信系 统。 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，数字移动通信系统进入发展和成熟时期。蜂窝模 拟网的容量已不能满足日益增长的移动用户的需求8 0 年代中期，欧洲首先推出 1 第一章引言 了全球移动通信系统( g s m ) 随后美国和日本也相继指定了各自的数字移动通信 体制。 2 0 世纪9 0 年代初，美国q u a l c o m m 公司推出了窄带码分多址( c d m a ) 蜂窝移 动通信系统，这是移动通信系统中具有重要意义的事件。从此，码分多址这种新 的无线接入技术在移动通信领域占有了越来越重要的地位。这些目前正在广泛使 用的数字移动通信系统是第二代移动通信系统。 第二代移动通信系统主要是为支持话音和低速率的数据业务而设计的。但随 着人们对通信业务范围和业务速率要求的不断提高，己有的第二代移动通信网将 很难满足新的业务需求。为了适应新的市场需求，人们正在制定第三代( 3 6 ) 移 动通信系统。但是由于3 g 系统的核心网还没有完全脱离第二代移动通信系统的 核心网结构，所以普遍认为第三代系统仅仅是一个从窄带向未来移动通信系统过 渡的阶段。目前，人们已经把目光越来越多得投向三代以后( b e y o n d3 0 ) 的移动通 信系统中，使其可以容纳市场庞大的用户数、改善现有通信品质不良，以及达到 高速数据传输的要求。若以技术层面来看，第三代移动通信系统主要是以c d m a 为核心技术，三代以后的移动通信系统则以正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ：o f d m ) 最受瞩目，特别是有不少专家学者针对o f d m 技术 在移动通信技术上的应用，提出相关的理论基础，例如无线区域环路( w l l ) 、数 字音讯广播( d a b ) 等，都将在未来采用o f d m 技术。【1 l 目前的3 g 技术主要是针对当时不断增长的语音业务而设计的。它考虑了对 语音业务的良好支持，兼顾了低速率的数据业务。但是由于技术限制和对未来业 务的预测，3 g 技术并不能全面支持高速数据业务，也不能对时延低、速率高的 多媒体流业务提供很好的支持。而在3 g p pr 5 、r 6 中提出的h s d 伴棚s u p a 等 3 g 增强型技术，虽然可以大幅提高上下行速率，但采用时分方式，是以全小区 的总吞吐量为代价的。在w i m a x 、w i f i 等无线接入技术的挑战下，在提供带 宽和每比特成本方面，3 g 技术的竞争力很难体现。 正是基于通信产业对“移动通信宽带化 的认识和应对。宽带接入移动化一 挑战的需要，3 g p p 开始了“长期演进 的进程。 在2 0 0 4 年1 2 月的3 g p pr a n 会议上，在中国移动、美国c i n g u l a r w i r e l w s s 、 日本的n r rd o c o m o 、v o d a f o n e 、o r a n g e 、t - m o b i l e 、t i m 等大型运营商的提倡 下，u t r a n 的长期演进( l o n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) 计划被正式批准立项，被 称为增强型u t r a n ( e u t r a n ) 。3 g p p 以频繁的会议全力推进l t e 的研究工 作。仅半年就完成了需求的制定，在2 0 0 6 年9 月完成了研究阶段的工作，2 0 0 8 年年底基本完成工作阶段的标准制定工作，乐观估计到2 0 1 0 年即可商用。 2 0 0 8 年3 月，在l t e 标准化接近于完成之时，一个在l t e 基础上继续演进 2 第一章引言 的项目先进的l t e ( l t e a d v a n c e d ) 项目又在3 g p p 拉开了帷幕。如果说 l t e 可以被看做“准4 g ”技术，l t e a d v a n c e d 就是名正言顺的“4 g 技术，因 为此项工作的启动名义上是为了满足i t u - ri m t - a d v a n c e d 技术征集的需要。随 着3 g p p 中针对l t e a d v a n c e d 的需求和技术演进的看法也渐趋明朗【1 1 。 