（通信与信息系统专业论文）ltetdd上行链路相关技术研究.pdf

独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：至越日期： 五f 翌：= ! 羔 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 至搁茎 日期： 趁f 芝! 羔： 导师签名： 毛咳豳 日期： 蛰坦：至：! 呈 毒 j 一 ； j 卜k l t e t i ) d 上行链路相关技术研究 摘要 为保持3 g 的持续竞争力，3 g p p 组织于2 0 0 4 年底启动了3 g 长 期演进( l t e ) 项目，旨在获得更高速率、更低时延和更大系统容量。 l t e t d d 作为t d s c d m a 的后续演进标准，频谱效率较高，是目前 的研究热点之一。 本文首先对l t e 的研究背景进行分析，介绍了l t e 项目计划和 需要实现的性能目标。对l t e 上行物理层基本原理进行介绍，包括 帧结构、单载波频分复用( s c f d m a ) 传输方案以及基于c a z a c 码的参考信号设计。 其次搭建l t e t d d 物理层上行链路仿真平台。并对d f t 变换域 和最小二乘法( l s ) 这两种信道估计算法进行仿真验证，d f t 变换 域算法的性能始终优于l s 算法。随后对存在载波频偏的系统进行仿 真，调制阶数越高的上行链路对载波频偏越敏感。 为克服载波频偏对系统性能的影响，本文对载波频偏造成的信噪 比损失进行理论分析，并研究分析了基于参考信号的载波频偏估计算 法。该频偏估计算法适用于多用户上行链路，利用参考信号的恒模特 性来减小相位噪声对频偏估计值的影响。该频偏估计算法在满足一定 估计精度的前提下，估计范围可以达到 1 5 ，1 5 ) r , n z 。a w g n 信道下 s n r 大于l d b 时，该算法的频偏估计误差小于l o 。即使在衰落信道 下1 6 q a m 工作的s n r 范围内，该算法的频偏估计误差仍然低于1 0 。 最后针对上行链路中信道质量信息( c q i ) 的r e e dm u l l e r 编码 方式，研究分析了快速哈达马变换译码算法。快速哈达马变换译码算 法与最大似然译码算法进行仿真对比，两者性能相差不多，但快速哈 达马变换译码算法能够减低运算复杂度和存储空间。 关键i 百- - - l t e t d d 、信道估计、载波频偏估计、c q i 译码 北京邮电人学顾i ：学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho nr e l a t e dt e c h n o l o g yo f u t e t d du p l i n k a b s t r a c t t om a i n t a i nt h ec o m p e t i t i v e n e s so f3 g , t h et i l i r dg e n e r a t i o n p a r t n e r s h i pp r o j e c t ( 3 g p p ) o r g a n i z a t i o ni n2 0 0 4s t a r t e dt h eu m t sl o n g t e r me v o l u t i o n ( l t e ) s c h e m e ，w h i c hc o n c e m e di n c r e a s e dd a t ar a t e s ， r e d u c e dl a t e n c 弘a n di m p r o v e d s y s t e mc a p a c i t y u e t d d ，a st h e e v o l u t i o no ft d s c d m as t a n d a r dw i t hh i g h e rs p e c t r u me f f i c i e n c y , h a s o c c u p i e da ni m p o r t a n tp o s i t i o ni nf u t u r e4 g f i r s t l y , t h eb a c k g r o u n do fl t ei ss t u d i e d ，a n di t sp r o j e c tp l a n n i n g a n dp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sa r ei n t r o d u c e d t h e nt h eb a s i cp r i n c i p l e s o fl t eu p l i n kp h y s i