（通信与信息系统专业论文）ltefdd下行链路系统级与链路级接口研究.pdf

，j， 基、，、 一q ；，j。jw o二。，i1-一，!j 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：经璺盘么2 日期：2 1 里：里墨：! 鱼 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。 本人签名： 导师签名： 日期：兰：! 圭：! 皇 日期：鲨f ! ：! 三：! 刍 l t e f d d 下行链路系统级与链路级接口研究 摘要 未来通信系统中，必须支持不同移动环境下高速数据传输且保证 较低时延。o f d m 调制和接入方式以其频谱利用率高、抗码间干扰 能力强等优点必将会在b 3 g 以及4 g 系统中得到广泛应用。为了评价 o f d m 系统的性能，链路级需要根据系统级仿真的需求进行大量的且 长时间的仿真。然而，将链路级和系统级仿真分开，建立系统级与链 路级之间的接口映射关系，可以有效地提高计算的效率。因此，采用 o f d m a 技术作为接入技术的l t e f d d 下行链路对系统级与链路级 接口研究显得尤为重要。论文作者在对3 g p pl t e 物理层协议长期的 跟踪和学习的基础上，设计了完善的l t e f d d 下行链路物理层仿真 平台，并对接收端关键算法做了重点研究。特别提出的是，软解调算 法、t u r b o 译码算法和多径信道产生模型均是在阅读大量的外文参考 文献后提炼出来的。在己搭建的物理层仿真平台基础上，论文重点对 h a r q 下系统级与链路级接口算法进行研究，使得算法的复杂度降 低，且更容易使用计算机编程实现。 论文第一章主要就移动通信的发展趋势、3 g p pl t e 系统和论文 所做的工作进行简要的说明；第二章主要就与l t e f d d 下行链路系 统级和链路级仿真平台相关的技术进行介绍，包括o f d m a 技术、 m i m o 技术、h a r q 技术、链路自适应技术和小区间干扰协调技术； 第三章首先对l t e f d d 下行链路处理流程做详细的讲述，然后对接 收端关键算法：频域信道估计算法、频域均衡算法、软解调算法、t u r b o 译码算法和物理层h a r q 算法，以及无线信道建模进行深入研究， 最后给出链路级仿真平台参数配置和仿真结果；第四章对l t e f d d 下行链路系统级与链路级接口做重点研究，给出了e e s m 算法的详 细推导，h a r q 下的e e s m 算法实现和改进算法，以及e e s m 算法 在l t e f d d 下行链路中的实现方法，并给出l t e f d d 下行链路自适 应传输方案；第五章总结已经取得的工作成果，分析目前存在的不足， 指出下一步的工作目标，并提出l t e 向i m t - a d v a n c e d 演进需要考虑 的一些问题。 关键词：l t em i m 0 正交频分多址接入混合自动请求重传 指数有效s i r 映射 l t e f d dd o w n l i n ks y s t e ml e v e la n d l i n kl e v e li n t e r f a c es t u d y a b s t r a c t f u t u r ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mm u s ts u p p o r th i g hs p e e dd a t at r a n s f e r a n de n s u r el o wl a t e n c yi nd i f f e r e n tm o b i l ee n v i r o n m e n t w i t ht h em e r i t s o fh i g hs p e c t r a le f f i c i e n c ya n dr e s i s t a n c et oi s i ，o f d mm o d u l a t i o na n d a c c e s st e c h n o l o g yw i l lb ew i d e l yu s e di nb 3 ga n d4 gs y s t e m s i no r d e r t oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo fo f d m s y s t e m ，l i n kl e v e ln e e dt od ov a s t o fs i m u l a t i o nt om e e tt h ed e m a n do fs y s t e ml e v e ls i m u l a