（通信与信息系统专业论文）lte系统中链路自适应技术及信道编译码的研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 为了应对宽带接入技术的挑战，满足新型业务需求，3 g p p 标准组织启动了3 g 长期演进( l t e ) 技术的标准化工作。在l t e 系统的设计中，一个最重要的问题就是 如何利用有限的频谱资源来实现高速、可靠的数据传输。可靠性和有效性这两类 指标在通信系统设计中往往是相互矛盾的，而链路自适应技术正体现了对通信可 靠性和有效性指标的良好结合。l t e 系统物理层采用的链路自适应技术包括自适 应调制编码技术，自适应m i m o 预编码技术和自适应空间复用技术。为了提高通 信的可靠性，l t e 系统采用了咬尾卷积编码和t u r b o 编码的信道编码技术。 本文研究的主要内容包括：对l t e 系统物理层采用的链路自适应技术的实现， 以及对l t e 系统中咬尾卷积码的编译码算法的研究，并对其进行仿真分析。首先， 本文分析了l t e 系统物理层采用的关键技术和处理流程。接着，讨论了链路自适 应技术及其在l t e 系统中的应用。然后，重点研究了l t e 系统中链路自适应技术 的实现和仿真，给出了包括链路自适应仿真时用到的l t e 链路级仿真器，以及l t e 系统链路自适应反馈的实现原理、实现过程和参数确定在内的相关内容。l t e 系 统链路自适应包括三个反馈参数：信道质量指示( c q i ) ，预编码矩阵指示( p m i ) ， 秩指示( r j ) 。其中，c q i 反馈的是适合目前信道状态的调制编码方案( m c s ) ， p m i 反馈的是适合目前信道状态的m i m o 技术中所用的预编码矩阵，l u 反馈的是 适合目前信道状态的空间复用的层数。本文研究了c q i 反馈过程中衰落信道s i n r 的计算、有效s i n r 的映射、m c s 门限值的确定，同时也详细给出了根据系统互 信息来计算要反馈的p m i 和r j 的方法。最后，用仿真器对l t e 链路自适应反馈 的性能进行了大量的仿真。仿真结果表明，本文给出的l t e 系统中的链路自适应 技术的实现方案，在满足目标b l e r 的情况下，可以最大化系统的吞吐量，使性 能达到最优。 在l t e 系统中，当长度大于1 1 比特时，c q i 采用咬尾卷积编码。因此，本文 还给出了l t e 系统中咬尾卷积编码的编译码算法及性能仿真。综合考虑几种译码 算法的仿真性能和复杂度，两步维特比译码算法最优并将其应用到了t d l t e 无线 综合测试仪表的开发中。 关键词：长期演进，链路自适应，信道质量指示，预编码矩阵指示，咬尾卷积码 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t i nr e s p o n s et ot h e c h a l l e n g e so fb r o a d b a n d a c c e s st e c h n o l o g y , t om e e tn o w b u s i n e s sr e q u i r e m e n t s ，3 g p ps t a n d a r d so r g a n i z a t i o nl a u n c h e di t sl o n gt e r me v o l u t i o n ( l t e ) t e c h n o l o g ys t a n d a r d i z a t i o n i nt h el t es y s t e md e s i g n , o n eo ft h em o s ti m p o r t a n t i s s u ei sh o wt ou s et h el i m i t e ds p e c t r u mr e s o u l c e st oa c h i e v eh i - s p e e d ，r e l i a b l ed a t a t r a n s m i s s i o n r e l i a b i l i t ya n dt h ee f f e c t i v e n e s si nt h ea c t u a ls y s t e md e s i g ni so f t e n c o n t r a d i c t o r y , a n dl i n ka d a p t a t i o na l eg o o dc o m b i n a t i o nr e f l e c t e do nt h er e l i a b i l i t ya n d v a l i d i t yo fc o m m u n i c a t i o n l i n ka d a p t a t i o nu s e di np h y s i c a ll a y e ro fl t ec o n s i s to f a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n gt e c h n o l o g i e s ，a d a p t i v em i m op r e - c o d i n