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无线通信系统信道估计技术研究与实现 摘要 移动通信系统应用需求迅速增长，要求在更复杂的通信环境中提 供给更多的用户以更好的通信服务质量，对通信技术的发展提出更高 的要求。正交频分复用( o f d m ) 技术可以有效的抵抗多径衰落，具 有非常高的频带利用率，可以很好的满足通信技术进一步发展的要 求。对o f d m 系统来说，需要进行相干解调，而进行相干解调需要 知道信道的信息，因此信道估计具有重要的意义。 对o f d m 传输系统中的关键技术信道估计技术进行研究。针对 o f d m 传输系统介绍了信道估计技术。信道估计技术分为非盲估计与 盲估计两类，本文主要研究非盲信道估计中的数据辅助信道估计，首 先介绍辅助数据分布需满足的一般原则，之后介绍三种具体的辅助数 据信道估计算法，包括l s 信道估计、变换域信道估计与l m m s e 信 道估计。 从实际应用的角度出发，在w i m a x 标准与l t e 标准单天线系 统中仿真实现l s 信道估计与变换域、线性插值方法。w i m a x 下行 链路仿真实现l s 信道估计与线性插值法，分析权重因子对信道估计 结果的影响；l t e 下行链路中仿真实现在l s 信道估计基础上同时使 用变换域插值与线性插值，以及在l s 估计基础上仅使用线性插值， 比较这两种方式的系统性能差异；l t e 上行链路中分析不同运动速率 条件下l s 信道估计的系统性能差异；比较l t e 上行、下行链路l s 信道估计系统性能差异，并对其原因进行理论分析；对m i m o o f d m 系统辅助数据分布进行分析并证明一种辅助数据取值可达到最佳信 道估计条件。 关键词：o f d ml s 变换域信道估计l m m s el t ew i m a x t h er e s e a r c ha n di m p l e m e n l 嗡t i o no f c h a n n e le s t i m 眙口i o ni nw i r e l e s s t e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n i m p l e m e n t a t i o n ，i ti sr e q u i r e dt h a tt h et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ss u p p l y b e t t e rc o m m u n i c a t i o ns e r v i c eq u a l i t yt om o r ec u s t o m e r se v e ni n c o m p l i c a t e de n v i r o n m e n t t h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t i sh i g h l yr e q u i r e d 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 m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c he f f e c t i v e l yr e s i s t sm u l t i p a t hf a d i n g i n t e r f e r e n c ea n db e i n gw i t hh i g hs p e c t r u me f f i c i e n c y , p e r f e c t l ys a t i s f yt h e r e q u i r e m e n to ft h et e l e c o m m u n i c a t i o nd e v e l o p m e n t t h ec o h e r e n t d e m o d u l a t i o ni su s e di nt h eo f d m s y s t e ma n di nt h i sc a s et h ec h a n n e l i n f o r m a t i o ni sn e e d e ds ot h ec h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u ei so fg r e a t s i g n i f i c a n c e t h ec h a n n e le s t i m a t i o ns c h e m e sa r es t u d i e d t h ec h a n n e le s t i m a t i o n s c h e m e sf o ro f d mb a s e ds y s t e ma r ei n t r o d u c e di nd e t a i l c h a n n e l e s t i m a t i o