（通信与信息系统专业论文）3gpp+lte物理层上行链路技术研究.pdf

摘要 摘要 自2 0 0 4 年底，3 g p p 组织开始了第三代移动通信( 3 g ) 的长期演进计划( l o n g t e r me v o l u t i o n ， 简称l t e ) 。该计划也被称为是超级3 g ，将提高3 g 技术的性能，满足移动通信户十年以上的需求。 3 g 长期演进计划在提高数据传输速率以及减少系统时延的同时，增大了覆盖范围和系统容量，从而 达到降低用户费用和运营商成本以及改善服务质量的目标。 本论文首先分析了3 g p pl t e 标准化工作的物理层技术方案。然后，基于d f t - s o f d m 方案的 系统结构，对三种调制方式下的d f t - s - o f d m 系统和o f d m a 系统的p a p r 做了仿真比较。最后， 以c 语言为主要工具搭建3 g p p l t e 上行d f t - s - o f d m 方案的链路仿真平台，研究了d f t - s - o f d m 系统中不同导频插入方法与频域均衡技术，推导了m r r c 条件下系统的对数似然比，仿真比较了 d f t - s o f d m 分布式和集中式数据传输方式的系统性能。 移动通信技术的迅速发展，对支撑其运行的硬件平台系统也提出了更高的要求。东南大学移动 通信国家重点实验室在国家“8 6 3 ”计划的支持下，进行第四代( b 3 g ) 移动通信系统的研究。 本论文的另一个工作，是讨论了f u t u r ef d d 试验系统内千兆以太网( g e ) 交换的设计与实 现。文中基于硬件描述语言，实现系统中的千兆以太网交换逻辑，并对f p g a 上的实测结果进行了 分析。 关键字3 g 长期演进计划；上行链路；d f t - s - o f d m ；千兆以太网 目录 a b s t r a c t w o r kh a ss t a r t e df r o mt h ee n do f 2 0 0 4i nt h e3 g p pt od e f i n eal o n g - t e r me v o l u t i o nf o r3 gs o m e t i m e s r e f e r r e dt o a ss u p e r - 3 gw h i c hw i l ls t m t c ht h ep e r f o r m a n c eo f3 gt e c h n o l o g y , t h e r e b y m e e t i n gu s e r e x p e c t a t i o n si na1 0 - y e a rp e r s p e c t i v ea n db e y o n d t h ef u n d a m e n t a lt a r g e t so f t h i se v o l u t i o n t of u r t h e r r e d u c eu s e ra n do p e r a t o rc o s t sa n dt oi m p r o v es e r v i c ep r o v i s i o n i n g w i l lb em e lt h r o u g hi m p r o v e d c o v e r a g ea n ds y s t e mc a p a e i t ya sw e l la si n c r e a s e dd a t ar a t e sa n dr e d u c e dl a t e n c y 1 1 1 em a i nt a s k so ft h i sa r t i c l ea r eb u i l d i n gt h es i m u l a t i o np l a t f o r mm a i n l yb ycl a n g u a g ef o r3 g p p u eu p l i n kt e c h n o l o g yd f t - s - o f d m d e d u c t i n gl o g - l i k e l i h o o dr a t i oo f d f t - s - o f d m ，d i s c u s s i n gs o m e k e yt e c h n o l o g i e so fd f t - s o f d mc o n c e p tf o ru p l i n k , s u c ha s 队p ri m p r o v e m e n to v e ro f d m a ，c h a l i n e l e s t i m a i t o nw i t hd i f i e r e n tp i l o ti n s e r t i o n 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 , e t c f u r t h e r m o r e ，t h er e s u l t