（通信与信息系统专业论文）基于lteadvanced系统下行共享仿真链路搭建与性能分析.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着无线通信技术的发展，人们对信息获取提出了更高的要求，强调了种 类的丰富性、渠道的便利性以及时效的敏捷性。第4 代移动通信技术标准 l t e a d v a n c e d 能够有效保证网络传输的高效性，它在l t e 长期演进技术的基础 上引入了诸如多载波聚合、多点协作、中继技术以及增强m i m o 等关键技术从 而显著地提高了通信系统的上下行峰值速率和频谱效率，同时有效改善了小区 边缘的性能。 作为l t e a d v a n c e d 下行物理层最重要的信道之一，下行共享信道承载了传 输信道d s c h 的数据，并且在物理层实现上采用了许多关键技术以保证数据传 输的可靠性与高效性。本文基于l t e a d v a n c e d 物理层相关协议研究下行共享信 道中的关键技术，分析技术原理以及具体的实施方法，并通过搭建的物理层链 路进行仿真分析系统的各项性能指标。本文的总体工作内容归纳如下： ( 1 ) 研究下行共享信道发送端处理流程，并搭建发送端浮点仿真算法模型。 在此基础上对下行共享信道接收端算法进行探讨，包括解m i m o 、解调、解扰、 解速率匹配、解信道编码等关键算法，并据此搭建接收端浮点仿真算法模型。 和发送端浮点模型进行联合调试验证模型的可行性。 ( 2 ) 在下行共享信道浮点算法模型基础上研究发送端定点算法处理方案， 主要包括其中的调制模块、m i m o 模块以及功率补偿模块的处理，在此基础上 搭建了下行共享信道定点发送模型。通过浮点与定点模型的波型比较，验证定 点方案的可行性。 ( 3 ) 基于已搭建的链路模型，在不同场景下对不同的调制方式下的性能、 不同m i m o 配置下的性能以及系统吞吐量进行仿真，验证物理层模型的可靠性 同时，测试不同条件下的系统性能。通过链路仿真表明：第一，在低信噪比条 件下，高阶调制误码性能非常不理想；第二，不同m i m o 配置时，发送分集的 可靠性最高，空间复用的可靠性最差，对于开环和闭环空间复用，开环的误码 率更高，随着发送天线数的增加，空间复用性能对信道质量更加敏感；第三， 在最高配置前提下，l t e a d v a n c e d 拥有比l t e 更高的频谱利用效率和系统下行 吞吐量，且当信道质量较好时，两者性能差异能够达到近1 0 倍。 关键词：下行共享信道；定点化；m i m o ；调制解调；吞吐量；l t e a d v a n c e d 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw 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 y ，p e o p l ep u t f o r w a r dh i g h e rr e q u r e m e m st oi n f o r m a t i o ng a t h e r i n g t h e ye m p h a s i z et h er i c h n e s so f s p e c i e s ，t h ec o n v e n i e n c eo ft h ec h a n n e l sa n dt h ea g i l i t yo ft i m i n g m4 恤g e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yl t e a d v a n c e dc o u l de n s u r et h ee f f i e i e n c yo f n e t w o r kt r a n s m i s s i o nr e l i a b l y i ti n t r o d u c e ss o m et e c h n o l o g i e sl i k em u l t i - c a r r i e r a g g r e g a t i o n ，m u l t i - p o i n tc o l l a b o r a t i o n , r e l a yt e c h n o l o g ya n de n h a n c e dm i m o t e c h n o l o g yb a s e do nl t e ，s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e st h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mu p l i n k a n dd o w n l i n kp e a l 【r a t ea n ds p e c t r u me f f i c i e n c y ，a n de f f e c t i v e l y i m p r o v e t h e p e r f o r m a n c eo ft h ec e l le d g e a