（通信与信息系统专业论文）e3g无线通信系统仿真平台设计、开发以及系统研究.pdf

e 3 g 无线通信系统仿真平台设计、开发以及系统研究 摘要 随着3 g 逐渐成熟并且走向商用，各种3 g 演进技术或者称为后 3 g 技术已经成为技术和标准研究领域的重点内容。为了能够在3 g 以后的移动通信领域处于有利的位置，国际、国内的各种机构都组织 了大量以这些技术为主要目标的研究项目和计划，其中直接面向市 场、以确定产品商业标准为目标的主要有：3 g p p 的l t e ( l o n g t e r m e v o l u t i o n ) 项目，i e e e 的8 0 2 1 6d ew i m a x 项目，3 g p p 2 的a l e ( a i r i n t e r f a c ee v o l u t i o n ) 项目，同时i t r8 f 也在积极开展b 3 g 频谱等各 项具体工作。 本课题属于信息产业部电信研究院通信标准研究所的一个e 3 g ( e v o l v e d3 g ) 无线通信系统预研项目，主要是针对3 g p p 对下一代 无线通信系统性能提出的要求，设计并搭建了e 3 g 无线通信系统仿 真平台，并以该仿真平台为依据对一些先进的无线通信技术以及e 3 g 无线通信系统整体性能进行了仿真评估，为下一代无线通信系统标准 的制定工作奠定了基础。 课题主要工作如下： ( 1 )通过阅读大量3 g p p 会议相关技术文档，对当前无线通信 系统发展现状进行了分析，根据3 g p p 对l t e 系统提出的 具体要求，确定了仿真平台的基本架构。 ( 2 )根据3 g p p 相关t r ( t e c h n i c i a lr e p o r t ) 设计、开发了 e 3 g 无线通信系统仿真平台。仿真平台主要分为三个部 分：链路级仿真平台、系统级仿真平台、l 2 s 接口。 ( 3 ) 以该e 3 g 无线通信系统仿真平台为基础，分别研究分析 了单天线和多天线情况下3 g p pl t e 系统的导频结构、导 频信道估计的性能。 ( 4 )最后作者对论文的工作进行了总结，提出本课题有待于进 一步深入研究的问题，并展望了该领域的研究发展趋势。 关键词：正交频分复用多输入多输出系统信道估计导频 e 3 gw i r e l e s sc 0 l 、n 仉小i i c a t i o n s y s t e ms i m u l a t i o np l a t f o i 己md e s i g n i 口l e m e n t a t i o na n ds y s t e mr e s e a r c h a b s t r a c t w i t ht h em a t u r a t i o no ft h e3 gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s a n di t sc o m m e r c i a lu s e t h o s eb e y o n d3 gt e c h n o l o g i e sb e c a m et h em a i n t a r g e t so ft h et e e h n o l o g yr e s e a r c h e sa n ds t a n d a r d i z a t i o nr e s e a r c h e s i n o r d e rt o p l a y i n g t h e l e a d i n g r o l ei nt h e b e y o n d 3 gw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o na r e a , b o t ht h ei n t e r n a t i o n a la n di n t e m a lo r g a n i z a t i o n s a r ea l l o r g a n i z i n gm a n yp r o j e c t sw h i c ha i mt od or e s e a r c ho nt h e s e b e y o n d3 gt e c h n o l o g i e s a m o n gt h e s ep r o j e c t s ，s o m ea r ea i m i n ga tt h e m a r k e t a n dc o m m e r c i a ls t a n d a r d i z a t i o n t h e s ep r o j e c t si n c l u d et h e f o l l o w i n g ：3 g p pu 1 e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) p r o j e c t ，i e e e8 0 2 16d e w i m a xp r o j e c t ，3 g p p 2a l e ( a i ri n t e r