so f p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n sf o rt h ea b o v et e c h n o l o g i e sa r ep r e s e n t e d w j t ht h er a p i dd e v e l o p i n go ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n , t h eh a r d w a r ep t a f f o r ma l s of a c e sg r e a t c h a l l e n g e s u n d e rt h es u p p o r to f t h en a t i o n a l8 6 3h i g h t e c hp r o g r a m ，a l le x p e r i m e n t a lh a r d w a r ep l a t f o r mi s e s t a b l i s h e df o re v a l u a t i n ga n dv e r i f y i n gt h eb 3 gf d ds c h e m e t h eo t h e rt a s ko ft h i sa r t i c l el a y se m p h a s e so nd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h eg i g a b i te t h e r n c t t r a n s c e i v e rb a s e do ax i l i n xf p g a t h et e s tr e s u i t sa r ea l s op r e s e n t e d k e yw o r d s ： 3 gl o n gt e r me v o l u t i o n ；u p l i n k ；d f t - s - o f d m ；g i g n b i te t h e m n t n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：监日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：超导师签名： 杠日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文背景 人类社会建立在信息交流的基础上，现代通信与经济的发展密切相关，通信网已经成为 支撑现代经济的最重要的基础结构之一。科技的发展为人们提供了高质量的生活条件，而建 立在高质量生活基础上的人们又对科学技术提出了更高的要求，从而推动了人类社会的持续 向前发展。作为人类社会联络的主要方式，通信技术也在不断地发展，从语言交流到书信、 电报、电话、无线电话，通信技术的每一步发展都给人类社会的发展带来了巨大的变革。今 天，有线、无线电话和互联网把人类社会构成了一个全方位沟通的信息社会”j 。 伴随g s m ( g l o b a l s y s t e m f o r m o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ) 等移动网络在过去二十年中的广泛 普及。全球语音通信业务获得了巨大的成功。目前，全球的移动通信语音用户已经超过了l s 亿同时，我们的通信习惯也从以往的点到点演进到人与人。个人通信的迅猛发展极大地促 进了个人通信设备的微犁化和多样化。目前，基于w c d m a ( w i d e b a n dc d m a ) 无线接入技 术的3 g 移动通信技术已逐渐成熟，正在世界范围内被广泛推广应用。为了进一步对3 g 技术进 行发展，3 g p p 标准组织引入了h s d 队( h i g hs p e e d d o w f i l i n k p a c k a g e a c c e s s ) 和增强型上行 链路这两种具有很强竞争力的3 g 增强技术。遗憾的是，虽然w c d m a h s d p a 与g p r s ( g e n e r a l p a c k e t r a d i o s e r v i c e ) ，e d g e ( e n h a n c e d d a t ar a t e f o r g s m e v o l u t i o n ) 相比能够大幅度提高上 下行速率，但是在知识产权的制肘、应对市场挑战和满足用户需求等领域，还是有很多局限。 同时，以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 nm u l t i p l e x i n g ) 为基础的w i m a x ( w o r l d i n t e r o p e r a b i l i t yf o r m i c r o w a v e a c c e s s ) 技术的出现以数倍于3 g 增强型的系统带宽和峰值速率吸 引了大家的注意力，其在每比特成本、无线频谱利用率和传输时延等能力方面明显优于 w c d m a ，h s d p a ，给3 g 系统的设备商和运营商造成了很大的压力 根据3 g p p 标准组织的原先的时闻表，4 g 最早要在2 0 1 5 年才能正式商用。