（通信与信息系统专业论文）tdlte+mimo技术的研究与dsp实现.pdf

摘要 摘要 随着对各种数据业务需求的高速增长，3 g p p 开始了无线移动通信技术的长期 演进( l o n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) 项目，l t e 是3 g 和4 g 技术的一个过渡，采 用正交频分多址接入( o f d m ) 技术和多输入多输出( m i m o ) 技术，极大的提高 了数据传输速率和系统性能。m i m o 技术是指利用多根发射天线和接收天线进行 无线传输，为无线系统提供了空间分集增益和空间复用增益。 为了推动移动通信技术的进一步发展，科技部在2 0 0 9 年启动了“新一代无线 宽带通信网”国家科技专项。该文基于其中的子项目“t d l t e 无线综合测试仪表 开发 ，对下行m i m o 技术进行了研究和上行s i m o 技术链路接收端进行设计和 d s p 实现。该文的工作主要包含以下几个方面的内容： 首先介绍下行多址接入技术o f d m 的基本原理及优缺点，分析了上行单载波 频分多址接入技术( s c f d m a ) 采用频域实现方式d f s o f d m 的原因，并对 o f d m 和s c f d m a 两种多址接入技术的峰均功率比和立方度量在q p s k 调制方 式下进行仿真分析比较。 其次用数学公式描述了m i m o 系统的信号模型；l t e 中下行m i m o 技术包含 传输分集和空间复用，详细的分析了传输分集预编码采用空频编码( s f b c ) 的原 理，基于码本的空间复用预编码和基于非码本的空间复用预编码的发送端的处理 方式；基于m m s e 的信道估计下从编译码的角度分析了两天线的s f b c 和四天线 的s f b c f s t d 的传输分集预编码的译码算法。 l t e 上行天线配置为l 2 ，支持上行传输天线选择和多用户m i m o ，目前该项 目考虑单输入多输出( s 蹦o ) ，虚拟m i m o 是下一步研究的重点。根据上行链路 的发送端的处理方式，确定了上行链路接收端的解资源映射模块、频域均衡模块、 解信道交织和复用三个模块的算法步骤。针对频域均衡模块提出了三种频域均衡 算法即z f 算法、m m s e 算法、m m s e r i s i c 算法，首先对其原理进行分析，然 后通过m a t l a b 搭建的上行链路的接收端对三种算法在不同的调制方式不同的信 道条件下的性能进行仿真分析。基于1 m s 3 2 0 c 6 4 5 5 d s p 平台，为验证上行链路接 收端上述三个模块在d s p 上功能的正确性，与m a t l a b 仿真搭建了联合测试链 路，将联合测试链路输出的结果进行数据转换，与m a t l a b 仿真结果进行比较， 并对三个模块所占的存储空间和消耗的时间进行评估，结果显示能满足对精度和 实时的需求。 关键词：l t e ，m i m o ，空频编码，频域反馈，t m s 3 2 0 c 6 4 5 5 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go fv a r i o u sd a t ab u s i n e s sr e q u i r e m e n t s ，3 g p pb e g a nt od e v e l o p t h el t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) p r o j e c to fu n i v e r s a lm o b i l et e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s t e c h n o l o g y l t ei sat r a n s i t i o ni nt h e3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o na n dt h en e x tg e n e r a t i o n o fb r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o nw h i c hi sb a s e do no 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 a c c e s st e c h n o l o g y ( o f d m ) a n dm u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u tt e c h n o l o g y ( m i m o ) ，t h e d a t at r a n s f e rr a t ea n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma r ei n c r e a s e d m i m op r o v i d e st h e s p a t i a ld i v e r s i t yg a i na n ds p a t i a lm u l t i p l e x i n gg a i nu s i n gs e v e r a lr o o ta n t e n n a sa n d r e c e i v ea n t e n n a sw i r e l e s st r a n s m i s s i o n i no r d e rt op r o m o t et h ef u r t h e rd 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 nt e c h n o l o g y , i n 2 0 0 9 ，m i n i s t r yo fs c i e n c el a u