（通信与信息系统专业论文）3gpp+lte中降低峰均比的研究.pdf

摘要 摘要 为了应对宽带接入技术的挑战，同时为了满足新的业务类型的需求，国际标 准化组织3 g p p 在2 0 0 4 年底启动了长期演进( l o n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) 项目。其 主要目标为填补第三代移动通信系统和第四代移动通信系统之间存在的巨大技术 差距，并保持3 g p p 在移动通信领域的技术及标准优势。 l t e 系统采用基于离散傅立叶变换的扩频正交频分复用( d f t - s o f d m ) 作为 上行s c f d m a 系统的频域实现方法。与多载波传输方案如o f d m 相比，它降低 了前者的功率峰均l 匕( p a p r ) ，提高了功放的效率，扩大了上行信号的覆盖范围。 另外，在l t e 上行s c f d m a 系统中，立方量度( c u b i cm e t r i c ，c m ) 被认为是比峰 均比( p a p r ) 更准确的衡量对功放非线性影响的指标。本论文针对上行s c f d m a 信号特点，在第二章较为具体地分析了其链路性能表现、不同调制方式下的峰均 比和立方量度表现等，并进一步研究了对d f t - s o f d m 信号进行频域赋形后，l t e 上行信号的峰均比及立方量度改善。 另外，l t e 系统采用o f d m a 作为下行传输方案。正交频分复用多址( o f d m a ) 是一种高频谱效率的多址技术，其主要缺点在于具有较高的峰均比，从而当信号 的峰均比超过功率放大器( h p a ) 的线性动态范围时，会引入非线性失真，影响信号 的传输性能。本文在第三章详细介绍了两种能够适用于l t e 下行系统的降低 o f d m 信号峰均比的技术：动态星座图扩展法( a c e ) 及量化核限幅方法，提出了一 种基于限幅的抑制信号峰均比的新方法。它们不仅能够显著改善系统峰均比表现， 并且在l t e 下行系统的应用中不受协议限制。 在本文的第四章，基于3 g p p 相关协议对l t e 系统的帧结构以及上、下行物 理信道过程的要求，使用m a t l a b 对第二章提出的频域赋形方法及第三章中提到 的动态星座图扩展、量化核限幅方法以及基于限幅的抑制峰均比新方法进行了进 一步的仿真研究、对比，并对仿真结果进行了分析。 最后，对全文进行了概括性的总结，明确了下一步有待进行的工作和未来的 一些研究方向。 关键词：基于离散傅立叶变换的扩频正交频分复用，频域赋形，峰均比，立方量 咤 j 哆乙 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec e l l u l a rt e c h n o l o g i e ss p e c i f i e db y3 g p pa r et h em o s tw i d e l yd e p l o y e di nt h e w o r l d n o w a d a y s ，3 g p pi sw o r k i n go nap r o j e c tc a l l e dl o n gt e r me v o l u t i o n ( w e ) l t ew i l la l l o wo p e r a t o r st oa c h i e v ee v e nh i g h e rp e a kt h r o u g h p u t si nh i g h e rs p e c t r u m b a n d w i d t h t h ei n i t i a lp o s s i b l ed e p l o y m e n to fl t ei st a r g e t e df o r2 0 10 o nu p l i n k ，l t eu s e sa na p p r o a c hc a l l e ds c - f d m a ，w h i c hh a ss o m es i m i l a r i t i e s w i t ho f d m ab u tw i l lh a v ep a p ra d v a n t a g eo v e rt h eo f d m am e t h o du s e db yo t h e r t e c h n o l o g i e ss u c ha si e e e8 0 2 16 e f u r t h e r m o r e ，ab e t t e rm e a s u r eo f t h ei m p a c to nt h e r e q u i r e dp o w e r - a m p l i f i e rb a c k o f fa n dt h ec o r r e s p o n d i n gi m p a c to nt h ep o w e r - a m p l i f i e r e f f i c i e n c yi sg i v e nb yt h es o - c a l l e dc u b i cm e t r i c ( c m ) i nc h a p t e r2 ，w ei n v e s t i g a t et h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nd f t - s - o f d mb a s e d s c f