（通信与信息系统专业论文）lte随机接入技术的研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 随着全球无线通信呈现出移动化、宽带化和m 化的趋势，在蜂窝移动通信技 术快速发展，力争提供移动宽带服务的同时，一些无线宽带接入技术也开始提供部 分的移动功能。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 挑战的需要，3 g p p 开始了“长期演进“的进程，即l t e 。因此对l t e 技术的 研究是非常必要，也是极具现实意义的。 本论文主要研究l t e 随机接入技术。 本文首先介绍了研究背景，阐述l t e 的项目进度及主要性能要求，分析了l t e 与其它几种宽带移动通信技术的异同。随后研究了l t e 物理层的主要技术，包括 o f d m 基本原理及其优缺点，d f t - s o f d m 技术的系统模型及数学描述，介绍了l t e 中两种帧结构。最后分析了几种最基本的随机多址接入技术原理。 重点研究l t e 随机接入技术，分别从随机接入的目的，触发场景及主要分类三 个方面进行论述；对于非同步随机接入的两种方案，得出随机接入流程采用“一步 法 方案的结论，关键是将控制信息隐含在前导序列中发送而不是联合传输；研究 随机接入前导的作用及时频结构，阐述基带信号公式及参数含义，提出大素数点 d f t 变换问题。研究a f t 及c z t 算法，深入分析两种算法的原理，进行详细的算 法设计及流程设计，最后在m a t l a b 7 0 平台上进行仿真测试，从算法复杂度、计 算时间及通用性方面综合考虑，得出c z t 算法优于a f t 算法的结论。第五章研究 随机接入前导序列选取原则及基带信号处理过程，设计随机接入基带信号检测的实 现方案。搭建l t e 上行随机接入链路，其中d f t 模块使用c z t 算法，接收端采用 基于门限值的频域检测方法，通过对高斯信道及t u 6 信道的检测性能仿真，结果 表明，阈值设置合理，t u 6 信道由于多径及频域选择的影响，检测性能比高斯信道 差；采用一发两收的天线结构检测性能优于一发一收结构；c z t 算法是适用于l t e 随机接入基带信号的产生的。 关键词：长期演进，算术傅立叶变换，线性调频z 变换，随机接入，前导序列 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 t h eg l o b a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e ms h o w st r e m e n d o u s a d v a n t a g e s i n m o v i n g , b r o a d b a n dw h i l es o m ew i r e l e s sb r o a d b a n da c c e s st e c h n o l o g i e sh a v eb e g u nt o p r o v i d es o m em o b i l es e r v i c e st oc o m p e t ew i t ht h ec e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yi nt h em o b i l es e r v i c e sf i e l d i nt h i sc o n t e x t , 3 g p ps t a r t s t h el o n gt e r m e v o l u t i o np r o g r a m e , t h a ti s ，l t e r sn e c e s s a r ya n ds i g n i f i c a n tt or e s e a r c ht h e t e c h n o l o g i e s r a n d o ma c c e s st e c h n o l o g yo fl t ei sm a i n l yr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t h eb a c k g r o u n d , p r o j e c tp l a n s ，m a j o rp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so fl t ea r eb e e n d e t a i l e d l yi n t r o d u c e da n dt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nl t ea n ds e v e r a lo t h e rb r o a d b a n d m o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa r ea n a l y s e di nt h ef i r s tc h a p t e r t h em a i np h y l a y e rt e c h n o l o g i e so fl t e ，w h i c hi n c l u d e so f d ma n dd f t - o f d ma ler e s e a r c h e di n c h a p t e r2 t h eb a s i cp r i n c i p l e , a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fo f d m ，s y s t e mm o d e l a n dm a t h e m a t i c a ld e s c r i p t i o no fd f t - o f d ma l ee x p a t i a t e d , a n dt h e nt h et w of