（通信与信息系统专业论文）tddlte上行信道探测技术研究及dsp实现.pdf

摘要 摘要 随着各种数据业务需求的高速增长，3 g 移动通信系统将逐渐失去吸引力，而 3 g 的演进技术将成为业界关注的焦点。l t e 是3 g p p 推出的下一代移动宽带网络 标准，是3 g 与4 g 技术之间的一个过渡。这种以o f d m 和m i m o 为基础的下一 代空中接口技术，极大地提高了系统带宽和数据传输速率。 作为l t e 系统的重要技术之一，上行信道探测技术将为l t e 系统提供准确的 信道质量信息，以便上层系统能够合理地调度和分配频谱资源，发挥l t e 系统的 优势。本文深入研究了这种技术，并完成了基站端链路的d s p 实现。 首先介绍了l t e 系统的上行物理层，对物理层的结构、时频资源作了简要概 述，深入分析了上行物理层的传输方式s c f d m a 以及子载波映射方式。接着根 据协议和各类提案，详细地研究了用于信道探测技术的上行探测参考信号( s r s ) ， 包括s r s 的时频位置配置、传输周期、探测带宽。同时利用序列分组、循环移位 等特性，生成了s r s 序列，然后结合l t e 上行链路的传输方式设计了s r s 的上 行发送端模型。最后针对发送端的特点，设计了s r s 的接收端，用于接收并提取 s r s 信号。 l t e 中存在多个用户探测相同频带的特殊情况，因此传统的频域信道估计方 法将不适用于此系统。通过研究s r s 序列的特点，提出了一种新型的基于z c 序 列性质和循环移位特点的信道估计方式，并用于接收端估计信道转移函数( c t f ) 。 随后通过s r s 发送端和接收端的联合仿真，验证了这种方法的正确性，完成了上 行信道的探测。 最后，在m s c 8 1 5 6 平台上实现了s r s 的接收端，并对其进行了测试。 关键词：l t e ，探测参考信号，信道估计，m s c 8 1 5 6 a b s t r a c r a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go fr e q u i r e m e n ti nv a r i o u sd a t as e r v i c e s ，t h e3 gm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi s l o s i n ga t t r a c t i o nt ot h em a r k e tt h e e v o l u t i o no f3 gh a sb e e n f o c u s e do n - l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) i sas t a n d a r dt h a tp r o p o s e db y3 g p pf o rt h e n e x tg e n e r a t i o no fm o b i l eb r o a d b a n dn e t w o r k b yu s i n gt h en e x tg e n e r a t i o na i r i n t e r f a c et e c h n i q u ew h i c hi sb a s e do no f d ma n dm i m o ，t h es y s t e mb a n d w i d t ha n d d a t as p e e da r ei n c r e a s e d a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u ef o rl t e t h eu p l i n kc h a n n e ls o u n d i n g p r o v i d e sp r e c i s ec h a n n e lm e s s a g e st oh i g h e rs y s t e mf o ra l l o c a t i n ga n ds c h e d u l i n gt h e f r e q u e n c yr e s o u r c e t h i st e c h n i q u ei sr e s e a r c h e da n da p p l i e do nd s p i nt h i st h e s i s t h ep h y s i cl a y e ro fu p l i n ki si n t r o d u c e df i r s t l y , i n c l u d i n gt h es l l u c i u r e ，t h e t i m e - d o m a i na n df r e q u e n c y - d o r m i nr e s o u r c e s t h es c - f d m at h a tu s e df o ru p l i n k w a m m i s s i o na n dt h em a p p i n go fs u b c a r r i e r sa r ea l s oa n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h es p e c a n dv a r i o u sr e s o l u t i o m ，s o u n d i n gr e f e r e n c e s i g n a l ( sr s ) h a sb e e ni n l r o d u e e d ， i n c l u d i n gt h ec o n f i g u r a t i o ni nt i m e f i e q u e n c yd o m a i n , t h ep e r i o d i c i t ya n ds o u n d i n g b a n d w i d t h t h u s ，t h esr ss e q u e n c ec a nb eg e n e r a t e db yu s i n gt h es p e ca n dt h e c h a r a c t e r ss n c ha sc y c l i cs h i f t t h e nc o m b i n i n gw i t ht h es c f d m at e c h n i q u e ，t h e t r a n s m i t t e ro fs r si sd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h es l r u c t u r eo f i r a n s m i t t e r , t h er e c e i v e ro f s r sh a sa l s ob e e nd e s i g n e d b e c a u s ei ti sp o s s 西l et os o u n d i n gt h es a n l ef i e q u e n c y - d o m a i nr a n g eb ym u l t i p l e u e s ，t h el r a d i t i o n a lm e t h o d so f c h a n n e le s t i m a t i o nd on o ta d a p tt ot h i ss y s t e ma n e w m e t h o do f c h a n n e le s t i m a t i o nb a s e do nt h ec h a r a c t e r so fz cs e q u e n c ea n dc y c l i cs h i f t h a sb e e np r o p o s e da n du s e dt og e tt h ev a l u eo f c h a n n e lt r a n s f e rf u n c t i o n ( c t f ) t h e n , c o m b i n e dw i t ht h es i m u l a t i o no ft r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r , t h ev a l i d i t yo ft h i sc h a n n e l e s t i m a t i o ni sp r o v e d t h u st h ef u l lp r o c e s s i n go f u p l i n ks o u n d i n gh a sb e e nc o m p l e t e d t h er e c e i v e ro f s r sh a sb e e ni m p l e m e n t e do nt h em s c 8 1 5 6a n da l s ob e e n t e s t e d r m a n y k e yw a r d ：l t e , s o u n d i n g r e f e r e n c es i g n a l ，c h a n n e le s t i m a t i o n , m s c 8 1 5 6 图目录 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图3 1 图3 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 8 图5 - 9 图5 1 0 图目录 b i 盯ra 无线接口协议架构图7 t d d 帧结构图9 上行资源块和资源元素1 1 s c f d m a 生成流程1 3 子载波映射方式。