（通信与信息系统专业论文）tddlte系统中链路级关键技术研究.pdf

1 i 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。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，也不包含为获得北京邮 电大学或其他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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相苯责任。 本人签名：气暑e 瞑缸台一 日期：二! 止l 堂f 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有 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，允许学位论文被 查阅和借阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守 此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文 本人签名： 导师签名： 本授权书。 日期：型! ：堕：簦 日期：专芈帖 l t d d l t e 系统中的链路级关键技术研究 摘要 随着无线通信的飞速发展，人们对高速数据业务的需求也更加迫 切，无线资源的紧张迫使人们想方设法来提高频谱利用率，以在有限 的频带上传输更高的速率。针对该问题，各种技术相应发展，包括链 路自适应技术、差错控制技术、高阶调制技术等等。本论文针对 t d d l t e 系统，重点比较并分析了采用h a r q 技术对系统性能的影 响。通过这种比较与分析，得到h a r q 技术的优越性以及局限性， 为以后的研究找到发展方向。 为了保持本论文的完整，第一章首先介绍了移动通信无线衰落信 道的特点以及链路级仿真方法论，为后面的自适应技术提供必要的背 景知识。 第二章对t d d - l t e 系统进行了简要介绍，并对t d d - l t e 系统 的链路性能进行了研究。 第三章介绍了链路关键技术的概念、基本原理，着重讨论和分析 了t d d l t e 系统中h a r q 的性能。 第四章提出了一种基于自适应调制技术的h a r q 方案，即将自 适应调制技术与h a r q 技术相结合的方案，并在此基础上，详细分 析比较了应用该方案的系统的吞吐量性能。 第五章是对本论文的总结。 关键词：h a r q ，自适应调制编码，调制编码方式，t d d l t e 系统 一 o ft e c h n o l o g i e sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d ，s u c ha sl i n kl e v e la d a p t i v e t e c h n o l o g y , e l t o rc o n t r o lt e c h n o l o g y , h i g ho r d e rm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y , a n ds oo n i nt h i sp a p e r , w ec o m p a r e da n da n a l y z e dt h ei m p a c to ns y s t e m p e r f o r m a n c eb yu si n gh a r qt e c h n o l o g yi nt d d ms y s t e m s i no r d e rt om a k et h i st h e s i sc o m p l e t e ，c h a p t e r1f i r s tp r e s e n t st h e i n t r o d u c t i o n st ot h et h e o r yo fw i r e l e s sf a d i n gc h a n n e la n dd e sc r i b et h e p r i n c i p l ea n dm e t h o do fl i n k 1 e v e ls i m u l a t i o n i nc h a p t e r2 t d d ms y s t e mi si n t r o d u c e db r i e f l y m a dw es t u d y t h el i n kl e v e lp e r f o r m a n c ei nt d d l t es y s t e m i nc h a p t e r3 ，l i n kl e v e la d a p t a t i o