f a c ee v o l u t i o n ) p r o j e c t a tt h e s a m et i m e ，i t r8 fi sa l s ob u s yp r o m o t i n gt h es p e c t r u ma r r a n g e m e n to f t h eb e y o n d3 gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i sr e s e a r c hp r o j e c ti sa p r e r e s e a r c hw o r kb e l o n g i n gt ot h ec h i n a a c a d e m yo ft e l e c o m m u n i c a t i o nr e s e a r c ho ft h em i n i s t r yo f l n f o r m a t i o n i n d u s t r y i tm a i n l yt a r g e t sa tt h ee 3 gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w c r k i nt h i s p r o j e c t ，w ed e s i g n e d a n d i m p l e m e n t e dt h e e 3 gs i m u l a t i o n p l a t f o r ma c c o r d i n gt h ep a p e r so ft h e3 g p pc o n f e r e n c e s b a s e do nt h i s s i m u l a t i o np l a t f o r m ，w ed o n er e s e a r c h e so nt h em a i nt e c h n o l o g i e so ft h e e 3 gs y s t e ma n ds y s t e mp e r f o r m a n c e st b r o u 曲s i m u l a t i o nm e t h o d t h o s e w o r ke s t a b l i s h e dt h eb a s ef o rm a k i n gt h es t a n d a r d i z a t i o no ft h en e x t g e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h em a i n l yt a s k sc o v e r e db yt h i sp a p e rc o m ea sf o l l o w ： ( 1 ) a n a l y s e dt h ec o n d i t i o no ft h ec u r r e n tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e mt h r o u 曲r e a d i n gp a p e r sa n dt h e3 g p pc o n f e r e n c e r e p o r t s d e s i g n e d t h ea r c h i t e c t u r eo ft h ee 3 gs i m u l a t i o n p l a t f o r ma c c o r d i n gt ot h e3 g p pl t er e q u i r e m e n t s ( 2 ) d e s i g n e d a n di m p l e m e n t e dt h ee 3 gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e ms i m u l a t i o np l a t f o r ma c c o r d i n gt ot h e3 g p pt e c h n i c a i r e p o r t s t h ep l a t f o r mm a i n l yi n c l u d e st h r e ep a r t s ：t h el i n k l e v e ls i m u l a t i o n p l a t f o r m t h es y s t e m l e v e ls i m u l a t i o n p l a t f o r ma n dt h el 2 s ( 1 i n kt os y s t e m ) i n t e r f a c e ( 3 ) d o n er e s e a r c ho nt h ep a t t e r n so f t h ep i l o ta n dp i l o t a s s i s t a n t c h a n n e le s t i o m a t i o no ft h eo f d ma n dm