nt e c h n i q u ef o ro f d mb a s e ds y s t e m sc a nb eg r o u p e di n t ot w o m a i nc a t e g o r i e s ：b l i n da n dn o n b l i n d t h en o n - b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o n w i t ha i d e dd a t ai ss t u d i e d t h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h ea i d e dd a t al o c a t i o n a r ei n t r o d u c e d ，a n dt h r e ek i n d so fc h a n n e le s t i m a t i o ns c h e m e s ，t h el 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 nt e c h n o l o g y , t r a n s f o r md o m a i n t e c h n o l o g ya n dl i n e a rm i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ( l m m s e ) c h a n n e l e s t i m a t i o nt e c h n o l o g y , a r ed e s c r i b e d f r o mt h ep o i n to fv i e wo fp r a c t i c a li m p l e m e n t a t i o n ，t h es i m u l a t i o n o fl st e c h n o l o g y , t r a n s f o r mc h a n n e le s t i m a t i o na n dl i n e a ri n t e r p o l a t i o n t e c h n o l o g ya r eb a s e do nw i m a x a n dl t e s i n g l e - i n p u ts i n g l e - o u t p u t s y s t e m s i nt h ew i m a x d o w n l i n ks y s t e mt h ec o m p a r i s o no fe f f e c to ft h e t w ok i n d so fa i d e dd a t ai ss i m u l a t e d ，a n dt h ew e i g h tf a c t o r se f f e c to nt h e s y s t e mp e r f o r m a n c ei sa n a l y s e d i nt h el t ed o w n l i n ks y s t e mt h ee f f e c to f t h et r a n s f o r me s t i m a t i o nw i t ht h el se s t i m a t i o ns c h e m et ot h es y s t e m p e r f o r m a n c ec o m p a i r e dw i t ht h el i n e a ri n t e r p o l a t i o nw i t hl ss c h e m ei s s i m u l a t e da n da n a l y s e d i nt h el t eu p l i n ks y s t e mt h er e s i s t a n c eo ft h el s e s t i m a t i o ns c h e m ea g a i n s tm o v i n gs p e e di ss i m u l a t e d a n dt h e p e r f o r m a n c ed i f f e r e n c eo ft h el t eu p l i n ka n dd o w n l i n ks y s t e m r e s p e c t i v e l yw i t hl se s t i m a t i o ns c h e m ea n di d e a le s t i m a t i o ns c h e m ei s a n a l y z e db o t hi ns i m u l a t i o nr e s u l ta n di nt h e o r y i nt h ee n dak i n do f a i d e dd a t av a l u ei sp r o v e dt h e o r e t i c a l l yw h i c hc a ns u p p l yt h eb e s t c o n d i t i o nf o rc h a n n e le s t i m a t i o n k e yw o r d s ：o f d ml st r a n s f o r md o m a i ne s t i m a t i o nl m m s e mw i m 峭x 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：整掏日期：迦孟! 