nt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yh a r q ，i r a n da m ca r ei n t r o d u c e dr e s p e c t i v e l y a n dw ed i s c u s sa n da n a l y z et h e h a r qp e r f o r m a n c ei nt d d - 1 月es y s t e m i nc h a p t e r4 ，w ep r o p o s eah a g qs c h e m eb a s e do n 创cw h i c hi sa c o m b i n a t i o no fa m ca n dh a r q a n dw ec o m p a r ea n da n a l y z et h e t h r o u g h p u tp e r f o r m a n c e o fo u rs c h e m e w i lm a to ft h et r a d i t i o n a lo n e c h a p t e r5i sab r i e fc o n c l u s i o n k e yw o r d s ：h h r q ，a m c ，m c s ，t d d l t e p t j 一 ， f t 第一章移动环境和链路级仿真方法论1 1 1 无线信道1 1 1 1 大尺度衰落1 1 1 2 小尺度衰落2 1 2 链路级仿真原理5 1 2 1 基本结构5 1 2 2 无线信道仿真7 1 3 链路级仿真的目的和模型7 1 4 论文的背景、丰要工作和意义9 第二章t d d l t e 系统和链路性能分析1 1 2 1l t e 的标准化进程和目标1 1 2 2l t e 的物理层儿 2 2 1l t e 的多址方式l l 2 2 2l t e 中的多天线配置1 2 2 2 3l t e 的帧结构1 2 2 2 4l t e 的信道结构1 5 2 2 5l t e 中的物理层信号1 8 2 3t d d l t e 链路性能研究。1 8 2 3 1t d d l t e 链路级仿真平台设计1 8 2 3 2t d d l t e 链路性能仿真及评估1 9 第三章链路级关键技术研究2 2 3 1 链路自适应和递增冗余技术一2 2 3 1 1 链路自适应技术2 2 3 1 2 递增冗余技术2 3 3 2h a r q 2 5 3 2 1 差错控制技术2 5 3 2 2 传统a r q 一2 6 3 2 3 混合a r q ( h y b r i da r q ) 2 9 3 3a m c ：；5 3 4t d dl t e 系统中h a r q 的基本性能的研究3 6 3 4 1h a r q 的功能模块的实现：3 7 3 4 2h a r q 性能比较与分析3 7 3 4 3 影响h a r q 性能的因素4 l 第四章基于自适应调制的h a r q 改进方案研究4 4 4 1 仿真平台设计一4 4 4 2 理想信道估计条件下的h a r q 改进方案4 5 4 3 信道估计对h a r q 方案的影响4 7 第五章总结5 0 参考文献5 l 致谢5 2 攻读学位期间发表的学术论文目录5 3 1一 j 一 ， ， 体也对接收的信号有很大的影响，因此可以认为无线传播环境是一种随时间、环 境和其它外部因素而变化的传播环境。 通常，无线信道的传播模型可分为l a r g e s c a l e ( 大尺度) 传播模型和 s m a l l s c a l e ( 小尺度) 传播模型两种1 。l a r g e s c a l e 模型主要用于描述发射机与 接收机( t - r ) 之间长距离( 几百或几千米) 上的信号强度变化。s m a l l s c a l e 模 型用于描述短距离( 几个波长) 或短时间( 秒级) 内接收信号强度的快速变化。 但两种模型并不是相互独立的，在同一个无线信道中，既存在l a r g e s c a l e 衰落， 也存在s m a l l s c a l e 衰落。一般而言，l a , - g e s c a l e 表征接收信号在一定时间内的 均值随传播距离和环境的变化而呈现的缓慢变化，s m a l l - s c a l e 表征接收信号短时 间内的快速波动。因此，实际的无线信道衰落因子可表示为嵋。： ，7 ( f ) = 善( f ) f ( ，) ( 1 1 ) 式中，r ( t ) 表示信道的衰落因子，孝( f ) 表示s m a l l s c a l e 衰落，f ( f ) 表示 l a r g e s c a l e 衰落。 