（信息与通信工程专业论文）lte上行链路随机接入技术研究.pdf

摘要 摘要 为了实现高数据速率、低延时、包优化以及保证小区边缘性能的无线接入技 术，3 g p p 在工作计划中写入了长期演进( l o n g t e r m e v o l u t i o n ) 的研究框架，并 提出了未来在2 0 m h z 带宽上达到瞬时峰值下行1 0 0 m b p s 以及上行5 0 m b p s 的目标。 随机接入过程是移动通信系统中比较重要的环节，接入信道的性能与容量将直接 影响整个系统的运行情况与业务质量。在这样的背景下，本文研究l t e 上行链路 随机接入技术。在l t e 上行链路中采用离散傅立叶变换扩频的正交频分多址 ( d f r - s o f d m a ) 技术。 本文首先简要介绍了d f t s o f d m a 技术的原理、主要优点和存在的不足。 d f t s o f d m a 技术是以正交频分复用( o f d m ) 技术为基础，是一种多载波调制 技术，具有较好的抗频率选择性衰落以及较高的频带利用率，能够实现高速、大 容量的通信传输，而且能够避免正交频分复用技术峰值平均功率比的不足。 按照3 g p pl t e 要求，上行随机接入技术分为非同步随机接入和同步随机接 入。在非同步随机接入过程中是用来测量接收到的信号的时间的同时进行控制信 息的传送，同时进行上行链路的资源请求；主要要求是在传送前导序列的同时传 送4 1 0 b i t 的信息量。同步随机接入的过程是用于在u e 已经取得并保持着和n o d e b 的同步时进行随机接入，主要目的是请求资源分配其要求是可以获得更大的接入 用户数目并且可以减小多用户之间的干扰。 因此本文重点研究l t e 上行链路物理层随机接入技术。在非同步随机接入的 过程中可以利用发射前导隐含少量信息比特方式提高系统效率，减少系统接入延 时，提出了基于循环码移键控( c c s k ) 信号承载信息和基于前导序列分段承载信 息的两种非同步随机接入方式。在基于c c s k 信号承载信息的接入设计中，采用 c c s k 信号的不同的循环移位代表不同的比特信息，在发送端c c s k 叠加在前导 序列信号上发送出去：在基于前导序列分段承载信息的接入设计中，传送的前导 序列由几段不同的序列组成，每段代表不同的比特信息，从而完成比特信息的传 送。在同步随机接入的过程的中提出了基于用户分组的同步随机接入方式。在本 设计中采用在时域上分成若干时隙，频域上分成若干接入带宽，在不同的时隙和 带宽上不同的用户采用不同的前导序列进行同步随机接入。 最后，为了验证设计的合理性与可行性，本文通过m a t l 曲仿真了非同步随机 摘要 接入和同步随机接入情况下所提出的设计的性能。仿真结果表明，本文所提出的 非同步随机接入和同步随机接入的设计方式满足3 g p pl t e 上行随机接入过程的 要求。 关键词：随机接入，非同步随机接入，同步随机接入，3 g p pl t e 项目，离散傅立 叶变换扩频的正交频分多址 a b s l l l a c t a b s t r a c t l o n gt e r me v o l u t i o na i m e da ta c h i e v i n g1 0 0 m b p sp e a kr a t ei n2 0 m h zb a n d d o w r d i n ka n d5 0 m b p si nu p l i n ka l ec a r r i e do u ti n3 g p er a n d o ma c c e s sp r o c e d u r ei s v e r yi m p o r t a n ti nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ep e r f o r m a n c ea n dc a p a c i t yc h i e f l y a f f e c tt h ew h o l es y s t e m i nt h i sb a c k g r o u n d , t h i st h e s i sa n a l y z e sr a n d o ma c c e s s t e c h n o l o g yi nmu p l i n k d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r ms p r e a do r t h o g o n a lf 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 ( d f t - s o f m a ) i sa d o p t e di nl t e u p l i n k b r i e f l yi n t r o d u c i n gd f t - s o f d mt e c h n o l o g yt h e o r i e s ，i t sm a j o ra d v a n t a g e sa n d s h o r t c o m i n g sa r ei n t r o d u c e df i r s t l y d f t - s o f d m ai s am u l t i - c a r r i e rm o d u l a t i o n t e c h n o l o g yb a s e d ( o f d i v l ) w i t hr o b u s t n e s sa g a i n s