至：兰l 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。非保密论 文注释：本学位论文刁滤王保密范围， 本人签名：蚴 导师签名： 适用本授权书。 日期： 日期： 如蛄- 弓纠 北京邮电大学硕士学位论文 无线通信系统信道估计技术研究与实现 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早珀v 匕 在短短几十年内，移动通信已经经历了几次更新换代，由最初的第一代模拟 移动通信系统、第二代数字移动移动通信系统发展到了目前正在商用化的第三代 宽带数字移动通信系统。目前，移动通信正朝着更大系统容量、更高服务质量和 支持更多业务的方向演进，有关未来移动通信系统的研究工作也己经在世界范围 内展开。 1 1 1 移动通信系统的演进 从上世纪八十年代初期开始，移动通信发生了重大的变化并取得迅速的发 展，第一代( 1 g ) 移动通信系统采用模拟信号传输方式，以北美的a m p s 和欧洲的 t a c s 为典型代表，所支持的业务仅限于话音业务。伴随着v l s i 的出现和数字 信号处理技术的发展，第二代( 2 g ) 数字移动通信系统于九十年代初应运而生，实 现了从模拟系统向数字系统的转变，并能提供更高的频谱利用率、除话音业务以 外的多项低速数据传输业务、以及比第一代系统更先进的漫游服务。2 g 系统主 要包括欧洲的g s m 和美国的i s 9 5 。2 g 系统进一步演变，以提供更为先进的数 据业务，如数据率为1 0 0 2 0 0 k b i t s s 基于电路交换或分组交换的数据业务，这些 演变的系统通常被称为2 5 代( 2 5 g ) 系统，它们有h s c s d 、g p r s 、e d g e 、i s 9 5 b 等。目前，2 g 和2 5 g 系统是许多国家的主要移动通信系统。 第三代( 3 g ) 移动通信系统的研究起于1 9 8 5 年，其目的是希望移动通信系统 能和固定网一样提供将话音、图像、数据等业务综合在起的交互式宽带多媒体 业务，并具有高频谱效率、更好的传输质量，支持分组交换业务和非对称传输模 式，实现全球普及和全球无缝漫游。国际电信联盟f i t u ) 于1 9 9 6 年底在 i t u r t g 8 i z 确定了3 g 的名称为i m t - 2 0 0 0 以及其基本框架，这是3 g 系统标准 化的标志【1 】。前期确定的3 g 标准有欧洲提出的基于g s m 的w c d m a 、北美提 出的基于l s 9 5 的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的t d s c d m a 。2 0 0 7 年十月中旬国际 电信联a o t u ) 宣布批准w i m a x 成为i t u 移动无线标准。这意味着w i m a x 成为 3 g 标准中i m t - 2 0 0 0 家族的一名正式成员，与w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 以及我国 北京邮电大学硕上学位论文无线通信系统信道估计技术研究与实现 的t d s c d m a 并列，成为全球第四大3 g 标准。w i m a x 成为3 g 标准家族的一 员之后，w i m a x 标准为全球统一频谱扫清障碍。运营商部署网络将更加方便。 w i m a x 今后也可以全面参与n u 高级4 g 计划。3 g 系统目前正处于大规模商用 化的前期阶段。 随着因特网的发展与普及、全球范围内移动用户数的迅猛增长和移动业务主 体的快速转变，现有移动通信系统的数据传输速度、传输质量和业务范围已经不 能满足人们通信的需求，为高速业务和多媒体业务设计的3 g 系统在通信容量与 质量等方面也与人们的期望尚有很大距离，也有其局限性，如：缺乏全球统一标 准；3 g 所采用的语音交换架构仍承袭了第二代( 2 g ) 的电路交换，而不是纯i p 方 式；由于受到多用户干扰，c d m a 难以达到很高的通信速率等。因此世界各国 在推动3 g 系统产业化的同时，目前己把研究重点转入后三代( b 3 g ) 或称为第四 代( 4 g ) 移动通信系统的先期研究【2 卜【5 】。 目前，致力于b 3 g 技术研发和标准制定的主要组织涵盖了所有制定移动通 信技术标准的国际标准化组织，如u 、3 g p p 、3 g p p 2 、i e e e 等。 