（通信与信息系统专业论文）lte上行接收技术研究.pdf

摘要 摘要 3 g p p 长期演进( l t e ) 项目是近几年来3 g p p 启动的最大的新技术研发项 目，这种以o f d m o f d m a 为核心的技术，是通信技术的一个革命。 本文正是在3 g 技术成熟发展下，各种技术向4 g 演进的关键时期，研究3 g p p l t e 的关键技术，重点是单用户上行链路的关键技术，以及上行接收的算法。从 研究现有的o f d m a 入手，分析上行多址接入的问题。由于o f d m a 的高p a p r ， 这样就会导致用户终端的高能耗，在这种情况下，各种降低p a p r 的技术先后出 现，最重要的就是s c f d m a ( 单载波频分多址) ，它不仅有多载波的特性，同 时具有低p a p r 的特点，因此最终3 g p p 确定了下行链路采用o f d m a 和上行链 路采用s c f d m a 的多址接入方式。 本文正是在上行采用m i m os c f d m a 的基础上，分析并提出了v b l a s t 模型的“分层 球形译码接收算法。该算法是以球形译码算法为基础的一种低复 杂度的球形译码，同时该算法能够根据用户参数( 局部判决层数) 来确定算法的 性能。当用户参数等于发射天线数时，该算法即为球形译码算法。 关键词：正交频分多址单载波频分多址长期演进球形译码 a b s t r a c t 3 g p pl o n gt e r me v o l u t i o n ( l t e ) p r o j e c tw h i c hi s t h e l a r g e s tn e w t e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o j e c t ss t a r t e db y3 g p pi nr e c e n ty e a r s ， w i t ht h eo f d m o f d m a a st h ec o r e t e c h n o l o g y ，i s ar e v o l u t i o no f c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i nt h i st h e s i s ，t h ek e y3 g p pl t e t e c h n o l o g y ，e s p e c i a l l ys i n g l eu s e ru p l i n k k e yt e c h n o l o g ya n du p l i n kr e c e i v e ra l g o r i t h m s ，i sm a i n l ys t u d i e di nt h i sc r i t i c a l p e r i o dw h e nt h e3 gt e c h n o l o g yi sd e v e l o p e da n dt h ev a r i o u st e c h n o l o g i e se v 0 1 v e t o4 g t ol e a r nt h ed e v e l o p e do f d m a t e c h n o l o g y ，u p l i n km u l t i p l ea c c e s s p r o b l e mi sa n a l y z e d d u et ot h eh i g hp a p ro fo f d m a ，i tw i l ll e a dt ot h eh i g h e n e r g yc o n s u m p t i o no fu s e rt e r m i n a l i nt h i se a s e ，av a r i e t yo ft e c h n o l o g i e st o r e d u c et h ep a p ra r e p r o p o s e d ，e s p e c i a l l yt h es c f d m a ( s i n g l ec a r r i e r 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 ) ，w h i c hh a sn o to n l yt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h em u l t i 。