（通信与信息系统专业论文）lte上行链路mimo技术研究.pdf

摘要 随着移动通信的飞速发展及其与互联网的融合，使得人们对移动通信网络宽 带化的需求日益迫切。在这种需求的驱动下，3 g p p 在3 g 的基础上，提出了其长 期演进( l t e ) 系统，以提供更高的带宽、更低的时延，以及更好的服务质量保证， 因此对它的研究具有重大的意义。 本文主要对l t e 上行m i m o 系统物理层的几个关键技术进行了研究。首先搭 建了l t e 上行s u m i m o 的仿真系统平台，在空间信道模型( s c m ) 的市区宏小 区环境下分别研究了s t b c 、s f b c 、c d d 、b l a s t 、预编码等空时频处理技术在 2 发2 收、2 发4 收配置下的性能，并比较了不同移动速度对各种技术性能的影响， 重点对其中的预编码方案进行了改进，在保证系统吞吐量的前提下减少了反馈量。 然后分析了l t e 中h a r q 和b l a s t 的技术特点，根据发送的数据包数和反馈比 特数给出b l a s t 结合h a r q 的四种不同的重传处理模式，并进行了仿真分析。 根据o f d m 子载波的特点，在信道较为平坦且映射方式为集中式时，对低信噪比 下的子载波信道进行了平均处理，并在l t e 上行m i m o 系统中进行仿真验证，说 明此方法适合结合o f d m 的m i m o 空时处理技术。最后分析接收端和发射端使用 不同天线对系统容量的影响，并在此基础上对天线选择算法进行了深入研究，提 出一种低复杂度的收发联合天线选择算法，并进行了仿真验证及复杂度分析，表 明所提出的算法具有很强的实用性。 关键词：l t e 上行链路m i m oh a r q 天线选择 a b s t r a c t r a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o na n di t si n t e g r a t i o nw i t ht h ei n t e r n c t h a v ep u td r a m a t i c a l l yg r o w i n gd e m a n d sf o rt h ew i d e b a n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t h e r e f o r e ，t h e3 坩g 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 ( 3 g p p ) h a sa d v o c a t e dan e wm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mg r a d u a l l yd e v e l o p e df r o mt h e3 t dg e n e r a t i o ns y s t e m ，w h i c hi s c a l l e da st h e3 gl o n gt e r me v o l u t i o n ( 3 gl t e ) i tw i l lp r o v i d eh i g h e rb a n d w i d t h ，l o w e r l a t e n c y , a n db e t t e rq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) g u a r a n t e e s t h e r e f o r e ，t h er e l a t e dr e s e a r c hi s o f g r e a ts i g n i f i c a n c et or e s e a r c h t h i st h e s i sm a i l l l yf o c u s e so ns e v e r a lk e yt e c h n i q u e so fp h y s i c a ll a y e ri nl t e u p l i n k m i m os y s t e m f i r s t l y , t h ep l a t f o r mo fl t eu ls u - m i m os i m u l a t i o ns y s t e mi s d e s i g n e d ，t h e n ，t h ep e r f o r m a n c e so fs p a c e t i m e f r e q u e n c yp r o c e s s i n gt e c h n i q u e s ，s u c h 嬲s t b c ，s f b c ，c d d ，b l a s ta n dp r e - c o d i n g ，a r er e s e a r c h e du n d e r2 x 2a n d2 x 4o n s c mu r b a n - m a c r oo c c a s i o n s ，a n dt h ei