（通信与信息系统专业论文）基于多载波聚合技术的频点分配和保护带宽设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着3 g 逐渐成熟并且走进商用，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。3 g p p l t e 是当前最受关注的宽带移动 通信标准，它是对现有的3 g p p 无线技术进行演进，以支持更高的数据速率、 低延迟和优化分组接入技术等。随着l t e 的迅速发展，3 g p p 逐步开展了 l t e a d v a n c e d ( l t e a ) 系统相关技术的研究工作。与l t e 系统相比，l t e a 系统 在关键技术方面有了很大的增强，它引进了频谱聚合技术、中继( r e l a y ) 技术、协 同多点技术。当前l t e a 系统有6 个候选频通过复用已有的l t e 系统资源，多 载波聚合技术大大降低了系统的设计难度，便于实现l t e 系统向l t e - a 系统的 平滑过渡，满足了系统后向兼容性的要求，进而大大缩短l t e a 系统的商用时 间。 本文研究了l t e a 系统中的多载波聚合技术，通过直接聚合多个l t e 载波， 不需要重新设计物理信道和调制编码方案，达到减少对l t e 系统物理信道和调 制编码方案的影响的效果。通过复用已有的l t e 系统资源，大大降低了l t e a 系统的设计难度。文中首先介绍了载波聚合的原理以及应用场景，研究了两种 载波聚合的实现方式连续载波成员聚合和非连续载波成员聚合。考虑到实 现的复杂度以及实际成本问题，本文主要研究连续载波成员的聚合。然后在后 向兼容性和系统性能之间做了不同的权衡和考量，具体研究了三种不同保护带 宽的连续载波聚合方案，它们在频点的分配和保护带宽的设计上都有不同之处。 在这三种不同的方案基础上，分别进行了链路级仿真，将三种方案各自的优缺 点进行了比较和分析。然后结合了多天线分集技术，对三种不同方案进行仿真， 并且将单天线和多天线情况下载波聚合后的链路性能进行了比较。根据以上的 研究工作，本文给出了对于载波聚合后续研究的意见。 关键词：l t e a d v a n c e d ；载波聚合；保护带宽；o f d m ；多天线分集； 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h e3 gt e c h n i q u eg r a d u a l l yb e c o m em a t u r ea n dw i l lb eu s e di nb u s i n e s si n t h en e x tf e wy e a r s ，m a n y3 ge v o l u t i o nt e c h n o l o g i e sh a v eb e c o m et h ek e yc o n t e n ti n t h er e s e a r c hf i e l d so ft e c h n o l o g ya n ds t a n d a r d s 3 g p pl t e ，at e c h n i q u ee v o l u t i o nt o t h ee x i s t i n g3 g p pw i r e l e s st e c h n i q u es oa st os u p p o r th i g h e rd a t ar a t e ，l o wl a t e n c y , a n do p t i m i z e p a c k e t a c c e s st e c h n o l o g y , i sn o wt h em o s tp o p u l a rs t a n d a r di n b r o a d b a n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fl t e ，3 g p p g r a d u a l l yl a u n c ho u ti n t ot h er e s e a r c ho fl t e - a d v a n c e d ( e r e ms y s t e m c o m p a r e d 埘t i ll t es y s t e m ，l t e - as y s t e mh a sag r e a te n h a n c e m e n ti nk e yt e c h n o l o g i e s ，w h i c h i n c l u d e dt h ec a r r i e ra g g r e g a t i o n ，r e l a y ( r e l a y ) t e c h n o l o g ya n dc o m pt e c h n o l o g y t h ec u r r e n tl t e as y s t e mh a ss i xf r e q u e n c i e sa sc a n d i d a t e 3 g p pp u t sf o r w a r dt h e c