la m e s t r u c t u r e si nl t ep h yl a y e ra r ei n t r o d u c e d i nt h ee n d ，p r i n c i p l e so fs e v e r a lb a s i c r a n d o mm u l t i p l ea c c , e s st e c h n o l o g i e sa r ea n a l y s e d l t er a n d o ma c c e s sp r o c e d u r e sa r ei n v e s t i g a t e da tf i r s ti nc h a p t e r3 n em a i n p r o c e d u r e sa r ed i s c u s s e dr e s p e c t i v e l yi nt w oa s p e c t s ，w h i c hc o n t a i nt f i g g e r i l 培s c t w l e sa n d c l a s s i f i c a t i o n s f o c u s i n go nt w os c h e m e so fn o n - s y n c h r o n o u sr a n d o ma c c e s s ，o n es t 印 r a n d o ma e c 髂sp r o c e d u r eo fl y ei sd r a w n t h e nt h ef u n c t i o na n dt i m e - f r e q u e n c yo f r a n d o ma c c e 鹳p r e a m b l ei ss t u d i e d , e x p l a i n st h ef o r m u l aa n dp a r a m e t e r so fb a s e b a n d s i g n a lg e n e r a t i o n , ab i gp r i m en u m b e rd f t t r a n s f o r mi sp u tf o r w a r da tl a s t i tr e s e a r c h e s 蚰弧a n dc z ta l g o r i t h m s 。a n a l y s e st h ep r i n c i p l eo ft h et w oa l g o r i t h m si nd e p t h , d e s i g n s d e t a i l e da l g o r i t h ma n dp r o c e s sc o u i s 骼, c a r r i e so u tt h es i m u l a t i o nt e s t so nm a t l a b7 0 p l a t f o r mf i n a l l y i ti sp r o v e dt h a tc z ti sb e t t e rt h a nk 吼。i nc h a p t e r5t h ep r i n c i p i ao f r a n d o ma c c 岱sp r e a m b l e s e q u e n c e s e l e c t i o na n db a s e b a n ds i g n a l p r o c e s s i n ga f e r e s e a r c h e d ，d e s i g n sar e a l i z a t i o np r o j e c to fr a n d o ma c c e 豁b a s e b a n ds i g n a ld e t e c t i o n v i a e s t a b l i s h i n gl t eu p l i n kr a n d o ma c c g s ss i m u l a t i o nl i n k , c z ta l g o r i t h mi su s e di nd f t m o d u l e ，u s i n gat h r e s h o l d - b a s e dd e t e c t i o nm e t h o di nf r e q u e n c yd o m a i n , t h er e s u l t ss h o w t h a tt h r e s h o l di ss e tr e a s o n a b l ya f t e rs i m u l a t i o n so fd e t e c t i o np e r f o r m a n c et h r o u g h g a u s s i a nc h a n n e la n dt u 6c h a n n e l ，a n di ti sp r o v e dt h a tt h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c ei s w o r s ei nt u 6t h a ng a u s s i a nc h a n n e l ，b e c a u s eo fm u l t i p l ep a t ha n df r e q u e n c ys e l e c t i o n i t 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a l s oi tc o m e st oac o n c l u s i o nt h a tt w or e c e i v e da n t m m as t r u c t m ei sb e t t e rt t l a no n e r e c e i v e ds t r u c t m ei ns i g n a ld e t e o t i o n v i at h i sc o u r s e , c