t i o n ，a n di ti s a l s ot i m ec o n s u m i n g h o w e v e r , s e p a r a t es y s t e ma n dl i n kl e v e ls i m u l a t i o n a n de s t a b l i s hs y s t e ma n dl i n kl e v e lm a p p i n gi n t e r f a c ec a ni m p r o v et h e c o m p u t i n ge f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，s t u d ys y s t e ma n dl i n kl e v e li n t e r f a c e b e c o m ep a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tf o rl t e f d dd o w n l i n kf o rw h i c hu s e d o f d m aa st h ea c c e s st e c h n o l o g y b a s e do n3g p pl t ep h y s i c a ll a y e r p r o t o c o ll o n gt e r mf o l l o w i n ga n dl e a r n i n g ，a u t h o rd e s i g n e dt h el t e f d d d o w n l i n kp h y s i c a ll a y e rs i m u l a t i o np l a t f o r ma n dm a d eh i g h l i g h to ft h e r e c e i v e rk e ya l g o r i t h ms t u d y s p e c i a l l y , s o f td e m o d u l a t i o na l g o r i t h m ， t u r b od e c o d i n ga l g o r i t h ma n dm u l t i - p a t hc h a n n e lm o d e l sa r ed e r i v e d f r o mal a r g en u m b e ro ff o r e i g nr e f e r e n c e s b a s e do nt h eb u i l tl i n kl e v e l s i m u l a t i o np l a t f o r m ，t h i sp a p e rd i dl o t so fr e s e a r c he m p h a s i so ns y s t e m a n dl i n kl e v e li n t e r f a c ea l g o r i t h mo nt h ec o n d i t i o no fh a r q ，m a d et h e a l g o r i t h ml o wc o m p l e x i t ya n de a s yt oi m p l e m e n t a t i o n t h ef i r s tc h a p t e ro ft h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，3 g p pl t es y s t e ma n dt h ew o r ko f p a p e rb r i e f l y t h es e c o n dc h a p t e rd e s c r i b e dt h er e l a t e d t e c h n o l o g i e so fl t e f d d d o w n l i n ks y s t e ma n dl i n kl e v e ls i m u l a t i o np l a t f o r m ，i n c l u d i n go f d m a ， m i m o ，h a r q ，a d a p t i v et r a n s m i s s i o na n dc e l li n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o n t e c h n o l o g i e s i nc h a p t e rt h r e e ，l t e f d dd o w n l i n kp r o c e s s i n gw a s i n t r o d u c e di