（通信与信息系统专业论文）ltetdd模式终端频偏估计研究及实现.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 l t e ( 长期演进) 是3 g p p 近两年来启动的最大的新技术研发项目，被看成 是“准4 g ”技术。它采用o f d m 和m i m o 作为其无线网络演进的基础性技术。 当前，全球的移动通信产业对l t e 寄予了厚望，引起普遍关注，期望这一技术能 够增强移动通信产业持续发展的能力。 l t e 系统是基于o f d m 多载波调制技术，其作为下一代移动通信系统应能 够提供多种服务和高速数据业务。o f d m 是一种很有潜力的多载波调制技术，它 具有频谱效率高，抗多径干扰能力强，均衡简单等突出优点。因而被作为l t e 系统的下行调制方案。但其也面临着终端同步问题，很小的同步偏差就会导致系 统性能的急骤下降，且同步的误差会引起码间干扰( i s i ) 和子载波问干扰( i c i ) ， 严重影响系统接收机性能，因此同步对基于o f d m 的系统是非常重要的。 本文首先介绍了l t e 的发展背景和标准发展现状，并在o f d m 技术的基础 上，介绍了l t e t d d 系统的物理层关键技术及其优缺点，然后着重研究了 l t e t d d 系统的主，辅同步信号的产生及其频率资源分配方案，并对主，辅同 步信号的特点进行了仿真分析，接着在l t e 标准的基础上，分析了载波频率同步 误差对l t e 接收系统的性能影响。 本文结合目前l t e t d d 系统物理层特点及其帧结构，在此基础上提出了基 于同步信号的频偏估计的研究以及仿真，其中频偏估计分为小数倍频偏估计和整 数倍频偏估计。通过利用时域主同步信号构建小数倍频偏估计算法，以使估计结 果达到标准的要求，并利用频域辅同步信号做整数倍频偏估计。为了验证算法的 可行性，本文在l t e 信道模型下进行了仿真分析，从仿真结果可以看出频偏估计 效果满足l t e 系统的性能要求。最后结合d s p 处理器的特点，着重对主同步信 号生成模块，辅同步信号生成模块，频偏估计模块以及频偏补偿模块等进行了实 现研究，通过频偏估计和补偿，分析不同的迭代次数与数据精度的关系，具有一 定实际指导意义。 关键词：l t e ，o f d m ，同步信号，载波频率偏移 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t l o n gt e c h n o l o g ye v o l o v e dw h i c hi s w a t c h e da s 4 g t e c h n o l o g yi st h em o s t i m p o r t a n ti t e mb y3 g p p i nt h en e a rt w oy e a r s i ti m p r o v e da n de n c h a n c e dt h ea i ra c c e s s t e c h n o l o g y o f d ma n dm i m oa r ea d o p t e da st h eb a s i ct e c h n o l o g yo f i t sr a d i on e t w o r k e v o l o u t i o n n o w a d a y , t h eg l o b a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o ni n d u s t r yi sl o o k i n gf o r w a r dt o l t e i th o p e st h a tt h i st e c h n o l o g yc o u l de n h a n c et h ea b i l i t yo fp e r s i s td e v e l o p m e n to f m o b i l ec o m m u n i c a t i o ni n d u s t r y a st h el t es y s t e mi sb a s e do nt h eo f d mt e c h n o l o g y , t h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ss h o u l db ea b l et op r o v i d em a n yk i n d so fs e r v i c e sw i t hb e t t e r p e r f o r m a n c ea n dh i g h e rd a t ar a t e o f d mi saa t t r a c t i v em u l t i c a r t i e rs c h e m e d u et oi t s h i g hb a n d w i d t he f f i c i e n c y , i t sr o b u s t n e s st om u l t i - p a t hi n t e r f e r e n c ea n di t se a s i n e s st o e q u a l i z a t i o n ，o f d mi sf i x e da sd o w n l i n km o d u l a t i o nm e t h o df o rl t es y s t e m b u to n e o ft h eb i g g e s tp r o b l e m