（通信与信息系统专业论文）lte下行信道估计技术研究及下行链路设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着w i m a x 的迅猛发展，3 g p p 提出了长期演进( l t e ) 项目。与传统的 通信业务比较，l t e 在提高数据传输率、增大系统容量、提高频谱利用率、增强 抗干扰、降低商用成本等多方面，都有着很大的突破，非常具有研究价值。下 行关键技术主要是o f d m 技术、多天线和信道编码等，这些先进的技术很大程 度地提高了系统发射机的性能，实现了系统的可靠稳定地传输，并且接收机能 够更准确地恢复经过随机复杂的空间信道的数据。 l t e 下行采用o f d m 技术，为了获得较高的频谱效率，需要采用相干解调 的多电平非恒幅调制方式( 例如1 6 q a m ) 。然而相干解调需要跟踪和估计衰落 信道的参数，所以，对于o f d m 系统的性能，信道参数的准确性起着非常重要 的作用。因此，为了获得尽可能准确的信道参数，这里对信道估计技术进行研 究。本文在已有的基于d f t 的信道估计算法和l s 信道估计算法的基础上，对 这两种信道估计算法进行学习和分析，提出基于d f t 信道估计算法的改进算法， 并用m a t l a b 软件对三种信道估计算法进行仿真，结果表明改进算法能够获得 更为准确的信道信息。 本文的研究结合实际项目，根据3 g p p 物理层相关协议f d d 模式，设计下 行链路，结合下行共享信道，研究并设计发射机方案，发射机包括信道编码和 符号级处理流程。根据物理层t s 3 6 系列协议f d d 模式，搭建了完整的下行共 享信道链路，参照协议标准，实现了f d d 接收机系统，接收机包括信道译码和 符号级处理流程。并且这里对资源映射模块中的分布式虚拟资源块到物理资源 块的映射进行研究，协议上给出了分布式虚拟资源块到物理资源块映射的计算 方法，但该计算过程比较复杂，并且计算出来的物理资源块的索引是乱序的， 数据映射前需要对物理资源块的索引进行排序，这样大大增加了硬件的实现时 间，因此这里提出了更为简单的计算量小的方法，进而大大节省了f p g a 或d s p 的实现时间。最后对l t e 下行的技术难点，提出在本文基础上可以进行进一步 研究的关键点。 关键词：l t e ，o f d m ，下行共享链路，d f t 信道估计，资源映射 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 、m t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i m a x ，t h e3 g p pp r o p o s e sl o n g t e r me v o l u t i o n ( l t e ) p r o j e c t c o m p a r e d 谢t ht h et r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s ，l t eh a sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha si m p r o v i n gd a t at r a n s f e rr a t ea n ds p e c t r u me f f i c i e n c y ，i n c r e a s i n g t h es y s t e mc a p a c i t y , e n h a n c i n gt h ea b i l i t yo fa n t i - i n t e r f e r e n c e ，r e d u c i n gc o m m e r c i a l c o s ta n ds oo n ，a n dh a sm u c hb r e a k t h r o u g h s oi ti sv e r yv a l u a b l et os t u d y t h e r ea l e m a n yk e yt e c h n o l o g i e s ，w h i c ha r eo f d m ，m u l t i p l ea n t e n n a sa n dc h a n n e lc o d i n gi n d o w n l i n k t h e s ea d v a n c e dt e c h n o l o g i e sg r e a t l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h e t r a n s m i t t e r , r e a l i z et r e l i a b l ea n ds t a b l et r a n s m i s s i o no ft h es y s t e m ，a n dt h er e c e i v e r c a l lm o r ea c c u r a t e l yr e s t o r e dt h ed a t aw h i c hi sp a s s e dr a n d o ma n dc o m p l e xs