1 4 s r s 时频位置16 s r s 符号排列结构18 序列组跳变和组内移位2 1 s r s 序列的小区规划2 2 循环时间移位与冲激响应时间的关系2 4 循环移位在s r s 中的应用2 5 循环移位跳变示意图2 5 频率半选择资源分配方式2 7 参考信号序列生成流程2 9 p r b 映射与i d f t 变换的对应关系3 5 s r s 发送端的系统框图3 6 s r s 发送端p r b 映射仿真图3 7 s r s 发送端生成信号仿真图3 8 s i 塔接收端b s p 模块框图3 9 基站端接收的s r s 信号仿真图一：4 1 s r s 接收端b s p 模块仿真图4 1 解调后信号各点与子载波间的位置关系4 2 全频带上s r s 信号的位置示意图4 3 s i 峪接收端解映射模块框图4 3 s r s 接收端解映射模块仿真图4 4 同一基站所覆盖小区的循环移位4 5 两个不同循环时移的s r s 发送和接收示意图4 6 信道估计模块原理框图4 8 v i 图目录 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 一1 7 图5 一1 8 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 - 6 图6 7 信道估计算法的系统仿真框图4 9 共轭分离估计算法仿真结果图5 0 低信噪比时共轭分离估计算法仿真图5 l 信道估计算法的c t f 对比5 2 信道估计算法性能比较5 3 s r s 接收端c e 模块框图5 4 s r s 的完整系统框图5 5 s r s 链路仿真结果5 7 m s c 8 1 5 6 结构框图6 0 解映射模块的c 代码流程图6 2 s r s 序列生成器的c 代码流程图6 3 信道估计算法的c 代码流程图6 3 c o d ew a r r i o r 开发界面6 5 s r s 链路的联合测试平台6 6 s r s 链路测试结果6 7 表目录 表目录 表2 1d w p t s g p u p p t s 配置表1 0 表2 2子帧上下行切换配置表1 1 表3 1s r s 带宽配置1 9 表4 1子载波与i d f t 变换的对应关系一3 4 表4 2不同信道带宽对应的资源块特性3 5 表4 3s r s 发送端仿真参数3 6 表5 1s r s 接收端解映射模块仿真参数4 3 表5 2信道估计算法仿真参数表4 9 缩略词表 英文缩写 c p c s e n o d e b g s m 兀u l t e m a c 皿m o o f d m p d c c h p u c c h p u s c h r a c h l 疆 r r c r s s r s u e u m t s 缩略词表 英文全称 c y c l i cp r e f i x c y c l i cs h i f t e v o l v e dn o d eb g b b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n i n t e r m t i o h a lt e l e c o m m t m i c a t i o n u n i o n l o n g t e r me v o l u t i o n m e d i aa c c e s sc o n t r o l m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e o u t - p u t o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g p h y s i c a ld o w n l i n kc o n t r o lc h a n n e l p h y s i c a lw p u a k c o n t r o lc h a n n e l p h y s i c a lu p l i n ks h a r ec h a n n e l r a n d o ma c c e ssc h a n n e l r e s o u r c ee l e m e n t r a d i or e s o u r c ec o n t r o l r e f e r e n c es i g n a l s i g l ec a r r i e rf 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 s o u n d i n gr e f e r e n c es i g n a l u s e re q u 够m