（通信与信息系统专业论文）lte系统中pusch关键技术的研究与实现.pdf

摘要 摘要 新一代宽带无线移动通信网属于国家中长期科学和技术发展规 划纲要中确立的十六个重大科技专项之一，其中的一项主要内容是 蜂窝移动通信系统的后续演进，包括通常所说的l t e 技术、h s p a 技 术、4 g 等，代表了通信技术发展的主要方向。本文结合在实验室参与 的科研项目，对l t e t d d 系统中物理上行共享信道( p u s c h ) 进行了研 究，在对单载波频分多址技术( s c f d m a ) 进行理论分析的基础上，重点 研究了其发送端的转换预编码及接收端的频域均衡技术，详细说明了相关 功能模块在f p g a 中的实现过程，并提出了l t e 物理层基带开发平台方案。 p u s c h 信道中的转换预编码可看成是3 4 种混合基d f t 运算。宽带系 统中的高d f t 吞吐率是至关重要的，尤其是在d f t 被多路数据通道共享 时。转换预编码中的每个d f t 可分解为基数分别为2 、3 和5 的短d f t 。 众所周知，如果变换的规模可以分解为较少基本数量，d f t 就可以有效执 行，基本数越少，实现起来越简单。在研究几种常规d f t 算法的基础上， 提出一种转换预编码实现方案，并在i s e 软件上验证通过。频率选择性衰 落无线信道中，符号间干扰( i s i ) 必然存在。因为频域均衡比时域均衡有 更低的计算复杂度，所以在p u s c h 接收端减小i s i 的低复杂方法是采用频 域均衡。对几种频域均衡算法在l t e 建议的三种信道模型中进行了仿真比 较，判决反馈均衡( d f e ) 比线性均衡有更好的性能。选择性能和复杂度 都满足要求的m m s e 残余误差消除均衡算法进行实现，该算法实现过程要 用到解转换预编码模块，两者紧密联系。最后提出了l t e 物理层基带开发 平台中d s p 和f p g a 功能模块划分方案，对f p g a 中与数据传输与存储的 主要模块，如a h b 总线、存储器控制器以及m c b s p 的实现，进行了重点 研究，最后对平台方案进行了优化，这为后续基带开发工作打下了坚实的 基础。 关键词：长期演进，物理上行共享信道，转换预编码，频域均衡 a b s t r a c t a bs t r a c t n e x t - g e n e r a t i o nb r o a d b a n dw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki s o n eo fs i x t e e nm a j o rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o je c te s t a b l i s h e di n ”l o n g - t e r m s c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n tp l a n ，ak e ye l e m e n to fw h i c hi s t h ef o l l o w u pe v o l u t i o no fc e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，i n c l u d i n g t h e c o m m o n l yr e f e r r e d t oa s l t e ，h s p a ，4 0 , e t c ，r e p r e s e n t st h e m a i n d i r e c t i o no fd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h i sp a p e r ，i n v o l v i n g i nt h el a b o r a t o r yr e s e a r c hp r o je c t s ，i n t r o d u c e st h ep h y s i c a lu p s t r e a mc h a n n e l p u s c ho nt h el t e t d ds y s t e m ，f o c u s e so ni t st r a n s f o r mp r e c o d i n ga n d r e c e i v e rf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o nt e c h n i q u e sb a s e do nt h ea n a l y s i so f s c f d m am u l t i p l ea c c e s s t e c h n o l o g yt h e o r y ，d e s c r i b e si m p l e m e n t a t i o n p r o c e s si nt h ef p g ao ft h er e l e v a n tf u n c t i o n a lm o d u l e sa n dp r o p o