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l t e 物理层上行技术研究 摘要 为了保持3 g 在十年内的竞争力，3 g p p 组织在2 0 0 4 年底通过了 3 g 长期演进计划( l o n g t e r me v o l u t i o n ，简称l t e ) 。l t e 旨在提高 数据传输速率，降低系统时延，增大系统容量和覆盖范围，同时降低 运营成本。l t e 是目前国际化标准组织开展的一项重要工作，因而对 l t e 技术的研究具有重要意义。 本文主要针对l t e 物理层上行链路进行研究。 首先，介绍了l t e 物理层的技术方案，并重点阐述了本文所采 用的s c f d m a ( s i n g l ec a r d e r f 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 ) 传输方案的标准及相关演进过程。 其次，给出了上行链路仿真平台的系统结构图、部分模块实现原 理以及系统参数。同时，分别讨论了在加性高斯白噪声( a w g n ) 信 道和t u ( t y p i c a lu r b a n ) 信道下的仿真性能，并对采用理想信道估 计和最小平方( l s ) 信道估计下的系统性能做了对比。通过仿真得出， 在相同的仿真条件下，采用低码率、低阶调制方式的性能优于高码率、 高阶调制的性能。 之后，针对上行同步性能进行评估，通过理论分析与实际仿真， 评估了频域同步误差和时间同步误差对系统性能的影响。对于载波频 偏，小数倍的频率偏移使子载波间的正交性遭到破坏，引起子载波间 干扰。对于时间同步误差，f f t 处理窗的位置超前放置不会对系统性 能造成严重影响，而f f t 处理窗的位置延迟放置时，会带来符号间 干扰，严重影响系统性能。 最后，针对上行链路a c k n a c k ( a c k n o w l e d g e n e g a t i v e a c k n o w l e d g e ) 控制信令进行研究。我们先是采用c a z a c ( c o n s t a m p l i t u d ez e r oa u t o c o r r e l a t i o n ) 序列构造控制信令，给出了不同条 件下的信令设计方法，并提出一种带有循环前缀的c a z a c 序列设计 信令的方法，采用该方法在非相干检测的条件下，提高了检测的正确 性。同时还提出了一种具有类差分性质的序列，使用该序列作为信令， 在采用非相干检测方法下具有与采用相干检测方法时相近的性能。 关键词：l t e 上行链路s c f d m a 同步a c k n a c k i i j 生塞鲤电盔堂亟迨塞 坠堡塑堡屋= 堑堇盔盟塞 mp h y s i c a ll a y e ru p l i n k t e c h n o l o g yr e s e a r c h a b s t r a c t i no r d e rt om a i n t a i nt h e f u t u r e c o m p e t i t i v e n e s s o ft h e t h i r d g e n e r a t i o n ( 3 g ) i nat e n y e a q t h et h i r dg 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 ) o r g a n i z a t i o np a s s e d t h e3 gl o n gt e r me v o l u t i o n ( l t e ) s c h e m ei n t h ee n do f2 0 0 4 t h ef u n d a m e n t a lt a r g e t sf o rl t e c o n c e r ni n c r e a s e dd a t ar a t e s ，r e d u c e dl a t e n c y , i m p r o v e ds y s t e mc a p a c i t y a n dc o v e r a g ea sw e l la sr e d u c e do p e r a t o rc o s t s l t ei sa ni m p o r t a n tw o r k w h i c hi sp r o c e s s i n gi ni n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do r g a n i z a t i o n ，s ot h es t u d yo f l t et e c h n o l o g yi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h es t u d yo fu p l i n k f i r s t l y , t h es c h e m e o fp h y s i c a ll a y e rt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d ， e s p e c i a l l yt h es t a n d a r d o fs i n g l ec a r r i e r - f 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 s ( s c - f d m a ) a n d r e l a t e de v o l u t i o n t h e n t h es t r u c t u r eo fs i m u l a t i o np l a t f o r ma