（信号与信息处理专业论文）lte物理层上行关键技术研究.pdf

论文题目： 专业： 研究生： 指导老师： l t e 物理层上行关键技术研究 信号与信息处理 - - l - - o 局蕊 王安义 摘要 ( 签名)主盎 ( 签名) 础 为了应对w i m a x 等新兴无线宽带技术的竞争以及满足未来移动通信的市场需求， 国际标准化组织3 g p p 在2 0 0 4 年底启动了其长期演进技术的标准化工作，即u m t s 长 期演进( l o n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) 技术的研究，以实现3 g 技术向e 3 g 和4 g 的平滑过 渡。l t e 的主要目标是提高数据速率、增大系统容量和覆盖范围、降低系统时延和运营 成本。l t e 技术通过广泛采用o f d m 、m i m o 等新技术不但巩固了传统蜂窝移动技术的 主导地位而且有助于改善目前通信产业的i p r 格局，因而研究l t e 具有重要的意义。 本文主要是针对l t e 物理层上行链路关键技术进行研究，具体研究内容如下：首先， 总结了l t e 的技术背景、主要性能指标和发展趋势；阐述了物理层上行关键技术 o f d m a 、s c f d m a 和m i m o 原理；并重点对s c f d m a 三种实现方案，i f d m a 、 d f t - s o f d m 和d f t o s g m c 进行了分析与比较。其次，设计并实现了基于o f d m 技 术的l t e 上行链路的一个仿真平台，分析了l t e 上行链路的基本原理；给出了上行链 路仿真平台的系统结构图、各主要模块的实现原理以及设计流程图。最后，基于此仿真 平台研究了l t e 物理层上行链路关键技术o f d m a 和s c f d m a ，分析了o f d m a 和 s c f d m a 的时域和频域，提出了一种对o f d m a 和s c f d m a 这两种多址接入方案分 析的方法，比较了它们在上行链路的传输性能，通过在选择性信道上高功率放大器的输 出回退和误码率性能分析，验证了s c f d m a 优点；s c f d m a 频域的两种不同方案 d f t - s o f d m 和d f t - s g m c 都具有较低的p a p r ，本文针对两者的m a i 的性能进行分 析和比较，仿真结果表明，d f t - s g m c 的抗多址干扰性能优于d f t - s o f d m ；此外， 对s c f d m a 与虚拟m i m o 相结合进行了理论分析。 关键词：l t e ；o f d m a s c f d m a ；o b o ；b e r ；m a i 研究类型：理论研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g yo f u p l i n ki nl t ep h y s i c a l l a y e r s p e c i a l t y ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g n a m e：g a or u i i n s t r u c t o r ：w a n ga n y i a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 鱼丝b 幽 ( s i g n a t u r e ) i no r d e rt oc o m p e t ew i t hw i m a xa n do t h e rw i r e l e s sb r o a d b a n dt e c h n o l o g ya n ds a t i s f y f u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o nd e m a n d ，i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n3 g p p i n i t i a t e dl o n gt e r me v o l u t i o n ( l t e ) t e c h n o l o g ys t a n d a r d i z a t i o nw o r ka tt h ee n do f2 0 0 4 ，a l s o u m t sl o n gt e r me v o l m i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dt h u sf u l f i l ls m o o t h e dt r a n s i t i o nf r o m 3 gt oe 3 ga n d4 g t h ef u n d a m e n t a lt a r g e t sf o rm c o n c e r ni n c r e a s e dd a t ar a t e s ，i m p r o v e d s y s t e mc a p a c i t ya n dc o v e r a