用户的需求、市 场的挑战和知识产权的制肘共同推动了3 g p p 组织在4 g 出现之前加速指定新的空中接口和无 线接入网络标准。2 0 0 4 年1 1 月，3 g p p 在加拿大多伦多“u t r a n ( u n i v e r s a lt e r r e s t r i a lr a d i o a c c e s s n e t w o r k ) 演进”会议收集了无线接入网r 6 版本之后的演进意见，在随后的全体会议上， “u t r a 和u t r a n 演进”研究项目即l t e 项目得到了2 6 个组织的支持，并最终获得通过。3 g p p 2 随后跟进，于2 0 0 5 年初启动了a i e ( a i r i n t e r f a c e e v o l u t i o n ) 项目。 l t e 项目是对现有3 g 技术进行极大的发展和改进，并会实现相当的技术跨越。为此。我们 有必要对l t e 及其进展情况投入足够的关注。出于以上考虑，本文首先对l t e 进行介绍，然后 将对上行链路的系统方案和某些物理层技术进行仿真、比较和讨论，并给出有意义的结论。 东南大学硕t 学位论文 1 2 l t e 的目标和需求 l t e 包含整个无线子系统即无线接1 ：3 和无线网络结构的演进。其总体目标是减小时延、 提高用户数据速率、增强系统容量和覆盖能力、减小运营商的成本。为了满足在不同频段和 不同带宽部署的可能性，将同时考虑高于和低于5 m h z 的带宽。o f d m ，m i m o 等技术已作 为主要的候选关键技术l t e 的目标和需求主要包括性能、部署、演进、无线资源管理、复 杂性、一般性的需求和其它需求等哪3 i 。 1 性能方面 ( 1 ) 性能方面的一个主要目标是提高吞吐量和频谱效率：( a ) 在2 0 m h z 带宽、下行u e 采 用2 根接收天线、上行l i e 采用l 根发射天线情况下，峰值速率应达到下行1 0 0 m b i t s ，上行 5 0 m b i t s 。( b ) l t e 的频谱效率应比r 6 版本提高2 4 倍，还要增加小区边沿的速率。( c ) 每 比特成本将下降2 4 倍，用户可以花更少的钱享受到无线宽带服务。若要实现上述目标，多 天线技术( 如m 1 m o 技术) 等一些新技术将是l t e 中必需的技术。 ( 2 ) 减小时延也是性能提高的一个重要方面。目前，3 g p p 系统的无线两络内传输时延都很 大，这对一些响应速度要求很高的业务很难满足。所以l t e 提出e u t r a n 用户平面内部单向 传输时间低于5 m s ，控制平面从睡眠状态到激活状态的状态迁移时间小于5 0 m s ，从驻留状态 到激活状态的状态迁移时间小于1 0 0 m s ( 见图l 1 ) 。 田1 - 1 控制平面状态迂移例图 e u r a n 在移动性方面的性能要求是对低速移动性优化，可以支持最高3 5 0 k m p h 的移动速 度。这说明用户在低速移动情况f 获得高的吞吐量，而在3 5 0 k m p h 的高速列车上也可以通信。 2 。部署和演进方面 ( 1 ) 应支持灵活的带宽和频谱。可灵活支持1 2 5 m h z ，2 5 m h z ，5 m h z ， 0 m h z ，1 5 m h z ， 2 0 m h z 的带宽，支持成对和1 成对的频谱。因为全球不同的运营商有不同部署需求和考虑。 ( 2 ) 应支持与3 g 系统的共存和互通。与g s m 系统的实时业务的切换时延低于1 5 0 m s ， 与u t r a n 的实时业务的切换时延低丁_ 5 0 m s 。e u t r n 必须可以和g s m u t r a n 使用相邻的 信道共站址，例如u t r a n 可以使用1 9 2 0 1 9 2 5 m h z 的5 m h z 信逆，则e u t r a n 可以使用 2 第一章绪论 1 9 2 5 1 9 4 0 m h z 的1 5 m h z 信道与u t r a n 共站址。 3 无线管理资源管理方面 e u r a n 应支持增强的q o s 机制，提供优化的上层业务、应用和协议到无线资源的映射和 匹配。l t e 还应优化高层协议在无线接口的高效传输，例如进行i p 报头压缩等。 4 复杂性方面 应最小化协议可选项的数量和减小不必要的必选功能。目前的3 g p p 协议中有许多可选项 和太多的必选项，这些都增大了协议的复杂性。另外，减小必需的测试例数量，减小协议的 状态数量，最小化协议流程数量、参数范围和颗粒度等都是减小复杂度方面的需求。 5 一般性的需求 主要包括成本方面的需求、后向兼容性的需求和业务相关的需求。 ( 1 ) 减小成本是e u r a n 的一个主要目标，主要通过以下几个方面实现：( a ) 优化传输技 术。