c a ll a y e ra r ei n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h ef r a m es t r u c t u r e ， s i n g l e - c a r d e rf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n ga c c e s s ( s c - - f d m a ) t r a n s m i s s i o ns c h e m e a n dr e f e r e n c es i g n a ld e s i g nb a s e do nc a z a c s e c o n d l mt h ei j e t d du p l i n kp h y s i c a ll a y e rs i m u l a t i o np l a t f o r mi s b u i l t t h e nd f td o m a i na l g o r i t h ma n dl e a s t s q u a r e s ( l s ) a l g o r i t h m a r ev e r i f i e db ys i m u l a t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo fd f td o m a i na l g o r i t h mi s a l w a y sb e t t e rt h a nt h a to fl sa l g o r i t h m t h ei m p a c tc a u s e db yt h e c a r d e rf r e q u e n c yo f f s e ti ss i m u l a t e d t h eh i g h e rt h em o d u l a t i o ns h e m e t h el i n ki sm o r es e n s i t i v et ot h ec a r d e rf r e q u e n c yo f f s e t t oo v e r c o m et h ei m p a c to fc a r d e rf r e q u e n c yo f f s e to ns y s t e m p e r f o r m a n c e ，ah y b r i de s t i m a t i o na l g o r i t h mb a s e do nr e f e r e n c es i g n a li s a n a l y z e d i ti sa p p l i c a b l ef o rm u l t i u s e rl t eu p l i n k t h ei m p a c to f p h a s en o i s ei sr e d u c e du s i n gt h ec o n s t a n ta m p l i t u d ef e a t u r eo fr e f e r e n c e s i g n a l i t se s t i m a t i o nr a n g ei s 一15 ，15 ) k h zu n d e rc e r t a i ne s t i m a t i o n a c c u r a n c y i nt h ea w g nc h a n n e l ，w h e ns n ri sg r e a t e rt h a n1d b ，t h e f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o ne r r o ro ft h ea l g o r i t h mi s l e s st h a n10 f u t h e r m o r e t h ef r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o ne r r o ri ss t i l lu n d e r10 心i nt h e s n r r a n g eo f1 6 q a m i i 北京邮i u 人学硕i ：学位论文 a b s t r a c t f i n a l l y , f o rt h er e e dm u l l e rc o d i n g s c h e m eo fc h a n n e lq u a l i t y i n f o r m a t i o n ( c q i ) i nu p l i n k ，t h e f a s th a d a m a r dt r a n s f o r