sw e l la sp a r to fm o d u l e p r i n c i p l ea n dp a r a m e t e r a r eg i v e n t h ep e r f o r m a n c e si nt h ea d d i t i v e w h i t eg a u s s i a nn o i s e ( a w g n ) a n dt y p i c a lu r b a n ( t u ) c h a n n e la r e d i s c u s s e d t h ep e r f o r m a n c eb e t w e e ni d e a lc h a n n e le s t i m a t i o na n dl e a s t s q u a r e s ( l s ) c h a n n e le s t i m a t i o n i sc o m p a r e d t h r o u g hs i m u l a t i o nw e c o n c l u d et h a tt h ep e r f o r m a n c eo fl o wc o d er a t ea n dl o wo r d e rm o d u l a t i o n i ss u p e r i o rt oh i g hc o d er a t ea n dh i g ho r d e rm o d u l a t i o ni nt h es a m e s i m u l a t i o nc o n d i t i o n s t h ep e r f o r m a n c e so fu p l i n ks y n c h r o n i z a t i o na r ee v a l u a t e d t h r o u g h t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h ea c t u a ls i m u l a t i o n ，t h ee f f e c t so ft i m i n ga n d i i i j t 宝坚皇太堂亟诠塞 丛垦丝堡星：曼堑基苤班窒 f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ne r r o r so nt h ep e r b r m a n c e a r eg i v e n 1n e 一 一一 ， o r t h o g o n a l i t ya m o n g s u b c a r d e r sc a nb eb r o k e n a n di n t e r - c a r r i e r i n t e r f e r e n c ec a nb e i n t r o d u c e db yd e c i m a lf r e q u e n c yo f f s e ti nc a r r i e r f r e q u e n c yo f f s e t t h es y s t e mp e r f o r m a n c ec a nn o tb es e r i o u s l ye f f e c t e d w h e nf f rw i n d o wb e f o r es t a r t i n gm o m e n ti nt i m es y n c h r o n i z a t i o ne r r o r h o w e v e r , t h ei n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c ec a nb ei n t r o d u c e da n ds y s t e m p e r f o r m a n c ec a nb es e r i o u s l ye f f e c t e dw h e nf f tw i n d o wa f t e rs t a r t i n g m o m e n t a tl a s t ，t h e a c k n o w l e d g e n e g a t i v e ( a c k n a c k ) c o n t r o l l i n g s i g n a l i n gi sr e s e a r c h e d b a s e do nc o n s ta m p l i t u d ez e r oa u t o - c o r r e l a t i o n ( c a z a c ) s e q u e n c e ，t h ed e s i g nm e t h o d si nd i f f e r e n tc o n d i t i o n sa r e s h o w n c y c l i cp r e f i x a d d e db e f o r ec a z a cs e q u e n c ei s p u t f o r w a r d t h e a c c u r a c y o fd e t e c t i o ni si n c r e a s e di nt h ec o n d i t i o no fn o n c o h e r e n t d e t e c t i o n m e a n w h i l e ，t h en e ws e q u e n c ew h i c hh a sc h a r a c t e rl i k e a s d i f f e r e n c ei s p u tf o r w a r d i t h a s g o o dp e r f o r m a n c e n e a rc o h e r e n t d e t e c t i o ni nt h ec o n d i t i o no fn o n c o h e r e n td e t e c t i o n k e yw o r d s ：l t eu p l i n ks c - f d m a s y n c h r o n i z a t i o na c k n a c k 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，本人承担一切相关责任。 