nd e t a i la tt h eb e g i n n i n g ；t h e n ，t h e r e c e i v i n gp a r tk e y a l g o r i t h m s ，w h i c hi n c l u d i n gf r e q u e n c yd o m a i nc h a n n e le s t i m a t i o n ， f r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n ，s o f td e m o d u l a t i o n ，t u r b od e c o d i n ga n d h a r qa l g o r i t h m s ，a n dw i r e l e s sc h a n n e lm o d e l i n gw e r es t u d i e di nd e p t h ； a tt h ee n d i n g ，l i n kl e v e ls i m u l a t i o nc o n f i g u r a t i o na n dr e s u l t sw e r eg a v e t h ef o u r t hc h a p t e rw a sf o c u s e do nl t e f d dd o w n l i n ks y s t e ma n dl i n k l e v e li n t e r f a c es t u d y , w h i c hg a v et h ed e r i v a t i o no fe e s ma l g o r i t h m ， a d v a n c e dt h ee e s ma l g o r i t h m su n d e rh a r q ，i m p l e m e n t e de e s m a l g o r i t h m f o rl t e f d d d o w n l i n k ，a n dp u tf o r w a r dt h ea d a p t i v e t r a n s m i s s i o ns c h e m ef o rl t e f d dd o w n l i n k t h el a s t c h a p t e r s u m m a r i z e dt h ew o r k ，a n a l y z e dt h es h o r t c o m i n g s ，p o i n t e do u tt h en e x t t a r g e t s ，a n db r o u g h tf o r w a r ds o m ei s s u e sn e e dt ob ec o n s i d e r e df o rl t e e v o l u t i o nt oi m t - a d v a n c e d k e yw o r d s ：l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) m i m o o f d m ah a r q e e s m ( e x p o n e n t i a le f f e c t i v es i rm a p p i n g ) 、】1 一 目录 第一章绪论l 1 1 移动通信系统的发展历程。l 1 23 g p pl t e 系统简介2 1 3 本文所做工作5 1 4 论文结构安排。6 第二章l t e 下行链路关键技术7 2 1o f d m a 技术。7 2 2mim o 技术。1 0 2 3h a r o 技术1 2 2 4 链路自适应技术13 2 5 小区间干扰协调技术1 5 第三章l t e f d d 下行链路链路级仿真平台设计18 3 1l t e f d d 下行链路物理层概述18 3 2 复用和信道编码2 0 3 3 调制和物理信道映射2 3 3 3 1 比特加扰2 3 3 3 2 星座图映射2 4 3 3 3 层映射2 4 3 3 4 预编码2 4 3 3 5 资源粒子映射。2 6 3 3 6 参考信号2 7 3 3 7o f d m 基带信号的产生2 9 3 4 接收端关键算法2 9 3 4 1 频域信道估计算法3 0 3 4 2 频域均衡算法3 0 3 4 3 软解调算法3l 3 4 4t u r b o 译码算法3 5 3 4 5 物理层h a r o 3 7 3 5 无线信道3 8 3 5 1 多径信道模型3 8 3 5 2 带相关性的mim 0 信道建模。