c a r r i e rb u ta l s ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o wp a p r ，s o3 g p pf i n a l l y d e f i n e dt h eo f d m ad o w n l i n ka n ds c f d m au p l i n km u l t i p l ea c c e s sm e t h o d s i n t h i st h e s i s ，v b l a s t “l a y e r e d ”s p h e r ed e c o d i n ga l g o r i t h m sb a s e do n m i m os c f d m au p l i n ki sp r o p o s e d t h i sa l g o r i t h mi sa l o wc o m p l e x i t ys p h e r e d e c o d i n gb a s e do nt h es p h e r ed e c o d i n gw i t hp r u n i n g ，a n dt h ec o m p l e x i t yo fi t d e t e r m i n e db yt h eu s e r p a r a m e t e r ( 1 0 c a ld e t e r m i n el a y e r s ) w h e nt h eu s e r p a r a m e t e re q u a l st h en u m b e ro fa n t e n n a s ，i ti si d e n t i c a lt os dw i t hp r u n i n g k e y w o r d ：o f d m as c f d m al t es d 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：日期迎丝! ! 尘 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c 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：查查监 导师签名 日期兰翌! 垒! ! 丛 第一章绪论 第一章绪论 现代社会已经步入信息社会，信息在经济发展、社会进步乃至生活各个方面 都起着重要的作用。 移动通信是当代通信领域内发展潜力最大、市场前景最广阔的热点技术之一。 在3 g 大规模商用以后，多媒体服务与应用得到广泛推广，速率、服务质量、无 缝传输等方面的要求日益增长，势必需要带宽更宽的无线系统。 1 1 研究背景 目前，基于w c d m a 无线接入技术的3 g 移动通信技术已逐渐成熟，正在世 界范围内被广泛推广应用。为了进一步对3 g 技术进行发展，3 g p p 首先引入了 h s d p a 和增强型上行链路这两种具有很强竞争力的3 g 增强技术。遗憾的是，虽 然这些技术能够大幅度提高上下行速率，但是这是以牺牲小区吞吐率为代价的， 而且由于成本过高，难以大规模应用。为了实现降低成本和提高性能的目标，3 g p p 在众多国内外大型运营商的提倡下于2 0 0 4 年将u t r a n 的长期演进( l t el o n g t e r me v o l u t i o n ) 计划正式批准立项。在2 0 0 6 年6 月完成可行性报告，2 0 0 7 年6 月完成主要规范。3 g p p 长期演进( l t e ) 项目是关于u t r a 和u t r a n 改进的项 目，是对包括核心网在内的全网的技术演进。其话音业务部分将由v o p 来实现。 l t e 主要有两个部分组成，无线接口和无线网络结构部分。和以前相比，只有分 组域，而没有了电路域。l t e 是近两年来3 g p p 启动的最大的新技术研发项目。 随着新兴的无线接入方案如w i f i 、w i m a x 的产生，3 g 的无线接入技术面临巨 大压力。虽然3 g 接入技术在移动性方面占有优势，但在成本上处于劣势。市场 的迫切需要推动了3 g 无线接入技术的发展。这对3 g p p 在未来十年进一步发展 3 g 有着相当重要意义。为了实现进一步的技术进步，3 g p p 公布了u t r a n 方案， 其目标是对无线接入技术进行改进，使其能够达到或超过现有的有线接入技术的 性能，并且实现降低成本的目标。 3 g p pl t e 的演进目标【l 】有以下几点： 1 实现灵活的频谱带宽配置，支持1 2 5 m h z 、1 6 m h z 、2 5 m h z 、5 m h z 、 1 0 m h z 、1 5m h z 和2 0m h z 的带宽设置，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 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，主要通过频分多址技术实现。 2 l t e 上行接收技术研究 3 实现比现有技术更高的数据率。在2 0m h z 带宽下，其上行峰值速率应达 到5 0m b i t s ，下行峰值速率达到1 0 0m b i t s ，频谱利用率比r 6 版本提高2 4 倍。 全小区范围内，数据速率应保持一致性，在边缘区域，速率不能有明显下跌。为 保证3 g p pl t e 系统在频谱利用率方面的技术优势，主要通过多天线技术、自适 应调制技术与编码和基于信道质量的频率选择性调度实现。 