本人签名：王避日期：独盆! 墨12 墨 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，e z p 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年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：2 啦! 墨：2 墨 日期：2 垒垒里：墨：丝 一 1 1l t e 概述 第一章绪论 1 1 1 背景介绍 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，每一代都在技术和实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入( 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i 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 d u t r a n ，又称为“l o n gt 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 立项目以后，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。 l t e 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 年一2 0 1 0 年实现商用【2 1 。 1 1 2 目标和需求 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【3 】【4 】： 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 l o o 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问小于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 d d o w n l i n kp a c ka 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 的增强行 上行链路的2 3 倍。 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 行上行链路的2 3 倍。 覆盖范围：能够支持1 0 0 k i n 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 ，i o m h z ，1 5 m h z ，2 0 m h z 的多种带宽。 成本：降低用户和运营商的成本。 1 2l t e 物理层技术方案 1 2 1 基本传输方案之争 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【2 】【5 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 n m 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 l 6 l 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，这旱采用的也是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 n m 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 e a 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 2 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 7 1 该提案主要由大唐公司提出，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。 这六种传输方案，对其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 ed 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 o a 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 i 认) 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，对于用户接二 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 i m o ) 配置情况下可以降低终端的复杂性【8 j 。 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 、地球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1 9 l 。 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 3 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【1 0 l 。 1 2 2 宏分集技术之争 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i 胍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型埘。 1 2 3 两种双工方式下的子帧长度之争 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i r d , 的交织长度( t i 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 s s y s t e m ) 中现有的两种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 e a c c e s s ) 系统和l t et 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 1 0 l 。 随着l t e 系统标准的演进，对于f d d 系统下的帧结构的变化，将在下- d , 节中有详细介绍。 1 2 4 m 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 3s c f d m a 传输方案标准及演进 1 3 1 发射机结构 采用带有循环前缀的s c f d m a 传输方案，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。信号的频域产生如图1 - 1 所示。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 4 程简写为d f f - s o f d m 。 子载波 i f f t 映射 图l - ls c - f d m a 发射机结构 1 3 2 子载波映射 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( 通过在上部和 或下部插入适当数量的零) ，如图1 2 所示。频谱资源的分配有两种方式：一种 是局部式传输( l o c a l i z e d ) ，即d f t 的输出映射到连续的子载波上；另一种是分 布式传输( d i s t r i b u t e d ) ，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i s l 。 在本课题的仿真研究中均采用l o c a l i z e d 映射方式。 ( 2 ) t r a m d f t of _ l ir 二 o l 1z 甜 ： lo 。，：钟广+ l + l ，蹦r l i l 。 图1 - 2l o c a l i z e d 映射( 1 ) 和d i s t r i b u t e d 映射( 2 ) 1 每个d f i - s o f d m 符号的个子载波映射到r f ( r a d i of r e q u e n c y ) 频谱如 图1 3 所示，五是载波频率，b w 是传输带宽。当传输带宽为 1 2 5 2 5 5 1 0 1 5 2 0 m h z 时，相应取值为7 5 1 5 0 3 0 0 6 0 0 ，9 0 0 1 2 0 0 ，m 为 3 8 7 5 1 5 0 3 0 0 4 5 0 6 0 0 。 ib wi ：乞：l，ci 1 n n 图1 3 n 个子载波映射到r f 频谱图嘲 5 ， 1 3 3 帧结构 l t e 系统分别给出f d d 、t d d 两种双工方式下的帧结构，本课题是基于f d d 双工方式，所以这里仅介绍f d d 方式下的帧结构。 最初的3 g p p t s3 6 2 1 1 t 1 2 j 的标准中，采用如图1 4 所示帧的结构，一个无线 帧( r a d i ob a m e ) 长l o m s ，每帧包括2 0 个子帧( s u b f r a m e ) ，每个子帧长0 5 m s 。 上行传输的每个子帧采用如图1 5 所示的结构。每个子帧包括两个短块( s b ) 和 六个长块( l b ) ，每个s b ( s h o ab l o c k ) 的长度是l b ( l o n gb l o c k ) 长度的一 半，其中s b 是用于传输参考信号或数据，l b 用于传输控制信令或数据。 撑0撑1 l 撑2 i 撑3i 存18群19 o 。_ _ _ _ - 。- 。_ 。_ 。_ 1 0 - 。o 。1 。一_ _ - 。- _ _ _ _ - 。_ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ - - 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ 。一 b b 毒 一一 | 图l - 4 初始的帧结构 图1 - 5 初始的子帧结构 在3 g p p 的r a n l # 4 7 b i s 会议中，确定上行采用如图1 - 6 所示的帧结构，并 在t s3 6 2 1 1v o 2 1 中改写了关于帧结构的定义1 1 3 】1 1 4 l 。一个无线帧包括1 0 个子帧， 每帧包括2 0 个时隙。每帧1 0 m s ，每个子帧l m s ，每个时隙为0 5 m s 。每个子帧 1 1 4 j 采用如图1 7 所示的结构，每个子帧包括两个时隙( s l o t ) ，每个时隙由7 个 s c f d m a 符号组成，包括6 个数据符号( d a t a ) 和1 个参考信号( r s ) ，其中 d a t a 与r s ( r e f e r e n c es i g n a l ) 的长度相同，相当于图1 5 中的l b 长，每个时隙 的第三个符号( 从零开始) 放置参考信号r s ，r s 可用于相干解调或数据传输。 