gt c c h n o l o g y , a n da d a p t i v es p a c em u l 邱l e xt e c h n o l o g i e s i no r d e rt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo f c o m m u n i c a t i o n , c h a n n e lc o d i n gt h n o l o g yu s e d i nl t ei n c l u d et a i l b i t i n g c o n v o l u t i o n a lc o d i n ga n d t u r b oc o d i n g , t h em a i nr e s e a r c hw o r ko ft h i st h e s i si st oc o m et r u ea d a p t i v et e c h n o l o g yu s e di n p h y s i c a ll a y e ro fl t eu n d e rt h el t es t a n d a r da n dt or e s e a r c ht h ee n c o d i n ga n d d e c o d i n ga l g o r i t h m so f t a i lb i t i n ge o n v o l u t i o n a lc o d e s f i r s t l y , t h i st h e s i sa n a l y s e dt h e k e yt e c h n o l o g i e su s e di nt h ep h y s i c a ll a y e ro fl t ea n dt h ep r o c e s so fp h y s i c a ll a y e r t h e n , m a i n l ys t u d i e dt h el i n ka d a p t a t i o nt e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o ni nt h el t e s y s t e m l a s t l y , t h i st h e s i ss t u d i e dt h ei m p l e m e n t a t i o na n ds i m u l a t i o no fl i n ka d a p t a t i o n i nl t es y s t e m , i n c l u d i n gi n t r o d u c i n gt h el t el i n k l e v e ls i m u l a t o ru s e di nl i n k a d a p t a t i o ns i m u l a t i o na n dm a k i n gad e t a i l e ds t u d yo ft h ep r i n c i p l e si m p l e m e n t a t i o no f l i n ka d a p t a t i o nf e e d b a c ki nl t es y s t e m , i m p l e m e n t a t i o np r o c e s sa n dd e t e r m i n a t i o no f t h er e l e v a n tp a r a m e t e r s t h el i n ka d a p t a t i o no fl t es y s t e mc o n s i s t so ft h r e ef i 泓l b a c k p a r a m e t e r s ：c h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t o r ( c q i ) ，p r o - c o d i n gm a t r i xi n d i c a t e s ( p m i ) ，r a n k i n d i c a t ef r o c q if e e d b a c k st h em o d u l a t i o nc o d i n gs c h e m e ( m c s ) w h i c hi ss u i t a b l e f o rt h ec u r r e n tc h a n n e ls t a t e ，p m if e e d b a c k st h ep r o - c o d i n gm a t r i xu s e di nt h em i m o t e c h n o l o g yw h i c hi ss u i t a b l ef o rt h ec u r r 吼tc h a n n e ls t a t e , r if e e d b a c k st h en u m b e ro f l a y e r so fs p a c em u l t i p l e xw h i c hi s s u i t a b l ef o rt h ec