i e e e 在2 0 0 6 年1 2 月批准了8 0 2 1 6 m 的立项申请( p a r ) ，此项目将在 i e e e 8 0 2 1 6 e ( 移动w i m a x 技术、l 的基础上开发满足i m t - a d v a n c e d 需求的技术方 案。新成立工作组的目标是形成一个具有竞争性和突破性的无线电接入技术，符 合i m t - a d v a n c e d 中对b 3 g 技术的要求，同时保持与现有移动w l m a x 标准的互 用性。8 0 2 1 6 m 的核心技术为o v d m a ( 正交频分复用多址) 和m i m o ( 多输人多输 出) 技术，传输速率目标为固定状态下达到1 g b i t s ，移动状态下达到1 0 0 m b i t s ， 频谱利用率将达到1 0 b i t s h z ，并将提高广播、多媒体以及v o i p 业务的性能。 3 g p p 从2 0 0 4 年下半年启动了“长期演进”项目，简称l t e 。从时间上看， 该项目计划在2 0 0 7 年年中完成标准的制定工作，在2 0 0 8 年或者2 0 0 9 年将产品 推向市场。该项目在市场的压力下( 主要来自w i m a x 的压力) 进展迅速，在无线 接e 1 方面，已经确定下行采用o f d m a 技术，上行采用s c f d m a 技术。在网络 结构方面，正在考虑采用简化的网络结构，例如将n o d eb 直接接人到分组网络 中，以减少网络层次，降低数据传输时延和呼叫建立时延，满足实时数据业务的 需要。 1 1 2w im a x 标准与l t e 标准 1 1 2 1 w i m a x 与i e e e 8 0 2 1 6 协议族的关系与演进 w i m a x 论坛成立于2 0 0 1 年4 月，最初该组织旨在对基于i e e e8 0 2 1 6 标准 和e t s ih i p e r m a n 标准的宽带无线接入产品进行一致性和互操作性认证，通过 2 北京邮电大学硕上学位论文无线通信系统信道估计技术研究与实现 w i m a x 认证的产品会拥有“w i m a x ( r ) c e r t i f i e d ”标识。随着8 0 2 1 6 e 技术和 规范的进展，该组织的目标也逐步扩展，不仅要建立一整套基于i e e e8 0 2 1 6 标 准和e t s ih i p e r m a n 标准的认证体系，同时还致力于可运营的宽带无线接入系 统的研究、需求的分析、应用模式的探索、市场的拓展等一系列大力促进宽带无 线接入市场发展的工作。通常认为，i e e e8 0 2 1 6 工作组是i e e e 8 0 2 1 6w i m a x 空中接口规范的制定者，而w i m a x 论坛是技术和产业链的推动者。目前w i m a x 几乎成为了i e e e 8 0 2 1 6w i m a x 技术的代名词，其空中接口规范涵盖了i e e e 8 0 2 1 6 d e 标准。 i e e e 8 0 2 1 6 是为制定无线城域网( w i r e l e s sm 州、标准成立的工作组，该工作 组自1 9 9 9 年成立后，主要负责开发工作在2 - 6 6 g h z 频带的无线接入系统空中接 口物理层( p a y ) 和媒质接入控制层( m a c ) 规范，同时还与空中接口协议相关的一 致性测试以及不同无线接入系统之间共存的规范，涉及m m d s 、i n d s 等技术。 它由三个工作小组组成，每个工作小组分别负责不同的方同：i e e e 8 0 2 1 6 1 负责 制定频率为1 0 6 0 g h z 的无线接口标准：i e e e 8 0 2 1 6 2 负责制定宽带无线接入系 统共存方面的标准；i e e e 8 0 2 1 6 3 负责制定频率在2 g h z 1 0 g h z 之间获得频率使 用许可权可应用的无线接口标准。i e e e 8 0 2 1 6 工作组制定的是用户的收发信机 同基站收发信机之间的无线接口，协议标准按照三层体系结构组织的： 物理层：三层结构中的最底层，该层的协议主要是关于频率带宽、调制模式、 纠错技术以及发射机同接收机的同步、数据传输速率和时分复用结构等方面。 数据链路层：在物理层之上，该层上土要规定了为用户提供服务所需的各种 功能。这些功能都包括在介质访问控制层m a c 层中，主要负责将数据组成帧格 式来传输和对用户如何接入到共享的无线介质中进行控制。 汇聚层：在m a c 层之上，该层能根据所提供服务的不同而相应地提供不同 的功能。该层也可以归到数据链路层上。 介绍一下i e e e 8 0 2 1 6 工作组进展的情况以及制定的几个标准。 i e e e 8 0 2 1 6 ：固定宽带无线接入系统空中接口标准，应用于1 0 g h z 6 6 g h z 视距传输，2 0 0 2 年4 月发布。 i e e e 8 0 2 1 6 a ：固定宽带无线接入系统空中接口标准，应用于2 g h z 1 l g h z 非视距传输，2 0 0 3 年4 月发布。 i e e e 8 0 2 1 6 c ：是对i e e e 8 0 2 1 6 的增补文件，是使用1 0 gh z 6 6 g h z 频段 8 0 2 1 6 系统的兼容性标准，2 0 0 2 年4 月发布。 