1 1 1 大尺度衰落 大尺度衰落又称阴影衰落，对任意的t - r 距离，平均l a r g e s c a l e 路径损耗 表示为： 弛班” m 2 ， 或2 卯卅蚓吲毛d o ) d s 舶g ( 1 - 3 ) 其中，n 为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速率；d o 为近地参考 距离，由测试决定；d 为t - r 距离。在自由空间传播时，n 为2 ；当有障碍物时， 北京邮电人学硕十研究生学位论文 1 1 变大。 公式( 1 - 3 ) 中没有考虑在相同t - r 距离情况下，不同位置的周围环境差别 非常大。测试表明，对任意d 值，特定位置的路径损耗f ( d ) 又服从随机正态 分布，即： f ( f ，d ) 扭】= f ( 乙或) 【扭】+ l o 川。g c 丢 + 以( r ) ( 1 4 ) 其中，k 为0 均值的高斯分布随机变量，标准偏差为仃，单位为d b 。 对数正态分布描述了在传播路径上，具有相同t - r 距离时，不同的随机阴影 效应。这种现象叫对数正态阴影。 1 1 2 小尺度衰落 1 1 2 1 多径传播 陆地移动信道的主要特征是多径传播。传播过程中遇到建筑物、树木以及起 伏的地形，会引起能量的吸收、穿透以及电波的反射、散射及绕射等，因而移动 信道是充满了反射波的传播环境。 在移动传播环境中，到达移动台天线的信号不是从单一路径而来，而是许多 路径而来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各路径 来的反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端迭加， 有时同相迭加而加强，有时反相迭加而减弱。这样，接收信号的幅度将急剧变化，。 即产生了衰落。这种衰落是由多径传播引起的，所以称为多径衰落。 移动信道的多径环境所引起的信号多径衰落，可以从时间和空间两个方面来 描述和测试。从空间角度来看，接收信号的幅度随着距离变动而衰减。其中，本 地反射物所引起的多径效应呈现较快的幅度变化，其局部均值为随距离增加而起 伏的下降曲线，反映了地形起伏所引起的衰落以及空间扩散损耗。从时域角度来 看，各个路径的长度不同，因而信号到达的时间就不同。比如，从基站发送一个 脉冲信号，接收信号中不仅包含该脉冲，而且还包含它的各个时延信号。这种由 于多径效应引起的接收信号中脉冲的宽度扩展的现象，称为时延扩展。扩展的时 间可以用第一个码元信号与最后一个多径信号之间的时间差来测量。 一般来说，模拟移动系统中主要考虑多径效应所引起的接收信号幅度的变 化。而数字移动系统中主要考虑多径效应所引起的脉冲信号的时延扩展，因为时 延扩展将引起码问串扰，严重影响数字信号的传输质量。 1 1 2 2 时延带宽扩展与相关 2 送一个极窄的脉冲信号时，由于存在多条不同的传播路径，路径长度不一样，则 发射信号沿各个路径到达接收天线的时间就不一样，而且传播路径又随移动台的 变化而变化，因- 晌移动台接收的信号由许多不同时延的脉冲组成。由于移动台的 运动，各个脉冲可能是离散的，也可能连成一片。 时延扩展可以直观地理解为在一串接收脉冲中，最大传输时延和最小传输时 延的差值，也就是最后一个可分辨的时延信号与第一个时延信号到达时间的差 值，记为。实际上就是脉冲展宽的时间。若发送的窄脉冲的脉宽为t ，则接 收信号宽度为丁+ 。 在数字传输中，由于时延扩展，接收信号巾一个码元的波形会扩展到其它码 元周期中，引起码间串扰。为了避免码间串扰，应使码元周期大于多径引起的时 延扩展，或者用下式来表示： r 1 a ( 1 - 5 ) 由于路径的传播长度巧i 同，传播路径随移动台的运动而变化，接收到的信号 由许多不同时延的脉冲组成 母( ) 2 口0 舀口f 文一o ) e x p ( j w c ) ( 1 - 6 ) 最大传输时延和最小传输时延的差值是脉冲展宽的时间。不同时延信号的平 均功率的归一化时延谱为 即) = 否1e x p ( 一丢) ( 1 - 7 ) 式中 2 = i ( f 一乙) 2 p ( r ) d t( 1 - 8 ) 为均方值时延扩展， 譬 乙= ifp ( r ) d r 乞 为平均时延。 当两个信号的包络分别为r l 和r 2 ，载波频率间隔为鲈时， 的情况下，= 0 ，包络的相关系数尸( 鲈) = o 5 ，相关带宽为 b ；厂；上 ( 1 - 9 ) 在没有时延扩展 o - l o ) 相关带宽表征的是信号中两个频率分量基本相关的频率间隔。衰落信号中的 两个频率分量，在其频率间隔小于相关带宽时，它们是相关的，衰落特性具有一 3 选择性衰落。 1 i 2 4 多普勒效应 当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应，这 是任何波动过程都具有的特性。多普勒效应引起的附加频移称为多普勒频移，可 用下式表示： 1 ) d 2 了g o $ 口 ( 1 1 2 ) 这里，a 是入射电波与移动台运动方向的夹角，v 是移动台运动速度，名是 波长。