s e st h e s o l u t i o no fd e v e l o p m e n to fl t ep h y s i c a ll a y e rb a s e b a n dp l a t f o r m p u s c ht r a n s f o r m p r e c o d i n g c a nb es e e na s3 4m i x e db a s ed f t c a l c u l a t i o n s t h eh i g ht h r o u g h p u to fd f ti nb r o a d b a n ds y s t e m si se s s e n t i a l ， e s p e c i a l l yw h e nd f ti ss h a r e db ym u l t i p l ed a t ac h a n n e l s a si sk n o w n ，i ft h e l e n g t ho fd f tc a nb ed e c o m p o s e di n t os m a l l e r ，i t c a nb e e f f e c t i v e l y i m p l e m e n t e d t h ef e w e rt h en u m b e ro fb a s i c ，t h em o r es i m p l et oi m p l e m e n t e a c hd f to ft r a n s f o r mp r e c o d i n gc a nb ed e c o m p o s e di n t ot h eb a s ea st h e2 , 3 a n d5 ，r e s p e c t i v e l y b a s e do ns t u d yo fs e v e r a lc o n v e n t i o n a ld f t a l g o r i t h m ，a t r a n s f o r m p r e c o d i n gp r o g r a m i s p r o p o s e d ，a n d v e r i f i e di nt h ei s e s o f t w a r e t h e r ee x i s t si n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) i nf r e q u e n c ys e l e c t i v e f a d i n gw i r e l e s sc h a n n e l ，b e c a u s ef r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o nh a sl e s s c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yc o m p a r e dw i t h t i m ed o m a i n e q u a l i z a t i o n ，s o f r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o ni su s e di nt h er e c e i v e rt or e d u c et h e i s ii nt h e p u s c h s e v e r a lf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o na l g o r i t h ma r es i m u l a t e da n d c o m p a r e di nt h r e ec h a n n e lm o d e l so ft h el t e d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e r ( d f e ) h a sb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt h el i n e a re q u a l i z e r t h em m s e r i s i c a l g o r i t h mt h a tm e e tt h ep e r f o r m a n c ea n dc o m p l e x i t yr e q u i r e m e n t sa r ec h o s e n t oi m p l e m e n t ，i tw i l lu s ed e - t r a n s f o r mp r e c o d i n gm o d u l e t h ef u n c t i o nm o d u l e a s s i g n i n gp r o g r a mi nt h el t ep h y s i c a ll a y e rb a s e b a n dd s pa n df p g a d e v e l o p m e n tp l a t f o r mi sp r o