（通信与信息系统专业论文）lte下行链路关键技术的研究与实现.pdf

摘要 摘要 l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 是3 g p p 长期演进项目，兼容目前的3 g 通信系 统并对3 g 演进。它具有高传输速率、高传输质量和高移动性的特性。在复杂的 移动信道环境中，为了达到这些特性，信道估计是不可缺少的一环。而多入多出 ( m i m o ) 技术能够突破无线频率资源限制，大幅度地提高无线通信系统的 频偏效率，也被作为l t e 的一项核心技术来提高系统传输率。 论文首先介绍l t e 系统物理层的基本概念，对l t e 下行基带处理流程各模块 进行了深入研究。其次，研究了l t e 下行基于导频的信道估计技术，详细分析了 l s 信道估计算法、m m s e 信道估计算法、二维线性内插算法和高斯内插算法。 然后，研究了l t e 下行链路早的m i m o 发射分集技术，对m r c 接收分集技术和 s f t d 发射分集技术进行了深入研究和系统仿真。最后，结合考虑仿真结果和硬 件实现复杂度，给出l t e 下行链路发射端与接收端基带处理的实现方案、l t e 下 行链路信道估计器的实现方案以及l t e 下行链路解m i m o 实现方案，并在d s p 硬件开发平台上进行了实现。 关键词：长期演进正交频分复用信道估计多入多出 a b s t r a c t t h el t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) s c h e m ew a sp r o p o s e db y3 g p p ，w h i c hi s c o m p a t i b l ew i t hc u r r e n t3 gt e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m c h a n n e l e s t i m a t i o n p l a y saq u i t ei m p o r t a n tr o l e i nt h el t es y s t e mw h i c hr e q u i r e sh i g hd a t ar a t e ， h i g hq u a l i t ya n dh i g hm o b i l i t y b e s i d e s ，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 ( m i m o ) t e c h n o l o g yc a nb r e a k t h r o u g ht h ec o n s t r a i n to fl i m i t e dr a d i of r e q u e n c yr e s o u r c e a n ds i g n i f i c a n t l yi n c r e a s et h es p e c t r a le f f i c i e n c yo fw i r e l e s ss y s t e m s h e n c e ， m i m oi sa l s oa d o p t e db y3 g p pa sa ni m p o r t a n tm e t h o dt oe n h a n c et h eo v e r a l l t r a n s m is s i o nr a t e a l lo fa b o v ek e yt e c h n o l o g i e sf o rl t ed o w n l i n ka r ei n v e s t i g a t e di n t h i s t h e s i s f i r s t l y ，t h e b a s i ck n o w l e d g eo fp h y s i c a ll a y e ri n l t es y s t e mi s i n t r o d u c e d w em a i n l yi n v e s t i g a t e t h eb a s e b a n dp r o c e s s ，i n c l u d i n gc y c l i c r e d u n d a n c yc h e c k ，t a i lb i t i n gc o n v o l u t i o n a lc o d i n g ，s c r a m b l i n g ，r a t em a t c h i n g ， m o d u l a t i o n ，l a y e rm a p p i n ga n dp r e c o d i n g t h e n ，al t ed o w n l i n k b a s e b a n d p r o c e s si m p l e m e n t a t i o ns c h e m ei sp r o p o s e d ，w h i c hi sr e a l i z e do nd s p p l a t f