tf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g , h i g h s p e c t r u me f f i c i e n c ya n dl a r g ec a p a c i t y m o r e o v e ri th a sl o wp e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o t h a no f d m n er a n d o ma c c e s sp r o c e d u r ei sc l a s s i f i e di n t ot w oc a t e g o r i e s ：n o n s y n c h r o n i z e d r a n d o ma c c e s sa n ds y n c h r o n i z e dr a n d o ma c c e s si n3 g p pl t e 1 h en o n - s y n c h r o n i z e d a c c e s si su s e df o rt i m ea l i g n m e n t , s i g n a ld e t e c t i o na n dt r a n s m i t t e dm e s s a g ea tt h es a m e t i m e i tc a na l s or e q u e s tr e s o u r c a i nu p l i n k am e s s a g ep a y l o a do f 4 - 1 0b i ti si m p l i c i t l y t r a n s m i t t e di nt h er a n d o ma t c c , f i s sb u r s ta l o n gw i t ht h ep r e a m b l e t h es y n c h r o n i z e d r a n d o ma c c e s sp r o c e d u r em a yb eu s e dw h e nt h eu eu p l i n ki st i m es y n c h r o n i z e db yt h e n o d eb 弛ep u r p o s ei sf o rt h eu et or e q u e s tr e s o u r c e sf o ru p l i n kd a t at r a n s m i s s i o n 做t h e s i sm a i u l ya n a l y s e st h er a n d o m 瓤：c e s sp h y s i c a ll a y e rt e c h n o l o g yi nl t e u p l i n k 1 1 1 em e s s a g er e p r e s e n t e db yc c s ks e q u e n c ea n dt h em e s s a g er e p r e s e n t e db y s e g m e n t e dr a c hp r e a m b l e s a r e p r o p o s e d i n n o n - s y n c h r o n i z e dr a n d o ma c c e s s d i f f e r e n tb i tm e s s a g ei sr e p r e s e n t e db yd i f f e r e n tc y c l es h i f to fc c s ks i g n a li nt h e f o r m e r , t h e ni nt h et r a n s m i t t e rp r e a m b l es e q u e n c ec o m b i n e dw i t hc c s ks i g n a li s t r a n s m i t t e d ；i nt h el a t t e rp r e a m b l es e q u e n c ei sm a d eu po fd i f f e r e n ts e q u e n c ew h i c h e x p r e s sd i f f e r e n tb i tm e s s a g e , t h e r e b yb i tm e s s a g ei si m p l i c i t l yt r a n s m i t t e d am e t h o d b a s e do ng r o u pi sp r o p o s e di ns y n c h r o n i z e dr a n d o ma c c e s s i nt h i sd e s i g n , s o m et i m e s l o t sm a k eu po f t h et i m ed o m a i na n dt h ef r e q u e n c yd o m a i ni sd i v i d e di n t o8 0 m ea c c e s s b a n d w i d t h s e a c hu s e re m p l o y e dd i f f e r e n tp r e a m b l es e q u e n c ea p p * , c s s e st h em o b i l e s y s t e mm d i f f e r e n