g er a n g e ，r e d u c e dl a t e n c ya sw e l la sr e d u c e do p e r a t o rc o s t s l t e c o n s o l i d a t et r a d i t i o n a lc e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o nl e a d i n gs t a t u sa n di m p r o v ei p rp a t t e r n o fc o m m u n i c a t i o ni n d u s t r ya tp r e s e n t 嬲b ya d o p t i n go f d m ，m i m oa n ds oo nn e w t e c h n o l o g yw i d e l y , s ot h es t u d yo fl 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 st h e s i sf o c u s e so nt h es t u d yo fp h y s i c a ll a y e ru p l i n k t h em a i nc o n t e n t sa r el i s t e da s f o l l o w i n g s ：f i r s t l y , s u m m a r i z i n gt h el t ek e yp e r f o r m a n c e i n d e xa n dl a t e s te v o l u t i o n ， e x p a t i a t i n go f d m a ，s c f d m aa n dm i m ot h e o r yo ft h ek e yt e c h n o l o g yo fp l a y s i c a ll a y e r u p l i n k ，a n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h r e es c h e m e s f 0 rs c - f d m a ，i f d m a ，d f t - s o f d m aa n d d f t - s g m c s e c o n d l y , t h ed e s i g na n di m p l e m e n to ft h es i m u l a t i o np l a t f o r mf o ro f d m - b a s e d l t eu p l i n kw a si n t r o d u c e d 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 l a nf l o wc h a r tw e r eg i v e n f i n a l l y , p h y s i c a ll a y e ru p l i n kk e yt e c h n o l o g yb a s e d t h es i m u l a t i o np l a t f o r mw a sr e s e a r c h e d ，o f d m aa n ds c - f d m ai ni t st i m e - d o m a i na n d f r e q u e n c y d o m a i nw e r ea n a l y z e di nt h i st h e s i s t h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i sp r o v et h eb e n e f i t s o fs c f d m ai nt e r m so fb o t hh i g h p o w e ra m p l i f i e r ( h p a ) o u t p u tb a c k - o f fa n db i te r r o rr a t e ( b e r ) o ns e l e c t i v ec h a n n e l sb yp r o v i d n gan e wa n a l y s i so ft w od i f f e r e n tm u l t i p l ea c c e s s s e h e m e sa n dc o m p a r i n gt h e i ru p l i n kt r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e t h em a ip e r f o r m a n c eo f d f t - s g m ca n dd f t - s o f d mw a sa n a l y z e da n dc o m p a r e db ys i m u l a t i o na sb o t l lo ft h e m h a v e1 0 wp a p r