d m as i g n a l sa n do f d m as i g n a l sp a p r c ma n db e rp e r f o r m a n c e su n d e r d i f f e r e n tm o d u l a i o ns c h e m e s f u r t h e r m o r e ，w ec o n s i d e r e dt h ei m p a c to fa p p l y i n g s p e c t r u ms h a p i n g t od f t - s o f d ms i g n a lg e n e r a t i o n a n df r o mt h ea n a l y s i so fc h a p t e r 2a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t so fc h a p t e r4 ，w ec a nd r a wt h ec o n c l u s i o nt h a ts p e c t r u m s h a p i n ga l l o w sf o rf u r t h e rr e d u c t i o ni nt h ep o w e rv a r i a t i o n so ft h et r a n s m i t t e ds i g n a l ， t h u sa l l o w i n gf o re v e nh i g h e rp o w e r - a m p l i f i e re f f i c i e n c y l t eu s e so 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 ea c c e s s ( o f d m a ) o nt h e d o w n l i n k ，w h i c hi sw e l ls u i t e dt oa c h i e v eh i g hp e a kd a t ar a t e si nh i 曲s p e c t r u m b a n d w i d t h o n eo ft h ed r a w b a c k so fm u l t i c a r r i e rt r a n s m i s s i o ni st h ec o r r e s p o n d i n g l a r g ev a r i a t i o n s i nt h ei n s t a n t a n e o u st r a n s m i tp o w e r b e i n gak i n do fm u l t i c a r r i e r t r a n s m i s s i o ns c h e m e o f d m ai ss u b j e c tt ot h es a m ed r a w b a c k i nc h a p t e r3 ，w ei n t r o d u c et w os u i t a b l er e d u c i n go f d ms i g n a l sp a p rm e t h o d s f o rl t ed o w n l i n k ：a c t i v ec o n s t e l l a t i o ne x t e n s i o na n dq u a n t i f i e dc o r ec l i p p i n g m e t h o d ，w h i c hw o u l d n tb el i m i t e db yl t es p e c i f i c a t i o n sa n dc a no b v i o u s l yi m p r o v e t h es y s t e m sp a p rp e r f o r m a n c e f u r t h e r m o r e ，an e wm e t h o dt or e d u c eo f d ms i g n a l s p a p rb a s e do nc l i p p i n gi sp r o p o s e da n de x p l a i n e d i no r d e rt ot e s tt h ep a p rr e d u c t i o np e r f o r m a n c e so ft h em e n t i o n e da b o v em e t h o d s ， i nc h a p t e r4 ，b a s e do nt h e3 g p pr e l a t e ds p e c i f i c a t i o n st ol t es y s t e m sf l a m es t r u c t u r e h a b s t r a c t a sw e l la st h eu p l i n ka n dd o w n l i n kp h y s i c a lc h a n n e lp r o c e s sr e q u e s t ，w eb u i l dt h e u p l i n ka n dt h ed o w n l i n ko ft h ep h y s i c a ll a y e ru s i n gm a t l a b i nt h i sc h a p t