tt i m es l o t sa n db a n d w i d t h s a tl a s t , i no r d e rt ot e s tt h er a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h es y s t e md e s i g n , t h e p e r f o r m a n c eo ft w om o d e si nn o n - s y n c h r o n i z e dr a n d o ma c c e s sa n ds y n c h r o n i z e d r a n d o ma c c e s si ss i m u l a t e di nm a t l a b a ss i m u l a t i o ns h o w s ，t h ep r o p o s e dd e s i g nm o d e s i nn o n - s y n c h r o n i z e dr a n d o ma c c e s sa n ds y n c h r o n i z e dr a n d o ma c c e s sm e e tt h ed e m a n d o f 3 g p pi t e k e y w o r d s ：r a n d o ma c c 铝s ，n o n - s y n c h r o n i z e dr a n d o ma c c e s s ，s y n c h r o n i z e dr a n d o m a c c e s s ，3 g p pl t e ，d f t - s o f d m a i v 图目录 图1 1 图3 1 图3 2 图3 3 图3 - 4 图4 1 图4 2 图5 1 图5 2 图5 3 图5 - 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 l 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 1 8 图6 1 图6 2 图6 3 图目录 s c f d m a 传输结构。5 d 兀二s o f d m a 系统框图 上行链路数据传输子帧结构1 8 载波占用方式：局部式( 左) 和分布式( 右 o f d m 与d f t - s o f d m a 峰值平均功率比的比较2 7 c a z a c 序列自相关图。 门限检测框图3 2 r a c h 周期结构3 6 c c s k 传送信息的方式3 6 用c c s k 方式承载传输信息的发送框图 基于c c s k 和c a z a c 混合调制的接收结构。3 8 基于岛的循环移位。3 9 传送信号a 的接收相关图 a 序列左移1 0 0 位后的相关图形4 1 c a z a c 在a w g n 信道下的检测性能( 一发两收，虚警l ) 4 2 c c s k 在a w g n 信道下的检测性能( 一发两收，虚警1 ) 。4 3 c a z a c 在t u 3 信道下的检测性能( 一发两收，虚警1 ) 。4 3 c c s k 在t u 3 信道下的检测性能( 2 发两收，虚警1 ) 。4 4 c a z a c 和c a z a c + c c s k 的性能比较( t u 3 一发两收i 虚警1 ) 4 4 随机接入子帧结构。j 4 5 重复发送的帧结构4 5 发送端框图4 6 时域接收检测图4 6 多用户a w g n 信道性能图二4 8 多用户t u 3 信道性能图4 8 用户分组的接入方式5 l u er a c h 子帧结构。5 3 接收加窗结构5 3 图目录 图6 - 4l t er a c h 发射框图。5 4 图6 5r a c h 接收检测框图5 4 图6 - 6a w g n 信道下的性能5 6 图6 7t u 3 信道下的性能。5 6 图6 8 不同符号数的性能比较5 7 表目录 表目录 表1 1 下行传输方案基本参数3 表2 1 乡村地区多普勒频谱参数表1 5 表2 2 典型城市地区多普勒频谱参数表1 5 表2 3 表2 - 4 表3 - 1 表4 - 1 表4 _ 2 表5 - 1 表5 2 表6 1 表6 2 恶劣城市地区多普勒频谱参数表。 山区地形多普勒频谱移参数表1 5 l t e 上行传输结构长块和短块参数设置 r a c h 前导所需长度。3 3 实际计算结果 分段信号设置例子4 5 仿真参数4 7 t d m f d m c d m 结合的r a c h 参数设置的例子5 2 仿真参数设置5 5 i x 缩略词表 k 鼬g r b p s k c c s k c d m a c p d f t d f r s o f d m a f d d f f r g p r s g s m h s d p a i c i ) f r m a 7 f t i s i l 1 e m d 订0 m m s e o f d m 缩略词表 a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g c y c l i cc o d es h i f tk e y i n g c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s c y c l i cp r e f i x d i s e r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e 