1 2l t e 系统概况 3 g p p 致力于3 g p pl t e ( 1 0 n g t e r me v o l u t i o n ) 作为3 g 系统的演进是从2 0 0 4 年n 月加拿大多伦多的3 g p p 接入网演进学术讨论会( r a ne v o l u t i o nw o r k s h o p ) 开始的，考虑到w i m a x 等宽带无线通讯技术的迅速发展，3 g p p 需要提出自己 的标准，参与宽带无线通讯技术的竞争。讨论会上确定了一些高层需求，如降低 每比特成本；增强对未来业务的支持能力；可以灵活地在已有和新的频段上部署； 结构简单，接口开放；考虑终端适当地省电。 3 g p p 于2 0 0 4 年1 2 月正式成立了l t e 研究项目( s t u d yi t e m ) ，明确研究项 目的目标是：发展3 g p p 无线接入技术向着“高数据速率、低延迟和优化分组数 据应用一方向演进。负责l t e 研究项目的工作组为r a n l ( r a d i o a c c e s sn e t w o r k s w g l ) 、r a n 2 、r a n 3 、r a n 4 。根据计划，研究项目工作将于2 0 0 6 年6 月完成 新的空中接口技术和接入网结构的甄选，之后转入到3 g p p 工作项目( w o r k i t e m ) ，开始标准制定，预计2 0 0 7 年6 月完成标准，2 0 0 9 年实现系统商用。 3 g p p 在开展l t e 研究工作的同时，启动了s a e ( s y s t e ma r c h i t e c t u r e e v o l u t i o n ) 研究项目( s t u d yi t e m ) ，该项目由s a 2 ( s e r v i c e s s y s t e ma s p e c t s 。 w g 2 ) 工作组牵头，r a n 3 配合。l t e 与s a e 之间有着紧密的联系，共同构建了3 g p p 的系统整体演进。 l t e 是关于u t r a 和u t r a n 的演进，是对包括核心网在内全网的演进。 它包含了无线接口和无线网络结构部分，和以前相比去掉了电路域，只剩下分组 域。其语音业务部分将由v 0 口来实现。在2 0 0 5 年6 月的r a n 全会上确定了l t e 的两个核心目标，一个是以提高吞吐量和频谱利用率为主的性能目标，另一个是 降低运营成本为主的成本目标。具体内容包括： l 、目标峰值速率：下行链路为1 0 0 m b i t s ，上行链路为5 0 m b i t s ； 2 、适用于不同的带宽：1 2 5 2 0 m h z ； 3 、支持“p a i r e d 和“u n p a i r e d 的频谱分配； 4 、以分组域业务为主要目标； 5 、降低无线网络时延：用户面延迟u p l a n 1 0 m s ，控制面延迟c p l a n 1 0 0 m s t 6 、频谱效率：下行链路5 ( b i t s ) h z ( 3 4 倍于r 6h s d p a ) ；上行链路 2 5 ( b i t s ) h z ( 2 。3 倍于r 6h s u p a ) ； 3 第一章引言 7 、强调后向兼容，同时也考虑与系统性能的折衷； 8 、提高小区边缘的用户吞吐量。 在2 0 m h z 带宽下，全小区范围内，数据速率应保持一致性，在边缘区域， 在边缘区域，速率不能有太明显下降。同时为了满足低时延业务的要求，无线网 络中的传输时延必须减小。 因考虑到全球不同运营商的不同部署需求和与现有g s m 、c d m a 、3 g 系统 的共存与互通，l t e 将支持更为灵活的带宽和频谱，可在1 2 5 m h z ，2 5 m h z ， 5 m h z ，i o m h z ，1 5 m h z ，2 0 m h z ，6 5 m h z 的带宽下，支持成对或非成对频谱， 并可以与已有系统实现共站址。在无线资源管理方面，l t e 应支持增强的q o s 控制机制，提供优化的上层业务，应用和协议到无线资源的映射和匹配，更加优 化的无线接口传输，如口包头压缩。 随着h s d p a h s u p a 等3 g 增强技术的引入，3 g 可以提供较高的带宽和较 低的单位比特成本，和w i f i 、w i m a x 等无线接入方案相比，在移动性方面有 较大优势，但在单位比特成本上并无明显的竞争力。为迎接新兴无线接入技术的 挑战，维持在更长时间内的竞争力，l t e 提出了将单位比特的运营成本和原有 3 g 技术相比降低1 2 个数量级。