e r , t h e a b o v em e n t i o n e ds p e c t r u ms h a p i n gm e t h o di n u p l i n ka n da c e ，q u a n t i f i e dc o r e c l i p p i n gm e t h o da n dt h en e wp r o p o s e dm e t h o di nt h ed o w n l i n ka r es i m u l a t e da n d f u r t h e rc o n c l u s i o n sa r ed r a w e db ya n a l y z i n ga n dc o n t r a s t i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s f i n a l l y , s o m ec o n c l u s i o n st ot h ew h o l ed i s s e r t a t i o na r eg i v e n ，a n df u r t h e rr e s e a r c h i s s u e sa n dp o s s i b l er e s e a r c hd i r e c t i o n sa r ep o i n t e do u t k e y w o r d s ：d f t - s o f d m ，s p e c t r u ms h a p i n g ，p a p r ，c m i i i 图目录 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 - 9 图2 1 0 图2 - 1 1 图2 - 1 2 图2 1 3 图2 一1 4 图2 15 图2 1 6 图2 1 7 图2 18 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图4 1 图4 2 图4 3 图目录 t d m a ，c d m a 及o f d m 系统演进3 基于f d d 的l t e 时域通用帧结构6 基于t d d 的l t e 时域帧结构7 o f d m 系统中各子载波的频谱8 o f d m 系统基本模型9 d f t - s o f d m 传输结构1 3 子载波映射方式：集中式( a ) 和分布式( b ) 1 3 d f t - s o f d m 符号在射频谱的物理层映射1 4 l t e 上行子帧及时隙结构1 4 l t e 上行资源网格1 5 l t e 上行物理信道过程概况1 6 o f d m a 和d f t - s o f d m 的p a p r 分布2 2 q p s k 调制下的系统b l e r 性能比较2 2 1 6 q a m 调制下的系统b l e r 性能比较2 3 耽位移b p s k ( a ) 、q p s k ( b ) 、1 6 q a m ( c ) 7 f h6 4 q a m ( d ) 星座图一2 5 上行s c f d m a 系统中不同调制方法的p a p r 分布及c m 表现2 6 进行频域赋形的d f t - s o f d m 传输结构2 7 频域赋形后p a p r 表现( a ) q p s k ，( b ) 16 - q a m 3 0 d f t - s o f d m 在不同滚降系数口下的p a p r ( a ) c m ( b ) 表现3 0 l t e 下行资源网格图3 4 l t e 下行物理信道过程概况3 5 q p s k 星座点扩展原理4 1 a c e 技术信号流图4 2 量化核限幅方法系统框图4 5 量化核限幅法处理框图4 5 量化派生核形状4 7 通过循环移位后的量化派生核形状4 8 原始o f d m 和处理后时域信号幅值比较4 9 误差矢量幅度( e v m ) 及其相关数值5 0 新的抑制限幅噪声算法的处理框图5 2 带内处理的向量解释，k ( 八m 1 5 6 上行p u s c hu e 侧链路仿真流程5 9 q p s k 不同滚降系数下d f t - s o f d m 系统p a p r 分布6 2 1 6 q a m 不同滚降系数下d f t - s o f d m 系统p a p r 分布6 2 v i 表目录 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 一1 5 图4 1 6 频谱赋形后d f t - s o f d m 系统b l e r 表现：( a ) q p s k ，( b ) 1 6 一q a m 6 4 下行p d s c he n o d e b 侧仿真流程6 6 q p s k 调制a c e 仿真曲线6 8 1 6 q a m 调制a c e 仿真曲线6 8 6 4 q a m 调制a c e 仿真曲线6 9 q p s k 调制下量化核限幅法p a p r 分布7 0 1 6 q a m 调制下量化核限幅法p a p r 分布7 0 6 4 q a m 调制下量化核限幅法p a p r 分布7 1 预留子载波数对量化核限幅法的影响7 l q p s k 调制下新的抑制限幅噪声的方法p a p r 分布7 2 1 6 q a m 调制下新的抑制限幅噪声的方法p a p r 分布7 3 6 4 q a m 调制下新的抑制限幅噪声的方法p a p r 分布7 3 16 