m p a c to fd i f f e r e n ts p e e do n av a r i e t yo f t e c h n i q u e sa r ea l s oi n v e s t i g a t e d b e s i d e s ，a ni m p r o v e dp r e - c o d i n gs c h e m ei sp r o p o s e d , w h i c ha i m sa tr e d u c i n gt h ea m o u n to ff e e d b a c ki nt h ep r e m i s eo fg u a r a n t e e i n g t h r o u g h p u t s e c o n d l y , i nt e r mo ft h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh a r qa n db l a s t i nl t e ，f o u rd i f f e r e n tr e t r a n s m i s s i o nm o d e l so fb l a s tc o m b i n a t i o nw i t hh a r q ，a r e g i v e na c c o r d i n gt os e n d i n gp a c k e t sa n df e e d b a c kb i t s ；s i m u l a t i o na n da n a l y s i sa r ea l s o p r e s e n t e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fo f d ms u b c a r r i e r s ，w h e nc h a n n e li s r e l a t i v e l yf l a t a n ds u b - c a r r i e rm a p p i n gi sl o c a l i z e d ，u n d e rl o ws n r , a na v e r a g e p r o c e s s i n go ns u b c a r r i e rc h a n n e li sc a r r i e do u t ，s i m u l a t i o na n da n a l y s i sr e s u l t ss h o w t h a t t h i sm e t h o di ss u i t a b l ef o rm i m os p a c e - t i m ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y 谢血t h e c o m b i n a t i o no fo f d m f i n a l l y , t h et h e s i sa n a l y z e st h ei m p a c to fd i f f e r e n c ea n t e n n a si n r e c e i v e ra n dt r a n s m i t t e ro nt h ec a p a c i t yo fs y s t e m ，a n dm a k e sa ni n t e n s i v es t u d yo f a n t e n n as e l e c t i o na l g o r i t h m o nt h i sb a s i s ，af a s tj o i n tt r a n s m i t r e c e i v ea n t e n n as e l e c t i o n a l g o r i t h mi sp r e s e n t e d ；t h es i m u l a t i o n - v a l i d a t i o na n dc o m p l e x i t y - a n a l y s i ss h o wt h a tt h e a l g o r i t h mi so fg r e a tp r a c t i c a b i l i t y k e y w o r d s ：l t eu p l i n k m i m oh a r qa n t e n n as e l e c t i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 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； 也不包含为获得西安电子科技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做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布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论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期趔j c ：3 ：! 