e m u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o ms y s t e m i x 中文注释 循环前缀 循环移位 演进型基站 全球移动通信系统 国际电信联盟 长期演进 媒体接入控制 多输入多输出 正交频分复用 物理下行控制信道 物理上行控制信道 物理上行共享信道 随机接入信道 资源元素 无线资源控制 参考信号 单载波频分多址 探测参考信号 用户设备 通用移动通信系统 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：；羞虹日期：扫加年f 月岁日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 躲雄翩躲囱遮 日期：wf 口年月多e l 第一章绪论 1 1l t e 的背景及发展 第一章绪论 2 0 世纪8 0 年代，使用模拟技术的“第一代 移动通信系统实现大规模商用， 该系统由诸如美国的模拟移动电话系统a m p s ，欧洲使用的全址通信系统t a c s ， 日本全址通信系统j - t a c s 等组成。 后来，运用数字技术的全球移动通信系统( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o m ，g s m ) 开发并运行，这种被称为“第二代”的系统为全球范围 的漫游提供了可能性。在欧洲电信标准协会的主持下，通信设备商和运营商共同 协作，发挥各自所具有的尖端前沿的科技，让g s m 成为一个强有力的可实现互 操作的标准。 然而在“第二代 移动通信系统中存在着i s 9 5c d m a 、g s m 等多个标准无 法漫游，以及对系统带宽的要求和对高速业务支持等问题，国际电联( 丌u ) 提 出了第三代移动通信系统( 3 g ) 的概念。u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o ms y s t e m ， 通用移动通信系统) 家族的“第三代 系统标志着码分多址技术进入3 g p p 演进 过程。 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 ) ，是一系列推动移动通信系 统向前发展的技术革新。l t e 采用了正交频分复用( o f d m ) 接入和多输入多输 出( m m o ) 技术。目前，o f d m 技术在移动无线标准的技术演进中已经起了主 导作用。l t e 延续了u m t s 家族的技术演进，完成了从简单的语音业务向建立多 业务空中接口的转变。l t e 在设计之初就考虑了无线接入技术的演进，并设想所 有的业务都是分组交换模式，而不是早期的电路交换模式。l t e 系统的数据核心 网络标准的演进，即系统架构演进( s a e ) ，提出了演进型分组核心网络( e p c ) 。 l t e 和s a e 共同组成了演进的分组交换系统，其核心网和无线接入都完全采用分 组交换技术。 l t e 可以自由采用最先进的技术，不必考虑后向兼容及5 m h z 载波带宽的限 制。但系统必须不断满足新的需求，如灵活地部署频谱等。l t e 可以在一个统一 的框架下同时采用f d d 和t d d 两种模式，其设计也兼顾了时分同步码分多址接 入( t d s c d m a ) 的演进。 电子科技大学硕士学位论文 自2 0 0 4 年1 1 月启动l t e 项目以来，3 g p p 以频繁的会议全力推进l t e 的研 究工作。仅用半年的时间就完成了需求的制定，在2 0 0 6 年9 月完成了研究阶段 ( s t u d y i t e m ，s i ) 的工作，2 0 0 8 年底基本完成了工作阶段( w b r k i t e m ，w i ) 的 标准制定工作【1 1 。 1 2l t e 系统介绍 1 2 1 l t e 系统性能指标 为了确保l t e 系统在未来1 0 年的竞争力，以及满足网络运营商对下一代移 动通信系统的需求，3 g p p 给l t e 的无线接入技术演进提出了以下要求 2 】： 减少连接建立和传输的时延； 令提高用户数据传输速率； 夺为保证业务的一致性，提高小区边缘的比特率； 提高频谱效率以降低单位资源的成本； 夺对现有带宽和新增带宽的频谱更有效使用； 夺精简网络结构； 令无缝移动功能，并且能兼容不同的无线接入技术； 有效降低移动终端的功耗。 