o r m s e c o n d l y ，w es t u d yt h el t ed o w n l i n kc h a n n e le s t i m a t i o n a n di n t e r p o l a t i o n t e c h n o l o g y ，a n dt h e na n a l y z e t h el sc h a n n e le s t i m a t i o n ，m m s ec h a n n e l e s t i m a t i o na l g o r i t h m ，t w o d i m e n s i o n a ll i n e a ri n t e r p o l a t i o n ，a sw e l la sg a u s s i a n i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m c o n s i d e r i n gt h es i m u l a t i o nc o n c l u s i o na n d t h ec o m p l e x i t yo f h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n ，as c h e m ef o rd e s i g n i n gt h el t e d o w n l i n kc h a n n e le s t i m a t o r i sp r e s e n t e d ，w h i c hi sa l s oi m p l e m e n t e do nd s pp l a t f o r m f i n a l l y , t h el t ed o w n l i n k m i m ot r a n s m i td i v e r s i t yt e c h n i q u e si sr e s e a r c h e d w ei n v e s t i g a t et h em r c r e c e i v e d i v e r s i t yt e c h n i q u ea n ds f t dt r a n s m i td i v e r s i t yt e c h n i q u e ，a n dt h e ns i m u l a t et h e mi n t h em a t l a bp l a t f o r m a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nc o n c l u s i o n ，as c h e m ef o rl t em i m o t r a n s m i td i v e r s i t yi nd o w n l i n ki sp u tf o r w a r d ，w h i c hi sa l s oi m p l e m e n t e do nt h ed s p p l a t f o r m k e y w o r d ：l t e o f d mc h a n n e le s t i m a t em i m o 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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；也不包含为获得西安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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：曼! 垄k同期孥：塑 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布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署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名：三垫塾 导师签名：多馋当 f tg q 掣：兰：墅 r 期秒哆：至：全 第一章绪论 第一章绪论 当今社会已经进入了一个信息化的社会，没有信息的传递和交流，人们就无 法适应现代化的快节奏生活和工作。目前，移动通信已经从模拟通信发展到了数 字通信阶段，从窄带通信发展到了宽带通信，并且j 下朝着个人通信这一更高阶段 发展。人们期望随时随地、及时可靠、不受时空限制地进行信息交流，提高工作 效率和经济效益。 1 1 移动通信的发展 移动通信综合利用了有线、无线的传输方式，为人们提供了一种快速便捷的 通讯手段。由于电子技术，尤其是半导体、集成电路及计算机技术的发展，以及 市场的推动，使物美价廉、轻便可靠、性能优越的移动通信设备成为可能。现代 移动通信发展至今，主要走过了三代，而后三代正处于紧张的研制阶段。 