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 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 i n t e r - c a r t i e ri n t e r f e r e n c e i n v e r s ed i s e r e t ef o u r i e rt r a u s f o r n l i n t e r l e a v e dd i v i s i o nm u l 印l ea c c e s s i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e l o n g t e r me v o l u t i o n m u l t i p l e - i n p u tm u l t i o u t p u t m i n i n l u i nm e a ns q u a r e de r r o r o 竹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 x 加性高斯白噪声 二进制相移键控 循环码移键控 码分多址接入 循环前缀 离散傅立叶变换 d f t 扩频的o f d m a 频分双工 快速傅立叶变换 通用分组无线业务 全球移动通信系统 高速下行分组接入 载波间干扰 离散傅立叶逆变换 交织多址接入 快速傅立叶逆变换 符号间干扰 长期演进 多输入多输出 最小均方误差 正交频分复用 堕堕塑耋 0 f d m a p a p r q a m q p s k r a c h s c o f d m t d d ir 1 1 r a n w c d m a w i 懈 z f 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 a c c e s s p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o 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 q u a t e r n a r yp h a s e s h i f tk e y i n g r a n d o ma c c e s sc h a n n e l s i g n a lc a r r i c to f d m 。 t i m ed i v i s i o nd u p l e x 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 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 w o r l di 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 z e r of o r c i n g x l 正交频分多址接入 峰值平均功率比 正交幅度调制 四相相移键控 随机接入信道 单载波o f d m 时分双工 通用陆地无线接入网 宽带码分多址 全球微波接入互操作 性 迫零 主要数学符号表 主要数学符号表 论文中所用到的主要数学符号列表如下： 符号类别示例 变量 a 矢量 a 矩阵a 矢量转置 a 7 ，a 7 矩阵转置 共轭转置a ” 矩阵伪逆a 。 圆周卷积运算 。 单位矩阵 i 。 皇矢量元素构成的对角矩慨( a ) 阵 数学期望 e c a ) 字体和说明 小写斜体 小写粗体 大写粗体 ( ) ( ) “ ( ) - 1 m l n 阶单位矩阵 将m x l 维矢量a 的元素 排放到全零方阵的对角 线上构成的新方阵 占( ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特另, l j m 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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：蝴鲎敬日期：印年石月1 2e t 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘厂允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 盔目莹盛 导师签名： 日期：矽叼 第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言 伴随g s m 等移动网络在过去的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。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使了个人通信设备的微型化和多样化，结合多媒体消息、 在线游戏、视频点播、音乐下载和移动电视等数据业务的能力，大大满足了个人 通信和娱乐的需求。 另外，尽量利用网络来提供计算和存储能力，通过低成本的宽带无线传送到 终端，将有利于个人通信娱乐设备的微型化和普及。g s m 网络演进到g p r s e d g e 和w c d m a h s d p a 网络以提供更多样化的通信和娱乐业务，降低无线数据网络的 运营成本，已成为g s m 移动运营商的必经之路。但这也仅仅是往宽带无线技术演 进的一个开始。w c d m a 但s d p a 与g p r s e d g e 相比，虽然无线性能大大提高， 但是在i p r 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。 