q a m 调制下各种抑制峰均比方法b e r 表现7 5 表目录 表2 13 g p pi _ t e 主要技术提案5 表2 2上行资源块参数1 6 表2 3不同调制方案对应的归一化因子k m o d 取值2 4 表3 1l t ef d d 下行传输方案3 3 表3 2 l t e 下行资源块参数3 5 表3 3e v m 门限51 表4 1多径信道时延参数6 0 表4 2上行s c f d m a 系统仿真参数配置6 l 表4 3 不同滚降系数下d f t - s o f d m 系统c m 表现( q p s k ，1 6 q a m ) 6 1 表4 4下行o f d m a 系统仿真参数设置6 7 v l i 缩略词表 英文缩写 3 g p p a c e b e r b l e r b p s k c c d f c d f c m c p c r d f l 、- s o f d m e n o d e b e v m f f t i f d m a l o s l t e 0 f d m o f d m a p a p r p d s c h p s d p s k p u s c h 缩略词表 英文全称 3 衄g 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 a c t i v ec o n s t e l l a t i o ne x t e n s i o n b i te r r o rr a t e b l o c ke r r o rr a t e b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g c o m p l e m e n t a r yc u m u l a t i v e d i s t r i b u t i o nf u n c t i o n c u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n c u b i cm e t r i c c y c l i cp r e f i x c l i p p i n gr a t i o d f t - s p r e a d - 0 f d m e v o l v e d n o d e b e r r o rv e c t o rm a g n i t u d e f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m i n t e r l e a v e df r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s l i n eo fs i g h t l o n gt e r me v o l u t i o n o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o p h y s i c a ld o w n l i n ks h a r e dc h a n n e l p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y p h a s es h i f tk e y i n g p h y s i c a lu p l i n ks h a r e dc h a n n e l v i i i 中文释义 第三代移动通信伙伴计划 动态星座图扩展 误比特率 误块率 二进制相移键控 互补累积分布函数 累积分布函数 立方量度 循环前缀 限幅率 基于离散傅立叶变换的扩 频正交频分复用 l t e 基站收发机 误差矢量幅度 快速傅立叶变换 交织f d m a 视距 长期演进 正交频分复用 正交频分复用多址接入 峰值均值功率比 物理下行共享信道 功率谱密度 相移键控 物理上行共享信道 缩略词表 q a m q p s k r b r e r g s c f d m a u e u m t s u t r a n q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g 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 e s o u r c eg r i d s i n g l ec a r r i e f r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s u s e re q u i p m e n t u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m u m t st e r r s t r i a la c c e s sn e t w o r k f 交幅度调制 正交相移键控 资源块 资源元素 资源网格 单载波频分多址接入 用户设备 通用移动电信系统 u m t s 陆地接入网 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 醴型车 日期：为够年j 月易日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 日期：砌萝年j 月 乡e t 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早三百下匕 1 1 1l t e 概念的提出及其演进 3 g p p 长期演进( l o n gt e r me v o l m i o n ，l t e ) 项目是关于u t r a 和u t r a n 改 进的项目，是近几年来3 g p p 启动的最大的新技术研发项目，它的目标是更高的 数据速率、更低的时延、改进的系统容量和覆盖范围，以及较低的成本。 