a r r i e ra g g r e g a t i o nt e c h n o l o g yt os o l v et h ep r o b l e mo fl a c k i n go fs p e c t r u mr e s o u r c e i nl t e as y s t e m i nt h i sp a p e r , c a r r i e ra g g r e g a t i o nt e c h n o l o g ya g g r e g a t i n gs e v e r a ll t ec a r r i e r si s b e i n gr e s e a r c h e d ，w h i c hh a sl e s se f f e c to i lt h ec u r r e n tl t ep h y s i c a lc h a n n e l s ，s ot h e r e i sn on e e dt od e s i g np h y s i c a lc h a n n e l sa sw e l la sm o d u l a t i o na n dc o d i n gm e t h o d s b y m e a n so fr e u s i n go ft h ec u r r e n tl t er e s o u r c e s ，c at e c h n o l o g yc a l lr e d u c et h ed e g r e e o f d i f f i c u l t yi nd e s i g n i n gt h el t e - as y s t e ma sw e l la st h et i m el t e - ac a nb ea p p l i e d i nb u s i n e s s f i r s t l yt h ec o n c e p to fc at e c h n o l o g yw a si n t r o d u c e d s e c o n d l y3 d i f f e r e n tc am e t h o d sw e r eb e i n gr e s e a r c h e db a s e do nag r e a ta m o u n to f3 g p p p r o p o s i t i o n sw h i c hh a s d i f f e r e n t g u a r db a n d w i d t h a sg o o dc o m p a t i b i l i t ya n d s p e c t r u me f f i c i e n c ya sw e l la sc o m p l e x i t yo ft h er e a l i z a t i o ns h o u l db ec o n s i d e r e d ， e a c hc am e t h o dh a st h e i ro w na d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s i no r d e rt oa n a l y z ea n d s o l v et h e s ep r o b l e m s ，al o to fr e s e a r c hw o r ka b o u tc am e t h o d ss i m u l a t i o na n a l y s i s w a sb e i n gd o n e a tl a s t ，s o m es u g g e s t i o n sa b o u tf u t u r er e s e a r c ho fc aw e r eg i v e n k e yw o r d s ：l t e - a d v a n c e d ；c a r r i e ra g g r e g a t i o n ；g u a r db a n d w i d t h ； o f d m ；a n t e n n ad i v e r s i t y 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 课题背景介绍 第1 章绪论 移动通信与宽带无线接入技术的融合趋势促使3 g p p 启动了l t e 项目，以 期能与w i m a x 标准展开市场竞争。 “宽带接入移动化 的趋势从固定局域接入向游牧城域接入，再向广域移 动接入的发展历程已经体现的十分明显，这使得定位于有线宽带接入技术的替 代的宽带无线接入向移动通信领域渗透带来了新的机遇，同时也对传统移动通 信产业形成了竞争和挑战。与此同时，移动通信技术也向能够提供更高的数据 速率发展，3 g p p 标准和3 g p p 2 标准分别向h s p a 和高速分组数据h r p d 演进， 标志着3 g p p 和3 g p p 2 在坚持蜂窝移动能力的同时，日益重视低速局域场景下 的接入能力。这种“移动通信宽带化趋势，为蜂窝移动通信产业从传统话音 业务拓展到宽带数据业务领域带来了契机1 1 4 j 。 