4 0 3 6 仿真参数配置及性能曲线4 1 3 6 1 仿真参数配置4 1 3 6 2 性能曲线说明4 2 第四章l t e f d d 下行链路系统级与链路级接口的研究与实现4 4 4 1 系统级与链路级接口算法推导4 4 4 1 1e e s m 算法的基本原理4 5 4 1 2h a r o 下的e e s m 算法4 7 4 2 系统级与链路级接口算法实现4 8 4 2 1h a r o 下的e e s m 算法的递归实现4 8 4 2 2h a r o 下的e e s m 算法的改进4 9 4 2 3h a r o 下m c s 改变时的e e s m 算法实现4 9 4 3e e s m 算法在l t e f d d 下行链路中的应用5 0 4 3 1b e t a 值计算5l 4 3 2mim o - o f d m 系统下si 的计算5 2 4 3 3 链路自适应技术的实现5 3 第五章总结和展望5 6 5 1 研究成果与目前存在的缺陷5 6 5 2 向lm t - a d v a n c e d 演进的考虑一5 7 参考文献5 8 致谢6 ( ) 攻读学位期间发表的学术论文6 l i i 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 移动通信无疑是当代无线通信领域内发展速度最快、商业前景最广阔的技 术。到目前为止，移动通信的发展大致经历了四代：第一代移动通信( 1 g ) 为 模拟通信，主要支持普通的语音通信，但随着用户的增长通话质量会变差；第二 代移动通信( 2 g ) 为数字通信，主要支持高质量的语音通信和较高速率的数据 业务；第三代移动通信( 3 g ) 为准宽带移动通信，主要支持无缝覆盖的语音通 信和多媒体业务，随着3 g 的商用，其在速率、服务质量( q o s ) 、无缝传输等方 面的局限性日益凸显；第四代移动通信系统( 4 g ) 为宽带移动通信，主要支持 更高速率的数据传输和q o s 。随着移动通信技术的发展，未来移动通信系统必将 是容量更大、速率更高、功能更强的宽带系统。 本章首先回顾移动通信的发展历程，并简介现代移动通信系统；然后重点阐 述3 g p pl t e 系统；最后，给出了本文所做的工作和内容安排。 1 1 移动通信系统的发展历程 现代移动通信起源于1 9 世纪赫兹的电磁波辐射实验，使人们认识到电磁波 和电磁能量是可以控制发射的，其后马可尼的跨大西洋无线电通信证实了电磁波 携带信息的能力，而其理论基础由麦克斯韦方程组奠定的。但真正的移动通信技 术的发展应从2 0 世纪2 0 年代开始，其代表是工作于2 m h z 的美国底特律警察局 使用的专用移动通信系统。目前为止，移动通信的发展已经历了四代，如图1 1 所示。 1 g 移动通信系统( 如a m p s 和t a c s 等) 是采用f d m a 制式的模拟蜂窝 系统，其主要缺点是频谱利用率低、系统容量小、业务种类有限，不能满足移动 通信飞速发展的需要。 2 g 移动通信系统( 如采用t d m a 制式的欧洲g s m d c s l 8 0 0 ，北美i s 5 4 和采用c d m a 制式的美国i s 9 5 等) 则是数字蜂窝系统。虽然其容量和功能与 第一代相比有了很大的提高，但其业务主要限于话音和低速率数据，远不能满足 新业务和告诉数据传输的需要。 3 g 移动通信系统最早是国际电联( i t u r ) 于1 9 8 5 年提出的，当时命名为 未来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ) 。由于当时预期该系统在2 0 0 0 年使用， 北京邮电大学硕十学位论文第一章绪论 并工作在2 0 0 0 m h z 频段，故于1 9 9 6 年正式改名为i m t - 2 0 0 0 ，其主要目标是全 球化、综合化和个人化。全球化就是提供全球海陆空三维的无缝隙覆盖，支持全 球漫游业务；综合化就是提供多种话音和非话音业务，特别是多媒体业务；个人 化就是有足够的系统容量、强大的多种用户管理能力、高保密性能和服务质量。 4 g 移动通信系统简称i m t - a d v a n c e d 系统，其主要特点包括广带接入和分布 网络，具有非对称和超过2 m b i t s 的数据传输能力。i m t - a d v a n c e d 系统包括广带 无线固定接入、广带无线局域网、移动广带系统和互操作的广播网络( 基于地面 和卫星系统) 。此外，i m t - a d v a n c e d 系统将是由多功能集成的宽带移动通信系统， 也是宽带接入口系统。 移动性 i o k b s 2 0 0 k b s 1 23 g p pl t e 系统简介 3 0 0 k b s - 。1 0 m b s 1 0 0 m b si o o m 呐l g b s 速率 图1 - 1 移动通信发展历程 为了应对宽带接入技术的挑战，同时为了满足新型业务需求，3 g p p 于2 0 0 4 年年底启动了其长期演进( l t e ) 技术的标准化工作。