1 日期迎z ! 互：! f 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 移动通信技术从二十世纪九十年代开始经历了快速发展时期。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的发展提出了更高的 要求。从第一代的模拟通信系统到目前正在商用的第二代、第三代的数字通信系 统，每一代都在技术和实用上有了更高的飞跃。目前，移动通信正朝着宽带化、 移动化的方向发展。 面对高速发展的移动通信市场的巨大诱惑和大量低成本高带宽无线技术的快 速普及，众多非传统移动运营商也纷纷加入了移动通信市场，并引进了新的商业 运营模式，诸如“s k y p e ”这种语音和视频通信业务，可以借助免费或者低价无 线宽带接入网络，向广大消费者提供近乎免费的服务。这些新兴力量给传统移动 运营商带来了前所未有的挑战，加快现有网络演进，满足用户需求，提供新型业 务成为在激烈的竞争中处于不败之地的唯一选择。 与此同时，用户期望运营商提供任何时间任何地点不低于1 m b p s 的无线接入 速度，小于2 0 m s 的低系统传输延迟，在高移动速率环境下的全网无缝覆盖。而最 重要的一点是能被广大用户负担得起的廉价终端设备和网络服务。 这些要求已远远超出了现有网络的能力，寻找突破性的空中接口技术和网络 结构势在必行。与w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ，无线保真) 和w i m a x ( w o r l d w i d e i n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，全球微波互联接入) 等无线接入方案相 比，w c d m a h s d p a ( w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，宽带码分多址接 入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 ，高速下行分组接入) 空中接口和网络结构 过于复杂，虽然在支持移动性和q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ，服务质量) 方面有较大 优势，但在每比特成本、无线频谱利用率和传输时延等能力方面明显落后。根据 3 g p p ( 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 ，三代合作伙伴计划) 标准组织原先的时 间表，4 g 最早要在2 0 1 5 年才能正式商用，在这期间传统电信设备商和运营商将 面临前所未有的挑战。用户的需求、市场的挑战和i p r 的制肘共同推动了3 g p p 组织在4 g 出现之前加速制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 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 oa c c e s sn e t w o r k ，通用陆 地无线接入网络) 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”研究项目得到了二十六个组织的支持， 并最终获得通过。这也表明了3 g p p 组织运营商和设备商成员共同研究3 g 技术演 2 l t e 上行链路m i m o 技术研究 进版本的强烈愿望。 1 2 l t e 主要技术特点及发展现状 l t e ( l o n gt e a me v o l u t i o n ) 项目是3 g 的演进，它改进并增强了3 g 的空中接入 技术，采用o f d m 和m i m o 作为其无线网络演进的唯一标准。在2 0 m h z 频谱带 宽下能够提供下行1 0 0 m b i t s 与上行5 0 m b i t s 的峰值速率。改善了小区边缘用户的 性能，提高小区容量和降低系统延迟。3 g p p 从系统性能要求、网络的部署场景、 网络架构、业务支持等方面对l t e 进行了详细的描述。与3 g 相比，l t e 具有如 下技术特征【1 】【2 】： ( 1 ) 通信速率有了提高，下行峰值速率为1 0 0 m b p s 、上行为5 0 m b p s 。 ( 2 ) 提高了频谱效率，下行链路5 ( b i t s ) h z ，( 3 4 倍于r 6h s d p a ) ；上行链路 2 5 ( b i t s ) i - i z ，是r 6h s u p a ( h i g hs p e e du p l i n kp a c k e ta c c e s s ，高速上行分组接入) 2 - - 3 倍。 ( 3 ) 以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上将基于分组交换。 ( 4 ) q o s 保证，通过系统设计严格的q o s 机制，保证实时业务( 如v o i p ) 的服务 质量。 ( 5 ) 系统部署灵活，能够支持1 2 5 m h z 2 0 m h z 间的多种系统带宽，并支持 “p a i r e d ”和“u n p a i r e d 的频谱分配。保证了将来在系统部署上的灵活性。 ( 6 ) 降低无线网络时延：子帧长度o 5 m s 和0 6 7 5 m s ，解决了向下兼容的问题并 降低了网络时延，时延可达u p l a n 5 m s ，c p l a n i 时，为分布式传输，它可以认为是集中 第二章l t e 上行链路系统介绍 式传输的一种补充，并可以得到额外的频率分集增益。集中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信道状态好的子载波组 进行传输，从而获得多用户分集增益。另外，集中式也可以降低信道估计的复杂 度，但这种方式获得的频率分集增益较小，用户平均性能略差。分布式是将分配 给一个用户的子载波分散到整个带宽，从而获得频率分集增益，但这种方式下信 道估计较为复杂，也无法采用频域调度。论文中采用集中式映射。 2 2 3 帧结构 l t e 上行传输方案采用传统的带循环前缀( c p ) 的o f d m ，每一个子载波占 用1 5 k h z ，循环前缀的持续时间为4 7 1 6 7 s ，分别对应短c p 和长c p 。为了满 足数据传输延迟的要求( 在轻负载情况下，用户面延迟小于5 m s ) ，l t e 系统必须 采用很短的交织长度( t t i ) 和自动重传请求( a r q ) 周期，因此，大多数公司主 要出于对f d d 系统的设计，建议把1 0 m s 无线帧分成2 0 个同等大小的子帧，长度 为0 5 m s n ，其结构如图2 3 所示。每个子帧包括2 个“短块”( s b ) 和6 个“长 块 ( l b ) ，“短块 用于承载参考信号，“长块”用于承载控制或数据符号。 ls u b - f r a m e = o 5m s 图2 3 上行传输的基本子帧结构 但是，一些研发t d d 技术的3 g p p 成员注意到这种子帧长度和u m t s 中现有 的两种t d d 技术的时隙长度不匹配。例如t d s c d m a 的时隙长度为0 6 7 5 m s ， 如果l t et d d 系统的子帧长度为o 5 m s ，则新、老系统的时隙无法对齐，使得 t d s c d m a 系统和l t et d d 系统难以“临频共址 共存。在中国公司的坚持下， 3 g p p 在这个问题上形成决议：基本的子帧长度为0 5 m s ，但在考虑和t d d 系统兼 容时，可以采用0 6 7 5 m s 的子帧长度【1 0 】【l l 】，如图2 - 4 所示。 ls u b - f r a m e = 0 6 7 5m s 图2 - 4 上行链路子帧结构二 l t e 上行链路m i m o 技术研究 2 3 l t e 上行链路的关键技术 3 gl t e 的研究工作主要集中在物理层、空中接口协议和网络架构几个方面， 这里主要介绍上行物理层的关键技术，目前对上行链路物理层的研究大多集中在 以下几个方面【1 2 l ： 1 上行参考符号设计 上行参考符号( 即导频) 位于两个d f t - s o f d m 块中，用于基站( n o d e b ) 的信道估计和信道质量( c q i ) 估计。与下行相似，上行参考符号也可能采用正交 设计，以支持多个m i m o 天线之间、多个u e 之间的参考符号区分。上行正交 参考符号也可以用频分复用( f d m ) 、时分复用( t d m ) 、码分复用( c d m ) 或上 述方法的混合方法实现。针对用于信道估计的参考符号，首先考虑不同用户的参 考符号之间将采用频分复用( f d m ) 方式区分。多天线u e 情况下的上行参考符 号结构尚有待于进一步研究。为了满足频域调度的需要，可能需要对整个带宽进 行信道质量估计，因此即使数据采用局部式发送，用于信道质量估计的参考符号 也需要在更宽的带宽内进行分布式发送。不同u e 的参考符号可以采用分布式 f d m 和c d m ( 基于c a z a c 序列) 复用在一起。 2 调制和编码 l t e 上行主要采用位移b p s k ( 2 - s h i f tb p s k ) 、q p s k 、8 p s k 和1 6 q a m 。 另一个正在考虑的降低p a p r 的技术是频域滤波。在信道编码方面，l t e 主要考 虑t u r b o 码，但如果能获得明显的增益，也将考虑其他编码方式，如l d p c 码。 为了实现更高的处理增益，还可以考虑以重复编码作为前向纠错( f e c ) 码的补充。 3 上行m i m o 和发射分集 上行m i m o 的基本配置是2 2 天线，正在考虑发射分集( 包括循环位移分 集和空时频块码) 、空分多址和预编码等技术。同时，l t e 也正在考虑采用更多 天线的可能性。考虑到某些双天线u e 可能只有一套射频发射系统，l t e 也正在 考虑天线选择技术。 