自2 0 0 4 年年底启动3 g 长期演进( l t e ) 研究与标准化工作以来，经过7 年多紧张的工作，已经先后完成了r 8 、r 9 、r 1 0 三个版本标准的制定，l t e 标 准已经完全达到了商用要求。通过在物理层引入o f d m 和m i m o 等新技术，使 l t e 空中接1 ：3 的接入速率达到了1 0 0 m b p s ，实现了“更高目标。通过将原有 接入网两层结构中i 斟c 功能的下移，并取消r n c 节点的新型扁平化网络结构， 实现了“更快 的目标。通过对i p 技术良好支持的全i p 系统架构，实现了“更 强”的目标。因此，从技术演进的角度来看，l t e 实际上是一次“划时代”的革 命，它为移动通信技术向着4 g 方向发展打下了坚实的基础【2 j 。 2 0 0 8 年3 月，在l t e 标准终于接近于完成之时，一个在l t e 基础上继续演 进的项目一先进的l t e a d v a n c e d 项目又在3 g p p 拉开了序幕。如果说l t e 可以 被看作“准4 g 技术，l t e a d v a n c e d 就是名正言顺的“4 g 技术。由于l t e 已经具有相当明显的4 g 技术特征，只要在其基础上进行适当的增强就，可以满 足i m t - a d v a n c e d 的需求。因此，3 g p p 势必要稳定l t e 标准的更新状态，为l t e 的产业化和商业部署营造良性的环境。出于这种考虑，l t e a d v a n c e d 注定不会 武汉理工大学硕士学位论文 成为再一次的革命，而一定会作为在l t e 基础上的平滑演进p 】。 基于这样一种定位，l t e a d v a n c e d 系统应自然地支持原l t e 的全部功能， 并支持与l t e 前后向兼容性，即r 8l t e 的终端可以接入未来的l t e - a d v a n c e d 系统，l t e a d v a n c e d 系统的终端也可以接入r 8l t e 系统。如果这一需求得到 严格的执行，势必要求l t e a d v a n c e d 与l t e 在现有的部署场景下公用一个技术 平台，只是在某些l t e 没有考虑到的新场景中采用一些更优化的技术。 根据w r c 0 7 ( 2 0 0 7 年世界无线大会) 会议的结论，l t e a d v a n c e d 的潜在 部署频段包括以下：4 5 0 m h z 4 7 0 m h z 、6 9 8 m h z 一- - 8 6 2 m h z 、7 9 0 m h z 8 6 2 m h z 、 2 3 g h z 2 4 g h z 、3 4 g h z 一4 2 g h z 、4 4 g h z - - 一4 9 9 g h z 等。我们可以看到除了 2 3 g h z - - 一2 4 g h z 位于传统的蜂窝系统常用的频段外，新的频段成高低分化的趋 势。尤其是大量的频段集中在3 4 g h z 以上的较高频段。目前，l t e a d v a n c e d 系统支持的最小带宽为2 0 m h z ，最大带宽达到i o o m h z 。l t e a d v a n c e d 支持的 下行峰值速率为1 g b i t s ，上行的峰值速率为5 0 0 m b i t s ，下行频谱效率提高到 3 0 b i t s h z ，上行的频谱效率提高到1 5 b i t s h z 【1 1 。 与l t e 系统相比，l t e a d v a n c e d 系统在关键技术方面有了很大的增强，它 引进了中继( r e l a y ) 技术、聚合技术、协同多点技术。当前l t e - a d v a n c e d 系统 有6 个候选频点，假如考虑到现有的频谱分配方式和规划，很难找到足够大的 承载l t e a d v a n c e d 系统1 0 0m h z 带宽的整段频带。因此，3 g p p 提出了使用载 波聚合技术来解决l t e a d v a n c e d 对频带资源的需求。多载波聚合技术是直接聚 合多个l t e 载波，所以不需要重新设计物理信道和调制编码方案，并且减少了 对l t e 系统物理信道和调制编码方案的影响。多载波聚合技术通过复用已有的 l t e 系统资源，大大降低了l t e a d v a n c e d 系统的设计难度，便于实现l t e 向 l t e a d v a n c e d 的平滑过渡，满足了系统后向兼容性的要求，进而能大大缩短 l t e a d v a n c e d 系统的商用时间。 1 1 2 研究的现状 在2 0 0 8 年6 月，3 g p p 完成了l t e a d v a n c e d 的技术需求报告，提出了 l t e - a d v a n c e d 的最小需求：下行峰值速率1 g b p s ，上行峰值速率5 0 0 m b p s ，上 下行频谱利用率分别达到15 b i t s h z 和3 0 b i t s h z 。这些参数已经远高于i t u 的 最小技术需求指标，具有明显的优势。 从技术需求上可以看出，与l t e 相比，系统的性能被大大地增强，彻底完 武汉理工大学硕士学位论文 成了3 9 g 到4 g 的转变。