so n eo ft h em o s ts i g n i f i c a n tp h y s i c a lc h a n n e li nl t e a d v a n c e d ，t h ep h y s i c a l s h a r e dc h a n n e l ( p d s c h ) c a r r i e st h ed a t af r o md o w n l i n ks h a r e dt r a n s p o r tc h a n n e l ， a n di si n t r o d u c e di nm u l t i p l ek e yt e c h n o l o g i e si np h y s i c a l l a y e ra c h i e v e m e n tt o e n s u r et h er e l i a b i l i t ya n de f f i e n c yo fd a t at r a n s m i s s i o n b a s e do np h y s i c a lk e y t e c h n o l o g i e si nl t e - a d v a n c e dp d s c h ，t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h et e c h n i c a lp r i c i p l e s a n dd os o m es i m u l a t i o na n da n a l y s i st h r o u g hb u i l d i n gp h y s i c a ll a y e rl i n ko nr e l a t e d t e c h n o l o g i e s t h i sr e s e a r c hw o r ki ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) s t u d yt h ep r o c e s s e so fp d s c hs e n d e ra n db u i l dt h ef l o a t i n g - p o i n ta l g o r i t h m s i m u l a t i o nm o d e lo ft h a t a n dt h e np r o b et h er e c e i v e ra l g o r i t h mo fp d s c hb a s e do n s e n d e r ，i n c l u d i n gs o m ec r i t i c a la l g o r i t h m sl i k em i m od e c o d e r , d e m o d u l a t i o n , d e s c r a m b l i n g ，r a t e - m a t c h i n gd e c o d e r , c h a n n e ld e c o d e ra n ds oo n ，a n db u i l dt h e f l o a t i n g p o i n ta l g o r i t h m s i m u l a t i o nm o d e lo ft h er e c e i v e r t h e na s s o c i a t et h e f l o a t i n g - p o i n tm o d e lo f t h es e n d e rt om a k ej o i n ts i m u l a t i o n sa n dv e r i f yi t sf e a s i b i l i t y ( 2 ) d i s c u s st h ef i x e d - p o i n ta l g o r i t h mp r o c e s so ft h es e n d e ra c c o r d i n gt ot h e f l o a t i n g p o i n ta l g o r i t h mm o d e lo fp d s c h b a s e do nt h a t ，b u i l dt h ef i x e d - p o i n t a l g o r i t h ms i m u l a t i o nm o d e lo fp d s c h s e n d e ra n dv e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ff i x e d - p o i n t p l a nt h r o u g hc o m p a r i n gt h ew a v e r f o r mo ff l o a t i n g - p o i n tm o d e lw i t ht h ew a v e f o r mo f f i x e d p o i n tm o d e l i i 