（通信与信息系统专业论文）3gpplte链路技术分析与研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 3 g p p 长期演进l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 是在3 g 的技术基础上研发出的“准 4 g 技术”，其目的是为了迎接w i m a x 等移动宽带无线接入技术的市场挑战、进一 步改进和增强现有3 g 技术，以提高3 g 在新兴宽带无线接入市场的竞争力。2 0 10 年5 月2 5 日，e r i c s s o n 和t e l i a s o n e r a 在s t o c k h o l m 启动全球首个l t e 商用站 点，标志着l t e 已经成为了现实，中国、日本和欧美国家也纷纷开始发放l t e 牌照、开始网络部署或开设试点网络。中国主导的t d l t e 在上海世博会上进 行了演示，在很好的保证用户q o s 的情况下，理论峰值速率能够达到上行 5 0 m b p s 、下行1 0 0 m b p s ，使移动通信系统通信速率达到了一个前所未有的高度。 l t e 采用o f d m 、m i m o 等先进的无线传输技术、全i p 系统架构和扁平网络结构。 为了研究3 g p pl t e 系统的链路技术，本论文先对现有的l t e 的帧结构、导频 结构进行学习和研究，然后研究了l t e 物理层的关键技术o f d m 和m i m o 并给 出了m i m o 和o f d m 的系统模型并进行数学分析，m i m o o f d m 结合m i m o 和 o f d m 技术的双重优点，本文将对m i m o o f d m 做出了原理上的可行性分析。 然后研究了上行s c f d m a 和下行o f d m a 多址技术的物理模型，通过仿真从 p a p r 和链路性能两个方面比较了两种多址方式的性能，仿真分析表明，s c f d m a 在峰均功率比p a p r 上优于o f d m a ，o f d m a 的链路性能优于s c f d m a 。l t e 在上行链路中由于对p a p r 要求高，而对链路性能的要求相对较低，下行链路中对 链路性能的要求高，而p a p r 可以通过增大基站发送功率来减少影响，因而，l t e 上行采用s c f d m a ，下行采用o f d m a 是十分合理的。 l t e 要求系统的上下行传输速率分别达到5 0 m b p s 和1 0 0 m b p s ，且能在高速的 环境中维持通信，比之前的接入技术有了很大改进。这就对系统的移动性管理带 来了很大挑战。本文从分析l t e 系统的切换入手，分析了u e 终端在同e n b 内不 同扇区间和不同小区问的切换过程，并简要描述u e 在不同3 g p p 接入技术、非 3 g p p 接入技术间的切换过程，然后对u e 接入网络时必须进行同步和小区搜索过 程进行了分析，从而建立了u e 从接入小区、搜索小区、小区切换等过程的总体流程。 山东大学硕士学位论文 最后，由于l t e 采用全i p 系统架构和扁平网络结构，网络的拥塞控制也是非 常棘手的问题。在传统的网络拥塞控制算法中，t c p 拥塞控制和拥塞控制分别 代表着在源端和链路上的拥塞控制技术，并有很多成熟的控制算法，且结合先进 控制理论的t c p i p 算法也有了很多的范本。本文通过分析学习成熟的t c p i p 控 制算法，结合无线t c p 网络的特点，总结出适合l t e 的无线t c p 拥塞控制方法， 将对网络性能有很大的提高与改进。 2 关键词：3 g p p 长期演进；正交频分复用；切换；拥塞控制； 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t oe n c o u n t e rt h ec h a l l e n g eo ft h ew i m a x ，t h e3r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i p p r o je c ts t a r to f ft h ep l a no ft h el o n gt e r me v o l u t i o n , w h a tc a nb ec a l l e dq u a s i - 4 g t e c h n o l o g y , o nt h eb a s i so f3 gt e c h n o l o g i e s o nm a y2 5i n2 010 ，e r i c s s o na n d t e l i a s o n e r al a u n c h e dt h e1s tc o m m e r c i a ll t es i t eo ft h ew o r l di ns t o c k h o l m ，w h i c h m a r k e dt h el t eh a sb e c o m ear e a l i t y a tt h es a m et i m e ，c h i n ab e g u nt h ec r e a t i o no f p i l o tn e t w o r k , j a p a nb e g a ni s s u i n gl i c e n s e sl t e ，e u r o p ea n dt h eu n i t e ds t a t e sb e g a n t h ep r o c e s so fn e t w o r kd e p l o y m e n t i n2 010 ，t h et d l t e ，w h i c hw a sp u s h e db yc h i n a g o v e r n m e