罡i ol # 1 舵i 一3 i 一 ，p +： ：s l o t： _ + s u b 一厅帅e _ 二 图l - 6 新的帧结构 f s l o t - ： ： 图l - 7 新的子帧结构( 一个s l o t 为o s m s ) 6 1 3 4 循环前缀 在符号间插入保护时间，使其大于衰落信道的最大时延扩展，从而可以有效 的抵抗由多径传播导致的符号间干扰( i s i ) 。但是多径效应可能导致子载波不能 保持正交性，从而引入了子载波间的干扰( i c i ) 。为了减小i c i ，采用循环前缀 作为保护时间。循环前缀( c p ) 是将符号末尾的部分数据拷贝至符号的前端， 这样只要多径时延小于保护时间，多载波信号将保持正交性，从而不会造成子载 波间干扰。 在l t e 系统中，循环前缀的长度有长短两种选择，短循环前缀为基本选项， 长循环前缀可用于大范围小区或多个小区广播。对于如图1 5 所示的子帧结构， 带宽与子帧周期，循环前缀的长度，长块、短块长度的对应关系表1 - 1 所示【5 1 。 对于如图1 7 所示的子帧结构所对应的上行传输参数【1 5 】如表1 2 所示。 表1 1图1 5 所示的子帧结构所对应的上行传输参数 带宽( 砌z ) 子帧周期 l b 大小s b 大小c p ( l s ) ( 心占用子载波数( 心占用子载波( 雌，采样点数) 厂采样点数)毒t 采样点数) 2 00 56 6 6 7 1 2 0 0 2 0 4 83 3 。3 3 6 响| 1 0 2 4 ( 4 1 3 1 2 7 ) x7 ， ( 4 3 9 1 3 5 ) x 1 宰 1 50 56 6 6 7 9 0 0 1 5 3 63 3 3 3 | a 5 q n 镐 ( 4 1 2 9 5 ) x7 ， ( 4 4 7 1 0 3 ) x1 1 0o 56 6 嫡| 硬两| 1 0 2 43 3 3 3 3 0 ( ) 5 1 2 ( 4 1 6 3 ) x7 ， ( 4 6 2 7 1 ) x 1 搴 50 56 6 6 7 3 0 0 5123 3 3 3 1 5 0 2 5 6 ( 4 0 4 3 1 ) x7 ， ( 5 0 8 3 9 ) 1 2 5o 5 6 6 6 7 1 5 0 陀5 63 3 3 3 | - l s | 1 2 8 o 9 1 1 5 ) x7 ( 5 9 9 2 3 ) x 1 宰 1 2 5o 5 6 6 6 7 7 5 12 83 3 3 3 3 8 6 4 ( 3 6 5 7 ) x7 ， ( 7 8 1 1 5 ) 1 宰1 表1 2 图1 7 所示的子帧结构所对应的上行传输参数 子载波带宽( f )1 5 l 【l 也 每个时隙内s c f d m a 符号数76 普通循环前缀扩展循环前缀 循环前缀f r s = 1 ( 2 0 4 8 xz x d ) 1 6 0 xt s ( s c - f i ) m a 加)1 4 4xt s ( s c f d m a # 0 - - # 5 ) 1 4 4x t s ( s c - f d m a # 1 - - # 6 ) 7 i e 宝型坐厶堂亟土途塞l ! 堡塑型基= 匕堑熊盔盟窒 1 3 5 资源块 上行链路子载波宽度为4 厂= 1 5k h z ，每个时隙内一组连续子载波对应一个上 行链路资源块。最初在3 g p p t r2 5 8 1 4 中定义2 5 个连续的子载波构成一个资源 块，一个资源块占用的带宽为3 7 5 k h z 。在3 g p p t s3 6 2 1 1v 8 1 0 中定义1 2 个连 续的子载波构成一个资源块，一个资源块占用的带宽为1 8 0 k h z 。 1 3 6 调制及编码 在调制方面，采用q p s k 、1 6 q a m 与6 4 q a m 1 6 】，在信道编码方面，l t e 主要考虑t u r b o 码，但也正在考虑其他编码方式，如l d p c 码。 1 3 7 参考信号结构 数据在实际系统的传输过程中，由于载波频率误差、时间同步误差以及信道 衰落等影响，导致相位偏移和幅度变化，致使信号受到严重破坏。在系统的接收 端，为了准确恢复信号，接收端需知道无线系统的信道响应，从而进行相干检测。 然而信道响应需要根据参考信号来获得。 l t e 上行链路参考信号主要用于信道估计和信道质量估计。对应如1 5 所示 的子帧结构中，参考信号放在两个s b 中，对应如1 7 所示的子帧结构，参考信 号放在每个时隙的第三个s c f d m a 符号上。 上行参考信号的正交性通过以下方法实现【5 1 ： 频域正交：通过一组相互交叉的子载波来传递每一个上行参考信号，如图 1 - 8 ( 1 ) 所示。 码域正交：参考信号占用一组时频位置相同的子载波，如图1 - 8 ( 2 ) 所示，可 以通过c a z a c 序列的循环移位来区分每个用户的参考信号。 ! 幽：幽：幽：艮一：) br e f e r e n c es i g n a l 撑1 一r e f e r e n c es i g n a l 舵一r e f e r e n c es i g n a l 柏 1 4 论文的工作安排 图1 - 8 频域正交( 1 ) 码域正交( 2 ) 闭 本课题主要针对l t e 物理层上行链路进行研究。通过阅读大量文献，给出 了l t e 的技术背景、目标需求，总结了技术方案的选定过程和结果，尤其是给 出了上行链路技术方案的标准的制定及其演进过程，同时根据3 g p p 标准和提案， 搭建系统仿真平台，描述了部分系统模块的实现原理，并给出了系统在a w g n 和衰落信道下的仿真性能。