p o s e d ，s o m em a i nm o d u l et or e l a t et od a t a u a b s t r a c t t r a n s f e ra n ds t o r a g e ，s u c ha st h ea h bb u s ，m e m o r yc o n t r o l l e ra n dt h em c b s p , a r eh i g h l i g h t e d ，a n df i n a l l yo p t i m i z et h ep l a t f o r mp r o g r a m ，w h i c hl a i das o l i d f o u n d a t i o nf o rt h es u b s e q u e n td e v e l o p m e n to fb a s e b a n d k e yw o r d s ：l t e ，p u s c h ，t r a n s f o r mp r e c o d i n g ，f d e i 缩略表 缩略语 3 g 3 g p p 4 g 1 6 q a m 6 4 q a m a h b a m b a a p b a s b b 3 g c p c p l d d f e d f t 缩略表 英文名称 t h et h i r dg e n e a t i o n t h i r dg e n e a t i o np a r t n e r s h i pp r o je c t t h ef o u r t hg e n e a t i o n 16q 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 6 4q 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 a d v a n c e dh i g h - p e r f o r m a n c eb u s a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u s a r c h i t e c t u r e a d v a n c e dp e r i p h e r a lb u s a d v a n c e ds y s t e mb u s b e y o n d3 g c y c l i cp r e f i x c o m p l e xp r o g r a m m b l el o g i cd e v i c e d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z 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 f t - s - o f d md f t s p r e a d i n g o f d m d m r sd e m o d u l a t i o nr e f e r e n c es i g n a l d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r e n o d e be v o l v e dn o d e b e p ae x t e n d e dp e d e s t r i a na e p ce v o l v e dp a c k e tc o r e e t ue x t e n d e dt y p i c a lu r b a nm o d e l e v ae x t e n d e dv e h i c u l a ram o d e l e u t r a n e v o l v e du t r a n f d d f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x f d e 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 f f l i p f l o p f f t f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m f p g af i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y v i 中文名称 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 1 6 阶正交幅度调制 6 4 阶正交幅度调制 高级高性能总线 高级微控制器总线体 系 高级外设总线 高级系统总线 超三代移动通信系统 循环前缀 复杂可编程逻辑器件 判决反馈均衡 离散傅立叶变换 d f t 扩展的o f d m 解调参考信号 数字信号处理器 演进型n o d e b 扩展的步行a 模型 演进型核心网 扩展的市区模型 扩展的交通a 模型 演进型陆地无线接入网 频分双工 频域均衡 触发器 快速傅立叶变换 现场可编程门阵列 g a l g s m i s i i p l e l t e l u t m c