为了实现这些指标，目前3 g p p 已经制定了几个主要 的研究方向：为了实现更高的传输速率，同时避免降低功率效率，进一步的扩 展带宽成为首选，而频谱聚合技术将成为关键技术点；为了提高空间复用率， 满足更高的频谱使用效率，多天线复用技术有待于增强，一些公司也提出在特 定环境下上行可采用o f d m a ( 正交频分多址) 的方式；在l t e a d v a n c e d 要求 的高系统容量要求前提下，为了在高频段上实现大范围和高质量的覆盖，中继 技术也将备受关注；为了增强小区间的干扰调制和上下行的信号强度，协同多 点传输技( c o m p ) 将成为未来的一个研究热点，此外m b m s ( 多媒体广播组播) 、 移动性等功能的增强也将成为重要的研究方向。 i t ui m t a d v a n c e d 要求系统的最大带宽不小于4 0 m h z ，考虑到现有的频谱 分配和规划，3 g p p 确定采用载波聚合的方式，从而解决l t e a d v a n c e d 系统对 频带资源的需求。载波聚合可以分为连续载波聚合和非连续载波聚合。连续载 波聚合可以简化基站和终端的配置，可以应用如3 4 - 3 8 g h z 频段的频率分配； 非连续频谱聚合有更强的频谱聚合灵活性，需要定义频谱聚合所支持的终端能 力，以便将终端大小、成本和功率损耗降到最低【l 引。 3 g p p 自r a n # 5 3 次会议开始讨论载波聚合的相关内容，在r a n # 5 4 次会议 得出如下几点基本结论：考虑到与l t e 的兼容性，各个成员载波将采用l t e 的 设计，并占最大1 1 0 个r b ( 2 0 m h z ) ；所有的成员载波都是与r 8l t e 兼容的。 但不排除对非后向兼容的成员载波的考虑：关于聚合带宽和上下行非对称，u e 可能被配置为在上下行分别聚合不同数量，不同带宽的成员载波，而对于t d d ， 典型情况下，上下行的成员载波是相同的1 7 。 由于l t e - a d v a n c e d 系统下行链路载波要求严格的时间同步，并且子载波之 间满足正交性，我们可以考虑减少载波间的保护带宽来提高系统的频带利用率。 在聚合连续载波时，合理减少载波间的保护带宽，将增加l t e a d v a n c e d 系统内 的时间一频率资源块( i 也) 的数量，从而提高了载波聚合后的频带利用率。本 论文即是以此为出发点，基于多载波聚合技术考虑频点分配问题以及保护带宽 的设计，从而达到提高系统的频谱利用率的目的。 1 1 3 研究的目的和意义 为了满足l t e a d v a n c e d 所提出的峰值速率和峰值频谱利用率的要求，系统 需要最大支持1 0 0 m h z 的带宽。然而在现有的可用的频谱资源里很难找到这么大 武汉理工大学硕士学位论文 的带宽，而且大带宽对于基站和终端的硬件设计也带来很大困难。此外，对于 分散在多个频段上的频谱资源，亟需一种技术把它们充分地利用起来。因此， l t e a d v a n c e d 弓l 入了载波聚合( c a r r i e ra g g r e g a t i o n ) 技术。 c a 可以聚合若干个连续的或者不连续的载波段共同为终端所使用。r i o 版 本及其后面的版本都支持连续载波聚合和非连续载波聚合，以及频带间的非连 续载波聚合。为了保证与l t er 8 的兼容性，l t e 终端要求可以接入其中的一个 甚至所有载波段。 依据现有的r i o 版本的标准对c a 技术的要求，所聚合的载波成员可以是高 频段的频带，也可以是低频段的频带，这样可以保证很好的覆盖率和系统容量。 然而引入载波聚合技术的初衷，主要是为了实现更高的数据传输速率，而不是 单纯的提高覆盖率。这是由于所聚合的不同频段的载波的传播特性不相同，不 连续载波成员的聚合给r f 模块的处理增加了很大的难度，另夕i - u e 接收端的复杂 性也大大提高了。因此，位于同一频段的连续载波成员的聚合技术的研究与实 现应该更具有实际的工程意义。 1 2 论文的主要工作及内容安排 本文的主要工作如下： ( 1 ) 研究分析载波聚合的原理、不同聚合方式以及聚合的应用场景； ( 2 ) 研究设计三种不同保护带宽的c a 方案，针对不同保护带宽下的c a 方案进行链路级的仿真分析； ( 3 ) 结合多天线分集技术对不同保护带宽下的c a 方案进行仿真分析，给 出对于载波聚合后续研究的意见。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章载波聚合概述 l t e a d v a n c e d 要求应与l t er 8 能够完全的兼容，因此在r 1 0 版本的协议 中，系统仍使用o f d m ( 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 ) 作 为物理层的下行多址方案，有效的提高频谱利用率。o f d m 作为未来移动通信 系统的物理层最关键的技术，是后续章节讨论的基础。多天线分集技术作为有 效的抗衰落技术，与载波聚合技术结合之后，能有效提高系统的系能。本章介 绍载波聚合的相关技术，如o f d m 原理，多天线分集技术以及载波聚合的原理。 