n t ，p r e s e n ta tt h es h a n g h a ie x p oa n di t c a ng e tlo o m | sd o w n l i n k , 5 0 m | s u p l i n kp e a k r a t ei nt h e o r e t i c a l i tm e a nt l l a tc o m m u n i c a t i o ns p e e do fm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a su n p r e c e d e n t e d l t em a k eo f d ma n dm i m oa s t h e w i r e l e s st r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g ya n du s et h ew h o l ei ps y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dt h ef l a t n e t w o r ks t r u c t u r e t or e s e a r c ht h el i n kt e c h n o l o g yo ft h el t e s y s t e m ，w ec o n s i d e rt h ef r a m es t r u c t u r e a n dp i l o ts t r u c t u r ea tf i r s t ，t h e nw eg e tr e s e a r c ho nm i m oa n do f d m ，w h i c ha r et h e k e yt e c h n o l o g yo fl t e ，a n dm a d eap r i n c i p l eo fa n a l y s i so ft h e m a tl a s tw em a d ea p r i n c i p l eo fa n a l y s i so nt h ef e a s i b i l i t yo fm i m o o f d mw h i c ha r ec o m b i n a t i o no f m i m oa n do f d ma n dp u tt h ea d v a n t a g e st o g e t h e r t 0b ec o n t i n u e d ，w es t u d ym u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g y , w h i c hu s es c f d m ai nt h e u p l i n ka n do f d m ai nt h ed o w n l i n k b ye s t a b l i s h i n gt h ep h y s i c a lm o d e l ，t h e s i m u l a t i o ns h o wt h a to f d m ai sb a t t e ra tt h el i n kp e r f o r m a n c ea n dw i c k e ra tp a p r o n t h ec o n t r a r ys c - f d m ad o e sb a t t e ri np a p rb u ts h o r to fl i n kp e r f o r m a n c e t h eu p l i n k n e e d sb a t t e rp e r f o r m a n c eo np a p rt os a v et h ee n e r g yf o ru ea n dt h ed o w n l i n ks h o u l d n o ts a v et h ee n b se n e r g yb u td om u c hb a t t e ro nl i n kp e r f o r m a n c e ，s o3 g p pl t e c h o o s et h es c - f d m aa st h eu p l i n km u l t i p l ea c c e s sa n do f d m aa st h ed o w n l i n k m u l t i p l ea c c e s s l t er e q u i r e st h a tt h eu p l i n ka n dd o w n l i n kt r a n s m i s s i o nr a t es h o u l da c h i e v e 5 0 m b i t sa n d10 0m b i t sr e s p e c t i v e l ya n du es h o u l dg e tg o o dc o m m u n i c a t i o ni n l l i 曲一s p e e de n v i r o n m e n t , w h i c hh a sg r e a t e ri m p r o v i n gt h a n t h ep r e v i o u sa c c e s s t e c h n o l o g ya n dt a k eag r e a tc h a l l e n g et ot h i sm o b i l i t ym a n a g e m e n to ft h es y s t e m t h e 3 山东大学硕士学位论文 p a p e rs t u d i e da n da n a l y z e dt h ep r o c e s so ft h eu ea c c e