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) a r i t h m e t i cs i m u l a t i o nb a s e do nt h ec h a n n e lm o d e lb u i l ti nd i f f e r e n ts c e n a r i o s ， s u c ha si nd i f f e r e n tm o d u l a t i o nt y p e s ，d i f f e r e n tm i m oc o n f i g u r a t i o n s ，s y s t e m t h r o u g h p u t t o t e s t i f yt h er e l i a b i l i t y o ft h e p h y s i c a ll a y e r m o d e la n d s y s t e m p e r f o r m a n c e t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o w sc o n c l u s i o n sa s f o l l o w s ：f i r s t l y , t h e b i t - e r r o r - r a t ep e r f o r m a n c ei sn o ts a t i s f a c t o r yi nt h el o ws i g n a l - n o i s e r a t ee n v i r o n m e n t 诚ml l i g ho r d e rm o d u l a t i o n s e c o n d l y ，b e t w e e nd i f f e r e n tm i m oc o n f i g u r a t i o n s ，t h e r e l i a b i l i t ya l em u c hh i g h e ri nt r a n s m i td i v e r s i t yt h a ni ns p a t i a lm u l t i p l e x i n g a tt h e s a m et i m e ，t h eb e rp e r f o r m a n c ei sb e r e ri nc l o s e d l o o ps p a t i a lm u l t i p l e x i n gt h a ni n o p e n - l o o ps p a t i a lm u l t i p l e x i n g t h es p t i a lm u l t i p l e x i n gp e r f o r m a n c ec a nb em o r e s e n s i t i v et ot h ec h a n n e lq u a l i t y 谢t l lt h ei n c r e a s i n gt r a n s m i ta n t e n n a s t h i r d l y ，t h e r e c o u l db em u c hh i g h e rs p e c t r u me f f i c i e n c ya n ds y s t e md o w n l i n kt h r o u g h p u to f l t e - a d v a n c e dt h a nt h a to fl t eu n d e rh i g h e s tc o n f i g u r a t i o n i t sp e r f o r m a n c e d i f f e r e n c e sc a nr e a c ha l m o s tt e nt i m e sw h e ni nt h ec i r c u m s t a n c e so fb e t t e rc h a n n e l q u a l i t y k e yw o r d s ：p d s c h ，f i x e d - p o i n t ，m i m o ，m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n , t h r o u g h p u t , m a d v a n c e d i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 当代社会人们对信息资源量的丰富性、信息传达的及时性以及信息获取的 便捷性的要求【l l 也越来越苛刻，人们也一直致力于信息的多快好。综观近十几年 现代人的生活方式便不难发现，人们的信息获取方式从最初的报刊杂志、广播 电视到后来的网络以及移动终端最容易发现，人们希望的是一个“3 a n y ，即 在“任何时间( a n y t i m e ) 、任何地点( a n y w h e r e ) ”获取“任何信息( a n y t h i n g ) ， 而这一切离不开移动通信技术。 我们可以将目前移动通信划分为四个阶段。