p a c e c h a n n e l i nl t ed o w n l i n k ，t h e r ea l eo f d mt e c h n o l o g y , i no r d e rt oo b t a i nh i g hf r e q u e n c y s p e c t r u me f f i c i e n c y , t h i ss y s t e mn e e d st oa d o p tm u l t i l e v e la n dc o n s t a n ta m p l i t u d e m o d u l a t i o n m o d e ( s u c h a s16 q a m ) b yc o h e r e n td e m o d u l a t i o n a n dc o h e r e n t d e m o d u l a t i o nn e e dt oe s t i m a t ea n dt r a c kt h ep a r a m e t e r so ft h ef a d i n gc h a n n e l s oi ti s v e r yi m p o r t a n t f o ro f d ms y s t e mt oo b t a i nt h ea c c u r a t e p a r a m e t e r s o f c h a n n e l t h e r e f o r e ，i no r d e rt og e ta sa c c u r a t ea sp o s s i b l ep a r a m e t e r so ft h ec h a n n e la t t h er e c e i v e r , i ti sn e c e s s a r yt os t u d ya l lk i n d so fc h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n o l o g y b a s e d o nt h el sc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h ma n dd f tc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m ，w h i c h i ss t u d i e da n da n a l y s e d ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h ei m p r o v e da l g o r i t h mo fd f tc h a n n e l e s t i m a t i o na l g o r i t h m ，a n dt h e ns i m u l a t et h et h r e ec h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m 1 1 l e r e s u l to fs i m u l m i o ni n d i c a t e st h a tt h ei m p r o v e da l g o r i t h mc a no b t a i nm o r ea c c u r a t e c h a n n e li n f o r m a t i o n a c c o r d i n gt ot h e3 g p pp h r 7 s i c a ll a y e rr e l a t e dp r o t o c o la n da c t u a lp r o j e c t ，t h i s p a p e rd e s i g n sl t ed o w n l i n kw i t hd o w n l i n ks h a r e dc h a n n e l ，t h i sp a p e rs t u d i e sa n d d e s i g n st r a n s m i t t e rs c h e m e ，w h i c hi si n c l u d i n gc h a n n e lc o d i n ga n dt h ep r o c e s so f s y m b o l s a c c o r d i n gt ot h et s 3 6p h y s i c a ls e r i e sa g r e e m e n ta b o u tf d dm o d e ，a n d r e f e r r i n gt ot h es t a n d a r da g r e e m e n t ，t h e r es e tu pac o m p l e t ed o w n l i n ks h a r e dc h a n n e l i i 武汉理工大学硕士学位论文 a n dr e a l i z et h ef d dr e c e i v e rs y s t e m ，w h i c hi si n c l u d i n gc h a n n e ld e c o d i n