上式中，v 2 与入射角无关，是厂d 的最大值。厂。= v a 称为最大多普勒 频移。 1 1 2 5 相关时间和快衰落、慢衰落 相关时间r 是多普勒扩展在时域上的表示，用于在时域描述信道频率扩散的 时变特性。z 与多普勒扩展成反比，即： 一 l l c 了 ( 1 - 1 3 ) ，肘 相关时间是信道冲激响应维持不变的时问间隔的统计平均值。换句话说，相 关时间就是指一段时间间隔，在此间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。 如果基带信号带宽的倒数大于信道相关时间，那么传输中基带信号可能就会发生 变化，导致接收机解码失真。若时间相关函数定义为大于0 5 ，相关时间近似为： 。 9 。2 z = 7 ( 1 - 1 4 ) 1 6 万厶 r 其中，厂，= v 2 是最大多普勒频移。 如果相关时间小于一个符号的持续时间，也就是信道的变化快于摹带信号的 变化，则发生快衰落；如果相关时间大于一个符号的持续时间，也就是信道的变 4 ( 1 ) 将给定的链路仿真问题映射为链路仿真模型； ( 2 ) 将整条链路仿真模型分解为一组小的仿真模块； ( 3 ) 找到合适的建模和仿真方法对这些子模块进行建模； ( 4 ) 将子模块组和起来，组成整条仿真链路。 由于通信系统的基本目的是通过处理波形和符号传递信息，因此通信系统的 链路仿真就是通过产生和处理这些波形的采样值来模拟这个过程。在建立链路仿 真时，首先要将仿真模型细分为多个仿真模块，然后考虑不同的功能模块所采用 的信号处理运算模型，以及产生通信系统不同工作点所需的输入波形。 图1 1 是一幅链路仿真系统框图，从图中我们可以看到，方框图中的每个功 能模块都执行一个特定的信号处理运算。在搭建仿真平台前，要选择对应于每一 个功能模块的合适的仿真算法，并通过实现这些仿真算法和互联这些的功能模块 来产生信号流。 图1 1 链路级仿真框图 一般而言，链路级模型可以分解为一组功能模块的串联，包括信源、编码器、 译码器、调制器、解调器、滤波器、信道等功能模块( 参见图) ，如果考虑复杂 的链路仿真还会包括天线阵列、交织器、解交织器、扩频与解扩等模块。 链路级仿真框图如图1 - 1 所示，信息源信号产生随机的信息比特d ( ) ，编码 北京邮电大学硕士研究生学位论文 后变为符号s ( ”) ，经过调制后变为复码片信号，再经过扩频，加扰后变为信号 c ( ，7 ) 。c ( n ) 经过无线信道办( 刀) 后，在接收机端经过滤波器检测处理，得到复码片 信号c 。( 门) ，将信号c ( ”) 经过解扰、解扩、解调、解码等一系列处理后得到信息 比特d ( 玎) 。比较d ( ) 与d ( ”) ，可以得到b e r ，b l e r 或f e r 。 设e 为接收端解扩后期望信号的码片能量，则接收端s i r 信干比为 鲁：g f 星一( 1 - 1 5 ) n t i 。+ i 。+ n 4 式( 1 1 5 ) 中厶，为基站分配给其他用户的前向发射总功率谱密度，经过信道传 输后变为厶，；厶。为其它小区干扰信号的总功率谱密度；d 为热噪声的功率谱密 度；m = 厶，+ k + n o ；g 为扩频增益；历为有用信号的比特能量。 在仿真中可以根据ei n , 对信道增益进行控制，通过控制信道增益、l 、l 以及o ，可以得到对应不同的岛i v , 时信道的f e r 值。由于在仿真中，l 、l 不易控制和计算，因此往往采用先仿真得到不同的岛o 所对应的f e r 值，然 后将带有厶，、l 等干扰的尾i n , 折算为等价的磊0 ，从而间接得到对应不同 的e i n , 时信道的f e r 值。 从仿真复杂度考虑，如果在码片级仿真，要完成仿真需要很长时间。要仿真 如图所示的链路模型，并得到对应多个e i v , 时的f e r 值，可能需要数天甚至 一周的时间。为了缩短仿真时间，可以省略图1 - 1 中的扩频和解扩的过程，直接 以符号速率( s y m b o lr a t e ) 进行仿真，此时图1 1 中c ( ”) 为未经扩频和加扰的复 信号。 为了简单起见，在进行符号速率的链路级仿真时，仍然使用相同的信道模型， 这其实是不准确的。但是当在接收端单纯进行解扩检测时，由于采用码片速率和 符号速率进行仿真的仿真结果相差不大，同时采用符号速率可以大大缩短仿真时 间，因此常常采用符号速率进行仿真。但是对于那些采用码片速率仿真和符号速 率仿真性能差异比较明显的系统，不能简单以符号速率仿真替换码片速率仿真。 无线链路一般使用长期( 1 0 n gt e r m ) 性能，即在某种信道条件和系统配置下， 用f e r 与平均信噪比( 在整个仿真时间内平均e 眠) 来表征其性能。链路级 仿真一般以不同的发射功率或不同的目标最眠( 对于有功控的仿真系统) 重复 运算来得到链路的完整性能。