第一个阶段( 1 g ，l 班g e n e r a t i o n ) 的主要是进行语音通信，如最早期a m p s 系统等；第二个阶段( 2 g ) 的通信从 基本的语音通信上扩充了数通据通，但是这个速率非常低，包括目前国内常用 的c d m a ( 1 x ) 、g s m ( g p r s ) 等系统；第三个阶段( 3 g ) 目前商用潜力巨大， 它在第二代通信技术基础上有效改善了数据通信的速率，使得视频通话成为可 能，这里典型的通信系统包括t d s c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 以及w i m a x ； 第四个阶段( 4 g ) 目前处于研究阶段或试网阶段，系统在数据通信质量质地提 升，截止2 0 1 2 年1 月份，国际电信联盟正式审议通过将l t e 、l t e a d v a n c e d 以及w i r e l e s s m a n a d v a n c e d ( 8 0 2 1 6 m ) 纳入i m t - a d v a n c e d ( 群l4 g ) 国际标准。 3 g p p 组织于2 0 0 4 年启动l t e 计划以满足日益增加的市场吞吐量需要，2 0 0 7 年1 2 月份，所有的l t e 的技术指标已经完成，并于2 0 0 8 年1 2 月份正式完成了 l t er e l e a s e8 的协议标准的制订，第二年底完成了r e l e a s e9 的标准制订，主要 对l t er e l e a s e8 中家庭基站，特别是安全和管理性能的优化【2 j 。 l t e 在技术层面与3 g 时代有明显的差异，体现在系统指标上包括带宽、系 统容量、小区覆盖半径以及多种频谱方案等。从技术层面分析，l t e 技术具有如 下的优势【3 】【4 】：第一是将通信的峰值速率大大提升，有效地解决了数据传输的吞 吐量问题；第二，系统频谱效率有显著提升；第三是系统架构上基于分组交换； 第四，提供安全可靠的q o s ，保证语音、视频等实时业务的性能；第五，对多 种不同带宽的支持，使得系统部署更加灵活；第六，降低网络处理时延；第七 武汉理工大学硕士学位论文 点，优化小区边缘传输性能。 1 2l t e a d v a n c e d 基础与现状 虽然l t e 优势已经非常明显，但与4 g 指标还有差距。2 0 0 8 年3 月，国际 电联收集i m t - a d v a n c e d 方案【5 l ，3 g p p 为继续成为4 g 一员并保持领跑地位，开 展展开基于l t e 的增强技术l t e a d v a n c e d 的方案研究，并于次年l o 月份完成 并向i t u 提交候选标准，该方案就是本文研究的l t er e l e a s e1 0 标准，它实现 了与l t e 的平滑过渡和兼容。l t e - a d v a n c e d 标准分为两个版本，分别是f d d t d 两个版本，目前都被正式纳入i t u 的4 g 标准。 作为l t e 的演进技术，l t e a d v a n c e d 能够从r 8 中平滑过渡，大大节省了 系统的运营成本，但同时还能有效改善小区边缘处的用户的使用体验，增大系 统峰值速率。l t e a d v a n c e d 采用多种新型技术，如载波聚合( c a r r i e r a g g r e g a t i o n ) 使得系统能够充分利用离散的子载波，增大系统带宽；增强的上下行天线配置 ( e n h a n c e du p l i n k & d o w n l i n km i m o ) ，能够充分利用m i m o 扩展使得频谱利 用率大大提升；多点协作传输( c o o r d i n a t e dm u l t i - p o i n t t x & r x ) 使得多个e n o d e b 可以互相协作处理用户请求，保证数据传输的可靠性；中继技术( r e l a y ) 能够 将不可靠的信道环境转换成多条高质量的信道环境，保证了传输时的信道性能。 l t e a d v a n c e d 的技术指标如下州： ( 1 ) 峰值速率提升至下行的1 g b i t s 、上行5 0 0 m b i f f s ，对应的峰值频谱效 率为下行3 0 b i t s h z 、上行1 5 b i t s h z ； ( 2 ) 上下行m i m o 配置扩展，下行最大8 8 ，上行最大4 4 天线配置； ( 3 ) 更为更活的频谱管理方式，同时支持连续和不连续的频谱，最高支持 1 0 0 m h z 的频谱聚合，并支持l t e 频段； ， ( 4 ) 降低网络建设的成本以及终端复杂度，进一步增强网络自适应。 l t e a d v a n c e d 系统无线接口协议分为三层，它们分别是物理层、数据链路 层以及网络高层。