b s p m i g m m s e m m e o f d m p a l p a p r p f a p r a c h q o s q p s k s c f d m a s g w s o p c s p i t d d u e w d f t a z f g e n e r i ca r r a yl o g i c通用阵列逻辑 g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n 全球移动通信系统 i n t e rsy m b o li n t e r f e r e n c e符号间干扰 i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y知识产权 l i n e a re q u a l i z a t i o n线性均衡 l o n gt e r me v o l u t i o n长期演进计划 l o o k u pt a b l e查找表 m u l t i c h a n n e lb u f f e r e ds e r i a lp o r t多通道缓冲串口 m e m o r yi n t e r f a c eg e n e r a t o r 存储器接口生成器 m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r最小均方误差 m o b i l i t ym a n a g e m e n te n t i t y 移动性管理实体 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正交频分复用 m u l t i p l e x i n g p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c可编程阵列逻辑 p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o峰均功率比 p r i m e f a c t o rf f ta l g o r i t h m互质因子f f t 算法 p h y s i c a lr a n d o ma c c e s sc h a n n e l物理随机接入信道 q u a n t i t yo fs e r v i c e 服务质量 q u a t e r n a r yp h a s es h i f tk e y i n g 正交相移键控 s i n g l ec a r r i e r f d m a单载波频分多址 s e r v i n g - g a t ew a y 业务网管 s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p可编程片上系统 s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e串行外设接口 t i m ed i v i s i o nd u p l e x时分双工 u s e re q u i p m e n t用户设备 w i n o g r a dd f ta l g o r i t h mw i n o g r a dd f t 算法 z e r o f o r c i n g迫零准则 v n 第一章绪论 第一章绪论 1 1l t e 通信系统国内外发展现状 在过去的三十年时间里，蜂窝移动电话已经从实验室试验板阶段发展 到世界上最流行的消费类电子产品。在发达国家，尽管有线电话已有一百 多年的发展历史，手机的数量已经于若干年前就超过了有线电话的数量， 而且两者的差距越拉越大。但对于许多在发展中国家的人们来说，移动手 机通信是他们所经历的唯一的电话通信形式。移动通信目前被公认为有其 自己的技术领域，也是包括电话和无线电在内的计算机、电子、加密和信 号处理等众多领域里进行技术创新的推动力。 虽然技术在持续发展以及商业系统经常进行一些新的改进，但是某些 重大进展却能标志着从一代技术到另一代的过渡。2 0 世纪8 0 年代初推出 了第一代系统，其特点是模拟语音传输。在2 0 世纪9 0 年代发展起来的第 二代系统，采用了数字语音传输技术。重要的是，第二代系统引进了先进 的安全和网络技术，用户可以发起和接听全球范围内的电话通信。早在第 二代通信系统在市场出现以前，蜂窝通信研究团队就已将注意力转向第三 代通信( 3 g ) 技术，把焦点放在其具有高比特使用率，高频谱效率以及语 音电话和数据业务并存的特征上来。1 9 8 5 年，国际电信联盟( i t u ) 发起 未来公共陆地电信系统( p l t s ) 的研究。十五年后，国际电信联盟出台了 一系列建议，批准五种技术为第三代移动通信系统的基本技术。2 0 0 8 年， 移动运营公司部署了三种技术，即w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。 同时，业界除了期待3 g 以外，也把目光转向了把s c f d m a 作为从手机 到基站的主要候选方案的无线传输技术“长期演进( l t e ) 上来。 