（通信与信息系统专业论文）网络编码协同通信在lte上行关键技术中的应用研究.pdf

摘要 摘要 为了满足多速率，多业务通信的需求，下一代无线通信系统必须能够使用更 好的技术和框架，以增加数据速率而且还要是系统满足各种业务的q o s 需求。协 同通信技术作为一种虚拟的m i m o 技术，融合了分集技术与中继传输技术的优 势，提高系统的信道容量和传输性能。网络编码理论是网络通信研究领域中的一 项重要突破，网络的中间节点不再是简单的信号存储转发，而是将经过其节点的 信息进行编码后再发送，从而提高了整个网络的传输效率、容量和健壮性。 本论文主要针对l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 上行多用户m i m o 技术进行挖掘 与讨论。首先介绍了l t e 的基本概念、系统构架以及主要需求和完成目标。重点 阐述了上行物理层的技术方案；其次，对协同通信技术与网络编码技术分别进行 了详细的描述，比较了r e l a y 协同与c o o p e r a t i v e 协作两种方式的不同；最后论文 从网络编码与协同通信技术的有效结合方案入手，主要研究了结合方案设计、系 统性能分析以及复杂度分析等，从而为l t e 上行多用户m i m o 提出了一种有效 的实现方式。 关键字：l t e 上行链路多用户m i m o 协同通信网络编码 a b s t r a c t a b s t r a c t i no r d e rt os a t i s f yt h ed e m a n do fm u l t i 。r a t ea n dm u l t i s e r v i c ec o m m u n i c a t i o n ， n e x t g e n e r a t i o no fw i r e l e s s t e l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m sn e e dt op r o v i d eb e t t e r m e c h a n i s ma n dt e c h n o l o g yt ob o t hs p e e du pd a t at r a n s m i s s i o na n db e t t e rs e r v ea l l d e m a n d so fq o s a sav i r t u a lt e c h n o l o g yo fm i m oc o m b i n i n ga d v a n t a g e sf r o mb o m d i v e r s i t yt e c h n i q u ea n dr e l a yt r a n s m i s s i o n ，c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nc o m b i n e sh a s a t t r a c t e de x c l u s i v ea t t e n t i o n si ni n d u s t r i e s n e t w o r kc o d i n gt h e o r yi sa ni m p o r t a n t b r e a k - t h o u g hi nn e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n dd e v e l o p m e n t t h eg a t e w a yn o d e si n n e t w o r kn o to n l yf o c u so ns i m p l es t o r e - a n d - f o r w a r d ，b u ta l s oe n c o d et h ei n f o r m a t i o n t h a tp a s s e sb y ；t h e r e f o r e ，t h ec o d i n gh a se n l a r g e dt h ec a p a c i t ya n ds t a b i l i t yo fe n t i r e n e t w o r k t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h es t u d yo fl t eu p l i n km u l t i - u s e rm i m o f i r s t l y , t h e b a s i cc o n c e p t s ，s y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dm a j o rr e q u i r e m e n t sa sw e l la st h et a r g e t so ft h e l t ea r ei n t r o d u c e d t h e n ，c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa n dn e t w o r k c o d i n gt e c h n i q u e sa r ed e s c r i b e ds e p a r a t e l y r e l a yc o o r d i n a t i o ni sc o m p a r e d 、i mt h e c o o p e r a t i v e a tl a s t ，t h ed i s s e r t a t i o ns e e k st oa p p l yt h ep l a no fn e t w o r kc o d i n gi n c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，m a i n l yf o c u s i n go nr e s e a r c ha n da n a l y s i si n s y s t e mp e r f o r m a n c ea n di m p l e m e n t a t i o na l t e r n a t i v e s ，e r e s ot h i sm e t h o dp r o v i d e st h e l t e u p l i n km u l t i u s e rm i m o a ne f f e c t i v ew a yt oa c h i e v e k e y w o r d s ：l t eu p l i n km u l t i - u s e rm i m oc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k c o d i n g 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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：也不包含为获得西安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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论 本人签名： 不实之处，本人承担一切的法律责任。 日期卑量二厶佐 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布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论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的 本人签名 导师签名 守此规定) 日期剖叟：f ：芝 日期善母毗 第一章绪论 第一章绪论 2 0 0 4 年年底，正当人们惊讶于全球微波接入互操作( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o r m i c r o w a v ea c c e s s ，w i m a x ) 技术的迅猛崛起之时，第3 代合作伙伴计划 ( 3 耐g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pv r o j e c t ，3 g p p ) 也开始了通用移动通信系统( u n i v e r s a l m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ，u m t s ) 技术的长期演进( l o n gt e r me v o l u t i o n , l x e ) 项目。这项受人瞩目的技术和第3 代合作伙伴计划2 ( 3 耐g e n e r a t i o np a r t n e r s h i p p r o j e c t ，3 g p p 2 ) 的超移动宽带( u l t r am o b i l eb r o a d b a n d ，u m b ) 技术被统称为“演迸型 3 g ”( e v o l v e d3 g , e 3 g ) 。但只要对这项技术稍加了解就会发现，这种以正交频分复 用( 0 f d m ) 为核心的技术，与其说是3 g 技术的“演进 ，不如说是“革命 ，它 和u m b 、w i m a x 、电器和电子工程师学会( i n s t i t u t ei fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s e n g i n e e r s ，i e e e ) 的8 0 2 2 0 移动宽带频分双i 移动宽带时分双i ( m o b i l eb r o a d b a n d f r e q u e n c y d i v i s i o n d u p l e x m o b i l e b r o a d b a n dt i m ed i v i s i o n d u p l e x ， m b f d d m b t d d ) 等技术，由于已经具有某些第四代( 4 g ) 通信技术的特征，甚至可 以被看作“准4 g ”技术。 