i m o o f d ms y s t e m b a s e do nt h es i m u l a t i o np l a t f o r i l l ( 4 ) i nt h ee n d t h ea u t h o rc o n c l u d e dt h ep a p e ra n dp r o p o s e dt h e f o l l o w i n gr e s e a r c hw o r k sn e e d i n gt od o n ei nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：o r t h o n o r m 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 ， m u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l eo u t p u ts y s t e m ， c h a n n e le s t i m a t i o n ，p i l o t 北京邮电大学硕士学位论文 英文缩写 a c a z a c c d m a c p e 3 g e e s m f d d f e c f 1 1 p g c l h a r q h s d p a h s d 队 h t i 甲 f d m a i f d m a h 1 t p i s i l t e l s m a c m i m 0 m l m m s e o f d m p a p r q p s k q o s r n c r r c r r m 缩略语 英文全拼 a i ri n t o - f a c ei n v o l u t i o n c o n s t a n ta m p l i t u d ez e r oa u t oc o r r e l a t i o n 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 y c l i cp r e f i x e v o l v e d3 g e x p o n e n t i a le f f e c t i v es i rm a p p i n g f r e q u e n c yd i v i s i o nd e m u l p e x i n g f o r w a r de r m rc o r r o c t i o n f i l et r a n s f e rp r o t o c o l g e n e r a l i z e dc h r i pl i k e h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t h i g hs p e c dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s h i g hs p e e d u p l i n k p a e k e t a c c c s s h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c o l f 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 a c c e s s i n t e r l e a v e df d m a h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c o l i n t e r - s y m b o l - i 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 l e a s ts q u a r ee s t i m a t i o n m e d i aa c c e s sc o n t r o l m u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l eo u t p u ts y s t e m m a x i n u ml i n k h o o de s t i m a t i o n m a x i n u mm s q u a r ec r i e n t i o n o r t h o n o r m a l f r e q u a n c y d i v i s i o nu l t i p l e x i n g p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o q u a d r t u r ep h a s es h i f tk e y i n g q u a l i t yo fs e r v i c e r a d i on e t w o r kc o n t r o l r a d i or e s o u r c ec o n t r o l r a d i or c s o