( b ) 最大化重用现有站址、接口和协议以减小网络部署成本。( c ) 开发e u r t a n 接口 ( d ) 减小复杂性( e ) 简化e u t r a n 结构和接口。( f ) 更高效和易用的网管。 ( 2 ) 后向兼容性最好是需要的，但是要仔细考虑后向兼容性对性能提升的潜在影响。 ( 3 ) 在业务支持方面，e u t r a n 应支持各种业务，包括现有的各种业务以及一些新业务， 如实时视频和p u s h t o - x 等业务。对于v o l p 业务，应在无线接口效率、传输效率和时延性能 方面不差于u m t s 电路域语音业务。 上述需求已在2 0 0 5 年6 月的r a n 全会上批准通过。从这些需求和目标中可以看出， e u t r a n 的核心目标有两个，一个是提高吞吐量和频谱效率，二是降低成本。这两个因素是 制约无线宽度数据业务发展的瓶颈实现了这些目标，e u t r a n 性能和能力将比 h s d p a h s u p a 又有一个明显的飞跃。 1 3 论文工作安排 本论文主要内容分为两个部分的工作：一是对3 g p pl t e 上行链路技术进行研究，重点描 述了l t e 上行链路的技术方案、系统仿真实现及性能比较。二是论述了为f u t u r ef d d 系统 硬件平台设计的基于x i l i n xf p g a 实现的千兆以太网( g e ) 交换。论文具体结构安排如下； 第一章，绪论，介绍论文的背景。 第二章，介绍l t e 上行链路技术方案，并做简单比较。 第三章，重点对d p t - s - o f d m 方案的物理层技术进行研究，包括p a p r 研究，信道估计 技术研究，频域均衡技术研究及最人比接收条件下d f t - s - o f d m 系统l l r 的构 造。 第四章，叙述d f t - s - o f t ) m 系统仿真平台的建立及仿真结果的性能分析。 第五章，简要介绍f u t u r ef d d 试验系统硬件平台。基于x i l i n x 公司的g em a ci p 核， 设计实现系统中的千兆以太网交换逻辑计，并在f p g a 上对实际测试结果进行 分析。 第六章，总结。 3 第二章l i e 物理层关键技术及方案 第二章l t e 物理层关键技术及方案 2 1 l t e 物理层关键技术 空中接口的物理层技术是无线通信系统的基础和标志。l t e 物理层关键技术主要涉及以 下几点： 1 o f d m 技术 o f d m 技术是l t e 系统的技术基础与主要特点，o f d m 系统参数设定对整个系统的性能 会产生决定性的影响，其中载波间隔又是o f d m 系统的最基本参数。经过理论分析与仿真比 较最终确定为1 5 k h z ，上下行的最小资源块为3 7 5 k h z j ”。数据到资源块的映射方式可采用集 中( l o c a l i z e d ) 方式或离散( d i s t r i b u t e d ) 方式。 循环前缀c y c l i cp r e f i x ( c p ) 的长度决定了o f d m 系统的抗多径能力和覆盖能力。长c p 利于克服多径干扰，支持大范围覆盖，但系统开销也会相应增加。导致数据传输能力下降。 为了达到小区半径1 0 0 k m 的覆盖要求，l t e 系统采用长短两套循环前缀方案，根据具体场景 进行选择：短c p 方案为基本选项，长c p 方案用于支持l t e 大范围覆盖和多小区广播业务。 2 m i m o 技术 m i m o 技术作为提高系统传输速率的最主要手段，也受到了广泛的关注。l t e 已确定 m i m o 天线个数的基本配置是下行2 x 2 ，上行l 2 ，但也在考虑4 x 4 的高阶天线配置。虚 拟m i m o 也被l t e 采纳为提高小区边缘数据速率和系统性能的主要手段。另外，l t e 也在考 虑采用小区干扰抑制技术来改善小区边缘的数据速率和系统容量。 下行m 1 m o 方案相对较多，根据2 0 0 6 年3 月雅典会议报告，l t em i m o 下行方案可分为 两大类：发射分集和空间复用两大类。目前，考虑采用的发射分集方案包括块状编码传送分 集( s t b c ，s f b c ) ，时间( 频率) 转换发射分集( t s t d ，f s t d ) ，包括循环延迟分集( c d d ) 在内的延迟分集( 作为广播信道的基本方案) ，基于预编码向量选择的预编码技术。其中预编 码技术已被确认为多用户m 1 m o 场景的传送方案。 3 调制技术及编码 高峰值传输速率是l t e 下行链路需要解决的主要问题。为了实现系统下行1 0 0 m b i t s 峰值 传输速率的目标，在3 g 原有的q p s k 、1 6 q a m 基础上，l t e 系统增加了6 4 q a m 高阶调制。 l t e 上行方向关注的首要问题是控制峰均比，降低终端成本及功耗。l t e 除了继续采用成熟的 t u r b o 信道编码外，还在考虑使用先进的低密度奇偶校验( l d p c ) 码。 