md e c o d i n g a l g o r i t h mf o rc q i ( 3 2 ，11 ) i sa n a l y z e d t h e ni t sp e r f o r m a n c ec o m p a r e d w i t hm a x i m u ml i k e l i h o o dd e c o d i n ga l g o r i t h mi sa n a l y z e db ys i m u l a t i o n t h ep e r f o r m a n c eo fb o t ha l g o r i t h m si ss i m i l a r , b u tt h ef a s th a d a m a r d t r a n s f o r m d e c o d i n ga l g o r i t h m c a n g r e a t l y r e d u c et h e c o m p u t i n g c o m p l e x i t ya n ds t o r a g e k e yw o r d s ：l t e - t d d ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，c a r d e rf r e q u e n c yo f f s e t e s t i m a t i o n ，c q id e c o d i n g i i i ，人 广 北京i t l l l l 乜人学硕l ：学位论义日录 目录 第一章绪论1 1 1l t e 概述l 1 1 1l t e 背景介绍。l 1 1 2l t e 目标需求2 1 2 论文工作安排3 1 3 本章小结4 第二章l t e 上行物理层基本原理5 2 1 帧结构5 2 2s c f d m a 传输方案6 2 2 1o f d m 系统原理6 2 2 2s c - f d m a 基本原理1o 2 3 上行参考信号设计。1 3 2 3 1c a z a c 序列的基本原理1 3 2 3 2 基于c a z a c 码的正交参考信号设计1 5 2 4 本章小结1 6 第三章上行链路的仿真实现及性能分析1 7 3 1 上行链路系统框图1 7 3 2 功能模块的仿真实现。1 9 3 2 1 速率匹配模块1 9 3 2 2f f t 模块2 0 3 2 3 衰落信道模块2 1 3 2 4 信道估计模块2 4 3 2 5 均衡模块2 7 3 2 6 分集合并模块2 8 3 3 信道估计算法的性能验证2 9 3 4 存在载波频偏的系统仿真。3 3 3 5 本章小结3 7 第四章基于参考信号的混合载波频偏估计算法3 8 4 1 载波频偏引入的信噪比损失。3 8 4 2 基于参考信号的混合频偏估计算法j 4 2 4 2 1 传统载波频偏估计算法4 2 i v 北京邮i 【1 人学顾：i ：学位论文目录 4 2 2 基于参考信号的混合载波频偏估计算法原理4 4 4 3 仿真与分析4 6 4 3 1a w g n 信道下频偏估计性能4 6 4 3 2e p a5 h z 信道下频偏估计性能4 8 4 4 本章小结4 9 第五章p u s c h 中c q i 的r e e dm u l l e r 编译码算法一5 0 5 1c q i ( 3 2 ，1 1 ) 的码字矩阵设计5 0 5 2 快速哈达马变换译码算法5 3 5 3 仿真与分析5 5 5 4 本章小结5 5 第六章总结5 7 参考文献5 9 至l 【谢6 2 攻读硕士期间发表论文6 3 v 北京邮i u 人学硕i ：学位论文 第一章绪论 1 1l t e 概述 1 1 1l t e 背景介绍 第一章绪论 陆地移动通信系统起源于1 9 4 7 年，美国著名的贝尔实验室提出了“蜂窝” 概念。蜂窝通过把覆盖面积划分为小区，并且小区基站工作在不同频率，显著提 高了移动通信网络的系统容量。早期的网络覆盖限于某个国家边界内。终端设备 非常昂贵，体型较大以及耗电，一般都放置在汽车里，所以只能吸引极少用户。 2 0 世纪8 0 年代，移动通信系统第一次得到大规模商用，也就是“第一代移动 通信系统。第一代系统使用模拟技术，包括四种独立系统：美国使用的a m p s 系统，欧洲使用的t a c s 和n m t 系统，以及日本和香港使用的j - t a c 系统。 由于模拟系统频谱利用率低、抗干扰能力差、系统保密性差等，第二代移动 通信系统很快取代了第一代模拟移动通信系统。第二代移动通信系统是目前广泛 使用的g s m 和窄带码分多址接入( c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ，c d m a ) 系统， 提供全球漫游，其基本特征是数字信号处理技术。