1 1 1 背景介绍 1 1l t e 概述 移动通信技术从二十世纪九十年代开始经历了快速发展时期。通信成为人们 生活的重要组成部分，不断增长的移动通信用户对通信技术的发展提出了更高的 要求。从第一代的模拟通信系统到目前正在商用的第二代、第三代的数字通信系 统，每一代都在技术和使用上有了更高的飞跃。目前，移动通信正朝着宽带化、 移动化的方向发展。 第三代移动通信( 3 g ) 技术的出现给人们的生活带来了前所未有的体验，实现了 真正的无所不在。但是目前3 g 系统的峰值传输速率已远远不能满足人们日益增长 的需求。同时，随着宽带无线接入技术的出现，提供了宽带移动化和更高的接入 速率，这就对当今3 g 系统提出了更高的要求和严峻挑战。 3 g p p 是第三代移动通信系统进行国际标准化工作的主要组织和移动通信领 域的领导者，为了保持在移动通信领域的竞争力和主导地位，3 g p p 首先引进了高 速下行链路分组接x , ( h s d p a ) 和增强型上行链路( e u l ) 这两种技术，然而用户和运 营商的需求不断增加，为了保持3 g 在十年内的竞争力，3 g p p 开始考虑长期演进 计划【l j 。3 g p p 在2 0 0 4 年底通过了关于“e v o l v e du t r aa n du t r a n ”，又称为“l o n g t e r me v o l u t i o n ( l t e ) ”即“3 g 长期演进”计划，基本思想是采用过去为b 3 g 或4 g 发 网络编码协同通信在l t e 上行关键技术中的应用研究 展的技术来发展l t e ，使用3 g 频段占有宽带无线接入市场。 l t e 立项以后，3 g p p 对演进型系统从系统性能要求、网络的部署场景、网络 架构、业务支持能力以及与现有各个系统的演进和互通关系等方面进行了详细的 讨论。整个标准发展过程分为研究项目和工作项目两个阶段。从2 0 0 5 年3 月到2 0 0 6 年6 月为研究项目阶段，该阶段将主要完成目标需求的定义，明确l t e 的概念等， 然后征集候选技术提案，并对技术提案进行评估，确定其是否符合目标需求。对 有可能融合的提案进行讨论，甚至还可能对某些技术的优越性进行辩论，最终选 择出适合未来l t e 的技术方案。之后开始工作项目阶段，该阶段主要完成规范制 定工作。计划2 0 0 9 年- 2 0 1 0 年实现商用1 2 j 。 1 1 2l t e 的系统构架 演进的u t r a n 的总体框架图如图1 1 所示【3 1 ，它由e n o d eb 组成，是向u e ( u s e r e q u i p m e n t ) 提供的控制平面和用户平面协议的终点。e n o d eb 之间通过x 2 接口互 连，每个e n o d eb 又和演进型分组核心网( e v o l v e dp a c k e tc o r e n e t w o r k ，e p c ) 通过 s l 接口相连。s 1 接口的控制面终止在服务网关( s e r v i n gg a t e w a y ，s - g w ) 上，s 1 接口的用户面终止在移动性管理实体( m o b i l i t ym a n a g e m e n te n t i t y ，m m e ) 上。控制 面和用户面的另一端终止在e n o d eb 上。 下面我们来介绍e u t r a n 的核心组成部分e n o d eb 的主要功能。 如图1 2 所示，e n o d eb 提供如下功能： 1 ) 无线资源管理( r r m ) 。无线承载控制、无线许可控制、连接移动性控制、 上行和下行资源动态分配( 即调度) 。 2 ) i p 头压缩和用户数据流加密。 3 ) 当从提供给u e 的信息无法获知向m m e 的路由信息时，选择u e 附着的 m m e 。 4 ) 用户面数据向s g w 的路由。 5 ) 从m m e 发起的寻呼消息的调度和发送。 6 ) 从m m e 或o & m ( o p e r a t i o na n dm a n a g e m e n t ) 发起的广播信息的调度和发 送。 7 ) 用于移动性和调度的测量与测量上报配置。 第一章绪论 姗e s - g w i 、 | 、 、 r - - - 4 、 咋、 e n b 删e s - g w ，l 71 e p c - e - u t r a n 图1 1l t e 总体系统框架图 确定e u t 蝌架构和e u t r a n 接口的总体原则如下： 1 ) 信令和数据传输网络的逻辑分割。 2 ) e u t r a n 和e p c 的功能完全区分于传输功能。e u t r a n 和e p c 采用 的寻址方法不应该和传输功能的寻址方法绑定，事实上，某些e u t r a n 或e p c 的功能可能会放置在同一个设备中，某些传输功能并不能分成 e u t r a n 部分的传输功能和e p c 部分的传输功能。 3 ) r r c ( r a d i o r e s o u r c e sc o n t r 0 1 ) 连接的移动性完全由e u t r a n 控制。 