si st h es y n c h r o n i z a t i o n as m a l ld e v i a t i o no ff r e q u e n c yc a nl e a d t oas h a r pd r o pi no f d ms y s t e mp e r f o r m a n c e s y n c h r o n i z a t i o ne r r o rw i l lc a u s e s i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s 0a n di n t e r - c a r t i e ri n t e r f e r e n c e ( i c i ) ，a n da f f e c t st h es y s t e m p e r f o r m a n c eb a d l y s y n c h r o n i z a t i o n i sv e r yi m p o r t a n ti no f d m s y s t e m s t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fl t ea n dc u r r e n ts i t u a t i o n ，a n d i n t r o d u c e st h ep h y s i c a ll a y e rk e yt e c h n o l o g yo fl t e - t d ds y s t e ma sw e l la s t h e a d v a n t a g e s ，t h e n r o u e so ns t u d i e so ft h ep r i m a r y , s e c o n d a r ys y n c h r o n o u ss i g n a l g e n e r a t i o na n dt h ef r e q u e n c yr e s o u r c ea l l o c a t i o ni nl t e - t d ds y s t e m t h e nb a s e do n l t es t a n d a r d ，s t u d yt h ec a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e to nt h ep e r f o r m a n c ee f f e c t so ft h e r e c e i v i n gs y s t e m i nt h i sp a p e r , a l o n gw i t ht h ec u r r e n tl t e - t d ds y s t e mc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e p h y s i c a ll a y e rf r a m es t r u c t u r e ，w ei n t r o d u c et h ef r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o nb a s e do n t h es y n c h r o n i z a t i o ns i g n a l ，i nw h i c hf r e q u e n c yo f f s e ti sd i v i d e di n t od e c i m a lf r e q u e n c y o f f s e ta n di n t e g e rf r e q u e n c yo f f s e t t h r o u g ht h eu s eo ft i m e d o m a i np s st ob u i l d d e c i m a lf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o ni no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h es t a n d a r d ， a n du s ef r e q u e n c y - d o m a i ns s st od oi n t e g e rf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n i no r d e rt o v e r i f yt h ea l g o r i t h m ，t h i sp a p e rc a l t yo u tt h es i m u l a t i o na n a l y s i su n d e rl t ec h a n n e l m o d e l ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sc a nb es e e nt om e e tt h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so fl t e a tl a s t ，a l o n gw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fd s pp r o c e s s o r s ，w ei n t r o d u c et h ep s s i i 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t