其中数据链路层分为m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，媒体接入 控制) 子层、r l c ( r a d i ol i n kc o n t r o l ，无线链路控制) 子层以及两依赖于服务 的子层：p d c p ( p a c k e td a t ac o n v e r g e n c ep r o t o c o l ，分组数据汇聚协议) 协议层 与b m c ( b r o a d c a s t m u l t i c a s tc o n t r o l ，广播组播控制) 协议层；网络高层即r r c ( r a d i or e s o u r c ec o n t r o l ，无线资源控制) 协议层。物理层作为最底层，主要保 证数据流能在空间信道中传输进行的处理。这些层级间的关系如图1 1 所示1 2 】。 2 武汉理工大学硕士学位论文 由于数据获取方式不同，物理层与媒体接入控制层和无线资源控制层均有 相应的接口，这些接口我们称之为s a p ( s e r v i c ea c c e s sp o i n t ) 服务接入点。物 理层和媒体接入控制层之间的s a p 接口为传输信道( t r a n s m i s s i o nc h a n n e l ) ，媒 体控制控制层与无线资源控制层之间的s a p 接口为逻辑信道。 层3 删 聪 层2 、 = = 轼 层l 逻辑信道 传输信道 图1 1l t e a d v a n c e d 系统分层架构 l t e a d v a n c e d 系统物理层分为上行和下行两部分。其中上行包括两个信道 及两个信号，下行包括五个信道及七个信号，具体信道如表1 1 所示。 表1 1l t e 物理信道 m - a d v a n c e d物理信号物理信道 解调参考信号( d m r s )物理上行共享信道( p u s c h ) 上行 探测参考信号( s r s )物理上行控制信道( p u c c h ) 物理随机接入信道( p r a c h ) 小区专用参考信号( c r s )物理下行共享信道( p d s c h ) 定位参考信号( p r s )下行物理控制信道( p d c c h ) 多播单频网参考信号( m b s f n r s )物理广播信道( p b c h ) 下行信道状态指示参考信号( c s i r s )物理h a r q 指示信道( p i - h c i - i ) l i e 专用参考信号( u e r s )物理多播信道( p m c h ) 主同步信号( p s s )物理控制格式指示信道( p c f i c h ) 辅同步信号- ( s s s ) 1 3 本文研究内容及结构安排 本文作者研究生在读期间，曾参与相关实习项目，对l t e l t e a d v a n c e d 物 理层有较全面的认识，实际参与了物理层的算法研究、仿真、定点化实施方案 武汉理工大学硕士学位论文 设计、性能测试整个过程，本文依托于此分析l t e a d v a n c e d 物理层算法。 1 3 1 研究内容及意义 鉴于信道间的技术共性，作者将专注于最有代表性的下行共享信道分析。 l t e a d v a n c e d 关键技术基本都能在下行共享信道中得以体现，因此此项研究有 实际的指导意义，特别是目前l t e a d v a n c e d 还处于未商业化时期，研究该系统 的原理、性能以及适用于实际d s p f p g a 硬件实施的定点方案是很有实际价值 的。 相比于前一代通信技术，之所以l t e - a d v a n c e d 如此优越，得力于系统采用 了o f d m a 技术、高性能纠码能力的编码和解码技术、更高阶的调制与解调技 术以及m i m o 技术大大提升了系统容量。本文将基于下行共享信道，重点对这 些技术的内在原理进行剖析，然后从整条链路的角度分析如何使得这些技术优 势得以互补，发挥出最大的功效。 1 3 2 全文内容安排 本文将基于下行共享链路对l t e a d v a n c e d 物理层关键技术进行研究，通过 理论分析与软件仿真，进行系统性能的验证。在文章内容结构的安排上进行如 下布置： 第章介绍无线通信发展历程、现状。特别是l t e l t e a d v a n c e d 的研究进 展，分析其技术优势。 第二章介绍l t e a d v a n c e d 系统物理层中引入的关键技术。在此着重介绍 o f d m a 、t u r b o 编解码、调制解调技术以及m i m o 技术。 第三章从处理流程的角度串联下行共享信道的不同模块，分析每个模块的 作用、处理方法、输入输出参数等，该章节将分别从e n o d e b 发送端与u e 接收 端两方面进行流程分析。 第四章将简单介绍一种可行的定点化处理方案。由于调制后的符号为浮点 值，为了便于在d s p f p g a 中进行定点运算，需要将浮点方案转换为定点方案 进行处理。本章节将对相关模块的浮定点转化方案进行简单探讨。 第五章将对不同条件下的误码情况和吞吐量情况进行仿真对比，分析系统 性能差异。 第六章对本文研究进行回顾与展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章l t e a d v a n c e d 下行共享关键技术 为了最大程度地提升系统上下行传输速率，保证信息的完整与可靠并尽可 能高地频谱利用率，3 g p p 组织在物理层上引入了全新的o f d m a 多址接入技术 实现带宽资源的动态分配，优化资源配置。