但如果传输只在某些时刻发生，那么传输数据可能 不会经历无线信道所有的衰落，对于慢变信道，这种情况更为明显。因此采用短 期( s h o r tt e r m ) 性能的仿真方法能够更准确的反映无线链路的真实性能。在这种 方法中，每次仿真都以固定的发射功率或目标e 0 运行，计算并记录每一帧的 平均昂蚍( 在一帧内平均) 以及该帧正确与否。将所有的蜀0 以一定的间隔 分组，例如以o 2 5 d b 间隔分组，将e o 的值属于一组的帧放在一起计算f e r ， 从而得到一条完整的f e r 与恳0 曲线。 6 信道建模是移动通信系统仿真中的基础和关键，信道建模的评估标准是在不 同的环境下所建立模型与真实信道的吻合程度，而信道仿真的评估准则在于运算 量的复杂度。因此在进行信道建模时，需要研究人员根据不同的信道情况进行建 模和仿真。 根据信道的频率选择性，我们可以将信道分为平坦衰落信道和频率选择性信 道；根据信道的空间选择性，可以把信道分为标量信道和欠量信道。由于在实际 链路仿真中，标量信道使用的较多，因此在本部分只介绍对标量信道的建模方法。 由于频率选择性信道是由多个可分辨径组成的，每一条径对应一个平坦衰落 信道，因此我们通常先利用j a k e s 仿真器进行平坦衰落信道建模，然后再由多个 平坦衰落信道组成一个频率选择性信道模型。 1 3 链路级仿真的目的和模型 对于复杂的通信系统来说，使用数理分析的方法来评估系统性能通常很困 难。但是性能的评估对于通信系统的设计和选择非常重要，因此需要利用仿真的 方法。仿真使设计者可以方便地改变一个系统的实现方式并以一个适当的方式观 察效果。 移动通信系统的仿真工作可以分成两部分：链路级仿真和系统级仿真。在系 统级仿真中主要研究在一定业务量模型，用户移动模型，信道传输模型的环境下， 根据链路级所得到的性能与信噪比的关系，计算出整个网络的频谱效率和用户满 意程度。而链路级仿真工作为链路层的具体实现提供了有效的根据。在链路级中， 主要研究在一定编码方式、调制方式、多址方式和复用方式的前提下，在不同的 信道环境中，单个移动台与基站通信时的性能，以及达到一定性能时所要求的信 噪比。 链路级仿真的目的是建立一个可以验证无线传输技术( i 玎t ) 链路性能的方 法和仿真平台，就是根据无线传输技术物理层的基本模块的概念和算法，建立上 行链路和下行链路，然后通过信道模型，连接成一条链路，经过仿真计算，得到 基本的f e r - 姚的性能关系曲线。 信道冲激响应模式表示多普勒频移衰落特性和多径时延扩散特性模式。通过 7 北京邮电大学硕十研究生学位论文 多径时延扩散特性，可以评估无线传输技术中的均衡器或r a k e 接收机的抵抗符 号间干扰能力。通过多普勒频移衰落特性，可以评估无线传输技术中的信道编码 技术和调制解调器抵抗相位失真的能力。 链路级仿真模型由发射机模块、信道模型、接收机模块和功率控制模块四部 分构成，如图1 - 2 所示。 图1 - 2 链路级仿真基本模型 发射机模块包括：物理层的基本功能，如编码、交织、扩频和扰码以及复用 等。 信道模型包括：信道冲激响应模型和模拟热噪声和干扰噪声的a w g n 。信 道冲激响应模型可以仿真不同的运动速度。 接收机模块包括：物理层的基本功能，如r a k e 接收机，i c 接收机，j d 接 收机，译码和去交织等。 功率控制模块包括功率算法等。为了比较功率控制的作用，可用图1 3 所示 的没有功率控制的链路仿真模型。 图1 - 3 链路仿真模型 在链路级仿真中，要根据不同的无线传输技术去建立不同的发射机模块、接 收机模块和功率控制模块的算法和结构。 信道模型由加性白高斯噪声( a w g n ) 和m 1 2 2 5 建议定义的信道脉冲响应 构成，其结构如图1 4 所示。a w g n 模拟干扰噪声和链路系统的热噪声。信道 脉冲响应表示移动信道的瑞利衰落特性和多径延迟特性。 第一章移动环境和链路级仿真的方法 图1 _ 4 链路级仿真信道模型 评估一个移动通信系统的无线传输技术的性能时，必须引入瑞利衰落多径信 道。移动通信环境不同，瑞利衰落多径信道也不同。多径产生的时间扩散引起信 号符号间的干扰，运动速度产生的多普勒频率漂移引起信号相位的变化。无线传 输信号通过这样的信道后，其性能会降低。这种性能的降低将检验无线传输技术 物理层的基本功能( 例如，信道编译码、交织技术、接收机和功率控制能力等) 的优劣。 对于地面的测试环境，m 1 2 2 5 建议的信道脉冲响应是：多径时间扩展采用 抽头时延线模式( t a p p e d d e l a yl i n em o d e l ) 。每一个抽头表示的时延都是相对于 第一个抽头表示的时延，每个时延的平均功率都是相对于最强的平均功率。 仿真链路的各个基本模块之间的连接见图1 5 。 图1 5 仿真链路的各个基本模块 1 4 论文的背景、主要工作和意义 无线通信领域对高速数据业务越来越多的需求，迫切需要对资源利用更加高 9 北京邮电大学硕士研究生学位论文 效的技术。