3 g 标准于2 0 0 7 年最终确立之后，伴随着滚滚而来的移动宽带化浪潮， 全球移动通信业关注的目光瞬间聚集在分别以l t e 、u m b 和8 0 2 1 6 m 为 方向的3 g 下一步演进路线之争上。路线的成败，决定了不同阵营的市场 地位，决定了最终的产业格局。从目前的市场表现来看，不同路线之间已 经明显拉开了差距，u m b 的沉默不语、8 0 2 1 6 m 的悲观情绪与l t e 的高 歌猛进形成了鲜明的对比。在此基础之上，则是后3 ( 3 时代以“l t e ”为主 的新产业格局的悄然形成f 。l t e 大幅度提高了网络容量以及系统吞吐率， 使得单用户的带宽有保障，扁平化架构可以进一步压缩传输时延，大大提 升客户的业务体验。l t e 让运营商可以将固定网络上的业务迁移到移动网 重庆邮电大学硕士论文 络中来，促进固定移动融合，为运营商吸引更多用户和业务量。 l t e 吸引了国内外众多设备厂商的广泛参与。国外某网站给出了评估 结果，下表根据各设备商提交的数据列出了其商用合同数目以及与其签订 合同的运营商。 表1 1 主流设备商参与l t e 商用合同的数目及合作运营商【2 】 设备商数量合作运营商 华为 1 8 a e r 0 2 ；n e t 4 m o b i l i t y ；t e l i a s o n e r a - 挪威：沃达丰- 德国 a g r i v a l l e y ；d e u t s c h et e l e k o m ；e l i s a ；l i g h t s q u a r e d ；m o b i l y ；t e l e 2 ； 诺西2 2 t e l e n o r ；n t td o c o m o ；l gu p l u s ；t e l i a s o n e r a ；v e r i z o nw i r e l e s s a t & t ；m e t r o p c s ；n t td o c o m o ；t d c ；t e l i a s o n e r a ； 爱立信 8 v e r i z o nw i r e l e s s ；中移动香港；沃达丰德国 阿朗7 a t & t ；v e r i z o nw i r e l e s s ；v i m p e l c o m 富士通 1 n t td o c o m o m o t o r o l a2 k d d i ；z a i n 中兴7 c s l ；t e l e n o r n e c2 k d d i ；n t td o c o m o 通过国家知识产权局的专利数据库，截至2 0 1 0 年5 月，共检索到明确 涉及l t e 的中国专利申请4 31 件，其中国内申请3 5 l 件，占8 1 ；国外来 华申请8 0 件，占1 9 。种种数据表明，l t e 成专利竞争热土1 3 1 。 2 0 11 年1 月，杭州、上海、南京、广州、深圳、厦门六个城市获批开 展t d l t e 规模技术试验，工信部正式启动t d l t e 终端芯片的联调测试 工作。此次t d l t e 规模试验由工信部统一组织、规划，中国移动作为运 营商负责t d l t e 规模试验的网络建设、运营维护、技术产品试验和测试 等工作。通过六地试点“催熟 l t e 产业链，我国4 g 布局迈出关键一步。 中国电信和中国联通也将参加到t d l t e 测试中来。 刚刚落幕的2 0 1 1 年世界移动通信大会上，中国提出的新一代移动通 信标准t d l t e 赢得诸多国际电信巨头支持，国际电联已基本确定l t e 为 4 g 国际标准的两大候选之一。标准的竞争是技术竞争的最高层次，所谓 “得标准者得天下。由于主导了t d l t e 技术，中国可能会在新一代移动 通信技术革命中占据先机。 2 0 11 年3 月，全国政协十一届四次会议开幕。全国政协委员、中国移 动董事长王建宙提交了题为在发展新一代移动通信中扩大我国自主创新 技术的国际影响力的提案。他表示，在新一代移动通信发展过程中，我 国主导的t d l t e 技术要在同国外标准的竞争中占领制高点，尽早进行规 2 第一章绪论 划布局，扩大和提升自主创新技术的国际影响力，实现全球应用推广。 据预测，t d l t e 技术将在2 0 1 5 年左右商用。 1 2 可编程逻辑器件的发展现状 可编程逻辑器件( p l d ) 已经成为微电子技术发展的主要方向。各种可 编程逻辑器件出现时期如下图所示： 2 0 世纪7 0 年代2 0 世纪8 0 年代2 0 世纪9 0 年代 图1 1 可编程逻辑器件发展历史 现场可编程门阵列( f p g a ) 是在p a l 、g a l 等可编程器件的基础上进 一步发展的产物。f p g a 作为现今最流行的可编程逻辑器件，应用场合有 下面几类： 1 ) 逻辑接口领域，即传统领域； 2 ) 算法设计，如通信信号处理，图像处理等； 3 ) 片上可编程系统( s o p c ) ，控制领域。 f p g a 是当今数字系统设计的主要硬件平台，其主要特点就是完全由用 户通过软件进行配置和编程，从而完成某种特定的功能，且可以反复擦写。 在修改和升级f p g a 时，不需额外地改变p c b 电路板，只是在计算机上修 改和更新程序，使硬件设计工作成为软件开发工作，缩短了系统设计的周 期，提高了实现的灵活性并降低了成本，因此获得了广大硬件工程师的青 睐，形成了巨大的p l d 产业规模m 】。 