4 ) 当定义e u t r a n 接口时，应尽可能减少接1 2 1 功能划分的选项数量。 5 ) 一个接口应该基于通过这个接1 2 1 控制的实体逻辑模型来设计。 6 ) 一个物理网元可以包含多个逻辑节点。 4 网络编码协同通信在l t e 上行关键技术中的应用研究 图1 2e u t r a n 和e p c 的功能划分 1 1 3l t e 主要需求和目标 l t e 主要考虑如何降低时延，提高用户的数据速率，增大系统容量和覆盖范 围以及降低运营成本等。于是l t e 系统的主要性能目标包括【4 1 【5 1 ： 峰值速率：在2 0 m h z 的频谱带宽条件下，能够使下行峰值速率达到1 0 0 m b p s ， 上行峰值速率达到5 0 m b p s 。 系统时延：用户面延迟( 单向) 小于5 m s ，控制平面从睡眠状态到激活状态迁 移时间小于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 。 用户吞吐量：下行平均用户吞吐量达到3 g p pr 6h s d p a ( h i g hs p e e dd o w n l i n k p a c k a c c e s s ) 的3 - - 4 倍，上行平均用户吞吐量达到3 g p pr 6 的增强型上行链路的2 3 止芝 i 口。 频谱效率：下行频谱效率达到r 6h s d p a 的3 4 倍，上行频谱效率达到增强 型上行链路的2 - 3 倍。 覆盖范围：能够支持1 0 0 k m 半径的小区。 带宽配置：支持成对或非成对频谱分配，可灵活配置1 2 5 m h z ，2 5 m h z ，5 m h z ， 第一章绪论 1 0 m h z ，1 5 m h z ，2 0 m h z 的多种带宽。 成本：降低用户和运营成本。 1 2 1 基本传输方案 1 2l t e 物理层技术方案 基本传输方案是无线通信的基础。3 g p pr a n 工作组在传输方案的征集中，选 定了六种传输方案例6 1 ，分别为： ( 1 ) 采用f d d ( f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ) 双工方式，上行链路采用s c f d m a ， 下行链路采用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 ) 该提案在下行链路使用了频谱效率很高的正交频分复用( o f d m ) 技术作为主 要调制方式，实现高速数据速率传送。上行链路则采用单载波频分多址 ( s c f d m a ) ，主要的好处就是降低了发射终端的峰均功率比，减小了终端的体积 和成本。 ( 2 ) 采用f d d 双工方式，上、下行链路均采用o f d m a 7 】 该提案在下行链路也使用正交频分复用技术作为主要调制方式。但是上行链 路有所不同，这里采用的也是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 ) 技术，这样数据传输效率较高。但是与单载波相比，具有较多的弊端。采用o f d m 技术会导致终端峰均比较高，对频偏和同步很敏感。 ( 3 ) 采用f d d 双工方式，上、下行链路均采用m c w c d m a 该提案实际上就是多载波的w c d m a ( 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 ) 方案，上、下行采用与h s d p a h s u p a 相似的技术，例如自适应调制方式、n o d eb 调度、层2 快速重传和快速小区切换等，然后利用多载波复用的方式提高数据速 率。 ( 4 ) 采用t d d ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 双工方式，上、下行链路均采用 m c t d s c d m a 8 】 该提案主要由我国的大唐公司提出，是t d s c d m a 标准的演进。其主要特点 是尽可能继承t d s c d m a 的系统特点，例如相同的子信道带宽、信道结构，空、 时、码多域复用等，在此基础上通过多载波的方式扩展数据速率，满足l t e 的需 求。 ( 5 ) 采用t d d 双工方式，上、下行链路均采用o f d m a 这种提案与( 2 ) 相似，不同的是双工方式。 ( 6 ) 采用t d d 双工方式，上行链路采用s c f d m a ，下行链路o f d m a 这种提案与( 1 ) 相似，不同的是双工方式。 网络编码协同通信在l t e 上行关键技术中的应用研究 这六种传输方案，对其按照双工方式可分为频分双i ( f d d ) 和时分双i ( t d d ) 两种；按照无线链路的调制方式或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 ) 两种。 采用c d m a ( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 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。