g e n e r a t i o nm o d u l e ，s s sg e n e r a t i o nm o d u l e ，f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o nm o d u l ea n d f r e q u e n c yo f f s e tc o m p e n s a t i o nm o d u l e ，t h r o u g ht h ef r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na n d c o m p e n s a t i o n ，a n a l y z e st h er e l a t i o n s h i po fd i f f e r e n ti t e r a t i o n sa n dd a t aa c c u r a c y , “h a sa c e r t a i np r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：l t e ，o f d m ，s y n c h r o n i z a t i o ns i g n a l ，c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t i i i 重庆邮电人学硕士论文 图表单 图表单 图2 1o f d m 系统的结构框图5 图2 2o f d m 基带系统。7 图2 3o f d m 符号的循环前缀7 图2 4l t e 物理层帧结构9 图2 5 下行资源格结构1 0 图2 6 主同步信号频域映射位置l l 图2 7 主同步信号在无线帧中的位置1 l 图2 8 辅步信号在无线帧中的位置1 3 图3 1 主同步信号频域实部特性1 6 图3 2 主同步信号频域虚部特性17 图3 3u - - 2 9 时主同步信号频域自相关特性1 7 图3 4u - - 2 9u = 3 4 时主同步信号频域互相关特性1 8 图3 5u = 2 9 主同步信号时域实部特性1 8 图3 6u = 2 9 主同步信号时域虚部特性1 9 图3 7u = 2 9 主同步信号时域自相关特性。1 9 图3 8u = 2 9u = 3 4 时主同步信号时域互相关特性2 0 图3 9 辅同步信号在时隙1 的结构2 1 图3 1 0 辅同步信号在时隙1 频域的自相关特性2 1 图3 1 1 频域辅同步信号的互相关特性一2 2 图3 1 2 时域辅同步信号的自相关特性2 2 图3 1 3 时域辅同步信号的互相关特性。2 3 图3 1 4 下行链路物理层接收端系统框图2 4 图3 1 5 系统信干比与小数频偏的关系2 7 图3 1 6 物理层仿真链路3 0 图3 1 7 实际频偏与估计频偏的关系。3 1 图3 18e p a5 h z 剩余频偏值31 图3 1 9e v a7 0 h z 剩余频偏值3 2 图3 2 0e t u3 0 0 h z 剩余频偏值3 2 图3 2 1e t u3 0 0 h z 剩余频偏低于2 0 0 h z 的成功率3 3 图3 2 2e v a7 0 h z 剩余频偏低于2 0 0 h z 的成功率3 3 图3 2 3e p a5 h z 剩余频偏低于2 0 0 h z 的成功率3 4 图3 2 4 物理层仿真链路3 4 图3 2 5e t u3 0 0 h z 剩余频偏低于2 0 0 h z 的成功率3 5 图3 2 6e v a7 0 h z 剩余频偏低于2 0 0 h z 的成功率3 6 图3 2 7 物理层仿真链路3 8 图3 2 8e t u3 0 0 h z 相关序列峰值( 实际频偏为3 0 k h z ) 3 9 图3 2 9e t u3 0 0 h z 相关序列峰值( 实际频偏为2 0 k h z ) 。3 9 图3 3 0e p ae v a 两种信道下的估计性能4 0 v i 重庆邮电大学硕士论文 图表单 图3 3 1e t u3 0 0 h z 信道环境下的估计性能s n r = 一1 0 d b 4 1 图3 3 2e t u3 0 0 h z 信道环境下的估计性能s n r = 1 0 d b 4 1 图3 3 3e t u3 0 0 h z 信道环境下的估计性能s n r = 4 0 d b 4 2 图3 3 4e p ae v a 两种信道下的估计性能4 3 图3 3 5e t u3 0 0 h z 信道环境下的估计性能s n r = 1 0 d b 4 3 图4 1 本文所设计的f p g a 与d s p 实现模块4 5 图4 2 参数m 0 和m l 实现流程4 7 图4 3 单极性序列实现流程4 8 图4 4 加扰序列生成实现流程4 9 图4 5 加扰序列生成实现流程4 9 图4 6 序列生成实现流程5 0 图4 7 映射流程5 0 图4 8 向量旋转51 图4 9 初步流程图5 3 图4 1 0 频偏估计实现流程图5 3 图4 1 1 频偏估计模块迭代运算的处理流程( 共迭代2 0 次) 5 4 图4 1 2 迭代次数与估计的相角精度关系5 4 图4 1 3 频偏补偿处理框图5 6 图4 1 4 频偏补偿模块迭代运算处理流程( 共迭代1 3 次) 5 6 图4 1 5 迭代次数与同相分量i 的精度关系5 8 图4 1 6 迭代次数与正交分量q 的精度关系5 8 表2 1 小区识别号与根序列号关系1 l 表3 1 不同带宽模式的参数配置2 3 表3 2l t e 规定的多径衰落信道模型参数2 5 表3 3 仿真参数表3 0 表3 4 仿真参数表3 8 表4 1 小区组内号与根序列号的关系4 6 表4 2 旋转次数n 与角度的关系5 6 表4 3 迭代次数1 3 与估计精度的关系。