东南大学硕士学位论文 2 2 l t e 无线传输方案 2 2 1 3 g p pl t e 主要技术提案 从l t e 制定的目标需求可以看出，1 0 0 m b i t s 的传输能力已远不是3 g 所能比的，那么其 使用的技术也必将有较大的提高。在方案的征集过程中有6 个选项1 4 j i ”，如表2 - 1 所示，按照 双工方式可分为频分双工( f d d ) 和时分双工( t d d ) 两种；按照无线链路的调制方式或多 址方式主要可分为码分多址( c d m a ) 和正交频分多址( o f d m a ) 两种。 表2 13 g l a pl t e 主要技术提案 种类双工方式多址接入方式 1f d d u l ：s c f d m a d l ：o f d m a 2 f d d u l ，d l ：o f d m a 3f d du l ，d l ：m c w c d m a 4t d du u d l ：m c t d - s c d m a 5t d du u d l ：o f d m a 6t d d u l ：s c f d m a ，d l ：o f d m a i 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 ) ，主要的好处就是降低了发射终 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 前缀对抗多径衰落和可变的传输时间间隔( 1 1 1 ) 等。 该提案使用了目前频谱效率很高的正交频分复用( o f d m ) 技术作为下行链路的主要调制 方式，实现高速数据速率传送。由于o f d m 中的各个载波是相q 重叠正交的，所以o f d m a 比 传统的f d m a 提高了频谱利朋率。o f d m a 采用时、频两维资源调度，可提供精细的数据率 颗粒度以支持具有不同服务质量要求的多媒体应用。此外，o f d m a 具有优良的无线链路性能， 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，接收机复杂度较低，能克服小区边界容量和性能的 下降。 2 f d d ( u l ：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， 数据传输效率更高。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 系统发射信号峰值均值功率比很高，从而提高了对发射机功率放大器的线性 要求。在给定发射机功率放大器饱和功率和信号频谱要求的条件下，发射信号峰均比高将限 制最人发射功率。最终减小系统上行链路系统覆盖范围。此外，由于o f d m 子载波间相互重 叠，使得o f d m a 对由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，由于存在远近效应，在非理想功率控制条件卜，多用户间干扰尤其明显。 3 f d d ( u l ：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的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， 例如自适应调制方式、n o d e b 调度、层2 快速重传和快速小区切换等，然后利_ l 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，但频谱利用率、 6 第二章l t e 物理层关键技术及方案 吞吐晕和性能都没有明显改善 1 5 l 。 4 t d d ( u l ：m c t d s c d m a ，d l ：m c t e 卜s c d m a ) 该提案是t d s c d m a 标准的演进。其主要特点是尽可能继承t d - s c d m a 的系统特点， 例如相同的子信道带宽、信道结构、s p a c et i m ec o d e 、多域复_ f j 等，在此基础上通过多载波 的方式扩展数据速率。满足l t e 的需求。此外，单载波t d - s c d m a 系统的子帧中仅有两个转 换点，但在多载波t d - s c d m a 方案中，为了更灵活地分配无线资源，一个子帧中可以有多个 转换点，转换点的位置取决于小区上下行时隙的配置，这种灵活的配置方案特别适合不对称 业务的传输。 该方案的特点是与现在的t d - s c d m a 系统兼容性好和具有灵活的扩展带宽，但完全受到 原来系统的固有参数和性能的限制，业务速率也很难满足l t e 的要求，因此从长期演进角度 看，与其它系统相比没有竞争优势i i ” 5 t d d ( u l d l ：o f d m a ) 和t d d ( u l ：s c f d m a ，d l ：o f 【) m a ) 这两种提案同提案l 、2 是非常类似的，不同的是双工方式。 2 2 2 方案比较 从上文的分析可以看出，s c f d m a 方案和o f d m a 方案是较为适合l t e 上行链路的技 术方案。