基于上述要求，l t e 系统规定了如下技术指标： 系统带宽可配置，范围为1 4 m h z - 2 0 m h z ； 令峰值数据速率：上行5 0 m b p s ( 2 x 1 天线) ，下行1 0 0 m b p s ( 2 x 2 天线) ； 夺峰值频谱效率：上行2 5 ( b i t s ) h z ，下行5 ( b i t s ) h z ； 呤系统频谱效率：上行为r 6h s u p a 的2 - 3 倍，下行为r 6h s d p a 的2 , - - 4 倍； 令延迟：用户面延迟( 单向) 小于5 m s ，控制面延迟小于l o r e s ； 增强的q o s ，增加竞争接入，无专用信道； 移动性：对小于1 5 k m h 优化，小于1 2 0 k m h 实现较高性能，在小于 3 5 0 k m h - - 5 0 0 k m h 下保持连接： 夺覆盖：支持最大覆盖范围1 0 0 k m , 支持大规模组网或热点覆盖； 夺和单播业务兼容，采用专用载波部署移动电视业务。 2 第一章绪论 1 2 2l t e 关键技术 l t e 系统选择多载波方式的多址接入，下行采用正交频分多址接入 ( o f d m a ) ，上行采用单载波频分多址接入( s c f d m a ) 。o f d m a 是对多载波 技术o f d m 的扩展【3 】。o f d m 把有效的信号传输带宽细分为多个相互正交的窄带 子载波，这样每个子载波都可以单独或成组地传输相互独立的比特流。o f d m a 技术则更有效地细分带宽，使多个用户间可以共享子载波。s c f d m a 技术能明 显有效地降低信号的峰均功率比( n 心r ) ，这样可以控制上行传输时用户终端的 发射成本，发送端的实现方式为离散傅里叶变换扩展o f d m ( d f t - f o f d m ) 技 术。 l t e 另一个关键技术是多天线技术，它把空间当做另一种新资源，其实现方 式主要基于3 个基本原则【4 】： ( 1 ) 分集增益：利用多天线提供的空间分集来改善多径衰落情况下传输的健 壮性。 ( 2 ) 阵列增益：通过预编码或波束赋形使能量集中在一个或多个特定方向。 这样就可以为在不同方向的多个用户同时提供业务，称为多用户m i m o 。 ( 3 ) 空间复用增益：利用有效天线组合建立的多重空间层，把多个信号流传 输给单个用户。 l t e 中可以对各种多天线功能进行设计和选择，根据不同用户的部署和传播 条件进行自适应。 l t e 同时还使用分组交换技术，不依赖于以前系统中广泛采用的面向连接的 电路交换协议。h s d p a 技术使短数据包的传输时间和快衰落信道的相干时间维持 在相同数量级，实现了无线接口的快速分组调度 5 1 。在l t e 中，为改善系统的延 迟，数据包传输时间由h s d p a 中的2 m s 进一步缩短为l m s 。这么短的传输时间 间隔，加上新的频率和空间维度，使媒体接入控制层和物理层间的跨层领域技术 得到了更多发展。 l t e 无线系统正是围绕多载波技术、多天线技术以及无线接口中分组交换技 术这三个基本技术建立起来的，以及运用一个新的扁平网络架构【6 1 。这些技术综 合起来使得3 g p p 所设定的目标得以实现。充分利用这些技术有可能使所有l t e 终端超过设定的峰值传输速率和频谱利用效率。 电子科技大学硕士学位论文 1 3 上行信道探测技术概述 1 3 1 信道探测与参考信号 无线信号通常会经历多径衰落，导致接收信号的符号间出现干扰。为了消除 符号间干扰，可使用不同类型的均衡和检测算法。如果检测算法利用了信道信息， 则被称为“相干检测，反之则为“非相干检测”。e n o d eb 和u e 间会传递一些 复数值信号，相干检测则利用其所携带的幅度和相位信息，而非相干检测仅仅采 用其幅度信息。因此，相干检测使得接收端能作出更为准确的信道估计。这对于 上行链路和下行链路，f d d 和t d d 模式都是成立的。与性能相同的非相干检测 的复杂算法相比，相干检测的算法复杂度比较低，而且其实现也更为简单。但这 样在信道估计时会造成较大的成本开销。因为一般都是利用不携带任何数据的已 知信号实现相干检测时的信道估计，这样频谱效率的损失较大。 e n o d eb 和l i e 取得同步后，l t e 系统的物理层处理主要采用相干的方式， 把己知的参考信号( r e f e r e n e es i g n a l ，r s ) 放入到发送端信号结构中【7 1 。然后利 用这种系统已知的参考信号，获取传播信道的信息，对其做出准确的估计。 通常可以使用各种不同的方法把参考信号嵌入到发送信号中，无论是在频域、 时域或码域，参考信号都可以与不同的数据符号复用。基于前导的训练序列是时 分复用的一个例子，它是在数据突发开始时传送参考信号。 目前比较常用的技术方法是让参考信号正交复用。为了方便在u m t s 传输链 路中对信道进行估计，协议规范中提供了两类正交参考信号。第一类是码分复用 信号，小区中所有用户可以使用，它使用了一种特殊的扩频码，其码间是正交的， 用来传播用户数据。第二类是时分复用专用参考信号，在某些情况下，可以将其 插入用户数据流中。 在l t e 下行链路中，o f d m 传输可用时间和频率上的二维点阵来描述【8 】，这 样参考信号就被映射到特定的二维点阵资源元素( r e ) 中，这种结构使参考信号 的复用变得容易。 