根据这个目标，l t e 将大幅降低协议的复杂性， 最小化协议的可选项数目和减少不必要的必选功能，减少必须的测试例数和协议 的状态数量，最小化协议流程数量、参数范围和颗粒度。同时，还将通过优化传 输技术，尽量使用现有的站址，开发新的无线接口，优化终端设计，简化网络的 接口，开发更高效和易用的网管，利用数据域的新业务来取代原有的电路域业务， 最大程度考虑后向和前向继承性等方式开进一步减少运营成本，以实现l t e 的 成本目标i z j 。 1 3l t e a d v a n c e d 系统概况 l t e 相对于3 g 技术，名为“演进 ，实为“革命一，3 g p p 产业界在经过了3 年多全力以赴的l t e 技术研发后，u m t s 的技术基础已大部分被替换。l t e 已 经具备有相当明显的4 g 技术特征，只要在其基础上进行适当增强，就可以满足 i m t - a d v a n c e d 的需求。因此，l t e a d v a n c e d 注定不会成为再一次“革命 ，而 一定会作为在l t e 基础上的平滑演进。 随着业界对移动因特网发展趋势的理解逐步加深，人们也在反思宽带移动通 信的主要应用场景到底是什么。用户的使用习惯似乎表明，对宽带多媒体业务的 需求主要来自于室内。有统计表明，未来8 0 。9 0 的系统吞吐量将发生在室内 和热点游牧场景，室内、低速、热点可能将成为移动因特网时代更重要的应用场 景。因此，传统蜂窝技术“重室外，轻室内 、“重蜂窝组网，轻孤立热点”，“重 4 第一章引言 移动切换，轻固定游牧 的观念可能有的必要。因此，l t e a d v a n c e d 的工作重 点之一应该放在对室内场景进行优化。 在系统带宽方面，l t e a d v a n c e d 提出了和i m t - a d v a n c e d 相同的要求( 虽然 i m t - a d v a n c e d 后来将带宽需求又降低为了4 0 m h z ) ，即支持最大1 0 0 m h z 的带 宽。由于如此的连续频谱很难找到，因此l t e a d v a n c e d 提出了对频谱整合的需 求，这项技术可以将多个离散的频谱联合在一起使用。 由于考虑了远远超过l t e 系统的系统带宽，即使系统的频谱效率不变，也 可以获得高得多的峰值速率。目前l t e a d v a n c e d 考虑的峰值速率为下行1 g b i u s ， 上行5 0 0 m b i t s ，这个目标要在下行4 x 4 天线，上行2 x 4 天线配置下实现。应该 说，这个指标从理论上是完全可以达到的。 和峰值速率、峰值频谱效率相比，更有实际意义的指标是小区平均频谱效率 及小区边缘频谱效率。在这方面，l t e a d v a n c e d 提出的目标如下：在l t e 原有 应用场景下，平均频谱效率要求提高约5 0 ，即达到下行2 4 ( b i t s ) ( 2 x 2 天线) 旬7 ( b i t s ) ( 4 x 4 天线) 和上行1 2 ( b i t s ) ( 1 x 2 天线) 砣( b i t s ) ( 2 x 4 天线) 。 此时，下行最高天线配置为4 x 4 天线，上行可从l x 4 天线扩展到2 x 4 天线。在小 区边缘频谱效率( 即5 c d f 频谱效率) 方面，由于缺乏更好的抑制小区间干扰 的技术，只能期待有大约2 5 的性能提升。 l t e - a d v a n c e d 标准作为3 g p p 在更长远的i m t - a d v a n c c d 时代保持相对其他 无线通信标准的竞争优势的关键一步，必定会被设定很高的技术指标。但考虑到 l t e 产业化对标准稳定性的要求，l t e a d v a n c e d 应该在现有l t e 核心技术的基 础上尽可能平滑地演进。由于学术界在物理层信号处理技术方面的技术储备已基 本耗竭，l t e a d v a n c e d 的重点工作方向将放在r r m 技术和网络架构优化放卖 弄。 1 4 未来技术的发展趋势 随着人们对移动通信系统的各种需求与同俱增，目前投入商用的2 g 、2 5 g 系统和部分投入商用的3 g 系统已经不能满足现代移动通信系统日益增长的高速 多媒体数据业务，许多国家已经投入到对4 g 移动通信系统的研究和开发中。 与3 g 相比，未来移动通信系统的技术有许多超越之处，其特点主要有： 1 、高速率。