s st ot h ec o r en e t w o r kt h r o u g h e n bn o d e sa n df o c u so nt h es y n c h r o n i z a t i o na n dc e l ls e a r c hp r o c e s s ，e s p e c i a l l yo nt h e s w i t c hp r o c e s s i nt h i sr e s e a c h ，w ew o u l dd i s c u s st h es w i t c hp r o c e s sa m o n gd i f f e r e n t s e c t o r si na ne n ba n da m o n gd i f f e r e n ta c c e s st e c h n o l o g yo f3 g p pa n dn o n 一3 g p p f i n a l l y , t h en e t w o r kc o n g e s t i o nc o n t r o li sa l s o ad i f f i c u l tp r o b l e ma st h el t e s y s t e ma r c h i t e c t u r ei sa l l i pf i a tn e t w o r k s t r u c t u r e i nt h et r a d i t i o n a ln e t w o r kc o n g e s t i o n c o n t r o la l g o r i t h m ，t c pc o n g e s t i o nc o n t r o li sr e p r e s e n tf o rt h es o u r c ec o n g e s t i o nc o n t r o l t e c h n o l o g i e sa n di pc o n g e s t i o nc o n t r o lf o rl i n kc o n g e s t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g i e s t h e r e a r eal o to fs o p h i s t i c a t e dc o n t r o la l g o r i t h m s a tt h es a m et i m e ，i ts h o u l db en o t e dt h e r e a r ea l s ol o t so ft e m p l a t e sc o m b i n i n gw i t ht h ea d v a n c e dc o n t r o lt h e o r y o nt h eb a s i so f t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ew i r e l e s st c pn e t w o r k s ，t h i sr e s e a c hw o u l dd r a wm a t u r e t c p i pc o n t r o la l g o r i t h m s ，w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h ew i r e l e s st c pc o n g e s t i o nc o n t r o l a l g o r i t h mi nl t e ，s ot h a tn e t w o r kp e r f o r m a n c es h o u l dg e tg r e a t e ri m p r o v i n g 4 k e yw o r d ：l t e ；o f d m ；s w i t c h ；c o n t r o la l g o r i t h m ； 山东大学硕士学位论文 3 g p p 3 g 4 g a 、v g n c n c r c c d m a c p c d f c c d f d s l d v b d a b d m b d w p t s e d l g e e p c e p s e n o d e b f d m f d m a g p r s g s m g i h s d p a h s u p a h s p a h o i p i t u i s i l t e m i m o 英文缩略语 3 一g 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 mg e n e r a t i o ni nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m 4 mg e n e r a t i o ni nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m a d d i t i v e 、 r 1 1 i t eg a u s s i o nn o i s e c o r en e t w o r k c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c y c l i cp r e f i x c u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n c o m p l e m e n t a r yc u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g d i g i t