4 显著降低用户平面和控制平面的时延，用户平面内部单向传输时延应低于 5 m s ，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间应低于5 0 m s ，从驻留状态到激活 状态的迁移时间应小于1 0 0m s ，以增强对实时业务的支持。 5 显著降低用户和运营商的成本。另外l t e 要求在满足以上目标时尽可能 平滑地实现技术进步。所以要求新的无线接入技术必须与现有的3 g 无线接入技 术并存，并且能与现有无线网络以及其替代版本兼容。 6 进一步增强对多媒体广播业务和多播业务的支持，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、层2 的信道结构和高层的无 限资源管理实现。 7 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，对于p 语音( v 0 口) 业务的支持与低延时目标的实现导致 了调度和层1 、层2 间信令设计上的困难。 1 24 g 标准现状 图1 1 无线通信技术发展和演进图 目前，全球移动通信无线技术的演进路径主要有三个：一是w c d m a 和 t d s c d m a ，均从h s p a 演进至h s p a + ，进而到l t e 二是c d m a 2 0 0 0 沿着 e v d o r e v 0 r e v a r e v b ，最终到切b ；三是8 0 2 1 6 m 的w i m a x 路线。其中 l t e 拥有最多的支持者，w i m a x 次之。 l t e 以其大容量、高速率、低延迟的优异特性催生了移动互联网业务的真正 第一章绪论 3 开展，尤其在c d m a 阵营宣布停止u m b 的研究后，l t e 无可争议地成为下一代 移动通信的共同演进方向。已经表示采用l t e 的公司有英国沃达丰、德国 t - m o b i l e ，日本n r r td o c o m o 与k d d i ，韩国s k t ，美国a t & t 和v e r i z o n ，加 拿大b e l l 及新西兰电信等。我国三大运营商也在其中。中国移动在2 0 0 8 年巴塞 罗那的移动世界大会上表示，将携手英国沃达丰、美国v e r i z o nw i r e l e s s 加入l t e 的技术测试。 3 g p pl t e 存在f d d 和t d d 之分， 演进而来【2 1 。w c d m a 由于发展时间早， 它们分别是由w c d m a 和t d s c d m a 支持厂家多以及技术成熟度高，其演进 技术的标准化工作一直处于领先，其演进路线为，首先实现h s d p a ( p 1 ) ，上行 和下行速率分别达到1 8 m b i t s 和3 6 m b i t s ；其后实现h s d p a ( p 2 ) 和h s u p a ， 上行和下行速率分别达到8 m b i t s 和1 4 4 m b i t s 。h s p a + 是h s d p a ( p 2 ) 和h s u p a 技术向l t e 的中间过渡方案，其上行和下行速率分别达到1 0 m b i t s 和4 0 m b i t s ， 并开始采用o f d m 技术。最后从h s p a + 演进到l t ef d d 。 同时，t d s c d m a t 4 】是我国提出的3 g 国际标准，具有独立的知识产权。其 后续演进技术t d l t e 同样有着举足轻重的作用，t d l t e 不仅可以成为 t d s c d m a 发展和演进的保障，而且也为我国成功实施“新代宽带无线移动通 信网国家重大专项奠定基础。从技术上讲，t d l t e 也有其独有的优势。首先， t d d 模式下频谱分配更加灵活，它不需要成对的频谱；其次，t d d 模式可以支 持灵活的非对称业务，例如，改变一帧中上下行的比例；最后，利用信道对称性 可以提高系统的频谱效率或功率效率。 t d l t e 5 】的国际标准化以及产业链的发展已经取得了突破性的进展， t d l t e 标准已被国际产业广泛接受，为我国下一代移动通信产业进入国际主流 带来了历史性的机遇，t d l t e 已成为移动通信产业面向移动互联网发展的必然。 对于备受关注的t d l t e ，作为国产t d 四强之一的中国普天表示，其l t e 设备 推出进度正加快，与业内整体l t e 推进进度匹配，2 0 1 0 年可以进行较大规模的 l t e 网络试验，得到整网的实测数据，为后续的l t e 组网提供重要参考。 除了l t e 之外，w i m a x 的发展也同样吸引了不少人的目光。而w i m a x 8 0 2 1 6 m 目前是与l t e 争夺4 g 标准的竞争者。w i m a x 的最大优势是较l t e 技 术的开发进度领先两年，在向系列运算设备提供宽频无线接取的竞赛中，第一 阶段已被w i m a x 赢得，且该技术已经准备好覆盖目前的无线区域网路节点， w i m a x 称得上是已经准备就绪的技术，并在这场4 g 的争夺战中蓄势待发。