z ta l g o r i t h mi sp r o v e dt h a ti ti s a v a i l a b l ef o rr a n d o ma c c e s sb a s e b a n ds i g n a lg e n e r a t i o n k e y w o r d s ：l t e ，a f t ) c z t , r a n d o ma c c e s s ，p r e a m b l e m 重庆邮电大学硕士论文 缩略语 3 g 3 g p p a c k m a m c b w a c d m a c m c p c q i c r n t i c s c z t d f t d f t - s o f d m d l d w ”s e 3 g e n o d e d e p s e i 兀r a n f d d f d m a f d e f e c f f t g p h a r q h s d p a h s p a 缩略语 t h e3 mg e n e r a t i o n 3 mg 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 k n o w l e d g e m e n t a r i t h m e t i cf o u r i e rt r a n s f o r m a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g b r o a d b a n dw i r e l 伪sa c c e s s c o d e - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c u b i cm e t r i c 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 e r c e n r n n c i r c u i ts w i t c h i n g c h i r p - zt r a n s f o r m d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m d f t = s p r c a do f d m d o w n l i n k d o w n l i n kp i l o tt i m es 1 0 t e v o l v e d3 g e v o l v e dn o d c b e v o l v e dp a c k e ts y s t e m e v o l v e di 用a n f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x 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 f r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n f o r w a r de r r o rc 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 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 h i g l ls p e e dp a c k e ta c c e s s i v 第3 代 第3 代合作伙伴计划 肯定确认 算术傅立叶变换 自适应调制和编码 宽带无线接入 码分多址 立方度量 循环前缀 信道质量指示 小区r n t i 电路交换 线性调频z 变换 离散傅立叶变换 d f t 扩展o f d m 下行 下行导频时隙 演进型3 g 演进型n o d e b 演进型分组系统 演进型u t r a n 频分双工 频分多址 频域均衡 前向纠错编码 快速傅立叶变换 保护时隙 混合自动重传请求 高速下行分组接入 高速分组接入 重庆邮电大学硕士论文缩略语 l u i c i d ) f r e e i f d m a 兀 m s i s i l d p c m m a c m b f d d m b m s m 咀s f n i n t e r - a n t e n n ai n t e r f e r e n c e i n t e r - c e l li n t e r f e r e n c e i d e n t i f i e r 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 s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s e n g i n e e r i n t e r l e a v e df d m a i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m 1 1 m u l t i m e d i as u b s y s t e m i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e l o wd e n s i t yp a r i t yc h e e k l o n gt e r m e v o l u t i o n m e d i aa c c e s sc o n t r o l m o b i l eb r o a d b a n df d d 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 t s e r v i c e m u l t i c a s t b r o a d c a s to v e rs i n g l e ， f r e q u e n c yn e t w o r k m c c d m am u l t i - c a r r i e rc d m a m c t d s c d m am u l