上行m i m o 还将采用一种特殊的m u m i m o 技术，即已被w i m a x 采用的虚 拟m i m o 技术。此技术可以动态地将两个单天线发送的u e 配对，进行虚拟的 m i m o 发送，这样两个具有较好正交信道的u e 可以共享相同的时频资源，从而 提高上行系统的容量。这项技术主要需要u e 发送相互正交的参考符号，以支持 m i m o 信道估计。 4 功率控制 功率控制技术，系统可以在每个子频带内分别进行慢速功控，从而对路径损耗 和阴影衰落进行补偿。但是如果对小区边缘的上行用户进行完全的补偿，可能导致 第二章l t e 上行链路系统介绍 9 小区边缘用户发射功率过高，从而导致小区间干扰。因此目前研究趋势为只对小 区边缘用户进行部分补偿，即小区边缘的目标信干噪比比小区中心的目标小，从 而避免产生较强的小区间干扰，获得更大的系统容量。此外，采用自适应功率控 制，也可以进一步节约发射功率，降低小区间干扰，提高系统吞吐量。 5 a a r q 3 gl t e 基本同意采用i rh a r q 方式，各公司还就是否采用异步h a r q 或自 适应h a r q 展开了讨论。对于基本的h a r q 来说，每次重传的时刻和所采用的发 射参数，如调制编码方式及资源分配等都是预先定义好的，即所谓的同步非自适 应h a r q ；而异步h a r q 则可以根据需要随时发起重传，自适应h a r q 即每次重 传的发射参数可以动态调整。因此，异步h a r q 和自适应h a r q 与基本的h a r q 相比可以取得一定增益，但同时需要额外的信令开销。 6 调度 调度是指根据信道质量信息反馈、有待调度的数据量、u e 能力等，动态地将 最适合的时频资源分配给某个用户，以达到提高系统整体性能的目的，它和链路 自适应、h a r q 联系紧密。具体来说，调度将根据以下信息来进行调整：( d q o s 参数的测量；n o b eb 有待调度的负载量：有待重传的数据；u e 的c q i 反 馈；u e 能力；u z 睡眠周期和测量间隔长度；系统参数，如带宽和干扰 水平。 l t e 的调度可以灵活地在集中式和分散式之间切换，并将考虑减小开销的方 法，其中一种方法就是对语言业务一次性调度相对固定的资源。 调度操作的基础是c q i 反馈，其反馈的频域密度应该是最小资源块的整数倍， 看看周期可以根据情况的变化进行调整。l t e 还未确定具体的c q i 反馈方法，但 反馈开销的大小将作为选择c q i 反馈方法的重要依据。 7 小区间干扰抑制 通过小区间干扰抑制技术来实现l t e 提高小区边缘数据率的目标，目前正在 考虑的方案包括干扰随机化、干扰协调、干扰消除和慢功控等。 目前主要的研究集中在干扰协调方法上，即在小区中心采用1 的频率复用， 而在小区边缘采用大于1 的频率复用，从而避免强干扰，该技术又称为部分频率 复用( f f r ，f r a c t i o n a lf r e q u e n c yr e u s e ) 或软频率复用( s f r ，s o f tf r e q u e n c yr e u s e ) 。 干扰协调的缺点是可用于小区边缘的频率资源变得有限，这限制了小区边缘的峰 值速率和系统容量。 干扰消除技术可以将干扰小区的信号解调、解码，然后复制，减去来自该小 区的干扰。在难以使用干扰消除和干扰协调的时候，还可以采用干扰随机化技术， 这种方法是将小区间的干扰随机化为白噪声，因此又称为干扰白化。 8 其他主要研究问题 l o l t e 上行链路m i m o 技术研究 此外还包括：上行链路自适应技术、上行随机接入( 非同步随机接入和同步 随机接入) 、同步问题、切换等问题。 2 4 上行链路的空间信道模型( s c m ) s c m ( s p a t i a lc h a n n e lm o d e l ) 信道模型是3 g p pr 6 版本中t r 2 5 9 9 6 1 3 j 应用于 m i m o 系统的一种信道模型，相对于t u 信道模型，它有更宽的带宽，子径功率和 延迟都是随机的，更接近于实际的链路环境，而且收发天线是可以调整的，扩展 性非常好，l t er a n d l 工作中一直采用s c m 信道模型来仿真m i m o 系统。这个 信道模型在3 g p p 和w i n n e r 组织中已经被开发完成并标准化。 3 g p p 提出的空间信道模型中，具体介绍了郊区宏小区( s u b u r b a nm a c r o ) 、市 区宏小区( u r b a nm a c r o ) 、市区微小区( u r b a nm i c r o ) 三种环境下信道矩阵h 的生 成方法。整个过程可以分为三步进行： ( 1 ) 确定应用环境( 上述三种之一) ； ( 2 ) 获得相应环境下仿真所需要的参数； ( 3 ) 基于上一步参数生成信道矩阵h 。 宏小区是指：基站之间的距离大约为3 k m ，基站天线高于屋顶的高度。根据 扩展的h a t a 衰减模型计算路径损耗时，假设基站天线高为3 2 m ，移动台天线高为 1 5 m 。并且移动台与基站之间的距离d 不得小于3 5 m 。