5 7 表4 4 复杂度比较5 9 v i i 重庆邮电大学硕士论文 缩略表 3 g 3 g p p 4 g b 3 g b c h c d m a c f o c i c c p d f r d s p d w p t s e n o d e b e p a e t u e u t r a e u t r a n e v a f d d f f t g p i c i i d f r i f f t l s i l t e m b m s m i m i o f d m p b c h p r b p s p s s r a n r b r e r n c r s 缩略表 t h et 1 1 i r dg e n e r a t i o n t i l i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t t h ef o u r t hg e n e r a t i o n b e y o n d3 g b r o a d c a s tc h a n n e l c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s c a r r i e rf r e q u e n c yo f r s e t c a s c a d ei n t e g r a t o rc o m b c y c l i cp r e f i x d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o n n d i 西t a ls i g n a lp r o c e s s o r d o w n l i n kp i l o ts l o t e v o l v e dn o d e b e x t e n d e dp e d e s t r i a nam o d e l e x t e n d e dt y p i c a lu r b a n m o d e l e v o l v e du t r a e v o - l v e du t r a n e x t e n d e d c u l a ram o d e l f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x i n gm o d e f a s tf o u r i e rt r a n s f o r n l g u a r dp e r i o d i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r l n i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e l o n gt e r me v o l u t i o n 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 ts e r v i c e m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 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 p h y s i c a lb r o a d c a s tc h a n n e l p h y s i c a lr e s o u r c eb l o c k p a c k e ts w i t c h i n g p r i m a r ys y n c h r o n i z a t i o ns i g n a l r a d i oa c c e s sn e t w o r k r e s o u r c eb l o c k r e s o u r c ee l e m e n t r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r r e f e r e n c es i g n a l v i i i 第三代移动通信系统 第三代伙伴计划 第四代移动通信系统 后3 g 广播信道 码分多址 载波频率偏移 积分梳状滤波器 循环前缀 离散傅里叶变换 数字信号处理 下行导频时隙 演进型n o d e b 扩展徒步信道模型 典型城市信道模型 演进型u t r a 演进型u t r a n 扩展车载信道模型 l t e f d d 模式 快速傅立叶变换 保护间隔 载波间干扰 离散反傅罩叶变换 反快速傅里叶变换 符号间干扰 长期演进计划 多媒体广播和多播 多输入多输出 正交频分复用 物理广播信道 物理资源块 分组交换 主同步信号 无线接入网 资源块 资源元素 无线网络控制器 参考信号 重庆邮电大学硕士论文 缩略表 s a e s i s n r s i r s s s t d m a t d d u p p t s u e v c o w 1 w n 似 s y s t e ma r c h i t e c t u r ee v o l u t i o n s t u d yi t e m s i g n a lt on o i s er a t i o s i g n a lt oi n t e r f e r e n c er a t i o s e c o n ds y n c h r o n i z a t i o ns i