由于c d m a 通信系统形成的特定历史背景，3 g 所涉及的核心专利被少数公 司持有，在口r 上形成了一家独大的局面。专利授权费用已成为厂家承重负担。 可以说，3 g 厂商和运营商在专利问题上处处受到制肘，业界迫切需要改变这种不 利局面。 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 i t 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 结构看来是势在必行。与w i f i 和w i m a x 等无线接人方案相比，w c d m a h s d p a 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 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 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 演进”会议收集了无线接入网r 6 版本之 电子科技大学硕士学位论文 后的演进意见，在随后的全体会议上，“u t r a n ”和“u t r a n 演进”研究项目得 到了2 6 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 技术演进版本的强烈愿望。 1 2l t e 介绍 1 2 1l t e 项目计划和主要性能目标嘲 3 g p p 组织在l t e 项目的工作，基本可以分为两个阶段；2 0 0 5 年3 月2 0 0 6 年6 月为s l ( s t u d y i t e m ) 阶段，完成可行性研究报告；2 0 0 6 年6 月2 0 0 7 年6 月 为w i ( w o r ki t e m ) 阶段，完成核心技术的规范工作。在2 0 0 7 年中期完成l t e 相 关标准制定( 3 g p pr 7 ) ，在2 0 0 8 年或2 0 0 9 年推出商用产品。到目前为止，l t e 项目的研究工作取得了一系列的重大进展。3 g p p l t e 项目的主要性能目标包括： 在2 0 m h z 频谱带宽能够提供下行1 0 0 m b i t s 、上行5 0 m b i t s 的峰值速率；改善小 区边缘用户的性能；提高小区容量；降低系统延迟，用户平面内部单向传输时延 低于5 m s ，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于5 0 m s ，从驻留状态到激 活状态的迁移时间小于l o o m s ；支持1 0 0 k m 半径的小区覆盖；能够为3 5 0 k m h 高 速移动用户提供大于1 0 0 k b i t s 的接入服务；支持成对或非成对频谱，并可灵活配 置1 2 5 m h z 到2 0 z 多种带宽。 为了实现3 g p pl t e 系统的上述目标性能，需要改进与增强现有3 g 系统的空 中接口技术和网络结构。同时l t e 系统核心网采用两层扁平网络架构，由 w c d m 堋s d p a 阶段的n o d eb ，r n c ，s g s n ，g g s n 四个主要网元，演进为e n o d e b ( e n b ) 和接入网关( a g w ) 两个主要网元。核心网同时采用全m 分布式结构， 支持i m s ，v o l p ，s i p ，m o b i l ei p 等各种先进技术。 1 2 2l t e 物理层方案和技术【3 】 在l t l 物理层方案征集过程中，有6 个选项在3 g p pr a n l 工作组中被评估。 它们是： ( 1 ) f d d ，上行采用单载波f d m a ( s c f d m a ) ，下行采用o f d m a 。 ( 2 ) f d d ，上行下行都采用o f d m a 。 ( 3 ) f d d ，上行下行都采用多载波w c d m a ( m c j w c d m a ) 。 ( 4 ) t d d ，上行下行都采用多载波时分同步c d m a ( m c - t d s c d m a ) 。 2 第一章引言 ( 5 ) t d d ，上行下行都采用o f d m a 。 ( 6 ) t d d ，上行采用单载波f d m a ( s c f d m a ) ，下行采用o f d m a 。 在上述方案中，按照双工方式可分为频分双工( f d d ) 和时分双工( t d d ) 两类；按照无线链路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 ) 两类。 针对5 m h z 频谱做系统级的初步评估，采用c d m a 的系统与采用o f d m 的 系统，在提升频谱效率方面表现相似。如果采用c d m a 演进途径，则有利于系统 从前期u t r a 版本平滑升级，可以广泛地重用物理层。如果采用o f d m a ，一个 完全脱离以往设计约束的全新物理层结构，则有利于系统在设计参量上做出灵活 和自由的选择，更容易实现e - u t r a 定义的一些目标，如等待时间、最小带宽间 隔以及在不同双工模式下的公平性等；同时，对于用户接收机来说，针对o f d m a 空中接口的处理相对简单，在更大带宽和高阶多输入多输出( m d 讧o ) 配置情况下 可以降低终端的复杂性。 