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。3 g p p 组织在l t e 项目的工作，可分为两 个阶段：2 0 0 5 年3 月 - 2 0 0 6 年9 月为s i ( s t u d yi t e m ) 阶段，完成可行性研究报告。 该阶段主要完成目标需求的定义、明确l t e 的概念、征集候选技术提案等工作。 在此基础上，对技术提案进行了评估：对符合目标需求、有可能融合的提案进行 讨论，最终选择出适合l t e 的技术。2 0 0 6 年9 月 - - - 2 0 0 7 年9 月为w i ( w o r ki t e m ) 阶段，完成核心的技术规范制定( 测试规范2 0 0 8 年3 月完成) 【1 】 2 】o 考虑到市场的 需要，w i 阶段与3 g 标准的制定过程相比节奏明显加快，预计2 0 1 0 年左右可以 商用。虽然工作进度滞后于原计划，但经过艰苦的讨论和融合，已确定了大部分 基本技术框架。 根据3 g p p ，l t e 项目的具体目标主要有【3 】： 一支持1 2 5 m h z 2 0 m h z 的带宽配置，并且支持对称和不对称的频谱分配。 l t e 系统支持1 2 5 m h z 、1 6 m h z 、2 5 m h z 、5 m h z 、i o m h z 、1 5 m h z 和2 0 m h z 的带宽设置【4 】，从而从技术上保证l t e 系统可继续使用第三代移动通信系统的频 ：盐 i , i e io 提高小区边缘的比特率，增强l t e 系统的覆盖性能。这主要通过频分多址 和小区间干扰抑制技术来实现。 系统性能方面【5 j ：实现峰值数据率上行5 0 m b p s ，下行l o o m b p s 。下行链路 频谱效率( b i t s h z s i t e ) 达到3 g p pr 6 中h s d p a 的3 4 倍，上行链路频谱效率为 h s u p a 的2 3 倍。用户吞吐量方面，下行链路用户每兆赫吞吐量( c d f 的5 处) 为3 g p pr 6 中h s d p a 的2 3 倍，平均吞吐量为h s d p a 的3 4 倍。上行链路( u e 电子科技人学硕十学位论文 单天线发射，n o d eb 双天线接收情况下) 用户每兆赫吞吐量为3 g p pr 6 中h s u p a 的2 3 倍，平均吞吐量为h s u p a 的2 3 倍。 一低时延要求：出于对v o i p 和在线游戏的重视，l t e 对用户面延迟的要求较 为严格：要求用户面内部单向传输时延低于5 m s ，控制面从休眠状态到激活状态 的迁移时间低于5 0 m s ，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于l o o m s 。 取消电路交换，采用基于全分组的包交换。电路交换域的业务在包交换域 实现，如采用v o i p 技术。 支持与现有3 g p p 和非3 g p p 系统的互操作且追求后向兼容；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。 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。 对低速移动优化系统，同时支持高速移动。 尽可能支持简单的邻频共存。 从l t e 制定的目标需求可以看出，下行1 0 0 m b i t s 和上行5 0 m b i t s 的传输能 力对物理层传输技术提出了较高要求。在方案的征集过程中有6 项提议被通过【4 】， 经过多次会议的艰苦协商，最终确定3 g p pl t e 系统物理层传输方案为上行采用 单载波s c f d m a ，下行采用o f d m a 。 1 1 2l t e 系统的性能表现 与其他现有的无线通信方案相比，l t e 在高速传输能力、传输时延、支持移 动性和q o s 方面及频谱利用率等方面都有较大优势。与w i f i 和w i m a x 等无线 接入方案相比，l t e 由于支持多种带宽配置，可以继续使用第三代无线通信系统 的频谱，无线网络营运商能够更为容易地将网络从w c d m a h s p a 升级到l t e 。 各种无线接入技术的演进以及其网络服务能力【6 】如图1 1 所示。 2 第一章绪论 垦r-：!一-enhanced三二二二、, 3 g p pu m t sr a d i oa c c c s sn e t w o r ke v o l u t i o n h s d p a 山 h s d p a ，h s u p a 1 1 h s p ae v o l u t i o n 卜 d l ：1 4 4m b p s d l ：1 4 4m b p s_ j i d l ：2 8 m b p s u l ：3 8 4k b p s 叫 u l ：5 7 6m b p s 4u l ：1 1 5 m b p s i n5 m h zi n5 m h zi n5 m h z 3 g p pl o n gt e r me v o l u t i o n d l ：卜_ - j 、 z l ：5 lm b z 【7 n2 0m hr 一1 e v d o r w 07 | t e v d o r 吖a i fe v d o r e v b e v d o r e v cl d l ：2 4m t , p s r ! d l ：3 1m b p s j d l ：1 4 7m b p s ；。