微小区是指：基站之间的 距离大约为l k m ，基站天线高度为屋顶的高度。根据c o s t - 2 3 lw a l f i s h i k e g a m i 模型计算路径损耗时，假设基站天线高为1 2 5 m ，移动台天线高为1 5 m ，建筑物 高1 2 m ，建筑物之间的距离为5 0 m ，街道宽2 5 m 。并且移动台与基站之间的距离d 不得小于2 0 m 。并且市区微小区环境下可能存在视距传输( l o s ) 。s c m 中还假设 基站与移动台的天线的拓扑结构均选择“均匀线性阵( u n i f o r ml i n e a ra r r a y ) ，移 动台天线间距为0 5 a ，基站天线间距有三种选择，分别是o 5 旯，4 五和1 0 五。其 中a 为波长，名= c 正，c 为光速，z 为载波频率，这里取f c = 2 0 0 0 m h z 。 s c m 中一些主要角度参数的定义如图2 5 所示： 第二章l t e 上行链路系统介绍 图2 5 各种角反参数的足义 。 图中各参数含义如下： f i n s ：基站天线阵的方向，图中n 表示北； ：视距传输( l o s ) 的离开角； 瓯脚：第，z 条路径的离开角( 相对于视距方向) ； m ，一n d ：第万条路径中的第聊条子径相对于瓯，_ n d 的离开角偏移； 见m 一o d ：第咒条路径中的第所条子径相对于基站天线b r o a d s i d e 的离开角； q 脚：移动台天线阵的方向； ：视距传输的到达角； 吒一鲥：第以条路径的到达角( 相对于视距方向) ； m 一以：第7 z 条路径中的第所条子径相对于疋，删的到达角偏移； 幺m “：第刀条路径中的第m 条子径相对于移动台天线b r o a d s i d e 的到达角； v ：移动台的速度矢量； 见：矢量v 的方向( 相对于移动台天线b r o a d s i d e ) 。 s c m 中关于三种环境下的设定如表2 1 所示： 1 2 l t e 上行链路m i m o 技术研究 表2 1 三种环境的参数设定 信道环境s u b u r b a nm a c r ou r b a nm a c r ou r b a nm i c r o n u m b e ro fp a t h s 6 66 n u m b e ro fs u b - p a t h s 2 02 02 0 p e r - p a t h m e a n a sa t b s e ( o a s 净5 0 e ( o 爿s ) = 8 0 ，1 5 0n l o s ：e ( a 艇) = 1 9 0 a sa t b sa sa 8 0 p 船= 0 8 1 0 l o g n o r m a lr vp 郇= 0 6 9一s = 0 3 4 o 舡= 1 0 “( s z + p 船) ， 船= o 1 3 1 5 0p 砖= 1 1 8 n a 工一n ( 0 ，1 )船= 0 2 1 0 2 a a o d a a s 1 21 3n a p e r - p a t ha sa tb s 2d e g2d c g5d e g ( l o sa n d n l o s ) ( f i ) ( e d ) b sp e r - p a t ha o d n ( 0 ，2 d d ) w h e r en ( 0 ，2 0 d ) w h e r e d i s t r i b u t i o ns t a n d a r d u ( - 4 0 d e g ，4 0 d e g ) d i s t r i b u t i o n a a o d2 r a s a 砖a a o d 2r i s o 船 m e a n a sa t m s e ( o a & u s ) = 6 8 0e ( 劬矗m s ) = 6 8 0e ( & u s ) = 6 8 0 p e r - p a t ha s a tm s 3 5 03 5 0 3 5 0 ( f i x e d ) m sp e r - p a t ha o a n ( 0 ，2 叫( p r ) )n ( 0 ，0 - 月2 鲥( p r ) )n ( 0 ，z 叫( p r ) ) d i s t r i b u t i o n d e l a ys p r e a da sa l o g n o r m a lr v 惭= - 6 8 0t t n s = 一6 1 8 n a o 朋= 1 0 ( 船x + p ) ， e d 雷= 0 2 8 8鼢= 0 1 8 x n ( 0 ，1 ) m e a nt o t a lr m s d e l a y e ( a d s ) = 0 1 7 “se ( a n s ) = o 6 5p s e ( a d s ) = o 2 5 1 肛s s p r e a d( o u t p u t ) r d s2 0 d e 咖a d s1 41 7n 久 d i s t r i b u t i o nf o rp a t h d e l a y s u ( o ，1 2 1 x s ) l o g n o r m