ga n dt h e p r o c e s so fs y m b o l s i nt h i sp a p e r , t h e r ei st os t u d yr e s o u r c e sm a p p i n gm o d u l e ，w h i c h i st h em a p p i n go ft h ed i s t r i b u t e dv i r t u a lr e s o u r c eb l o c k st op h y s i c a lr e s o u r c e b l o c k s i np r o t o c o l ，t h e r ea r ef o r m u l a sf o rt h i sm a p p i n g ，b u tt h ep r o c e s si sv e r y c o m p l e xa n dt h er e s u l ti su n o r d e r e d ，f o rc o m p l e t i n gt h em a p p i n g ，i tm u s ts o r tt h e r e s u l t ，s t ) g r e a t l ya d d i n gt h et i m eo ft h eh a r d w a r er e a l i z a t i o n t h e nt h i sp a p e rs t u d i e s t h ec a l c u l a t i o nm e t h o da n dp u t sf o r w a r dt oam o r es i m p l ec a l c u l a t i o nm e t h o d ，s oa st o s a v et h et i m eo ff p g ao rd s pr e a l i z a t i o n f i n a l l y , f o rt h et e c h n i c a ld i f f i c u l t i e si n l t e d o w n l i n k ，b a s e do nt h i sp a p e r , t h e r ea r e t h ek e y p o i n t sf o rf u r t h e r s t u d i e s k e yw o r d s ：l t e ，o f d m ，p d s c h ，d f tc h a n n e le s t i m a t i o n ，r e s o u r c em a p p i n g i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1 1 1l t e 项目背景 第1 章绪论 随着w i m a x 的迅猛发展，3 g p p 开始了u m t s 技术的l t e ( 长期演进) 项 目的开发。l t e 不是4 g 技术，而是3 g 到4 g 技术之间的一个过渡，是3 9 g 的 全球标准。l t e 使用o f d m 技术作为空中接口的无线传输技术，抛弃了3 g 的 c d m a 技术，核心网也发生了变化，所以l t e 不具备后向兼容性，而是完全进 行新的设计。 3 g p p 要求l t e 减少系统的可选项，降低系统和终端的复杂性、成本及功耗， 并且能够灵活分配频谱。长期演进为了达到降低时延、提高用户数据速率、改善 系统容量以及覆盖，并且降低运营商的成本的目标，需要同时考虑无线接口以及 无线网络架构的演进。考虑到需要支持更高的数据传输速率以及未来额外的频谱 分配，3 g p pl t e 将支持更宽传输带宽。同时，l t e 最终确定支持1 4 m h z 、3 m h z 、 5 m h z 、1 0 m h z 、1 5 m h z 和2 0 m h z 等几种带宽分配方式，从而允许系统部署的 灵活性。 3 g p pl t e 的演进技术主要包括这几个方面。实现比现有技术更高的数据传 输速率，即在2 0 m h z 带宽下，上行峰值速率达到5 0 m b i t s ，下行峰值速率是上 行峰值速率的一倍；增加小区边缘比特速率，但是保持现有的站址规划不变，即 在全小区范围内要求数据速率保持一致，在小区边缘，数据速率不能出现明显地 下跌；增加频谱效率，即频谱利用率比r 6 版本提高了2 到4 倍。提供的小区容 量应比r 6 版本高3 4 倍，小区边缘容量比r 6 版本提高了2 3 倍。要求用户平面 和控制平面的时延很大程度上地降低，用户平面内部单向传输时延应小于1 0 m s ， 从睡眠状态到激活状态控制平面迁移时间应低于l o o m s ，从驻留状态到激活状态 控制平面的迁移时间应小于l o o m s 。极大地降低用户和运营商的成本。支持进一 步增强的m b m s 。支持从r 6 无线接口和架构的低成本演进。合理的系统和终端 复杂性、成本和功耗。系统需要针对低速移动场景优化，但也需要支持高速移动。 另外l t e 要求在运营商之间实现简单的邻频和交叉频段共存的可能性。 3 g p pl t e 在上行链路采用s c f d m a ，下行链路为了提高频谱效率，采用 o f d m a 作为调制方式，可以减小终端的体积和成本，降低发射端的峰均功率比。