截至2 0 0 9 年7 月底，全球移 动通信用户已经超过了4 4 亿。 第三代( 3 g ) 移动通信系统是目前主流的无线通信技术，采用c d m a 传输 技术。在3 g 技术标准中，第三代合作伙伴计划( 3 g p p ) 制定的通用移动通信系 统( u m t s ) 技术标准最具影响力。 2 0 0 4 年年底，3 g p p 开始了u m t s 长期演进( l t e ) 项目【i 。2 1 ，l t e 成为未 来移动通信系统的一个可选方案。3 g p p 启动l t e 项目的原因是移动通信与宽带 无线接入技术的融合。 宽带无线接入技术经历了从固定局域接入( i e e e8 0 2 1 i x ) 、固定城域接入 ( i e e e8 0 2 1 6 d ) 至移动城域接入( i e e e8 0 2 1 6 e ) 的发展历程，体现出“宽带 接入移动化”。以因特网为代表的信息技术( i t ) 产业向移动通信领域渗透带来 了新的机遇，同时也给传统移动通信产业带了挑战。同时，移动通信技术也向能 够提供更高的数据速率发展，3 g p p 标准向h s p a 演进，标志着3 g p p 在坚持蜂 窝移动能力的同时，日益重视低速局域场景下的宽带介入能力。 北京邮l u 人学顾f ：学位论文第一章绪论 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”的挑 战，3 g p p 开始了l t e 项目。由于l t e 提出大量新的性能需求指标，传统的3 g 空中接口技术已经难以满足要求，因此，必须提出全新的空中接口技术。因为 c d m a 技术在实现5 m h z 以上带宽时复杂度过高，为了将l t e 的最大系统带宽 从5 m h z 扩展到2 0 m h z ，3 g p p 放弃了长期采用的c d m a 技术，摆脱c d m a 核 心专利的制约，而选用o f d m f d m a 技术作为核心传输技术。2 0 0 5 年1 2 月举 行的t s gr a n # 3 0 会议上，确定l t e 上行物理层研究主要集中在单载波频分复 用( 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 ，s c f d m a ) 传输方案p 刮， 降低终端发射功率峰均比，达到减少终端体积和成本的目的；l t e 下行物理层研 究主要集中在o f d m a 技术r 卜8 1 ，提高系统频谱效率。 在无线接入网( u 黜) 结构层面，为了降低用户面延迟，l t e 取消了无线 网络控制器( 1 c ) 这一重要网元。在整体系统架构方面，和l t e 相对应的系 统框架演进( s a e ) 项目推出了崭新的演进型分组系统( e p s ) 架构。 1 1 2l t e 目标需求 l t e 标准化项目分为研究项目和工作项目两个阶段。2 0 0 5 年3 月到2 0 0 6 年 6 月为研究项目阶段，该阶段主要完成目标需求定义，进行技术可行性研究，最 终选择出适合未来l t e 的技术方案。2 0 0 6 年9 月到2 0 0 7 年6 月为工作项目阶段， 在前一阶段技术可行性研究的基础上，完成核心技术的规范工作和标准制定编写 工作。当3 g p p 完成标准制定工作后，预计l t e 在2 0 0 9 年到2 0 1 0 年会有成熟的 商用产品推向市场。 l t e 需要实现更低的延迟、更高的用户数据率、更大的覆盖和更低的成本， 为了满足这些需求，空中接口物理技术和网络架构都面临重大革新。l t e 的目标 需求主要包括以下几个方面0 1 。 ( 1 ) 显著提高峰值数据率，上行峰值速率5 0 m b i t s ，下行峰值速率1 0 0 m b i t s 。 ( 2 ) 在重新利用当前站址的前提下提高小区边缘的比特率。 ( 3 ) 显著提高频谱效率，达到3 g p pr 6 的2 - 4 倍 ( 4 ) 用户面时延( 单向) 小于5 m s ，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间 小于5 0 m s ，从空闲状态到激活状态的迁移时间小于1 0 0 m s 。 ( 5 ) 支持成对或非成对频谱分配，可灵活配置1 2 5 m h z 、2 5 m h z 、5 m h z 、10 m h z 、 1 5 m h z 、2 0 m h z 的多种带宽。 ( 6 ) 支持和现有3 g p p 系统及非3 g p p 系统的互操作性。 ( 7 ) 支持进一步增强的m b m s 业务。 ( 8 ) 降低建网成本和维护成本，包括提供低成本的无线回传，如替代d s l 的无 2 北京邮i b 人学硕i ：学位论文 第一章绪论 线接入链路的能力。 ( 9 ) 支持从r 6u t r a 无线接口和架构的低成本演进。 ( 1 0 ) 将系统和终端的复杂度、成本和耗电控制在合理水平。 ( 1 1 ) 支持进一步增强的i p 多媒体子系统( i m s ) 和核心网。 ( 1 2 ) 追求后向兼容性，但应仔细考虑兼容性和性能容量提高之间的平衡。 ( 1 3 ) 有效支持各种业务，尤其是p s 域业务。 ( 1 4 ) 系统应为低速移动化场景优化，但也应支持高速移动。 ( 1 5 ) 应支持在对称和非对称频谱中的操作。 ( 1 6 ) 应具备在运营商之间实现简单的临频共存和临区域共存的可能性。 1 2 论文工作安排 本文研究的主要课题是l t e t d d 物理层上行链路。通过充分文献阅读，给 出了l t e 的提出背景和目标需求。接着本文对l t e t d d 物理层的关键技术进行 介绍，包括帧结构、s c f d m a 技术和基于c a z a c 序列的参考信号设计等，并 对o f d m 技术和s c f d m a 技术进行了详细对比。同时按照3 g p p 协议和提案， 使用m a t l a b 仿真工具搭建了物理层仿真平台，并对一些接收模块进行了详细介 绍。随后给出了系统在理想同步，e p a5 h z 和e t u7 0 h z 信道条件下，不同信道 估计算法的性能比较；也给出了载波频偏对系统性能的影响，由于对于高阶调制 影响极为严重。最后，针对载波频偏估计算法和上行控制信息( u c i ) 中c q i 的r e e dm u l l e r 译码算法进行了深入研究，并相应给出了基于参考信号的混合载 波频偏估计算法和r e e dm u l l e r 码的快速哈达马变换译码算法。论文的具体工作 安排如下： 第一章为绪论。首先对l t e 的研究背景进行了分析，介绍了l t e 项目计划 和需要实现的性能目标。 第二章介绍了l t e t d d 上行物理层基本原理。本章给出了帧结构，详细阐 述了l t e t d d 上行物理层s c f d m a 传输方案，包括其应用背景和系统架构， 并与o f d m a 技术进行了对比分析，为进一步深入理解l t e t d d 上行的基本原 理奠定理论基础。最后介绍了基于c a z a c 码的l t e t d d 参考信号设计，为后 续章节的信道估计和载波频率偏移估计研究提供背景知识。 第三章主要介绍了l t e t d d 物理层上行链路仿真平台，对系统框图进行了 详细阐述，进一步仔细介绍了速率匹配模块、信道模块、信道估计模块、信道均 衡模块以及分集合并模块等的原理和具体实现。同时针对一发两收的s i m o 情 况，给出了e p a 5 h z 和e t u 7 0 h z 信道下采用不同调制方式q p s k 和1 6 q a m 时 3 北京邮i u 人学硕i - q ：位论文第一章绪论 的系统仿真性能。通过对l s 信道估计算法、d f t 变换域信道估计算法和理想信 道估计算法的性能对比发现，d f t 变换域算法始终优于l s 算法的性能。l s 算 法性能不随调制阶数的增高而改变；而在e p a 5 h z 信道中d f t 变换域算法性能 随着调制阶数的增高而变差，其性能与信号的调制阶数有关。最后还给出了载波 频偏对系统性能的影响。与q p s k 调制方式相比，1 6 q a m 调制方式对载波频偏 更加敏感，尤其当载波频偏为2 7 0 h z 时，1 6 q a m 调制方式下的系统性能b l e r 不随着s n r 的增加而减小，b l e r 始终为l ，系统性能随着发射功率的增加却得 不到任何改善。 第四章首先对非理想载波同步引入的载波频偏对系统性能影响进行理论分 析，并给出载波频偏所引入的信噪比损失与子载波个数的公式。接着对载波频偏 估计算法进行研究，首先讨论了基于循环前缀的载波频偏估计算法，但是基于循 环前缀的载波频偏估计算法只能应用在单用户系统中，对于上行多用户系统来 说，循环前缀包含了多个用户不同载波频偏的混叠信息，所以无法再根据循环前 缀推导出各个用户的载波频偏。最后，研究分析了适用于l t e t d d 多用户上行 系统的基于参考信号混合载波频偏估计算法，并给出其性能曲线。该算法在满足 一定估计精度的前提下，并且估计范围可以达到【- 1 5 ，1 5 ) k h z 。但是基于参考信号 混合频偏估计算法在s n r 比较低的情况下会由于估计不准而引入很大的载波频 偏估计误差，出现估计野值。 第五章研究上行物理共享信道中c q i 的r e e dm u l l e r 译码算法。首先对 c q i ( 3 2 ，1 1 ) 基序列的生成进行研究，从r 9 9 中的传输格式组合指示( 3 2 ，1 0 ) 到 上行物理控制信道c q l ( 2 0 ，1 3 ) ，再到上行物理共享信道c q i ( 3 2 ，l1 ) 基序列的 最终确定。