a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g d o w n l i n kp i l o tt i m e s l o t e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o i a t i o n e v o l v e dp a c k e tc o r e e v o l v e dp a c k e ts y s t e m e v o l v e dn o d e b 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 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 g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s g u a r di n t e r v a l h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s h i 曲s p e e du p l i n kp a c k e ta c c e s s h i 曲s p e e d p a c k e ta c c e s s h a n d o f f i n t e r a c tp r o t o c o l i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e l o n gt e r me v o l u t i o n m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 第三代合作伙伴计划 第三代移动通信技术 第四代移动通信技术 加性高斯白噪声 核心网 循环冗余校验 码分多址 循环前缀 累积分布函数 互补累积分布函数 数字用户线路 数字视频广播 数字信号广播 数字多媒体广播 上行导频时隙 增强型数据速率g s m 演进技术 演进分组核心网 演进分组系统 演进n o d e b 频分复用 频分多址 通用分组无线服务 全球移动通信系统 保护间隔 高速下行链路分组接入 高速上行链路分组接入 高速分组接入 切换 互联网协议 国际电信联盟 码间干扰 长期演迸 多输入多输出 5 山东大学硕士学位论文 m m e m a c m s o f d m o f d m a o s i p h y p d u p a p r p d c c h p s t n p m d p s k q o s q a m r n c r r m r s r e d r s r p r s r q r a t s a e s n r s a p s 州r s d u t d 【a u m t s u t r a n u t r a u p p t s u e w i f i w i m a x 6 m o b i l i t ym a n a g e m e n te n m e d i u ma c c e s sc o n t r o l m o b i l es t a t i o n 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 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 o p e ns y s t e m si n t e r c o n n e c t i o n p h y s i c a ll a y e r p r o t o c o ld a t eu n i t p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o p h y s i c a ld o w n l i n k c o n t r o lc h a n n e l p u b l i ct e l e p h o n es w i t c h e dn e t w o r k p h y s i c a lm e d i ad e p e n d e n t p h a s es h i f tk e y i n g q u a l i t yo fs e r v i c e 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 r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t r e l a ys t a t i o n r a n d o me a r l yd e t e c t i n g r e f e r e n c es i g n a lr e c e i v i n gp o w e r r e f e r e n c es i g n a lr e c e i v i n gq u a l i t y r a d i oa c c e s st e c h n o l o g y s y s t e ma r c h i t e c t u r ee v o l u t i o n s i g n a lt on o i s er a t i o s e r v i c ea c c c s sp o i n t s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ep l u sn o i s er a t i o s e r v i c ed a t eu n i t t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s 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 ns y s t e m u