a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tm a ir o b u s t n e s so fd f t - s - g m c i s b e t t e rt h a nt h a to fd f t - s o f d m m o r e o v e r , c o m b i n i n gt h em e r i t so fs c - f d m aa n dv i r s u a l m i m o ，s c f d m a - v i r s u a lm i m ot h e o r yw a sa n a l y z e d k e yw o r d s - l t e o f d m a s c f d m ao b ob e rm a i t h e s i s ：t h e o r yr e s e a c h 西安科技大学硕士学位论文 1 6 q a m 3 g p p 3 g p p 2 a m c b 3 g b e r c p d f t d f l l s o f d m e 3 g f d m f f t h a r q h s d p a i c i i s i i f d m a i f f t i s i l b l s t c l o s l t e m a c m a i m c m 缩略语对照表 16q 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 n n 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t 3 r dg e n e r a t i o np a r t l l e r s h i pa r o j e c t 2 a d a p t i v em o d u l a t i o nc o d i n g b e y o n d 3 g b i t se r r o rr a t e c y c l i ep r e f i x d i g i t a lf o u r i e rt r a n s f o r m m m d f ts p r e a do f d m e v o l u t i o n 3 g 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 f a s tf o u r i e rt r a n s f o i t n h y b r i da u t o m a t i er e t r a n s m i s s i o nr e q u e s t h i 曲s p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c e e s s i n t e rc a r r i e ri n t e r f e r e n c e i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e 十六相位幅度调制 第三代合作伙伴组织 第三代合作伙伴组织2 自适应调制编码 超3 g 误码率 循环前缀 数字傅立叶变换 d f t 扩展o f d m 3 g 演进 频分复用 快速傅里叶变换 混合自动重传 高速下行分组接入 载波间干扰 符号间干扰 i m e r i e a v e d f r e q u e n e y d i v i s i 。n m u l i p l e 交织频分多址 a c c e s s i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r r n 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 b l o c k s l a y e r e ds p a c e - - t i m e - - c o d e l i n eo fs i g h t l o n g t e r me v o l o u t i o n m e d i aa e c e s sc o n t r o l m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e m u l t i c a r d e rm o d u l a t i o n 5 8 快速傅立叶反变换 符号间干扰 长块 分层空时编码 直射信号 长期演进计划 媒质接入控制 多址接入干扰 多载波调制 缩略语对照表 m i m 0 m m s e o f d m o f d m a p a p r p e r p s k q a m s b s c f d m a s c m s i m 0 s n r s t c t s g r a n u e u l u m t s u t r a u t r a n v 二b l a s t w c d m a u w b w i m a x m u l t i p l eb ：l p u tm u l t j p l eo u t p u t m i n i m u mm e a ns e q u r ee r r o r 多输入多输出 最小均方误差 o r t h o g o n a lf r e q u e n e 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 o r t h o g 。