（通信与信息系统专业论文）未来移动通信系统中多址接入技术的研究.pdf

摘要 摘要 在无线移动通信发展历程中，无论是2 g 、3 g 还是未来移动通信系统，就整个 系统结构而言，都需要从接入技术、传输技术和网络架构三个方面分别予以考虑。 从目前的接入技术来讲，正交频分复用( o f d m ) 技术已经成为研究的核心。在3 g 长期演进系统l t e 及其进一步演进l t e a d v a n c e d 系统中，采用的多址方案均 基于o f d m 技术的。 l t e a d v a n c e d 系统作为最具竞争力的4 g 候选技术，为了更好地支持较大带 宽下的非连续子载波的分配及与l t e 系统向后兼容，灵活地对小频率资源进行分 配以及提高频谱利用率。采用的接入技术：上行为n xd f t - s o f d m ，下行为基于 载波组元结构的o f d m a 。但这两种方案也存在自己的缺点( 譬如：相对于l t e 系统的接入方式有较高峰值平均功率比p ：a p r ) ，较高的p a p r 值的信号通过功率 放大器时，会产生线性失真，造成频谱扩展干扰及带内信号畸变，导致系统性能 下降；对发射端来讲更为严重，因为发射端的p a p r 会对射频部分的邻频产生干扰， 很可能会干扰其他系统，这在实际中是不允许的。因此p a p r 值是应该尽量低的。 因此在未来的移动通信中，应该考虑这个问题，这是本文研究的出发点。 本文的目的是以l t e a d v a n c e d 系统为基础，在对该系统计算复杂度、译码性 能和频谱利用率影响不大的情况下，对该系统较高p a p r 值进行抑制。主要做的工 作有：首先研究了几种基于o f d m 技术的多址接入方案，如o f d m a 、s c f d m a ， 紧接着研究了l t e a d v a n c e d 系统的多址接入技术，并比较了这几种接入技术的优 缺点。针对l t e a d v a n c e d 系统接入方案的p a p r 性能较差的问题，重点对目前的 基于o f d m 信号和s c f d m a 信号的降峰均比算法进行学习和研究。通过分析， 本文提出了l t e a d v a n c e d 下行接入方案的降峰均比的改进算法：混合p t s 分割算 法，将该算法应用到系统的下行接入方案中，仿真结果表明，改进算法在对系统 性能影响不大的情况下，能很好的对系统的高峰均值进行抑制；并且，本文将频 域频谱成型算法应用到l t e a d v a n c e d 系统的上行接入方案中，采用广义升余弦函 数作为成型函数，滚降因取0 2 ，综合考虑了链路的计算复杂度、频谱利用率、译 码性能等，最后降低了p a p r 值，并对系统性能影响不大，具有较高的可行性。 关键词：l t e a d v a n c e ，多址接入，o f d m ，p a p r a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o r n m u n i c a t i o n ，w h e t h e ri ti s2 g3 go rf u t u r e m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h ee n t i r es y s t e ma r c h i t e c t u r en e e dt ob ec o n s i d e r e di n t h r e er e s p e c t so ft e c h n o l o g y , t h a ti sa c c e s st e c h n o l o g y , t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g ya n d n e t w o r ka r c h i t e c t u r e f o rt h ec u r r e n ta c c e s st e c h n o l o g y , o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) a c c e s st e c h n o l o g yh a sb e c o m ec o r et e c h n o l o g y i nt h el o n g - t e r m e v o l u t i o no f3 gs y s t e m sa n di t sf u r t h e re v o l u t i o no fl t e a d v a n c e ds y s t e m s ，m u l t i p l e a c c e s ss c h e m eb a s e do no f d mt e c h n o l o g ya r eu s e d l t e a d v a n c e d ，a st h em o s tc o m p e t i t i v ec a n d i d a t es c h e m eo f4 gs y s t e m ，u t i l i z e s t h em 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 ha d o p t e dn xd f t - s o f d mi nu p l i n ka n do f d m a b a s e dc o m p o n e n tc a r r i e r si nd o w n l i n k ，t os u p p o r td i s c o n t i n u o u ss u b c a r r i e rm l o c a t i o ni n l a r g eb a n d w i d t h , b a c k w a r d sc o m p a t i b l ew i t hl t es y s t e m ，a l l o c a t es m a l lf i e q u e n c y r e s o u r c em o r ef l e x i b l ya n di m p r o v es p e