m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k u m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s s u p l i n kp i l o tt i m e s l o t ， u s e re q u i p m e n t w i r e l e s sf i d e l i t y 、 ，o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s 移动性管理实体 媒体接入控制 移动台 正交频分复用 正交频分多址 开放系统互连 物理层 协议数据单元 峰均比 物理下行控制信道 公共电话交换网 物理媒质依赖 相移键控 服务质量 正交幅度调制 无线网络控制器 无线资源管理 中继站 随机早期侦测 参考信号接收功率 参考信号接收质量 无线接入技术 系统架构演进 信噪比 服务接入点 信号与干扰加噪声比 服务数据单元 时分多址 通用移动通信系统 u m t s 陆地无线接入网 u m t s 陆地无线接入 下行导频时隙 用户设备 无线保真 全球微波接入互操作 山东大学硕士学位论文 1 1l i e 发展背景 第一章绪论 在过去的二十年，无线移动通信网络得到了广泛而深刻的发展，以手机为代 表的无线终端走进了千家万户，人们的生活质量由于无线通信的便捷性得到了极 大地提高，这要得益于无线网络提供的全球语音通信业务和数据通信业务。目前， 全球的移动语音用户已超过了1 8 亿。同时，个人通信被提上日程并付诸实践，个 人通信即是用各种可能的网络技术，实现任何人( w h o e v e r ) 在任何时间 ( w h e n e v e r ) 、任何地点( w h e r e v e r ) 与任何人( w h o m e v e r ) 进行任何种类 ( w h a t e v e r ) 的信息交换。个人通信的发展要求个人通信设备既能够满足通信需 求，又要求满足娱乐的要求，即能够提供在线游戏、音乐下载、视频点播和移动 电视等高数据速率业务的能力。 利用无线网络来提供计算和存储能力，通过使用低成本的无线宽带设备和终 端，个人通信娱乐设备趋向微型化并只益普及。在已往的发展过程中，移动通信 系统经历了g s m 到g p r s e d g e 然后到w c d m a h s d p a 网络的演进过程，无线通信系 统提供的服务内容也从初始的语音通信到基本数据通信再到当今更加结合了大数 据量数据通信的多样化的通信和娱乐业务。无线通信网络的的发展为社会的发展 注入了强劲的动力，但业务质量的提高和用户数量的急剧增长为网络运营商带来 了一定的苦恼。如何降低无线数据网络的运营成本，是g s m 移动运营商提供g p r s 业务的难言之痛，但这也仅仅是往宽带无线技术演进的一个开始；w c d m a h s d p a 与 g p r s e d g e 相比，虽然无线性能大大提高，但是在应对来自其他宽带接入技术带来 的挑战、减少知识产权( i p r ) 的牵掣【1 l ， 2 1 和满足日益增长的用户需求等领域存在 着不小的局限。 移动通信市场的高速发展，大量高带宽、低成本的无线接入技术快速普及， 众多非传统移动运营商也纷纷加入了移动通信市场，或引进了新的商业运营模式， 纷纷在宾馆、酒店、度假村等场所提供免费w i f i 或者w i l v i a x 无线接入方式【3 j 【4 】。 或在w i f i 或w i m a x 等无线宽带接入技术基础上，新增了几乎免费的语音或者视频 通信业务。这些都带给移动运营商亘古未遇的挑战。因此，移动运营商必须加快 7 山东大学硕士学位论文 现有网络的演进，积极提供新型业务以满足用户同益增长的需求，在未来激烈的 市场竞争中独占鳌头。 c d m a 通信系统发展历史的特殊性造成了目前3 g 所涉及的核心专利被少数公 司把持着的现状，3 g 厂商和运营商在专利问题上举步维艰，不愿再承担如此高昂 的专利授权费，因此，发展使用新的核心技术和接入技术成为不可阻挡的趋势。 更近一步的是无线用户需求日益增长，希望运营商在任何时间任何地点都能 为自己提供的无线接入速度在1 m b p s 以上，传输延迟在2 0 m s 以下并且在不低于 1 2 0 k m h 移动速率的环境都能够实现全网无缝覆盖，而且更希望能够享受低廉的网 络服务费用和使用廉价的终端设备。 为应对来自w i f i 和w i m a x 的挑战，减轻专利的掣肘和满足日益增长用户需 求，3 g p p 工作组2 0 0 4 年1 1 月在多伦多召开会议，收集了无线接入协议r 6 之后的 演进意见，开始了3 g 长期演进l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 的立项工作，以制定 3 g 演进型系统技术规范作为目标。至今，已全部完成并丌始商用网络的实验与铺 设。 1 2l t e 项目计划与主要性能目标 3 g p p 组织在l t e 项目的工作，基本可以分为两个阶段即s i ( s m d yi t e m ) 阶段 和w i ( w o r ki t e m ) 阶段。前一阶段始于2 0 0 5 年3 月终到2 0 0 6 年6 月完成，目标是 完成可行性研究报告；后一阶段始于2 0 0 6 年6 月预期到2 0 0 7 年6 月完成，目标 是完成核心技术的规范工作1 5 j 。 3 g p p 组织在2 0 0 7 年中期完成l t e 相关标准制定( 3 g p pr 7 ) ，2 0 1 0 年5 月2 5 日，e r i c s s o n 和t e l i a s o n e r a 在s t o c k h o l m 启动全球首个l t e 商用站点，标志 着l t e 已经成为了现实，中国、日本和欧美国家也纷纷开始发放l t e 牌照、 开始网络部署或开设试点网络。 