由于f p g a 是一种通用逻辑器件，采用更先进的工艺来提高性能、降 低成本和功耗是其不二法门。f p g a 的工艺技术向6 5 n m 以及更小尺寸在 迈进。在2 0 0 9 年1 0 - 1 2 月，赛灵思( x i l i n x ) 公司的6 5 n m 工艺高端f p g a v i r t e x 系列的销售额达到了l 亿美元。目前，f p g a 供应商已经开始提供 2 8 n m 工艺产品。x i l i n x 公司的v i r t e x - 5s x tf p g a 采用6 5 n m 制造工艺， 重庆邮电大学硕士论文 针对具有低功耗串行连接功能的d s p 和存储器密集型应用进行了优化，非 常适合做算法实现，在各种通信系统开发平台中起着举足轻重的作用。 1 3 论文研究背景及现状 未来的几年内3 g p pl t e 都是研究的热点，因此本文选择l t e 作为研 究的大方向。由于频谱资源是无线通信中最宝贵的资源，t d d 双工方式相 比于f d d 能有效提高频谱利用率，所以本文主要研究l t e t d d 模式。 在l t e 中，上行链路方案在多载波方案( o f d m a ) 和单载波方案 ( s c f d m a ) 中抉择。居民区或商业区中的宽带无线接入系统处于一个不 利的无线传输环境，其中的多径延迟影响的比特数可能超过数十甚至数百 个。o f d m 是一种被认可的对抗多径效应的多载波解决方案【5 1 。尽管o f d m 已成为多种宽带通信标准中物理层的选择，但它也有很多不足【6 】：较高的 峰均比( p a p r ) ，对放大器非线性特性不适应，以及对载波频偏的高度敏 感。s c f d m a 跟o f d m 有相似的性能，总体复杂度也差不多。其优点是 p a p r 低，意味着功率放大器需要更小的线性范围。因此，单载波系统可 以用相对更便宜的功率放大器。这点很重要，功率放大器是消费类宽带无 线收发机中最昂贵的器件之一。经过多方讨论，由于多载波方案的高p a p r 问题，而采用单载波作为上行链路方案。最终决定选择集中式的 d f t o s o f d m 技术作为s c f d m a 的具体实现方式【7 】。 由于l t e 标准中对各种产品的性能都有着严格的规定，例如l t e 系统 的p u s c h 对转换预编码的性能要求就很高，因而对处理速度和性能的要 求尤为严格。转换预编码的实现吸引了国内外众多科研人员的目光，文献 【9 】- 【1 2 】提供了不同解决方案，在资源占用、运行速度及算法复杂度方面各有 优缺点，但没有一种方案可以称得上是完美的。f p g a 芯片能够完成并行 处理、数据量大、重复性强、速度要求高的数字信号处理运算。这就为l t e 系统p u s c h 中转换预编码等关键技术的实现提供了良好的解决方案。 l t e 系统中s c f d m a 是一种单载波的调制技术，而且接收端f f t 和 i f f t 模块存在使得频域均衡技术成为一种必然选择。常用的时域均衡算 法，如最小均方误差( m m s e ) 均衡算法，判决反馈均衡( d f e ) ，自适应 均衡算法和t u r b o 均衡算法，都有其对应的频域均衡算法【1 4 】- 【19 1 。这些频 域均衡算法在性能和复杂度方面有较大的差异，而两者的折中将是最适合 l t e 上行接收端的频域均衡算法。 第一章绪论 与仅采用d s p 处理器的传统应用相比，d s p 和f p g a 混合开发平台能 够将系统性能提升一个数量级以上。f p g a 协处理器具有硬件结构可重构 的特点，适合算法结构固定、运算量大的前端数字信号处理，可以大量卸 载这些功能，释放d s p 带宽以处理其他功能，使得f p g a 在数字信号处理 领域显示出自己特有的优势。这非常适合高速数字通信以及视频图像处理 等对d s p 性能要求越来越高的新兴应用。 本文对p u s c h 信道中两个关键模块( 转换预编码和频域均衡) 进行 了重点研究，并提出了硬件平台实现方案，不仅对相关内容的后续研究工 作有一定帮助作用，同时可以为其它信道、其它系统的实现提供参考。 1 4 本文组织结构 第一章：描述了l t e 通信系统国内外发展现状，说明了论文研究背景 及现状，最后概括论文的结构安排。 第二章：研究l t e 系统框架及特点，分析了s c f d m a 信号处理技术， 总结了l t e 系统中p u s c h 的信号处理流程。 第三章：对p u s c h 发送端的转换预编码进行了分析，详细描述几种 d f t 算法，提出一种可行的转换预编码实现方案，在f p g a 上实现，并对 结果进行分析。 第四章：对p u s c h 接收端频域均衡算法进行仿真分析，并选出一种合 适的算法在i s e 软件实现，并对性能进行分析。 第五章：提出l t e 物理层硬件平台开发方案，并实现其中与p u s c h 数 据传输存储相关的总线及接口。 第六章：总结全文，对本课题未来发展进行展望，并安排下一步工作。 