n a lf r e q u e n e y d i v i s i 。nm u l t i p l e 正交频分多址接入 a c c e s s p e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o p a c k e te r r o rr a t e p h a s es h i f tk e y i n g 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 s h o r tb l o c k s 发射峰均功率比 误包率 相移键控 正交调幅 短块 s i n g l e c a r r i e rf r e q u e n c y d i v i s i 。n m u l t i p l e 单载波频分多址接入 a c c e s s s p a e i al c h a n n e lm o d e l s i n g l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t s i n g a lt on o i s er a t i o s p a c e - t i m e c o d e ) 空间信道模型 单输入多输出 信噪比 空时编码 t e c h i l i e a ls p e c i f i e a t i 。ng u p r a d i 。a c c e 豁无线接入网技术标准组 n e t w o r k u s e re q u i p m e r i t u p l i n k 用户设备 上行链路 u n i v e r s a lm o b i l et e l e e o m m u n i c a t i o n s s y s t e m通用移动通信系统 u m t st e r r e s t r i a lr a d i o a c c e s su m t s 地面无线接入 u m t st e r r e s r i a lr 2 l d i 。a c c e s sn e 咐。r k ( e t s i ) 地面无线接入网 u m t s v e r t i c a lb l a s t垂直贝尔实验室空时分层 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宽带码分多址接入 u l t r aw l d eb a n d 超宽带 w r o d d w i d e h l t e r o p e r a b i l i t ) r 南r m i c r o w a v e 微波存取全球互通 a c c e s s 5 9 西姿种技丈孽 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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。 学位论文作者签名：、南卷 日期：n 亏y t 砑 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。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电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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 等复制手段保存和汇编本学位论文。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注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：高彦孓 指导教师签名： 7 年 月瑶日 1 绪论 1 1l t e 的技术背景及演进情况 1 1 1l t e 的技术背景 l 绪论 第一代移动通信系统诞生于上世纪7 0 年代，它是采用频分多址( f d m a ) 技术的模拟 移动通信系统，主要缺点是频带利用率低、保密性差、终端体积大且只能提供语音业务。 第二代移动通信系统( 2 g ) 在上世纪9 0 年代初投入商业运营，它是采用灵活、高效的时 分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 技术的数字蜂窝移动通信系统，主要业务包括数字移 动电话和低速率数据业务，能够较好满足人们对语音的需求，因此在世界范围内广泛应 用。随着全球移动通信的迅速发展和现代通信技术的日益进步以及网络传输业务的增 加，2 g 系统的数据传输能力远远不能满足日益增长的宽带多媒体数据业务要求，因此， 第三代移动通信( 3 g ) 及其所提供的多媒体业务走入人们的生活并形成了被国际社会认 可的三个主要标准：w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。