从技术角度分析，s c f d m a 方案在保持用户频域正交性的同时具有较低的峰均功率 比，这对节省移动终端功放的成本和节省功耗非常重要，也是l t e 上行首要考虑的问题。 s c - f d m a 技术的频谱利用率不如o f d m a ，但o f d m a 存在高峰均比问题，增加了移动终端 的功耗与成本，同时在上行链路采用o f d m a 需要用户间严格的频率同步，否则会破坏子载 波的正交性。 根据i t u 提出的第三代通信标准家族概念，t d d 系统和f d d 系统在尽可能融合的情况 下，允许各自独立演进和发展。对于t d d 系统，因其固有的高峰均比以及上行同步技术的采 用，o f d m a 的两个缺点所产生的影响相对小一些，所以可以在上行链路采用o f d m a 技术。 但是，t d d 和f d d 采用不同的多址技术会给芯片设计、设备制造，系统运营方面带来一定的 复杂性，也会增加网络建设和_ l j 户使_ 啊的成本。在3 g p p 马耳他会议上，决定f d d 和t d d 将 尽量采用相同的多址技术，并且绝大多数公司支持的第一种方案将作为以后开展l t e 研究的 前提条件 2 3 s c f d m a 介绍 目前，s c f d m a 的实现方式主要有两种，一种是通过时域处理的s c f d m a l 6 1 1 1 1 8 | 。一种是 通过频域处理的s c f d m a l 9 1 1 1 0 儿i 。 时域处理的s c f d m a 有的实现形式称为i f d m a ( i n t e r l e a v e df r e q u n c yd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 系统。i f d m a 设计系统的目标是实现没有多址接入干扰的f d m a 。系统中每一个用 户独享一个子载波集，对不同用户的子载波进行交织。在i f d m a 中，每个用户占用的子载波 在传输频段上均匀分配，以获得最大程度上的频率分集增益。i f d m a 的信号在时域设计，从 而实现了低p a p r 。然而，i f d m a 也有如下不足1 1 日： ( 1 ) i f d m a 比o f d m 矩形波需要更大的传输带宽，即频谱效率不及o f d m 系统。 ( 2 ) 在i f d m a 系统中，多径信道导致的i s i 需要更复杂的接收机才能消除。 ( 3 ) i f d m a 设计不如m c - c d m a 灵活，因为它不支持自适应的子载波分配。 7 东南大学硕j ：学位论文 频域处理的s c f d m a 被称之为d f t - s - o f d m ，其传输原理如图2 1 所示。经过编码和 映射的数据符号首先通过离散傅立叶变换( d f t ) ，然后进行子载波映射( s u b - c a r r i e r m a p p i n g ) ， 该映射模块确定朋户编码符号在哪些子载波传输。其余子载波用0 插入，其后通过逆快速傅 立叶变换( i f f t ) 实现o f d m 调制，最后插入循环前缀( c p ) 。通过发送加入的循环前缀和 采用频域均衡( f d e ) 接收可以提供较好的链路性能。 c o d e ds y m b o l “r = 皿皿： l ，j s y m b o b s u b - c a r t i e r m a p p i n g i f f t s i z e - n 1 xs i z e - n r 圈2 1d f t - s - o f d m 发射机结构图 根据s u b - c a r r l e rm a p p i n g 插0 方式的不同，d f t - s - o f d m 有两种实现模式时域上的比 特信息流经过串并转换后进行星座图映射，将m 点调制后的数据进行m 点f i t ( 或d f t ) 变 换，然后在f f t 输出样点之间插入一1 个0 。 霸鲎严 r 0 螂s 日d t o釜醉 m m 瞳t n - p o n 删0 d c p a r a l e t o p a r a 皑 l f f t a 曙ks h c o n v e 啦r f f r 儿， 辈酽 翔 o ；厂、 ，一 图2 2l o c a l i z e d 模式d f t $ o f d m 模块及频谱图 若= 1 ，则映射方式为l o c a l i z e d 模式，如上图2 - 2 所示，f f t 输出样点被映射到连续的 子载波上。 8 第二章l t e 物理层关键技术及方案 m o 胡铲 c o 0 0 。 ： 咚甜 s “t o箱鲈 m 泔t 盯 n 瞳t a a o o k c 口h w山，0 口茸h o 。 ； 珀檄产 o 丘-o 0 ；人人人人人， 1 l - ；i il 。 。一 图2 3d i s t r i b u t e d 模式d f t - s - o f d m 模块及频谱图 若 l ，则映射方式为d i s t r i b u t e d 模式，如上图2 - 3 所示，f f t 输出样点被映射到等间隔 分布的子载波上。