t i c a r r i e rt d s c d n 【a m c - w c d m am u l t i c a r d e rw c d m a m i m om d t i o ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t n a sn o n - a c c 嬲ss t r a t u m n a c k n e g a t i v ea c k n o w l e d g e m e n t n s r a n o n - s y n c h r o n o u sr a n d o m a c c e s s o f d m 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 i n g o f d m a 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 a c c e s s p a p r p e a k - t o - a v e r a g ep o w e r r a t i o p d c pp a c k e td a t ac o n v e r g e n c ep r o t o c o l p r a c h p h y s i c a lr a n d o ma c c e s sc h a n n e l p s p a c k e ts w i t c h i n g p u s c h 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 天线间干扰 小区间干扰 标识符 反离散傅立叶变换 电气和电子工程师学会 交织f d m a 反快速傅立叶变换 口多媒体子系统 符号间干扰 低密度奇偶校验( 码) 长期演进 媒体接入控制 移动宽带f d d 多媒体广播和多播业务 单频网多播广播 多载波c d m a 多载波t d s c d m a 多载波w c d m a 多入多出 非接入层 否定确认 非同步随机接入 正交频分复用 正交频分多址 峰均比 分组数据汇聚协议 物理随机接入信道 分组交换 物理上行共享信道 重庆邮电大学硕士论文缩略语 q o s q p s k r a r a c h r a n r b i u r n c r r c i s a e s a p s c f d m a s d m a s i s 呶 s 己 s r a s t c t d d t d m t d s c d m a t n u e u p p t s u l u m b i m s v o p 、 q u a l i t yo fs e r v i c e q u a t e r n a r yp h a s es 1 l i f 【k e y i n g r a n d o ma c c e s s r a n d o ma c c e s sc h a n n e l 麟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 a d i ol i n kc o n t r o l r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r r a d i or e s o u r c ec o n t r o l r o u n dt r i pd e l a y 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 e r v i c ea c c e s sp o i n t s i n g l ec a r r i e rf d m 魄 s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s s t u d yi t e m s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ep l u sn 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 y n c h r o n o u sr a n d o ma c c e s s s p a c e - t i m ec o d e t i m ed i v i s i o nd u p l e x t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g t i m ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc d m a t r a n s m i s s i o nt i m ei n t e r v a l u s e re q u i p m e n t u p l i n kp i l o t 饰es l o t u p l i n k u l t r am o b i l eb r o a d b a n d u i l i v e l s a lm o b i l et d e c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m v 0 i c e o v e r i p w o r ki t e m w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v e a c c e s s z a d o f f - c h u v i 服务质量 四相移相键控 随机接入 随机接入信道 无线接入网 资源块 无线链路控制 无线网络控制器 无线资源控制 回路延迟 系统架构演进 服务接入点 单载波f d m a 空分多址+ 研究阶段 信干噪比 信噪比 同步随机接入 空时编码 时分双工 时分复用 时分同步码分多址 发送时间间隔 用户设备 上行导频时隙 上行 超移动宽带 通用移动通信系统 口话音 工作阶段 全球微波接入互操作 z c 序列 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 移动通信技术从二十世纪九十年代开始进入了快速发展时期。