3 g p pl t e 项目的主要性能目标是为了应对“其他无线通信标准 的竞争提出 的。l t e 针对w i m a x “低移动性宽带i p 接入”的定位也提出了相对应的目标，如 利用2 0 m 的无线带宽，提供上行5 0 m b p s 与下行1 0 0 m b p s 数据传输速率，接近 2 b a u d h z 的频谱效率指标，能在高速移动环境中提供无缝全网覆盖，去除c s 业务 8 山东大学硕士学位论文 只支持p s 域，加强广播多播业务在服务能力的地位，要求能够满足v o l p 和在线 游戏的无线网络实现，非常低的用户面延迟等【6 j 。 为了实现l t e 系统的上述目标性能，需要改进与增强现有3 g 系统的空中接口 技术和网络结构。3 g p p 标准化组织经过激烈的讨论于2 0 0 5 年1 2 月选定了0 f d m a 和s c f d m a 作为l t e 下行和上行基本传输技术7 】，1 8 1 ，【9 】。 o f d m 和m i m o 相结合的m i m o o f d m 技术方案是3 g p p 无线网络演进( l t e ) 的核心技术。在3 g 到3 5 g 系统发展过程中，w c d m a h s d p a 系统由n o d e b 、 r n c 、s g s n 、g g s n 四个主要网元组成，而l t e 系统核心网继承3 g 采取扁平网 络架构，不过主要网元由上面四个演进为e n b 和a g w 两个，同时采用全l p 分布 式结构，提供v o l p 、s i p 、i m s 和m o b i l ei p 等高速的数据业务。 1 3 课题的研究意义 l t e 是3 g 移动通信技术向4 g 过度的关键阶段，能够有助于3 g p p 摆脱c d m a 专利的限制，能够很大限度上提高网络的负载能力提供优质的无线服务，能够积 极应对w i f i 和w i m a x 等宽带无线接入技术的挑战。l t e 能够提供上行5 0 m b p s 、 下行1 0 0m b p s 的传输速率，可支持语音视频，大数据量媒体文件下载等功能，为 用户带来非凡的享受和便捷，提升人的生活质量。在这次变革中，我国主推的 t d l t e 也能取得更大的专利技术优势，将为我国的知识产权建设方面做出很大的 贡献。 1 4 本文的主要工作和内容 本论文将根据l t e 发布的r 8 技术标准，对3 g p pl t e 的关键技术如o f d m 、 m i m o 等进行研究，研究l t e 系统的协议架构和帧结构，对涉及到的移动性管理 和拥塞控制等问题也做了深入的分析。 本文的章节安排为： 第一章：绪论。给出l t e 的研究背景和研究意义，概括介绍了l t e 的发展现状。 第二章：l t e 的关键技术。对l t e 的关键技术m i m o 、o f d m 进行研究，分 析其原理，并给出m i m o 、o f d m 和m i m o o f d m 系统模型和信道模型，然后概述 9 山东大学硕士学位论文 了l t e 系统中采用的h r a q ，全p 网络技术等关键技术。为下文的研究打下基础。 第三章：3 g p pl t e 系统物理层传输方案研究。本章首先研究了l t e 系统的上 下行帧结构和导频序列，然后对比分析了多址技术0 f d m a 和s c - f d m a 的核心技术 0 f d m 和d f t s 一0 f d m ，最后从链路性能和p a p r 两个方面进行比较，得出前者的链 路性能比后者有3 - 6 d b 的增益，后者却拥有更低的p a p r 。 第四章：3 g p pl t e 系统移动性管理机制研究。本章先描述了l t e 的网络架构， 然后分析了l t e 的切换流程，最后分析了l i e 接入小区的的同步和小区搜索过程。 并分析了同步过程中应用到的p s s 和s s s 序列的基本原理。 第五章：3 g p pl t e 系统移动性管理机制研究。本章先介绍了t c p i p 网络的 拥塞控制的过程，然后通过分析l t e 网络的t c p i p 协议架构描述l t e 接入网络 的t c p i p 模型，提出比较适合与l t e 网络的拥塞控制机制。 第六章：总结与展望。总结了本论文的主要内容，分析本文的特点及不足， 并展望未来的工作。 1 0 山东大学硕士学位论文 第二章3 g p pl t e 系统的关键技术 本章首先介绍了正交频分复用o f d m i l o l 、多输入多输出m i m 0 1 1 1 1 基本技术， 其次对m i m o o f d m 系统的模型进行分析研究，最后简要介绍了其他物理层技术。 2 1 正交频分复用 正交频分复用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 ) 在5 0 年前 就已经出现，但当时没有数字滤波器而使用模拟滤波器实现多载波系统的复杂度 太高，便一直没有发展起来。s b w e i n s t e i n 在7 0 年代提出用利用离散f o u r i e r 变换( d f t ) 实现多载波调制，为o f d m 技术应用于实际奠定了理论基础，使o f d m 技术在众多通信系统中首选使用。o f d m 最大的优势就是将宽带弥散信道转换为 多个并行的窄带子信道，因此接收端只需要简单的均衡，便可以恢复出接收信号。 而且o f d m 系统可以利用并行的正交子系统灵活的分配终端功率和传输速率。 l t e 是3 g 的长期演进，采用o f d m 和m i m o 作为其无线网络演进的核心技 术。利用2 0 m h z 频谱带宽提供下行1 0 0 m b p s 与上行5 0 m b p s 的峰值速率，并且改 善了小区边缘用户的性能，提高服务小区的容量和降低系统传输延迟。 