u r r e n tc h a n n e ls t a t e t h i st h e s i s r e s e a r c h e dt h ef e e d b a c kp r o c e s so fc q i ，i n c l u d i n gt h es i n rc a l c u l a t i o no ff a d i n g c h a n n e l ，t h em a p p i n go fe f f e c t i v es i n r , t h ed e t e r m i n a t i o no fm c st h r e s h o l d ，a l s o s t u d i e dh o wt oc a l c u l a t et h ep m ia n dr if e e d b a c ka c c o r d i n gt ot h em u t u a li n f o r m a t i o n o fs y s t e m , w h i l et h i st h e s i sd i dal a r g en u m b e ro f p c r f o r m a n c 是s i m u l a t i o n so fa d a p t i v e f e e d b a c k u s i n gt h el t e l i n kl e v e le m u l a t o r s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e 重庆邮电大学硕士论文 i m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo fa d a p t i v et e c h n o l o g yu s e di nu 【es y s t e mw h i c ha r ep r o p o s e d b yt h et h e s i sm a x i m i z es y s t e mt h r o u g h p u ta n di t sp e r f o r m a a c 冶i sd o s e t oo p t i m a l ，w h i l e m e e t i n gt h et a r g e tb l e r i i ll 1 r es y s t e m ，c q i su s et h et a i lb i t i n gc o n v o l u t i o n a lc o d i n gt oc o d ew h e ni t s l e n g t hi sl a r g e rt h a n11b i t s s o ，砸sa r t i c l ea l s os t u d i e da n ds i m u l a t e dt h ee n c o d i n ga n d d e c o d i n ga l g o r i t h m so ft h et a i lb i t i n gc o n v o l u t i o n a li nl t es y s t e m c o n s i d e r i n g t h es i m u l a t i o n p e r f o r m a n c ea n dc o m p l e x i t y o fs e v e r a ld e c o d i n ga l g o r i t h m s ，t h e t w o - s t e pv i t e r b id e c o d i n ga l g o r i t h mi sb e t t o ra n du s e dt ot h ed e v e l o p m e n to ft h e t d l t ew i r e l e s si n t e g r a t et e s ti n s t r u m e n t k e yw o r d s ：l t e ，l i n ka d a p t i v e , , c q i ，p m i ，t a i l - b i t i n gc o d i n g m 重庆邮电大学硕士论文缩略表 缩略表 t h et b _ i i dg e n e r a t i o n 1 1 1 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 n 他f o u r t hg e n e r a t i o n a c k n o w l e d g e m e n t a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g a d d i f i v e 珊t eg a u s s i a nn o i s e b r o a d c a s tc h a n n e l b i te r r o rr a t i o b 1 0 c ke r r o r r a t i o b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g 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 