另外， 该技术被认为最适合于想要部署宽频，但未有强大现存基础设备的新市场，即使 在许多已发展国家中，l t e 技术已被认为是语音和数据服务的长期统一者，不过 l t e 仍然需要大量实验。目前，业界认为w i m a x 与l t e 将走融合路线，沃达丰 首席执行官a n m s a r i n 曾经呼吁“统一标准。他的建议是将w i m a x 和l t e 整合 4 l t e 上行接收技术研究 到一个标准中，这在理论上将使电信运营商不再需要针对w i m a x 和l t e 各自做 大量的实验，并且可以降低基础设施成本、优化研发资源，避免l t e 和w i m a x 设备提供商在f d d 和t d d 上各自做重复的研发投入。 1 3 论文的主要工作 本文是在3 g 技术成熟发展下，各种技术向4 g 演进的关键时期，研究了3 g p p l t e 的关键技术，重点是单用户上行链路的关键技术。从研究现有的o f d m a 入 手，分析上行多址接入的问题，由于o f d m a 的高p a p r ，这样就会导致用户终 端的高能耗，在这种情况下，各种降低p a p r 的技术先后出现，最重要的就是 s c f d m a ( 单载波频分多址) ，它不仅有多载波的特性，同时具有低p a p r 的特 点，同时s c f d m a 有分为时域实现和频域实现两种，根据现有分析结果显示频 域实现的s c f d m a ( 即d f t - s o f d m ) 性能更出色。因此最终3 g p p 确定了下 行链路采用o f d m a 和上行链路采用s c f d m a 的多址接入方式。 本文正是在上行采用m i m os c f d m a 的基础上，分析并提出了v b l a s t 模 型的“分层 球形译码接收算法，该算法具有根据用户参数来确定接收机的复杂 度的特点；当用户参数( 局部判决层数) 等于发射天线时，该算法即为球形译码 算法；当用户参数取值合适时，其复杂度和性能能够达到一个平衡。 1 4 论文的组织架构 第一章主要介绍移动通信现在的发展现状、本文的研究背景和4 g 标准的现 状，并简述本文的主要研究内容。 第二章主要介绍移动通信发展到现阶段的一些关键技术和l t e 的技术优势。 正是这些关键技术，才极大的推动了移动通信领域的高速发展。 第三章主要介绍l t e 上行链路发送技术，主要是从降低峰均比以及更好的分 集特性出发，使上行链路有更高的分集增益和较低的峰均比。并较为详细的介绍 了单载波频分多址的实现方式和上行发送链路。同时还介绍m i m o 技术以及l t e 中m i m o 技术的新应用。 第四章主要介绍l t e 上行接收模型和接收算法。重点是频域均衡和m i m o 检 测，并通过研究分析现有的接收算法，主要是球形译码算法，提出了提出低复杂 度的“分层球形译码算法，该算法具有根据用户参数( 局部判决层数) 而不同 的复杂度的特性，当用户参数取值合适时，接收机的复杂度和性能可以达到一个 平衡。最终对该算法进行仿真。 第五章主要总结和回顾了全文的内容，以及下一步的研究。 第二章l t e 关键技术 5 第二章l t e 关键技术 从3 g p pl t e 的概念、特点、业务要求和网络结构可以看出，3 g p pl t e 不是 个演进过程，而是一场技术革命过程，它对实时业务、高可靠性业务和广播业 务多播业务都能提供较好的支持，其低时延、全分组和高数据速率的目标已经基 本实现。 2 1 网络架构 传统的3 g p p 接入网u t 毗埘由n o d eb 和r n c 两层节点构成，但在考虑l t e 技术时，大多数公司建议将r n c 省去，采用有n o d eb 构成的单层结构，因为这 种结构有利于简化网络和减小延迟。但少数设备商和运营商建议保留原有的网络 结构，只做局部修改。在做出不采用宏分集的决定后，这个问题的焦点集中在上 层a r q ( o u t e r a r q ) 、无线资源控制( r r c ) 和小区间无线资源管理( i n t e r - c e l l i u 泓) 功能块的位置上。如果上述功能可以在n o d eb 完成，则可以采用只由n o d e b 构成的扁平e - u t r a n 结构；如果上述功能无法在n o d eb 内完成，则必须保留 所谓的“中心节点 ( 类似于r n c ) 来实现这些功能，也即需要采用原来的两层 结构的e u t r a n t 3 1 。 由于绝大多数公司支持前一种方案，在2 0 0 6 年3 月的全会上，决定3 g p pl t e 网络有e u t r a n 基站( e _ n b ) 和接入网关( a g w ) 组成。a g w 实际上是一个 边界节点，如果将它看作核心网的一部分，则接入网主要由e n b 构成。e n b 的主 要功能有：在附着状态选择a g w ；寻呼信息和广播信息的发送；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 b 的测量；无线承载的控制； 无线接纳控制；在激活态的链接移动性控制。