2 1 1 正交频分复用技术原理 鸟妊 鱼习卿 书并+罂 并串 啦 复嘤 图2 - 1o f d m 系统基本实现框图 o f d m 技术的系统原理图如图2 - 1 所示。o f d m 发射端将高速的数据流 噍) 经 串并转换为n 个子数据流，然后每个子流调制到对应的子载波频率z 上，最后所 山东大学硕士学位论文 有子载波相复合形成复合信号s ( f ) ，经过射频调制发送到信道中。接收端对接收到 每个子载波数据进行解调。在解调第j 个子载波时，先从子载波z 上解调出信号， 然后在时间长度乙胁积分，就可以恢复出第j 个子载波上的期望符号，最后经过并 串变换和解码后估计出发送信号 吨 。o f d m 是一种频分复用的多载波调制方式， 在一个o f d m 符号中，包含了多个并行的数据符号( 这些符号在发送端经过q p s k 或q a m 数字调制) ，o f d m 经过调制将这些基带传输的数据符号映射到各个子载 波上。 一个符号周期内的o f d m 符号四1 可表示为公式s ( f ) 和可表示为 ，一l一1一l s ( f ) = d i g ，( t 一乙删。) = d j e 口g ( f l ) = s ，t ) ( 2 1 ) 这里n 表示子载波数目，4 表示分配的已调数据符号，g ( t ) 表示矩形脉冲函 数，娩表示o f d m 符号周期，z 表示第i 个子载波频率， s j ( t ) = d t g i ( t - t o 。, 。如= d t e j 2 x f d g ( f _ 。把) 表示第i 个子载波上发送信号。 通过利用o f d m 信号的正交子载波( 如图2 - 2 所示) ，在终端我们可以通过下式 恢复出第j 个子载波上的期望符号d ，。 1 2 会，2i 1 鸭t s + t s y m b l e - j 2 石f j ( t - t , ) 木荟n - i 即伽肌- ，切 = 亡r 拓毗训”，1 ) 址d p 2 一 一 图2 - 2o f d m 正交子载波信号频谱图 山东大学硕士学位论文 2 1 2 正交频分复用的优缺点 在o f d m 系统中，通过采用离散f o u r i e r 反变换i d f t 和离散f o u r i e r 变换d f t 可以在各个子信道上分别实现的正交调制和解调，在子载波数很大的系统中，可 以通过采用快速f o u r i e r 反变换( i f f t ) 和快速f o u r i e r 变换( f f t ) 予以实现1 1 2 l ， 随着d s p 技术和大规模集成电路技术的发展，实现i f f t 和f f t 变得非常容易， o f d m 技术也因此在现实中的得到了应用，众多商用化网络采用其作为传输技术， 在l t e 网络中更是和m i m o 技术联合成为其核心技术。 2 121 正交频分复用技术的优点 相比在第二代移动通信系统中使用的频分复用( c d m ) 、时分复用( t d m ) 、 码分复用( c d m ) 而言，o f d m 技术存在如下优点： 1 o f d m 技术仅仅通过插入c p 的方法便可以消除i s i 带来的不利影响【1 3 1 。 2 o f d m 技术可有效的抑制无线多径信道的频率选择性衰落。 3 o f d m 技术可以最大限度的利用频谱资源。在子载波数目较大的情况下， 甚至可以接近2 b a u d h z 的传输效率。 4 通过分配不同数量的子载波，o f d m 技术可以在上行链路和下行链路中不 同的传输速率。 2 1 2 2 正交频分复用缺点 由于o f d m 系统存在多个正交的子载波，而且其输出信号可以看作是多个子 信道信号的叠加，因此与单载波系统相比具有易受频率偏差的影响和较高的峰均 功率比【1 5 i ( p a p r ，p e a k - t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) 。 2 1 3 正交频分复用参数设计 o f d m 技术作为一种无线传输技术，应该首先设计好循环前缀长度、子载 波问隔鲈和系统子载波数札三个重要参数。 1 3 山东大学硕士学位论文 2 1 3 1 循环前缀长度 如前所述，发送端在要发送的信号进行离散f o u r i e r 变换后，加上循环前缀c p ， 目的是为了克服无线多径信道时间弥散引起的i s i 干扰，c p 长度应该大于无线多 径信道的最大时延扩展。但c p 长度也不能过大，过大将导致系统开销增加，系统 容量下降。 一 在典型小区半径的单播系统中，l t e 系统采用长度为4 6 8 7 5 i s 的常规c p ； 在大小区单播和混合载波m b m s ( e v o l v e dm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g m u l t i c a s t s e r v i c e ，e m b m s ) 1 16 1 业务中采用长度为1 6 6 7 t s 扩展c p ；在独立载波m b m s 系 统中，延长为长度3 3 3 3 s 扩展c p 。 综上所述，l t e 下行三种o f d m 符号结构如图2 3 所示。 e 一 4 6 8 7 5 t 击6 7 t s1 6 6 7 z s6 6 7 z s3 3 3 i s1 3 3 珈 扩展c p + 常规符号扩展c p + 独屯载波m b m s 符号 ( 人小区单播或混合载波m b m s )( 独口载波m b m s ) 卜叶。 图2 - 3 下行o f d m 采用的3 种循环前缀结构 2 1 3 2 子载波问隔 在高速移动环境中，大于1l k h z 子载波问隔多普勒频移便不会造成严重的性能 下降。l t e 最终决定在单播系统中采用频率为1 5 k h z 的子载波间隔，相应的符号 长度为6 6 6 7 t s ，此鲈保证与e u t r a 系统和u