o n t r o lf o r m a ti n d i c a t i o n c y c l i cp r e f i x c h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t o r c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k d o w n l i n kc o n t r o li n f o r m a t i o n d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m d o w n l i n kp i l o ts 1 0 t e v o l v e dn o d e b e f f e c t i v es i n rm a p p i n g e x p o n e n t i a le f f e c t i v es i n rm a p p i n g e v o l v e df ，仃r a e v o l v e du 棵a n f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x f o r w a r de r r o rc o d ec o r r e c t i o n f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m g u a r dp e r i o d h y b r i da u t o m a t i cr e p e a t - r e q u e s t 乩虹峋i n d i c a t o r v 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 肯定确认 自动重传请求 自适应调制编码 加性高斯白噪声 广播信道 误码率 误块率 二相相移键控 码分多址 控制格式指示 循环前缀 信道质量指示 循环冗余校验 下行控制信息 离散傅里叶变换 下行导频时隙 演进型n o d e b 有效s i n r 映射 指数有效s i n r 映射 演进型i 瓜a 演进型i 瓜a n 频分双工 前向纠错编码 快速傅立叶变换 保护间隔 混合自动重传请求 h a g q 指示 粥一帖觚撇一一咖陬一一一伽凹呷僦眦肿一一喇一一肿眦肿凹一m 重庆邮电大学硕士论文缩略表 h s d p a i c i ) 兀 球f t i s i l s u m m s e m l a c m 哈m s m c s m m s m m m o m l m s e 删s e n a c k o f d m r 心 p c f i c h p c h p d c c h p d s c h p h i c h p m i p r a c h p r b p u c c h p u s c h r n r b r e r i r s h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s i n t e r - c a r t 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 m i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e s l e a s ts q u a r e l i n e a rm i n i r n u n lm e a ns q u a r ee r r o r l o n g t e r me v o l u t i o n m e d i u ma c c e s sc o n t r o l 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 o d u l a t i o nc o d es c h e m e m u t u a li n f o r m a t i o ne f f e c t i v es 姗己m a p 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 a x i m u ml i k e l i h o o d m e a ns q u a r ee r r o r m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r n e g a t i v ea c k n o w l e d g e m e n 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 p e a k - t o = a v e r a g ep o w e rr a t i o p h y s i c a lc o n t r o lf o r m a ti n d i c a t o rc h a n n e l p a g i n gc h a n n e l p h y s i c a ld o w n l i n kc o n t r o lc h a n n e l 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 