其次，分析了最大似然译码算法，接着研究分析了快速哈达马变换译 码算法，并对这两种算法的性能进行了仿真比较。 第六章是总结，对本文的研究工作进行总结，并对后续工作进行探讨。 1 3 本章小结 本章首先对l t e 的研究背景进行了分析，介绍了l t e 项目计划和需要实现 的性能目标。最后介绍了全文的具体工作安排。 4 北京邮i 也人学硕f ：学位论文第二市l t ei ：行物理层綦奉原理 第二章l t e 上行物理层基本原理 本章首先介绍l t e 系统的帧结构，接着详细阐述了l t e t d d 上行物理层 s c f d m a 传输方案，包括其应用背景和系统架构，并与o f d m a 技术进行了对 比分析。最后介绍了基于c a z a c 码的参考信号设计。 2 1 帧结构 l t e 系统分别给出了f d d 、t d d 两种双工方式下的帧结构【1 1 1 ，分别是帧结 构类型1 和帧结构类型2 。 ( 1 ) 帧结构类型1 ( f d d ) 该类型帧结构对于f d d 半双工方式和全双工方式都适用，它的结构如图2 1 所示。帧结构类型l 的1 个无线帧包含2 0 个时隙，一个时隙是0 5 m s ，从第0 个时隙开始连续两个时隙构成一个子帧。 基本时间单位t s = 1 ( 1 5 0 0 0 x 2 0 4 8 ) = 1 3 0 7 2 m h z ，其中2 0 4 8 和3 0 7 2 m h z 分 为传输带宽2 0 m h z 时的f f t 采样数和采样速率，1 5 0 0 0 是子载波间隔。 图2 - 1f d d 帧结构 ( 2 ) 帧结构类型2 ( t d d ) 该类型帧结构适用于t d d 方式，它的结构如图2 2 所示。一个无线帧由1 0 个子帧构成，时长为1 0 m s 。与帧结构1 不同的是，帧结构2 的子帧1 和子帧6 不像其它子帧由2 个时隙组成，而是由d w p t s 、g p 和u p p t s3 个特殊区域组成， 并且d w p t s 、g p 和u p p t s 总长为l m s 。 每个子帧采用如图2 3 所示的结构，每个子帧包含两个时隙，每个时隙由7 个s c f d m a 符号组成，包含6 个数据符号和一个参考信号，其中数据符号和参 考信号的长度相同。每个时隙的第三个符号放置参考信号，参考信号用于信号相 干解调和信道质量估计。 5 北京邮i u 人学硕l ：学位论文第一：章l t ei ：行物理层壮奉原理 本文的研究课题是采用t d d 方式的l t e 上行链路，所以选用图2 2 所示的 帧结构类型2 。 图2 - 2t d d 帧结构 2 2s c f d m a 传输方案 图2 3t d d 子帧结构 由于s c f d m a 技术可以有效信号功率峰均比( p a p r ) ，降低用户终端功率 损耗，所以它被l t e 上行采纳。s c f d m a 信号可以由频域和时域两种方法生成。 频域生成方法又称为d f t 扩展o f d m a ( d f t - s o f d m a ) 1 2 - 1 3 】，时域生成方法 又称为交织f d m a ( i f d m a ) 1 4 - i s 】。目前d f t - s o f d m a 是l t e 上行技术的主 流方案。由于d f t - s f d m a 可以认为是一种特殊的o f d m 系统，所以在介绍 d f t - s f d m a 之前，需要先介绍o f d m 系统的基本原理，以便于深入理解 d f t - s f d m a 技术。 2 2 1o f d m 系统原理 2 2 1 1o f d m 系统框图及优点 o f d m 的第一个实际应用是军用的无线高频通信链路，但由于当时数字信 6 北京邮电人学颀i ：学位论义 第一二章l t ei ：行物理层皋奉缘理 号处理技术的限制，并未得到广泛应用。近年来，由于数字信号处理技术的飞速 发展，o f d m 作为一种有效对抗符号间干扰的高速传输技术，引起广泛关注。 o f d m 是一种并行传输数据的技术【1 6 1 ，将高速串行数据变换成低速并行数 据，用多个正交的子载波构成子信道，并且分别调制并行数据。由于子载波间的 正交性，各子信道的频谱之间是相互交叠的，但不会产生子信道间干扰。在接收 端采用相关技术分开正交信号。因此，尽管总的无线传输信道是非平坦频率选择 性衰落，但是每个子信道却是相对平坦的。由于在各个子信道上进行的是窄带传 输，信号带宽小于信号的相关带宽，大大消除了信号的符号间干扰。 o f d m 的系统原理框图如图2 4 所示，包括发送链路和接受链路两部分。 发送端输入数据经过编码交织后的码元速率为r ，经过串并转换后，分成m 个并行的子数据流，每个子数据流的码元速率是r m 。