重庆邮电大学硕士论文 6 第二章l t e - t d d 系统与上行关键技术 第二章l t e - t d d 系统与上行关键技术 在2 0 0 4 年1 2 月召开的3 g p pr a n 第2 6 次全会上，3 g p p 正式通过了 关于u t r a 长期演进( l t e ) 研究的立项。这种下行采用正交频分多址 ( o f d m a ) 方式，上行采用单载波频分多址( s o - f d m a ) 方式的技术， 与其说是3 g 技术的演进，不如说是革命，它甚至可以被看做准4 g 技术。 2 1l t e - t d d 系统架构 确定e u t r a n 架构的总体原则： 1 ) 一个物理网元可以包含多个逻辑节点； 2 ) 一个接口应该基于通过这个接口控制的实体逻辑模型来设计； 3 ) 当定义e u t r a n 接口时，应尽可能减少接口功能划分的选项数量； 4 ) r r c 连接的移动性完全由e u t r a n 控制； 5 ) e u t r a n 和e p c 的功能完全区分与传输功能； 6 ) 信令和数据传输网络的逻辑分割。 l t e t d d 总体系统架见图2 1 ，包括演进型核心网e p c ( 即m m e s o w ) 和演进型接入网e u t r a n 。 囝 m m e ，孓g w 图2 1l t e 总体系统架构 e u t r a n 由演进型节点b ( 即e n o d eb ) 构成，需要相互通信的e n o d e b 之间要通过x 2 接口互连，每个e n o d eb 都通过s 1 接口与演迸型核心网 ( e p c ) 相连。s 1 接口支持多对多连接方式，s l 接口的用户面在移动性管 理实体( m m e ) 上终止。用户面和控制面的另一端在e n o d eb 上终止。 7 重庆邮电大学硕士论文 2 2l i e 的主要技术特点 移动运营商要求l t e 必须成为一个有竞争力的b 3 g 宽带无线业务提 供手段。因此，l t e 系统的设计有以下几个总体目标： 1 ) 降低每比特成本； 2 ) 扩展业务的提供能力，以更低的成本提供更多的业务； 3 ) 灵活使用现有的和新的频段； 4 ) 简化架构，开放接口； 5 ) 实现合理的终端功耗。 因此l t e 具有以下几个技术特点： 1 ) 在2 0 m h z 带宽的情况下，下行瞬间峰值速率高达l0 0 m b s ( 频谱 效率5 b i t h z ) ，上行瞬间峰值速率5 0 m b i t s ( 频谱效率2 5 b i t h z ) ； 2 ) 控制平面容量：5 m h z 带宽情况下，每个小区至少支持2 0 0 个用户； 3 ) 用户平面时延：小型i p 分组条件下时延小于5 m s ，零负载( 即单用 户与单个数据流) ； 一 4 ) 移动性：优化1 5 k m h 以下低速用户的性能，为1 5 - 1 2 0 k m h 的移动 用户提供高性能的服务，在1 2 0 k m h 以上的情况下保持蜂窝网络的移动性； 5 ) 覆盖范围：在5 公里范围内可满足吞吐量、频谱效率和移动性目标， 在3 0 公里范围内略有下降，在10 0 公里范围内不能排除； 6 ) 增强的多媒体广播多播业务( e - m b m s ) ： 7 ) 频谱灵活性：不管上行和下行，l t e 可以分配到不同的频谱上，其 中包括1 2 5 m h z ，1 6m h z ，2 5m h z ，5m h z ，1 0m h z ，1 5m h z 和2 0m h z ： 8 ) 无线资源管理：增强的端到端q o s ，有效支持高层传输，支持不同 的无线接入技术之间的负载均衡和政策管理； 9 ) 架构与演进：基于分组的单一e - u t r a n 系统结构，系统支持提供 实时和会话业务，支持终端到终端的q o s ，优化回转通信协议； l0 ) 复杂性：尽可能减少选项，避免多余的必选特性； 关于无线技术，连续几代蜂窝通信系统将发送信号搬移到越来越宽的 无线电频段。第一代系统的无线信号占用的带宽为2 5 k h z 和3 0 k h z ，采用 了不兼容的频率调制格式。第二代通信系统中最广泛部署的g s m 系统和 c d m a 系统，分别占据带宽为2 0 0k h z 和1 2 5m h z 。第三代通信系统中的 w c d m a 的传输带宽限为5 m h z 。规划师预测有更大的信号带宽用来供蜂 窝系统的长期演进。正交频分复用( o f d m ) 和单载波频分多址( s c f d m a ) 是下一代带宽蜂窝系统2 0 m h z 信号带宽条件下很有吸引力的技术。 第二章l t e - t d d 系统与上行关键技术 2 3s c - f d m a 技术 单载波频分多址( s c - f d m a 技术) ，是一种即将部署在未来的蜂窝移 动通信系统的新的无线传输技术【引。s c f d m a 的发展是蜂窝技术迅速演 进的代表之一。标准组织为有关各方提供一个平台来确立可以将各方提出 的性能目标折中的技术。为了平衡这些利益冲突，该组织对所提方案进行 一些指标的测量。这些指标通常包括系统谱效率，吞吐量以及移动便携设 备中的延迟和功耗。 s c f d m a 采用单载波调制、d f t 预编码和频域均衡等技术，与o f d m a 有相似的性能，而总体复杂度也相当。