i e e e 8 0 2 1 6 d ：固定宽带无线接入系统空中接口标准( 2 g h z 6 6 g h z ) ，主要是 对8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 a 8 0 2 1 6 c 的修订。2 0 0 4 年6 月在i e e e 8 0 2 委员会获得通过，以 8 0 2 1 6 2 0 0 4 名称发布。8 0 2 1 6 d 可以应用与2 g h z 1 1 g h z ( n l o s ) 传输和l o g 3 北京邮电大学硕士学位论文 无线通信系统信道估计技术研究与实现 h z 6 6 g h z 视距( l o s ) 传输。 i e e e 8 0 2 1 6 e ：支持固定和移动性的宽带无线接入空中接口标准，工作在 2 g h z 6 g h z 适于移动性的许可频段，可支持用户站以车辆速度移动。8 0 2 1 6 e 的 目标是能够向下兼容8 0 2 1 6 d ，因此它的标准化工作基本上是在8 0 2 1 6 d 的基础 上进行的。8 0 2 1 6 e 一般可以支持1 2 0 k m h 的移动速度。8 0 2 1 6 e 目标带宽可以高 达7 0 m b s 。改标准还规定了支持基站或扇区间高层切换的功能。 i e e e 8 0 2 1 6 f ：定义了8 0 2 1 6 系统m a c 层和物理层的管理信息库( m i b ) 以及 相关的管理流程。 i e e e 8 0 2 1 6 9 ：规定标准的8 0 2 1 6 系统管理流程和接口，从而实现8 0 2 1 6 设 备的互操作性和对网络资源、移动性和频谱的有效管理。 下表列出了上述各阶段标准的简要说明。 表1 - 1w i m a x 各阶段标准说明 标准系列类别技术说明状态 i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 1 空中接口最初的空中接口，使用频段为1 0 - - 6 6 g h z ，适 2 0 0 1 年1 2 ( 业务平 用丁l o s 环境月发布 面) i e e e8 0 2 1 6 a 空中接口对i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 1 扩展，使用频段为2 0 0 3 年1 月 ( q v 务平 2 一l l g h z ，适用于n l o s 环境，采用o f d m发布 面1高级调制技术 l e e e8 0 2 1 6 c 空中接口对上作在2 - l l g h z 频段的8 0 2 1 6 协议进行互2 0 0 3 年1 月 ( 业务平 操作定义，统一不同厂家产品的协议接口发布 面) i e e e8 0 2 1 6 空中接口原名称为i e e e8 0 2 1 6 d ，只是对8 0 2 1 6 a 互操2 0 0 4 年1 0 r e v d ( 业务平作性的加强，后来对8 0 2 1 6 和8 0 2 1 6 a 进行 月发布 面)统一合并，现在称为i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 ，是目 前最权威也得到最广泛公认的标准 i e e e8 0 2 1 6 e 空中接口对8 0 2 1 6 与8 0 2 1 6 a 的增强，支持用户站以2 0 0 6 年2 月 ( 业务平车载速度移动，规定了一个系统来结合i 司定发布 面) 和移动宽带无线接入。规定了在基站之问或 扇区之间支持高层切换的功能。适用于 2 - 6 g h z 之间许可带宽的移动业务 i e e e8 0 2 1 6 2 共存对丁作在1 0 6 6 g h z 宽带无线接入系统的共2 0 0 4 年4 月 存进行研究，最初于2 0 0 1 年9 月出版，目前发布 由i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 所代替 i e e e8 0 2 1 6 2 a 共存对8 0 2 1 6 2 进行补充，增加了对2 l l g h z 频 2 0 0 4 年4 月 段的支持，并增加了点对点协议的传输 发布 i e e e8 0 2 1 6 f 空中接口定义i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 同定无线接入系统2 0 0 5 年1 2 ( 管理平 m a c 层和物理层的管理信息库( m i b ) 以及相 月发布 面1关的管理流程 i e e e8 0 2 1 6 9 空中接口为了规定8 0 2 1 6 控制和管理流程以及接口，计划将在 ( 管理平 从而实现设备的互操作性和对网络资源、移2 0 0 7 年发布 面) 动性和频谱的有效管理；主要j 二作用绕控制 平面，管理平面进行 注释：截止到2 0 0 7 年4 月1 0 为止，i e e e 8 0 2 1 6 9 最新草案版本为d r a f t 9 。 