第三代移动通信的目标是 实现1 4 4 k b p s 的车载通信速率、3 8 6 k b p s 的步行通信速率和2 m b p s 的室内通信速率，在 业务上重视多媒体业务。目前，3 g 已在世界范围内广泛应用，但是3 g 所提供的通信带 宽并不能满足人们不断增长的需求，用户容量上也存在着很大的不足。因此，第三代移 动通信系统称不上真正的宽带多媒体通信，不能满足移动通信的最终目标，于是，便有 人提出了超3 g ( b e y o n d 3 g ) 或者e 3 g ( e v o l v e d 3 g ) 的无线传输技术研究。 由于w i m a x 等宽带无线接入技术的不断发展，它能够提供更强的数据业务能力， 对蜂窝移动通信技术形成了挑战，因而也就加快了对更高传输速率的第三代移动通信演 迸型技术的研究和标准化进程。自2 0 0 4 年底，国际标准化组织3 g p p 和3 g p p 2 均启动 了对3 g 新一轮演进型技术的研究和标准化工作，以保持3 g 技术的竞争能力和移动通 信领域的领导地位。目前，3 g p p 长期演进( l t e ) 项目在无线接口的关键技术指标、无线 网络架构及高层协议方面取得了进展，3 g p p 2 无线接口演进( a i e ) 项目在空中接口层( l 2 ) 及更高层标准的制订、空中接口物理层标准的制订方面取得了进展。 3 g p pl t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) ，称为e v o l u t i o n 3 g ( e 3 g ) ，它以o f d m 为核心技术， 是对现有3 g 技术的增强和演进，并且是在原有的3 g 框架内进行的。l t e 项目是关于 u t r a 和u t r a n 改进的项目，是对包含核心网在内的全网技术演进。演进的目标是开 发具有更高数据速率、更低时延和优化的分组接入技术，涉及到的工作包括空口 l a y e r l l a y e r 3 ，接入网结构和射频等几个方面。3 g p p 2 将工作集中在空中接1 3 技术的演 进上，目前还没考虑核心网上的演进。3 g p p 的l t e i j 工作分为s t u d yi t e m ( s i ) 和w o r k 西安科技大学硕士学位论文 i t e m ( w i ) 两个阶段，s i 阶段从2 0 0 5 年3 月到2 0 0 6 年6 月，任务是完成可行性研究， w i 阶段从2 0 0 6 年6 月到2 0 0 7 年6 月，完成核心的技术规范。 3 g p p 2 在2 0 0 5 年初启动了c d m a 2 0 0 0 l x 系列的“空中接口演进”项目 1 】，简称a i e 项目。3 g p p 2a i e 在技术需求目标方面与3 g p pl t e 相似，如提高频谱资源利用率，提 高数据业务的速率等。3 g p p 2 在强调提高数据业务速率的时候，也同时强调提高语音业 务的容量，强调技术的后向兼容。a i e 技术演进目标包括如下：提高语音容量，在h r p d 上通过v o l p 实现语音；增加峰值数据率和系统容量使f j i 向峰值数据速率为1 0 0 m b i t s 1 g b i f f s 、反向峰值速率5 0 m b i t s ，支持以1 2 5 m h z 为单位的2 0 m h z 带宽的分配；提高频 率效率，减小系统等待时间，更低的终端功耗；提高小区覆盖；无缝切换到其它无线接 入技术，包括l xe v - d ov o i p 到1 x 电路语音的切换；近期保持前后兼容等。 3 g p p 和3 g p p 2 分别提出了l t e 和a i e 标准研究规划，并把系统的数据速率提高 到几十兆的数量级，主要就是为了对w i m a x 等其它技术标准保持竞争力，并为后续演 进发展作准备，因此各国都在着手进行e 3 g 的研究。目前无线电通信发展的一条主线 是i t u 和3 g p p 3 g p p 2 引领的移动通信系统从3 g 走向e 3 g ( 1 0 0 m b p s ) ，再走向 b 3 g ( 1 0 0 0 m b p s ) 4 g 。b 3 g 又称超3 g 或后3 g ，是i t u r 对i m t - 2 0 0 0 以后移动通信系 统的称谓，还没有正式的名字。i t u r 的定义中要求b 3 g 系统增加一种新的无线接入 技术，具有更高的频谱效率，能够提供更高的数据速率、更好的覆盖和更强的业务支撑 能力。b 3 g 系统的目标是为高速移动终端提供峰值1 0 0 0 m b p s 的数据速率，为游牧民或 固定用户提供峰值2 g b p s 的数据速率。i t u 计划2 0 0 7 年国际无线电大会( w r c 2 0 0 7 ) 为 b 3 g 系统分配所需频谱，2 0 1 0 年完成主要标准，2 0 1 2 年开始商用，2 0 1 5 年大规模商用。 e 3 g 和b 3 g 分别作为3 g 的演进型技术和未来的无线通信技术，面向市场的时间不同， 将按照各自的方向继续发展。