为了信道估计更加精确，需要在时间、频率和空间上考虑信道参数所有相关 性，因为参考信号发送只针对特定的o f d m 符号和特定的子载波。对于子载波上 未嵌入参考信号的信道探测，不得不通过插值来进行估计。利用均方误差算法的 最优信道估计是基于二维维纳滤波器插值。而这种滤波器复杂度高，可以通过使 用一维滤波器来达到复杂性和准确性的折中，例如在频域上的信道插值估计、在 4 第一苹绪论 时域信道上的m m s e 和归一化最小均方估计等方法。 在l t e 系统中，发送正交的参考信号是进行信道探测和获取信道信息的有效 途径之一。因此协议中也为上下行链路都定义了相应的参考信号，分配了相应的 频谱资源。 1 3 2l t e 系统中的参考信号 l t e 系统中的参考信号分为上行链路参考信号和下行链路参考信号，可用于 信道估计、信道均衡以及信道质量的探测与频域调度。上行链路参考信号包括解 调参考信号( d e m o d u l a t i o nr e f e r e n c es i g n a l ，d m r s ) 和探测参考信号( s o u n d i n g r e f e r e n c es i g n a l ，s r s ) ，二者均由z c 序列或q p s k 序列生成，与上行数据在一 个时隙内时分复用，不频分复用 9 1 。解调参考信号必须在物理上行共享信道 ( p u s c h ) 或物理上行控制信道( p u c c h ) 内传输，且带宽固定，目的是用于 数据的相关解调。而探测参考信号与信道无关，主要用于信道质量的探测、频域 调度及功率控制。下行链路参考信号包括小区专用参考信号( c e l ls p e c i f i c r e f e r e n c es i g n a l ) 、用户专用参考信号( u es p e c i f i cr e f e r e n c es i g n a l ) 和多媒体广 播单频网络参考信号( m u l t i e a s tb r o a d c a s ts i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r kr e f e r e n c e s i g n a l ，m b s f nr s ) 。这三者均e t a 伪随机( p n ) 序列生成，与下行数据在一个时 隙内既时分复用，又频分复用。 l t e 上行链路中的探测参考信号( s r s ) 覆盖的范围远远大于当前数据的传 输带宽，可以得到整个信道带宽内的信道质量信息，进而选择信道质量好的频带 作为下个时隙的数据传输信道的频带，也可用来加强功率控制，这就弥补了解调 参考信号只能得到p u s c h 、p u c c h 的信道质量信息的不足。 探测参考信号由采用循环时间移位的z c 序列生成，这样降低小区之间和小 区内用户之间的干扰，保证了良好的信道探测。探测参考信号的发送模式可以分 为宽带模式和窄带模式。宽带模式是指一次发送覆盖较大的频带，发射间隔周期 较长，适合质量较好，较平稳的信道，且不用跳频。窄带模式又称跳频模式，是 指一次发送覆盖较小的频带，发射间隔周期较小，适合质量较差的信道，且需要 跳频。使用窄带模式可以使发射间隔周期变小，则下一时隙可根据当前时隙的信 道质量信息及时调整资源分配。 本文将基于探测参考信号，进行信道探测技术的研究。 电子科技大学硕士学位论文 1 4 课题来源与本文的结构安排 本课题来源于与f r e e s c a l e 成研所横向合作项目：t d d - l t ee n o d e b 基带系统 设计。 第一章阐述了论文的研究背景和意义，简要说明了t d d - l t e 系统的性能指 标，并介绍了应用于t d d l t e 系统中的几项关键技术，最后针对本文的研究对 象匕行信道探测技术，探讨了l t e 中探测信道的参考信号。 第二章介绍了t d d l t e 系统物理层的一些概念，特别是上行链路的相关技 术，以便进一步研究上行链路的探测参考信号。 第三章详细分析了用于信道探测的参考信号的结构、配置、调度、管理方式 等基本理论，为后续章节的链路实现提供了坚实的理论基础和依据。 基于前面章节的理论分析，第四章将重点研究参考信号的发送端设计，对序 列的产生、物理资源单元的映射和s c f d m a 信号生成等各个步骤详细的规划。 设计了s r s 的发送端系统框架，并基于此给出了所生成的s r s 信号的仿真图。 第五章设计了s r s 接收端的系统框架，着重讨论了整个系统的核心模块 信道估计模块，提出了一种新的适用于l t e 上行信道探测的信道估计算法一共 轭分离法。最后对发送端和接收端进行联调仿真，估计出信道转移函数，提供给 上层调度使用。 