它相对于o f d m a 的一个突出的优 点是其优良的峰值功率特性。s c f d m a 替代o f d m a 已引起广泛关注， 尤其是在上行通信，从发射功率效率和制造成本方面考虑，较好的峰值功 率特性大大有利于延长移动终端的使用寿命。s c f d m a 技术已经成为 3 g p pl t e 上行链路多址接入方案。 图2 2 显示了s c - f d m a 发射机发送一个数据块到接收机。发送器的输 入和接收器的输出都是复值调制符号，其中m n 。 图2 2s c - f d m a 收发机结构图 实际中系统会根据信道质量动态选择调制方式，在通道质量差的情况 下采用二进制相移键控( b p s k ) 调制，在通道质量好的情况下可以采用 6 4 阶正交幅度调制( 6 4q a m ) 方式。复值数据块由符号率为咒一( 符号 每秒) 的m 个调制符号组成的。长度为m 的离散傅立叶变换( d f t ) 产生 m 个频域符号，然后映射到长度为个正交子载波的m 个子载波上。这 个正交子载波的带宽为 = m 玩【- z 】，f o 是子载波间距 式( 2 1 ) 9 重庆邮电大学硕士论文 该信遭的传输运翠为 k = 乳 s y m b o s s 用q 表示带宽扩展因子，且pq = 冬= 旦m 然后，s c f d m a 系统可处理多达到q 组不同的正交源信号， 由m 个正交子载波构成。 式( 2 3 ) 每组信号 图2 3s c - f d m a 发送信号生成 图2 3 给出了s c f d m a 发射机中三个核心组成元件，总共个子载波， 输入符号占据其中的m 个。( 所= o ，1 ，m 一1 ) 代表已调符号，将其进行 d f t 变换后得到五( 七= 0 ，l ，m 一1 ) ，巧( ，= 0 ，1 ，n - i ) 代表子载波映射后的 频域采样，将其进行点i d f t 就得到时域发送信号o = 0 ，1 ，n - 1 ) 。资 源映射模块将频域调制符号分配到子载波上。由于不同位置分布的终端有 相互独立的衰落信道，s c - f d m a 和o f d m 技术可以采用依赖信道的调度 ( c d s ) 。i d f t 模块为个子载波符号生成一个时域表达式儿。并串转换 器将以o = 0 ，l ，n - 1 ) 放到时间序列上，以利于对载波进行射频调制并发 射到接收机。 图2 2 发射机在传输之前还要进行其他两个信号处理操作。循环前缀 ( c p ) 的作用是插入一段符号来提供保护间隔来防止由于多径传播引起的 块间干扰( i b i ) 。c p 是数据块最后的一部分数据的拷贝，它插在每个数据 块的开始有两个原因：首先，c p 作为两个连续数据块之间的保护时间。 如果c p 长度比信道传播的最大延迟( 或粗略地说成该信道冲激响应的长 度) 更长，那么就可以消除i b i 。第二，由于c p 是一个块的最后部分数据 的拷贝，它可以将离散时间线性卷积转换成离散时间循环卷积。因此，通 过信道传输的数据可以由信道冲激响应和传输数据块之间的循环卷积来 建模，这在频域上是d f t 变换后的频率采样逐点相乘操作。将接收到的信 号进行d f t 变换，然后简单地除以信道冲击响应的d f t 变换就可以消除 信道失真。发射机还执行被称为脉冲整形的线性滤波操作，以减少带外信 号能量。 在图2 2 接收器的d f t 模块将接收信号变换到频域为了恢复发送端的 个子载波。解映射操作将源信号的m 个频域采样分离出来。由于 l o 第二章l t e t d d 系统与上行关键技术 s c f d m a 采用单载波调制技术，它会遭受严重的线性失真，如符号间干 扰( i s i ) 。频域均衡器可以消除i s i 。在接收机中的i d f t 模块将已均衡符 号转换到时域，最后接收到的就是由信号检测器检测到的m 个调制符号序 列。 图2 2 表明，s c f d m a 技术包括了o f d m a 信号处理的各模块，并在 发射机增加了d f t 模块，对应在接收器中增加了i d f t 模块。由于 s c f d m a 将发射信号带宽扩展到了整个信道带宽上，这种s c f d m a 有 时被称为d f t 扩展正交频分多址( d f t - s o f d m ) 技术。 终端i 终端2 终端q 图2 4 从q 个用户的角度描述s c - f d m a 接收机结构 图2 4 说明了从多用户访问的角度阐述了上行s c - f d m a 接收器操作 过程。在执行基本的s c f d m a 解调过程中，基站在子载波解映射的过程 中将频域中的用户分离开来。 2 4p u s c h 信号流程 l t e t d d 定义的物理信道包括三种【2 0 】：物理上行共享信道( p u s c h ) ， 物理上行控制信道( p u c c h ) 和物理随机接入信道( p r a c h ) 。p u s c h 信 道携带上行数据信息和控制信息，它是s c f d m a 的一种具体应用，所以 p u s c h 信号流程框图跟前面介绍过的s c f d m a 流程图相似，下面以发送 端与接收端分别说明。 图2 5p u s c h 发送端流程 m a c 层的数据经过u l - s c h 传输信