e 3 g 的启动为众多研究b 3 g 的组织和项目提供了将现有 成果输出成为标准的舞台，尤其是3 g p p 和3 g p p 2 的演进型3 g 的目标与b 3 g 的远景接 近，候选技术包括o f d m 和m i m o 等，同时也被认为是b 3 g 系统的主要技术，因此包 括f u t u r e 和w i n n e r 在内的b 3 g 研究项目都在积极参与e 3 g 的工作。 1 1 2l t e 的主要性能指标和发展趋势 ( 1 ) l t e 的技术目标可以概括为【l j ： 容量提升：在2 0 m h z 带宽下，下行峰值速率达到1 0 0m b i t s ，上行峰值速率达 到5 0m b i t s 。频谱利用率达到3 g p pr 6 规划值的2 4 倍； 覆盖增强：提高“小区边缘比特率”，在5k m 区域满足最优容量，3 0 k m 区域轻 微下降，并支持l o o k m 的覆盖半径； 移动性提高：o 1 5 k m h 性能最优，1 5 - - 一1 2 0k m h 高性能，支持1 2 0 ，、- - 3 5 0k m h ， 甚至在某些频段支持5 0 0k m h ； 2 1 绪论 质量优化：在r a n 用户面的时延小于1 0 m s ，控制面的时延小于1 0 0m s ； 服务内容综合多样化：支持现有的3 g 系统和非3 g 系统规范的协同工作，增强 多媒体广播多播服务( m b m s ) ； 运营和维护成本降低：采用扁平化架构，可以降低资本支出( c a p e x ) 和运营支 出( o p e x ) ，并降低从r 6u t r a 空口和网络架构演进的成本； 简化系统结构：系统和终端具有合理的复杂性、成本和功耗；支持增强的i m s 核心网；尽可能保证后向兼容，当与系统性能或容量的提高矛盾时可以考虑适当的折衷； 取消电路交换( c s ) 域，c s 域业务在包交换( p s ) 域实现，有效的支持多种业务 类型，特别是分组域业务( 如v o i p 等) ； 系统应能为低速移动速度终端提供最优服务，同时也应支持高移动速度终端； 系统应能工作在对称和非对称频段；应支持多运营商的邻频共存。 另外l t e 要求在满足以上目标时尽可能平滑地实现技术进步，所以要求新的无线接 入技术必须与现有的3 g 无线接入技术并存，并且能与现有无线网络以及其替代版本兼 容。l t e 计划将对现有3 g 技术进行极大的发展和改进，并实现相当的技术跨越。 ( 2 ) l t e 技术对未来通信市场的影响 运营业可以借助l t e 实现新的跨越式发展，从3 g 发展到l t e ，提高网络的能力， 降低每比特成本，实现无线宽带化，完成向4 g 的平滑演进。制造业可以和世界完全同 步地开始标准化的研究和制定，在和国外公司的标准讨论和融合中，完全有机会将一些 自主拥有的好技术、好方案写入标准，从而在l t e 标准中占有一席之地，为我国制造业 技术腾飞奠定坚实的基础。对于科研界，“八六三计划已经在我国一些著名高校资助开 展了后3 g 系统的研究和开发，取得可喜成果，利用此次机会可以将我们的研究成果融 入标准，提升我国在标准中的i p r 占有率，提升我国的研究水平。总之： l t e 技术将大大提升用户对移动通信业务的体验； l t e 为运营商带来更大的技术优势和成本优势； l t e 技术将会巩固蜂窝移动技术的主导地位； l t e 技术有助于改善目前通信产业的i p r 格局。 ( 3 ) l t e 技术未来发展趋势展望 l t e 作为3 g 技术向4 g 技术平滑演进的过渡性技术，是3 g 技术发展的最终版本， 与现有各种通信技术相比，l t e 具有很明显的优势，但同时也有不少潜在的问题，如后 向兼容性差、没有针对t d d 系统进行单独优化、对室内覆盖能力考虑不足等。但是随 着标准制订工作的推进，这些问题都应该能够得到很好地解决。综合各方面因素，我们 认为l t e 技术的未来发展有以下趋势 2 】： l t e 是现有3 g 技术向b 3 g 4 g 演进的必经之路 l t e 是现有3 g 移动通信技术在4 g 应用前的最终版本，采用了很多原计划用于 3 西安科技大学硕士学位论文 b 3 g 4 g 的技术如o f d m 、m i m o 等，在一定程度上可以说是4 g 技术在3 g 频段上的 应用。与现有的3 g 及3 g + 技术相比，l t e 除了具有技术上的优越性之外，也提供了更 加接近4 g 的一个台阶，使得向未来4 g 的演进相对平滑，是现有3 g 技术向b 3 g 4 g 演 进的必经之路。现在一些运营商提出的绕开l t e 直接进入4 g 的方式会有很大的不确定 性和风险，不建议考虑。 l t e 将在与w i m a x 等其它无线技术的竞争中发展 l t e 在w i m a x 的竞争中产生，也将在会在w i m a x 的竞争中向前发展。而且这种 竞争的强度还会不断加大。目前，w i m a x 的8 0 2 1 6 e 标准正在积极申请加入3 g 标准， 期望以此获得全球统一的频率使用权。8 0 2 1 6 m 技术更是成为了i m ta d v a n c e d 的候选 技术之一，并计划保持与8 0 2 1 6 e 技术的后向兼容性。