结合第五章中对接收端系统的设计和仿真，第六章将对接收端也就是基站侧 链路进行d s p 实现。硬件平台是f r e e s c a l e 公司提供的m s c 8 1 5 6 多核d s p 。最后 将把硬件运行结果与仿真结果进行对比，以检验硬件实现的效果。 第七章是对论文工作的总结，并提出了未来进一步的研究方向。 6 第二章t d d l t e 系统的上行物理层 第二章t d d l t e 系统的上行物理层 2 1 物理层概述 2 1 1 物理层协议结构 l t e 采用了与3 g 不同的空中接口技术，即基于o f d m 和m i m o 技术的空中 接口设计。空中接口主要是指u e 和网络之间的接口，包括物理层( l 1 ) 、数据链 路层( l 2 ) 、网络层( 1 3 ) 。 l l 棚 嚣 、 秦 辍 逻辑信道 传输信道 图2 - 1e - u t r a 无线接口协议架构图 图2 1 给出了物理层周围的e - u t r a 无线接口协议结构 1 0 】。物理层与数据链 路层的媒体接入控制( m a c ) 子层和网络层的无线资源控制( r a d i or e s o u r c e c o n l r 0 1 ) 层的接口相连。物理层向m a c 子层提供传输信道。m a c 子层提供多种 逻辑信道给l 2 的无线链路控制( r l c ) 子层。物理层通过传输信道，把处理后 的数据传向高层。传输信道作为数据传输及处理的载体。物理层的传输由来自协 议栈中高层的用户平面和控制平面的数据，以及与这些数据相复用的物理层信令 组成，例如上行的参考信号设计中，需要r r c 层提供的相关信令参数，配置参考 信号的时频位置、导频序列号等。 l t e 的物理层支持多种带宽，而其是基于资源块的方式定义的，这样l t e 的 物理层可以配置多种频谱。在频域上，一个资源块占用1 8 0 k h z ，由1 2 个宽度为 7 电子科技大学硕士学位论文 1 5 k h z 的子载波或者2 4 个宽度为7 5 k h z 的子载波构成；在时域上，其持续时间 为0 5 m s 。l t e 支持频分双工( f d d ) 和时分双工( t d d ) 模式，f d d 采用成对 的频段来分离上下行链路，t d d 则是不成对的频谱。为了支持多媒体广播和多播 业务( m b m s ) ，l t e 系统从多个小区以同步的方式发射公共信号，从而实现了多 播广播在单频网多播广播( m b s f n ) 中的传输。m b s f n 提供了更高效的m b m s ， 允许终端可以在空中接口合并接收多个小区的信号，而不同传输时延所造成的差 异，可以使用循环前缀( c p ) 解决。这样对于终端来说，m b s f n 传输就像来自 一个大覆盖小区的传输一样。m b s f n 的传输，允许在专用载波上使用更长的c p 和7 5 k h z 的子载波间隔，并在一个载波上可以使用时分复用的方式来支持m b m s 传输和点对点传输。为了支持多输入多输出( m i m o ) 传输，在下行方向上配置 了2 根或4 根传输天线，以及2 根或4 根接收天线，允许最大4 个流的多层传输。 在上行和下行都支持多用户m i m o ，为多个用户分配不同的比特流。 2 1 2 物理层功能 为了向高层提供准确的数据传输服务，物理层将实现如下功能： 传输信道的错误检测并向高层提供指示； 传输信道的前向纠错( f e c ) 编码解码； 混合自动重传请求( h a r q ) 软合并； 编码的传输信道与物理信道之间的速率匹配； 编码的传输信道与物理信道之间的映射； 物理信道的功率加权； 物理信道的调制与解调； 频率和时间同步； 射频特性测量并向高层提供指示； 多输入多输出( m m o ) 天线处理； 传输分集； 波束赋型； 射频处理。 8 第二章t d d - l t e 系统的上行物理层 2 2 上行物理信道传输资源结构 2 2 1 无线帧结构 在时域上，传输资源最大的单元为1 0 m s 的无线帧，其又可分为1 0 个l 璐 的子帧，每个子帧又被分为两个0 5 m s 的时隙。使用普通循环前缀时，每个时隙 由7 个o f d m 符号组成，若小区上配置的是扩展循环前缀，那么每个时隙由6 个o f d m 符号组成。 l t e 物理层中，会根据双工模式的不同而使用不同的无线帧结构。f d d 是靠 对称的两个频段来进行收发信号的，所以其在时域上的单向传输是连续的；t d d 则是在时域上划分不同的时间段用于发送和接收，而且为了收发信号相互之间没 有干扰还要设计保护时间间隔，这恰恰与f d d 相反。因此，l t e 定义了两种无线 帧结构：用于f d d 的t y p e l 和用于t d d 的t y p e 2 。本论文所研究的是t d d 模式 下的参考信号，所以将详细介绍t y p e 2 的帧结构。 