4 北京邮电大学硕十学位论文无线通信系统信道估计技术研究与实现 i e e e8 0 2 1 6 d 对2 6 6g h z 频段的空中接口m a c 层和物理层做了详细规 定，定义了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的m a c 层和相对应的多 个物理层。该标准对i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 1 和i e e e8 0 2 1 6 a 进行了整合和修订，但仍 属于固定宽带无线接入规范，是相对比较成熟并且最具实用性的一个标准版本。 i e e e8 0 2 1 6 e 是工作在2 6g h z 频段支持移动性的宽带无线接入空中接口 标准。制订它的目的是为了实现既能提供高速数据业务又使用户具有移动性的宽 带无线接入解决方案。i e e e8 0 2 1 6 e 的目标是能够向下兼容i e e e8 0 2 1 6 d ，因此 i e e e8 0 2 1 6 e 的标准化工作基本上是在i e e e8 0 2 1 6 d 的基础上进行的。在i e e e 8 0 2 1 6 d 固定无线接入标准研制的基础上，为了支持移动特性，i e e e8 0 2 1 6 e 提 出了具有移动特性的系统框架结构，并于2 0 0 4 年9 月通过了草案，但由于种种 原因推迟发布，直到0 6 年1 月底才正式发布。 i e e e8 0 2 1 6 e 在i e e e8 0 2 1 6 d 物理层上的技术改进主要体现在对 o f d m o ) m a 方式的改进。i e e e8 0 2 1 6 do f d m 物理层采用2 5 6 个子载波， o f d m a 物理层采用2 0 4 8 个子载波，信号带宽从1 2 5 , - - 一2 0 m h z 可变。8 0 2 1 6 e 对o f d m a 物理层进行了修改，使其可支持1 2 8 、5 1 2 、1 0 2 4 和2 0 4 8 共4 种不同 的子载波数量，但子载波间隔不变，信号带宽与子载波数量成正比，这种技术称 为可扩展的o f d m a ( s c a l a b l eo f d m a ) 。采用这种技术，系统可以在移动环境中 灵活适应信道带宽的变化。 1 1 2 2w i m a x 物理层关键技术 本节主要依据i e e e8 0 2 1 6 d e 对w i m a x 物理层关键技术进行简单介绍。 1 频段 i e e e8 0 2 1 6 d 的工作频段为2 一l l g h z ，8 0 2 1 6 e 为了确保移动性，工作频段 定义为2 6 g h z w i m a x 正在各个国家寻求较低的频段，根据各个国家频率规划 的不同，w i m a x 已经选定了首先对工作于2 5 g h z 授权频段、3 5 g h z 授权频段、 5 8 g h z 非授权频段这三个频段的8 0 2 1 6 d 设备进行一致性和互操作性测试。 2 双工复用方式 w i m a x 系统可以支持ad d ( 时分双工) 和f d d ( 频分双工) 两种复用技术，在 i e e e8 0 2 1 6 中，还规定了用户站可以采用半双工频分双工( h f d d ) 方式，这样 就降低了终端收发器的要求从而降低了终端成本。 3 载波带宽 i e e e8 0 2 1 6 并未规定具体的载波带宽，系统可以采用从1 2 5 m h z 2 0 m h z 之间的带宽考虑各个国家己有固定无线接入系统的载波带宽划分，i e e e8 0 2 1 6 规定了几个系列：1 2 5 m h z 的倍数、1 7 5 m h z 的倍数。1 2 5 m h z 系列包括： 5 北京邮电人学硕士学位论文无线通信系统信道估计技术研究与实现 1 2 5 2 5 5 1 0 2 0 m h z 等。1 7 5 m h z 系列包括：1 7 5 3 5 7 1 4 m h z 等。对于1 0 6 6 g h z 的固定无线接入系统，还可以采用2 8 m h z 载波带宽，提供更高的接入速率。 4 o f d m 和o f d m a 根据频段的不同分别有不同的物理层技术与之相对应：单载波( s c ) ， o f d m ( 2 5 6 点) 和o f d m a ( 2 0 4 8 点) 。其中，1 0 6 6 g h z 固定无线宽带接入系统主 要采用单载波调制技术，对于2 一l l g h z 频段的系统，主要采用o f d m 和o f d m a 技术。由于o f d m ，o f d m a 具有较高的频谱利用率，而且具有良好的抵抗多径 效应、频率选择性衰弱和窄带干扰上的能力，所以o f d m 和o f d m a 是w i m a x 物理层的核心技术。w l m a x 系统利用了o f d m 技术，使其传输距离接近 3 0 k m 5 0 k m ，当在2 0 m h z 的信道带宽时，能够支持高达1 0 0 m b p s 的共享数据传 输速率。 i e e e 8 0 2 1 6 e 的物理层实现方式与i e e e 8 0 2 1 6 d 基木相同，主要的差别是对 o f d m a 进行了扩展。