未来的移动通信市场中，w i m a x 技术将会是l t e 的一个强劲的竞争对手，l t e 将会在与w i m a x 技术的直接竞争中逐步 发展。， 1 2 课题研究的意义 随着移动通信的蓬勃发展，全球无线通信呈现出移动化、宽带化和i p 化的趋势， 移动通信行业竞争越来越激烈，为了和w i m a x 、w i f i 等新兴的无线宽带技术竞争， 提高3 g 在新兴宽带无线接入市场的竞争力，国际标准化组织3 g p p 启动了其长期演进 ( l t e ) 技术的标准化工作，即u m t s 的长期演进( l o n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) 技术的研究， 以实现3 g 技术向b 3 g 和4 g 的平滑过渡。它的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。希望达到以下目标：保持3 g p p 在移动通信领域的技术及标准优势；填补第三代移动通信系统和第四代移动通信系统之 间存在的巨大技术差距；使用已分配给第三代移动通信的频谱，保持无线频谱资源的优 势；解决第三代移动通信系统存在的专利过分集中问题。 尽管3 g 的增强型技术h s d p a h s u p a 的能力增强，u t r a n 可以提供较高的带宽 和较低的每比特成本，这些技术能够大幅度提高上下行速率，在以后的几年可以具有很 强的竞争能力，但是它以牺牲小区吞吐率为代价，而且由于成本过高，难以大规模应用， 为了进一步提高每用户可享受的带宽和降低每比特的成本，维持在更长时间内的竞争 力，考虑引入e u t r a n 。 l t e 不仅能够大幅度提升现有3 g 技术的性能，还可以在与w i m a x 技术的竞争中 占据性能上的优势。同时l t e 技术可以完全支持现有3 g 业务，极大提升用户对移动通 信业务的体验。l t e 系统是在充分继承现有技术的基础上，综合了一部分4 g 核心技术 而提出的。与现有技术相比，l t e 系统在许多关键技术指标上有了相当的提高，完全能 够满足未来移动通信的要求。但由于l t e 重新定义了空中接口和核心网络，摈弃了 c d m a 技术而采用o f d m 技术，只支持p s 域等，使得l t e 与已有3 g p p 各版本标准 4 l 绪论 不兼容，但总体上看，l 1 卫计划极大的改善了目前3 g 技术的数据业务能力，使得3 g 技术在今后十年内能够保持对其他无线技术的竞争优势。 通用陆地无线接入( u t r a ) 演进的目标是构建出高速率、低时延、分组优化的无线 接入系统【3 】。演进的u t r a 致力于建立一个上行速率达到5 0m h z 、下行速率达到1 0 0 m h z 、频谱利用率为3 g r 6 的3 4 倍的高速率系统【4 j 。为了达到上述目标，对物理层传 输技术提出了较高要求。l t e 采用o f d m 作为最基本的传输技术，因为o f d m 技术具 有更高的频谱利用率、良好的抗多径干扰能力和更好的带宽扩展性，它不仅可以增加系 统容量，更重要的是它能更好地满足多媒体通信要求。宽带无线通信系统中为了使所有 的用户共享系统资源，曾使用过不同的多址接入，最终经过讨论决定下行采用o f d m ， 但由于传统的o f d m 有较高的发射峰均功率比( p a p r ) ，在上行必须增加功率放大器的 成本，因此低的p a p r 的单载波技术成为主流方案，如s c f d m a 。部分公司考虑到t d d 系统比较适宜在上下行采用相同的传输技术，建议在上行采用带有降低p a p r 措施的 o f d m ，为追求频率复用系数，相邻小区可以通过频域调度避免小区间干扰，也可以利 用不同的扰码或交织序列实现小区间多址。 本文设计与实现了基于o f d m 技术的上行链路仿真平台，对l t e 物理层上行关键 技术o f d m a 和s c f d m a 进行性能比较，并对s c f d m a 与虚拟m i m o 相结合进行 理论分析，为实际中的物理层上行关键技术研究提供理论参考。 1 3 论文的工作安排 本课题是针对l t e 物理层上行链路进行研究的，通过阅读大量文献给出了l t e 的 技术背景、主要性能指标和发展趋势，总结出物理层上行链路关键技术，重点研究了l t e 物理层上行链路方案中的几种关键技术，同时根据3 g p p 的标准和提案，设计了基于 m a t l a b 建模仿真的l t e 物理层上行链路平台，分析了物理层上行链路基本原理，给出了 仿真平台的系统结构图、主要模块的实现原理以及设计流程图，基于此仿真平台，针 对3 g p p 会议中提出的最新的无线多址技术和方案进行仿真和性能评估。 论文的具体结构安排如下： 第一章绪论，介绍了l t e 的技术背景、主要性能指标和发展趋势。 第二章l t e 物理层关键技术，总结了l t e 物理层关键技术，阐述了l t e 物理层上 行关键技术o f d m a 、s c f d m a 和m i m o 原理，重点分析了s c f d m a 的三种实现方 案i f d m a 、d f t - s o f d m a 、d f t - s g m c ，并给出了各种多址接入方案的特点和性能 比较。 