在讨论中有些公司认为采用c d m a 技术，则有利于系 统从前期的u t r a ( 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 s ) 版本平滑升级，可以广泛地重 用物理层。而有些公司则认为采用o f d m a 技术比c d m a 技术有更高的频谱效率， 同时可以脱离以往的设计约束，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 ( e v o l v e du 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k b ( m i m o ) 配置情况下可 以降低终端的复杂性 9 1 。 在支持采用o f d m 技术的公司中，对于上行技术的争论又有s c f d m a 和 o f d m a 之分。o f d m a 技术具有优良的无线链路性能，易于与m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 技术结合，具有好的频谱利用率和大吞吐量，具有灵活的带 宽自适应能力，能较好的与a m c 、h a r q 等链路自适应技术结合，接收机复杂度 较低，但是其峰均比较高，这样会增加终端的功放成本和功率消耗，限制终端的 使用时间。s c f d m a 技术具有较低的峰均比，传输信号时，用户符号的能量分布 在整个传输频带，可以节省功放的成本，并且f d m a 还提供了较方便的频域资源 分配和小区内的正交性，但是s c f d m a 的频谱利用率低【l 叭。 综上可以看出，每种技术都各有所长，也各有所短，经过激烈的讨论和艰苦 的融合，3 g p p 在2 0 0 5 年1 2 月选定了l t e 的基本传输技术，即下行o f d m a ，上 行s c f d m a 。对于t d d 和f d d 这两种双工方式，可以在尽可能融合的条件下， 各自独立发展和演进。对于上行s c f d m a 信号可以采用“频域”和“时域”两 种生成方法，频域生成方法为d f t - s o f d m ，时域生成方法为交织f d m a 。目前 大部分公司都采用频域生成方法l l 。 1 2 2 两种双工方式下的子帧长度 由于l t e 在延迟方面要求端到端延迟小于5 m s ，这就要求l t e 系统必须采用 很小的交织长度( t t i ) ，因此大多数公司建议采用0 5 m s 的子帧长度。但是如果采 用这种子帧长度会与u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) q b 现有的 两种t d d 技术的时隙长度不匹配，那么则新、老的系统的时隙无法对齐，使得 t d s c d m a ( t i m ed i v i s i o n - s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 系统和u 1 e t d d 系统难以“临频同址”共存。最后在这个问题上讨论决定，f d d 系统下的子 第一章绪论 帧长度为0 5 m s ，t d d 系统下子帧长度采用0 6 7 5 m s l l l l 。 随着l t e 系统标准的演进，对于f d d 系统的上行链路帧结构的变化，将在下 一章节中详细介绍。 1 2 3 宏分集技术 l t e 讨论中的一个焦点是“是否采用宏分集技术”。这个问题看似是物理层技 术的取舍，实则影响到网络架构的选择，对l t e s a e 系统的发展方向有深远的影 响。虽然宏分集技术在3 g 领域扮演了相当重要的角色，但在h s p a 中已基本被摒 弃。 宏分集的基础是软切换，这种c d m a 系统的典型技术在f d m a 系统中却引出 了很大的争论，最后3 g p p 在2 0 0 5 年1 2 月进行了投票表决，决定l t e 暂时不考 虑宏分集技术，只通过链路自适应和快速重传来获得增益【l 。 1 2 4m i m o 技术 m i m o 技术在r 7 中已经被引入，是w c d m a 增强的一个重要特性。而在l t e 中，m i m o 被认为是达到用户平均吞吐量和频谱效率要求的最佳技术。l t e 系统 中的m i m o 技术最初选定天线个数的基本配置是下行2 发2 收，上行1 发2 收， 同时也在考虑高阶天线配置的必要性。 1 3 论文的工作安排 本课题主要是研究网络编码协同通信在l t e 上行网络中应用的可能性及它所 能带来的增益。具体的结构安排如下： 第一章，绪论，介绍了l t e 技术的背景、系统构架以及它的物理层的基本技 术方案； 第二章，l t e 上行物理层关键技术，首先介绍了s c f d m a 技术以及上行的 帧结构，其次对h a r q 的基本原理与在l t e 中的应用做了简单描述，最后针对l t e 上行m i m o 技术中尚待研究的问题进行了分析，从而引出协同通信的概念； 第三章，协同通信技术，主要介绍协同通信的具体概念、发展以及目前研究 较多的几种方式( 主要有a f 、d f 和c c 模式) ，本章同时给出了部分协同方式的 仿真结果以对比几种协同方法的优劣。 