g n a l t i m ed i v i s i o nd u p l e x i n gm o d e t i m ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc d m 魄 u p l i n kp i l o ts l o t u s e re q u i p m e n t v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r 肋r ki t e m w b r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s i x 系统架构演进 研究阶段 信噪比 信干比 辅同步信号 l t e t d d 模式 时分同步码分多址 上行导频时隙 终端设备 电压控制震荡器 工作阶段 全球微波互联接入 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 随着社会的发展，人们对通信的需求日益迫切，对通信的要求也越来越高。 理想的目标是能在任何时候，在任何地主，与任何人都能及时沟通联系，交流信 息。显然，没有移动通信，这种愿望是无法实现的。 顾名思义，移动通信是指通信双方至少有一方在移动中进行信息传输和交换， 这包括移动体和移动体之间的通信，移动体和固定点之间的通信。在过去的几十 年里，移动通信技术获得了巨大的进步，从模拟移动通信系统到数字移动通信系 统，从单基站大功率系统到多基站小功率系统，从单一覆盖模式到蜂窝和复蜂窝 覆盖模式，从小区域覆盖到大区域覆盖并实现了国内甚至国际漫游。这些变化， 使得移动通信技术在传输能力和传输质量等方面获得了巨大的进步【l 】。 但是，移动通信技术不会止步不前，随着技术的进步，以及人们对于信息传 输的需求，移动通信技术会得到进一步的研究和发展。 1 1 论文研究的背景及意义 目前，移动通信正朝着宽带化，移动化，全球化的方向发展。随着社会的发 展和用户需求的增长，第三代移动通信技术的发展应运而生，2 0 0 4 年底，3 g p p 通过了关于“e v o l v e du t r aa n du t r a n ，又称为“l 0 n gt e r me v o l u t i o n ( l t e ) ， 即“3 g 长期演进 计划，基本思想是采用过去为b 3 g 或4 g 发展的技术来发展 l t e t 2 1 。由于其具有某些4 g 技术特征，又被看作“准4 g ”技术。3 g p pl t e 的目 标就是要提供更高数据速率和频谱利用率同时降低开发和资源配置的造价。因此 加速对l t e 及其相关技术的研究有着重要的现实意义。 为了能和可以支持2 0 m h z 带宽的w i m a x 技术相抗衡，l t e 也必须将最大系 统带宽从5 m h z 扩展到2 0 m h z 。为此，3 g p p 不得不放弃长期采用的码分多址 ( c d m a ) 技术( c d m a 技术在实现5 m h z 以上大带宽时复杂度过高) ，选用新的 核心传输技术，即o f d m 技术。在无线接入网( 凡埘) 结构层面，为了降低用户 面延迟，l t e 取消了重要的网元无线网络控制器( r n c ) 。在整体系统架构方 面，和l t e 相对应的系统框架演进( s y s t e m a r c h i t e c t u r e e v o l u t i o n ，s a e ) 项目则 推出了崭新的演进型分组系统架构。以l t e s a e 为标志的这次“革命 使系统不 可避免地丧失了大部分和3 g 系统的后向兼容性。也就是说，l t e 系统虽然可以部 署于3 g 的现有频谱，但从网络侧和终端侧都要做大规模的更新换代。因此很多公 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 司实际上将l t e 干脆看作b 3 g 技术范畴【3 】。 自2 0 0 4 年1 1 月启动l t e 项目以来，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( s t u d y i t e m ， s i ) 的工作，2 0 0 8 年年底基本完成工作阶段( w b r ki t e m ，w i ) 的标准制定工作， 乐观估计到2 0 0 9 2 0 1 0 年即可商用。 1 2l i e 研究及标准发展现状 l t e 系统的一个最基本的特征就是要支持更大的系统带宽。考虑到用户对更 高数据率的需求无法仅靠频谱效率的提高来实现，将了大系统带宽扩展到5 m h z 以上是不可避免的。另一方面，为了灵活使用零散的频谱，l t e 系统也需要支持 小于5 m h z 的带宽。灵活地支持可扩展的带宽，是l t e 的一个重要需求，对l t e 的技术选择和标准制定起到了重要的引导作用。 总体说来，l t e 项目的目的是研发一个高数据率，低延迟，为分组业务优化 的无线接入技术，因此l t e 的工作集中于分组交换( p a c k e ts w i t c h i n g ，p s ) 域【4 1 。 e u t r a 和e u t r a n 需要达到的技术指标包括以下几方面【5 】： 可扩展带宽，支持1 4 m h z 2 0 m h z 等系统带宽 峰值数据率：上行5 0 m b s ，下行1 0 0 m b s 。