m 个并行子数据流进行 快速傅里叶反变换( f t ) ，将频域信号转换到时域，i f f t 模块的输出是n 个时 域样点。为了消除多径传输引起的符号间干扰，在i f f t 之后将循环前缀( c p ) 加到n 个样点之前，形成循环扩展的o f d m 信号。 接收端接收到的信号是时域信号，经过a d 采样后，进行频率和时间同步。 经过同步后的信号移去c p ，如果c p 长度大于信道的多径时延时，符号间干扰 ( i s i ) 只影响c p 而不影响有用数据，移去c p 也就消除了i s i 的影响。通过快 速傅里叶变换( f f t ) ，转换成频域信号，然后并串变换后恢复出发送的原始输 入数据。 图2 - 4o f d m 系统框图 o f d m 技术在众多商用化的移动通信系统中扮演着重要角色，得到人们的 关注，并且被l t e 和w i m a x 等系统采用，主要是由于其具有以下优点： ( 1 ) 抗多径衰落能力强。通过将高速率数据流进行串并转换，使得每个子 载波上的数据符号持续长度相对增加，从而有效减少由于无线信道的时间弥散所 7 北京邮i 【i 人学硕+ i ：学位论文第一：带l t ei ：行物理层螭奉原理 带来的i s i ，进而减少了接收机内均衡器的复杂度。o f d m 通过插入循环前缀作 为保护间隔的方法，i s i 甚至可以完全消除。 ( 2 ) 频谱利用率高，如图2 5 所示。传统的频分多路传输方法将频带分为 若干个不相交的子频带并行传输数据流，各个子信道之间要保留足够的保护带 宽。而o f d m 系统由于各个子载波之间的正交性，允许子信道的频谱相互重叠， 因此o f d m 系统可以最大限度地利用频谱资源。从理论上讲，其频谱利用率可 以接近奈奎斯特极限，对频谱资源有限的无线环境来说非常重要。 ( 3 ) 易于实现。各个子信道的正交调制和解调可以采用i f f t 和f f t 来实 现。随着d s p 技术的发展，f f t 和i f f t 的实现也相对更加容易。 ( 4 ) 利用动态子载波分配方法，提高系统效率。通常无线数据业务存在非 对称性，即下行链路的数据传输速率远大于上行链路的数据传输速率，而o f d m 系统可以很容易通过使用不同数目的子信道实现上下行链路的不同数据传输速 率。在单用户o f d m 系统中，通过选取各子信道的调制方式以及分配给各子信 道的功率使得总数据传输比特率最大。多用户o f d m 系统中，一般采用各子信 道等功率分配，而为每个子信道选择衰落最小的用户，最大化系统传输速率。 ( 5 ) 易于与其他多种接入方式结合使用，如多载波码分多址( m c c d m a ) 、 调频o f d m ( f h o f d m ) 等，使多个用户可以同时利用o f d m 技术传输信息。 2 2 1 2o f d m 的关键技术 ( 1 ) 同步技术 图2 5 传统f d m 和o f d m 的频谱对比 8 北京邮电人学顾：i j 学位论文第二章l t e i ：行物理层罐奉原理 o f d m 系统中，n 个符号并行传输使符号持续时间更长，因此它对时间的定 时偏差不敏感。由于无线信道存在时变性，在传输过程中存在的频率偏移会使 o f d m 系统子信道间的正交性遭到破坏，同时相位噪声对系统也有很大的损害。 在上行链路中，基站根据移动终端发来的子载波所携带信息进行时域和频域同步 信息的提取，再由基站发送给移动终端，用于移动终端获取同步。 ( 2 ) 信道估计 接收端使用差分检测时不需要信道估计，但由于o f d m 系统对频偏比较敏 感，一般采用相干检测。在系统采用相干检测时，信道估计是必须的。一般使用 训练序列和导频作为辅助信息，训练序列适用于非时变信道，导频信号适用于时 变信道。导频信号是时频二维的，导频信号之间的间隔取决于信道的相干时间和 相干带宽。在时域上，导频的间隔应小于相干时间；在频域上，导频的间隔应小 于相干带宽。l t e 上行链路采用训练序列，而下行链路采用导频信号。 ( 3 ) 降低p a p r o f d m 信号是一系列子信道信号的叠加，当这n 个子信号正好以峰值相加， o f d m 信号产生较高的p a p r 。高p a p r 的o f d m 信号通过功率放大器时会有很 大的频谱扩展和带内失真。为了不失真传输这些高p a p r 的o f d m 信号，发送 端对高功率放大器的线性度要求仍然很高，将增加功率放大器的成本。对l t e 上行而言，由于移动终端电池供电，会造成移动终端电池功率的浪费。虽然高 p a p r 的概率不大，可以把高p a p r 的o f d m 信号去掉，但这样又会影响系统的 性能。通常使用编码技术、扰码技术和信号畸变技术等来降低p a p r 。 2 2 1 3o f d m a 技术 o f d m 与f d m a 技术结合，形成o f d m a 技术。