然后经过点i f f t 变换，加入循环前缀，经过并串转换后输出。 d f t _ s - o f d m 技术的优点如下： ( 1 ) 单载波方案传输信号时，用户符号的能量分布在整个传输频带，因而具有较低的峰 均值功率比。 ( 2 ) f d m a 提供了较方便的频域资源分配和小区内的正交性。 ( 3 ) 能克i i t d , 区边界容量和性能的一f 降。 i f d m a 比d f t - s - o f d m 具有更低的峰均比，但是相对于d f t - s - o f d m ，其频谱利用率 明显降低。此外，i f d m a 对于同步误差导致的多址干扰同样非常敏感l i ”。所以，l t e 在方案 l 的上行链路采用d f t - s o f d m 的传输方案p j 。 9 第三章d f t - s - o f d m 方案物理层技术研究 第三章d f t - s o f d m方案物理层技术研究 3 1 d f l 奄旬f d m 系统峰值均值功率比研究 3 11p a p r 的定义及统计方法 发射机的末级是电子设备功耗的主要部分，也是成本最高的部分。由于发端的功率总是一个关 键问题，应尽可能使大功率放大器( h i g i lp o w e ra m p l i f i e r , h p a ) i 作在高效率状态末级功放通常采 用b 类或c 类放大使放大器有尽可能高的效率，但这类放大器有严重的非线性特性，在饱和状态或 接近饱和状态来激励h p a 时呈现非线性，并使多载波信号产生失真。而为了不使频谱扩展得太厉害， h p a 必需工作在有很大输入回退( i n p u tb a c k - o f f ) 的状态( 如果平均功率为p s ，则输入回退表示为 i b o = 1 0 l o g ( e ) ，这就要求系统中的功率放大器具有较大的动态范围，以避免信号失真引起传输 信号的频谱扩散和带内失真引起的误码率增加。但是，提高放大器性能有时要付出很高的代价，会 导致系统成本大幅度提高，所以一般希望发送信号的动态范围越小越好，以便降低对功放的要求。 这就是为什么我们要讨论信号峰值均值功率比的原因和意义。 峰均功率比( p a p r ) 是指信号峰值功率与平均功率的比值。连续信号峰均比一般做如下定义： p a p r = 1 0 l o g 。o 离散符号的峰均功率比一般定义如下： 只4 p r = 1 0 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 本文主要讨论离散符号的峰均功率比。若离散过程五其概率分布函数 f ( x ，月) = p r x ( n ) 耐( 3 3 ) 为累计分布函数( c d f ) ，则函数 f ( x ，n ) = p r ( 帕 j ；1 一p r x ( n ) s j ( 3 4 ) 为互补累积分布函数( c c d f ) 。本文中对大置信号进行统计，给出s c f d m a 和o f d m a 系统的符 号的p a p r 高于某一个门限值的情况： c c d f = p r ( p a p r e a e r o )( 3 5 ) 3 12d f t - s - o f d m 信号特性分析 为讨论d f t - s - o f d m 的信号特性，特做如下假设：每帧长度为l = m k ，其中肘为某一用户终 螋m 荨l 竺翻 竺e 东南大学硕士学位论文 端( 标记为p ) 在个帧内可传输的数据符号数。数据映射方式采用d i s t r i b u t e d 模式，x 为子载波映 射间隔。不同的用户可以有不同的材和k ，但相同。 图3 1 第p 个用户的等效发射机 如图3 - 1 所示，第p 个_ i | 户的调制后的信号序列为 彬；m = o a ，m l ，d f t 变换后的序列 为 砰；m = 0 , 1 ，m - l 。经子载波映射后，第p 个用户发送的序列的频谱 牡矾= m 。k 。恤+ p 吼l 川哪l 。川 ( 3 6 ) 有m 个离散的谱线，分别位于k = p , p + k , p + 2 k , ，p + ( m - z ) k 的位置，而且与其他用户的谱线不相重 叠，如图3 - 2 所示。 注 0k | u s e r p = o ( 肘一1 ) k j u 。州 ? u 螂一。 i u p 。1 ；u s e r p 2 p - l 图3 - 2 多用户频谱 于是， 彬= c ”一2 1 村一i 一1 1 = c 擞，一2 “”+ 了c ：”一2 “” - 梆o厶= 0 将式( 3 6 玳入式( 3 7 ) ，得： 影- 砰一2 “”。 ：上上芝掣，一掣驯tkm高” = 上k 驯 击薹钟v 2 一 l 朋鲁1l = 古一2 。砖。 月= o 1 ，。l i = o l ，l i ( 3 7 ) ( 3 8 ) 由上式可以看出，从发射机送出的信号 掣；一= o l ，一l ，可以看作是将调制后的信号 础；m = 0 ，l ，m i j ，串行重复x 次后，乘以旋转因子 o k ) d 2 ”“ 所得。