同时，采用t u r b o 编码和译码方案， 该编码方式采用交织器方案以抵抗突发错误，有很强的纠错能力。系统采用的 高阶调制技术使得每比特的信息量更大，从而有效改善了信息传输率问题。多 发多收m i m o 技术的引入，利用空间信道的特性，化弊为利，保证了更底的误 码率，并且成倍地增加信道容量。以下本文将逐节介绍这里采用的关键技术， 领略他们的优势所在。 2 1o f d m a 技术 o f d m a ( 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 ea c c e s s ，正交频分多址) 目前己在l t e l t e a d v a n c e d 以及w i m a x 在采用【7 j ，它将系统宽带划分成正交的 相互独立的子载波集合，并将这些子载波按照一定的方式( 静态或动态地) 分 配给不同的用户实现多用户接入，并且多用户问的数据互不干扰，更重要的是 这样的方式能将带宽利用率提升整整一倍。我们知道，在实现的空间信道中， 不同的用户的接收性能是有很大差异的，即使是同一用户，在不同的频率段或 者不同的时间段内，接收的效果也完全不同，我们分别称之为“频率选择性衰 落 与“时间选择性衰落【引，如何尽量使用户保持最好的频带以及最佳的接收 窗口以实现性能的最佳化呢? o f d m a 的引入对于这些问题迎刃而解。 2 1 1 资源栅格 实际上，o f d m a 方案可以看作是空间资源以时间和频率划分为无数的一定 大小的资源粒子( r e s o u r c ee l e m e n t ) ，每个资源粒子对应于一个特定的时间段与 频率点，而这些资源粒子间在频域上是相互独立的。前面还讲到，o f d m a 在保 证频域独立性的同时，还将带宽利用率提升一倍，以下图2 1 很清晰地反映射了 o f d m a 的频谱特性9 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1o f d m a 方案频谱示意图 最高值频率对应于资源粒子的频率点。图中可见，当处于这些频点时，其 他的子载波分量的幅值均为零，也就是说，载波分量间是完全正交互不干扰的， o f d m 正是运用了这点重要特性。在常用的f d m a 接入技术中，载波2 是不能 够被运用的，因为它与载波1 与3 有重叠。由此可见【l o l ，利用载波正交性，可 以在原有的f d m 载波两个频点间再插入一个频点，实现带宽利用率提升1 0 0 。 同时，为了保证尽量降低多普勒频移的影响，子载波的间隔需要大于l l k h z ， 通常设置为15 k h z 。 图2 2 中描绘了o f d m a 资源粒子与用户带宽分配的关系示意图，对于多载 波聚合场景【1 1 】，该图表示某一个主服务小区的p c c ( p r i m a r yc o m p o n e n tc a r r i e r ， 主成分载波) 或从服务小区的s c c ( 从成分载波) 。 纵坐标与横坐标( 忌，) 分别表示频域与时域，每一个资源粒子对应于一个子 载波和一个o f d m 符号时间，而一个资源块由蛾。硭个资源粒子构成，如 图中粗框所示。在o f d m a 中，系统给用户分配时频资源的时候都是以资源块 为基本单位，不同的用户在相同时隙时间内所处的频带不同，同一用户在不同 时刻频点也不尽相同。图2 2 不同颜色区域表示不同用户所占的资源状况，可见， 用户的资源分配是一个动态变化的过程。这种方式呈现随机特性，因而保证了 信息安全。这些看似随机实际有一定跳频规则的分配方式还使得用户的接收区 域始终保持较低的频率选择性衰落区别，从而提高了系统的吞吐量。另外，从 整个频带上看，不同的用户占据不同的频带资源，从而大大降低了下行基站发 送的p a p r ( p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o ，峰均功率比) ，对硬件设计的要求也大 大降低。( 峰均比是系统设计的一个重要因素，过高的p a p r 会导致硬件设计复 杂，数据失真等多种弊端。在l t e a d v a n c e d 系统中上行采用的s c f d m a 接入 方式实际上通过d f t 操作模拟o f d m a ，但其峰均比性能还是无法达到 6 武汉理工大学硕士学位论文 o f d m a 12 1 。) 2 1 2 帧结构 卜= 6 个o f d m 符号叫 髟钐钐杉麟麟麟麟缀鬻鬻 黼瓣懋鬟黼瓣鬻 钐 钐 瓣戮麟麟黼滋麓 钐钐 杉，钐杉 瓣 黼 鬻戮黼瓣鬻 钐 钐形凝缓黧鬻麓溅籀 _ 杉钐缀黼麓滋黼瓣麴 钐，麓戮瓣麓麓溅瓣 杉 钐杉 辫辫瓣骥辫熬瓣 钐 钐钐嚣 鬃 羧麓髓稳戮 钐钐杉 麓 麓 黧麓麓黧辫 钐钐钐 纛 麓 鬣辫戮骥戮 钐钐杉 溪辫麓骥麓麓黪 钐钐钐 馨戮燃鬻搿隧隧 酵黪匿酵巨譬匿 ；夕。夕j ， 钐彭 隧。酸|酴醛黪 鞋整 。