h y s i c a lh y b r i da r q i n d i c a t o rc h a n n e l p r e c o d i n gm a t r i xi n d i c a t o r p h y s i c a lr a n d o m a c c e s sc 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 h y s i c a lu p l i n kc o n t r o lc h a n n e l p h y s i c a lu p l i n ks h a r e dc h a n n e l t r a n s m i s s i o nt i m ei n t e r v a l 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 n ki n d i c a t i o n r e f e r e n c es i g n a l v 高速下行分组接入 载波间干扰 离散反傅里叶变换 反快速傅里叶变换 符号间干扰 最小平方 线性最小均方差 长期演进 媒体接入控制 多媒体广播和多播 调制编码方案 互信息s i n r 映射 多输入多输出 最大似然 均方误差 最小均方误差 否定确认 正交频分复用 峰均功率比 控制格式指示信道 寻呼信道 物理下行控制信道 物理下行共享信道 物理h a r q 指示信道 预编码矩阵指示 物理随机接入信道 物理资源块 物理上行控制信道 物理上行共享信道 传输时间间隔 资源块 资源粒子 秩指示 参考信号 重庆邮电大学硕士论文 缩略表 r v r e d u n d a n c yv e r s i o n s d 汛 s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ea n d n o i s er a t i o s n r s i g n a lt on o i s er a t i o s r s s o u n d i n gr e f e r e n c es i g n a l 勿7 勋ea d v a n c e t b t m m i 0 r tb l o c k t d dt i m ed i v i s i o nd u p l e x t d s c d m at i m ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc d m a u c i u p l i n kc o n t r o li n f o r m a t i o n u p p t su p l i n kp i l o ts l o t z f z e r of o r c i n g i x 冗余版本 信干噪比 信噪比 探测参考信号 时间提前量 传输块 时分双工 时分同步码分多址 上行控制信息 上行导频时隙 迫零 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1l t e 系统的起源和发展 在第三代移动通信( 3 g ) 的发展过程中，3 g p p 作为重要的国际标准化组织， 为基于码分多址( c d m a ) 的3 g 技术的进步发挥了重要的作用。同时，无线通信 技术在迅猛发展，以基于正交频分复用( o f d m ) 的新的通信技术已经成熟，并逐 渐走向产业化，这给正处在3 g 发展期的传统移动通信带来了巨大的竞争压力。在 这样的背景下，作为传统移动通信领域的领导者，3 g p p 标准组织为了促进新技术 的产业化，应对行业内激烈的技术竞争，保持移动通信领域的领导地位，在2 0 0 4 年底启动了其长期演进( l t e ) 技术的标准化工作【l 】。 l t e 项目开始以后，作为技术研究工作的基础，3 g p p 标准组织对演进型系统 的市场需求进行了详细的讨论【2 】。在l t e 系统的技术研究方面，2 0 0 5 年3 月，3 g p p 制定了相应的工作计划，各工作小组开始了各个方面的具体研究工作。2 0 0 8 年1 2 月正式发布了l t er 8 版本，它定义了l t e 的基本功能。r 9 版本是3 g p p 很小的 版本，在这个版本里主要增加了两层b e a m f o r m i n g 、定位等功能，同时继续完善 l t e 家庭基站，特别是增强了管理和安全方面以及l t e 微微基站和自组织管理的 功斛3 。r 1 0 版本可以运行在1 0 0m h z 带宽上，并且进一步提升l t e 的上行传输 性能，同时增强广播网络系统( n s ) 以及自组网络( s o n ) 功能。 l t e 项目以制定3 g 演进型系统技术规范作为目标，在时间安排上分为两个阶 段：从2 0 0 4 年1 2 月到2 0 0 6 年6 月为技术可行性研究阶段，从2 0 0 6 年6 月到2 0 0 7 年6 月为具体技术规范的撰写阶段。按照计划，2 0 0 7 年6 月3 g p p 开始发布3 g 演 进型系统第一个版本的技术规范，并在2 0 0 9 年3 月开始冻结r 8 协议【4 】。 