对于大范围高速移动用p ( 2 5 0 k m h ) ，数据速率为2 m b s ；对于 中速移动用) j ( 6 0 k m h ) ，数据速率为2 0 m b s ；对于低速移动用户( 室内或步行者) ， 数据速率为l o o m b s 。 2 、以数字宽带技术为主。在未来移动通信系统中信号以毫米波为主要传 输波段，蜂窝小区也会相应小很多，很大程度上提高用户容量，但同时也会引起 5 第一章引言 系列技术上的难题。 3 、良好的兼容性。未来移动通信系统实现全球统一的标准，让所有移动通 信运营商的用户享受共同的服务，真正实现一部手机在全球的任何地点都能进行 通信。 4 、较强的灵活性。未来移动通信系统采用智能技术使其能自适应地进行资 源分配，能对通信过程中不断变化的业务流大小进行相应处理而满足通信要求， 采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境进行信号的正常发送与 接收，有很强的智能性、适应性和灵活性。 5 、多类型用户共存。未来移动通信系统能根据动态的网络和变化的信道条 件进行自适应处理，使低速与高速的用户以及各种各样的用户设备能够共存与互 通，从而满足系统多类型用户的需求。 6 、多种业务的融合。未来移动通信系统支持更丰富的移动业务，包括高清 晰度图像业务、会议电视、虚拟现实业务等，使用户在任何地方都可以获得任何 所需的信息服务。将个人通信、信息系统、广播和娱乐等行业结合成一个整体， 更加安全、方便地向用户提供更广泛的服务与应用。 7 、先进的技术应用。未来移动通信系统以几项突破性技术为基础，如：o f d m 多址接入方式、智能天线和空时编码技术、无线链路增强技术、软件无线电技术、 高效的调制解调技术、高性能的收发信机和多用户检测技术等。 8 、高度自组织、自适应的网络。未来移动通信系统是一个完全自治、自适 应的网络，拥有对结构的自我管理能力，以满足用户在业务和容量方面不断变化 的需求。 为了适应用户与日俱增的高速多媒体数据业务的需求，未来的移动通信系统 将会是基于全i p 的网络，并会采用先进的m i m o 技术、软件无线电技术以及全 新的网络架构，那么人们就真的可以在任何时间任何地方使用任何业务了。 6 第二章下一代无线通信系统中的关键技术 第二章下一代无线通信系统中的关键技术 相比与3 g p p 以前制定的u m t s 技术标准，l t e 系统在传输技术方面采用了 很多先进技术，尤其是在多址技术和多天线技术方面进行了革命性的改进，这也 是整个l t e 研究和标准化工作的核心。同时，在其他一些技术领域也进行了局 部的改进，如自使用调制编码、混合自动请求重传，并且采用了新的帧结构。由 于与l t e 的后向兼容性，l t e a d v a n c e d 系统也支持这些关键技术【3 1 。 2 1 上下行多址技术 由于由于上行和下行多址技术的要求有所不同，和基站相比，终端的能力有 限，尤其是发射功率受限，因此上下行需要采用不同多址技术。 2 1 1 下行多址技术 正交频分复用( o f d m ) 是多载波调制( m c m ) 的一种。m c m 的基本思想 是把数据流并串变换为路速率较低的子数据流，用它们分别去调制路子载 波后再合并传输。因子数据流的速率是原来的，即符号周期扩大为原来的 倍，远大于信道的最大时延扩展k 一这样m c m 就把一个宽带频率选择性信道 划分成了个窄带平坦衰落信道，从而具有很强的抗多径衰落和抗脉冲干扰的 一 能力，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。 7 鼍圈 - 0 1g ( o ) 印：圈 t 0 脚 ，o 吼 饥 - 第二章下一代无线通信系统中的关键技术 图2 1 正交调制原理框图 正交调制的原理框图如图2 1 所示。要准确解调，必须满足正交性规则： f 见。硫。矽一c 屯* 仨 ：二： ( 2 - 1 ) 其中，互为并行数据速率，瓦为串行数据速率，互一n t b ，c 为常数。 在o f d m 系统中，见1 3 f ) 一p h 印，( f ) 一e 一7 抽加，则显然有 f c x p ( j 2 石a 咖x p ( 一纫n 渺- 侄：二： ( 2 - 2 ) 由于各子载波间正交，因此满足关系 无- 兀+ i n o m 技术也有一些不足之处： 第一，对频偏和相位噪声比较敏感。o f d m 技术区分各个子信道的方法是 利用各个子载波之间严格的正交性。