第三章l t e 上行链路仿真平台设计与实现，基于m a t l a b 建模仿真了l t e 物理层上 行链路的一个基本平台，分析了l t e 上行链路的基本原理，给出了上行链路仿真平台的 结系统构图、各主要模块的实现原理及设计流程图，最后给出了l t e 上行链路公共仿真 5 西安科技大学硕士学位论文 参数。 第四章l t e 物理层上行关键技术研究，基于上行链路仿真平台研究了l t e 物理层 上行链路关键技术，分析了o f d m a 和s c f d m a 的时域和频域，提出了一种对这两种 多址接入方案分析的方法，比较了o f d m a 和s c f d m a 在上行链路的传输性能，通过 在选择性信道上高功率放大器的输出回退和误码率性能分析，验证了s c f d m a 优点； 对s c f d m a 频域的两种不同方案d f t - s o f d m 和d f t - s g m c 的m a i 的性能进行分 析和比较，仿真结果表明：d f t - s g m c 的抗多址干扰性能优于d f t - s o f d m ；最后， 对s c f d m a 与虚拟m i m o 相结合进行了理论分析。 第五章结论，对论文的工作进行了总结，提出本课题有待于进一步深入研究的问 题，并展望了该领域的研究发展趋势。 6 2l t e 物理层关键技术 2 1l t e 物理层关键技术 2l t e 物理层关键技术 2 1 1 基本传输与多址方式 从l t e 制定的目标需求可以看出，上行5 0 m b i t s 和下行l o o m b i t s 的传输能力对物 理层传输技术提出了较高要求。在方案的征集过程中确定了6 种备选的多址方式，f d d 上行s c f d m a ，下行o f d m a ；f d d 上行o f d m a ，下行o f d m a ；f d dm c w c d m a ； t d dm c t d s c d m a ；t d d 上行o f d m a ，下行o f d m a ；t d d 上行s c f d m a ，下 行o f d m a p j 。经过多次会议的艰苦协商，最终确定l t e 系统物理层传输方案为上行采 用单载波频分多址( s c f d m a ) ，下行采用正交频分多址( o f d m a ) ，同时确定了演进系 统对于t d s c d m a 帧结构的支持，以保证t d s c d m a 系统的演进。 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 和d f t s g m c ，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【6 】。 上行方向，l t e 系统采用基于带有循环前缀的s c f d m a 技术。最大的好处是降低 了发射终端的峰均功率比、减小了终端的体积和成本，这是选择s c f d m a 作为l t e 上 行信号接入方式的一个主要原因。其特点还包括频谱带宽分配灵活、子载波序列固定、 采用循环前缀对抗多径衰落和可变的传输时间间隔等。 载波间隔是l t e 系统中最基本的参数之一。经过理论分析与仿真比较，最终确定采 用1 5 k h z 。上下行的最小资源块均为3 7 5 k h z ，也就是2 5 个子载波宽度。数据到资源块 的映射方式可采用集 ( 1 0 c a l i z e d ) 方式或离散( d i s t r i b u t e d ) 方式。通过合理配置子载波数 量，系统可以实现1 2 5 到2 0 m h z 的灵活带宽配置【7 j 。 2 1 2 宏分集之争 对于目前3 g 系统中广泛采用的上行宏分集技术，由于o f d m 与c d m a 技术的本 质区别以及h a r q 、a m c 和时频调度等新技术的出现，使得演进系统中采用宏分集技 术的必要性大大下降，反而可能造成系统架构的复杂性，最后通过示意性表决的形式确 定了l t e 系统中将不采用上行宏分集技术，只通过链路自适应和快速重传来获得增益 s l 。 2 1 3 双工方式和帧结构 7 西安科技大学硕士学位论文 目前3 g p pl t e 物理层技术研究包括频分双i ( f d d ) 和时分双i ( t d d ) 两种双工方 式。由于l t e 在数据传输延迟方面的要求很高，因此，l t e 系统必须采用较小的最小交 织长度( t t i ) ，l t e 系统上下行帧长度均为1 0 m s ，f d d 模式下，分为1 0 个子帧，每个 子帧包含两个时隙，每时隙长为0 5 m s 。t d d 模式下，分为两个子帧，每个子帧包含7 个时隙，每时隙长为0 6 7 5 m s 。上下行的子载波宽度为1 5 k h z ，最小物理资源块为1 8 0 k h z ， 即1 2 个子载波宽度1 8 。上行采用单载波技术，上行每子帧由8 个o f d m 符号组成，f d d 模式下的d f t - s o f d m 子帧结构如图2 1 所示，6 个l b ( l o n gb l o c k ) 和2 个s b ( s h o r t b l o c k ) ，l b 用于数据信号传输，s b 用于导频信号传输。