国内通信标准化协会( c c s a ) 在2 0 0 8 年开展了l t e 整体技术研究工作，包 括核心网和无线接口的网络总体技术要求，以及在核心网方面的设备研制工作， 在2 0 0 9 年制定了l t e - t d d 设备规范和核心网的行业标准。 1 2 链路自适应技术的发展 无线移动通信系统中，无线信道是最易受干扰、噪声、多径衰落、阴影效应 和多址接入等因素影响的。为了保证系统在恶劣的信道环境下能正常通信，无线 通信传统的设计思想是通过增加发射机的发射功率、降低调制的阶数和提高纠错 编码的冗余等方式来保证可靠的通信。这种策略虽然能够保障通信质量，但频谱 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 利用率很低，而频谱又是非常稀缺的资源，能量上也存在浪费。因此传统的设计 思想有待改进。随着科学技术的发展和进步，人们在无线通信系统设计时开始采 用自适应技术。 在二十世纪六十年代，h a y e s 首先提出了链路自适应方案，即自适应调整发射 功率的方法【5 】，这就是自适应功率控制。他也同时指出可通过接收端反馈的信道信 息调整发送端的编码速率、调制方式等参数的链路自适应思路。链路自适应技术 在刚提出时，由于多方面的因素，人们并不是很关注。这些因素包括以下内容： 当时的通信多是点对点的通信，不存在反馈信道；当时落后的硬件和信道估计技 术；通信业务需求与频谱资源的矛盾不是突出。然而，随着通信技术的演进，尤 其是高频谱利用率的多媒体业务的大量需求，链路自适应技术逐渐成为通信领域 研究的热点1 6 。 目前，链路自适应技术已经在多种通信系统中得到成功应用，链路自适应技 术也变得越来越复杂，通常都不是单一技术的应用，而是两种或两种以上技术的 结合 7 1 【8 】： 1 ) 自适应调制与编码相结合。这就是自适应调制编码( a m c ) 技术。a m c 的基 本原理就是系统预先定义好几种不同的调制和编码的格式，根据对信道状态的估 计结果，选择与信道条件相适应的一种格式。 2 ) 多输入多输出( m d 江o ) 技术和自适应调制相结合。在信道条件较好时，采 用空间复用的模式发送，用较高阶的调制方式和较多的空间复用层数；在信道条 件差时用较低阶的调制和较少的空间复用的层数。 3 ) a m c 和混合自动重传请求( h a r q ) 技术相结合。其中，h a r q 机制是将向 前纠错( f e c ) 和自动重传请求( a r q ) 结合起来的一种差错控制方案。它可以 灵活地调整编码速率，还可以补偿链路适配所造成的误码。将h a r q 技术和a m c 结合，可先通过a m c 提供大致的数据速率，然后再使用h a r q 技术进行精确的 速率调整，从而提高自适应调节的准确度和资源利用率。 随着移动通信技术的不断发展，链路自适应技术也从单一的时域调整扩展到 多维调整【8 】，包括时域、频域、空域和码域等。例如，对不同子信道根据其各自 不同的信道条件选择不同的调制编码方案( m c s ) 和不同的带宽；对于m i m o 系 统也采用自适应技术，根据不同的信道条件选择不同的预编码矩阵，充分利用信 道资源，提高频谱利用率。 为了应对高速数据传输的要求，l t e 系统采用了一系列关键的链路自适应技 术，主要包括“自适应功率控制一、。自适应调制编码一、“混合自动重传( h a r q ) 技 术一、。自适应m i m o 预编码 、搿自适应空间复用 等 9 h 1 1 】。 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 3 论文的研究范围和意义 无线通信系统在设计的过程中，所面临的一个的问题就是如何利用有限的频 谱资源来实现高速、可靠的数据传输。通信的可靠性和有效性一直是一对矛盾的 关系。可靠性是对通信系统传输质量的要求，而信道编码就是用来提高数字通信 可靠性的重要手段之一。为满足其对实时业务、广播及多播业务的高速率传输要 求，在信道编译码技术方面，l t e 采用了咬尾卷积编码和t u r b o 编码【l o 】。而有效 性则是对通信系统传输信息速率的表征。这两类指标在实际系统设计中往往是相 互矛盾的，而链路自适应技术正体现了对通信可靠性和有效性指标的良好结合。 对于l t e 系统，同样存在着在保证一定通信可靠性的前提下，提高频谱资源 利用率的问题。因此，在l t e 系统采用的技术中，一个关键的技术就是链路自适 应技术。l t e 系统物理层采用的链路自适应技术有自适应调制编码技术，自适应 m i m o 预编码技术，还有自适应空间复用技术【l 。l t e 系统的物理层标准只规定 了几种可选的m c s 等级，可供采用a m c 技术时选用，但标准中并未给出具体的 自适应调制编码的实现方法。对于自适应m i m o 预编码和空间复用技术来说，标 准也只给出了预编码矩阵的集合和空间复用时可用的最大层数【9 】，如何根据变化的 信道质量信息选择合适的预编码矩阵和空间复用的层数，有待各个厂商自己实现。 由于上述链路自适应技术的应用，l t e 标准要求接收端反馈能够反映下行信道状 态的三个参数：信道质量指示( c q i ) 、预编码矩阵指示( p m i ) 和秩指示( 1 1 1 ) ， 而这三个反馈参数的确定过程和相关算法在l t e 标准中也没有具体的规定，需要 开发人员自己来确定。