u i v em a n a g e m e n t 9 9 一 中文 空中接口演迸 常幅值零自相关 码分多址接入 循环前缀 3 g 演进 指数有效信嗓比映射 频分复用 前项纠错 文件传输协议 g c l 序列 混合自动重传 高速下行分组接入 高速上行分组接入 超文本传输协议 频分多址接入 交织频分多址接入 超文本传输协议 符号间干扰 长期演进 最小二乘估计 媒体接入控制 多输入多输出系统 最人似然估计 最小均方误差准则 正交频分复用 峰均比 正交相移键控调制 服务质量 无线网络控制 无线资源控制 无线资源管理 北京邮电大学硕士学位论文 s c m t c p t d d t r w c d m a s p a t i a lc h a n n e lm o d e l t r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l t i m ed i v i s i o nd e m u l p e x i n g t c c h n i c i a lr e p o r t w i d ec 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 l o o 空间信道模型 传输控制协议 时分复用 技术报告 宽带码分多址接入 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：超重垒! 1日期：皇宣：至：监 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： 导师签名： 堑蔓缁 印t 叼。 日期：皇竺2 ：三：! 星 日期：递z ：! ! 兰 北京邮电大学硕士学位论文 第一章引言 本章简要的回顾了移动通信技术的发展历程，展望了未来移动通信技术的发 展趋势，透过这一发展过程，分析揭示了未来移动通信中无线传输技术所面临的 挑战，提出本课题的意义和主要研究任务，同时给出本文的主要工作及内容安排。 1 1 课题研究背景、意义 随着数字信号处理技术的发展，移动通信技术的发展可以说是日新月异，不 断有新技术产生。为了能够在3 g 以后的移动通信领域处于有利的位置，就必须 要抓住时机，进行无线发展演进方面的研究。目前，国家、地区性的研究项目有： 中国8 6 3 计划的f u t u r e 项目，欧盟第6 框架计划下的w i n n e r 项目等。另外 还有许多技术论坛、国家标准化组织等也都在积极的开展工作，努力地推动后 3 g 技术在国际范围内的标准化工作。 在目前各种候选技术都还没有设备实现的阶段，提供准确的仿真数据就成为 与国际标准化组织接轨，在国际标准化组织中推动国内候选技术的基本要求。通 信标准研究所作为信息产业部电信研究院的主要下属单位，同时作为中国8 6 3 f u t u r e 项目以及欧盟w i n n e r 项目的成员单位，承担了大量对候选技术进行 评估的工作，因此利用本单位与国际、国内研究项目广范接触的优势，建立通用、 客观的仿真评估平台，为今后e 3 g b 3 g 的各项工作提供可靠的分析数据就成为 通信标准研究所的一项重要工作。 本人有幸读研后一直在通信标准研究所实习，参加了通信标准研究所e 3 g 无线通信系统仿真平台的设计、开发以及3 g p pl t e 系统仿真研究项目。3 g p p 长期演进( l t e ) 项目是近两年来3 g p p 启动的最大的新技术研发项目，这种演进 以o f d m o f d m a 为核心技术，与其说是3 g 技术的“演进”，不如说是3 g 技术 的“革命”。这种技术和3 g p p 2a i e 、w i m a x 、以及最新出现的i e e e 8 0 2 2 0 m b f d d m b t d d 等，由于已经具有某些“4 g ”特征，可以被看作“准4 g ”技术。l t e 项目的进展总体上说比较顺利，虽然工作进度略滞后于原计划，但经过艰苦的讨 论和妥协，现在终于确定了大部分基本技术框架，到2 0 0 6 年6 月l t e 系统研究 阶段结项，正式进入标准化阶段。 基本传输技术和多址技术是无线通信技术的基础。3 g p p 经过激烈的讨论和 艰苦的融合，终于在2 0 0 5 年1 2 月选定了l t e 的基本传输技术，即下行o f d m a 、 上行s c f d m a 。下行技术的选择没有经过很大的波澜。o f d m 是公认的宽带无 北京邮电大学硕士学位论文 线通信的首选技术，因此虽然有个别公司仍试图坚持传统的c d m a 技术，但绝 大部分公司很早就在采用o f d m 作为下行核心技术这一点上达成了共识。上行 传输技术的选择颇费了一番周折，大部分欧美设备商对o f d m 的上行峰均比 p a p r ( 将影响手持终端的功放成本和电池寿命) 有顾虑，坚持采用单载波技术( 具 有较低的p a p r ) 。虽然一些公司( 主要是积极参与w i m a x 标准化的公司) 认为可 以采用某些方法解决o f d m 的p a p r 的问题，但并没有说服单载波阵营。