纵观移动通信的发展史，第一代通信系统是模拟制式的蜂窝移动通信系统， 时间是二十世纪七十年代中期至八十年代中期，仅提供语音服务，不能传输数据； 第二代通信系统是数字通信系统，时间是从八十年代中期丌始，数据传输速率也 只有9 6 k b i t s ，最高可达3 2 k b i t s ；第三代移动通信系统最早由国际电信联盟( i t u ) 于1 9 8 5 年提出，该系统工作在2 0 0 0 m h z 频段，最高业务速率可达2 m b i t s 。虽然 第三代移动通信系统可以提供很高的传输速率，但是为了满足未来十年对于移动 通信的技术要求，同时适应新技术和移动通信理念的变革，3 g p p ( t h i r dg e n e r a t i o n p a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 启动了关于3 g 演进系统l t e ( l o n g t e r me v o l u t i o n ) 的研究 与标准化工作，作为后三代( b 3 g ) 移动通信系统。 1 2l t e 简介 l t e 项引1 1 是3 g 的演进，它改进并增强了3 g 的空中接入技术，采用o f d m 技术和m i m o 技术作为其无线网络演进的唯一标准。在2 0 m h z 频谱带宽下能够 提供下行1 0 0 m b i t s 与上行5 0 m b i t s 的峰值速率。下面将对l t e 的工作计划、主 要技术特征、网络结构、协议架构以及l t e 的核心技术进行简要的介绍。 1 2 1l t e 的工作计划 3 g p p 对l t e 项e 1 的工作大体分为两个时间段【2 】：s i ( s t u d yi t e m ) 阶段和 l t e 下行链路关键技术的研究与实现 w i ( w o r ki t e m ) 阶段。2 0 0 5 年3 月到2 0 0 6 年6 月为s i 阶段，完成3 g p pl t e 的 可行性研究报告。2 0 0 6 年6 月到2 0 0 7 年6 月为w i 阶段，完成核心技术的规范 工作。在2 0 0 7 年中期完成l t e 相关标准制定( 3 g p pr 7 ) ，预计在2 0 0 8 年或2 0 0 9 年推出商用产品。就目前的进展来看，发展比计划有所滞后，但经过3 g p p 组织 的努力，l t e 的系统框架大部分已经完成。 1 2 2l t e 的主要技术特征 3 g p p 从“系统性能要求”、“网络的部署场景”、“网络架构”、“业务支持能力” 等方面对l t e 进行了详细的描述。与3 g 相比，l t e 具有高数据速率、分组传送、 延迟降低、广域覆盖和向下兼容等技术优势，具体技术特征【3 】 4 如下： 1 通信速率有了提高，下行峰值速率可达l o o m b p s 、上行可达5 0 m b p s 。 2 提高了频谱效率，下行链路5 ( b i t s ) h z ( 3 - 4 倍于r 6h s d p a ) ；上行链路 2 5 ( b i t s ) h z ( 2 3 倍于r 6h s u p a ) 。 3 以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上将基于分组交换。 4 q o s 保证，通过系统设计和严格的q o s 机制，保证实时业务的服务 质量。 5 系统部署灵活，能够支持1 2 5 m h z 2 0 m h z 间的多种系统带宽，并支 持“p a i r e d ”和“u n p a i r e d ”的频谱分配。保证了将来在系统部署上的灵 活性。 6 降低无线网络时延：子帧长度l m s ，解决了向下兼容的问题并降低 了网络时延，时延可满足用户面u p l a n 5 m s 、控制面c p l a n 1 0 0 m s 。 7 增加了小区边界比特速率，在保持目前基站位置不变的情况下增加 小区边界比特速率。如m b m s ( 多媒体广播和组播业务) 在小区边界 可提供l b i t s h z 的数据速率。 8 强调向下兼容，支持已有的3 g 系统和非3 g p p 规范系统的协同运作。 在l t e 中，还规范了一些其他的要求，如与配置相关的要求、e u t r a n 架构和移植要求、无线资源管理要求、复杂性要求、成本相关要求以及业务 相关要求等。 1 2 3l t e 的网络结构 l t e 采用由n o d e b 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要求。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 第一章绪论 的整个体系架构作了革命性的变革，逐步趋近于典型的i p 宽带网结构。 3 g p p 初步确定l t e 的架构如图1 1 所示，也叫演进型u t r a n 结构 ( e u t r a n ) i 引。 m m e ，s g ；w j - ， ，i ， ， ， 器 enb 图1 1l t e 总体架构 接入网主要由演进型n o d e b ( e n b ) 和m m e s g w ( m o b i l i t ym a n a g e m e n t e n t i t y s e r v i n gg a t e w a y ) 两部分构成。