2 1o f d m 技术简介 2 1 1o f d m 系统基本原理 o f d m 技术与传统的频分复用技术不同，是一种多载波调制技术【1 7 1 。它的 主要思想是将高速的串行数据流分解为多路并行的低速数据流，然后在多个载 波上同时传输。由于每个子载波的信号频谱在频域是相互重叠的，根据数据信 号处理的知识，我们知道只要在每个子载波的频域抽样点不产生干扰，让它们 保持很好的正交性，这样在接收端就可以完整的恢复原始的信号。因此，相对 于传统的频分复用技术，它大大提高了频谱的利用率。在传统的频分复用技术 里，为了能让接收端的滤波器将不同频率的载波信号区分开，每个载波之间的 保护间隔要足够的远，而且每个载波需要一个与之对应的接收滤波器，易操作 性和频谱效率都远远不如o f d m 。与此同时，对于o f d m 的每个子载波而言， 由于符号周期的展宽，多径效应带来的时延扩展相对变小。当每一个o f d m 符 号中插入了一定的保护时间以后，码间干扰几乎就可以忽略不计了。而且由于 每个子载波所占的信道带宽仅仅是原信道带宽的小部分，信道均衡变得相对容 易【4 1 。 一个o f d m 符号内包含多个经过相移键控或者正交幅度调制( q a m ) 的子 载波。它的符号表达式为： 必 s ( f ) = 乏：ze x p u 2 衫，) ，0 f t ( 2 - 1 ) 武汉理工大学硕士学位论文 其中n 表示子载波的个数，t 表示一个o f d m 符号的持续时间， 谚( 江0 ，1 ，2 ，一1 ) 是分配给每个子载波上的数据符号，z 是第i 个子载波的载 波频率， 待n ( 2 - 2 ) 其中正是载波中心频率。一般情况下，我们习惯使用等效的基带信号，所 以通常将( 2 1 ) 写成式( 2 3 ) s o ) ：艺z i e x p ( j 2 n 亭t ) ，0 鲻t q 。 s o ) = z ，f 川 i = 0 i 对上述基带o f d m 信号以t n 的速率进行抽样，即令做t n ，得到： 轳 = 委n - i d r exp(js(krn)d 等) ，( 。k n - 1 ) ( 2 - 4 ) & = 等) ，( o ( 2 - 4 ) f = o 可以看到s 。等效为对矾进行i d f t 运算。 根据以上分析可知，o f d m 系统的调制可由i d f t 来实现，通过n 点i d f t 运算，把频域数据符号变换为时域符号，经过射频载波调制后，发送到无线信 道中。图2 1 为o f d m 的调制原理框图。 别蓁耄 串并 变换 d a 变换 低通i 荆 滤波r 图2 1o f d m 调制器 同样在接收端，为了恢复出原始的数据符号d t ，根据离散傅立叶变换的性质， 再对接收信号做一次离散傅立叶变换，即可以恢复。对进行d f t 变换后，得 到： = 委n - i s uexp(一等)，(。ndr - k i n - 1 ) ( 2 - 5 ) = ( 一f ) ，( o ( 2 - 5 l = o ， 图2 2 是o f d m 解调原理框图。 6 武汉理工大学硕士学位论文 蚓数据 数据i 编码 低通i 荆 滤波r 图2 2o f d m 解调器 以上就是利用数字信号处理技术来实现多载波并行传输的原理。这样大大 简化了多载波系统的结构，而且在实际应用中，可以采用更加方便快捷的快速 傅立叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，f f 研f f t ) ，即使子载波的数目增长的再大， 计算的复杂度也变化的比较缓慢，这样大大增强了o f d m 的实用性。 o f d m 技术有许多优点： ( 1 ) 频谱利用率高。o f d m 技术中各个子载波可以部分重叠，理论上可以 接近奈奎斯特极限，并且子载波之间保持相互正交，从而能使用户间的干扰得 到有效的避免。 ( 2 ) 带宽扩展性较强。o f d m 信号的带宽取决于子载波的数目，因此它具 有较好的带宽扩展性。我们仅仅改变f f t 运算的点数，就能改变信号的带宽。 同时频谱资源的分配也很灵活，用户的数据可以在子载波上集中分配，也可以 分布式分配。 ( 3 ) 有效克服多径效应的影响。通过给o f d m 符号添加循环前缀的方式， 多径效应带来的衰落能够很好的被克服。由于无线信道的频率选择性，当系统 带宽大于信道相干带宽时，多径干扰会变得很不可忽视。而o f d m 技术中将高 速的数据流串并转换之后，可以近似的将子载波信道看成是平坦的衰落。因此 均衡也会变得简单许多。 2 1 2o f d m 需要改进的问题 上一小节里介绍了o f d m 的若干个优点，但是它本身也还存在着一些缺陷。 本小节主要介绍在实际运用中，o f d m 技术所存在的一些需要克服的问题。 ( 1 ) p a p r ( p e a k - t o a v e r a g e p o w e rr a t i o ) 问题 o f d m 属于多载波传输技术的一种，当多个独立的子载波信号在时域叠加， 并且它们的相位相同时，信号的瞬时功率会远远大于它的平均功率，这样就会 出现较大的峰均功率比。