瓜技术、h a r q 技术以及a m c 技术作为通信中的重要技术，在如 今的移动通信系统中广泛应用，本人在硕士期间对于以上技术进行了较为系统的 研究。 在本文的第二章，首先对t d d l t e 系统进行了简要地介绍。然后进一步研 究了系统的链路性能，并对仿真结果做了进一步的评估。 本论文的第三章将详细介绍链路层的自适应技术，特别是h a r q 技术、瓜 技术以及a m c 技术，比较了各种不同h a r q 的异同。然后重点分析并讨论了 t d d l t e 系统巾h a r q 的基本性能 第四章在t d d l t e 系统中提h 了一种基于白适应调制的h a r q 改进方案。 在此基础上，进一步研究了信道估计对系统性能的影响。 1 0 第二章t d d l t e 物理层协议 第二章t d d l t e 系统和链路性能分析 2 1l t e 的标准化进程和目标 在完成h s p a 技术标准的制定的同时，3 g p p 并没有停止继续演迸， c d m a 2 0 0 0e v d o 、w i m a x 等通信系统也在朝着更高的性能目标发展，为提供 高达1 0 0 m b p s 的速率而努力。为此，3 g p p 为保持系统的竞争力，开始了向l t e 迈进的过程。l t e 的总体目标是j 川陋3 ： 传输速率：在2 0 m h z 的带宽内达到峰值速率下行1 0 0 m b p s ，上行5 0 m b p s 频谱利用率：下行的频谱利用率达到r e l 6 的3 - 4 倍，上行2 3 倍 时延特性：为p 业务进一步优化时延特性 系统带宽灵活：单载波可选择1 2 5 m h z 2 0 m h z 的多种带宽 互操作：可以和原有的u t ra n g e r a n 系统共同工作，系统间测量和 互相切换，甚至包括一些非3 g p p 的系统如移动w i m a x m b m s ：将m b m s 演进到e m b m s 移动性：系统主要对低移动速度的用户进行优化，但也对类似高速铁路 一类的高速移动提供支持 q o s ：支持端到端的q o s 机制，提供相当于原有电路域语音业务质量的 v o l p 业务 网络升级：尽量减少网络升级的耗费，使得升级尽可能平滑 现在3 g p p 正在对l t e 进行讨论，具体的规范将在t s3 6 系列中给出。下面， 我们将对l t e 中一些已经明确的技术和规范做出说明。 2 2l t e 的物理层 l t e 中由于m i m o 、o f d m a s c f d m a 的引入，物理层结构方面与原3 g p p u t r a n 有较大的不同，主要体现在帧结构、参考信号配置等方面。由于l t e 立 足于向全网过渡，以分组交换提供电路域的业务，信道映射方案也较之前做 了较大的改进，主要体现在减少了专用信道的种类，信道种类较之前大大减少。 下面将分别介绍这几个方面删： 2 2 1l t e 的多址方式 l t e 的下行多址方式基于o f d m a ，全系统带宽可配置为从1 2 5 m h z 到 2 0 m h z 。o f d m a 能较好地对抗无线信道中的多径效应，在多径时延未超出 北京邮电大学硕士研究牛学位论文 o f d m 符号的c p 长度时，是不会引起子载波干扰的，各子载波之问是正交的。 这就使得多径可以在空中接口处得到合并，而不需要像c d m a 中通过r a k e 接收 机等在收端进行处理。o f d m a 也不需要通过时域均衡来补偿信道响应，这在数 据速率较大的时候可以极大地简化接收机结构，因为数据速率越大的时候需要时 域均衡器的抽头数越多。o f d m a 的各个子载波带宽较小，可以视为平坦衰落信 道，而m i m o 的分析大都是基于平坦衰落信道的，因此o f d m a 与m i m o 结合 有先天的优势。l t e 在上行方向上，由于考虑到峰均比( p a p r ) 的问题而使用 了s c f d m a 。o f d m a 的信号具有较高的峰均比，而功率放大器的线性范围是 有限的，只有在一定范围内的信号才能得到高效地放大增益。o f d m a 在u e 端 使用的话，将影响到功率放人器的效率，从而造成u e 电池的过人消耗，影响终 端的待机时间。 2 2 2 l t e 中的多天线配置 l t e 在基站和终端侧都可以使用多天线技术，基本的方案是2 * 2 的天线配置 方案。m i m o 在l t e 中可以用于分集和复用。在分集时，在f d d 下支持闭环自 适应天线选择发送分集。在复用时，下行发送的数据流可以是属于多个用户的， 称之为多用户m i m o ；也可以是单个用户的，称为单用户m i m o 。上行使用多 用户m i m o 。 。 2 2 3l t e 的帧结构 l t e 现有标准中存在两种帧结构，t y p e1 和t y p e2 ，分别用于f d d 和t d d 模式，下面分别介绍t y p el 和t y p e2 。