综合上述因素，当然也经过激烈的讨论和艰苦的融合，在2 0 0 5 年1 2 月召开 的t s gr a n 第3 0 次全会上，最终决定l t e 可行性研究将集中在下行o f d m a 和 上行s c f d m a 上。这也意味着o f d m 技术在3 g p pl t p 中获得了胜利。这一结 果一方面出于纯技术的考虑，即在下行链路采用频谱效率很高的o f d m a 作为调 制方式，在上行链路采用s c f d m a ，可以降低发射终端的峰均功率比，减小终端 的体积和成本；另一方面也是为了摆脱自3 g 以来高通公司独掌c d m a 核心专利 的制约。 1 2 2 1 基本物理层传输方案【4 】 l t e 下行传输方案采用传统的带循环前缀( c p ：c y c l i cp r e f i x ) 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 z 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s i n s ) ，u 甩 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，在3 g 中的1 0 m s 、无线帧被分成2 0 个同等大小的子帧，长度为o 5 m s 。表1 1 列出了一 些已经在l t e 中规范的基本物理层参数。 表1 - 1 下行传输方案基本参数 传输带宽( m h z ) 1 2 52 551 01 52 0 子帧长度( m s )o 5 3 电子科技大学硕士学位论文 子载波宽度( k f i z ) 1 5 子载波数目7 61 5 13 0 16 0 19 0 11 2 0 1 子帧中o f d m 符号数目 1 i 6 ( 短长c p ) 下行数据的调制主要采用q p s k ，1 6 q a m 和6 4 q a m 这3 种方式。针对广播 业务，一种独特的分层调制( h i e r a r c h i e a lm o d u l a t i o n ) 方式也考虑被采用。分层调 制的思想是在应用层将一个逻辑业务分成两个数据流，一个是高优先级的基本层， 另一个是低优先级的增强层在物理层，这两个数据流分别映射到信号星座图的不 同层。由于基本层数据映射后的符号距离比增强层的符号距离大，因此基本层的 数据流可以被包括远离基站和靠近基站的用户接收，而增强层的数据流只能被靠 近基站的用户接收。也就是说，同一个逻辑业务可以在网络中根据信道条件的优 劣提供不同等级的服务。 在目前的研究阶段，主要还是沿用r 6 的t u r b o 编码作为l t e 信道编码，例如 在系统性能评估中。但是，很多公司也在研究其他编码方式，并期望被引人l t e 中，如低密度奇偶校验( l i ) p c ) 码在大数据量情况下，l d p c 码可获得比t u r b o 码高的编码增益，在解码复杂度上也略有减小。 m i m o 作为提高系统输率的最主要手段，也受到了各方代表的广泛关注。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 ，但也在考虑4 4 的高阶天线配置。 l t e 也正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。 另外，下行方向m i 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定为多用户m i m o 场 景的传送方案。 虽然宏分集技术在3 g 时代扮演相当重要的角色，但在h s d p a h s u p a 中已基 本被摒弃。即便是在最初讨论过的快速小区选择( f c s ) 的宏分集，在实际规范中 也没有定义。l t e 沿用h s d p a h s u p a 思想，即只通过链路自适应和快速重传来 获得增益，而放弃了宏分集这种需要网络架构支持的技术。在2 0 0 6 年3 月的r a n 总会上，确认e - u t r a n 中不再包含r n c 节点，因此除广播业务外，需要“中心 4 第一章引言 节点”( 如r n c ) 进行控制的宏分集技术在l t l 中不再考虑。但是对于多小区的 广播业务，需要通过无线链路的软合并获得高信噪比。在o f d m 系统中，软合并 可以通过信号到达u e 天线的时刻都处于c p 窗之内的r f 合并来实现，这种合并 不需要l i e 有任何操作。 上行传输方案采用带循环前缀的s c f d m a ，使用d f t 获得频域信号，然后 插入零符号进行扩频，扩频信号再通过i f f t 。这个过程简写为离散傅立叶变换扩 频的正交频分复用( d f t - s o f d m ) 。这样做的目的是上行用户能在频域相互正交， 以及在接收机一侧得到有效的频域均衡。图1 - 1 是l t e 上行传输方案的结构。 编码后符号速率为r 、。 符号 子载波映 射 图1 - 1s c - f d m a 传输结构 子载波映射决定了哪一部分频谱资源被用来传输上行数据，而其他部分则被 插入若干个零值。频谱资源的分配有两种方式：一是局部式( l o c a l i z e d ) 传输， 即d f q 的输出映射到连续的子载波上；另一个是分布式( d i s t r i b u t e d ) 传输，即 d f t 的输出映射到离散的子载波上。相对于前者，分布式传输可以获得额外的频 率分集。上行调制主要采用b p s k ，q p s k ，8 p s k 和1 6 q a m 。同下行一样，上行 信道编码还是沿用r 6 的t u r b o 编码。其他方式的前向纠错编码正在研究之中。 