e n b 和e n b 之间由x 2 接e 1 连接，e n b 与m m s s g w 之间通过s 1 连接。e n b 不仅具有原来n o d e b 的功能外，还 能完成原来r n c 的大部分功能，包括物理层、m a c 层、r r c 、调度、接入 控制、承载控制和接入移动性管理等。 1 2 4l t e 的协议架构 l t e 无线接口包括层一( l a y e r1 ) ，层二( l a y e r2 ) 和层三( l a y e r3 ) ，层一 就是物理层，主要由3 g p pt s3 6 2 0 0 系列协议描述，层二和层三由3 g p pt s3 6 。3 0 0 系列协议描述。它们之间的关系【5 1 如图1 2 所示。 l a y e r 3 e l a y e r2 垩 o o u l a y e r1 图1 2 物理层相关无线接口协议架构 l o g i c a lc h a n n e l s t r a n s p o r tc h a n n e l s l t e 下行链路关键技术的研究与实现 图1 2 描述了e u t r a 物理层相关无线接口协议架构，物理层接入到层二的 m a c ( m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 子层和层三的r r c ( r a d i or e s o u r c ec o n t r 0 1 ) 层。 图中不同层子层之间的圆圈是s a p s ( s e r v i c ea c c e s sp o i n t s ) 。物理层给m a c 层 提供传输信道，m a c 层提供不同的逻辑信道给层二的r l c ( r a d i ol i n kc o n t r 0 1 ) 子层。 1 2 5l t e 的核心技术 l t e 主要用到两个核心技术，一是o f d m 技术，另一个是m i m o 技术。 o f d m 6 j 是一种特殊的多载波调制技术，它利用载波间的币交性进一步提高 频谱利用率，且可以抗窄带干扰和多径衰落。o f d m 的基本思想就是将串行的数 据并行地调制在多个正交的子载波上，这样可降低每个子载波的码元速率，增大 码元的符号周期，提高系统的抗衰落和干扰的能力，同时由于每个子载波的正交 性，频谱的利用率大大提高。目前，o f d m 技术都可以通过f f t 技术实现，所以 系统实现结构简单。但是o f d m 技术也存在一定的缺陷，首先对频率偏移敏感， 对同步技术的要求较高，其次，o f d m 信号的峰均比大，对系统中的非线性敏感。 3 g p p 组织决定对l t e 系统物理层下行传输方案采用先进成熟的 o f d m a 5 j 技术，对于上行传输考虑到o f d m 较高的峰均比会增加终端的功 放成本和功率消耗，限制终端的使用时问，决定采用峰均比比较低的单载波 方案s c f d m a 7 1 技术。 o f d m 技术是l t e 系统的技术基础与主要特点，o f d m 系统参数设定 对整个系统的性能会产生决定性的影响，其中载波间隔又是o f d m 系统的 基本参数，目前，3 g p p 给出了两种载波间隔，分为为l5 k h z 和7 5 k h z 。当 传输信道中出现多径传播时，接收子载波间的f 交性就会被破坏，使得每个 子载波上的前后传输符号间以及各个子载波间发生相互干扰。为了解决这个 问题，在每个o f d m 符号前插入保护间隔，即循坏前缀，它是由o f d m 符 号进行周期扩展得到的。循环前缀c p 8 】( c y c l i cp r e f i x ) 的长度决定了o f d m 系统的抗多径衰落能力和覆盖能力。长c p 利于克服多径干扰，支持大范围 覆盖，但是系统的丌销也会相应增加，导致数据传输能力下降。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，也即是 普通c p 和增强型c p 两种方案。根据具体场景进行选择c p ，一般普通c p 方案为基本选择，增强型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。 m i m o 作为提高系统传输率的最主要手段，也被3 g p p 采用为l t e 的一 项核心技术。l y e 已确定可采用的天线数为1 ，2 或4 ，m i m o 的天线个数 第一章绪论 基本配置为2 2 ，4 4 高阶天线配置正在考虑中。下行方向m i m o 的方案较 多，根据2 0 0 6 年3 月雅典会议报告，l t em i m o 下行方案可分为两大类： 发射分集和空间复用两类。目前，考虑采用的发射分级【9 j 方案包括基于码块 的发射分集( s t b c 、s f b c ) ，时间频率转换发射分集【j 【l1 】( t s t d 、f s t d ) ， 循环延迟分集( c d d ) ，循坏移位分集( c s d ) ，基于预编码向量选择的预 编码技术，其中预编码技术己被确定为多用户m i m o 的传输方式。 l t e 系统按照双工方式可以分为两种：f d d 和t d d 。