网络结构和功能划分如图2 1 所示， n o d eb 和n o d eb 之间将采用网格( m e s h ) 方式直接互连，这也是对原有u t r a n 结构的重大修改。引入一个r r ms e r v e r 进行集中式管理，还是采用完全分散的 管理结构来解决小区间干扰协调、负载控制等功能，目前还未确定。另外，在空 中接入技术方面，l t e 的信道数量将比w c d m a 系统有所减少。并取消了专用信 道，不再保留广播媒体控制层和u t r a n 的公共业务信道，减少了m a c 层的实 体类型。 6 l t e 上行接收技术研究 演进型节点b 小区间r r m 链接移动性控制 r b 控制 无限许可控制 c n b 测量设置和提供 动态资源调度 r r c m a c p h y 图2 1e - u t r a n 的结构 2 2 物理层传输技术 1 基本传输与多址方式【8 】 物理层技术是无线通信系统的基础与标志。3 g p p 经过激烈的讨论，l t e 决 定采用下行的多址方式为正交频分多址( o f d m a ) ，上行为基于正交频分复用 ( o f d m ) 传输技术的单载波频分多址( s c f d m a ) 的方式，s c f d m a 为单载 波传输技术，其特点是低峰均比，子载波间隔为1 5 k h z ，这两种技术都能较好的 支持频率选择性调度。 o f d m 是l t e 系统的主要特点，它的基本思想是把高速数据流分散到多个正 交的子载波上传输，从而使子载波上的符号速率大大降低，符号持续时间大大加 长，因而对时延扩展有较强的抵抗力，减小了符号间干扰的影响。通常在o f d m 符号前加入保护间隔，只要保护间隔大于信道的时延扩展则可以完全消除符号间 干扰i s i 。o f d m 参数设定对整个系统的性能会产生决定性的影响，如循环前缀 ( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 。它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， 但系统开销也会相应增加，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 系同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 就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 攀 第二章l t e 关键技术 7 等。载波间隔是l t e 系统中最基本的参数之一。经过理论分析与仿真比较，最终 确定采用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( l o c a l i z e d ) 方式或分布( 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 无线帧结构【6 j 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即t y p e l 帧结构和t y p e 2 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。t y p e l 帧由2 0 个 0 5 m s 长的时隙( 时隙0 到时隙1 9 ) 构成，两个相邻的时隙组成一个子帧。在t d d 模式下，上下行链路分时共享一帧。一般来说，0 号子帧和5 号子帧用于传送下 行信号。需要注意的是，t y p e l 帧结构中0 5 m s 的子帧长度与低码片速率( l c r ) 佃di 凰a ( o 6 7 5 m s ) 和高码片速率( h c r ) _ t d di 玎r a ( o 6 6 7 m s ) 的子帧长度都不同，要避免与t d du t r a 系统之间的干扰比较困难。因此为了 使t d de u t r a 系统和t d du t r a 系统的上下行切换点相互对齐，需要插入空 闲子帧或者空闲o f d m 符号，但这样会造成频谱效率的损失。 l 时隙= 0 5 m sl 子帧2 时隙 图2 2 t y p e l 帧结构 t y p e 2 帧结构适用于t d d 模式。每一个无线帧有两个半帧构成，每一个半帧 长度为5 m s 。每一个半帧由8 个常规时隙和d w p t s 、g p 和u p p t s 三个特殊时隙 构成。1 个常规时隙的长度为0 5 m s 。d w p t s 和u p p t s 的长度可配置，并且要求 d w p t s 、g p 以及u p p t s 的总长度等于l m s 。 图2 3 t y p e 2 帧结构 8 l t e 上行接收技术研究 3 小区间干扰控制技术 采用小区间干扰控制技术的目的是为了提高用户在小区边缘的信息传输速 率。主要的多小区干扰补偿技术有：干扰随机化技术、干扰抵消技术和多小区干 扰协调技术等。3 g p pl t e 标准化的前期研究重点为下行频分双工系统中的多小 区干扰协调技术，多小区干扰协调技术对频谱资源和发射功率进行限制。