n c h e dt h e n e x t g e n e r a t i o nw i r e l e s sb r o a d b a n d c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k n a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c t s b a s e do no n eo ft h e s u b p r o j e c t t d l t ew h e l e s si n t e r g r a t e dt e s ti n s t r u m e n td e v e l o p m e n t ，t h et h e s i sd o s o m ew o r ko ft h er e s e a r c ha n dt h er e a l i z a t i o no fd s pf o rm i m oi ns e n d e ra n d r e c e i v e r t h ew o r ko ft h i st h e s i sc o n t a i n st h ef o l l o w i n gr e s p e c t s ： i nt h i st h e s i s ，m u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g yi s p r o p o s e di n t h e f i r s t p l a c e i t r e c o m m e n d st h ep r i n c i p l e so fd o w n l i n km u l t i p l ea c c , 鹤so f d ma n du p l i n km u l t i p l e a c c e s ss c - f d m a t h ea d v a n t a g e so fo f d ma n dt h er e a s o no fu s i n gd f t - s - o f d mi n s c - f d m aa r ep r e s e n t e d i ta l s ou s e sc o m p u t e rs i m u l a t i o nt oc o m p a r i s o np e a kp o w e r r a t i oa n dc u b i cm e t r i xi no f d ma n ds c f d m a i td e r i v e sm a t h e m a t i c a le x p r e s s i o n sf o rt h em u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) s y s t e mm o d e l d o w n l i n km i m oi nl t ec o n t a i nt r a n s m i s s i o nd i v e r s i t ya n ds p a t i a l m u l t i p l e x i n g p r e c o d i n gf o rt r a n s m i td i v e r s i t yb a s e do ns p a c ef r e q u e n c yb l o c kc o d i n g ( s f b c ) i si n t r o d u c e d p r e c o d i n gf o rs p a t i a lm u l t i p l e x i n gi n c l u d i n gb a s e do nc o d c b o o k a n db a s e do nn o n c o d e b o o k , i tp r o p o s e st h ep r o c e s s i n go f s e n d e ri np r e c o d i n gf o rs p a t i a l m u l t i p l e x i n g t h ed e c o d i n ga l g o r i t h mo fp r e c o d i n gf o rt r a n s m i td i v e r s i t yb a s e do nt w o a n t e n n a ss f b ca n df o u ra n t e n n a ss f b c f s t di sp r o p o s e d i ti sc o n f i g u r e df o r1 2a n t e n n ai nl t eu p l i n k i ts u p p o r t su p l i n kt r a n s m i s s i o n a n t e n n as e l e c t i o na n dm u l t i u s e rm i m o a tp r e s e n t , s i n g l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( s l m o ) i sc o n s i d e r e d , v i r t u a lm i m oi st h ek e yp o 缸i nt h en e x tr e s e a r c h t h ea l g o r i t h mp r o c e s s o fu p l i n kr e c e i v e rs i g n a ld e t e c t i o n ，p h y s i c a lr e s o u r c ed e m a p p i n g , c h a n n e ld e i n t e r l e a v e r a n dm u l t i p l e x i n gm o d u