第四章，线性网络编码协同通信，分别给出了带中继的协同通信与不带中继 的协同通信在加入网络编码后的系统系能。从理论与仿真两个方面验证网络编码 协同通信的可取之处。从而有效地证明其在l t e 及l t e + 的下一代无线网络中的应 网络编码协同通信在l t e 上行关键技术中的应用研究 用价值。 第五章，总结，对本文的主要内容和贡献进行了总结。 1 4 本章小结 本章首先较为详细的描述了l t e 的产生发展背景、系统构架和它的目标与需 求，接着对l t e 物理层的各项技术方案及其选定过程进行了较为系统的阐述，其 中包括基本的传输方案和子帧长度以及宏分集技术和m i m o 技术。最后介绍了本 文的结构安排。 第二章l t e 上行物理层关键技术 9 第二章l t e 上行物理层关键技术 l t e 的上行物理层采用了带有前缀的单载波频分复用多址( s c f d m a ) 技术， 使用户之间的上行链路相互正交，并且使得接收端在频域能有效的均衡。这样能 有效的降低发射终端的峰均功率比，减小终端的体积和成本。 l t e 中的混合自动重传请求( h a r q ) 技术采用增量冗余h a r q ，即通过第一 次传输发送信息b i t 和一部分冗余b i t ，而通过重传发送额外的冗余b i t ，如果第一 次传输没有成功解码，则可以通过重传更多的冗余b i t 降低信道编码率，从而实 现更高的解码成功率。如果重传的冗余b i t 仍无法正确译码，则进行再次重传。 随着重传次数的增加，冗余b i t 不断积累，信道编码率不断降低，从而可以获得 更好的解码效果。 与下行相同，为了满足e u t r a 的需求，l t e 系统支持上行应用m i m o 技术， 包括空间复用和传输分集。在l t e 中应用m i m o 技术的上行基本天线配置为1x 2 ， 即一根发送天线和两根接收天线。支持更高阶的m i m o 传输时是可以考虑的，但 是由于担心终端实现的复杂度过高，目前对于上行并不支持一个终端同时使用两 根天线进行信号发送，即只考虑存在单一上行传输链的情况。所以在当前阶段， 上行仅仅支持上行传输天线选择和多用户m i m o 。 2 1 1 基本原理 2 1s c f d 【a s c f d m a 实际上是o f d m a 的一种变形。它的基本原理和o f d m a 是相同 的，只是为了减少系统的峰值功率比过高的问题而少作了修改。因此我们先简单 介绍o f d m ，然后再介绍s c f d m a 。 o f d m 技术是一种特殊的多载波传输方案【1 2 1 ，它可以被看作一种调制技术， 也可以被当作一种复用技术。选择o f d m 的一个主要原因在频域该系统能够很好 的对抗频率选择性衰落或窄带干扰。 在传统的并行数据传输系统中，整个信号频段被划分为n 个互相不重叠的频 率子载波。每个子载波传输独立的调制符号，然后再将n 个子载波进行频率复用。 这种避免载波频谱重叠看起来有利于消除载波信道间的干扰，但没有有效利用频 谱资源。而o f d m 系统的各个子载波虽然在频率上相互重叠却保持了子载波之间 的正交性，因而提高了频谱利用率。 一个o f d m 符号可以表示为： 1 0 网络编码协同通信在l t e 上行关键技术中的应用研究 s ( t ) = r e 篓e d , r e c t ( t 一一三) e x p j 2 丌( 五+ ；) 。一) 】 t f + 丁( 2 1 ) 一一寺)7 r ( 五+ 专) o 一) 】 f + 丁 ( 2 l j=0- 上 其中，n 表示子载波的个数，t 表示o f d m 符号的时间长度， 4 0 = 0 ，1 ，n - 1 ) 是每个子载波的数据符号，正是第0 个子载波的载波频率，是 o f d m 符号的起始时间。 o f d m 符号的复等效基带信号可以表示为： s o ) = d , r e c t ( t - t , 一i 1 ) e x p j 2 万专。一) 】f f 。+ 丁 ( 2 - 2 ) 假设对第，个子载波进行解调，然后在时间长度t 内进行积分，即： z = 专卜x p - 伽手( ) n 萎- i 抽出2 ，r ；( ) 坤 = 7 1n 缶- 1 ze ”e x p 2 丌孚。一) 降 ( 2 - 3 ) = d j 这一特性解释了子载波之间的正交性。这种特性还可以从频域角度来理解。 每个o f d m 符号在其周期t 内包括多个非零的子载波。因此其频谱可以看作是周 期为t 的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子载波上的冲击函数的卷积。矩形脉冲 的频谱为s i n c 函数，其零点出现在频率为1 厂r 整数倍的位置上。 如图2 1 所示，横坐标代表频率。每一子载波频率的最大值处，所有其他子载 波的频谱值恰好为零。由于在对o f d m 符号进行解调的过程中，需要计算这些点 上所对应的每一子载波频率的最大值，因此可以重多个相互重叠的子载波符号频 谱中提取出每个子载波符号，而不会受到其他子载波的干扰。