上行单用户m i m o 天线的基本配置，也是在u e 有两个发射天线，在基站有 两个接收天线。在上行传输中，一种特殊的被称为虚拟( v t r t u a l ) m i m o 的技术在 l t e 中被采纳。通常是2 x 2 的虚拟m i m o ，两个u e 各自有一个发射天线，并共 享相同的时频域资源。这此u e 采用相互正交的参考信号图谱，以简化基站的处理。 从u e 的角度看，2 x 2 虚拟m i m o 与单天线传输的不同之处，仅仅在于参考信号 图谱的使用必须与其他u e 配对。但从基站的角度看，确实是一个2 x 2 的m i m o 系统，接收机可以对这两个u e 发送的信号进行联合检测。 1 2 2 2 基本物理层技术 在基本的物理层技术中，e _ n o d eb 调度、链路自适应和混合a r q ( h a p , q ) 继承了h s d p a 的策略，以适应基于数据包的快速数据传输。 5 电子科技大学硕士学位论文 对于下行的非m b m s 业务，e - n o d e b 调度器在特定时一刻给特定u e 动态地 分配特定的时频域资源。下行控制信令通知分配给u e 何种资源及其对应的传输格 式。调度器可以即时地从多个可选方案中选择最好的复用策略，例如子载波资源 的分配和复用。这种选择资源块和确定如何复用u e 的灵活性，可以极大地影响可 获得的调度性能。调度和链路自适应以及h a r q 的关系非常密切，因为这三者的 操作是在一起进行的。决定如何分配和复用方式的依据包括以下一些：q o s 参数、 在e - n o d e b 中准备调度的数据量、u e 报告的信道质量指示( c q i ) 、u e 能力、系 统参数如带宽和干扰水平等等。 链路自适应即自适应调制编码，可以在共享信道上应用不同的调制编码方式 适应不同的信道变化，以获得最大的传输效率。将编码和调制方式变化组合成一 个列表，e - n o d e b 根据u e 的反馈和其他一些参考数据，在歹i j 表中选择一个调制速 率和编码方式，应用于第二层的协议数据单元，并映射到调度分配的资源块上。 上行链路自适应用于保证每个u e 的最小传输性能，如数据速率、误包率和响应时 间，而获得最大化的系统吞吐量。上行链路自适应可以结合自适应传输带宽、功 率控制和自适应调制编码的应用，分别对频率资源、干扰水平和频谱效率这三个 性能指标做出最佳调整。 为了获得正确无误的数据传输，l t e 仍采用前向纠错编码( f e c ) 和自动重复 请求( a r q ) 结合的差错控制，即混合a r q ( h a r q ) 。h a r q 应用增量冗余( 墩) 的重传策略。为了易于实现和避免浪费等待反馈消息的时间，l t e 仍然选择n 进 程并行的停等协议( s a w ) ，在接收端通过重排序功能对多个进程接收的数据进行 整理。h a r q 在重传时刻上可以分为同步h a r q 和异步h a r q 。同步h a r q 意味 着重传数据必须在l i e 确知的时间即刻发送，这样就不需要附带h a r q 处理序列 号。异步h a r q 则可以在任何时刻重传数据块。 与c d m a 不同，o f d m a 无法通过扩频方式消除小区间的干扰。为了提高频 谱效率，也不能简单地采用如g s m 中复用因子为3 或7 的频率复用方式。因此， 在l t e 中，非常关注小区间干扰消减技术。小区间干扰消减途径有3 种，即干扰 随机化、干扰消除和干扰协调避免。另外，在基站采用波束成形天线的解决方案 也可以看成是下行小区间干扰消减的通用方法。干扰随机化可以采用如小区专属 的加扰和小区专属的交织，后者即为大家所知的交织多址( i d m a ) ；此外，还可 采用跳频方式。干扰消除则讨论采取如依靠u e 多天线接收的空间抑制和基于检测 相减的消除方法。而干扰协调避免则普遍采取一种在小区间以相互协调来限制下 行资源的分配方法，如通过对相邻小区的时频域资源和发射功率分配的限制，获 第一章引言 得在信噪比、小区边界数据速率和覆盖方面的性能提升。 1 3 论文选题及结构 本课题来源于中兴基金项目，主要研究3 g p pl t e 物理层传输技术，而l t e 上行传输采用d f t s o f d m a 技术，本文主要研究l t e 上行基于d f t - s o f d m a 技 术的随机接入技术的研究。 d f t - s o f d m a 技术是以o f d m 技术基础，通过将高速率数据分成几个并行 的低速率数据，然后对多个相互正交的载波进行调制，使其具有较好的抗频率选 择性衰落以及较高的频带利用率。它保留了o f d m 的优点，而且在o f d m 的基础 上发送端加入f f t 模块，接收端加入w f t 模块，降低了峰值平均功率比。 本文的内容结构安排如下： 第一章为引言。首先对论文的研究背景进行了概述，介绍了l t e 项目计划和 要求达到的性能目标，接着阐述了l t e 物理层的技术和传输方案，以及未来l t e 的研究趋势。 第二章为无线信道模型。讨论了无线移动通信信道的传播特征及信号经多径 衰落、多普勒扩展后的包络分布，介绍了欧洲科技合作组织提出的c o s t 2 0 7 信道 模型。 第三章为l t e 上行链路d f t - s o f d m a 技术介绍。首先介绍d f t - s o f d m a 技 术的系统模型，分析了其技术原理、予帧结构、传输参数设置并给d f t - s o f d m a 技术的数学传输模型。最后阐述了d f t - s o f d m a 技术的优势及不足。 第四章为随机接入技术概述。首先简单阐述了随机接入的