l e sa r ed e t e r m i n e d b yu p l i n kt r a n s m i t t i n g i tp r o p o s e st h r e es i g n a l d e t e c t i o na l g o r i t h m sw h i c hc o n t a i nz f , m m s e ，m m s e r s i ca l g o r i t h m s t h ep r i n i c i p l e a b s t r a c t a n dp e r f o r m a n c eo ft h r e 圮a l g o r i t h m sa y ea n a l y s i s e ab ys i m u l a t i n gu p l i n kr e c e i v e ru s i n g t h r e ed e t e c t i o n a l g o r i t h m s i nd i f f e r e n tm o d u l a t i o nm o d ea n dd i f f e r 吼tc h a n n e l c i r c u m s t a n c e i no r d e rt ov m i d a t et h ec o r r e c t n e s so ft h r e em o d u l e sf u n c t i o ni nt m s 3 2 0 c 6 4 5 5 d s p p l a t f o r m i tb u i l d sd s p a n dm a t l a bs i m u l a t i o nj o i n tt e s tl i n k i tc o m p a r e st h er e s u l t o fm a t l a bs i m u l a t i o nw i md a t at r a n s f o r m a t i o nf r o mj o i n tt e s tl i n l t h e o c c u p i e ds t o r a g e s p a c ea n dc o n s u m i n gt i m eo ft h r e em o d u l e sa r ee v m u a t e d ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti tc a n m e e tt h ed e m a n do f p r e c i s i o na n dr e a l t i m e k e yw o r d s ：l t e ，m i m o ，s p a c e - f r e q u e n c yg r o u pc o d e , f r e q u e n c y - d o m a i nf e e d b a c k , t 】m $ 3 2 0 c 6 4 5 5 i i i 缩略表 3 g 3 g p p 4 g 1 6 q a m 6 4 q a m a m c a c u t c c d c c d f c d m 渔 c m c p c q i c r c d f t d f s o f d m d m r s d s p d b l a s t e u 硼a e i 玎取a n f f r f d m a f s t d g m c g m d g s m h a r q i c i i d f t 缩略表 t h et h i r dg e n e a t i o n第三代移动通信系统 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 j e c t第三代伙伴计划 t h ef o u r t hg e n e a t i o n第四代移动通信系统 1 6 q 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 1 6 正交调幅 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 n6 4 正交调幅 a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g自适应调制编码 a d j a c e n tc h a n n e ll e a k a g er a t i o信道邻道泄露比 c y c l i cd e l a yd i v e r s i t y 循环延迟分集 c o m p l e m e n t a r yc u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o n f u n c t i o n互补累积分布函数 c o d e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g a c c e s s码分多址 c u b l i em e t r i c立方度量 c y c l i cp r e f i x 循环前缀 c h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t o r信道质量指示 c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k 循环冗余校验 d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o t i n离散傅里叶变换 d i s e r e t ef o u r i e rt r a n s f o r ms p r e a d离散傅里叶变换扩展 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 正交频分复用 d e m o d u l a t i o nr e f e r e n c