实际上o f d m 符号 的频谱在频域上满足奈奎斯特准则，因此可以避免子载波间干扰的出现。 llii 图2 1o f d m 原理频谱图 第二章l t e 上行物理层关键技术 对于式2 - 2 中的信号，令t = 0 ，并忽略式中的矩形函数，- p 甜o ，然后以t n 的速率进行抽样，即令f = k t n ( k = o ，1 ，n 一1 ) ，可以的到： =篓忙町百2rciksk=s(ktn) ) ( 。七n - 1 )( 2 - 4 ) = 4e x p ( f ) ( o 七 ( 2 4 ) 可以看到s k 等效为对z 进行i d f t 运算。同理在接收端，对& 进行d f t 变换， 可以得到： z =荟n-iexp(一歹百27rik=s(ktn) ) ( n - 1 )( 2 - 5 )z = e x p ( 一歹f ) ( o f ( 2 5 ) 七= 0 v 因此我们可以看出，o f d m 符号的调制和解调可以分别用i d f t 和d f t 来代 替。在实际系统中一般采用i f f t 和f f t 。 在发送端进行完i f f t 之后，系统还要为每个o f d m 符号加入循环前缀。o f d m 的一个突出重要原因在于它可以有效的对抗多径时延扩展。把输入数据流串并变 换到n 个并行的子信道中，使得每一个调制子载波的数据周期可以扩大为原始数 据符号周期的n 倍，因此时延扩展与符号周期的数值比也同样降低n 倍。为了最 大限度的消除符号间干扰，还可以在每个o f d m 符号之间插入保护间隔，而且该 保护间隔长度一般要大于无线信道中的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量 就不会对下一个符号造成干扰。在这段保护间隔内可以不插任何信号，即是一段 空白的传输时段。然而在这种情况下，由于多径传播的影响，在接收端f f t 运算 时间长度内各个子载波的周期个数不为整数，因此载波间的正交性遭到破坏，不 同的子载波之间会产生干扰。为了解决这个问题，在发送端做完i f f t 之后，系统 复制符号周期末端的一段抽样值，并填充在保护间隔内。这样通过循环复制增加 了符号的波形长度，在交接点没有任何的间断。因此保证了每个子载波内有一个 整数倍的循环，从而可以进一步抵制子载波间干扰。 把一个o f d m 符号中的子载波通过频分复用的方式分配给不同的用户，这就 构成了一种多址接入的方式，称为o f d m a 。 由于o f d m 符号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成，因此有可 能产生比较大的峰值功率与平均功率比，这要求发射机的功率放大器和数模转换 器要具有很大的线性工作范围。反之如果峰值功率超过了这些部件的线性工作范 围，所产生的非线性失真会带来子载波间干扰，对系统性能产生严重影响。 s c f d m a 就是为了克服o f d m a 系统的峰值功率比过高的问题而被提出作为l t e 的上行候选无线接入技术。 s c f d m a 的系统框图如图2 2 所示： 1 2 网络编码协同通信在l t e 上行关键技术中的应用研究 符号编码速率= r ：哑皿! ：二 l 厂一 n 个符号 子载 波映 射 l 加循环i i f f t1 前缀i n 点 n f 叮点 图2 2s c f d m a 原理图【1 3 1 我们可以看出，s c f d m a 只是在发射端做i f f t 之前加入了一个d f t 模块， 因此也被称为d f t - s p r e a do f d m a ，其本质上还是一个o f d m a 系统。 2 1 2l t e 中的上行帧结构 l t e 上行的子帧结构如图2 3 所示。子帧的长度为0 5 m s 。每个子帧由6 个长 块( l b ) 和2 个短块( s b ) 组成。 短块主要用来发送参考信号，也有可能发送控制信号和数据信号。长块用来 发送控制信号和数据信号。上行信号的最小t t i ( 传输时间间隔) 就是子帧长度。 1 子帧= 0 5 m 图2 3 帧结构的具体参数见表2 1 。为了使系统在不同的带宽下能够采用统一的帧 结构，上行系统采用了保证子载波间隔不变的设计。设o f d m 符号周期为t ，子 载波总数为n ，系统带宽为b ，则根据o f d m 的定义，子载波间隔为1 厂r ，因此 有t = n b 。可以看出，如果保持o f d m 子载波总数和系统带宽成正比，在不同的 系统带宽条件下o f d m 符号周期和系统帧结构可以保持不变。从表中可以看到， 在系统带宽分别为1 2 5 2 5 5 1 0 1 5 2 0 m h z 的条件下，长块子载波总数分别设定 为1 2 8 2 5 6 5 1 2 7 6 8 1 0 2 4 2 0 4 8 ，短块符号周期为长块的二分之一，因此子载波总 数也相应的是长块的二分之一，分别设定为6 4 1 2 8 2 5 6 5 1 2 7 6 8 1 0 2 4 ，因此保 证了长块大小始终为6 6 6 7 s ，短块大小始终为3 3 3 3 s 。