a ls h a d o w i n g s t a n d a r dd e v i a t i o n ， n l o s ：1 0 d b 8 d b8 d b l o s ：4 d b o s h p a t h l o s sm o d e l ( d b ) ， n l o s ：3 4 5 3 + 3 8 1 0 9 l o ( d ) d i si n m e t e r s 31 5 + 3 5 1 0 9 l o ( d ) 3 4 5 + 3 5 1 0 9 1 0 ( d ) l o s ：3 0 18 + 2 6 乖l o g l 0 ( d ) s c m 模型，即是所谓的几何模型或者基于子径模型，它是在对散射体随机建 模方法上发展出来的。它假定了3 种场景：郊区宏小区环境、市区宏小区环境和 市区微小区环境。这里，市区微小区又在视距( l o s ) 和非视距传输上有不同。对 于每种场景，它都有固定的路径数目：6 条主径，每一条主径在延迟域都代表了一 第二章l t e 上行链路系统介绍 个d i r a c 函数，每条主径都是根据空间分离的2 0 条子径通过正弦曲线加合的方法 生成的。链路的路径功率、路径延迟、以及角度特性等参数都是通过它们之间的 相关统计特性得到的。除了快衰落参数，所有的参数都是时间独立的。 2 5 本章小结 本章首先介绍了l t e 上行多址接入技术s c f d m a ，接着对s c f d m a 的频域 实现方法d f t - s o f d m a 的基本传输模式做了具体介绍，包括系统的发射结构、子 载波映射方式以及帧结构，然后介绍了上行物理层的关键技术，最后简单介绍了 仿真中采用的信道模型( s c m ) 。 第三章s u m i m o 空时频处理方法的研究 1 5 第三章s u m i m o 空时频处理方法的研究 m i m o 技术能够显著提高系统的容量和改善无线传输链路的质量而不增加系 统的带宽，因此，它被视为下一代无线通信的关键技术之一，受到了越来越多研 究者的广泛关注。3 gl t e 系统已确定基站端天线数量基本配置是1 、2 、4 ，终端 天线数为1 或2 ，但也不排除考虑4 x 4 的高阶天线配置的可能性。在3 gl t e 中， m i m o 传输方案大致可分为两大类：空间复用和发射分集。本章就是主要从这两 方面对单用户m i m o ( s u m i m o ) 的处理方法进行研究。 3 1s u m i m o 系统结构 根据物理层仿真流程，整个系统可以划分为发射端、信道和接收端三部分， 仿真所用信道已经在2 4 节中介绍过，下面以2 发4 收为例，给出l t e 上行 s u - m i m o 的发射和接收框图，如图3 1 和3 。2 所示。具体介绍如下： 在发射链路中，首先产生二进制的数据源，对数据源经过分块、编码、交织 和调制，在对调制后数据进行d f t 变换之后进入m i m o 的空频处理模块，在此对 数据进行各种技术处理，包括s f b c 、s t b c 、c d d 、b l a s t 和预编码等，然后经 过子载波映射和i f f t 变换后添加循环前缀，再插入d m 导频用于接收端的信道估 计，最后组成帧进入信道进行传输。 在接收端，接收信号首先解帧、去循环前缀，提取导频进行信道估计，然后 数据经过f f t 处理后进入子载波解映射，再用估计出的信道进行空频信号的检测 后通过i d f t 变换，对变换后的数据进行解调，将获得的软信息通过解交织后译码， 最后完成c r c 校验，利用校验结果实现重传控制。 圈堰罾卧卧 卧b b b 虽目b 昏 【一【j 【一1 j 罾b 卧 爵巨b 圈橱罾卧b 图3 1s t m i m o 发射机结构 卜 日 1 6l t e 上行链路m i m o 技术研究 重传 控锯 3 2 1 发射分集方案 聂i i i 隔 重传标识 h 嬲8 9 厶并r 一 荨凝富砷卧网业厣 空频 信号 检测 图3 2s u m i m o 接收机结构 信道0 型 陌 匣划 i 子载波； 幽 l 子载波 l 解映射 l 子载波 i 解映射 3 2 不同空时频处理技术的介绍 提取 导频 硇 f f t - f 去c p il 二 厂_ 一 f f t 卜l 去c p _ j 【一 二 r _ 一 f f tr i 去c p l 广 f f t _ _ 一去c p 开环发射分集方案很多，目前3 gl t e 中讨论的开环发射分集方案主要有：基 于块码的发送分集技术( 空时块码或空频块码) 、循环延迟( 或循环移位) 分集、 时间( 或频率) 切换发送分集，以及一些基于块码和其他方案相组合的方案。因 此在讨论这些技术的时候，简单性和发送天线的可扩充性都必须加以考虑。本节 主要介绍基于块码和循环延迟的方案。 1 空时块码( s t b c ) 1 9 9 8 年，a l a m o u t i 提出一种非常简单的发射分集技术：空时块码( s t b c ，s p a c e t i m eb l o c kc o d e ) 1 4 】。空时块码由于其简单的结构和良好的性能受到了广泛关注， 并很快进入了3 g p p 标准。