es i g n a l解调参考信号 d i 西t a ls i g n a lp r o c e s s o r数字信号处理器 d i a g o n a ll a y e r e ds p a c e - t i m ec o d e 对角分层空时编码 e v o l v e di 腿a演进型u t r a e v o l v e di 瓜a n演进型u t r a n f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m快速傅立叶变换 f 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 a e e e s s 频分多址 f r e q u e n c ys w i t c ht r a n s m i td i v e r s i t y 频率切换分集 g e n e r a l i z e dm u c hc a r t i e rt e c h n o l o g y广义多载波技术 g e o m e t r i cm e a nd e c o m p o s i t i o n几何均值分解 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 s 全球移动通信系统 h y b r i da u t o m a t i cr e p e a t r e q u e s t混合自动重传请求 i n t e r - c a r r i e ri n t e r f r e n c e载波间干扰 i n v e r s ed i s e r e t ef o u r i e rt r a n s f o 咖离散反傅里叶变换 缩略表 i f f t i s i m m m o m i s o m m s e n a c k o f d m p a p r p d c c h p d s c h p m i p r b p u c c h p u s c h q p s k r b r e l u r r s s 肌o s i s 0 s n r s r s r s s c - f d m a s v d t d d t d s c d m a t d m a t s t d u c i u c d i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m反快速傅里叶变换 i n t e r - s y m b o li n t e r f r e n c e符号间干扰 l o n gt e r me v o l u t i o n长期演进计划 m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t多输入多输出 m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t多输入多输出 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 n e g a t i v ea c k n o w l e d g e m e n t否定确认 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 正交频分复用 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 h y s i c a ld o w n p l i n kc o n t r o lc h a n n e l物理下行控制信道 p h y s i c a ld o w n p l i n ks h a r e dc h a n n e l物理下行共享信道 p r e c o d i n gm a t r i xi n d e x预编码矩阵指示 p h y s i c a lr e s o u r c eb l o c k物理资源块 p h y s i c a lu p l i n kc o n t r o lc h a n n e l物理上行控制信道 p h y s i c a lu p l i n ks h a r e dc h a n n e l物理上行共享信道 q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g正交相位键控 r e s o u r c eb l o c k 资源块 r e s o u r c ee l e m e n t 资源粒子 r a n ki n d i c a t i o n 秩指示 r e s o u r c ei n d i c a t i o nv a l u e 资源指示值 r r f e r e n c es i g n a l参考信号 s i n g l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t单输入多输出 s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t单输入单输出 s i g n a lt on o i s e r a t i o 信噪比 s c h e d u l i n gr e q u e s t调度指令 s o u d i n gr r f e r e n c es i g n a l探测参考信号 s i n g l ec a r r i e r - f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s单载波频分多址接入 s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n奇异值分解 t i m ed i v i s i o nd u p l e x i n gm o d el t e - t d d 模式 t m a ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc d m a 时分同步码分多址 c o d e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g a e c e s s 时分多址 t i m es w i t c ht r a n s m i td i v e r s i t y 时间转换传输分集 u p l i n kc o n t r o li n f o r m a t i o n上行控制信息 u n i f o r mc h n n e ld e c o m p o s i t i o n 均匀信道分解 v 缩略表 u p p t s v 二b l a s t 纥i w u p l i n kp i l o ts l o t v e r t i c a ll a y e r e ds p a c e t i m ec o d e v e r yl o n gi n s t r u c t i o nw o r d v i i i 上行导频时隙 垂直分层空时编码 超长指令字 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文的研究背景及意义 随着移动通信技术的发展，人们对移动通信技术的期望越来越高，3 g 在峰值 速率、系统传输延迟以及高速移动速率环境下的全网无缝覆盖等方面已经达不到 移动用户的期望。在这样的背景下，2 0 0 4 年1 1 月，3 g p p 通过了关p e v o l v e d u t r a a n du t r a n ，称为3 g 长期演进的立项工作，即l t e 。l t e 并不是人们理解的4 g 技术，而是3 g 和4 g 技术的一个过渡，是3 9 g 的全球标准，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 作为无线网络演进的唯一标准【l 】。 3 g p pl t e 的主要性能目标包含以下几个方面：支持灵活的带宽配置，即从 1 2 5 m h z 2 0 m h z ；在2 0 m h z 系统带宽配置下，上、下行的峰值速率分别要求达 到5 0 m b p s 、1 0 0 m b p s ；极大的降低时延即是将控制平面时延降低到l o o m s 以内， 将接入网时延降低到1 0 m s 以下；小区边缘数据速率得到极大的提高；无论是宽、 窄带频谱分配，系统通过多种载波带宽予以支持；系统能为低速、高速移动终端 提供服务；系统可以工作在对称或非对称频段，并针对多运营商在相邻频带共存 的问题提出了简化实现方案等其他目标。 为满足用户的各种需求，l t e 在物理层采用的三大关键技术分别是o f d m 技 术、m i m o 技术、高阶调制技术。在l t e 的无线接口中，下行采用的多载波的正 交频分复用多址接入技术( o f d m a ) 、上行采用的是单载波的频分多址接入技术 ( s c f d m a ) ，o f d m a 和s c f d m a 都是o f d m 的扩展应用。o f d m 技术是在 频域内将给定信道分成多个子信道，即相当于是在不同的子载波间提供多址传输， 由于子载波间相互正交，极大的提高频谱利用率。 l t e 不仅采用了b p s k 、q p s k 、1 6 q a m 调制技术，而且还提出采用6 4 q a m 高阶调制技术。采用高阶调制方式是对m i m o 技术的一种补充，可以极大的提高 传输数据的速率。1 6 q a m 和q p s k 调制方式支持在宏蜂窝信噪比环境下的数据传 输，但是在高信噪比的环境下，6 4 q a m 的高阶调制方式更能提高数据传输速率。 采用单输入单输出( s i s o ) 是利用时域和频域的预处理及对发送和接收数据 分别译码，无论是在上行链路还是下行链路采用更多的天线单元为信号预编码和 检测打开一个额外的空间处理域来改善链路的性能。 多输入多输出( m i m o ) 技术即在发送端和接收端同时使用多根天线实现多个 数据流的传输，利用系统的空间资源极大的提高数据的传输速率。根据发射机或 接收上的多路天线，可以分为单输入多输出( s i m o ) 、多输入单输出( m i s o ) 、 重庆邮电大学硕士论文 多输入多输出( m 蹦o ) ，因此在具有多天线基站与使用单天线u e 间通信的情况 下，上行链路和下行链路被分别称为s i m o 和m i s o 。基站与一个u e 间的点对点 的多天线链路称为单用户m i m o ，多用户m i m o 的特点是几个u e 占用相同的时 频资源同时与一个基站通信。无论是单用户或多用户m i m o 相对于s i s o ，具有分 集增益、阵列增益、空间复用增益等几个优势：分集增益即是通过各衰落不相关 的多天线发送或接收来减少多径衰落的影响；阵列增益相当于时域接收机上匹配 滤波器增益的空间版本，即通过预编码使能量集中在一个或多个特定的方向，为 不同方向的不同用户同时提供服务；空间复用增益，即发送并行多路数据和基于 空域特征区分它们的能力【2 1 。 1 2m i m o 技术的研究现状 1 9 0 8 年，马可尼提出的多输入多输出( m i m o ) 技术是用来抵抗信道衰落：7 0 年代，有人提出将该技术应用于通信系统，而m i m o 技术对无线移动通信系统产 生巨大的推动作用是在9 0 年代由a t & t 贝尔实验室的学者完成的：1 9 9 5 年t e l a d e r 提出的在衰落信道情况下的多天线的容量；1 9 9 6 年f o s h i n i 提出的贝尔实验室分层 空时处理算法( d b l a s t ) ；1 9 9 8 年t a r o k h 等人提出的空时编码【l u ；1 9 9 8 年 w o l n i a n s k y 等人提出采用v b l a s t 算法建立了一个m i m o 系统，该系统在室内 测试时能够达到2 0 b i t s h z 的频谱利用率【3 1 。这些研究极大的促进了m i m o 技术 的发展。 