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2l t e 关键技术 1 1 2 1m i m o 技术 在1 9 0 1 年马可尼提出了用多天线的方式抵抗衰落，这就是多输入多输出 ( m i m o ) 技术最简单的形式。在2 0 世纪7 0 年代，提出了将m i m o 技术应用 于通信系统。 m i m o 通过多流传输来增加峰值数据速率。m i m o 技术是在发射机和接收 机中使用了多根天线，通过m i m o 可以得到分集增益从而增加在接收机处的载 干比，并可以提高频谱效率和系统容量，不会浪费时频资源，是无线通信系统中 一项很有应用价值的技术。 m i m o 技术将多径传播对无线传输带来的负面影响转变成有利的因素。利用 无线传播环境的相关特性，通过并行数据流传输方式获得较高的数据速率。并且 m i m o 技术可以改善用户吞吐量，即可以加速数据速率。 m i m o 技术利用天线空间独立性，能够有效地提高系统峰值速率和频偏效 率。m i m o 天线要求天线间有非常强的衰落独立性。影响天线间衰落独立性的因 素主要有天线间距、角度扩散和极化方式。典型的m i m o 技术是用大间距天线 阵列，天线间距通常超过2 个波长，典型为4 个波长。在密集市区和非密集市区， 由于散射比较丰富，到达基站天线信号的角度扩散相对较大，一般要求天线间距 大于4 个波长；而在郊区和偏远农村，天线间距达到1 0 个波长以上，才能保证 较好的天线空间独立性。 m i m o 传输技术可以通过两大类系统来改善无线通信。一类是充分利用空间 特性的空间复用系统，这里要求多个发射天线之间有足够远的距离，这样可以认 为天线间传输的信号是相互独立的，致力于提高信道中传输的数据速率；另一类 是充分利用空间分集特性的分集系统，要求天线间距较小，致力于提高链路的可 靠性停l 。 1 1 2 2o f d m 技术 由多载波调制技术发展而来的o f d m 技术。该技术将一高速数据流分成多 个低速数据流，并同时调制在相互正交的子载波上进行传输，这样既提高了频谱 效率，又减少了子信道之间的干扰。对每个子信道而言，子信道的带宽小于无线 信道的相关带宽，因此它们是平坦衰落信道，这样大大减小了符号间干扰。 各个子信道的正交调制可以通过逆快速傅里叶变换和快速傅里叶变换的方 法来实现。通过大规模集成电路来实现i f f t 和f f t 都是非常容易的，使得o f d m 系统的实现变得非常简单，且具有较低的成本。 同单载波相比，o f d m 也存在一些缺陷，如有较高的峰均比、容易受频率 2 武汉理工大学硕士学位论文 偏差的影响、自适应调制技术使系统复杂度有所增加等。不过随着日益深入的研 究，这些问题都已得到一定程度的解决。 在实际中，时间弥散信道容易引起符号间干扰。为了使o f d m 符号长度比 系统采样间隔长，为了降低子路上的信号传输速率，o f d m 技术采用并行的传 输技术，并降低了符号间干扰( i s i ) 对信号的影响。 o f d m 系统子载波间隔很小，这样就得到了在频域上相互重叠，在时间上 相互正交的不同子载波。为了使系统频谱效率达到最大，子载波间不需要保护间 隔。在o f d m 系统中，通过引入循环前缀( c p ) 来消除符号间干扰，并且要完 全消除子载波间干扰( i c i ) 和符号间干扰( i s i ) 就要求c p 的长度大于信道的 最大时延。 下一代移动通信系统的具有吸引力的核心技术是o f d m 技术以及基于 o f d m 调制的多址接入技术，其主要优势如下。频谱效率高：因为o f d m 子载 波是重叠的。抗多径能力强：o f d m 技术将要传输的数据分散在多个并行的子 载波上传输，这样每个子载波传输的数据速率比相干带宽小很多，所以符号间干 扰( i s i ) 也非常小，基本可以忽略。信道均衡简单：在频域上，只需一个抽头 的均衡器就可以简单地实现信道均衡。实现简单：随着集成电路技术和数字信号 处理( d s p ) 的飞速发展，这样实现比较简单。比较高的传输数据速率：由于采 用的是并行子载波传输，因此即使在每个子载波传输的数据率很小，也可以获得 很高的系统传输数据率。 下面简单介绍o f d m 技术的基本原理。 o f d m 系统模型如图l l 所示。首先将二进制数字比特序列输入到o f d m 系统模型中的串并转换模块和编码映射模块，这样串行的二进制比特序列变换 为并行的二进制序列，然后经过编码映射模块，此时的数据已经为复数符号数据， 然后对复数数据进入快速傅立叶逆变换( i f f t ) 模块，再经过并串转换模块、 d a 转换即低通滤波模块后经过上变频模块，此时的信号为调制到高频信号，最 后把发射机的信号发送到信道上进行传输。接收端的处理过程是发送端处理过程 的逆过程，接收端收到的是经过信道的信号，该信号依次经过下变频模块、低通 滤波器、a d 转换器，这样接收端接收的信号就转换为基带信号，基带信号进入 串并转换模块，把并行数据转换为串行数据，然后对串行数据进行快速傅立叶 变换( f f t ) ，对经过快速傅里叶变换后所得到复数数据进行均衡，然后进行解 映射，最终进行并串转换和译码判决，经过接收端的处理后就可以获得原始的 二进制比特序列口j 。