频谱效率达到3 g p pr e l e a s e6 的2 - 4 倍 在重新利用当前站址的前提下提高小区边缘的比特率 显著提高频谱效率，达到3 g p p r 6 的2 4 倍 支持和现有3 g p p 系统及非3 g p p 系统的互操作 支持进一步增强的m b m s 业务 支持从r 6u t r a 无线接口和架构的低成本演进 将系统和终端的复杂度，成本和耗电控制在合理的水平 追求后向兼容性，但应仔细考虑兼容性和性能提高之间的平衡 有效支持各种业务，尤其是p s 域业务 系统应为低速移动场景优化，但也应支持高速移动 在实施基础研究项目的同时，我国十分重视b 3 g 等宽带移动通信的标准化工 作。我国代表长期参加r r u r 会议，在相关国内对口组的组织下，将我国在 i m t - a d v a n c e d 需求，技术，频谱方面的研究成果和观点输送到i t u r ，为我国积 极参与w r c 0 7 做了大量的准备工作。我国标准化人员深入参与了i m t - a d v a n c e d 技术提案征集通函的起草工作，为i m t - a d v a n c e d 需求，评估准则，评估流程等内 容的形成做出了贡献。 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 2 0 0 6 年，为t a n 强我国下一代宽带无线通信技术的研发，大幅度提高我国自 主知识产权在国际标准化中的比例，国家规划了“十一五”“下一代宽带无线移动 通信”重大专项。根据我国通信技术领域的中长期规划，到2 0 2 0 年，使我国在国 际通信标准化和产业化中占据重要的地位。 1 3 论文安排 本文的研究方向是l t e t d d 模式终端频偏估计研究及实现。论文首先研究了 l t e t d d 系统采用的物理层关键技术o f d m 技术的基本原理及其特点，然后研究 了l t e 系统中频偏的产生以及对o f d m 系统的影响，并对频偏估计算法进行仿真 与分析，其中频偏估计分为小数倍频偏估计和整数倍频偏估计。通过利用时域主 同步信号构建小数倍频偏估计算法，以使估计结果达到标准的要求，并利用频域 辅同步信号做整数倍频偏估计。为了验证算法的可行性，本文搭建了符合l t e 标 准的信道模型并进行仿真，最后通过仿真结果提出适合l t e t d d 系统的频偏估计 方案，并在基于d s p 的特点下，提出其实现的具体方案。 本文结构的安排如下： 第二章首先介绍了l t e t d d 系统物理层采用的关键技术，以及o f d m 技术 基础及其实现原理。最后简要讲述了l t e 系统物理层帧结构，并详细分析l t e 系 统中的同步信号。 第三章主要研究l t e t d d 系统的频偏估计算法。首先分析频偏误差对于l t e 系统性能的影响，并在研究算法的基础上，提出适用于l t e 系统的载波频偏估计 方案。载波频偏估计主要分为小数倍载波频偏估计和整数倍载波频偏估计。其中 小数倍频偏估计主要利用时域主同步信号完成，再利用频域辅同步信号做整数倍 频偏估计。最后验证算法的可行性，搭建l t e 信道模型，并对算法进行仿真，分 析仿真结果。 第四章研究基于d s p 的频偏估计算法实现方案，主要为分主同步信号生成模 块，辅同步信号生成模块，频偏估计模块以及频偏补偿模块等。 第五章总结全文，并指出今后需要进一步研究和考虑的问题。 3 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e - t d d 系统概述 第二章l t e t d d 系统概述 2 1l t e t d d 系统物理层技术 一、基于t d d 的双工技术 在t d d 方式里面，t d d 时间切换的双工方式是在一个帧结构中定义了它的 双工过程。t d d 用时间来分离接收和发送信道。在t d d 方式的移动通信系统中， 接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载，其单方向的资源在时间 上是不连续的，时间资源在两个方向上进行了分配。某个时间段由基站发送信号 给移动台，另外的时间由移动台发送信号给基站，基站和移动台之间必须协同一 致才能顺利工作扣j 。 t d d 双工方式的工作特点使t d d 具有如下优势：能够灵活配置频率，使用 f d d 系统不易使用的零散频段：可以通过调整上下行时隙转换点，提高下行时隙 比例，很好地支持非对称业务；具有上下行信道一致性，基站的接收和发送可以 共用部分射频单元，降低了设备成本；接收上下行数据时，不需要收发隔离器， 只需一个开关即可，降低了设备的复杂度。 二、采用o f d m 技术 l t e 系统抛弃了3 g 系统长期采用的c d m a 技术，采用了以o f d m a ( 正交 频分多址) 为核心的多址技术。在l t e 系统中，o f d m 已经作为下行传输方案被 采用。o f d m a 技术的关键是在小区内实现了正交传输，使系统可以为特定用户在 特定时间内分配一段独享的“干净”带宽，从而为实现更高峰值速率提供了基础。 l t e 系统的上行采用了s c f d m a ( 单载波频分多址) 技术，这是一种o f d m a 的 改进技术，可以在保持o f d m a 正交传输特性的同时，兼顾单载波传输的低峰平 比( p a p r ) 特性，从而获得较好的终端功放效率和较低的功放成本【7 1 。 三、采用m i m o 技术 l t e 系统是迄今为止最全面地采用了m i m o 技术的无线通信系统，l t e 采用 了各种m i m o 传输模式，包括【s 】： 下行m i m o 模式： 发射分集：通过在多个天线上重复发送一个数据流的不同版本获得分集 增益来改善小区的覆盖，适用于大间距的天线阵。 