c t r u mu t i l i z a t i o n h o w e v e r , t h o s em u l t i p l ea c c e s s t e c h n o l o g i e sa l s oh a v es h o r t a g e s ，s u c ha sh i g h e rp a p rv a l u ec o m p a r i n g 谢也l t e s y s t e m w h e nt h eh i g h e rp a p rv a l u es i g n a lt h r o u g hp o w e ra m p l i f i e r , c a np r o d u c e l i n e a rd i s t o r t i o n , s p e c t r u mi nt h eb a n ds i 弘a li n t e r f e r e n c ea n de x p a n dd i s t o r t i o n c a u s e t h es y s t e mp e r f o r m a n c ed e c l i n e i nt e r m so fb a s es t a t i o ni sm o r es e r i o u s ，b e c a u s et h e m o r es e v e r ep a p rw i l ll a u n c ho fi 江p a r to ft h ea d j a c e n tf f e q u e n c y ，m a yi n t e r f e r ew i m o t h e rs y s t e m s i ti sn o ta l l o w e d n m sp a p rs h o u l db ea sl o wa sp o s s i b l e t h e r e f o r e ，t h e p r o b l e ms h o u l db ec o n s i d e r e di nt h ef u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，w h i c hi st h es t a r t i n g p o i n to f t h i sp a p e r n l ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st or e s t r a i nh i g hp a p rv a l u ei nt h el t e a d v a n c e d s y s t e mw h i l en o ta f f e c t i n gs y s t e m sc o m p l e x i t y , d e c o d i n gp e r f o r m a n c ea n ds p e c t r a l e f f i c i e n c y 1 1 舱m a i nw o r k s a r el i s t e da sf o l l o w s f i r s t l y , s e v e r a lm u l t i p l ea c c e s s t e c h n o l o g i e sb a s e do no f d m ，s u c ha so f d m a a n ds c - f d m aa r ei n v e s t i g a t e d ；t h e n t h em u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g i e so fl t e - a d v a n c e ds y s t e mw e r ea n a l y z e da n dt h e i r a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r ec o m p a r e d f o c u s i n go nt h ep r o b l e mo fp o o rp a p r p e r f o r m a n c ei nt h el t e - a d v a n c e ds y s t e m ，t h ek e yp a p rr e d u c t i o nt e c h n o l o g yb a s e d o no f d m aa n ds c f d m am u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g yw a sa n a l y z e di nt h i st h e s i s t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h i sp a p e rp r e s e n t sa ni m p r o v e da l g o r i t h mn a m e dm i x e d s e g m e n t a t i o np t sa l g o r i t h ma n da p p l i c a t i o no ft h i sa l g o r i t h mt ot h ed o w n l i n km u l t i p l e a c c e s st e c h n o l o g yo fl t e a d v a n c e ds y s t e m s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h m h a b s t r a c t c a ni m p r o v et h ep a p rp e r f o r m a n c eo fi t e as y s t e m 、啊t l ll i t t l ei m p a c to nt h es y s t e m i n u p l i n k , f r e q u e n c yd o m a i ns h a p i n gm e t h o d s i s a p p l