穆钐 黪藩 鬻艮霞蘸 嫠，夕i衫 薛蘸 馨醚 鬃 黪襄夕 i i ，钐 霞瞻黼酷s 鐾罄 ，钐 ， 豢睡邕 霞 l 鏊 擎 夕 ：夕j ： ：夕7 杉 暖落黢，墼鏊j夕 ，：，i i , , f，i - ，钐 r， 一| ， 罄蟹图l誊馨辇器么 ， 一夕，： 7 。，l 鬣鏊甏蘸鬃錾篓 ， ， 7 。 ，7。，7 ，夕 + 蘸黪肇紧 簿器器 杉i二，： 夕i 形 ，| ， ， 钐鬣甏擎霞黪 辇 鏊 ， 0 一 7 ， ， 羧睡髟蜜蘸黔警 0 一 7 ， ，。，i ， 醪黪盼 黪髦露匿 7 一一 i ii | 从时域上看，信息是连续发送的，l t e a d v a n c e d 中将每1 0 毫秒划为一个帧 ( f r a m e ) 1 3 】，每个帧划分为1 0 个子帧( s u b f l a m e ) ，每个子帧划分为两个时隙 ( s l o t ) ，每个时隙跟据不同场景划分为7 个( n o r m a lc p ) 或者6 个( e x t e n d e dc p ) o f d m 符号，每个符号对应的时间窗口为瓦= v 0 5 0 0 0 2 0 4 8 ) 秒，这些帧在时隙 上不同时间处于不同的工作状态，目前支持f d d 和t d d 两种模式下的帧结构。 1 2 肖 岛 用 用 囝 团 赢 定 一 域 一 顷1 1 l 武汉理工大学硕士学位论文 帧结构l 是适用于全双工或者半双工模式下的f d d 方式，其帧结构如图2 3 所示。对于这种帧结构的，上行传输与下行传输所占的频带是分离的，因此可 以实现全双工的f d d 交互；如果系统被限定为半双工模式，则上行和下行传输 不能够同时进行f 1 4 1 。 无线帧，t r = 3 0 7 2 0 0 t s = 1 0m s 时隙，乃d = 1 5 3 6 0 t 。= 0 5m s 图2 3f d d 模式帧结构 帧结构2 适用于半双工t d d 方式。这种模式下存在由下行导频区间、保护 区间以及上行导频区间这三个域的特殊子帧，分别用于发送下行导频、保护间 隔、发送上行导频信息。如果下行向上行转换周期为5 毫秒时，6 号子帧不作为 特殊子帧，而仅发送下行信息；否则当下行向上行转换周期为1 0 毫秒时，6 号 子帧用作特殊子帧。 无线帧，t f = 3 0 7 2 0 0 , = 1 0m s j ，帧，1 5 3 6 0 0 , 2 5 m s i i圣。尸ee。，ls三。,。瓦3。7。瓦。、二、。- 1 - - 一。 、，、 子晚i 撑0子帧撑2 4子帧# 5子帧# 7 - - 9 子帧，3 0 7 2 0 t s 厂f厂下 ! 一 l d w p t sg p u p p t s d w p t sg p u p p t s 图2 4 t d d 模式帧结构 不同上下行配置模式和转移周期下，t d 模式子帧配置不尽相同，如表2 1 所示，其中d 表示d o w n l i n ks u b f r a m e ，u 表示u p l i n ks u b f r a m e ，s 表示s p e c i a l s u b f r a m e 。 8 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1t d d 模式的上下行子帧结构配置 上行下行下行上行子帧号 配置转换周期 0l2345678 9 05m sdsu u u dsu uu 15m sdsu u d dsu u d 25m sdsu d ddsu d d 31 0m sdsu u u d d d d d 41 0m sdsu u d d d d d d 5 1 0m sdsu d d dd d d d 65m sdsu u u dsu u d 2 2t u r b o 编解码技术 香侬曾在有噪信道编码论中提出并推导证明了重要的结论，只有满足以下 要求时才能无差错达到信道容量的速率极限：( 1 ) 编码和译码足够随机化；( 2 ) 码长趋向无穷；( 3 ) 译码尽量采用m a x i m u ml i k e l i h o o d 译码【1 5 】。 2 2 1t u r b o 编码 t u r b o 正是采用并满足香农极限的一种编码方式。它通过并行级联实现通 过分量短码来构造t u r b o 长码；采用交织方式，比特顺序被完全打乱，因而可 令码字具有伪随机的特征；同时，在接收端采用最大后验概率译码，通过多次 迭代使得译码性能接近最大似然译码。 l t e a d v a n c e d 系统物理层p d s c h 编码方案中的t u r b o 编码器采用的是8 状态、并行级联卷积编码( p a r a l l e lc o n c a t e n a t e dc o n v o l u t i o n a lc o d e ，p c c c ) 方 案，其编码码率为1 3 ，其结构示意图如图2 5 所示。 该8 状态编码器分量码传递函数【1 6 1 为 g ( d ) ：i1 ，墨螋i ( 2 1 ) 一lg o ( d ) j 其中，g o ( d ) = l + d 2 + d 3 ，g l ( d ) = 1 + d + d 3 。 