峰均功率比定义为信号的瞬时峰值功率与平均功率的 比值，即 7 武汉理工大学硕士学位论文 一= 1 0 l 0 9 1 0 黹 c d b ) 协6 ， 其中尸( ，) 是0 f d m 信号的功率【2 4 】。 随着子载波数目的增大，系统的p a p r 还会增大。如果p a p r 过大，会导致 o f d m 发射机的信号功率变化范围很大。这样一来，对系统内部的功放和模数 数模转换器件的线性动态范围的要求会很高。一旦动态信号的变化范围超出了 这些器件的线性范围，将会产生畸变，从而使得o f d m 信号的正交性遭到破坏。 因此降低o f d m 信号的p a p r 是很重要的，需要在性能、频谱效率以及实 现的复杂度上面做权衡。 ( 2 ) 时间和频率同步问题 o f d m 技术的另一个很明显的缺陷就是受同步误差的影响很大，它对载波 的频偏很敏感。 时偏会导致o f d m 子载波的相位产生偏移。由于o f d m 符号添加了循环前 缀( c p ) ，只要多径效应产生的时间误差小于所添加的c p 长度，符号间干扰( i s i ) 就能被有效的避免，因此在这种情况下对时间同步的要求可以不用很严格。反 之，一旦c p 长度较短，甚至小于时间偏移，就会产生符号间干扰( i s i ) 和载波 间干扰( i c i ) 2 7 1 。 由于o f d m 的子载波之间的频率间隔很小，在l t e 里为1 5 k h z ，它对频率 的偏移尤为敏感，很小的频偏都能使子载波之间的正交性遭到破坏。频率偏移 带来的问题有：一是降低了信号的幅度，而是造成了i c i 。因此o f d m 系统需要 保证严格的频率同步。 关于o f d m 对于频偏的敏感程度问题，在本文后面的仿真中可以得到体现。 当接收端的移动速度比较大时，由于多普勒效应会使接收到的信号产生一定的 频偏，此时o f d m 子载波之间的正交性受到了破坏，会导致s n r 性能急剧下降。 2 2 多天线分集技术介绍 多天线技术可以被视为一系列具有共同目标的技术的统称，它们在接收机 或者发射机上采用多根天线，并且与先进的信号处理技术相结合。因此通过多 天线技术可以改进系统的很多性能，如系统的容量，小区的覆盖范围等。 多天线分集技术，作为有效地对抗无线信道的衰落的手段，在移动通信系 武汉理工大学硕士学位论文 统中已经是必不可少的技术。通过在发射机接收机处配置多根天线，系统可以 获得额外的分集增益来克服无线信道的衰落【3 9 】。 2 2 1 常见的多天线发射分集方式 ( 1 ) 循环延迟分集 循环延迟分集( c y c l i c d e l a yd i v e r s i t y ) 与传统的时延分集有些类似。传统 的时延分集是通过在不同天线上传输同一个信号的不同时延版本，从而人为地 增加信号所经历的信道的时延扩展值。循环延迟分集与之的主要不同在于，它 是在不同的天线间进行块操作并应用于循环偏置而非线性时延。因此循环时延 分集适用于基于传输块的传输机制，如o f d m 。图2 3 为c d d 的原理图，2 4 为c d d 的频域实现示意副引。 图2 3c d d 原理示意图 图2 4c d d 频域实现示意图 ( 2 ) 通过空时编码实现的分集 空时编码是将调制符号映射到时域和空域来获得多根发射天线提供的分 集。两根s t b c ( s p a c e - t i m eb l o c kc o d i n g ) 更准确的被称为空时发射分集 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( s p a c e t i m et r a n s m i td i v e r s i t y ) 0 0 。 如图2 5 所示，s t t d 对调制进行成对操作。调制符号被直接发送到第一根 天线，同时在第二根天线上这一对调制符号顺序被倒置。准确地说，调制符号 变为如图2 5 所示的符号的反转和复卷积的形式。 7 s n , s 枷奇一j _ ：+ 1 ，j ： 图2 5 空时发射分集示意图 空时发射分集可以用向量符号表示为 = ( 乏钉 = ( 急一竺 ( 三i = + 。 = h ； c 2 - 7 ， ( 2 7 ) 中如。和如训分别为符号间隔2 n 和2 n + l 期间的接收符号。对于上式， 我们通常要假设信道系数h i 和见相对两个连续的符号间隔是不随时间而变化 的。因为矩阵日是一个量化的单位矩阵，当不存在符号间干扰是，对于接收向 量，乘以一个矩阵w = h ，就可以将原始的发送信号s ：。，s ：槲恢复出来。 图2 5 中的两天线空时编码方式可以被称为一速，表明输入的符号速率与每 根天线上的符号速率相一致，也就是说带宽的利用率为1 。空时编码也可以被用 到多于两根天线的情况。但是当我们使用高阶的调制方式，如q p s k ，1 6 6 4 q a m 的时候，没有任何符号间干扰的一速空时编码只对两根天线的情况有效。当多 于两根天线的时候，为了要避免符号间的干扰，必须采用速率低于一的空时编 码，相当于为了保证通信的可靠性降低带宽利用率。 ( 3 ) 通过空频编码实现的分集 空频编码( s f b c s p a c e f r e q u e n c yb l o c kc o d i n g ) 与空时编码有些类似，区 别在于它是在天线1 的频域实现而不是时域。