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 1o f d m 系统模型 o f d m 系统可以采用i f f t f f t 进行相应的调制和解调操作，o f d m 系统最 主要的确定是对频偏比较敏感和具有较大的峰值平均功率比( p a p r ) 。 1 1 3 链路设计的意义 3 g p p 启动了l t e 项目，l t e 项目和一些目前国际上领先的技术比如 w i m a x 、w i f i 等有着和他们不同的优势，l t e 、w i m a x 与w i f i 都各有各的 特点，有的数据速率方面突出，有的费用成本低，有的信息安全性高。各自使用 的范围也不大相同，w i m a x 适应于无线城域网，w i f i 主要可以解决无线局域 网问题。l t e 却因为比较昂贵的费用让人担忧，但是l t e 在数据传输稳定性和 传输速率以及灵活性方面，有着得天独厚的优势：灵活支持1 4 m 、3 m 、5 m 、 1 0 m 、1 5 m 和2 0 m 多种系统带宽；数据传输上行支持5 0 m b i t s 的峰值速率，下 行更有10 0 m b i t s ，远远超过了w i f i 与w i m a x ；l t e 在3 5 0 k m h 的高速移动下 依然有良好的接收性能，远超过w i m a x 和w i f i ，l t e 在高速场景下的信号稳 定显得尤为重要。 链路级仿真能有效的为工程实现l t e 通信方式提供功能验证和前端指引工 作，通过仿真实现可以给出不同技术对性能造成的实际的不同影响，节约项目时 间和资源损失。给f p g a 和d s p 提供技术指导，针对算法复杂度和工程可实现 性进行评估，工程意义是非常重大的。因此，进行链路级仿真意义重大。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 本文主要工作 本课题主要是依托武汉烽火科技集团对l t e f d d 平台b b u 侧工程实现 f d d 模式4 g 关键技术，参与了国际先进通信技术会议，对未来无线通信关键技 术建立了可观，通用的仿真评估平台，为今后的e 3 g b 3 g 通信系统性能和可实 现性提供较为准确的数据分析，这将成为信息产业部的一项十分有意义的工作。 本人研究生期间在武汉烽火虹信科技集团实习，实习期间从事了无线通信关 键技术研究，参与以o f d m 为主要技术的l t e f d d 下行链路仿真，在f d d 模 式下，针对l t e 物理层协议和接收端候选技术和方案对l t e 下行链路进行了浮 点和定点仿真验证。 本文主要工作包括： ( 1 ) 深入学习和研究物理层协议( 3 g p pt s 3 6 系列) ，对f d d 下行物理层关键 技术进行了学习，学习和研究下行发射o f d m 技术原理等关键技术，仿真下行 信号经过复杂空间信道后接收端算法。 ( 2 ) 对接收端信道估计算法进行深入研究，并在算法上提出改进和完善，提 高接收端译码性能。 ( 3 ) 设计和实现了m a t l a b 仿真平台对l t e 下行链路级完整仿真，取得良好 结果，测试不同系统带宽和调制方式时下行链路的完整通路。并对下行链路发射 端的资源映射模块进行研究，提出了更为简单的资源映射方法。 1 3 本文内容和章节安排 第一章绪论，首先介绍研究背景，包括l t e 的背景知识，l t e 相关的关键 技术，接下来概述了本文主要工作及论文结构安排。 第二章重点介绍了l t e 下行链路的关键技术，为后面章节介绍信道估计算 法提供理论基础。 第三章首先介绍了下行参考信号的相关知识，然后分别介绍了两种典型的信 道估计技术，即l s 算法，基于d f t 的信道估计算法，并对这两种信道估计算法 根据各自的特点进行了详细的理论阐释，并提出了基于d f t 的信道估计算法的 改进算法。 第四章首先搭建了l t e 中p d s c h ( 物理下行共享信道) 的下行仿真链路， 然后对发射端的资源映射模块进行研究，在已有的映射方式上提出了更为简单的 资源映射方式。最后根据本文搭建的仿真链路平台，使用不同的信道估计方法， 并且在不同的调制方式下进行仿真，并分析其产生的原因，得到相应的结论。 第五章整理和总结了本文的工作，并提出了下一步研究工作的展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章l t e 物理层下行关键技术 2 1 系统帧结构和资源格 在物理层规范中，一般地，都是以时间单位疋的倍数表示各种时域参数大 小，该时间单位为z = 1 ( 1 5 0 0 0 x2 0 4 8 ) s 。因此一个1 0 m s 的无线帧表示为 弓= 3 0 7 2 0 0 x c = 1 0 m s 。 在l t e 中系统支持适用于f d d 模式的类型l 和适用于t d d 模式的类型2 的两种类型的无线帧结构。由于下文只对f d d 模式的内容进行研究，所以这里 只介绍类型1 的帧结构。类型1 的帧结构是适用于半双工和全双工的f d d 模式。 每一个无线帧由1 0 个l m s 的无线子帧即2 0 个时隙构成，一个时隙的长度为 疋妇= 1 5 3 6 0 x 疋= 0 5 m s 。