因此，当信号所占子载 1 2 第三章d f t - s - o f d m 方案物理层技术酬究 波均匀分布在整个带宽上时，d f t - s - o f d m 的信号特性与单载波的信号特性一致。 3 1 3 d f t - s - o f d m 峰均功率比讨论 由于o f d m 符号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，即= 每置纾铲， v i vn = 0 这样的合成信号就有可能产生较大的峰值功率，由此带来较大的峰均功率比。对于包含个子载波 的o f d m 系统来说，当个子载波都以相同相位求和时，所得到的最大峰均功率比可以为 户纠。( 嘏) = 1 0 l o g 。可见，最大峰均比随着n 的增大而增大。 根据中心极限定理，当n 很大时，o f d m 信号的幅度服从瑞利分布，而功率的分布服从零均值、 二维自由度的矿分布。矿分布的累积概率分布函数为：f ( z ) = l 一口一，假设各子信道上的采样值之间 彼此独立，且不对信号进行过抽样，则o f d m 的p a p r 值的互补累积分布函数为i l4 j ： p r ( p a p r ：) = 1 一。一e - 。) ( 3 9 ) 一 0 0 0 s u b - c a r d e r 一- i f f t m a p p i n g r 0 o - - - 0 图3 3l f f t 前加入于载波映射模块 为了对饼平s o f d m 和o f d m 讨论的对等性，我们在o f d m 发射机的i f f t 前引入子载波映 射模块( s u b - c a r r i e rm a p p i n g ) ，如图3 - 3 所示。实际上。这与o f d m a 系统的发射机的构造等同。 图3 - 4 ，图3 5 ，图3 - 6 分别是当d f t 的点数m = 6 4 且l f f t 点数为n = 1 0 2 4 时( 即系统带宽 为1 0 2 4 个子载波宽度) ，对应于不同调制方式q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 下的d f t - s - o f d m 和o f d m a 峰均功率比的互补累积分布函数的曲线比较。 图中l 为子载波间隔： ( 1 ) 对于l = l ，我们分配的子载波为( o ：l ：6 3 ) ，即首子载波为第0 个子载波，尾子载波为 第6 3 个子载波，也就是l o c a l i z e d 子载波映射方式。 ( 2 ) 对于l = 8 ，我们分配的子载波为( o ：8 ：5 0 4 ) ，即首子载波为第0 个子载波。尾子载波 为第5 0 4 个子载波。这样的子载波映射方式为d i s t r i b u t e d 方式。 ( 3 ) 对于l = 1 6 ，我们分配的子载波为( 0 11 6 ：1 0 0 8 ) ，即首子载波为第0 个子载波，尾子载 波为第1 0 0 8 个子载波。可以看出，子载波均匀分布在整个系统带宽内。这样的子载波映射方式为 d i s t r i b u t e d 方式。 1 3 东南大学硕j j 学位论文 l l o c ) o q p s k m - - 6 4 n = 10 2 4 、季毯l 删e 三彳 l 气n 萋莒麟i - u m 船al ：i 驴e f爹斟。 专 。博飞 li 氐 k 豇 毒? 皓 季? j1 鼾 k j 。i i p a p r ( d b ) 图3 - 4q p s k 调制p a p r 的c c d f 比较 16 q a m ，m = 6 4 ，n = 10 2 4 粥萎莲曼 一憾 | 气心 i | r 憾；： i 、。 p a p r ( d b ) 图3 - 51 6 q a m 调制p a p r 的c c d f 比较 1 4 o 0 o 0 o o o 0 o u o o o 第三章d f t - s - o f d m 方案物理层技术研究 1 o 9 0 8 0 7 o 6 u - 80 5 o 0 4 o 3 0 2 0 1 0 6 4 q a m ，m = 6 4 ，n = 10 2 4 菇测萎羹黧弑曼 ，m 。j r 仃 淞“ 二髓| _ 一 。枝 埝￥ 茹? 算j ：酞墨爹 i &。赫 ! 飞k i p a p r ( d b ) 图3 - 66 4 0 a m 调制p a p r 的c c d f 比较 从以上三图中我们可以看出，在同样的c c d f 条件下： ( 1 ) l = 1 时，q e s k 调制的d f t - s o f d m 的p a p r 比o f d m a 低2 2 4 d b ，1 6 q a m 调制的 d f t - s 旬f d m 的p a p r 比o f d m a 低1 6 2 d b ，6 4 q a m 调制的d f t - s o f d m 的p a p r 比o f d m a 低1 4 1 8 d b 。 ( 2 )