因此，这种编码方式适用于像 o f d m 这样的频域传输方案。这样的空频处理与空时传输分集等效。其原理图 1 0 迄 武汉理工大学硕士学位论文 如2 - 6 所示，调制符号j 。，s 2 ，j ，经过编码矩阵后，变成两路：墨，s ，一s ：，s ：和 s 2 毛，j ：，j ；，其中s 。，j 。被映射到天线l 对应的子载波z 上，一s ：，j ：被映射到子 载波厶上。同理在天线2 上，s ：，被映射到子载波石上，s o s ；被映射到子载波 五上【1 1 1 。 曰囡曰曰一 - ， 2 2 2 存在的问题 皿 图2 6 两天线的空频发射分集示意图 子载瓤 子载龋 f ( 1 ) 天线的数量和间距 天线的数量和各个天线之间的距离是多天线系统设计的关键参数。我们都 知道，在基站安装大量的天线会对周围的环境造成一定的损害，因此天线的数 目应限制在一个中等的适宜水平，例如当有4 根相同类型的天线时，间距可以 选择为1 0 个波长。之所以做这样的选择，是因为基站一般安装在较高的位置， 不能保证总是存在能使衰落去相关的本地散射体。 ( 2 ) 接收机的复杂性 多天线的接收机与单天线的接收机相比，复杂性明显增加。理由有几点： 首先由于多天线的存在，消除空间干扰的空时合并器和信号检测器的设计变得 异常的复杂；其次，由于多天线接收机会受到周围环境散射的影响，存在角度 扩展和时延扩展，在均衡和干扰消除方面还需要增加一些额外的处理手段；再 次，多天线信道估计也会导致复杂度的增加，由于在o f d m 系统中每一个时隙 武汉理工大学硕士学位论文 相当于信道矩阵的一条路径时延，它都需要及时跟踪和更新，而不是只要跟踪 单个系数；最后，额外的复杂性还来自增加的r f 电路和相应的基带运算单元， 还有接收机的隔离算法等等。 ( 3 ) 多天线系统的信道模型 为了适应无线信道的时变特性，不仅仅需要建立静态模型，还要建立特定 的动态模型。因为有了合适的信道模型才能预测系统的性能和评估算法的优劣。 同时为了适应这些模型的要求，还应提出一些新的算法，这是我们的仿真研究 中必须要做的考虑【l 引。 2 3 载波聚合原理分析 3 g p p 经过讨论，提出l t e a d v a n c e d 必须满足i m t o a d v a n c e d 系统对峰值速 率以及频谱利用率的要求。也就是说l t e a d v a n c e d 系统要求在固定和游牧状态 下的峰值速率达到1 g b p s ，在高速移动情况下峰值速率为1 0 0 m b p s ，同时下行的 峰值频谱利用率达到3 0 b p s h z ，上行峰值频谱利用率达到1 5 b p s h z 。为了实现 这些技术指标，系统和终端都需要支持很大的带宽能力( 最大支持i o o m h z 带 宽) 。 为了满足系统的带宽需求，最初有两种带宽扩展的方式被提出：首先是通 过减小o f d m 符号子载波之间的频率间隔，这样在原有的带宽基础之上可以增 加有效的子载波数量来传输数据；其次是直接进行带宽扩展，由于频谱资源稀 缺，这种方式下需要进行载波聚合【3 4 1 。 载波聚合的目的就是为了把多个连续的或者离散的小频带聚合起来，构成 能满足l t e a d v a n c e d 需求的大带宽来传输数据。 通过改变o f d m 子载波间频率间隔的方式来扩展带宽的话，我们需要重新 设计物理层的许多参数，这对底层的修改幅度太大，不满足平滑过渡的要求。 相比较之下，载波聚合技术就有许多优点：它可以直接聚合多个l t e 的基本载 波成员，将对现有l t e 系统物理层的修改幅度降到了最低，使得现有的物理层 调制编码方案仍能再r 1 0 中使用；通过复用已有的频带资源，提高频谱利用率， 降低了下一代系统的实现难度，便于l t e 向l t e a d v a n c e d 的平滑过渡，使得预 期的后向兼容性成为可能【3 1 。 本小节首先介绍载波聚合的应用场景，然后说明载波聚合下可能的调度模 式，最后阐述几个载波聚合技术相关的问题。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 1 载波聚合的应用场景 为了更好的利用稀缺的频谱资源，载波聚合技术不仅仅需要能够支持连续 的载波成员的聚合，而且还要能够将离散的甚至处于不同频带的载波成员聚合 起来，构成更大的带宽。目前定义了3 种应用场景：a 同频带内连续载波成员 聚合；b 同频带内非连续的载波成员聚合；c 不同频带内载波成员的聚合【1 6 1 。 场景a ：同频带内连续载波成员聚合 二二二二r 寸f 载波成员l 和2 聚合 图2 7 同频带内连续载波成员的聚合 场景b ：同频带内非连续载波成员聚合 图2 8 同频带内非连续载波成员的聚合 场景c ：不同频带内载波成员聚合 载波成员li n 9 2 聚合 图2 - 9 不同频带内载波成员的聚合 由于在前两个场景中，被聚合的载波成员在频域相隔很近，所以实现起来 会相对简单一些，一个射频单元就可以满足要求。然而在场景c 中，被聚合的 载波成员处于不同的频带内，相隔较远，所以实现起来有很大的难度，可能需 要若干射频单元或者不考虑这种方式。 