为了满足l t e 在高数据率和高系统容量方面的需求，l t e 系统支持下行应用 多输入多输出( m 订o ) 技术和上行应用m i m o 技术，下行m i m o 技术主要包括 发射分集技术和空间复用技术。空间复用技术是指在不同的天线上发射不同的信 息来提高系统的传输数据数率，如贝尔实验实验室提出的垂直分层空时编码 ( v - b l a s t ) p 】；发射分集技术是指在不同的天线上发射包含同样信息的信号来提高 传输数据的可靠性，如空时编码( s t b c ) 。空间复用方式虽然能最大化系统的传 输速率，但是其信道容量与发送天线和接收天线的最小值成正比；在接收天线数 大于发送天线数，系统的性能才较好；并且增加接收天线数会使信号检测算法的 计算复杂度成指数增长，这就影响了v - b l a s t 空间复用在实际中的应用。从用户 终端的角度出发，考虑其成本和功率的限制，目前用户端使用一根天线进行发送 或接收数据。 在恶劣通信的环境下，从数据传输速率和可靠性出发，人们更希望保证信息 的可靠性，而空时编码正好能满足这些要求。在宽带无线通信系统中，数据采用 空时编码，然后进行发送，由于空时编码是面向平坦的衰落信道，信号在频率选 2 第一章绪论 择性衰落信道下不可避免受到符号间干扰的影响，传统的解决方法是在接收端加 上一个空时二维的均衡器，但是这种均衡器的计算复杂度与发射天线数和信道抽 头数成指数增长，在实际系统中不可取【l3 1 。o f d m 技术将频率选择性衰落信道转 化为多个并行的平坦子信道，在每个子信道上使用空时编码可以获得发送分集， 但是却没有利用频率选择性衰落信道提供的频率分集特性，因此，空频编码( s f b c ) 的概念被提出，空频编码能够达到的分集阶数为发送天线数、接收天线数和可分 辨路径数三者的乘积，从而达到空间分集的效果【l2 1 。在l t e 下行支持的天线配置 为2 * 2 ，即基站端有2 根发射天线和用户端有2 根接收天线，4 天线的配置也在考 虑。l t e 采用传输分集的预编码，两天线采用空频编码的方式进行传输，在发送 天线大于2 的情况下，已经证明不存在满足r a t e1 的正交空频块码，在四天线时， 采用空频编码与其他传输分集结合的方式进行传输。本论文研究了两天线和四天 线的传输分集的预编码发送和接收译码检测算法。 上行m i m o 技术，包括空间复用和传输分集。上行的基本天线配置为1 2 ， 即支持一根发送天线和两根接收天线。在目前的版本中，并不支持一个用户使用 同时使用两根天线进行信号发送，仅仅支持上行传输天线选择和多用户m i m o 。 多用户m i m o 的特点是几个u e 占用相同的时频资源同时与一个基站通信，即提 案中提出的虚拟m i m o 的方式进行数据传输，虚拟m i m o 的关键是用户的配对和 调度策略。由于本系统目前是针对单用户进行测试，主要考虑单用户的单输入多 输出。从单用户的上行链路的发送端出发，详细分析上行信道接收端的处理过程， 确定了上行链路接收端的解资源映射模块、频域均衡模块、解信道交织和复用三 个模块的算法步骤，针对s i m o 频域均衡模块提出了三种频域均衡算法z f 算法、 m m s e 算法、m m s e r i s i c 算法。 1 3 课题来源及论文结构 国家启动了“新一代宽带无线移动通信网 国家科技重大专项，在专项中除了 进一步支持我国自主标准t d s c d m a 的发展外，其下一代演进t d l t e 的研发和 产业化也是专项支持的重要内容之一。在整个l t e 产业链中，除了基站、终端、 基带芯片、天线等外，测试仪表的开发也有着非常重要的意义。本课题是基于重 大专项的子项目“t d l t e 无线综合测试仪表开发 的支撑下进行了相关研究。 本文的内容具体安排如下： 第1 章：绪论。主要介绍课题研究的背景、意义，简单描述m i m o 技术的发 展，以及在l t e 系统上行m i m o 和下行m i m o 分别采用什么样的方式进行实现。 最后对论文的内容与结构安排做了简要介绍。 3 重庆邮电大学硕士论文 第2 章：l t e 多址接入技术。分别介绍下行多址接入技术o f d m 的原理和上 行多址接入技术s c f d m a 的实现方式。并对两种不同的多址接入技术的峰均功 率比和立方度量进行仿真比较。 第3 章：l t e 下行m i m o 技术及s f b c 传输分集的接收算法。对下行m i m o 技术提出的传输分集方案和空间复用传输进行了研究，从编译码的角度提出了采 用2 天线和4 天线的传输分集的接收算法。 第4 章：l t e 上行s i m o 的接收端的设计与仿真。从上行链路的发送端和接 收端出发，分析了上行链路接收端的三个模块：解资源映射模块、信号检测模块、 解信道交织和复用模块，并提出了三种信号检测算法z f 算法、m m s e 算法、 m m s e r i s i c 算法，对其原理进行分析，通过m a t l a b 搭建的上行链路的接收端 进行三种算法在不同的调制方式不同的信道条件下的性能进行仿真分析。 第5 章：l t e 上行链路的设计与实现，描述整个系统的框架结构和选用的 t m s 3 2 0 c 6 4 5 5 的d s p 硬件平台，针对上行链路接收端的解资源映射模块、解交织 模块、信号检测模块d s p 的具体实现，并与m a t l a b 的结果进行测试比较，并对其 所占的存储空间和消耗的时间进行评估。 第6 章：总结与展望。总结本文所做工作，并探讨了未来工作的方向。 4 第二章l t e 多址接入技术 第二章l t e 多址接入技术 在蜂窝移动通信系统中，多址接入技术是用于基站与用户间建立通信链路的 一种信号调制方式。多址接入技术的基本原理是利用为不同用户发送信号特征上 的差异( 如通过频率、信号出现时间或信号具有的特定波形等) 来区分不同的用 户，依据信号在频域、时域波形以及空域的特征，多址接入技术分为频分多址 ( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 、码分多址( c d m a ) 和空分多址( s d m a ) 【4 】。 