频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交 特性恶化，仅仅1 的频偏就会使信噪比下降3 0 d b 。因此，o f d m 系统对频偏 和相位噪声比较敏感。 第二，功率峰值与均值比( p a p r ) 大，导致射频放大器的功率效率较低。 与单载波系统相比，由于o f d m 信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相 加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的 峰值均值功率比，简称峰均值比。对于包含n 个子信道的o f d m 系统来说，当 n 个子信道都以相同的相位求和时，所得到的峰值功率就是均值功率的n 倍。当 然这是一种非常极端的情况，通常o f d m 系统内的峰均值不会达到这样高的程 度。高峰均值比会增大对射频放大器的要求，导致射频信号放大器的功率效率降 低【5 1 。 2 1 2 上行多址技术 上行多址技术和下行有所不同，终端发射功率受限，复杂度受限，这对上行 传输技术的选择有很大的影响。o f d m 技术由于有很多独立调制的子载波连续 在一块使用，发送信号具有非常高的p a p r 。高的p a p r 带来了诸多不利因素， 如增加模数转换和数模转换的复杂度、降低r f 功率放大器的效率，这就使发射 机功放的成本和耗电量增加，不利于在上行链路实现( 终端成本和耗电量受到限 制) 。 为了实现低p a p r 的上行传输，l t e 选定单载波( s c f d m a ) 作为上行多 址技术。而后又对s c - f d m a 的多种实现方式进行了研究，最终决定采用集中式 ( l o c a l i z e d ) 的d f t - so f d m 技术【6 l 。 本节介绍了如何将o f d m f d m a 上行系统与基于d f i 扩频技术的用户数据 扩频技术结合，以降低上行信号的p a r ，而不带来发射机计算复杂度的提高。 1 0 第二章下一代无线通信系统中的关键技术 d f t - so f d m 系统框图如图3 3 所示。 - - - - 一勰h 卜+ 厶 - 蓉藿 + - - 詈 - + - 每伽) 卜 鐾 l 1 - 一日 斗 =i d ，似) s 伽)蔓 i l 琵 - 。_ i 盆 + - - + - - 图2 - 3d f t - so f d m 系统框图 d f t - so f d m a 系统主要是基于o f d m a 系统改进而成的，即各个用户编 码调制后的数据符号先经过一个较小点数( 与分配的子载波数目相同) 的d f t 变换，然后将变换后的数据映射到分配的子载波上传输。由于d f t - so f d m a 将 每个数据符号扩频到所有分配的子载波上传输，使得其传输信号具有单载波信 号的特性。因此，与o f d m a 系统相比，该系统可明显降低传输信号峰均比。 f d m a 系统的子载波映射方式有两种，集中式映射和分布式映射，集中式 映射即为将d f t 变换后的数据映射到连续的子载波上，分布式映射则将数据映 射到等距离的子载波上，如图2 4 所示。 妒 。f 丁。 ： i -。_ - i _ r to i 电 f r o m b l f f rt r a m i n 墨玎 啊 ： o f r ： u 一 。- 啼t 7 u i o t _ i - 。f r 图抖集中式映射( 左) ，分布式映射( 右) 在d f t - so f d m 系统中，集中式载波映射得到的时域信号为 帕- 序7 嚷 t - 0 , m 2 m ，但一1 ) m 赤e 批萎d 罗e 删s , 孑s i n z ( - 砀m y ) l m 出 其中f 【0 ，c 一1 】 分布式载波映射得到的时域信号为 1 1 第二章下一代无线通信系统中的关键技术 砖帕一、恃p 以叫2 工 ( 2 1 0 ) 坦 c 为总的子载波数，m 为用户数，m 为用户编号，m e 0 ，m 一1 】，则每个 用户所占的子载波数为工生。 硝帕为变换前用户m 的时域信号，y 【o ，l 一1 】。 在上行链路中基于分布式子载波分配的方案由于存在对频率差错有较高的 敏感度，对上行功率控制要求较高，信道估计性能较差等诸多问题，目前已经被 l i e 的研究放弃，但分布式子载波所固有频率分集的好处，仍然可以被基于集中 式子载波分配的方案以跳频的方式获得。