这些时隙分别编号为0 - 1 9 ，如图2 1 所示。 对于f d d ，在每一个1 0 m s 的无线帧中，上下行在频域上分开传输，1 0 个 子帧可以用于传输下行信号，并且l o 个子帧可以用于传输上行信号。 o n er a d i of r a m e t f = 3 0 7 2 0 0 瓦= 1 0m s 巨土! 正丑习 o n es u b f r a m e - - - - - - “ 图2 1 帧结构类型1 2 2l t e 下行功率控制 在l t e 系统中，下行采用o f d m a 技术，该技术发给不同用户的下行信号之 间是相互正交的，因此不需要像c d m a 系统那样进行功率控制。为了补偿信号 的路径损耗和阴影效应，则o f d m a 系统下行要进行功控。但下行功控与频域 调度之间有一定的冲突。对p d s c h 而言，系统可以直接通过频域调度选择路径 损耗较小的r b 来进行传输，从而避免用路径损耗较大的r b 进行传输，这样 p d s c h 下行不需要进行功控了。但下行功控又会扰乱下行c q i 测量。如果进行 功控，则对某些r b 的路径损耗进行了补偿，这样u e 将无法得到真实的下行信 道质量信息，进而影响下行调度的准确性，所以，p d s c h 不采用功率控制。 需要考虑的是下行r sr e 的功率配置( 由于采用r sp o w e rb o o s t i n g ) 和由 于传送m i m or s 而被打掉的r e 的功率配置。r sr e 和正常p d s c hr e 的功率 6 武汉理工大学硕士学位论文 比是由系统半静态地配置的，不同小区可以采用不同的功率比。 下行控制信道不能通过频域调度解决路径损耗和阴影问题，可以考虑采用一 定的“功率控制。用于此目的的“功率控制”不需要采用像c d m a 系统功控那 样快的频率，因此才采用半静态的功率分配( p o w e r a l l o c a t i o n ) 。 2 3 信道编码技术的选择 在信道编码的研究中，数据率较低的信道，如广播信道( p b c h ，物理广播 信道) 和控制信道，这些信道采用具有最优距离谱的咬尾卷积码( c o n v o l u t i o n a l c o d e s ) 进行信道编码，其码率为怕、约束长度k 为7 。卷积码的编码器生成多 项式为 1 3 3 ，1 7 1 ，1 6 5 】( 八进制) 。 与原有的u m t s 系统相比，l t e 系统在系统带宽和数据率方面进行了很大 程度地提高，因此对高数据率的数据信道( 如p d s c h ，物理下行共享信道) ，需 要考虑是否有更好的信道编码技术。并且认为在高数据率处理方面，t u r b o 编码 已不能满足这种需求，因此需要研究其他信道编码技术，如低密度奇偶校验码 ( l d p c ) 。但又考虑t u r b o 编码灵活性好，并具有很好的扩展性，认为对t u r b 0 编码进行改进，便可以满足高数据率信道编码的需求。有个折中的技术就是对 t u r b o 编码的内交织器进行改进，这样便具有与l d p c 并行解码的优点。 后期经过大量的研究，最终采用t u r b o 编码作为母码，使其能够对较大的编 码块进行分段译码，并包括无冲突的内交织器，这样就具有与l d p c 编码相同的 性能。 2 4 调制技术 l t e 在多址方式上的重大修改和信道编码技术上的局部改进，但调制方面基 本沿用了原来的技术，没有增加新的选项。但是在l t e 的研究过程中，也曾考 虑过几种增强的调制技术，只是经过长期讨论后没有采用。 在下行调制方面，曾考虑过采用分级调制技术提高m b m s 系统的系统容量， 这种技术是利用小区中心和小区边缘不同的信干噪比( s i n r ) ，将一个不同阶调 制的数据流复用在同一个时频资源中。举个例子，可以按系统q p s k 方式传送“基 本数据流，再在“大q p s k 星座点 内部调制另一个“小q p s k 星座点 ，用 来传送“增强数据流 。这就形成了学术界所谓的“星座交叠”的概念，即对于 小区边缘的用户，由于其接收s i n r 较低而只能够辨识“大星座点 ，只解调基 本数据流，接收基本q o s 的m b m s 业务。而对于小区中心的用户，由于其接收 s i n r 较高，不仅可以辨识“大星座点，还可以辨识“大星座点 内的“小星座 7 武汉理工大学硕士学位论文 点”，从而不仅可以解调基本数据流，还可以解调增强数据流，接收更高q o s 的 m b m s 业务。 分级调制技术也存在若干潜在的问题，如小星座点的引入必然对大星座点的 解调造成干扰，从而抬高基本数据流的解调门限。进行星座交叠还可能造成 p a p r a m 的抬升，从而造成发射机的功率回退。另外，用户是否会接受这种由 于位置不同造成的q o s 波动也是一个值得探讨的问题。因此，虽然l t e 早期研 究中考虑了这种下行增强调制技术，但最终没有采用。 最终，在l t e 中，下行采用q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m 调制的信道是：物 理下行共享信道和物理多播信道；采用b p s k 调制的信道是：物理h a r q 指示 信道；采用q p s k 调制的信道有：物理广播信道、物理控制格式指示信道、物理 下行控制信道。