希望能达到以下几个主要 目标【1 】： ( 1 ) 保持3 g p p 在移动通信领域的技术及标准优势； ( 2 ) 填补3 g 系统和4 g 系统之间存在的巨大技术差距； ( 3 ) 希望使用已分配给3 g 系统的频谱，保持无线频谱资源的优势； ( 4 ) 解决第三代移动通信系统存在的专利过分集中问题。 为了在未来移动通信技术竞争激烈的环境中处于有利位置，l t e 项目开始以 后，作为技术研究工作的基础，在3 g p p 中对演进型系统的市场需求进行了详细 的讨论，从“系统性能需求”、“网络部署场景 、“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描述。 2 北京邮电大学硕+ 学位论文第一章绪论 3 g p pl t e 将是一个高数据率、低时延和支持全分组的移动通信系统，具体 目标包括【2 】： ( 1 ) 频谱带宽配置 实现灵活的频谱带宽配置，支持1 4 m h z 、3 m h z 、5 m h z 、1 0 m h z 、1 5 m h z 和2 0 m h z 的带宽配置，从技术上保证3 g p pl t e 系统可以使用第三代移动通信 系统的频谱。 ( 2 ) 小区边缘传输速率 提高小区边缘的传输速率，改善用户在小区边缘的体验，增强3 g p pl t e 系 统的覆盖性能，主要通过频分多址和小区间干扰抑制技术实现。 ( 3 ) 数据率和频谱利用率 在数据率和频谱利用率方面，实现下行峰值速率1 0 0 m b s ，上行峰值速率 5 0 m b s ；频谱利用率为h s p a 的2 , - , 4 倍，用户平均吞吐量为h s p a 的2 4 倍。为 保证3 g p pl t e 系统在频谱利用率方面的优势，主要通过多天线技术、自适应调 制与编码和基于信道质量的频率选择性调度实现。 ( 4 ) 时延 提供低时延，使用户面内部单向传输时延低于5 m s ，控制平面从睡眠状态到 激活状态的迁移时间低于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 ， 以增强对实时业务的支持。 ( 5 ) 多媒体广播和多播业务 进一步增强对多媒体广播和多播业务的支持，满足广播业务、多播业务和单 播业务融合的需求，主要通过物理层帧结构、m a c 层的信道结构和高层的无线 资源管理实现。 ( 6 ) 全分组的包交换 取消电路交换，采用基于全分组的包交换，从而提高系统频谱利用率。但是， 对v o i p 业务的支持与低时延目标的实现导致了l l 和l 2 间信令设计上的困难。 ( 7 ) 共存 实现与3 g 系统和其他通信系统的共存。 l t e 网络采用由基站( e n o d eb ) 构成的单层结构，这种结构有利于简化网 络和减小延迟，实现了低时延，低复杂度和低成本的需求。与传统的3 g p p 接入 网相比，l t e 减少了r n c 节点。名义上l t e 是对3 g 的演进，但事实上它对3 g p p 的整个体系架构作了革命性的变革，逐步趋近于典型的宽带网结构。 3 g p pl t e 网络由e u t r a ne n o d eb 和接入网关( a g w ) 组成。a g w 实 际上是一个边界节点，如果将它看做核心网的一部分，则接入网主要由e n o d eb 构成。e n o d eb 的主要功能为：在附着状态选择a g w ；寻呼信息和广播信息的 3 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 发送；无线资源的动态分配( 包括多小区无线资源管理) ；设置和提供e n o d eb 的测量；无线承载的控制；无线接纳控制；在激活状态的链接移动性控制。网络 结构和功能的划分如图1 2 所示，其中e n o d eb 与a g w 之间的接口为s 1 借口， 与空中接口相关的功能被集中在e n o d eb ，无线链路控制( r l c ) 和媒体访问控 制( m a c ) 都处于同一个网络节点，从而可以进行联合优化和设计。 在传输信道设计方面，l t e 的信道数量将比w c d m a 和t d s c d m a 系统 有所减少。最大的变化为取消专用信道，在上行和下行都采用共享信道。下行还 将保留广播信道和寻呼信道。3 g p pl t e 改进并增强了3 g 的空中接入技术，采 用o f d m 和m i m o 作为其无线网络演进的唯一标准。 e n o d e b 图1 - 2e - u t r a n 结构 4 、j 矗 ，j 圆圈圆圆圆圈囤i一圈 北京邮电大学硕十学位论文 第一章绪论 1 3 本文所做工作 未来通信系统中，必须支持不同移动环境下的高速数据传输，并保证较低的 延时。