中心用 户可以使用全部资源块，但只能以低功率使用部分资源快；边界用户可以全功率 使用部分资源快，从而提高用户在小区边缘的信噪比，增加小区覆盖率。而f d d 上行的多小区干扰控制主要通过功率控制技术实现，频率复用因子为1 。干扰协 调技术的缺点是可用于小区边缘的频率资源有限，限制了小区边缘的峰值速率和 系统容量。干扰消除即在接收机采用多用户检测消除相邻小区的干扰。在难以使 用干扰消除和干扰协调的时候，还可以采用干扰随机化技术，也就是将小区间的 干扰随机化为白噪声，因此又称为干扰白化。目前l t e 采用小区加扰来实现干扰 随机化。这种方法可以去得最基本的小区间干扰抑制效果。 4 多天线技术 多输入多输出( m 蹦o ) 空间分集天线配置专门针对3 g p p 长期演进技术 ( l t e ) 移动通信系统而设计。实际上，l t e 系统规定了三类天线技术：m i m o 、 波束成形和分集方法。对提升信号鲁棒性、实现l t e 系统能力来说，这三种技术 都非常关键。m i m o 的一个基本形态是为每个天线分配一个数据流。然后信道将 两个发射进行混合，这样，就接收机来看，每个天线收到的是各个数据流的组合。 解码接收到的信号需要技巧，其中接收机分析表征每个发射机的样式以确定它代 表哪些组合。采用反向滤波器并累加接收到的数据流将重构原始数据。 m i m o 的一个更先进形式包括特殊的预编码可以把发射与信道的e i g e n 模式 匹配起来。该优化将把每一待发数据流分送至不止一个发射天线。为使该技术高 效工作，发射机必须把握信道条件，并且在某种场合这些条件必须由用户设备 ( u e ) 实时反馈回送。这种优化使系统更复杂，但可提升性能。m i m o 信道的容 量随着天线数量的增加而增大。也就是说在不增加带宽和天线发射功率的情况下妒 可以利用m i m o 信道成倍地提高无线信道容量，频谱利用率可以成倍的提高，同 时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。l t e 系统将设计可以适应宏小区、微 小区、热点等各种环境的m i m o 技术。 目前l t e 已确定，天线的配置是下行2 x 2 、上行1 2 个天线，但为了提高系 统容量，同时也正在考虑更多的天线配置( 最多4 x 4 ) 的必要性和可行性。l t e 中的m i m o 模式包括空间分集、空分复用和波束成型三部分。空间分集技术是根 据自身的复杂度和能够支持的传输天线数而改变，l t e 中将考虑分集和基于 s t b c s f b c 和c d d 联合的传输分集等各种分集技术；l t e 中还将考虑单用户 m i m o 、多用户m i m o 、多码字、链路自适应、预编码、秩的自适应等方面的问 第二章l t e 关键技术 9 题。l t e 中还讨论了一种特殊的上行多用户天线技术虚拟m i m o 技术，此项 技术可以动态地把两个单天线配置的用户进行有效的配对，配对的两个用户在相 同的时频资源块里传输数据，进而提高系统的吞吐量。 5 物理信道与调制【9 l l t e 系统目前定义了5 种下行信道：物理下行共享信道p d s c h 、物理广播信 道p b c h 、物理多播信道p m c h 、物理控制格式指示信道p cf i c h 、物理下行控 制信道p d c c h 。 系统还定义了3 种上行物理信道：物理随机接入信道p r a c h 、物理上行共 享信道p u s c h 、物理上行控制信道p u c c h 。 r c hu 蝴 限删冗删纠舟洲 图2 4 上行传输信道和物理信道的映射 l t e 下行主要采用q p s k 、1 6 q a 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 q a m 。针对广播业务，3 g p p 提出了一种独特的分层 调制方式。其基本思想是，在应用层将一个逻辑业务分成两个数据流，一个是高 优先级的基本层，一个是低优先级的增强层。在物理层，这两个数据流分别映射 大信号星座图的不同层。由于基本层数据映射后的符号距离比增强层的符号距离 大，因此基本层数据流可以被包括远离基站和靠近基站的用户接收，而增强层的 数据流只能被靠近基站的用户接收。也就是说，同一个逻辑业务可以在网络中根 据信道条件的优劣提供不同等级的服务。除了物理信道外，还有一些物理信号专 门用来承载仅与物理层过程有关的信息，如参考信号、同步信号等，它们对高层 而言不是直接可见的，但从系统功能的观点来讲是必需的。 6 物理层过程i l u j l t e 系统中物理层过程包括：小区搜索过程、功率控制过程、上行链路同步 过程、随机接入过程、混合自动重传过程。目前3 g p pt s 3 6 2 1 3 协议中只对部分 物理过程进行了概括性描述。l t e 系统中用于小区搜索的信道包括广播信道和同 步信道，参考信号中的主同步信号、辅同步信号，下行参考信号也可用于一部分 小区搜索。u e 通过这些信道和信号可以获得小区特定信息如小区d 、小区天线 配置情况、网络特定信息、下行系统时钟和频率同步等。 1 0 l t e 上行接收技术研究 随机接入主要分为同步的随机接入和非同步的随机接入。