需要说明的是，对p s s ( 主同步信号) 和s s s ( 辅同步信号) 不 进行调制技术，仅采用序列设计。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章l t e 下行共享信道估计技术研究 3 1 概述 为了准确地恢复出发射端的数据信息，需要估计出当前无线信道信息，信道 估计是接收机中非常重要的模块。 在l t e 系统中，是通过在o f d m 符号中插入已知的参考信号来估计信道参 数的。参考信号的大小和参考信号的分布对基于参考信号的信道估计器有着重要 的影响，在l t e 中参考信号的大小及其分布在协议中已经给出了明确的公式， 因此在这里不进行讨论。由于是根据接收到的参考信号来估计信道信息，并且已 知参考信号的大小和分布情况，因此只需要对信道估计技术进行研究，如何设计 低复杂度且能够准确估计出信道信息的信道估计技术是本节的研究重点。最后通 过插值技术来得到数据部分的信道信息，这里主要对信道估计技术进行研究，插 值算法采用简单的线性插值，因此不作说明。 根据参考信号的分布情况，有两种信道估计算法。第一种是简单的供参考的 最d x - 乘信道估计( l s ) 算法，是频域信道估计算法；第二种通过时频域变化 的供参考的离散傅里叶变换算法( d f t ) ，是时域信道估计算法。本文主要对l t e 下行工程应用的d f t 信道估计算法进行研究，为提供理论基础，简单的介绍频 域信道估计算法，不作详细研究。本论文在研究l t e 下行参考信号结构的基础 上，根据其特点，对基于d f t 信道估计算法进行理论学习研究，并提出此算法 的改进方案，仿真表明该改进算法与传统的d f t 估计算法比较有良好的估计效 果，此方法符合l t e 下行链路的工程应用，并且能满足l t e 所提出的性能要求。 3 2l t e 下行链路参考信号分析 l t e 下行链路支持三种类型的参考信号：u e 专用参考信号、m b s f n 参考 信号和小区专用参考信号。为了使研究结果具有代表意义，本文是基于小区专用 参考信号进行l t e 下行链路信道估计技术研究的。 3 2 1l t e 下行参考信号生成 小区专用参考信号序列，j ，( 俄) 是由一个长度为m 尸的伪随机序列c ( 行) 产 生，定义为： 9 武汉理工大学硕士学位论文 h ( 聊) = 击( 1 - 2 c ( 2 肌) ) + 击( 1 - 2 吧聊+ 1 ) ) ，肌= 0 ，l ，2 憎阢一l ( 3 - 1 ) 其中j 是一个时隙中o f d m 符号的索引，厅= 0 , 1 ，m 刖一1 ，胛。是一个无线帧内 的时隙索引，即n ， o ，1 9 ) ，学脱= 1 1 0 即下行r b 最大个数。 c ( 刀) 序列是两个带线性反馈的移存器生成的m 序列产生的，并且m 序列周 期最长。一个i 级反馈移存器能够产生的最长周期为( 2 一1 ) 。c ( n ) 具体产生多项 式如下： c ( ，z ) = b l ( ，z + 2 ) + x 2 ( n + 人0 ) ) m o d 2 x l ( 以+ 3 1 ) = b i ( 疗+ 3 ) + x 1 ( n ) ) m o d2 ( 3 2 ) x 2 ( n + 3 1 ) = k ( 月+ 3 ) + 吃( 胛+ 2 ) + 恐( 刀+ 1 ) + 而( ，z ) ) m o d 2 第一个m 序列的初值：x 。( o ) = 1 ，五( 纷) = 0 ，甩= 1 , 2 ，3 0 。 第二个m 序列的初值：c m 打= 枷3 0 x ：( 护2 7 ，具体值取决于所用的序列。 对于小区专用参考信号( r s ) ，有 _ 2 l 。( 7 如，+ 1 ) 小1 ) ( 2 列c e l l ) + 2 怫c e l l + ，其中= 托雾筹 3 2 2l t e 下行参考信号映射 下行参考信号的映射即将参考信号映射在时频网格中。参考信号具体的映射 方式如下述公式。 参考信号序列吁，( 肼) 将按下式映射到复值调制符号口l ；上，作为时隙体中天 线端口p 上的参考符号，即： 口留= 巧以( 肼) ( 3 3 ) 其中 k = 6 m + ( v + v s h i n ) m o d 6 ，= p 3 帅i f p 2 ，e 0 , 劣 m = 0 , 1 ， 二2 嚣一1 m = m + n 器b a x 阢一 r 器 变量v 和定义了不同参考信号在频域上的位置，其中v 为： 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 o 3 3 o 3 ( n sm o d 2 ) 3 + 3 ( n sm o d 2 ) i f p = 0 a n d l = 0 i f p = 0 a n d l 0 i f p = 1 a n d ，= 0 i f p = 1a n d l 0 i fp = 2 i f p = 3 小区专有频率偏移为v s h j f l = 掣r o o d 6 图3 1 和图3 2 分别给出了常规c p 下单天线和多天线的参考信号映射图案。 l t e 系统中，为了使多个发射天线端口间的小区内干扰达到最小，在每个天 线端口上采用不同的参考信号进行映射。