空时块码实质上是将同一信息经过正交编码后从两根天 线上发射出去，由于两路信号具有正交性，在接收端能够将这两路独立的信号区 别出来，并且只需要做简单的线性合并就可以获得满分集增益。 下面以2 根发射天线为例，简单介绍它的基本原理。下式表示s t b c 的编码 方法， q 一卜 一l 是i - j 其中行代表的是空间维( 天线) ，列代表的是时间维( 符号周期) 。 送的符号，s 是s t b c 编码后的发射信号。 2 空频块码( s f b c ) ( 3 - 1 ) s 1 ，s 2 是待发 第三章s u m i m o 空时频处理方法的研究 1 7 传统的空时块码都是基于空时二维进行设计的，因此称为空时块码。当它和 o f d m 系统相结合时，如果面临移动速度较高的信道环境，多普勒频移较大，时 间选择性会导致在一个码字的时间内信道不能保持准静态，影响空时块码的正交 性从而恶化性能，而相邻子载波往往在一个相关带宽内，可以保证信道是准静态 的，因此又衍生出了空频块码( s f b c ，s p a c e f r e q u e n c yb l o c kc o d e ) 1 5 】。图3 3 给出o f d m 系统中空时块码和空频块码发送端的对比图【l 6 】【1 7 j 。 天线1 o f d m 符号n + l o f d m 符号n + lo f d m 符号n 厂 i 子载波k 曼 o f d m 符号n l 子载波k + l子载波k 一墨 o f d m 符号1 1 i 子载波k + l子载波k 研最 天线2 天线1 天线2 图3 3o f d m 系统中空时块码和空频块码发送端对比图 3 循环延迟分集( c d d ) 在循环移位分集的基础上，提出了其等效形式循环延迟分集( c d d ，c y c l i c d e l a yd i v e r s i t y ) 【1 8 】【2 0 1 ，循环延迟分集将每个子载波上的相位偏移操作等效为时域 上的循环延迟，使得发射端操作简单而且物理意义清晰，其发送框图如图3 4 所示。 由于循环延迟分集的使用等效于对每个子载波上发送数据实施相位偏移，并不会 造成发送信号的时延，对原有o f d m 系统设计不会提出新的要求，且与循环移位 分集相比，循环延迟在i f f t 模块之后分别设置，减少了i f f t 的次数。 天线l 频 图3 4 循环延迟分集发射框图 循环移位分集和循环延迟分集在多载波o f d m 系统中能够有效地将空间分集 l t e 上行链路m i m o 技术研究 转化为频率分集，误码率性能很好，被列为3 gl t e 下行分集方案之一，并被确定 为多天线情况下l 1 儿2 控制信道的主要分集方案。 3 2 2 空间复用方案 空间复用是m i m o 的基本应用之一，目前研究复用技术的也比较多2 1 】【2 4 1 。实 现空间复用的分层空时码b l a s t 又分为水平分层空时码( h b l a s t ) 、垂直分层 空时码( v - b l a s t ) 和对角分层空时码( d b l a s t ) ，由于d b l a s t 有数据冗余 且接收端解码复杂，在工程应用中一般不被采用。 图3 5 是h b l a s t 系统和o f d m 相结合的发射机框图。 天线1 吨亟卜臣丑恒吨里围吨型 天线2 口 吨墅卜臣丑 堕 画巨旧 图3 5h b l a s t 系统和o f d m 相结合的发射机框图 从图中可以看出，对于水平分层空时系统而言，所有天线采用独立的信道编 码器，这种方法的优点是接收端的处理较为简单，但是它没有充分利用m i m o 系 统的空间选择性衰落特性，在误码率性能上要劣于垂直分层空时系统。 图3 6 是v - b l a s t 系统和o f d m 相结合的发射机框图： 天线l h 卫子载波映射- - t 串并转换卜 i 一 图3 6v - b l a s t 系统和o f d m 相结合的发射机框图 与水平分层空时系统不同的是，垂直分层系统所有发送天线共用一个信道编 码器，这样一个编码块内的比特可以分布在各个不同的天线上，从而获得一定的 空间分集增益。而在选择交织方案的同时考虑了空间选择性衰落和频率选择性衰 落，目标也是通过一定的交织方案来同时获得空间和频率分集增益。 在3 gl t e 系统的讨论中，由于h b l a s t 方案中各个发射天线上的数据流是 相对独立的，能更好地和自适应传输方案相结合，如a m c 和h h g o ，所以在每个 天线上独立进行a m c 的p a r c ( p e r - a n t e n n ar a t ec o n t r 0 1 ) 方案最终被标准采用。 第三章s u - m i l 订o 空时频处理方法的研究 1 9 3 2 3 多流预编码 预编码是多天线系统中一种特有的自适应技术，即根据信道状态信息( 瞬时状 态或长期统计信息) ，在发射端自适应地改变预编码矩阵，可以起到等效改变信号 经历的信道的作用。 在3 g p pl t e 的会议中，根据邮件讨论总结和会议主席总结，关于预编码技术 及其相关辅助技术讨论主要议题有【2 5 】【3 0 】： a 预编码是