l t e 上行主要关注的 首要问题是峰均比的问题，目i j 主要考虑采用位移b p s k 和频域滤波两种方案进 一步降低上行s c f d m a 的峰均比。l t e 下行链路要求传输速率可达1 0 0 m b p s ， 故高峰值传输速率是l t e 下行链路需要解决的主要问题。为了实现该目标，在3 g 原有的q p s k 、1 6 q a m 的基础上，l t e 系统新增加了6 4 q a m 高阶调制。l t e 的 信道编码主要有两种，一种是采用t u r b o 信道编码，t u r b o 编码在f p g a 中较容 易实现，另一种采用咬尾卷积编码，实现也较简单。 1 3 论文研究内容及组织结构 在研究生期间，我跟踪学习了3 g p p 协议和会议确立的l t e 新技术，对l t e 物理层进行了深入学习和研究。物理层在o s i 参考模型中处于最底层，主要完成 基带处理过程，提供物理介质中比特流传输所需要的所有功能。涉及很多重要算 法，具有重要研究意义。 论文具体工作内容如下： 第一、学习和研究l t e 物理层相关知识，掌握l t e 物理层基本概念，理解 l t e 下行链路基带处理流程中各模块( c r c 、咬尾卷积编码、加扰、速率匹配、 调制以及层映射和预编码等) 的算法内容。 第二、学习和研究l t e 下行链路接收中的关键技术：信道估计技术和m i m o 分集技术。对l t e 下行链路中基于导频的信道估计技术进行深入研究，理解l s 算法、m m s e 算法以及线性内插、高斯内插等信道估计算法，并进行算法仿真。 对l t e 下行m i m o 分集技术里的m r c 接收和s f t d 分集技术进行深入研究，并 在m a t l a b 中仿真。 第三、通过对l t e 物理层基础知识和各算法的理论研究及算法仿真后，得到 硬件实现的理论依据，然后给出l e t 下行链路发射端和接收端的实现方案，对 l t e 下行链路关键技术信道估计和m i m o 分集也给出实现方案，最后在d s p 硬 件中实现。 根据论文要研究的工作内容，本文将以l t e 下行控制信道为例对l t e 下行链 路的基带处理过程和关键技术进行研究与实现，具体组织结构如下： 6 l t e 下行链路关键技术的研究与实现 第一章作为绪论介绍了移动通信的发展、l t e 的由来、技术特征、网络结构、 协议架构以及l t e 的核心技术，最后给出了本文研究的方向。 第二章首先介绍了无线信道的信道特性；然后介绍了l t e 物理层的基本概念， 如l t e 系统的帧结构、l t e 下行时隙结构以及物理资源的分配等；最后介绍了l t e 下行链路基带处理过程，以下行控制信道p d c c h 为例，对下行链路基带处理的 各模块做了简要介绍。 第三章主要研究了l t e 系统基于导频的信道估计器，介绍了l t e 下行导频的 产生与插入，研究了基于导频的信道估计器的相关算法：l s 算法、m m s e 算法、 以及各种常用内插算法( 线性内插、高斯内插和维纳滤波内插) ，并对各算法进行 了仿真和性能分析。 第四章主要研究了l t e 下行链路的m i m o 分集技术，介绍了发射分集和接 收分集罩的几种常用算法，如m r c 分集接收和s f t d 分集发射技术，给出了l t e 下行控制信道解s f t d 分集的算法，并对m r c 接收和解s f t d 接收进行了仿真 和性能分析。 第五章首先介绍了l t e 系统基带处理的硬件丌发平台；然后给出了l t e 下行 链路发射端基带处理实现方案，并且以下行控制信道的基带处理为例给出实现结 果；同时给出了l t e 下行链路接收端基带处理实现方案；给出了基于导频的信道 估计器的设计方案，并且提出一种低复杂度易实现的信道估计方案，对该方案进 行了算法仿真验证并实现；同样，针对不同的发射天线数给出了单发多收和多发 多收的解m i m o 分集方案，给出实现结果。 第六章总结全文内容，提出本课题有待于进一步深入研究的问题，并展望该 领域的研究发展趋势。 第二章无线信道特性及l t e 物理层概述 第二章无线信道特性及l t e 物理层概述 2 1 无线信道的特性简介 移动信道【1 2 j 是一种时变信道。在无线通信中，发射信号在传播过程中往往会 受到环境中的各个物体所引起的遮挡、吸收、反射和衍射的影响，形成多条路径 信号分量到达接收机。不同路径的信号量具有不同的传播时延、相位和振幅，并 附加有信道噪声，它们的叠加会使复合信号相互抵消或增强，导致严重的衰落。 一般来说，这些衰落可归纳为三类。一类是自由空间传播损耗与弥撒：大尺度衰 落；一类是阴影衰落：中尺度衰落，是由于传播坏境中的地形起伏，建筑物及其 他障碍物对电波遮蔽所引起的衰落；另一类就是多径衰落：小尺度衰落，是由于 移动传播环境的多径传输而引起的衰落。多径衰落是移动信道特性中最具特色的 部分。 从无线系统工程的角度看，传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区的覆盖。 合理的设计总是可以消除这些不利因素的。而多径衰落则严重影响信号传输质量， 并且是不可避免的，只能采用抗衰落技术来减少其影响。