单天线和多天线的参考信号映射图分别 如图3 - l 和3 2 所示。其中，r r 表示天线端口p 的参考信号传输的资源单元。 量 霉 量 占 戮缀 黝糍 缓缓 缓嬲 图3 1 单天线配置下的l t e 下行小区专用参考信号映射图案( 常规c p ) i 暑 童厶 e q r k k琏e 焉 詹 i - 0i - 6 i = 01 = 6 n o tu s e df o rt r a n s m i s s i o n o l lt h i s n 0 锄ap o r t r e f e r e n c es y m b o l so n t h i sa n t g m ap o r t 墅掌呜型巫! 型k 业哗塑- 型掣屿型鲤! 笪吗。坚些吟 蚍o r s a n t c i l s l o t s 毗o t aa l l t c n ms j o t ss l o t sa i l 啪聃s i o t s c v g l l o d d - 业掣翌鲤卜型些屿 s l o t sa n t c f ms l o t s p o r t 0 p o r t1 p o r t 2 p o r t3 图3 2 两天线端口和四天线端口配置下的小区专用参考信号映射图案( 常规c p ) 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 基本信道估计算法 前面章节已经详细讲述了导频信号的产生和映射，导频信号的作用之一是用 来进行信道估计。由导频信号的映射可以看到，在频域上，单天线和多天线的信 道估计算法没有区别，因此这里研究信道估计算法对天线数没有进行区分。对于 o f d m 系统，接收端首先根据己知的参考信号估计出参考信号所在位置处的信 道频域响应，然后采用插值技术获得数据所在位置处的信道频域响应。 3 3 1 系统模型 o f d m 系统典型的基带信号模型如图3 - 3 所示，其中刀( f ) 为复高斯白噪声， g ( r ；t ) 为信道冲激响应，x k ( k = 0 ，n - 1 ) 为发送符号，y k ( k = 0 ，n 1 ) 为 确 而 傅 傅 里 一 里 叶 一熊卜 互悃- 叶 反 变 变 i 一 换 换 y o m 图3 - 3o f d m 系统基带模型 接收符号，d a 与a d 为理想的低通滤波器。 若信道g ( r ；f ) 在一个o f d m 符号持续时间内保持不变，即该信道为慢衰落， 则信道冲激响应9 0 ) 可以表示为： g ( r ) = a 。6 ( 一f ，c ) ( 3 3 ) 其中，为归一化后的第聊条路径的时延，a 。为第m 条路径的幅度衰落。 因此，接收信号y 可以表示为： 厂n、 y 2 蚂【觋( 工) 赤粝j ( 3 - 5 ) 其中，p 表示循环卷积运算；y = y 0 ，y l ，y n 一，r 表示接收信号向量， x = x o ，五，x u 一。r 表示发送信号向量，万= 阮，瓦，瓦一。r 表示噪声向量，并且 这三个向量都是独立的复高斯同分布向量；而g = k ，岛，g - 。】r 为确定性循环 s i n e 等效函数，是在频域对9 0 ) 进行采样后，再变换到时域得到的信道冲激响应 值。 对式( 3 5 ) 进行适当调整，得到： y k = + n k k = 0 ，一1 ( 3 6 ) 其中，假设e | h , 1 2 】_ l ，信道频域响应h = h o ，矗，k 。r = d f t u ( g ) ； 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 n = n o ，惕，】7 = d f t ( n - - ) 是零均值高斯噪声，其方差为仃矗2 。由上式可以得 到，基带频域等效高斯信道模型如图3 - 4 所示。 图3 - 4 基带频域等效高斯信道模型 将式( 3 6 ) 写成矩阵形式如下： y = x f g + n( 3 - 7 ) 其中，x 为对角线上是发送信号向量x 的对角矩阵，f 为d f t 变换操作，其具 体形式如下： w 警 。i ，2 i ： l 哕。1 为 嘭= 嘉e 印，r 等 信道估计即接收端根据已知的参考信号，分析接收到的参考信号，并选用适 当的信道估计算法得到信道冲激响应的过程。 3 3 2l s 信道估计算法 3 3 2 1l s 信道估计算法介绍 l s 信道估计算法，即最小二乘( l e a s ts q u a r e ，l s ) 估计算法，通过使误差 平方和最小来得到最佳匹配函数。 对于l s 估计器，假设有如下观测： x n 】= s ( 门；日) + w ( 玎) 0 n n - 1( 3 - 8 ) 其中，川为观测值；0 为待估参数；w ( ，z ) 为干扰项；n 为观测值个数。 l s 估计器即为找到使观测误差平方和最小的待估参数0 的取值，采样个 观测值，并定义该值为0 的l s 估计值，其表示式如下： 豇= a r g m i n 刀】一j 【刀；p 】) 2 ( 3 9 ) n = 0 将式( 3 7 ) 按照上述l s 估计原理简化，得到： 瓦= f ( f x x f ) _ f x y ( 3 - l o ) 由于x 为对角矩阵，f h f = f f h = i ，式( 3 1 0 ) v j 被进一步简化为