其间 还经历了“w i b r o w i m a x 试图成为l t et d d 技术方案”的插曲，在这一努力宣 告失败以后，3 g p p 基本确定了核心技术的选择上行o f d m 下行s c f d m a 。 3 g p pl t e 的目标就是要提供更高的数据速率和频谱利用率，同时降低开发 和资源配置的造价。3 g 演进的最终希望是能够达到当前r 6 版本数据速率的l o 倍，频谱效率达到当前r 6 版本的2 到4 倍。 1 2 作者主要的研究工作以及研究成果 在仿真平台设计实现阶段，我参与了前期相关资料的收集整理、仿真平台总 体结构设计、仿真平台模块化设计、代码实现、测试以及系统联调整个过程；在 e 3 g 系统性能研究阶段，我主要负责链路级仿真、l 2 s 接口以及系统级资源调度 和流程控制部分。 本文是基于3 g p p 对e 3 g 无线通信系统提出的性能要求以及会议提案基础 之上，根据系统的兼容性等其它相关因素确定系统仿真参数，搭建系统仿真平台， 并以该仿真平台为基础来研究系统帧结构、导频设计、导频信道估计等内容。 在接近两年的学习实践过程中，我主要完成了以下科研任务： 1 项目前期调查 全面了解当前无线通信技术的发展趋势以及各种新技术的应用条 件、前景，特别关注3 g p p 会议文档采用到的新技术并对相关技术的技 术背景知识进行深入的钻研。 2 文献阅读以及开发技术的学习 阅读了大量3 g p p 和3 g p p 2 会议相关文档，特别是3 g p pr a n i 中涉及到物理层、m a c 层的相关技术文档，同时学习使用m a t l a b 语 言和v c 编程。 3 系统总体结构设计和模块化详细设计 包括需求分析、系统总体框架设计、系统模块化设计、流程设计 等相关内容。完成相关模块详细设计文档。 4 代码实现、测试与系统联调 根据详细设计文档完成软件模块的编码、测试工作。模块测试完 北京邮电大学硕士学位论文 成后，进行系统联调、试运行，根据仿真结果分析平台是否存在逻辑 错误，修正并不断完善。 5 e 3 g 系统相关技术研究以及系统性能研究 基于该仿真平台，对e 3 g 系统导频结构设计、导频信道估计、 l 2 s 接口等相关内容进行了研究分析。 6 论文完成 结合项目开发过程的文档以及心得体会、对整个仿真平台体系结 构加以理论分析，并基于该平台进行e 3 g 系统关键技术和性能的研 究，进行论文的写作。 1 3 论文的结构 本论文总共分为六章，结构安排如下： 第一章为引言，主要介绍课题的研究背景意义、本人的主要工作以及论 文的组织结构； 第二章是对e 3 g 无线通信系统相关技术做一个综述。 第三章主要介绍e 3 g 无线通信系统仿真平台的设计与实现。 第四章主要分析研究了3 g p pl t e 系统导频设计以及导频信道估计。 第五章总结全文内容，提出本课题有待于进一步深入研究的问题，并展 望该领域的研究发展趋势。 北京邮电大学硕士学位论文 第二章e 3 g 相关技术综述 2 1 e 3 g 背景以及演进介绍 2 1 1 e 3 g 技术标准化的背景及业务需求 e 3 g 也叫e u t r a n ( e v o l v e du t r a n ) 即3 g 演进，由于宽带无线接入技 术的不断发展，已经对蜂窝移动通信技术形成了挑战，这也就加快了对更高传 输速率的第三代移动通信演进型技术的研究和标准化进程。自2 0 0 4 年底，国际 标准化组织3 g p p 和3 g p p 2 均启动了对3 g 新一轮演进型技术的研究和标准化工 作。目前3 g p p 长期演进( e t a ) 项目在无线接1 3 的关键技术指标、无线网络架构 及高层协议方面取得了进展，3 g p p 2 无线接口演进( a i e ) 项目在空中接口层二 ( l 2 ) 及更高层标准的制订、空中接口物理层标准的制订方面取得了进展 。 3 g p p 长期演进项目l t e 3 g p p r 6 引入了高速下行分组接入( h s d p a ) 和高速上行分组接h 。( h s u p a ) 。 为了和w i m a x 等宽带无线接入技术相竞争，3 g 蜂窝技术正在研究更加具有竞 争能力的无线接入接口和网络架构。3 g p p 已经确定了增强型3 g ( e 3 g ) 的战略发 展方向、工作计划和关键的技术要求，计划2 0 0 6 年3 月完成主要的e 3 g 技术方 案，2 0 0 7 年6 月完成全部的规范制订工作。目前3 g p p 提出了如下e 3 g 系统业 务能力的设计目标”1 ： ( 1 )数据速率和频谱效率 峰值速率为：下行1 0 0m b s ，上行5 0m b s ( 相应的系统最大带宽为 2 0m h z ，频谱效率为下行5b s h z 、上行为2 5b s h z ) ；支持成对 f p a i r e d ) 和不成对( u n p a i r e d ) 频谱分配。 ( 2 ) 时延 系统以分组域业务为主要设计目标，以支持实时性强的业务、降低 无线网络的时延。目前的指标主要是参考口语音( v o i p ) 等各种实时 业务的服务质量( q o s ) 要求而得到。