i e d t ot h e m u l t i p l e a c c e s s t e c h n o l o g y s h a p e sf u n c t i o nu s e dg e n e r a l i z e da s c e n d i n gc o s i n ef u n c t i o nw i t hb e t ae q u a l t oo 2 t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti tc o u l dr e d u c et h ep a p rv a l u ew i t hl i t t l e i n f l u e n c et ot h es y s t e mp e r f o r m a n c ew h i c hi n c l u d e st h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y , t h e s p e c t r u m u t i l i z a t i o na n dt h ed e c o d ep e r f o r m a n c e ，e t c i th a sb e t t e r f e a s i b i l i t y c o n s e q u e n t l y k e y w o r d s ：l t e - a d v a n c e d ，m m u l t i p l ea c c e s s ，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 e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o i i i 图目录 图目录 图2 1o f d m 系统基本模型框图9 图2 2o f d m 系统中子信道符号的频谱( 经过矩形脉冲成型) 1 0 图2 3o f d m f d m a 示意图13 图2 4d f t o s o f d m 系统发送端信号构成。1 4 图2 5 集中式映射和分布式映射1 4 图2 6 集中式和分布式单载波信号频谱。1 5 图2 7o f d m a 的p a p r 性能1 9 图2 8s c f d m a 的p a p r 性能( 分布式) 2 0 图2 9s c f d m a 的p a p r 性能( 集中式) 2 1 图2 1 0s c f d m a 和o f d m a 系统的p a p r 性能。2 2 图2 1 1n xd f t - s o f d m 实现频谱图2 3 图2 1 2n xd f t - s o f d m 实现框图2 4 图2 1 3 一个u e 的非连续资源块分配2 5 图2 1 4c c 传输结构示意图一2 5 图2 1 5n xd f t - s o f d m 系统的p a p r 性能( 不同r b 数) 2 6 图2 1 6n xd f t - s o f d m 系统的p a p r 性能( 不同b l o c k 数) 2 7 图2 1 74 0 m h z 带宽下o f d m a 系统的p a p r 性能2 8 图3 1 不同u 值时，压缩扩展变换对o f d m 信号的影响3 3 图3 2c 压缩扩展变换的实现框图。3 3 图3 3 经c 压缩扩展变换前后的p a p r 性能3 4 图3 4s l m o f d m 系统基本框图3 5 图3 5 经s l m 算法前后的p a p r 性能3 6 图3 6p t s o f d m 系统基本框图3 7 图3 73 种子载波分割方法3 8 图3 8 经3 种p t s 分割算法前后的p a p r 4 0 图3 9 经p t s 与s l m 算法后的p a p r 对比4 2 图3 1o 混合p t s 算法实现框图4 3 图3 1 1 改进算法与伪随机算法的p a p r 4 4 图3 1 2 混合分割p t s 算法实现框图4 5 图3 1 34 0 m h z 带宽下改进算法的p a p r 性能4 6 图3 1 4e p a 5 h z 环境下采用降峰均比算法同没采用的性能比较4 7 v l 图目录 图3 1 5e v a 7 0 h z 环境下采用降峰均比算法同没采用的性能比较4 8 图4 1 频域频谱成形算法原理框图5 2 图4 2 不同频谱程序函数的p a p r 对比5 5 图4 3 加入频谱成型后的系统框图5 7 图4 4 加入相位优化算法后的系统框图5 8 图4 5 经频域频谱成型算法后的p a p r ( 不同滚降因子) 5 9 图4 6 经相位优化算法后的p a p r 6 0 图4 7 经频域频谱成型算法后的p a p r 6 0 图4 8e p a 5 h z 环境下采用降峰均比算法同没采用的性能比较6 2 图4 9e v a 7 0 h z 环境下采用降峰均比算法同没采用的性能比较6 3 v i i 缩略语 m 3 g p p i m t f d m a t d m a c d m a o f d m w i m 已埙 w i f i i s i a m p s n a 口s t a c s g s m p a c s s d 【a f d d f f t g p r s d f t - s o f d m o p e x m i m o p u c c h p a p r s c f d m a p t s s l m c c 缩略词 l o n gt e r me v o l u t i o n 3 r dg 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 i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 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 nm u l t i p l e x i n g w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v e a c c e s s w i r e l