对于同步的随机接 入目前讨论的还较少。非同步随机接入是在u e 还未获得上行时间同步或丧失同 步时，用于e n o d e b 请求资源分配。在非同步的随机接入中，物理层首先要从高 层获取随机接入信道参数、可用前导、前导发射功率等信息，前导用于上行时钟 对齐和u e 识别符，系统规定其由z a d o f f - c h u 序列产生。 对于物理层来讲，随机接入包含两个过程：前导的传送以及来自e n o d e b 的 随机接入响应。物理随机接入过程分为以下几步：首先，高层发起随机接入过程 请求并从可用前导序列中随机地选择一个前导，随后，终端按一定的功率发送前 导并等待e n o d e b 的响应。在规定时间内如果没有收到响应，那么物理层反馈“未 收到确认 给高层，并退出随机接入过程；如果收到了允许接入的响应，则物理 层反馈“收到a c k 给上层，并开始消息部分的传输。需要注意的是，消息部分 在共享信道上进行传输，并不属于物理层随机接入过程的一部分。其他一些物理 过程如同步随机接入、功率控制等，还在积极讨论中。 7 物理层测量 l t e 系统中u e 和e n o d e b 测量链路状态并向高层汇报。目前已经提出的测 量参数包括：接收信号强度( r s s i ) ，其中又分为e - u t r a 载波接收信号强度指 示、u t r a f d d 载波接收信号强度指示、g s m 载波接收信号强度指示、u t r a t d d 载波接收信号强度指示：接收信号码功率( r s c p ) ，其中包括u t r a t d d 主公共 控制物理信道接收信号码功率、u t r a 公共导频信道接收信号码功率；参考信号 接收功率( r s c p ) 等。 作为近几年来3 g p p 启动的最大项目，l t e 需要达到的目标包括实现更高的 数据传输速率，获得更高的频谱利用率、用户吞吐量、更优化的信令流程、更短 的时延、基于p 承载的更简单的网络结构，更完善的q o s 管理机制等。虽然l t e 系统并未完全摆脱3 g 的框架，性能上也可能比4 g 差，但是和现有技术相比，l t e 在许多关键技术指标上有了相当的提高，完全能够满足未来移动通信的要求。尽 管在项目进展过程中，工作进度略滞后于原计划，但从另一方面看，正是因为对 每个技术细节都进行了反复的研究，才能融合形成大多数公司都支持的方案。 2 3l t e 的技术优势 面对非传统运营商纷纷加入移动通信市场及“其他无线通信标准”的竞争， 3 g p p 启动了l t e 项目。针对w i m a x “低移动性宽带m 接入 的定位以及适用 于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术w i f i ，l t e 提出了相对应的需求，如 相似的带宽、数据率，强调m b m s 等。l t e 与w i m a x 、w i f i 在各方面的性能 比较如表2 1 所示： 第二章l t e 关键技术 表2 1l t e 、w i m a x 、w i f i 主要性能对照表 技术指标。mw i 蜮职r i f l 下行1 0 0 m b p s 传输速率 7 5 m b p s 1 、2 、5 、l l m b p s 上行5 0 m b p s 应用于室内、 支持最高移动速率3 5 0 k m h1 2 0 k m h 移动速率较低的室外 带宽支持 1 2 5 2 0 m z15 忍0 m h z 窄带w i m a x 小区半径7 1 0 k m 覆盖范围小区半径1 0 0 k i n 1 0 0 - - 3 0 0 英尺 最大5 0 k i n 专利费用、不需专利费用、 无需布网线、 费用 网络建设成本高网络建设成本低成本低 l t e 、w i m a x 与w i f i ，他们都有各自的特点，或数据速率高、或费用成本 低、或安全性高，他们的适用范围也各不相同，w i m a x 解决的是无线城域网的 问题，而w i f i 解决的是无线局域网的接入问题。从表2 1 中可看出，尽管l t e 费用较高，但在灵活性、数据速率、稳定性方面它更具技术优势。 1 灵活性 l t e 能够支持1 2 5 m h z 、1 6 m h z 、2 5 m h z 、5 m h z 、1 0 m h z 、1 5 m h z 和2 0 m h z 等多种系统带宽，w i m a x 支持15 2 0 m h z 的几种带宽，w i f i 解决的是无线局域 网问题，仅适用于有因特网的地区，因而在系统布署的灵活性上l t e 更具优势。 2 数据速率 l t e 增强了3 g 的空中接入技术，信号的覆盖范围大幅延伸，在2 0 m h z 的带 宽下，能达到下行1 0 0 m b p s 、上行5 0m b p s 的峰值速率；w i f i 与w i m a x 所能达 到的最高速率仅为l l m b p s 、7 5m b p s ，且w i f i 采用的无线电信号易受环境影响， 可能一个用户与带宽为1 1m b p s 网络联网，但是其兑现的上网速率可能只有 1 m b p s 。 