o f d m 调制和接入方式以其高频谱利用率和良好的抵抗码间干扰能力必 将会在b 3 g 以及4 g 系统中得到广泛应用。为了评价o f d m 系统的性能，链路 级需要根据系统级仿真的需求进行大量的且长时间的仿真。然而，将链路级和系 统级仿真分开，建立系统级与链路级间接口映射关系，可以有效地提高计算的效 率。本文所研究的系统级与链路级接口部分属于l t e 动态仿真平台的一部分， 其与系统级和链路级仿真平台的关系如图1 3 所示，系统级仿真平台通过该接口 为链路级仿真平台提供调制编码方式( m c s ) 、信干扰比( s n i r ) 、h a r q 等参 数，链路级仿真平台通过该接口为系统级仿真平台提供a w g n 信道条件不同 m c s 下的链路级性能曲线、b e t a 值、映射方案等参数，进而系统级仿真平台根 据链路级仿真平台提供的参数确定下次传输采用的m c s 。论文中所描述的系统 级与链路级接口映射算法不仅适用于传统的o f d m 系统，还适用于带h a r q 机 制的o f d m 系统，在未来的通信系统中具有广泛应用价值。 图卜3 系统级与链路级仿真接口 作者在研究l t e f d d 下行链路的基础上，搭建了完善的l t e f d d 下行链路 仿真平台，且对接收端软解调算法、t u r b o 译码算法、频域信道估计和均衡、无 线信道建模等进行了全面的研究，并给出a w g n 信道不同m c s 下的链路级性 能曲线。文章重点对系统级与链路级间映射算法e e s m 算法进行了深入的研 究，并给出h a r q 下m c s 不变时的e e s m 算法及其改进算法。改进算法使得 该情况下的e e s m 算法更容易使用计算机实现且复杂度较低。最后，作者给出 了l t e f d d 下行链路自适应技术的实现方案，这些方案可以有效地提高系统的 传输效率。由于h a r q 下m c s 改变时b e t a 值相应也发生变化，因此，前面所 5 北京邮电人学硕上学位论文第一章绪论 述的e e s m 算法需要适当修正，本文也给出了一种改进方案，但是，该算法的 可行性有待进一步验证。同时，链路级和系统级仿真平台仍然需要升级和维护。 1 4 论文结构安排 本论文结构安排如下： 第一章绪论简要介绍移动通信的发展历程，以及3 g p pl t e 的演进目标和网 络架构更改，说明论文所研究课题的必要性和所做的工作。 第二章对仿真平台中所使用的l t e f d d 下行链路关键技术做重点介绍，包 括o f d m a 技术、m i m o 技术、h a r q 技术、链路自适应技术和小区干扰协调 技术。 第三章详细讲述l t e f d d 下行链路物理层处理流程，接收端采用的关键算 法( 包括频域信道估计算法、频域均衡算法、软解调算法、t u r b o 译码算法和物 理层h a r q 机制) ，无线通信信道，以及链路级仿真平台参数配置和结果说明。 第四章在熟悉l t e f d d 下行链路物理层的基础上，深入研究了系统级与链 路级接口的基本原理、e e s m 算法实现、m i m o 信道下的s i n r 值计算、b e t a 值 的确定，并给出链路自适应技术的实现方案。 第五章总结当前工作的成果与不足，以便进一步推进l t e f d d 下行链路链 路级仿真平台的升级和维护，以及系统级与链路级接口算法的完善。 6 、j - 北京邮电大学硕士学位论文 第二章l t e 下行链路关键技术 第二章l t e 下行链路关键技术 与3 g 系统相比，l t e 系统在空中接口和网络架构都做了较大的变革，尤其 是物理层传输技术。为了更好地理解和掌握链路级和系统级仿真平台，本章简介 了l t e 下行链路物理层关键技术，其中o f d m a 、m i m o 、h a r q 技术属于链路 级仿真平台中所使用的技术，而链路自适应技术和小区间干扰协调技术属于系统 级仿真平台中所使用的技术。虽然论文中与系统级仿真平台相关的技术并没有在 链路级仿真平台中没有实现，但是与链路级仿真密切相关。 2 10 f d m a 技术 o f d m a 是指使用o f d m 技术，并结合t d m a 、f d m a 或c d m a 多址技术 的一种新的多用户通信系统的接入方式。t d m a o f d m 中，一个用户占用一个 o f d m 符号中的所有子载波，而下一个符号的全部子载波则由下一个用户来占 用，这种方式在突发数据的情况下会产生严重的用户间干扰。f d m a o f d m 中， 每个用户占用系统所有子载波中的部分子载波，这些子载波组可以是连续的也可 以是非连续的，这取决于不同的子载波分配方式，如常见的连续分配和交织分配。 这种方式能较好的处理突发数据但要求有较大的功率消耗，一般是先估计移动信 号，然后各个用户根据信道状况选择最适合用户本身的子载波组来进行数据传 输。