、d l ：1 0 0m b p s4 u l ：1 5 3k b p s 讲，u l ：1 8 m b p smu l ：4 9 m b p s 嘲u l ；5 0 m b p s 自 l融1 2 5 姚，j bl a l 2 5 m h zl7 i n 5 m h z， ；i n2 0 m h zi m o b i l ew i m a xe v ou t i o n j氏 p n a s ei p n a s e z d l ：2 3 m t , p s k d l ：4 6m i ：p s j 。 f i x c dw i m a xl u l ：4 m b p su l ：4 m b p s n 1 0 m h z y 1 0 m h z 3 l 茧d d 一 3 且了n d 图1 1t d m a ，c d m a 及o f d m 系统演进 1 2 本文研究内容及论文结构 本文首先简要介绍了l t e 系统的目标以及发展现状，然后就l t e 系统上、下 行物理层的相关技术以及相关参数配置进行了阐述；着重讲解了l t e 上行 s c f d m a ( s i n g l ec a r r i e r f 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 ) 系统的基本原理，并 针对上行s c f d m a 系统中的峰均比问题加以讨论、分析，并给出仿真结果。接 着，针对l t e 下行降低o f d m a 系统峰均比的方法进行归纳总结。最后，结合 l t e 系统相关协议要求，重点仿真研究了可实施的能有效降低下行o f d m a 系统 峰均比的解决方案，并得到结论。 具体而言，全文的主要贡献如下： ( 1 ) 根据l t e 上行s c f d m a 系统特点，研究了在上行s c f d m a 系统的频 域实现方式d f t - s o f d m 中，不同调制方式下系统的峰均比立方量度表 现；进一步研究了在d f t - s o f d m 系统中，对信号进行频域赋形后相应 电子科技人学硕七学位论文 的峰均l l 立方量度改善情况。 ( 2 ) 根据l t e 下行o f d m a 系统特点，研究了两种不受l t e 协议限制、可用 于l t e 下行系统的降低o f d m 信号峰均比的方法，并基于限幅法的带内 失真以及带外辐射的特点，提出一种基于限幅的降低o f d m 时域信号峰 均比的新方法。 ( 3 ) 利用m a t l a b 分别对l t e 上、下行物理层链路进行仿真实现。在此基 础上对前文介绍的改善信号峰均比的技术进行了仿真分析和验证，并对 几种方法的仿真结果进行了对比。 本文的结构安排为： 第一章：绪论。主要内容包括l t e 的发展情况以及课题的研究意义等。 第二章：l t e 上行系统分析及其对应的降低峰均比技术研究。首先介绍l t e 上行系统方案的确立，引出s c f d m a 系统。之后，简要阐述了s c f d m a 系统 的基础o f d m 技术原理。接着，具体分析了d f t - s o f d m 技术；最后，针对上 行s c f d m a 系统中的峰均比问题加以讨论、分析。 第三章：l t e 下行系统分析及其对应的降低峰均比技术研究。首先介绍了l t e 下行传输方案，然后简要介绍了o f d m 系统中常用的降低峰均比技术。接着，结 合l t e 下行特点及3 g p p 相关协议要求，重点研究了两种可实施的降低o f d m 信 号峰均比的方法：动态星座图扩展法及量化核限幅方法，并提出了一种复杂度较 小的降低l t e 下行o f d m 信号峰均比的方法。 第四章：性能仿真分析。从链路级仿真的角度，分别对前文所介绍的降低上 行s c f d m a 系统及下行o f d m a 系统峰均比的技术进行仿真实现并对仿真结果 进行比较分析。 第五章：给出全文总结并对进一步的研究工作进行了展望。 最后是结束语、致谢、参考文献、附录以及在读期间所参加的科研项目和发 表论文。 4 第二章l t e 上行系统分析及其降低峰均比技术 第二章l t e 上行系统分析及其降低峰均比技术 2 1 引言 从l t e 制定的目标需求可以看出，下行1 0 0 m b i t s 和上行5 0 m b i t s 的传输能 力已远不是3 g 所能比拟的，那么其使用的技术也必将有较大的提高。在l t e 物 理层方案征集过程中，有6 个选项在3 g p pr a n l 工作组被评估。按照双工方式 可分为频分5 0 义t ( f d d ) 和时分双i ( t d d ) 两种；按照无线链路的调制方式或多址方 式主要可分为码分多址( c d m a ) 和正交频分多址( o f d m a ) 两种，如表2 1 所示。 