图中，靠( 七= 0 ，1 ，2 k 一1 ) 为输入比特流，c ：为经过内交织器进行处理后的 比特流，和磊为第一个分支编码器输出的系统比特流与校验比特流，和z ： 为第二个分支编码器输出的系统比特流与校验比特流【1 7 1 。当k 个输入比特流全 部被送入编码器后输出以、气、z ：长度也为k ，最后需要将移位寄存器的最后 9 武汉理工大学硕士学位论文 状态作为尾比特，重新送入编码器进行栅格终止。显然，为了使寄存器状态重 新返回初始状态，需要通过3 次移位( k = k k 十1 ，k + 2 ) 才能完成，从而对于每个输 出都会产生额外3 比特信息。 第一个分支编码器 ： 爪爪- c i t，_ t _ 。m 。 ， 7 f 下7 一乙1 _ it u r b o 编码 w 、 第二个分支编码器 l 内交织器 。爪。爪。 z 一 爪 田，工田冈： ， 7 l 苓t7 u 1 p w - 图2 - 5l t e - a d v a n c e d 的1 3 码率t u r b o 编码器结构 t u r b o 编码的输出包括三串比特流，分别是碰0 1 、d ? 、碰孙，其长度均为 d = k + 4 。 对于七= o ，l ，2 。一1 ， 磷o = 砟，1 = 名，2 = ( 2 - 2 ) 对于七= k ，k + l ，k + 2 ， d ? = 工rd 艘l = z k + ld 艘2 = 工叠d 艘3 - - z r r + l d 2 = z k ，d 2 j l - - - - x k + 2 ，一d 足o + ) 2 = z 幺，d j 32 工名+ 2 ( 2 3 ) d 擘= x md 2 l = z 黼d 艘2 = 石幺+ l 理3 = z 0 2 对于编码器中的一个很重要的组件就是t u r b o 编码内交织器，它是一种无 争用( c o n t e n t i o n - f r e e ，c f ) 的二次置换多项式( q u a d r a t i cp e r m u t a t i o np o l y n o m i a l ， q p p ) 交织方式，其交织方式如下：假设输入比特流为c o ) c ，c 川，输出比特 流为c ：，c ，c 名- l ，其序列长度保持一致，但交织后的比特位置满足 一=cn(0(2-4) n ( f ) = i + f 2 i 2 ) r o o d k ( 2 - 5 ) 参数石和正取决于块大小k ，在l t e a d v a n c e d 标准中规定了不同特定输 入长度的比特流对应的唯一( z ，以) 。 1 0 、liii靴illij 武汉理工大学硕士学位论文 通过应用q p p 模块能够带来多重优势【1 8 】，包括： ( 1 )只需两个参数来对交织器描述，交织器参数的存取空间要求非常小； ( 2 )解交织过程同样为相应的的q p p 模块； ( 3 )支持不同码长，而且相邻码长差距小，避免过多的比特填充对系统 资源的占用与浪费； ( 4 )只需要进行简单的多项式计算，不需要过多查找； ( 5 )由于t u r b o 码输出具有咬尾特性，采用q p p 方式后t u r b o 码具 有准循环结构，因而接收端可以进行并行译码以降低译码过程带来的时延； ( 6 )将输入的原比特流进行伪随机化，从而将原本可能的连续出错比特 打散，成为随机错误以便于译码恢复。 2 2 2t u r b o 译码 t u r b o 译码过程采用的是软比特输入软比特输出的方式，最后判决时进行 硬判决为o 、l 比特。通过这种方式，能够在保证译码准确性的前提下，复杂度 不至于过高。 系统软比 校验软比 校验软比 出 图2 6 t u r b o 译码 图2 - 6 所示为译码框图。它的主体为两个分量译码器，它们为s i s o ( s o r - i n p u t & s o f t o u t p u t ，软输入软输出) 形式；两个交织器与2 3 1 节t u r b o 的内交织器 完全相同，解交织过程是其对应的逆过程。 分量译码器模块包含三个输入参数，分别为系统软比特流、校验软比特流 以及先验软比特信息，输出为每一比特的似然概率信息。如图中分量译码器1 的输入为系统软比特、校验软比特l 以及由分量译码器2 输出并解交织所得的 先验信息，输出为信息流1 ，该信息流联同系统软比特以及分量译码器2 输出的 武汉理工大学硕士学位论文 先验信息进行叠加形成外信息l ，交织后作为分量译码器2 的先验信息；随后， 分量译码器2 将系统软比特交织后的比流特以及校验软比特2 一起作为输入： 通过上面同样的算法进行译码得出似然信息流2 ，该信息流再联同输入分量译码 器2 的两个流进行叠加并解交织，所得的结果作为分量译码器1 先验信息。 以上过程记为一次迭代，迭代过程可以无限循环下去。研究仿真证明，当 迭代次数过多( 1 0 次以上) ，译码性能的提升空间不明显，而处理时延却线性增 加，为此，往往限定迭代次数，或定值，或随实际情况进行一定范围内动态变 化。当达到相应次数时，系统直接进行硬判决作为输出。 译码器的设计主要在分量译码器的算法设计上，最早的是采用m a p 算法。 m a p 算法采用的最大对数似然比译码方式，其算法设计中过多地使用指数、对 数等运算，系统开销过大，不利于硬件集成实现。于是本设计中采用 m