除此以外，* k x , t 二行同步性能和a c k n a c k 信令进 行了研究，并给出了研究成果。 论文的具体结构安排如下： 第一章，绪论，介绍了l t e 技术的背景、物理层方案，详细阐述了l t e 物 理层上行链路s c f d m a 方案，给出了发射机结构、子载波映射方式、帧结构、 循环前缀的定义、资源块的大小、调制编码方式、参考信号结构。 第二章，上行链路的仿真实现及结果分析，给出了系统结构图、仿真参数， 对编译码模块、n 丌模块、信道模块、均衡模块的原理进行了详尽的阐述，并且 给出了在单发单收( s i s o ) 条件下，采用a w g n 信道和瑞利衰落信道下的系统 性能曲线。通过仿真实现得出，在相同的仿真条件下，采用低码率、低阶调制方 式的性能优于高码率、高阶调制的性能，并且在瑞利衰落信道条件下，当用户移 动速度为3 k m h 时，采用l s 信道估计和采用理想信道估计之间的误块率( b l e r ) 性能差别几乎不随调制阶数和码率的增大而变化；当用户高速移动时，在高阶调 制方式下，采用l s 信道估计使系统性能变差。 第三章，上行链路同步性能评估，通过理论分析与仿真实现，评估了频率同 步误差和时间同步误差对系统性能的影响。对于载波频偏，小数倍的频率偏移使 子载波问的正交性遭到破坏，引起子载波间干扰，极大地增加了系统的误比特率， 降低系统性能，同时随着调制阶数的增大，系统性能变差。对于时间同步误差， 当f f r 处理窗的位置超前放置时，但仍在保护时间内，不会对系统性能造成严 重影响。当f f r 处理窗的位置落在保护时间外或是f f f 处理窗后移，f f i 处理 窗都会包含前后两个符号，引入符号间干扰。 第四章，上行链路a c k n a c k 控制信令研究，讲解了基于c a z a c 序列和 具有类似差分性质的序列设计信令的方法，同时给出了采用相干检测和非相干检 测条件下信令的设计方法和性能曲线。首先利用c a z a c 序列的恒幅、零自相关 特性对信令进行设计，在相干检测的方法下，对采用不同帧结构、参考信号放置 不同位置下的性能进行了对比。在基于非相干检测方法下，提出了一种带有循环 前缀的c a z a c 序列的设计方式，通过仿真证明，该设计方法提高了信令检测的 正确性，同时还给出了c a z a c 序列的o n o f f 方式的设计方法和性能曲线。最 后，提出了一种具有类似差分重复编码性质的序列的设计过程，利用这种类差分 特性，在系统接收端，按照差分特性处理接收序列，可以非相干检测出承载的信 令信息，并且经过仿真证明，具有与相干检测相近的性能，因而具有应用价值。 第五章，总结，对本文的主要内容和贡献进行了总结。 1 5 本章小结 本章首先介绍了3 gl t e 技术发展的背景、目标需求，叙述了l t e 物理层的 技术方案的收集及选定的过程，并详细阐述了l t e 物理层上行链路s c f d m a 9 方案，给出了发射机结构、子载波映射方式、参考信号结构、调制编码方式，并 通过总结3 g p p 的标准给出了帧结构、循环前缀、资源块的标准演进过程。最后 介绍了本文的结构安排。 1 0 第二章上行链路仿真实现及结果分析 2 1 系统结构图 物理层仿真平台以模块化的方式设计，每个模块依据功能划分，可独立灵活 配置参数，并且具有较好的扩展性和重用性。在此通用平台上，结合3 g p p i s 3 6 2 1 1 规定的空中接口规范l t es c f d m a ，搭建物理层仿真链路。 信源 图2 - l 上行- 审t g 系统结构图 根据物理层仿真流程整个系统可以划分为发送端、信道和接收端三部分，具 体链路的模块由通用模块和专用模块组成。 通用模块包括信道模块、信道编译码模块、调制解调模块、删f f t 模块、 d f t 模块等。专用模块包括成帧模块、子载波映射模块等。 整体系统结构如图2 1 所示。设计流程如下： 在发射链路中，首先产生二进制信源数据，对二进制输入数据进行编码、交 织，并进行星座调制；在调制后对数据进行d f t 变换、数据子载波映射，此时 可插入参考信号以备信道估计之用，经过i f f r 处理后，再添加循环前缀，然后 成帧。 进入信道进行传输。 在接收链路中，接收信号首先解帧，然后去除循环前缀，经过f f l r 处理后进 行子载波逆映射，提取参考信号位置的数据，进行信道响应估计。逆映射后利用 信道响应进行频域均衡，然后对均衡后的数据进行i d f t 变换。对变换后的数据 进行解调，将得到的软信息进行解交织后译码，得n - 进制输出数据。根据输入 输出数据画出系统性能曲线( 误比特率b e r 、误块率b l e r 等) 。 2 2 部分模块实现原理 2 2 1t u r b o 编译码模块 l t e 物理层采用t u r b o 码的编码方式。t u r b o 码是一类并行级联的系统卷积 码，采用软输入软输出译码和迭代译码等方法，可以获得接近s h a n n o n 极限的性 能。 复 编码器l 输出单元 开 接 关 单一 器 交织器l1 编码器2 兀 图2 - 2t u r b o 码的编码器原理框图1 t u r b o 码的编码器原理框图如图2 2 所示。编码器由三个部分组成：数据直 接输入、输入数据经过编码器1 后送入打孑l 器、输入数据经过交织后再通过编码 器2 后送入打孔器【1 刀。 两个编码器称为分量码，分量码选用递归的系统卷积码，两级分量编码器间 有一个交织器以保证输出的信息尽量不相关。 图2 - 3t u r b o 码的译码器原理框图 t u r b o 码的译码器原理框图如图2 3 所示。从译码图中可以看出，这种译码 具有反馈式的迭代结构。译码器中的交织器与相应的多次迭代译码起到随机译码 的作用，同时对有突发错误的衰落信道起到化突发为随机独立差错的作用f 1 8 j 。 2 2 2n 丌模块 在本仿真中，采用基2 的按时问抽取的f f t 算法。