被大多数公司推荐的单载波传输方案 l f d m a - - f h 中使用了跳频技术( f r e q u e n c yh o p p i n g ) ，因此既可以保证良好的 信道估计性能，还可以获得频率分集增益，并且可以获得干扰分集增益。 d f t - so f d m 的优点是可以用一个发射机结构灵活的实现l o c a l i z e d 和 d i s t r i b u t e d 传输。而且d 丌- so f d m 发射机和o f d m 发射机比较相似( 只是在 i f f r 前增加一个d f t 模块) ，可以大量重用l t e 下行的参数设计。 2 2 上下行m i m o 技术 为了满足未来无线通信系统对高速率和高系统容量方面的需求，多输入多输 出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 技术被广泛应用于下一代无线通信系 统中。 2 2 1 下行m i m o 技术 传输分集的主要原理是利用空间信道的弱相关性，结合时间、频率上的选择 性，为信号的传递提供更多副本，提高信号传输的可靠性，从而改善接收信号的 信噪比。l t e 中传输分集技术的候选技术很多，比如空时编码( s p a c e t i m ec o d e 。 s t c ) 、循环延时分集( c y c l i cd e l a yd i v e r s i t y c d d ) 以及天线切换分集技术等。 波束赋形技术是一种应用于小间距天线阵列的多天线传输技术，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强方向性的辐射方向图，使 得辐射方向图的主瓣自适应的指向用户来波方向，从而提高信噪比，提高系统容 量或者覆盖范围。 而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。 这三种技术对空间信道的要求不同，其应用的场景也有所不同。在低信噪比 1 2 第二章下代无线通信系统中的关键技术 场景下，应用传输分集技术或者波束赋形技术可以有效提高接收信号的信噪比， 从而提高传输速率或者覆盖范围；而在高信噪比场景下，再提高信噪比也无法明 显改善传输速率，此时即可以应用空间复用技术来提高传输速率1 6 l 。 下面对这三种技术中的代表技术分别进行介绍。 空时频块码是实现传输分集的重要方式，对于2 天线传输来说，最著名的 空时频块码方式是a l a m o u t i 编码，其编码矩阵为： 卜一翻 【s 2墨j ( 2 1 1 ) 它表示在时刻f ，天线1 上传输符号s ，天线2 上传输符号s ，；在时刻t + l ， 天线1 上传输符号一s ：，天线2 上传输符号i 。这种a l a m o u t i 编码方式又称为空 时块码( s p a c et u n eb l o c kc o d e ，s t b c ) ；如果上述编码分配对应于子载波厂和 子载波厂+ 1 ，则这种编码方式又称为空频块码( s p a c ef r e q u e n c yb l o c kc o d e ， s f b c ) 。 a l a m o u t i 编码是一种速率为1 ( r a t e1 ) 的正交编码方式，可以获得2 天线 传输情况下的全分集。在2 天线传输情况下，r a t e2 的编码方式如矩阵( 2 1 2 ) 所示，即空间复用方式，它表示在时n t ，天线1 上传输符号而，天线2 上传输 符号s 2 。 r f1 l 1 i ( 2 1 2 ) 【s 2 j 在发送天线数大于2 的情况下，已经证明不存在满足r a t e1 的正交空时频 块码。那么，在l t e 中，当传输天线数为4 时，主要考虑采用a l a m o u t i 编码与 其他分集方式进行组合的方式进行分集传输，比如s f b c 与循环延时分集结合的 方式、s f b c 和天线切换分集结合的方式等。 波束赋形是一种应用于小问距的天线阵列多天线传输技术，其主要原理是利 用空间信道的强相关性及波的干涉原理产生强方向性的辐射方向图，使辐射方向 图的主瓣自适应的指向用户来波方向，从而提高信噪比，提高系统容量或者覆盖 范围。在进行波束赋形的时候，可以不利用终端来反馈所需信息，来波方向和路 损信息可以再基站侧通过测量上行接收信号获得，并且不要求上行使用多根天线 进行数据发送。 波束赋形除了可以进行单流的数据传输之外，还可以支持多流的数据传输和 空分多址( s p a c ed i v