在8 0 2 1 6 d 中，规定了o f d m a 是2 0 4 8 点，是固定的。 8 0 2 1 6 e 中o f d m a 是可分级，支持2 0 4 8 点、1 0 2 4 点、5 1 2 点和1 2 8 点，这样可 以适应不同地理区域从2 0 m h z 到1 2 5 m h z 的信道带宽差异，这样使移动性成为 了可能。当8 0 2 1 6 e 物理层采用2 5 6 点o f d m 或2 0 4 8 点o f d m a 时，i e e e 8 0 2 1 6 e 向后兼容8 0 2 1 6 d 的物理层。 5 多天线技术 w i m a x 能够提供高于3 b i t s s e c o n d h z 的数据速率，为了增加覆盖范围和系 统的可靠性，i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准支持多天线技术比如a l a m o u t is p a c e t i m e c o d i n g ( 7 s t c ) 自适应天线系统( a a s ) 和m u l t i p l e i n p u tm u l i t p l e - o u t p u t ( m i m o ) 系 统。a l a m o u t is t c 和m i m o 属于同一类技术在发送端不需要知道信道信息，而 a a s 在发送端需要知道信道信息。广义的说，a l a m o u t is t c 使用多根天线发送、 单根天线接收( m i s o ) ，应该也属于m i m o 技术。 使用多天线技术的优势在于：用多天线后增加了信号的相干性，从而获得了 阵列增益；通过利用多径来获得分集增益，当任何一径性能变坏时，就不会影响 系统的性能，在无线衰落信道里，这个可以增加接收信号强度的稳定性从而提高 性能，集增益可以在空间( 天线) 、时域( 时间) 或者频域( 频率) 各个维度上获得； 可以获得共信道干扰消除( c c i r ) ，通过干扰的不同信道响应、从而消除共信道的 干扰信号；另外多天线技术和o f d m 技术结合使用能够大幅度地提高覆盖范围 和容量。 m i m o 技术就是在b s 和s s 端使用多根天线，能够大幅度的增加信道的容 量、覆盖范围和频谱的利用率。m i m o 技术在增加覆盖范围和链路的容量方面具 有很大的应用前景。 6 北京邮电大学硕上学位论文无线通信系统信道估计技术研究与实现 6 自适应调制 i e e e 8 0 2 1 6 支持b p s k 、q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m 多种调制方式。在信道 编码纠错方面，i e e e 8 0 2 1 6 采用了截短的r s 编码和卷积码级连的纠错编码，并 且还支持分组t u r b o 码、卷积t u r b o 码。i e e e8 0 2 1 6 可以根据不同的调制方式 和纠错编码方法组合成多种发送方案，系统可以根据信道状况的好坏以及传输的 需求，选择一个合适的传输方案。比如说，当信道状态差时，可以选择例如q p s k 低阶的调制方式，当信道状况好时，可以选择例如6 4 q a m 高阶的调制方式。自 适应调制给无线传输系统带来了很好的抗衰落性能。 1 1 2 3 l t e 背景及演进 3 g p p 于2 0 0 4 年1 2 月正式成立l t e 研究项目( s t u d yi t e m ) ，明确研究项目 的目标是：发展3 g p p 无线接入技术向着“高数据速率、低延迟和优化分组数据 应用”方向演进。负责l t e 研究项目的工作组为r a n l ( r a d i o a c c e s sn e t w o r k s w g l ) 、r a n 2 、r a n 3 、r a n 4 。 根据计划，研究项目工作于2 0 0 6 年6 月完成新的空中接口技术和接入网结 构的甄选，之后转入到3 g p p 工作项目，开始标准制定，预计2 0 0 7 年6 月完成 标准，2 0 0 9 年实现系统商用。目前进度比预计缓慢，已将时间表退至2 0 0 8 2 0 1 0 年左右。3 g p p 在开展l t e 研究工作的同时，启动了s a e ( s y s t e ma r c h i t e c t u r e e v o l u t i o n ) 研究项目( s t u d yi t e m ) 。该项目由s a 2 ( s e r v i c e s y s t e ma s p e c tw g 2 ) 工作组牵头，r a n 3 配合。l t e 与s a e 联系紧密，共同构建了3 g p p 的系统整体 演进。 1 1 2 4l t e 系统需求 m 项目于2 0 0 5 年6 月t s g r a n # 2 8 的魁北克全会上确定了l t e 需求报告。 系统主要需求指标包括： 峰值速率：上下行各2 0 m h z 带宽条件下，下行峰值速率1 0 0 m b s ，上行峰 值速率5 0 m b s 。 