下面介绍影响多径衰落 的几个移动信道参数。 假设发送信号为一理想脉冲信号，即 s ( t ) = 万( ，)式( 2 - 1 ) 经过信道中多条路径传输，不考虑加性噪声，在接收端得到的信号为 一1 ，( ，) = p , 6 ( t - r , ) 式( 2 2 ) t = o 式中n 为第f 径的复衰减因子，f 为第f 径的时延，上表示多径数目。 l 、时延扩展 由式( 2 2 ) 可知：单一脉冲经过信道传输后可以收到多个脉冲，且脉冲个数 及每个脉冲的衰落和时延都不相同，这种由于多径传播引起接收信号脉冲宽度扩 展的现象，称之为时延扩展。最大时延扩展。是第一个到达接收天线的信号分 量与最后到达的信号分量之间的时间差。 从时域上观察，由于时延扩展，接收信号中一个符号的波形会扩展到其他符 号中去，造成符号间干扰( i s i ) ，为此要求符号宽度要远大于积，因此蚴是多 径信道的一个重要参数。 2 、相干带宽 l t e 下行链路关键技术的研究与实现 与时域参数k 。相对应，相干带宽e 是频域上与时延扩展相干的重要参数， 是表征多径信道特性的一个重要参数，是多径信道具有恒定的增益和线性相位的 带宽范围，也就是说在某一特定的频率范围内的任意两个频率分量都具有很强的 幅度相关特性。在实际工程应用中可以用最大时延扩展的倒数来表示，即 e = l r 。 从频域上看，如果相干带宽小于发送信号的带宽，则该信道特性会导致接收 信号波形产生频率选择性衰落【1 3 _ | 1 3 ，即某些频率成分信号的幅值得到加强，而另外 一些频率成分的信号的复值却衰减。在这种情况下，信道的冲击响应具有多径时 延扩展，其值大于发送信号波形带宽的倒数。此时，接收信号中包含经历了不同 衰减和时延的多径波形的叠加，因而，产生接收信号的失真。频率选择性衰落引 起数字信号传输出现i s i 。反之，如果多径信道的相干带宽大于发送信号的相干带 宽，则接收信号经历平坦性衰落过程。因此8 ，是频域上表征信道频率选择性的重 要概念。 3 、多普勒频移 当无线电发射机与接收机作相对运动时，接收信号的频率将会发生偏移。当 两者作相向运动时，接收信号的频率将高于发射频率；当两者作反向运动时，接 收信号的频率将低于发射频率，这种现象称为多普勒效应。对于电磁波而言，因 为多普勒效应造成的频率偏移取决于两者相对运动的速度，可将这种频率偏移写 为【1 4 】 1 ， 六= f o 二c o s式( 2 - 3 ) c 其中f ，为接收端检测到的发射机频率的变化量，厶是发射机的载频，v 是发射机 之间的相对速度，p 为移动方向与电波入射方向的夹角，c 为光速。 多普勒扩展1 1 5 】描述了无线信道的时变性所引起的接收信号的频谱展宽程度。 当发射机在无限信道上发送一个频率为厶的单频f 弦波时，由于前述的多普勒效 应，接收信号的频谱被展宽，将包含频率为五一以五+ 厶的频谱分量，这一频 谱称为多普勒频谱。接收信号的多普勒频谱上不等于o 的频率范围定义为多普勒 扩展，用e ，来表示。如果所传送的基带信号的带宽e 远大于e ，则接收机中多 普勒影响可以忽略，该信道称为慢衰落信道；反之，信道为快衰落信道。 4 、相干时间 多普勒频移是频域上表征信道时变特性的重要参数，而从时域角度分析，与 多普勒频移相干的是信道相干时间z 。它在时域上描述信道的频率色散的时变特 性。相干时问与多普勒频移成反比z = i l l ，它是信道冲击响应维持不变的时间 间隔的统计平均值，在此间隔内到达的两个信号之间具有很强的幅度相干性。 概括而言，由于衰落信道的影响，信号在时域发生多径时延扩展( 时间色散) ， 第二章无线信道特性及l t e 物理层概述 在频域产生多普勒频移( 频率色散) ；信道参数和信号参数共同决定信号可能经历四 种不同类型的衰落【1 2 1 。故我们在研究各种无线通信系统时要考虑各种衰落带来的 影响。 2 2 1l t e 系统帧结构 2 2l t e 物理层基本概念 l t e 系统的帧结构【16 】有两种类型，分别是帧结构类型1 和帧结构类型2 。 1 帧结构类型1 该类型帧结构对于f d d 和t d d 类型都适用，它的结构图如图2 1 所示： 图2 1 l t e 帧结构类璎l 帧结构类型1 的1 个无线帧( 记1 f m = 1 0 m s ) 包含2 0 个时隙( 1 s l o t = 0 5 m s ) ， 从第0 时隙丌始连续两个时隙构成l 子帧。 基本时间单位r s = i 0 5 0 0 0 2 0 4 8 ) = l 3 0 7 2 m h z 3 2 5 5 ( n s ) ，式中2 0 4 8 和 3 0 7 2 m h z 为2 0 m h z 时f f t 采样数和采样频率，1 5 0 0 0 为子载波带宽。 2 帧结构类型2 该类型仅适用于t d d 方式，一个无线帧为1 0 m s 由1 0 个子帧构成，与帧结 构类型1 不同的是帧结构类型2 的子帧l 和子帧6 不象其它子帧由2 个s l o t 组成， 而是由d w p t s 、g p 和u p p t s3 个特殊区域组成，d w p t s 、g p 和u p p t s 总长为 l m s 。