同时系统减小了控制平面的状态 转移时延，有利于改善用户对于网络服务的体验。在用户数据平面， 空中单向时延小于5i n s ；在控制平面，用户从空闲状态到连接状态 的时延小于1 0 0 m s 。 ( 3 ) 覆盖和移动性 北京邮电大学硕士学位论文 小区覆盖半径在5k m 以下时，应该满足长期演进( l t e ) 项目的所有 性能要求，支持小于3 0k m 的小区覆盖能力，但允许有一定的性能 损失。演进系统应支持终端在整个系统范围内的移动性，优化对低 速移动用户的服务，提供对高速移动用户的服务能力。 ( 4 )面向广播、多播的m b m s 业务 演进系统应该增强对组播和广播业务( m b m s ) 的支持，实现m b m s 这种非对称业务与双向业务的结合以及m b m s 在非对称频段的使 用。 3 g p p 2 无线接口演进项目 3 g p p 2 目前也启动了e 3 g 的研究工作。c d m a 2 0 0 0 空中接口演进侧重于： 提高数据速率，减少时延，增强q o s 能力，维持后向兼容性。 c d m a 2 0 0 0 演进短期目标为： ( 1 ) 提高小区边缘用户的吞吐量。 ( 2 )相当于c d m a 2 0 0 0i x ，提高话音容量。 ( 3 ) 增加峰值数据速率和系统容量。 c d m a 2 0 0 0 演进长期目标为： ( 1 )前向峰值数据速率范围为1 0 0m b s 1g b s 、反向峰值速率达到5 0 m b s 。 ( 2 )支持2 0m h z 带宽的分配( 以1 2 5m h z 为单位) 。 ( 3 ) 提高频谱效率，减小系统等待时间，实现更低的终端功耗。 ( 4 )提高小区覆盖范围。 ( 5 ) 近期保持兼容。 为了便于目标的实现，满足不同阶段市场的需求，降低技术开发复杂度， 3 g p p 2 初步确定将c d m a 2 0 0 0 无线接口演进( a i e ) 项目分为两个阶段：第一阶段 为多载波c d m a 2 0 0 0 空中接口，立足于快速市场化进程，满足近期市场的需求。 主要基于现有的c d m a 2 0 0 0l xe v d o ，通过合并多个c d m a 2 0 0 0l xe v - d o 载 波来提供更高的分组数据速率。第一阶段已经基本完成，在2 0 0 6 年3 月正式出 版。第二阶段增强c d m a 2 0 0 0 将在2 0 0 7 年6 月完成。 2 1 23 g p pe 3 g 无线接口及网络架构 3 g p pl t e 目前取得的主要进展包括： + 物理层的多址方式，采用下行正交频分多址( o f d m a ) 、上行s c s f d m a 的方案。 6 一 北京邮电大学硕士学位论文 对上下行正交频分复用( o f d m ) 参数设计( 如子载波间隔等) 和无线帧结 构，考虑到时分双i ( t d d ) 系统共存要求，明确了演进系统在t d d 方 式下的帧结构与t d s c d m a 系统的兼容性。 不采用宏分集技术。 在下行导频信道、上行信道复用、上行同步机制、混合自动重传( h a r q ) 、 随机接入的讨论上取得了显著进展。 给出了初步的性能评估结果，显示了与3 g 系统相比较，e 3 g 有较大程 度的性能提高。 基本确定了无线接入网的传输信道和物理信道。 确定了采用两层的数据重传机制。 2 1 2 1 无线接口的关键技术指标 ( 1 ) 多址方式 2 0 0 5 年6 月份的3 g p p 会议结束了就多址问题候选提案的征集阶段，共确定 了6 种备选的多址方式，有4 种是采用基于o f d m 技术的多址方式，它们的主 要区别在于频分双i ( f d d ) 与时分双工( t d d ) 的区别，以及在上、下行多址方式 上的区别。主要是考虑到传统o f d m 信号的功率峰均比p a p r 对于终端耗电以 及功放成本等方面的影响。在下行基本确定采用0 f d m a 多址方式的同时，有相 当一部分公司建议在上行采用单载波频分多址( s c f d m a ) 方案。另外还有两种基 于码分多址( c d m a ) 技术的多址方式，这两种提案都是在3 g p p 现有的3 g 系统， 即宽带码分多址( w c d m a ) 和t d s c d m a 的基础上进行的多载波的演进。 3 g p p 的演进系统将采用“下行o f d m a ，上行s c f d m a 的方式”作为下一 步工作的假设，该决定统一适用于f d d 和t d d 模式，同时通过的还有3 g p pl t e 将提供对于t d s c d m a 帧结构的支持，以保证t d s c d m a 系统的演进。 两种基于c d m a 技术的研究方案，即m ct d s c d m a 和m cw c d m a 将 在通用移动通信系统( u m t s ) 3 g 的框架内( 如r 7 标准中) 继续演进，但带宽限制 在5 m h z 的范围内。 ( 2 ) 宏分集 是否采用上行宏分集的问题除了直接影响到物理层方案外，还涉及到空中接 口高层协议、演进系统的网络结构等若干重要问题。