c d m a o f d m 中，每个用户通过不同的扩频码字来共享同一个o f d m 符号， 但这种方式存在着严重的多用户干扰。基于自适应资源分配的f d m a o f d m 系 统具有最佳性能，因此我们一般意义上说的o f d m a 系统就是指f d m a o f d m 多址系统p j 。 o f d m 技术是o f d m a 技术的关键所在。o f d m 是由多载波技术发展而来 的，其基本思想是将信道分成多个相互正交的子信道，在每个子信道上进行独立 的窄带调制和传输，从而使得信号的带宽远小于信号的相干带宽。因此，o f d m 系统极高的频谱利用率和抗多径干扰能力，被普遍认为是下一代移动通信的核心 技术。 在典型的数字通信系统中，信号一般采用串行传输。在串行传输通信系统中， 符号被连续传输，每个数据符号占据整个可利用频谱。然而，在并行传输通信系 统中，许多符号并行传输，有效地提高了频谱的利用率。而在o f d m 系统中， 7 北京邮电大学硕卜学位论文第二二章l t e 下行链路关键技术 为了将串行的数字信号调制到多个正交的子载波上，需要进行串并变换。经串并 转换后的每个子信道中，符号的周期远大于信道的时延扩展，即符号的带宽远小 于信道的相干带宽，从而可以保证没有明显的i s i ( 符号间干扰) 。 如图2 1 所示，假设o f d m 系统中串行传输的数据传输速率为尺、通带带 宽为口。若信道的相干带宽为矽 召，就会产生频率选择性衰落。o f d m 基本原 理就是将这种宽带系统分割成个并行的子信道，每个子信道的带宽为 风= 曰n ，数据速率为r n r n 。当足够大时，每个子信道的带宽 b 。，= b n 毋，这样，每个子信道经历的衰落将是相对平坦的。从时域上来看， 每个子信道上的符号周期瓦与子信道带宽的倒数1 风成正比，故b ， z ，z 为信道的时延扩展，从而使得各子信道上的i s i 很小。 富母拦一州g ( - f ) h 专r ( 卜 并 由 并 母乒 + 亘一叫g ( _ f ) 卜恃r ( - 卜a r t 变 变 换换 币乳娃 - 囟卜一g ( 一f ) 卜l 三r ( 诎卜一 在o f d m 系统中，信息经过串并变换后分配到个相互正交的子信道上， 使得每个子载波的符号周期扩大为原来的倍，从而有效的减小i s i 。为了进一 步减小系统的i s i ，可以在o f d m 符号之前插入保护间隔( g i ，g u a r di n t e r v a l ) ， 即在o f d m 符号前面插入一段空白序列。保护间隔的长度一般要大于信道的最 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。图2 2 为 插入g i 后的o f d m 信号。 保护问隔 长度为n 的原始序列 图2 - 2 插入保护间隔的o f d m 信号 然而由于多径传输，插入g i 后可能会使子载波之间的正交性遭到破坏，产 生i c i ( 载波间的干扰) 。这种效应如图2 3 所示。 从图2 3 中可以看出，在f f t 运算时间长度内，相邻载波之间的周期之差不 再是整数，当对第一个子载波进行解调时会对第二个子载波造成干扰。同时，对 第二个载波进行解调时也会受到第一个子载波造成干扰。 北京邮电大学硕士学位论文第二章l t e 下行链路关键技术 i 入、入 图2 - 3 子载波之间的干扰 1 9 8 0 年p e l e d 和r u i z 对o f d m 技术做出了一个重要的贡献，即把循环前缀 ( c p ，c y c l i cp r e f i x ) 引入o f d m 系统以解决正交性问题。为了克服i c i ，他们 在保护间隔中加入的是o f d m 符号的循环扩展，而不是使用空白保护间隔。对 于长为的输入序列，将后m 个样值插入到序列的开头，即插入c p ，形成一个 长度为+ 朋的新序列( 以) 。图2 。4 显示了插入c p 后的o f d m 信号。 循环前缀长度为n 的原始序列 将后m 个符号插入到序列前面 图2 - 4 插入c p 后的0 f i ) m 符号 o f d m 系统具有抗i s i 、频谱利用率高、抗频率选择型衰落、可自适应调制、 支持上下行非对称传输、易用i f f t f f t 实现等众多优势，因此必将会在未来通 信系统中得到广泛应有。然而，任何技术都不是完美无缺的，o f d m 也存在着 自身不可避免的缺陷，主要表现在以下两方面： ( 1 ) 易受时、频偏的影响 o f d m 子信道的频谱相互覆盖，对于正交性的要求非常高。无线信道具有 时变性，信号在传输过程中会出现的频谱偏移，或发射机与接收机本地振荡器之 间存在的频谱偏差，都会使o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，产生载 波间干扰( i c i ) ，限制了o f d m 系统在高信噪比下的性能。 ( 2 ) 存在较高的峰均功率比( p a p r ) o f d m 系统的输出是多个子信道信号的叠加，如果多个信号的相位一致， 所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远大于信号的平均功率，导致出现较大的 p a p r 。p a p r 和系统的发送子载波数成正比，这个比值的增大会降低射频放大器 的功率效率。此外，高的p a p r 对发送滤波器的线性范围要求提高，增加了设备 的代价。如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会产生信号畸变，信号 频谱发生变化，各子载波之间的正交性也会遭到破坏，产生干扰，致使系统性能 下降。 9 北京邮电大学硕士学位论文 第二章l t e 下行链路关键技术 2 2mlm 0 技术 未来移动通信系统将要求能够支持高达每秒数十兆甚至数百兆比特的高速 分组数据传输，在无线资源同趋紧张的情况下，采用m i m o 无线传输技术，充 分挖掘利用空间资源，最大限度地提高频谱利用率和功率效率，成为下一代移动 通信研究的关键所在。 m i m o 技术利用多个发射天线和多个接收天线来抑制信道衰落，提高信道容 量，提高频谱利用率。m i m o 信道是在收发两端使用多个天线，每个收发天线之 间形成一个m i m o 子信道，如图2 5 所示。 空时编码 图2 - 5m i m 0 假定发送端有个发送天线，接收端有件个接收天线，在收发天线之间形 成仰信道矩阵日，如式( 2 - 1 ) 所示： h = 盔-魄z 啊却 吃t吃z 红唧 - 吃。：k 唧 式( 2 1 ) 其中，日的元素是任意一对收发天线之间的子信道。当天线相互之间足够远的距 离时，各发送天线之间到各接收天线之间的信号传输就可以看成是相互独立的， 矩阵日的秩较大，理想情况下能达到满秩。如果收发天线相互之间较近，各发 送天线到各接收天线之间的信号传输可以看成是相关的，矩阵日的秩较小。因 此m i m o 信道容量和矩阵日的大小关系密切。目前较为典型的实现方法是仅仅 在基站处配备多对天线，达到降低移动终端的成本和复杂性的目的。如果发送端 的信道消息未知，但是信道矩阵的参数确定，且总的发射功率尸一定，那么把 功率平均分配到每一个发送天线上，则m i m o 信道容量可表示为式( 2 2 ) 4 1 ： c = l 0 9 2d e t ( i 。+ 上册月) 式( 2 2 ) “ 饰 考虑满秩m i m o 信道， n 。= n r - - n ，则秩为n ，且矩阵日是单位阵，h h 圩 l o 北京邮电人学硕士学位论文 第二章l t e 下行链路关键技术 = l 。，可以得到容量公式2 。3 ： c = 1 0 g z “t ( ，n + 等，一) 2 乏i1 1 0g z ( 1 + 等) = “0 9z ( 1 + 等) 式( 2 3 )，i = ，i ，亍r ( 7 7 1l 从上式可以看出，满秩m i m o 信道矩阵日在单位阵情况下，信道容量在确 定的信噪比下随着天线数量的增大而几乎线性增大。也就是说在不增加带宽和发 送功率的情况下，可以利用增加收发天线数成倍地提高无线信道容量，从而使得 频谱利用率成倍地提高。同时可以利用m i m o 技术地空间复用增益和空间分集 增益提高信道的可靠性，降低误码率，若进一步将多天线发送和接收技术与信道 编码技术相结合，还可以极大地提高系统的性能。目前m i m o 技术领域的研究 热点之一是空时编码，空时编码技术真正实现了空分多址。空时码利用空间和时 间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。总之m i m o 技术有效利用了随机衰落和多径传播力量，在同样的带宽条件下为无线通信的性 能带来改善。 l t e 下行链路中m i m o 的天线的基本配置为2 x 2 ，即e n o d eb 端和u e 端 分别是两根天线。多根天线的情况( 下行m i m o 中四根发送天线，两根接收天 线) 也可以考虑。由于通过重传和链路自适应等分集方法，控制信道的性能难以 提高，于是在下行控制信道中将考虑开环传输分集方法。这种传输分集方法是随 着所能支持的传输天线的能力和复杂度而变化的。因此，传输分集方法的简单性 和可测量性将与所能获得的性能增益进行比较。基于分组码的开环发射分集 ( s t b c 或s f b c ) 、循环延时分集、时频转换传输分集、预编码传输( 或自适应 波束赋型) 、空时( 空频) 分组码与循环延时分集的联合技术等都是可以考虑的。 循环延时分集技术已经作为基站端两根或四根天线情况下l l l 2 控制