因此，结合l t e 标准，提出适用于l t e 系统的链路自适应 技术的实现方案很有必要，也具有很强的实用价值。 本文的研究是在2 0 0 9 年出台的国家科技重大专项t d l t e 无线综合测试仪 表开发项目的背景下进行的。本文的研究工作就是确定l t e 标准要求的能够反 映l t e 系统下行信道状态的三个反馈参数，实现l t e 系统的自适应调制编码技术， 自适应m i m o 预编码技术，还有自适应空间复用技术。最后用l t e 链路级仿真器 对上述实现方案进行性能仿真和分析。在l t e 系统中，当长度大于1 1 比特时，c q i 采用咬尾卷积编码。因此，本文还研究了l t e 系统中咬尾卷积编码的编译码算法， 并对其进行了仿真和分析。 1 4 主要研究内容和结构 本文的主要工作如下：研究和分析l t e 系统的关键技术和链路自适应技术在 l t e 系统中的应用，重点研究自适应调制编码和自适应m i m o 预编码技术，在此 基础上实现l t e 系统链路自适应调制编码，自适应m i m o 预编码和自适应空间复 3 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 用的反馈方案，并对其进行了仿真和性能分析。此外还研究了l t e 系统中咬尾卷 积编码的编译码算法，并对其进行了仿真和分析等。 第一章：绪论。首先，分析l t e 系统的起源和目前的发展状况。然后概要介 绍链路自适应技术及其应用。接着，描述了本文的研究重点和研究的意义。最后， 概括了本文内容的组织结构。 第二章：l t e 系统物理层关键技术介绍。对l t e 系统的上行和下行的技术特 点进行了描述，重点介绍了l t e 系统物理层所用到的关键技术，并描述了物理层 的处理过程。 第三章：链路自适应技术原理介绍。首先阐述了链路自适应技术对于现代高 速通信的重要性，接着讲述了链路自适应的基本原理，最后介绍了链路自适应技 术在l t e 系统中的应用。 第四章：l t e 系统中链路自适应技术的实现和仿真。本章是本文的研究重点。 首先对本文链路自适应仿真时用到的l t e 链路级仿真器进行了介绍，并对评价l t e 系统物理层的性能指标进行了说明。然后详细研究l t e 系统链路自适应反馈的实 现原理、实现过程和相关参数的确定。最后用仿真器对l t e 链路自适应反馈的性 能进行了大量的仿真，并对仿真结果进行了详细的分析。 第五章：l t e 系统中咬尾卷积编码的编译码算法研究和仿真。首先介绍l t e 系统中用到的咬尾卷积码。然后详细描述目前已经存在的几种咬尾卷积码的译码 算法。最后对这几种咬尾卷积码的译码算法进行性能仿真比较。 第六章：总结与展望。 4 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e 物理层技术 2 i 引言 第二章l t e 物理层技术 3 g p p 标准组织启动的长期演进( l t e ) 技术需要实现更低的延迟、更高的用户 数据率下行( 1 0 0 m b p s ，上行5 0 m b p s ) 、更大的系统容量、更大的覆盖和更低的成 本，支持多天线技术。为满足其对实时业务、广播及多播业务的高速率传输要求， 在物理层方面，l t e 进行了较大的革新，采用了更加成熟的o f d m 技术和m i m o 技术【9 1 。 2 2l t e 标准概述 2 2 1l t e 标准的目标 从长远的发展来看，现有的3 g 、3 5 g 技术不能应对宽带接入技术的挑战和满 足新型业务需求，不会成为移动通信最终的解决方案。为此，3 g p p 标准组织在l t e 项目立项之后，首先从定义需求开始，最后经过征求各方意见，各项需求概括描 述【3 】如表2 1 。 表2 1l t e 需求目标 需求目标需求内容 峰值速率在上下行带宽各为2 0 m h z 时，下行1 0 0 m b i t s ，上行5 0 m b i t s 控制面延迟从空闲状态到激活状态的转换时间不得大于l o o m s 控制面容量要保证5 m h z 带宽时每小区支持2 0 0 以上激活用户 用户面延迟单用户，单数据流，小口分组条件下时延小于5 m s 用户吞吐量下行吞吐量3 - 4 倍于h s d p a ：上行吞吐量2 - 3 倍于h s d p a 频谱效率下行达到h s d p a 的3 4 倍，上行达到h s u p a 的2 - 3 倍 移动性在1 5 1 2 0 k m h 下实现高性能，在1 2 0 - 3 5 0 k m h 下保持移动性 系统覆盖吞吐量，频谱效率和移动性在5 k m 以下小区全面满足 系统共存支持多模终端之间的测量和切换 系统复杂度 最小化可选项，无冗余的必选项 频谱灵活性 支持1 4 m 2 0 m h z 的不同大小频带；支持成对和非成对频谱 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e 物理层技术 2 2 2l t e 技术特点 l t e 下行传输方案采用带循环前缀( c p ) 的o f d m l 2 1 。循环前缀分为普通循环前 缀和扩展循环前缀，持续时间分别为4 7l as 和1 6 7l ls 。l t e 系统对于交织长度和 自动重传请求周期都采用很短的，这是为了满足数据传输延迟的要求。