o f d m a 分两类：子信道 o f d m a 和调频o f d m a 。子信道o f d m a 是指整个o f d m 系统带宽被划分为 若干个子信道，每个子信道包含若干个子载波，一个用户占用一个或多个子信道。 子信道o f d m a 的子载波分配方式包含两种：集中式和分布式【1 7 j ，如图2 - 6 所示。集中式分配方式将若干连续子载波分配给一个用户，这种方式下系统可以 通过频域调度选择较优的子载波进行传输，从而获得多用户分集增益。同时，集 中式分布还可以降低信道估计的难度。但是这种方式获得的频率分集增益较小， 用户平均性能较差。分布式分配方式分配给一个用户的子载波分散到整个系统带 宽，各子信道的子载波交错排列，从而获得频率分集增益。但是这种方式下信道 估计比较复杂，也无法采用频域调度。 9 北京邮i u 人学硕i ：学位论文第二章l t ef ：行物理层皋奉原理 川户1 川户2 一刚户3 导频 集中式子载波分配 分布式子钱波分配 频域 图2 石子载波映射方式 但子信道o f d m a 在实现小区间多址时存在问题。因为子信道o f d m a 的 子载波分配相对固定，如果各小区根据本小区的信道状况进行子载波分配，那么 各小区使用的子载波资源难免冲突，导致小区间干扰。如果要避免小区间干扰， 则需要在相邻小区间进行联合调度，这可能需要网络层信令交换的支持，从而影 响网络结构。 跳频o f d m a 是采用跳频的方式快速给每个用户分配子载波资源。子载波的 分配按照一定规则快速变化，这种规则不依赖于信道状况。同一时隙中，各用户 选用不同的子载波组发送。在下一个时隙，不论信道是否发生变化，各用户都跳 到另外一组子载波组发送。跳频o f d m a 的调度周期一般比子信道o f d m a 的 调度周期短，最短可为o f d m 符号长度。由于资源调度周期较短，小区间干扰 在时域和频域得到分散，因此在负载不是很重的网络中，即使不采用小区间联合 调度，跳频o f d m a 也可以有效抑n d , 区间干扰的影响。 2 2 2s c f d m a 基本原理 2 2 2 1s c - f d m a 应用背景 为摆脱c d m a 核心专利的制约和提高系统容量，l t e 采用o f d m 技术作为 空中接口物理层技术。但是由于o f d m 的时域信号是若干个子载波信号的叠加， 容易造成很高的p a p r 。高p a p r 不仅对发送端的功率放大器提出很高的要求， 而且提高了信号的发送功率，最终导致发送端功放成本和功率消耗的提高。 基站端的功率限制相对较小，并且为大幅提高数据速率而采用较为昂贵的功 放是可以接受的，所以在下行链路中高p a p r 不会带来太大问题。3 g p p 就l t e 物理层下行传输方案很快达成一致，采用o f d m a 技术。然而在上行链路中，信 号由用户终端发射，用户终端由电池供电，并且用户终端的功放要求低成本。因 此，l t e 上行链路采用低p a p r 的s c f d m a 技术。 i f d m a 和d f t - s f d m a 分别是s c f d m a 的两种生成方法。但由于以下三 1 0 北京邮i 乜人学颁1 j 学位论文 第一二章l t ei ：行物理层綦奉原理 方面原因，l t e 的上行传输方案最终采用d f t - s f d m a j 8 】。 ( 1 ) 子载波映射的灵活性。i f d m a 需要利用压缩复制因子和用户相位调整 来为各用户分配子载波，而d f t - s f d m a 直接在频域进行子载波映射，因此其 子载波映射更具灵活性。 ( 2 ) 发送接收模块的重用性。i f d m a 系统需要有压缩复制模块和用户相 位调整模块，这些都是i f d m a 系统中独有模块。而d f t - s f d m a 系统的主要模 块是f f t 和f t 模块，这些模块在下行o f d m a 系统中都有应用，因此其在模 块重用角度更具优势。 ( 3 ) 频带利用率。i f d m a 系统采用根升余弦滤波器，而在d f t - s f d m a 系统中用时频变换取代了滤波器，所以其频带利用率较高，可以达到较近9 0 。 2 2 2 2d f t - s f d m a 系统架构 d f t - s o f d m a 系统结构与普通的o f d m a 相比，其特点是在子载波映射模 块之前添加了d f t 扩频模块，如图2 7 所示的虚线模块。 发送端输入数据流的速率是r ，经过串并变换后分成m 个并行的子数据流， 每个子数据流的速率为r m 。m 个并行的子数据流进行m 点的d f t ，然后d f t 模块将子数据流变换到频域上，经过子载波映射模块后映射到可用的子载波上， 再进行n 点的i f f t 变换将频域信号转换到时域，i f f t 模块块的输出是n 个