3 稳定性 l t e 能在3 5 0 k m h 的高速移动的情况下达到良好的接收效果，w i m a x 所能 支持的最高移动速率只能达到1 2 0 k m h ，w i f i 则仅限于局域网的低速率移动。与 w i m a x 和w i f i 相比，在高速移动的环境下，l t e 的信号更稳定。 2 4 本章小结 本章主要介绍了l t e 的关键技术，以及l t e 与其他技术的对比，从其关键技 术和对比结果，我们可以看出，l t e 是一场革命性的技术变革。其中标志性的就 1 2 l t e 上行接收技术研究 是改变了3 g 时期c d m a 的空中接口技术，采用了基于o f d m 的新的多址方式， 同时在包括网络架构、交换模式等系统设计的各个方面都进行了大量的、大幅度 的优化。目前l t e 已确定，天线的配置是下行2 2 、上行l 2 个天线，但为了 提高系统容量，同时也正在考虑更多的天线配置( 最多4 4 ) 的必要性和可行性。 第三章l t e 上行链路 第三章l t e 上行链路 3 g p pl t e 上行链路有四种候选技术：o f d m a ( 正交频分复用) ，s c f d m a ( 单载波f i ) m a ) ，m c w c d m a ( 多载波w c d m a ) 和m c t d s c d m a ( 多载波 t d s c d m a ) 。后两者不是以o f d m 为核心技术，不利于向b 3 g 演进和兼容，只是 在c d m a 基础上增多载波技术，频谱效率较低，r a k e 接收机难以实现，频率干扰 等问题，所以被3 g p pl t e 否决。同时o f d m a 由于高p a p r 导致用户设备( u e ) 的 功率利用率降低，因此3 g p p 最终确定l t e 上行链路采用s c f d m a 。 3 1 上行多址接入 由于正交频分复用( o f d m ) 能够很好地对抗无线传输环境中的频率选择性衰 落，可以获得很高的频谱利用率，o f d m 非常适用于无线宽带信道下的高速传输。 通过给不同的用户分配不同的子载波，o f d m a 提供了天然的多址方式。由于用户 间信道衰落的独立性，可以利用联合子载波分配带来的多用户分集增益提高性能， 达到服务质量( q o s ) 要求。然而，为了降低成本，在l i e 端通常使用低成本的功 率放大器，o f d m 中较高的p a p r 将降低u e 的功率利用率，降低上行链路的覆盖能 力。由于单载波频分复用( s c f d m a ) 具有的较低的p a p r ，它被提议成为候选的 多址方案。目前，o f d m a 已被广泛研究，并已成为3 g p pl t e 的下行链路的主流多 址方案。在上行链路的研究中，s c f d m a 以其较低的p a p r 成为主流的多址方式。 3 1 1o f d m o f d m a 近几年来，在新一代宽带无线通信系统中，o f d m t l 2 】技术逐步取代了单载波 扩频技术( 如c d m a ) 而成为主流的基本发送技术。较早采用o f d m 技术的包 括数字音频广播( d a b ) 和数字视频广播( d v b ) 。随后，宽带无线接入系统i e e e 8 0 2 1 1 9 a 、8 0 2 1 6 d e 、8 0 2 2 0 也以o f d m o f d m a 技术为基础，甚至近距离通信 u w b ( 超宽带) 技术的两个备选方案之一也采用了多频带o f d m ( m b o f d m ) 。 未来的b 3 g 技术也将基于o f d m 。 在传统的多载波通信系统中，整个系统频带被划分为若干个互相分离的子信 道( 载波) 。载波之间有一定的保护间隔，接收端通过滤波器把各个子信道分离之 后接收所需信息。这样虽然可以避免不同信道互相干扰，但却以牺牲频率利用率 为代价。而且当子信道数量很大的时候，大量分离各子信道信号的滤波器的设置 就成了几乎不可能的事情。 ， 1 4 l t e 上行接收技术研究 o f d m 即正交频分复用技术，实际上o f d m 是多载波调制的一种，o f d m 技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率，或者是为了改进对多载波的调制， 它的特点是各子载波相互正交，使扩频调制后的频谱可以相互重叠，从而减小了 子载波间的相互干扰。在对每个载波完成调制以后，为了增加数据的吞吐量、提 高数据传输的速度，对所有将要被发送数据信号位的载波进行合并处理，把众多 的单个信号合并成一个独立的传输信号进行发送。 另外o f d m 之所以备受关注，其中一条重要的原因是它可以利用离散傅立叶 反变换离散傅立叶变换( d f 仰f t ) 代替多载波调制和解调。其主要思想是： 将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制 到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开， 这样可以减少子信道之间的相互干扰i c i