通信成为人们生 活的重要组成部分，不断增长的移动通信用户对通信技术提出了更高的要求。移动 通信技术向能够提供更高的数据速率发展，3 g p p 标准和3 g p p 2 标准分别向h s p a 和高速分组数据演进，标志着3 g p p 和3 g p p 2 在坚持蜂窝移动能力的同时，日益重 视低速局域场景下的接入能力。这种“移动通信宽带化 趋势，为蜂窝移动通信产 业从传统话音业务拓展到宽带数据业务领域带来了契机。 目前，全球无线通信呈现出移动化、宽带化和p 化的趋势，在蜂窝移动通信 技术快速发展，力争提供移动宽带服务的同时，一些无线宽带接入技术也开始提供 部分移动功能。通过宽带移动化，试图从移动通信市场分一杯羹，如i e e e 8 0 2 1 6 e 技术。在这种背景下，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 挑战的需要，3 g p p 开始了“长期演进“的进程，即l t e 。l t e 需要实 现更低的延迟、更高的用户数据速率、更大的系统容量、更广的覆盖和更低的成本， 为了满足这些颇具挑战性的需求，空中接口物理层技术和网络架构都面临重大革 新。因此对于l t e 的研究成为了近年来通信行业的主要方向。 1 2 课题研究意义 l t e 的随机接入目的主要是进行上行定时同步调整，用户功率调整和用户资源 需求的申请；l t e 随机接入技术主要采用基于资源预留的s l o t t e da l o h a ，即用户先 申请，后调度接入。在物理接口上，l t e 上行采用基于s c - f d m a 的传输技术，其 实现技术为d f t - s o f d m ，即基于d f t 扩展的o f d m 技术。 l t e 上行链路采用s c - f d m a ，主要是为了减少发送信号的p a p r ，从而降低 发送功率放大器的功耗，延长电池使用寿命。l t e 中s c f d m a 的实现方法，是在 o f d m 调制的n 点环f r 之前，对输入信号作m 点的d f t 预编码( n m ) 。从直观 上来理解，多个并行且不相关的随机信号通过巧f t 变换之后其输出信号p a p r 会 增大，而d f t 预编码则会抵消或者部分抵消f r 的作用，从而降低p a p r 。 o f d m 相关技术在现代无线通信系统中得到广泛应用。o f d m 技术之所以备受 关注，其中一个很重要的原因是它可以利用i d f t d f t 进行多载波的调制和解调， 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 大大简化了系统结构和设计。因此，作为实现这些技术的关键模块，d f t i d f t 在 基于o f d m 技术的无线通信系统中具有极其重要的地位。通常情况下，为了简化 设计和实现方便，o f d m 调制解调中所用到的d f t 的变换长度都是2 一( n 为整数) 的形式，且是固定的，这样便可以用f f t 快速算法来实现d f t 。随着技术的进一 步发展，如移动w i m a x 和l t e 的出现，要求支持带宽可扩展的o f d m ，此时d f t 的变换长度便不再是固定的了。l t e 系统中，需要m 可以分解成若干个小素数因 子的乘积，通过素因子分解法p f a 、w m o g r a df f r 算法以及c o o l e y - t u k e y 算法等 方法先计算小点数的d f t ，然后通过一系列复杂步骤的处理得到最终的n 点d f t 。 然而，这种方法不适用于任意变换长度的d f t ，特别是那些变换长度不能分解成小 素数因子乘积的d f t 。另外，如果用此种方法计算可配置变换长度的d f t ，相应的 各种变换长度必须要有共同的素数因子，否则计算将非常复杂。不管是带宽可扩展 o f d m 还是s c f d m a ，其实现的关键模块都是d f t 。为了这些技术的继续发展， 需要任意变换长度的d f t ，而不只限定于变换长度是2 一形式或者是若干小素数因 子之积的d f t 。 本文研究意义有以下几点：( 1 ) 研究了随机接入的时频结构，重点分析了随机接 入的流程，得出随机接入采用“一步法 方案的原因及结论。( 2 ) 针对随机接入前导 信号产生的大素数d f t 变换问题，提出适用的算法，设计具体的实现流程方案， 仿真后得出结论。( 3 ) 研究基带检测算法的实现方案，并进行仿真，验证性能。 1 3l t e 简介【1 】 1 3 1l t e 概述 2 0 0 4 年底，w l m a x 技术开始迅猛崛起，3 g p p 也开始了u m t s 技术的l t e 项 目。这项受人瞩目的技术和3 g p p 2 的u m b 技术被统称为“e 3 g 。但这种以o f d m 为核心的技术，与其说是3 g 技术的“演进 ，不如说是“革命”，它和u m b 、w l m a x 、 i e e e 的8 0 2 2 0 m b f d d m b t d d 等技术，由于已经具有某些4 1 3 通信技术的特征， 甚至可以被看作“准4 g ”技术。 为了能和可以支持2 0 m h z 带宽的w l m a x 技术相抗衡，l t e 也必须将最大系 统带宽从5 m i - i z 扩展到2 0 m i - - i z 。为此，3 g p p 放弃了长期采用的c d m a 技术，选 用新的核心传输技术，即o f d m f d m a 技术。在r a n 结构层面，为了降低用户面 延迟，l t e 取消了重要的网元r n c 。在整体系统架构方面，和l t e 相对应的 s a e 项目则推出了崭新的e p s 架构。l t e 虽然可以部署于3 g 的现有频谱，但在网 络端和终端都要做大规模的更新换代。实际上l t e 已经在e 3 g 技术范畴内。 