表2 1 3 g p pl t e 主要技术提案 种类多址接入方式 1f d du l 采用s c f d m a ，f d dd l 采用0 f d m a 7 】 2f d du l 采用0 f d m a ，f d dd l 采用0 f d m a 8 】 3 f d du l d l 采用m c w c d m a 9 】 4t d du l d l 采用m c - t d s c d m a 1 0 】 5t d du l d l 采用0 f d m a 1 1 】 6 t d du l 采用s c f d m a ，t d dd l 采用o f d m a 1 1 】 其中l t e 上行系统共有四种选择方案：s c f d m a ( 单载波频分多址) 、 o f d m a ( 正交频分多址) 、m c w c d m a ( 多载波w c d m a ) 和m c t d s c d m a ( 多 载波一时分- - s c d m a ) 。其中s c f d m a 和o f d m a 方案都是基于o f d m 技术。 o f d m 技术凭借其较高的频谱利用率以及较强的抗多径衰落的性能，被业界广泛 的推荐为4 g b 3 g 系统的关键技术。因此l t e 上行系统的选择主要就在于这两者 的竞争；而m c w c d m a 方案实际上就是多载波的w c d m a 方案，上下行采用 与h s d p a h s u p a 相似的技术，例如自适应调制方式、n o d eb 调度、层2 快速 重传和快速小区切换等，然后利用多载波复用的方式提高数据速率。 m c - t d s c d m a 方案主要由大唐公司提出，是t d s c d m a 标准的演进。其主要 特点是尽可能继承t d s c d m a 的系统特点，如相同的子信道带宽、信道结构， s p a c e 、t i m e 、c o d e 多域复用等，在此基础上通过多载波的方式扩展数据速率， 满足l t e 的需求。 电子科技人学硕士学位论文 在s c f d m a 和o f d m a 两种方案的选择中，3 g p p 组织内出现了较大的分 歧。由于o f d m 的上行峰均比较大，这将影响手持终端的功放成本和电池寿命， 部分厂商对此存有顾虑，主张采用具有较低峰均比的单载波技术。另一些公司( 主 要是积极参与w i m a x 标准化的公司) 建议在上行也采用o f d m 技术，并用一些 增强技术解决峰均比的问题。经过激烈的讨论和艰苦的融合，3 g p p 组织最终决 定在下行链路采用频谱效率很高o f d m a 作为调制方式；在上行链路采用 s c f d m a ，以降低发射终端的峰均比，减小终端的体积和成本。下面就对l t e 上行传输方案、s c f d m a 系统以及相应降低s c f d m a 系统峰均比的技术进行 具体介绍。 2 2l t e 时域传输结构 如图2 1 所示，l t e 上、下行时域传输采用通用帧结构，每一帧的长度。， 为1 0m s ，包含2 0 个时隙，每时隙长度疋h ，为0 5m s 3 1 。l t e 在数据传输延迟方 面的要求很高( 单向延迟小于5m s ) ，这一指标要求l t e 系统必须采用很小的最小 交织长度( t t i ) 。对于f d d 双工方式，3 g p p 组织建议采用1m s 的子帧长度，即1 帧包含1 0 个等长度的子帧。由于上、下行在频域的成对频率上传输，因此，每一 帧的1 0 个子帧都用于上行或下行传输。 一个无线帧，r f = 3 0 7 2 0 0 , = 1 0m s ；一个时隙，咒i 。= 1 5 3 6 0 t s = 0 5m s 。一- 、 一个子帧 一 图2 1基于f d d 的l t e 时域通用帧结构 目前，l t e 物理层技术研究分别针对频分双工( f d d ) 和时分又 2 i ( t d d ) 两种双 工方式进行研究。依据t r2 5 9 1 3e 3 】中对f d d t d d 共性的需求，t r2 5 8 1 4 中的 内容都基本假设是均适用于f d d 和t d d 。在t d d 模式下，每帧除第一和第六子 帧固定作为下行子帧传送同步信号外，每个子帧可作为上行子帧或下行子帧进行 传输。考虑到基于f d d 双工模式的子帧长度和u m t s 中现有的两种t d d 技术的 时隙长度不匹配：例如t d s c d m a 的时隙长度为0 6 7 5m s ，如果l t et d d 系统 的子帧长度为1m s ，则新、老的系统的时隙无法对齐，使得t d s c d m a 系统和 l t et d d 系统难以“临频共址”共存。因此，3 g p p 还提出了基于t d d 双工方式 第二章l t e 上行系统分析及其降低峰均比技术 的子帧结构，如图2 2 所示。为了使t d s c d m a 系统和l t et d d 系统的上下行 切换点相互对齐，上行或下行子帧空出若干个o f d m 符号作糊( i d l e ) 符号， 以留出必要的保护间隔。同时，由于t d s c d m a 系统的上下行切换点的位置可 能变化，相对应的l t et d d 系统的帧结构也需要随之变化，因此可能需要通过 信令通知系统当前的子帧结构。 二二工二二 十噍 、 d w p t s0 p u p p t s u w p l 5u p u p p l s 图2 2 基于t d d 的l t e 时域帧结构 虽然为了支持实时业务，l t e 的最小t t i 长度仅为lm s ，但系统可以动态地 调整t t i ，将几个相邻的子帧拼接成一个t t i ，以在支持其他业务时避免由于不 必要的i p 包分割造成额外的延迟和信令开销。这样，t t i 就可以表现为半静态和 动态两种传输信道特性：当作为半静态t t i 时，t t i 需要通过上层信令来设置； 当作