在实际的移动通信系统中，为了支持峰值传输速率，聚合后的总带宽大小 一般应该超过2 0 m h z ，但是这并不意味着只考虑2 0 m h z 带宽的载波聚合。不同 带宽的载波成员可以聚合成更多不同的组合来满足总带宽的需求【9 】。为了在总带 武汉理工大学硕士学位论文 宽和信令开销之间有较好的权衡，聚合的载波成员的带宽大小相差不能太大( 一 般认为不能超过两倍) ，否则就失去了载波聚合的意义，带来大量的信令开销。 例如，需要3 0 m h z 总带宽时，只允许一个2 0 m h z 载波成员和一个1 0 m h z 的载 波成员进行聚合，而不允许一个2 0 m h z 和两个5 m h z 的载波聚合。 同时，考虑到上行和下行不同的业务特点，非对称的载波聚合也应该被支 持。即上行聚合的载波成员的数目可以小于下行所聚合的载波数目，或者特殊 情况下，上行可以不进行载波聚合，只使用一个基本的载波成员，下行由于通 信量远大于上行，则聚合若干个载波成员。这样不仅仅使基站和终端的需求都 得到了满足，而且节约了功率和带宽。不足之处是，控制信令的开销会增大。 2 3 2 载波聚合的调度模式 基于载波聚合技术的l t e - a d v a n c e d 系统在传输块的映射以及调度模式上与 单载波系统有一些区别。从m a c 层的角度来看，传输块到p h y 的映射有两种 可能的调度模式： ( 1 ) 每一个载波成员对应一个传输块，单一的数据流在某些点被分散到每 个载波成员上，相当于载波上数据流的聚合在m a c 完成了。这样，每一个载波 均是独立的设计，且都可以保持原来的物理层设计，有一个独立的h a r q 实体 与之对应【2 3 1 。具体的调度模式示意图如2 1 0 所示： 传输块 图2 1 0 载波调度模式1 ( 数据在m a c 层聚合) ( 2 ) 所有被聚合的载波成员共同对应一个传输块，单一的数据流在某些点 被分散到每个载波成员上，这种模式下，数据流的聚合在物理层完成，每个载 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 波成员的物理层结构均需要重新设计【1 8 】。具体的调度模式示意图如2 1 1 所示： 图2 1 1 载波调度模式2 ( 数据在物理层聚合) 以上两种调度模式都完成了传输块从m a c 层到物理层的映射，它们各有一 些优缺点：( 1 ) 模式l 是一种独立的控制模式，相比起模式2 ，它更加地灵活方 便。每个载波成员都有独立的链路自适应技术，它可以看作是相同链路的聚合， 每个载波成员的开销相同，聚合后总开销是原来的n 倍( n 为聚合的载波成员 数目) 。这样就很好的保持了与l t e 系统的后向兼容性，但是控制进程比较复杂。 ( 2 ) 模式2 属于联合的控制模式，它需要重新对物理层的一些参数进行设计， 因此对于后向的兼容性不能很好的保证。但是h a r q 是在所有载波成员上进行 的，减小了传输块的数目，系统的总开销被大大降低了。 2 3 3 载波聚合需要考虑的问题 应用多载波聚合技术之后，会对原有的l t e 系统的某些设计有所改动。为 了保证对l t e 系统的兼容性，有许多问题需要被重新考虑。比如：控制信道的 设计，小区覆盖和切换问题，终端的功耗等等。本小节主要介绍控制信道的设 计问题以及切换问题。 ( 1 ) 控制信道的设计 l t e a d v a n c e d 系统经过载波聚合之后，下行控制信道最主要考虑的问题是 如何支持跨载波的调度。关于这个问题的解决办法，经过3 g p p 讨论之后，有两 种解决方案。图2 1 1 是控制信道的的候选方案1 ，在该方案中，每一个载波成 员都有自己独立的下行控制信道来传输控制消息。图2 1 2 是控制信道的候选方 案2 ，该方案中，控制信道横跨频带，所有聚合载波成员的控制消息都在一 武汉理工大学硕士学位论文 个载波成员的控制信道上传输【1 8 1 。 图2 1 1 控制信道的设计候选方案1 图2 1 2 控制信道的设计候选方案2 对比图2 1 l 和图2 1 2 ，不难总结出两种候选方案的优缺点。方案1 的控制 信道和相应的数据都在一个载波成员上进行传输，因此总开销与聚合的载波成 员的数目成正比，这样就能够很好地利用现有的控制信道的设计，保证对原有 l t e 系统的兼容性。方案2 的控制消息只在一个基本的载波成员上进行传输，它 的总开销较方案l 而言要小很多，但是用户终端需要监控整个带宽上的控制信 道，而且需要修改现有的控制格式，给系统的设计增加了一定的复杂性，不利 于对现有系统的兼容。 ( 2 ) 小区覆盖和切换问题 前面介绍过l t e a d v a n c e d 的潜在部署频段，我们可以看到它们处于高低分 化的趋势。我们知道，不同频段的电磁波在大气中的损耗特性是不同的，当聚 合的载波成员属于不同的频段时，它们的覆盖范围是不同的。这对小区的划分 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 带来了一定困难。同时，由此而带来的切换问题也是需要被重新考虑的【2 舯。 ( 3 ) 终端的功耗问题 由于载波聚合技术支持跨频带的成员聚合，这样用户终端就可能需要在一 个很大的频带上对所有信息进行监控。这使得用户终端的总功耗要远远大于在 单个载波成员上工作的终端。对于移