1 0 l n s 无线 帧被分成2 0 个同等大小的时隙，长度为0 5 m s 。 下行数据的调制方式主要采用q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m 【9 1 。下行单用户多天 线采用预编码技术，该预编码技术是基于酉矩阵的。终端反馈预编码矩阵的序号。 在信道编码方面，业务数据的信道编码是以t u r b o 编码为基础，以新的内交织 器代替原交织器。控制信道采用的编码器是t a i l - b i t i n g 卷积码【1 0 l 。 m i m o 技术在l t e 中被认为是达到用户平均吞吐量和频谱效率要求的最佳技 术。下行m i m o 天线的基本配置是，在基站设两个发射天线，在l i e 设两个接收 天线，即2 2 的天线配置。更高的下行配置，如4 x 4 的m i m o 也可以支持【l l 】。 小区搜索是通过同步信号实现的。考虑到复杂性，l t e 采用主同步信号进行 小区初同步，采用辅同步信号进行小区精同步【9 】。小区主同步信号序列采用的码型 为z c ( z a d o f f - c h u ) 序列，辅同步信号由两个m 序列级联生成。 t 上行传输方案采用s c f d m a ，并且是带循环前缀的。通过采用离散傅里叶变 换( d f t ) 获得频域信号，插入零值进行扩频，扩频信号再通过f 1 【9 1 。 资源映射决定了被用来传输上行数据的频谱资源。频谱资源的分配有两种方 式：一是集中式，即d f t 的输出映射到连续的子载波上；另一个是分布式，即d f t 的输出映射到离散的子载波上。l t e 上行采用集中式资源映射。 上行调制方式主要采用q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 。上行信道编码与下行相同。 上行单用户m i m o 天线的基本配置为两根发射天线，两根接收天线。上行也采用 了虚拟m i m o 的技术。这种虚拟m i m o 的技术一般是2x 2 的虚拟m i m o 。 l t e 中随机接入分为非同步和同步随机接入两种【l 。非同步随机接入的用户 签名序列采用z c 序列，在用户的签名序列中隐含了用户的消息比特( 包括用户的 接入目的、用户的信道质量指示等) 。在小区覆盖大小的考虑上，对于大区的覆盖 采用简单的短码重复。对于随机接入而言，协议定义了格式0 格式4 ，其中格式 4 定义为t d d 独有形式，可以在u p p t s 上发射。 2 3l t e 物理层 2 3 1l t e 物理层的帧结构 l t e 系统同时定义了频分双工( f d d ) 和时分双工f i d d ) 两种方式9 1 。图2 1 、图 6 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e 物理层技术 2 2 分别给出了l t e f d d 和l t e t d d 协议定义的无线帧格式。l t e f d d 和 l t e t d d 的无线帧长都是1 0 m s ，每个无线帧由1 0 个子帧构成，每个子帧l m s 。 每个子帧又定义成两个时隙，每个时隙0 s i n s 。每个无线帧包括两个长度为t f = 1 5 3 6 0 0 xt s - - 5 m s 的半帧。 图2 1 l t e - f d d 无线帧结构 对于l t e t d d 而言，每个半帧由8 个长度为0 5 m s 的时隙和3 个特殊时隙 d w p t s 、g p 和u p p t s 组成。d w p t s 、g p 和u p p t s 的总长度为l m s ，d w p t s 和 u p p t s 的长度可配置。子帧1 和6 由d w p t s 、g p 和u p p t s 组成，所有其他子帧 由2 个长度为0 5 m s 的时隙组成。 l t e - t d d 支持5 m s 和1 0 m s 两种周期的上厂f 行切换点。对于5 m s 上下行切 换周期，子帧2 和子帧7 总是用作上行。对于1 0 m s 蚧行切换周期，每个半帧 都有d w p t s ；只在第一个半帧内有g p 和u p p t s ，第二个半帧的d w p t s 长度为 l m s 。u p l t s 和子帧2 用作上行，子帧7 和子帧9 用作下行。 ：1 _ 一 l _ 个半帧= 5 。m $ 时隙l m ：、一。：。! ! ! ：p ，s ，。、- 、- 、一 - - 一 孚帧。子；帧2孚帧3孚帧4字帧5孚帧7孚帧8孚帧9 图2 2l t e - t d d 无线帧结构 每个时隙的发射信号由包含雌硭个子载波和州个o f d m 符号的资源格 描述。资源格结构如图2 3 所示。罐决定于小区构造的下行发射带宽，且应该满 足船跣- - 肺d l 酽，其中，船阢= 6 ，嘴d l = 1 1 0 分别是最小和最大下行 带宽。 对天线端口p 的资源格的每个元素叫做资源元素，而且是在时隙中由指针对 ( 七，) 唯一确定的，这里七= 0 ，磕硭- 1 ，1 - - 0 , ，州盖一1 分别是频域和时域上 的指针。在天线端口p 上的资源元素( 七，i ) 对应于复值口： ! ：。 7 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e 物理层技术