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e t d d 系统概述 空间复用：通过在多个天线上并行发送多个数据流获得复用增益来提高 峰值速率和小区吞吐量。 波束赋形：通过在多个天线阵元的波干涉，在指定的方向性能能量集中 的波束获得赋形增益来改善小区覆盖，适用于小间距的天线阵。 空间多址：和空间复用机理相似，多个并行数据流用于多个用户来提高 系统用户容量。 上行m i m o 模式 空间多址：上行由于受到终端发送天线和发送功放的数量限制只支持空分多址 模式。 在l t e 中多天线的配置，下行可以支持单天线、两天线、四天线的发送，同 时支持智能天线的应用，可以超过四个天线，例如八天线的应用。上行是单天线 发送，后续不排除多天线应用。在l t e 里面多天线应用的标准化过程中，经过多 方努力，在2 0 0 7 年4 月份，3 g p p 标准组织最后接受智能天线的应用作为t d d 模 式的特征之一。 2 1 1o f d m 技术基本原理 多载波传输系统其原理是首先把一个高速的数据流分解为若干个低速的子数 据流( 这样每个子数据流将具有低得多的比特速率) ，然后，每个子数据流经过调 制( 符号匹配) 和滤波( 波形形成g ( t ) ) ，去调制相应的子载波，从而构成多个并 行的已调信号，经过合成后进行传输。其基本结构如图所示： 邙 。邙 p 愿 上如 1 一 s ，p 珠- 謇输墨 图2 1o f d m 系统的结构框图 在o f d m 系统中，将系统带宽b 分为n 个窄带的信道，输入数据分配在n 个子信道上传输。因而，o f d m 信号的符号长度z 是单载波系统的n 倍。o f d m 信号由n 个子载波组成，子载波的间隔为鲈( 鲈= l t , ) ，所有的子载波在z 内 是相互正交的【9 1 。在互内，第k 个子载波可以用g k ( t ) 来表示，k = 0 ，1 ，n 1 。 g k ( t ) = e j 2 1 k l 驴，当t 0 ，t 】时式( 2 1 ) 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e t d d 系统概述 为了消除码间干扰( i s i ) ，通常要引入保护间隔。通常毛的选取应大于无 线信道中最大多径时延的长度，这样可以保证前后码元之间不会产生干扰。在保 护间隔内，可以不传输任何信息。但此时可能会产生载波间的干扰( i c i ) ，即子载 波之间的正交性会被破坏。 经过加入c p 保护延拓后的子载波信号表示为： g k ( f ) = p j 2 ：c k a f l 当f 一t g ，t 】时式( 2 2 ) 其对应的子载波频谱函数为： q ( 厂) = ts i n 7 r t ( f - k a f ) 】式( 2 3 ) 加入保护时间后的o f d m 的信号码元长度为t = 不+ 乃。假定各子载波上的 调制符号可以用最。来表示，n 表示o f d m 符号区间的编号，k 表示第k 个子载波， 则第n 个o f d m 符号区间内的信号可以表示为： 一生! s i f ) = 1 4 n e s 。瓯。一n t ) 式( 2 4 ) k = o 总的时间连续的o f d m 信号可以表示为： s ( o = l 4 ；e z s , 。反( f 一刀r ) 式( 2 5 ) n f f i 0k = o 根据上式可知，尽管o f d m 信号的子载波的频谱是相互重叠的，但是在区间z 内 是相互正交的，即有： = 【5g t ( f ) 薪( t ) d t = 互瓯。， 式( 2 6 ) 利用该正交性，在接收端就可以恢复发送数据，如下式表示： 最j = 瓦式( 2 7 ) 在实际运用中，信号的产生和解调都是采用数字信号处理的方法来实现的， 此时要对信号进行抽样，形成离散的时间信号。由于o f d m 信号的带宽为 b = n v ，信号必须以a t = i b = 1 ( n a f ) 的时间间隔进行采样。采样后的信号 用s 。，表示，i = o ，1 ，n 1 ，则有 ，。= l 万v - l 鼠 p 7 2 础7 式( 2 8 ) k = 0 从上式可以看出，这是一个严格的离散反傅立叶变换( d f t ) 的表达式，i d f t 可以采用快速反傅立叶变换( f t ) 来实现。 发送信号s ( f ) 经过信道传输后，到达接收端的信号用，( f ) 表示，经过采样后的 信号表示为，：l ( f ) 。只要信道的多径时延小于码元的保护间隔，其子载波之间的 正交性就不会受到破坏。各子载波上传输的信号可以利用各载波之间的正交性来 恢复，相关运算可以通过离散傅立叶变换( d f t ) 或快速傅立叶变换( f f t ) 来实 现，其表达式为： 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e - t d d 系统概述 r ，。= 枷兰删脚 式( 2 9 ) 利用i d f t 或i f f t 实现的o f d m 基带系统如图所示： 图2 2o f d m 基带系统 输入已经过调制的复信号经过串并变换后，进行i d f t 或f t 和并串变换， 为了消除码间干扰，将硼f t 后形成的每个基带信号符号末尾的譬个样点复制到 符号起始位置，形成c p ，其长度一般大于无线信道中的最大时延扩展，这样一个 符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。其操作过程如下图所示： 厂、星列一、逗虬 c ps v i n b o li i c p s y m b o l 一：l 。 i 。 。t 阿。 图2 3o f d m 符号