因为在物理层所有的候选提 案中，除了两种多载波c d m a 提案以外，其他的提案都是基于o f d m 频分技术 实现多址的，这与现有3 g 中的c d m a 多址机制有着本质的区别。同时演进系 统中还将引入h a r q 、时频调度等自适应机制，这些使得在第三代c d m a 系统 中广泛使用的宏分集技术在演进系统中的作用没有以前那么显著。2 0 0 5 年1 2 月 北京邮电大学硕士学位论文 3 g p pr a n3 0 次会议以示意性表决的形式确定了在l t e 系统上将不采用上行宏 分集技术。 2 1 2 2 无线网络架构 在无线接入网络( r a n ) 架构的控制平面和用户平面，在多种方案互相融合之 后，分别形成了一些可能的方案，并准备作为后续工作的起点，开展相应的研究。 在用户面，决定除m a c 层h a r q 外，为l t e 增加高层的自动重发请求( a r q ) 机制，但该a r q 在网络侧的终结点和具体功能仍需研究，目前形成了2 种方案： + h a r q 和高层a r q 都终结在n o d e b 。 + h a r q 终结在n o d e b ，高层a r q 终结在n o d e b 以上的网络单元。 在控制面，根据l t e 空闲( i d l e ) 状态和l t er r c 激活( a c t i v e ) 状态节点所处 的位置不同，形成了3 种方案： +ltei d l e 和l t e 无线资源控$ l j ( r r c ) a c t i v e 都终结在n o d e b 。 l t ei d l e 和l t er r ca c t i v e 都终结在n o d e b 以上的网络单元。 l t er r ca c t i v e 终结在n o d e b ，l t ei d l e 终结在n o d e b 以上的网络单 元。 同时，在整体的网络架构方面以及无线资源管理功能的分布方面，3 g p pl t e 也在一定程度上形成了倾向性的意见，并将其作为后续研究的起点进行了明确。 在3 g p pl t e 架构中，无线网络由基站和l t e 网关两类网络节点组成，各 个节点上的各个功能实体，可以参见下图。 8 北京邮电大学硕士学位论文 图2 - 1 3 g p pl t e 网络架构示意图 图2 一l 中，用实线勾画的逻辑节点是已经达成一致意见的，用虚线勾画的逻 辑节点是尚未达成一致意见的。 在下一步工作中还要进一步明确和解决的问题有： 是否要将l t e 网关分成用户面和控制面? 高层a r q 的位置是放在基站还是l t e 网关? “r r c 上面部分”和“r r c 下面部分”2 个实体共同完成r r c 功能，需要 解决的问题有： r r c 上面部分”和“r r c 下面部分”详细的功能划分： 加密和完整性保护的必要性研究和实现方案。 + 详细的r r c 消息结构。 u e 测量配置是放在“r r c 上面部分”还是“r r c 下面部分”? 总之，3 g p p 会议一致认为今后的网络应该逐渐扁平化，由w c d m a h s d p a 阶段的n o d e b 、r n c 、s g s n 、g g s n 四个主要网元，演进为e n o d e b ( e n b ) 和 北京邮电大学硕士学位论文 接入网关( a g w ) 两个主要网元。核心网同时采用全i p 分布式结构，支持i m s 、 v o l p 、s i p 、m o b i l ei p 等各种先进技术。 2 1 3 3 g p p 2e 3 g 无线接口演进项目进展 3 g p p 2 空中接口演进工作主要分为两个阶段：( 阶段1 ) 和( 阶段2 ) 。 阶段1 的工作主要集中在第2 工作组( w g 2 ) 和第3 工作组( w 0 3 ) 进行。w g 2 和w g 3 分别负责空中接口层二以及更高层标准的制订和空中接口物理层标准的 制订。之前，w g 2 工作集中于r l p 设计、d s c a c k d r c 信道及f t c m a c 、 r t c m a c 的设计。目前w g 3 和w g 2 都已分别完成了阶段l 物理层和高层的基 础文本并按计划在2 0 0 6 年上半年发布阶段l 标准。 在2 0 0 5 年1 0 月份的会议上，w g 3 基本确定了阶段2 的工作计划：2 0 0 5 年 1 2 月形成最终的阶段2 技术需求，框架建议提交的最后期限为2 0 0 6 年3 月，2 0 0 6 年1 0 月阶段2 截止，2 0 0 6 年1 2 月阶段3 截止，2 0 0 7 年4 月完成标准的发布。 另外，多个公司提交了大量的阶段2 仿真方法方面的文稿。 2 1 4 e 3 g 技术标准工作的整体推进状况 3 g p p 和3 g p p 2 目前仍在积极推进l t e 和a i e 的标准，其总体进度要略迟 于最初的工作计划，特别是3 g p p 全网络结构与现有传统架构的激烈争论， 使得r a n 和核心网络功能划分存在很大的不确定性。相信积3 g p p 和3 g p p 2 多 年标准化方面的经验，会有效地推进关键技术的最终选择。 