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 3 2l t e 项目时间进度及主要性能指标 l t e 研究阶段( s d 原定于2 0 0 6 年6 月完成，最终推迟了3 个月，于2 0 0 6 年9 月完成。工作阶段m 砷原定于2 0 0 7 年6 月完成，但w i 的工作量远远超过了预期， 最终延迟了一年半，到2 0 0 8 年年底才基本完成。s i 阶段又可以称为第一阶段，这 个阶段主要是以研究的形式确定l t e 的基本框架和主要技术选择，对l t e 标准化 的可行性作出判断。w i 阶段又可以分为两个阶段，第二阶段和第三阶段，第二阶 段通过对第一阶段中初步讨论的系统基本框架进行确认，同时进一步丰富第二阶段 的细节，最终于2 0 0 7 年3 月形成了l t e 第二阶段的规范t r 3 6 3 0 0 。第三阶段于2 0 0 7 年年底形成了l t e 技术规范的第一个正式版本v 1 0 0 ，但此版本很多方面没有确 定，实际上是无法使用的。因此在2 0 0 8 年，继续对技术规范进行修改完善。整个 3 g p pr 8 的规范必须在2 0 0 8 年年底完成。 l t e 项目的主要性能指标包括：在2 0 m h z 系统带宽下，下行瞬间峰值速率 1 0 0 m b i t s ，上行瞬间峰值速率5 0 m b i t s ；下行频谱利用率是r 6h s d p a 的3 到4 倍， 上行频谱利用率是r 6h s u p a 的2 到3 倍；从驻留状态到激活状态的时延小于5 m s ： 提高小区边缘的比特率；支持与现有的3 g p p 和非3 g p p 系统的互操作，支持增强 型的m b m s 业务；小区覆盖半径在5 k i n 以下时，应该满足l t e 项目的所有性能要 求，对于小于3 0 k m 的小区覆盖，可以允许一定的性能损失，支持1 0 0 k m 的小区覆 盖；以尽可能相似的技术支持成对和非成对频谱，并支持简单的邻频共存。 1 3 3l t e 和其他宽带移动通信技术的对比 宽带无线接入技术和蜂窝移动通信技术已经呈现出相互融合的趋势。下面就从 性能指标和关键技术这两个方面对这几种技术进行对比。 1 3 3 1 性能指标对比 在部署场景方面，两种b w a 标准( i e e e s 0 2 1 6 e 和i e e e 8 0 2 2 0 ) 的应用领域已经 从传统的热点覆盖扩展到了多小区大规模组网和无缝切换，l t e 和u m b 技术也加 强了对孤岛式热点覆盖的支持。 在双工方面，4 种技术也趋向于融合，都将支持f d d 、t d d 和f d d 半双工三 种模式。 在移动性方面，l t e 、u m b 和m b f d d t d d 都强调了要对1 5 k m h 以下的低速 场景优化系统，并要求在1 2 0 k m h 以下只发生轻微的性能下降，同时也支持2 5 0 k m h 的高速移动。l t e 和l i m b 还要求在最高5 0 0 k m h 移动速度下保持连接。w i m a x 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 技术原本只用于1 2 0 h n h 以下的中低车速移动，但目前也在考虑对1 2 0 k m h 以上速 度的支持。 上述四种技术支持的业务类型几乎完全相同，即以数据业务为主，话音业务通 过口提供。其中l t e 系统将取消c s 域，所有的业务都在p s 域实现。另外，4 种技术都强调了对多播广播业务的支持，l t e 还提出了使用单独载波部署移动电视 的需求。四种技术在q o s 方面的需求也趋向一致。 在网络架构方面，宽带移动通信和宽带无线接入的核心网正在相互渗透，e 3 g 将基于全p 的网络架构，而v v r l m a x 网络将支持i m s 核心网架构。l t e 决定在 e u t r a n 中取消r n c 节点，采用只由e n o d e b 构成的“单层 架构，e n o d eb 之 间采用网络( m e s h ) 结构连接。 在切换方面，除了l t e 和u m b 外，两种b w a 系统也都要求在系统内实现多 小区间的无缝切换。 1 3 3 2 关键技术对比 宽带无线接入和宽带移动通信系统的基本传输和多址技术趋于一致，均基于 o f d m 技术。l t e 上行采用了s c f d m a 以降低信号峰均比( p a p r ) ，i e e e 8 0 2 2 0 采用基于调度或跳频的o f d m a ，同时在上行采用半正交o f d m a 以提高系统容量。 在参数设计方面，i e e e 8 0 2 2 0 采用了最小的子载波间隔9 6 k h z 。l t e 采用了 最大的子载波间隔( 1 5 k h z ) 。i e e e 8 0 2 1 6 e 子载波间隔居中0 0 9 4 k h z ) 。l t e 和 m b f d d t d d 都采用了很小的子帧长度( o 9 11 一l m s ) ，相对而言，8 0 2 1 6 e 的子帧长 度较大。l t e 和i e e e 8 0 2 2 0 都采用长、短两种c p ，其中短c p 用于正常小区大小 的单播业务，长c p 用于m b s f n 或超大小区。i e e e 8 0 2 1 6 e 采用4 种可选的c p 长 度。 从资源分配角度上，l t e 和i e e e 8 0 2 1 6 e 支持集中式( l o c 面m e d ) 和分布式 ( d i s t r i b u t e d ) 子载波分配方式。i e e e 8 0 2 2 0 支持频域调度和调频方式。在调制技术方 面，3 种技术均采用q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m 。 在多天线技术方面，3 个标准均采用了基于预编码的空间复用、s d m a 及开环 发射分集技术。 在链路自适应方面，3 种技术均采用了频域调度、a m c 、h a r q 和功率控制。 