时f b - 单位z = 1 ( 1 5 0 0 0 2 0 4 8 ) s ，其中1 5 0 0 0 表示子载波间隔是1 5 k h z ，2 0 4 8 为在最高带宽配置下i f f t 的点数，得到时间样 点间隔为z 。 t y p e1 ：如图2 1 ，一个无线帧长为乃= 3 0 7 2 0 0 z = 1 0m s ；在一帧内共有 2 0 个时隙，从时隙0 到时隙1 9 ，每个时隙长t h = 1 5 3 6 0 t , = 0 5m s ：两个连续的 时隙2 i 和2 i + 1 被称为一个子帧，共l o 个子帧。在此结构中，上下行处于不同 的频率上，各使用一个t y p e1 的帧结构。 一个无线帧：乃= 3 0 7 2 0 0 t s = 1 0m s ：一个时隙，瓦l o i = 1 5 3 6 0 , = 0 5m s 一 臣丑j 三! 一臣互 ：一个了帧 一i 图2 - 1l t e 帧结构t y p e1 ( 用于f d d ) 1 2 第二章t d d l t e 物理层协议 t y p e2 ：如图2 2 ，l t e 的t d d 作为t d s c d m a 的后续演进，保留了 t d s c d m a 帧结构的一些特点，如d w p t s 、g p 和u p p t s 。但是也做出了一些 折衷，帧结构的时隙形式不再与原有的t d s c d m a 兼容。具体来说，无线帧、 子帧和时隙的概念及时长与t y p e1 相同。但是一个无线帧被分为2 个5 m s 的半 帧( h a l ff r a m e ) ，每个半帧包含8 个时隙( 合4 个子帧) 和一个由d w p t s 、g p 和u p p t s 构成的总时长为l m s 的特殊区域。t y p e2 作为t d d 模式的帧结构， 子帧町独立配置为上行和下行，但要满足切换点配置的要求，子帧0 、5 和d w p t s 总是用于下行的，u p p t s 总为上行。关于切换点的配置，当上下行切换周期为 5 m s 时，有两个u p p t s ，子帧2 、7 总为卜行，一个切换点位于子帧2 - 4 的结束 点上，另一个切换点2 位于子帧7 9 的结束点上。当上下行切换周期为1 0 m s 时， 第二个半帧中没有u p p t s ，其位置由d w p t s 占据，子帧7 9 被保留为下行( 即 第二个半帧均是下行) ，切换点位于子帧2 - 4 的结束点上。当然，d w p t s 和紧接 着的u p p t s ( 如果存在的话) 之间恒有一个切换点。 图2 - 2l t e t d d 帧结构t y p e2 钉 无论是t y p e l 还是t y p e 2 ，在每个时隙中资源都是按照时频域的方式进行分 配，如图2 3 和图2 - 4 。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 茎li 喜 一个l f 时隙r i h 图2 3 上行资源网格 蓉 士i _ 穹； 警i 十i 日t 徘7 0 。_ 。_ _ 。 i一 图2 4 下行资源网格 以下行为例，每个o f d m 符号上的一个子载波称为一个资源元素( r e s o u e e e l e m e n t ) ，每个时隙都包含碟。个o f d m 符号，每蛾。硭个资源元素构成 一个时频二维的资源网格，称为一个资源块( r e s o u r c eb l o c k ) ，每个资源块在频 域上表示1 8 0 k h z 的带宽。在予载波间隔1 5 k h z 时，每个符号含有竽= 1 2 个 子载波，子载波间隔1 5 k h z ；在m b s f n 下可以使用7 5 k h z 的子载波间隔。在 可配置的带宽范围内，每时隙由频域上相邻的嚣个资源块构成资源网格 ( r e s o u r c eg r i d ) 。 。 在每个o f d m 符号中，还需要配置c p 以对抗多径可能造成的子载波间干 扰。较长的c p 可以允许更大的多径时延扩展，但是也会使得能用于每个o f d m 符号中实际数据传输的时间减少，影响传输效率。因此需要针对不同的条件使用 不同的c p 长度。可选的c p 长度如表2 - 1 和表2 2 ，厂为子载波间隔。其中当 使用m b s f n 时，由于多小区同时进行广播，多径时延差会比较大，需要更长的 c p ，而相应地为了维持资源块承载能力而在下行采用厂= 7 5 k h z 的子载波间 隔。需要注意的是表2 - 1 和表2 2 中的参数可能随着标准的进一步制定而发生变 化。 1 4 第二章t d d l t e 物理层协议 表2 - 1 上行资源块参数 配置 n 篙州l b lc p 长度( t s ) 符号0 ：1 6 0 标准c p 1 27 符号1 6 ：1 4 4 1 2 加长c p 65 1 2 表2 - 2 下行资源块参数 配置蠼峨。