d - r 陪帮 u c , r s d 竹巧0 t o o r r s 图2 - 2 t d d 帧结构图 t y p e 2 的帧结构如图2 - 2 所示，此类型的无线帧由两个长度为5 r n s 的半帧组 成，每个半帧由5 个长度为l r m 的子帧组成，包括4 个普通子帧和1 个特殊子帧。 普通子帧又由2 个0 5 m s 的时隙组成，特殊子帧由3 个特殊时隙组成，分别是用 于上行传输的u p p t s 、用于下行传输的d w p t s 和实现上下行时段切换的g p 。 g p 用于上下行切换保护，主要由“传输时延”和“设备收发转换时延”构 成，设备收发转换时延的典型值如下： 用户终端切换时间： u e 从下行接收切换到上行发送：1 0 4 0 u s ，取决于输出功率精度。 u e 从上行发送切换到下行接收：1 5 2 0 u s ，包括必需的r f 切换时间和接收 端电路初始化时间。 9 电子科技大学硕士学位论文 基站切换时间： 基站从上行接收切换到下行发送：小于2 0 u s 。 基站从下行发送切换到上行接收：1 0 1 5 u s 。 三个特殊时隙的总长度固定为l m s ，而其各自的长度可以根据网络的实际需 要( 例如，不同的小区覆盖半径) 进行配置，在技术规范中支持如表2 - 1 所示的 9 种配置选项。 表2 - 1d w p t s g p u p p t s 配置表 特殊子帧常规c p扩展c p 配置d w p t sg p u p p t s d w p t sg p u p p t s 0 6 5 9 2 正2 1 9 3 6 瓦7 6 8 0 正 2 0 4 8 0 正 1 1 9 7 6 0 l8 7 6 8 瓦2 0 4 8 0 正 7 6 8 0 瓦 2 5 6 0 正 2 2 1 9 5 2 正6 5 7 6 正2 1 9 2 瓦2 3 0 4 0 正5 1 2 0 正 3 2 4 1 4 4 正4 3 8 4 瓦2 5 6 0 0 正2 5 6 0 瓦 4 2 6 3 3 6 l2 1 9 2 正7 6 8 0 瓦1 7 9 2 0 正 5 6 5 9 2 正1 9 7 4 4 - 瓦2 0 4 8 0 l5 1 2 0 正5 1 2 0 瓦 6 1 9 7 6 0 正 6 5 7 6 瓦2 3 0 4 0 瓦2 5 6 0 瓦 7 2 1 9 5 2 瓦4 3 8 4 瓦 4 3 8 4 瓦 8 2 4 1 4 4 瓦2 1 9 2 瓦 从表中可以看出，d w p t s 的长度可配置为3 一1 2 个o f d m 符号，u p p t s 的 长度可配置为l 2 个o f d m 符号；g p 长度为1 一1 0 个符号，时间长度大约为 7 0 7 0 0 u s ，所对应的小区覆盖半径为1 1 0 0 公里。 物理下行控制信道( p d c c h ) 和数据信道的传输都可以在d w p t s 中实现， 其作用与普通下行子帧一样。在d w p t s 的第三个符号中实现主同步信道的传输， 而下行控制信道占用两个o f d m 符号长度时间。与d w p t s 不同，u p p t s 仅仅用 于实现随机接入( r a c h ) 或者s r s 信号，而不承载任何上行的数据。这样能合 理利用资源实现上行信道的探测，并且利用上下行信道的对称性，系统还能实时 获取对应下行信道的质量。 t d d l t e 支持5 m s 和1 0 m s 的上行子帧切换周期，具体配置如表2 2 所示， 其中d 表示下行传输的子帧，u 表示用于上行传输的子帧，s 表示特殊子帧。在 广播消息s i 1 中使用3 比特指示t d d 的上下行配比信息。 l o 第二章t d d - l t e 系统的上行物理层 表2 2 子帧上下行切换配置表 上下行切换上下行子帧序号 配置切换周期o123 4 56 7 89 05m sdsu u u dsu u u 15 i l l sdsu u d dsu ud 2 51 1 1 s dsu d d dsu dd 31 0m sdsu u u d d d d d 41 0m sdsu u d d d d d d 51 0 l n sdsu d d d d d d d 65m sdsu u u dsu ud 2 2 2 物理资源 l t e 中进行数据传输时，将上下行时频域的物理资源组成资源块( r b ) ，作 为物理资源单元进行调度与分配。为了使资源块的大小和上下行数据的最小单元 匹配，将上行资源块按图2 3 所示方式进行划分。一个r b 在频域上包含1 2 个连 续的子载波，每个子载波的频域宽度为1 5 k h z ；在时域上，一个r b 大小将对应 一个时隙，即7 个连续的o f d m 符号( 对上行链路来讲，即是7 个s c f d m a 块) ， 在扩展循环前缀的情况下为6 个符号。所以一个r b 的频域宽度为1 8 0 k h z ，时间 长度为0 5 m s 。 o n u p