在小区干扰抑制方面，i e e e 8 0 2 2 0 和l t e 均考虑了干扰协调技术，i e e e 8 0 2 2 0 采用部分频率复用方式实现，l t e 在上行支持基于干扰指示和过载指示的动态协 调，在下行只支持半静态协调。l t e 系统也采用加扰的方式进行干扰随机化等方法。 相对而言，i e e e 8 0 2 1 6 e 对小区间干扰问题的重视程度较低，只采用调频技术对干 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 扰进行随机化。 就系统切换而言，3 种系统都主要采用硬切换和快速小区选择实现系统内切换， 不采用宏分集技术。 1 4 论文的内容安排 本文的第一章介绍移动通信的发展概况。阐明了本课题的研究背景及选题意 义，介绍了l t e 项目的时间进度及主要性能指标，将l t e 技术与其他几种主要的 传输技术如i e e e 8 0 2 1 6 e 、i e e e s 0 2 2 0 、l i m b 从性能指标及关键技术进行了对比， 最后介绍了本论文的主要研究内容和工作安排。 第二章对l t e 物理层方案技术进行分析，主要包括物理层协议结构及主要功 能，从双工方式的角度讨论物理层基本传输方案。概述物理层的几种关键技术，包 括o f d m ，s c f d m a 技术，解析上行链路的d f t - s o f d m 技术，分析其发送及 接收原理，系统模型图并进行数学描述。最后简介最基本的a l o h a 、c s m a 等随 机多址接入技术。 第三章研究l t e 随机接入的主要流程。主要包括在不同状态下的随机接入流 程，分析非同步随机接入的两种方案，比较分析后得出随机接入流程的方案。分析 随机接入前导序列的产生及其主要参数的意义。 第四章提出针对随机接入基带信号产生中的大点数的d f t 算法。进行算法设 计和流程设计，从复杂度、时间及误差方面分析其优劣，得出结论。 第五章设计随机接入基带信号的实现方案。提出具体的接收端信号检测方法， 并进行仿真，分析前导码在接收端的检测性能。 第六章为全文的结束语部分。 5 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e 物理层概述及多址技术 第二章l t e 物理层概述及多址技术 空中接口物理层技术和多址接入技术是无线通信系统的基础与标志，3 g p p 组 织就系统物理层下行传输方案和多址接入技术很快就达成一致，即采用先进成熟的 o f d m a 技术。然而对于上行传输方案却产生了很大的分歧。很大一部分设备商考 虑到o f d m 作为一种多载波传输方案，具有较高的峰均比，会增加终端的功放成 本和功率消耗，限制终端的使用时间，因而坚持采用峰均比较低的单载波频分多址 方案s c f d m a ，但是一些积极参与w d v l a x 标准组织的公司却认为可以采用滤波、 循环削峰等方法有效地降低o f d m 信号的峰均比。经过多次会议的艰苦协商，最 后l t e 上行多址接入方案选择了单载波频分多址方案s c - f d m a ，既可以保持 o f d m 的主要优点，又较好地降低了峰均比，从而相应地提高了功放的效率和增加 小区覆盖面积。 2 1 物理层功能 物理层【2 】主要通过传输信道向m a c 或更高层传送信息。它的主要功能包括： 完成f e c 编解码和编码速率匹配，实现传输信道上的差错侦测，通过软件集成支 持h a r q ，计算物理资源的功率权重，实现物理信道调制与解调，完成频率与时间 同步，传送高层测量和指示，完成物理层的映射，进行无线射频处理，实现上行功 率控制和支持切换，支持信道的时间提前量，完成链路适配，支持多样性和多入多 出( m n v t o ) 等，物理信道有上下行之分。 2 2 物理层传输方案【3 3 1 4 1 ( d f d d ( u l ：s c - f d m a ，d l ：o f d m a ) 该提案上行链路采用了单载波( s c ) 频分多址( f d m a ) ，主要的优点就是降低了 发射终端的峰均功率比，减小了终端的体积和成本。其主要特点包括频谱带宽灵活 分配，采用循环对抗多径衰落和可变的传输时间间隔( t t i ) 等。下行链路使用频谱效 率很高的o f d m 技术，实现高速数据速率传输。由于o f d m 中的各个子载波是相 互重叠正交的，所以o f d m a 比传统的f d m a 提高了频谱利用率。o f d m a 易于 与m i m o 技术结合，具有高频谱利用率和大吞吐量，灵活的带宽自适应能力，能 较好地与a m c 、h a r q 等链路自适应技术结合，能克服小区边界容量和性能的下 6 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e 物理层概述及多址技术 降。 f d d ( l 几：o f d m a ，d l ：o f d m a ) 该提案与上一方案非常类似。所不同的主要是上行链路，这里采用的也是 o f d m 技术，数据传输速率更高。但是，由于o f d m 时域信号为大量独立同分布 信号分量的线性叠加，这就造成o f d m a 系统发射信号峰均比很高，从而提高了对 发射机功率放大器的线性要求。此外，由于o f d m 子载波间相互重叠，使得o f d m a 对各用户载波频偏和定时误差导致的多址干扰非常敏感。若o f d m a 用于上行链 路，存在远近效应，在非理想功率控制条件下，多用户间干扰非常明显。 ( f d d o j i - , ：m c - w c d m a ，d l ：m c - w c d m a ) 该提案实际上就是多载波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，如自适应调制方式、n 0 d e b 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。该方案的特点是与现在的w c d m a 系统兼 容性好和具有灵活的扩展带宽，但频谱利用、吞吐量和性能都没有明显改善。