c p 长度 符号0 ：1 6 0 t s ，5 2 u s 标准c pa f = 1 5k h z 7 符号1 - 6 ： 1 2 1 4 4 t s ，4 6 8 7 5 u s a t = 1 5k h z6 5 1 2 t s ，1 6 6 7 u s 加长c p 鹭= 1 5k h z2 43 1 0 2 4 t s ，3 3 3 u s 2 2 4l t e 的信道结构 在l t e 中，与原有u m t s3 g 系统一样存在3 种信道模式儿引，如图2 5 ： 逻辑信道：m a c 子层为上层r l c 子层提供的服务，描述所传输信息的 类型。 传输信道：物理层向m a c 子层提供的服务，描述信息将如何在空中接 口上传输。 物理信道：位于物理层，实际承载需要发送信息的信道，将信息送到空 中接口上去。 1 3 i _ 2 l l 删 ， j 嚣 廿e 烈 图2 - 5 逻辑信道、传输信道与物理信道 逻辑信道 传输信道 l 一 北京邮电大学硕士研究牛学位论文 逻辑信道与之前基本相同，下面将专门介绍l t e 中的传输信道与物理信道。 传输信道：物理层通过传输信道向高层( m a c 层等) 提供信息传输的服务。 传输信道规定了信息将以何种格式及方式在空中接口上传输。l t e 的传输信道数 量较少，且无专用传输信道，分为以下几种： ( 1 ) 广播信道( b c h ) - 使用预先定义的固定的传输格式，并能在整个小区覆 盖范围内广播。 ( 2 ) 下行共享信道( d l s c h ) ：支持h a r q ，能通过动态地改变调制、编码 及发射功率进行链路自适应，有在整个小区内广播的能力，可以使用波束赋型， 支持动态或者半静态的资源配置，支持u e 端的d r x ，支持m b m s 传输。 ( 3 ) 寻呼信道( p c h ) - 支持u e 端的d r x ，要求能在整个小区内广播。 ( 4 ) 多播信道( m c h ) ：要求能在整个小区内广播，支持多小区m b m s 中 m b s f n 方式的合并，支持半静态的资源配置。 ( 5 ) 上行共享信道( u l s c h ) ：支持h a r q ，支持通过改变发射功率以及调 制编码，来进行链路自适应，可以使用波束赋型，支持动态或者半静态的资源配 置。 ( 6 ) 随机接入信道( r a c h ) ：传输少量的控制信息，有发生碰撞的可能。 物理信道：实际承载信息并在空中接口传输的是物理信道，它位于物理层中。 除了传输信道的信息需要映射到物理信道上进行传输，物理信道还传输一些控制 信息。l t e 中的物理信道有： ( 1 ) 物理广播信道( p b c h ) ：承载广播信道b c h ，采用q p s k 调制，传输块 时长为4 0 m s ，终端需要进行盲检测解调。 ( 2 ) 物理控制格式指示信道( p c f i c h ) ：承载控制格式指示( c f i ) ，采用q p s k 调制，用来通知u e 物理控制信道( p d c c h ) 使用的o f d m 符号。 ( 3 ) 物理下行控制信道( p d c c h ) ：承载下行控制信道( d l c c h ) ，采用q p s k 调制，用来通知u e 与下行共享信道( d l s c h ) 和寻呼信道( p c h ) 相关的资 源配置、h a r q 信息等。一共有3 种格式的p d c c h ，分别在不同数目的控制信 道元素( c c e ) 上传输，每个c c e 与一组物理层资源相对应。 ( 4 ) 物理下行共享信道( p d s c h ) ：承载下行共享信道( d l s c h ) ，可采用 q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m 调制。 ( 5 ) 物理多播信道( p m c h ) ：承载多播信道( m c h ) ，可采用q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m 调制。 ( 6 ) 物理上行控制信道( p u c c h ) ：承载下行传输对应的a c k n a k 和c q i 报告，具有多种不同格式，见表2 - 3 。 1 6 第一章t d d l t e 物理层协议 表2 - 3p u c c h 格式 p u c c h 调制方式 大小( b i t 每子帧) 格式 0b p s kl l q p s k 2 2 q p s k 2 0 3n an a 其中p u c c h 格式3 是通过p u c c h 的发送与否来达到信息传输目的的。 p u c c h 在一个子帧内传输，在时隙边界处要进行跳频，如图2 - 6 。 咨漩，7 i j t ，- _ 资源f 图2 击物理控制信道资源分配模式 ( 7