帧结构类型2 的结构图如图2 2 所示： 0 n er a d i o 嘶n = 3 0 7 2 0 0 1 , = 1 0 m s t j , , = a 5 3 6 0 1 0 j 规 图2 2l t e 帧结构类型2 1 0 l t e 下行链路关键技术的研究与实现 本文中，主要研究的是采用f d d 方式的l t e 下行链路，所以选用图2 1 所示 的帧结构类型1 。 2 2 2l t e 下行时隙结构和物理资源 l t e 系统中的物理资源 1 6 l 均被分配到物理资源网格中传输，也就是说在每个 s l o t 中传输的信号由一个资源网格描述。一个资源网格是由甚个下行物理资源 块( p h y s i c a lr e s o u r c eb l o c k ，记为r b ) 组成，而每个r b 又由畦b 峨b 个资源元 素( r e s o u r c ee l e m e n t ，记为r e ) 构成。r e 是资源网的基本单位，一个资源网包 含n 。d 。l7 v 。r b = b 个资源元。在一个s l o t 中资源元素由索引对( 后，) 唯一定义，其中 七= o ，n d 。lm 。r b 一1 ，= o ，：b 1 分别为频域和时域的索引。l t e 下行资源网格图 具体如图2 3 所示。 o n ed o w n l i n ks l o t 瓦m _ 纶 2 t 8 号 们 g 翁 乏 若复 乏 芒 竺 t 矗 j 凸 j 世! 乏 s ：bo f d ms y m b o l s ，= j v s d y l n l b - i 图2 3 下行资源网格 e l e m e n t 以d 第二章无线信道特性及l t e 物理层概述 由图可知，一个资源网格由频域索引坐标上器聪b 个子载波和时域索引坐 标上= 。个o f d m 符号交错分割而成。其中，器是r b 个数，它由下行传输 带宽决定。腱b 为每r b 分配的子载波个数，它的大小由子载波间隔厂决定，其 值为艇b = ( r b 物理带宽) a f 。而系统给每r b 分配的物理带宽为1 8 0 k h z ，则当 子载波i 日j 隔厂为1 5 足舷时，笋= l8 0 k h z 1 5 k h z = 1 2 。而州d l 。为下行1 个子载 波每时隙发送的o f d m 符号数，该数由循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 的类型决 定，循环前缀有两种类型，种是普通c p 类型，另一种是增强c p 类型。物理资 源块参数与c p 长度的关系如表2 1 所示。 表2 1物理资源块参数与c pk 度关系表 f r a m es t r u c t u r et y p e1 c o n f i g ur a t i o n 畦b c y c l i cp r e f i xl e n g t h 蝶d m l b n 一l 1 6 0f o r ，= 0 n o r m a lc pn = 1 5k h z 7 1 2 1 4 4f o rz = 1 , 2 ，6 a f = 1 5 k h z 6 5 1 2f o r ，= 0 9 1 96 * * 9 5 e x t e n d e dc p a f = 7 5k h z 2 4 1 0 2 4f o r ，= 0 , 1 2 3 表中，为l 时隙内o f d m 符号索引；矽为子载波间隔，a f = 7 5 k h z 主要 是针对广播多播业务( m b m s ) 。 2 2 3 资源元素组 物理资源元素组【1 6 j ( r e s o u r c e e l e m e n tg r o u p s ，记为r e g ) 是用来定义控制 信道到资源元素的映射的。一组资源元素中的资源( 忌，) 由c e l l s p e c i f i c 导频决定。 假设资源元素组用索引对( 七7 ，7 ) 表示，令= 拧，髓心b ，0 门，髓 碍。则 r e g 有如下定义： 1 对于每个子帧的第0 个时隙的第0 个o f d m 符号，一个物理r b 上有两 组资源元素组，分别包括资源元素( 七，z = 0 ) ，其中k = + o ，+ 1 ，+ 5 和k = k o4 - 6 ，k o4 - 7 ，七04 - 1 1 ； 2 对于每个子帧的第0 个时隙的第1 个o f d m 符号，如果是单天线或者两 天线的c e l l s p e c i f i c 导频符号配置，那么在一个物理r b 上，有三组资源 元素组( 七，= 1 ) ，分别为： k = k o + o ，k o + l ，k o + 3 ， k = + 4 ，+ 5 ，+ 7 和k = k o + 8 ，k o + 9 ，i , o + ll ； l t e 下行链路关键技术的研究与实现 3 对于每个子帧的第0 个时隙的第1 个o f d m 符号，如果是四天线的 c e l l s p e c i f i c 导频符号配置，那么在一个物理r b 上，有两组资源元素组 ( 七，= 1 ) ，分另0 为：k = k o + 0 ，k o + 1 ，k o + 5 币口k = k o + 6 ，k o + 7 ，k o + 1l ； 4 对于每个子帧的第0 个时隙的第2 个o f d m 符号，在一个物理r b 上有 三个资源元素组七，= 2 ，分别为： k = k o + 0 ，k o + 1 ，+ 3 ， k = k o + 4 ，k o + 5 ，+ 7 和k = k o + 8 ，k o + 9 ，k o + ll 。 