控制面延迟：空闲状态到激活状态的转换时间小于l o o m s ； 控制面容量：5 m h z 带宽下，每小区应至少支持2 0 0 个激活用户； 用户面延迟：系统在单用户、单业务流以及d q p 包条件下，用户面延迟 小于5 m s ： 用户吞吐量：下行用户平均吞吐量3 4 倍于r e l e a s e6h s d p a ；上行用户 7 北京邮电人学硕士学位论文 无线通信系统信道估计技术研究与实现 平均吞吐量2 q 倍于r e l e a s e6h s u p a ； 频谱效率：在有负荷的网络中，下行频谱效率( b i t s e c h z s i t e ) 3 - 4 倍于 r e l e a s e 6h s d p a ；上行频谱效率2 3 倍于r e l e a s e6h s u p a ； 系统覆盖：小区半径5 k m 情况下，系统吞吐量、频谱效率和移动性等指 标负荷需求定义要求，小区半径3 0 k m 情况下，上述指标略有降低；系统能够支 持1 0 0 k m 半径的小区； 演进系统支持在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 和2 0 m h z 带宽部署，支持对称和非对称频谱。 移动性：演进系统需优化在低速( 0 1 5 k m h ) 情况下性能；以较高的性 能支持高移动速率( 1 5 1 2 0 k m h ) ：系统在1 2 0 3 5 0 k m h 的移动速度下可用； 系统共存以及与其他3 g p p 接入技术的互联互通：支持u t r a n 和g e r a n 的演进系统多模终端，支持与u t r a n 和g e r a n 之间的测量和切换； 系统结构：基于分组的、单一的、支持端到端q o s 的系统结构。 无线资源管理需求：增强支持端到端q o s ；支持在不同接入网技术之间 负荷分担和策略管理； 系统复杂度方面：最小化可选项，无冗余的必选项； 降低建网成本，实现从r e l e a s e6 的低成本演进； 实现合理的终端复杂度、成本和耗电； 支持增强的i m s ( i p 多媒体子系统) 和核心网； 追求后向兼容，但应该仔细考虑性能改进和后向兼容之间的平衡； 取消电路交换( c s ) 域，c s 域业务在分组交换( p s ) 域实现，如v o i p 。 1 1 2 。5l t e 系统物理层关键技术 l t e 标准目前确定的物理层关键技术总结如下： i 系统带宽 m 系统载波间隔采用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中( 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。 2 双工复用方式 l t e 支持两种基本的工作模式即频分双工( f d d ) 和时分双工( t d d ) ；支 持两种不同的无线帧结构( 第一类帧结构与第二类帧结构) ，帧长均为1 0 m s 。前 者适用于f d d 、t d d 两种工作模式，后者仅适用于t d d 模式。 3 o f d m a 与s c f d m a 8 北京邮电大学硕士学位论文无线通信系统信道估计技术研究与实现 基本传输方式采用下行正交频分多址( o f d m a ) ，上行单载波频分多址 ( s c f d m a ) 的方式。o f d m 传输方式中的c p ( 循环前缀) 主要用于有效地消 除符号间干扰，其长度决定了o f d m 系统的抗多径能力和覆盖能力。为了达到 小区半径1 0 0 k m 的覆盖要求，l t e 系统采用长短两套循环前缀方案，根据具体 场景进行选择：短c p 方案为基本选项，长c p 方案用于支持l t e 大范围小区覆 盖和多小区广播业务。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。 4 物理层过程 下行物理信号在传送之前需要经过加扰、调制、层映射、预编码、资源块分 配、o f d m 信号产生等处理。上行物理信号在传送之前需要经过加扰、调制、 预编码、资源块分配、s c f d m a 信号产生等处理。其中层映射和预编码都与 m i m o 技术有关。 5 信道编码与调制方式与 信道编码使用r 6 的t u r b o 编码，引入了t a i lb i t i n g 卷积码。l t e 下行主要 采用q p s k 、1 6 q 气m 、6 4 q a m 三种调制方式，上行主要采用b p s k 、q p s k 、8 p s k 和1 6 删。 6 多天线技术 l t e 引入了m i m o 技术，它通过在发射端和接收端同时配置多个天线，可以 大幅度地提高信道的容量。l t e 的基本m i m o 模型是下行2 2 、上行1 2 个天 线，但同时也正在考虑更多的天线配置( 最多4 4 ) 。l t e 在上行还采用了虚拟 m i m o 以增大容量，技术还包括空间复用、空分多址、预编码、秩自适应、以及 开环发射分集等。确定使用预编码作为m i m o 技术之一。 1 1 3 信道估计技术研究现状 1 1