多址接入技术决定信号的生成、发送和接收，对整个系统的设计具有重要作 用。由于多址接入技术在蜂窝移动通信系统中的基础性地位，它成为移动通信发 展史上用于划代的代名词。第一代模拟蜂窝系统，多址接入技术采用频分多址接 入技术；第二代以g s m 为代表的蜂窝移动通信系统，采用了时分多址技术；在第 三代蜂窝移动通信系统中，t d s c d m a 、w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 系统都采用了码 分多址技术：在t d l t e 系统中，下行多址接入技术采用正交频分多址接入技术 ( o f d m ) ，上行为确保终端功放的效率，采用单载波频分多址接入技术 ( s c f d m a ) e 4 1 。 2 10 f d m 技术 2 0 世纪4 0 年代，有人提出了多载波调制技术，该技术要求各个子信道有独立 的调制解调器，因此对大多数的系统来讲难于实现。7 0 年代，离散傅里叶变换和 逆变换的发展及其简单、低成本的实现方式，让人们意识到多载波调制可以采用 傅里叶变换和逆变换进行实现，使多载波调制得到广泛的应用。8 0 年代，p e l e d 和 r u i z 提出了在o f d m 各子载波符号中引入循环前缀c p ，让o f d m 各子载波调制 信号在传输信道中保证正交性。 采用循环前缀的o f d m 符号的生成方式如图2 1 所示。在每个o f d m 符号之 前插入循环前缀c p ，c p 即是将从o f d m 符号的结尾处的部分采样点复制到o f d m 符号之前，在o f d m 符号的接收端，由于插入循环前缀，信道实现类似于一个具 有循环卷积特征的信道。在l t e 系统中，c p 长度的确定，必须考虑将多径延迟造 成的符号间干扰( i s i ) ，还要考虑到时域加窗处理的影响，时域加窗可以保证系统 符合带外杂散限制，并可以有效的抑制信号的p a p r ，标准中将这些因素和 o f d m s c f d m a 符号长度、时隙长度加在一起综合考虑，最终确定常规c p 的基 本长度为1 4 4 个子载波，在一个时隙的7 个符号中，第一个符号的c p 为1 6 6 个子 5 重庆邮电大学硕士论文 载波，其余的6 个符号为1 4 4 个子载波。由于在l t e 系统不仅使支持常规小区的 单播系统，同时还支持较大的小区半径和多小区合并业务，需要常用扩展c p 。上 行子帧的每个s c f d m a 符号前的扩展c p 为5 1 2 个子载波；下行子帧的每个 o f d m 符号前的扩展c p 长度相同，但是由于子载波间隔不同，扩展c p 分为5 1 2 和1 0 2 4 个子载波两种形式。 瓣 原始数据长度 发送的时域符号s 的总长度 图2 i 插入循环前缀c p 正交频分复用( o f d m ) 是一种多载波调制技术。多载波调制的原理是将高速串 行的数据通过串并变换变为低速并行数据，将这些低速的并行数据流映射到相应 的子载波上，由于子载波是正交的，各个子信道间的频谱可以交叠但不会产生相 互干扰，这样大大提高频谱利用效率。而传统的频分复用频分多址( f d m f d m a ) 技术为避免子载波之间的干扰，在相邻子载波之间保留较大的间隔，大大降低了 频谱效率，两者的频谱图如下图2 2 所示。 、|ti j 、 量 气 毛弘，毽妇 l 厂、厂、一，j vv v v v v x k 代 k弋 k 页页 kxk l - hj 一 一 一 扣，i ，、一x , j铋醐泌口uuouoo 飞 ( h ) 传鲢h 睡壤羞 嗡) 仪。d 豺赣潞 图2 2o f d m 和传统的f d m 的频谱 2 1 1o f d m 技术的基本原理 o f d m 发射机结构的基本框图如图2 3 所示。从高层传下来的数据流，经信道 编码后，数据通过通过串并变换和资源映射，映射到o f d m 符号的各个子载波上， 将参考信号插入到相应的子载波上，对数据映射后的o f d m 符号进行逆傅里叶变 换( i f f t ) ，变换到时域上。进行并串变换，在每个o f d m 符号前插入循环前缀 ( c p ) ，最后进行数模变换并上变频到发射频带上进行发送。 6 第二章l t e 多址接入技术 商i 叫 串 子 逆 并毳 载 傅 插 并 波 里串 变 h 映 叶 入 变 换 射 变 c p 换 ； 换 旧。 一1 映射 叫 图2 3o f d m 发射机结构 o f d m 作为未来无线通信的主要的多址接入技术，主要优势体现在以下几个 方面： 1 ) 频谱效率高 传统的频分复用频分多址( f d m f d m a ) 技术为避免子载波之间的干扰，在相 邻子载波之间保留较大的间隔，大大降低了频谱效率。而多载波o f d m 调制技术， 利用傅里叶逆变换将f d m 的各个子载波重叠排列，保持了子载波之间的正交性， 从而有效避免小区间用户间干扰，提高了频谱利用率和小区容量。 2 ) 便于实现 在o f d m 基带信号形成的发送端是通过i f f t 变换，接收端解基带信号只需 要通过f f t 变换进行实现。随着微电子技术的发展，可编程逻辑器件在集成度、 速度等方面都得到突飞猛进的发展。f p g a 很多系列下的芯片根据内核在实现基2 和非基2 的f f t 、i f f t 都很容易。 支持灵活的带宽扩展性，在t d l t e 系统支持1 4 m 到2 0 m h z 载波带宽，由 于o f d m 多址接入技术采用傅里叶变换，不需要为接入到每一种带宽设定一种终 端。 3 ) 抗符号间干扰强 多径延迟在o f d m 系统中的影响是造成符号间干扰和载波间干扰，在l t e 系 统中，传输的数据块在经过i f f t 变换后插入一个合适的循环前缀，消除由于多径 时延扩展引起的符号间干扰。o f d m 多载波调制技术，相对于单载波调制系统来 讲，不会出现单个衰落或干扰导致整个通信链路失败的现象，只是一小部分的信 道会受干扰。 4 )