2 2 4l t e 下行物理资源分配 l t e 下行链路主要包括如下几种信道i l6 j 的处理：物理下行业务信道 ( p d s c h ) 、物理多播信道( p m c h ) 、物理广播信道( p b c h ) 、物理控制格 式指示信道( p c f i c h ) 、物理h a r q 指示信道( p h i c h ) 、物理下行控制信道 ( p d c c h ) 以及主殍甫同步信道( p s s c h ) 。本文将上述信道分为业务信道、控 制信道、同步信道三类，其中p d s c h 是业务信道，p s s c h 为同步信道，剩下 的p b c h 、p c f i c h 、p h i c h 以及p d c c h 统属于控制信道。 l t e 下行发送的数据有：同步信号、公共导频、广播信息、控制格式指示信 息、h a r q 指示信息、控制信息和业务数据。这些信息分别通过如下信道承载： p s s c h 、p b c h 、p c f i c h 、p h i c h 、p d c c h 以及p d s c h 。本节将详细介绍这 些物理信道承载的各种信号，以及它们在物理资源网格中所要映射的位置。 下面给出一个子帧罩各信号的资源分配图( 图2 4 ) ，该图给出了各种信号的 具体资源分配情况。这罩假设导频移位为0 、映射为4 天线口、传输带宽为2 0m h z 、 n o r m a lc p 情况。 第章无线信_ i 苴特性及l 1 e 物理层概述 2 0 m 传输带宽 眺射4 天线【l 母天线i 】# o t t l 的资源分配 h2 4 一十子帧的物理资源分配 = 5 6 9 = 5 6 4 时编号0 l t e 下行链路关键技术的研究与实现 以图2 4 为例，下面分别介绍下行各种信号及它们的物理资源分配情况： 1 参考信号( 导频) ：图中蓝色r 字母部分所示，不同天线口在1t t i 或1 子帧内发射的导频符号数可以是8 个( p = 0 ，1 ) ，也可以是4 个( p = 2 ，3 ) 。 如果是8 个，其有效发射时间位于每时隙首个和倒数第三个o f d m 符号 处；如果是4 个，其有效发射时间只在每时隙的第二个o f d m 符号处。 可见不同天线口导频数目是不同的，但是为了统一，在资源网格中各天 线口为导频预留的资源位置是一样的，故对于天线端口为2 和3 时，映 射后剩余的蓝色r 资源元，协议3 6 2 1 1 中规定要保留且承载内容置0 。 2 主同步信号：图中p 字母部分。在1t t i 或1 子帧内的长度为6 2 。其发 射时i 日j 位于每无线帧的第0s l o t ( 第0 子帧) 内和第1 0s l o t ( 第6 子帧) 内的最后一个o f d m 符号处。图2 4 中标记了p 的r e s 表示有效承载( 总 计6 2 x 2 = 1 2 4 r e s ) ，同样颜色但标记为木的r e s ( 总计5 2 = 1 0 l 迮s ) ， 在协议3 6 2 1 l 中规定不能用于承载主同步信号，却没明确指出可以放置 其他何种信号。 3 辅同步信号：图中s 字母部分。在1t t i 或1 子帧内的长度为6 2 。其发 射时间位于每无线帧的第0s l o t ( 第0 子帧) 内和第1 0s l o t ( 第6 子帧) 内的倒数第二个o f d m 符号处。上图中标记了s 的r e s 表示有效承载( 总 计6 2 2 = 1 2 4 r e s ) ，同样颜色但标记为木的r e s ( 总计5 2 = 1 0 r e s ) ， 在协议3 6 2 l l 中规定不能用于承载辅同步信号，却没明确指出可以放置 其他何种信号。 4 广播信号：即小区广播信息，由信道p b c h 来承载，图中b 字母部分， 只在每个无线帧的第1 个子帧( 编号为子帧o ) 内发射。其余子帧时， 其资源位置则用于其他信号( 如：业务信号) 的发射。 5 下行控制信道的信号：下行控制信道包括p d c c h 、p c f i c h 和p h i c h ， 在资源网格图2 4 中如c 字母部分。其中：信道p c f i c h 是用来承载发 射1 个子帧中p d c c h 信号所占用的具体o f d m 符号数信息( 1 ，2 或3 ) 的，它只在每子帧的第一个o f d m 符号处发射：信道p h i c h 是用来承 载h a r q 的a c k n a c k 信息，映射到相同资源元的多个p h i c h 复值符 号构成一p h i c h 组，在映射前会累加，累加后的符号只会在每子帧的第 一个或前三个o f d m 符号处发射，发射持续符号数由高层决定和配置。 而信道p d c c h 则是用来承载调度分配和其他控制信息，可以在一个子 帧发射多个p d c c h 信号，所有复值信号在资源元映射前已连续4 个一 组进行了分组，