为了防止系统间的干 扰，需要留出一定的子载波作为频域的保护间隔，因此长块可用的子载波数目分 别为7 5 1 5 0 3 0 0 6 0 0 1 9 0 0 1 2 0 0 ，短块可用的子载波数目分别为 3 8 7 5 1 5 0 3 0 0 4 5 0 6 0 0 。 第二章l t e 上行物理层关键技术 s p e c t r u m s u b f r a m e l o n gb l o c k s i z es h o nb l o c ks i z e c pd u r a t i o n a l l o c a t i o nd u r a t i o n ( p , s # o fo c c u p i e d( p 。s # o fo c c u p i e d( i _ t s s a m p l e s 事1 、 ( m h z )( m s ) s u b c a r r i e r ss u b c a r r i e r s s a m p l e s * 2 )s a m p l e s ) 2 0 0 56 6 6 7 12 0 0 2 0 4 83 3 3 3 6 0 0 10 2 4 ( 4 1 3 1 2 7 ) 7 ， ( 4 3 9 1 3 5 ) 1 宰 1 50 56 6 6 7 9 0 0 15 3 63 3 3 3 4 5 0 7 6 8 ( 4 1 2 9 5 ) 7 ， ( 4 4 7 1 0 3 ) 1 木 1 00 56 6 6 7 6 0 0 10 2 43 3 3 3 3 0 0 5 1 2 ( 4 1 6 3 ) 7 ， ( 4 6 2 7 1 ) 1 5o 56 6 6 7 3 0 0 51 23 3 3 3 15 0 2 5 6 ( 4 0 4 3 1 ) 7 ， ( 5 0 8 3 9 ) 1 幸 2 5o 56 6 6 7 15 0 2 5 63 3 3 3 7 5 12 8 ( 3 9 1 1 5 ) 7 ， ( 5 9 9 2 3 ) 1 幸 1 2 5o 56 6 6 7 7 5 12 83 3 3 3 38 6 4 ( 3 6 5 7 ) 7 ， ( 7 8 1 1 5 ) 1 ，1 1 2 2 1 基本原理 表2 1 上行传输参数【1 3 1 2 2h a r q 技术 h a r q f l 4 】( 混合自动请求重传) 是f e c ( 前向纠错编码) 技术和a r q ( 自动 请求重传) 技术的结合。 f e c 是指具有纠错能力的信道编码技术，如b c h 码，卷积码，t u r b o 码。a r q 是一种检错重传技术，定义如下：当收端接收到数据包之后使用简单的奇偶校验 或c r c 来判断传输过程中包的内容是否出现错误，如果正确接收，收端将向发端 发送成功应答信号，发端收到信号后将继续发送下一个数据包；如果接收不正确， 收端将向发端送一个失败应答信号，发端收到信号后将重新发送数据包，在收端 正确接收数据包之前这个过程将一直持续下去。 h a r q 定义为能够避免译码失败尝试的a r q 和f e c 的任意结合方式。因此 在这个宽泛的定义下h a r q 有很多不同的种类，包扩c o d ec o m b i n i n g ，c h a s e c o m b i n i n g ，递增冗余( i r ) ，部分递增冗余( p a r t i a lr a ) ，全部递增冗余( f u l li r ) ，第二 类h a r q ，第三类h a r q 等等。 h a r q 的重传特性继承自a r q ，因此h a r q 的重传机制就是a r q 的重传机 1 4 网络编码协同通信在l t e 上行关键技术中的应用研究 制。h a r q 的重传机制共有三种，分别是停止等待、退回n 步和选择重传。 1 、停止等待式的h a r q ( s t o p - a n d w a i th a r q ) 停止等待式的h a r q 是指发端发出一个数据包后就一直等待发端的确认收到 a c k 后发送下一包或者收到n a k 后重发数据包。在等待的过程中发端不进行操 作，信道空闲。 2 、退回n 步h a r q ( g o b a c k nh a r q ) 退回n 步的h a r q 指发端连续的发送数据包，当在信道往返试验内传送的码 字或数据包总数为n 个，则发端将在发送第n + i 个数据包时接收到收端对第i 个 数据包的返回信号。假如收到a c k ，则发端继续发送下一个数据包，假若收到 n a k ，发端需要重新发送从第i 个数据包起的n 个数据包。 3 、选择重传h a r q ( s e l e c t i v e - r e p e a th a r q ) 选择重传h a r q 可以认为是对退回n 步h a r q 的改进。与退回n 步h a r q 不同的是当发端接收到n a k 时发端只需重传出错的一个数据包，之后发送的n 1 个数据包则不需要被重传。 可以看出，停止等待h a r q 是最简单的形式，而且只需要非常少的控制信令 开销：只需要1 比特就可以使用a c k 和n a c k 精确的指示出数据包是否被正确 接收。而且由于一次只发送一个数据包，节省发端的缓存容量。因此停止等待在 节省信令带宽和内存容量的基础上显著提高了系