从无线接口所采用的技术来看，l t e 和a l e 是以o f d m 为主流。但与i e e e 8 0 2 1 6 标准进程相比较，在标准最初阶段l t e 和a l e 就更多地考虑了终端峰均 比等性能指标和网络频率配置和干扰消除方法，以确保移动终端设备的可实施性 以及蜂窝网络的有效组织。同时最大程度地考虑了现有网络的可利用性。 中国在l t e 和a l e 项目中取得了一定的成果。2 0 0 5 年1 2 月中国在3 g p p l t e 项目中提交了1 9 0 篇文稿，其中2 8 篇被接受；在3 g p p 2 a l e 项目中，中国提交 2 0 篇文稿，其中i o 篇被接受。在l t e 项目多址方式选择过程中，加入了中国的 有关t d d 技术特性方面的内容( 如t d s c d m a 帧结构) ，并且t d d 频带宽度、 参数设计等方面的文稿被会议接受。 中国其它被接受文稿主要集中在小区间干扰抑制、导频设计、降低峰均比等 技术领域。在a l e 项目中，中国文稿主要针对业务需求、无线接口高层协议等 方面。 l o 北京邮电大学硕士学位论文 目前3 g p p 和3 g p p 2 的标准化工作还处于发展阶段，技术内容不断细化。 到2 0 0 6 年6 月之前，3 g p pl t e 已经完成主要的技术内容确定；2 0 0 6 年3 月是 3 g p p 2 最终明确候选技术方案的最后期限。中国将采用原创、二次创新等多种方 式，充分发挥宽带无线移动专家组的平台作用，继续做好3 g 演进型技术的科技 创新以及标准化的推进工作。 2 2 e 3 g 物理层关键技术介绍 2 2 1 多址接入技术 2 2 1 1 o f d m o f d m a 介绍 正交频分复用o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术产 生于6 0 年代中期，r w c h a n g 提出了利用并行传输技术将有限带宽的正交信号 在信道中传输的技术。由于子信道的频谱可以重叠，所以频谱利用率高，但是当 时缺少较好的实现方法，只能通过模拟电路实现，需要大量正交的子载波和窄带 滤波器组，成本高，实现困难，限制了其应用。7 0 年1 月美国公布一项技术专 利：正交频分复用( o f d m 技术) 。7 1 年由s b w e i n s t e i n 和p m e b e n 提出用 d f t 技术实现多载波传输，可以利用数字电路实现信号的正交调制，实现简单， 性能稳定，为多载波传输广泛使用奠定了基础。8 0 年代p e l e d 和r u i z 提出在 o f d m 中加循环前缀的做法，通过去除循环前缀消除o f d m 符号间的干扰，接 收端可以通过结构简单的均衡器对信号进行均衡，被广泛接受为实现o f d m 系 统的形式。 随着对o f d m 技术研究的进展，这项技术也得到只益广泛的应用。在无线 通信应用中，欧洲电信标准委员会( e t s i ) 指定的以o f d m 为核心传输技术的 数字音频视频广播系统( d a b d v b ) 标准已经投入商业使用，大量试验证明它 在瑞利频率选择性衰落信道上性能良好。在宽带无线接入应用中，i e e e8 0 2 1 1 a 及i e e e8 0 2 1 6 都有基于o f d m 技术的建议，e t s i 的h i p e r l a ni i 也是一种基 于o f d m 技术的标准，在有线通信应用中，1 9 9 3 年美国交换载波标准协会通过 建议，采用d m t 作为a d s l 的优选线路编码方案，正交频分复用技术已经应用 在高速用户数字线中。 目前e 3 g 研究组织包括3 g p p 和3 g p p 2 都建议采用o f d m 技术作为物理层 关键技术，由此可见o f d m 技术必将成为下一代移动通信中关键的技术而广泛 应用。 北京邮电大学硕士学位论文 o f d m 技术是h p a 联盟( h o m e p l u gp o w c r l i n ca l l i a n c e ) 工业规范的基础， 它一种多载波传输技术，n 个子载波把整个信道分割成n 个子信道，n 个子信 道并行传输信息，具有频谱利用率高、抗多径干扰等特点。由于这种技术具有在 杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界 干扰能力较差的传输介质中。 o f d m 发射机和接收机结构分别如下图所示l ： ；c l z r o t ) 亿e x p 半一一弘 挚 一 s p ：d n ( 2 ) c f o t ) 变挠 o ；a e ( z 巧卜i 扣 o f d m 系统发送端的调捌部分 i ? 铲 z _ c x p 罢 产勺_ 专 s p 如心峨dl 变换 c ；0 6 ( 2 t f - i i ) | 丢叫参 6 o f d m 系统发送螬的调捌部分 图2 - 20 f d m 收发机原理图 o f d m 之所以能够广泛应用，主要是因为其可以用i f f l y f f t 实现， o f d m 信号可以表示如下