e s sf i d e l i t y i n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m n a r r o w b a n da d v a n c e dm o b i l ep h o n e s e r v i c e t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e p i c t u r ea r c h i v i n ga n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea d d r e s s f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x f a s tf o u r i e rt r a n s f o r i i l g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e d f t s p r e a d i n go r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g o p e r a t i n ge x p e n s e m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t p h y s i c a lu p l i n kc o n t r o lc h a n n e l p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o s i n g l ec a r r i e rf d 队 p a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e s e l e c t e dm a p p i n g c o m p o n e n tc a r r i e r v i h 长期演进 第三代合作伙伴计划 国际移动通信 频分多址 时分多址 码分多址 正交频分复用 全球微波互联接入 无线网络的覆盖 符号间干扰 高级移动电话系统 窄带高级移动电话服 务 全接入通信系统 全球移动通信系统 图片存档及通信系统 空分多址 频分双工 快速傅里叶变换 通用无线分组业务 基于离散傅里叶变换 扩频的正交频分复用 运维成本 多输入多输出 物理上行控制信道 峰均比 单载波频分多址 部分传输序列 选择性映射 载波组元 第一章绪论 第一章绪论 本章主要介绍了本文的研究背景、无线通信系统中基本多址接入技术、 l t e a d v a n c e d 系统，最后介绍了本课题研究的意义以及论文结构。 1 1 本文的研究背景 现代社会已步入信息时代，在各种信息技术中，信息的传输即通信起着支撑 作用。由于人类社会生活对通信的需求越来越高，世晃各国都在致力于现代通信 技术的研究和开发，以及现代通信网的建设中。个人通信时代的到来，对移动通 信系统提出了更高的性能要求，为了有效的利用有限的频谱资源，以满足高速、 大容量的业务需求，移动通信系统无论在技术上，还是在体制上，都经历着巨大 的发展，移动无线信道的随机时变特性，决定了移动通信系统必须采用许多独特 的技术，以克服信号衰变，降低噪声干扰，从而改善系统性能【l 】。 根据3 g p p 标准组织的时间表，第四代移动通信系统最早在2 0 1 5 年才能正式 商用，在这期间为了满足用户的需求和应对市场的挑战，3 g p p 标准组织加速制定 了新的空中接口和无线接入网络标准一t e ( 1 0 n gt e r me v o l u t i o n ) 项目，同时为了 可以满足i m t - a d v a n c e d 的需求，l t e 产业界推出了两大主流技术l t e a d v a n c e d 和8 0 2 1 6 m ，其中3 g p p 的l t e a d v a n c e d 系统以其显著的技术特征，赢得了产业 界的认可，成为最主流的方案1 2 j 。 为了允许多个用户共享有限的频率资源，就需要实现多个用户的信号的正交， 这样各个用户就可以共享无线信道资源，常用的基本多址接入方式包括，f d m a ( 频分多址复用) 、t d m a ( 时分多址复用) 、c d m a ( 码分多址复用) 。他们分别实 现频率、时间和码字的正交。近年来，为了更好的利用无线资源，还可以组合上 述的多址接入方式使用。基于正交频分复用o f d m 能够最大限度的利用频谱资源、 可以有效地减小无线信道的时间弥散性带来的i s i 等诸多优点，因此o f d m 技术 迅速应用到现代移动通信系统中。 1 2 多址技术介绍 多址接入技术( m u l t i p l ea c c e s st e c h n i q u e s ) ：在无线信道中，多个不同地址的 用户间建立通信链路的方法。例如：在移动通信中，许多移动台要同时通过一个 重庆邮电大学硕士论文 基站和其他移动台进行通信，必须区分出是哪个移动台发出来的信号；在卫星 通信中，各个地球站间必须相互区分来自不同站的通信信号。因此在无线通信中， 必须采用某种多址接入技术。多址接入技术是利用信号特征上的差异( 例如利用 信号的工作频率、信号的出现时间以及信号具有的特定波形等) 来区分这些信号 的，它要求各信号的特征彼此独立或正交【1 1 1 2 1 ( 即任意两个信号波形之间的相关函 数等于0 ) 。 1 2 1 常见多址技术 ( 1 ) f d m a - 利用频谱的不同来区分不同的用户，是最早的一种多址接入技 术，主要应用在a m p s 、n a m p s 和t a c s 等第一代移动和卫星通信中。 ( 语音业务和简单的数据业务) ( 2 ) t d m a 利用时间的不同来区分不同的用户，主要应用在第二代通信， 如g s m 、n a d c 和p a c s 等( 数据业务) ( 3 ) c d m a ：利用码字的正交性来区分不同的用户，主要应用于第三代移动 通信中。 ( 4 ) s d m a - 这种技术是利用空间分割构成不同的信道，主要应用于卫星通 信中。 其中( 1 ) ( 2 ) 不能有效地利用频谱资源，进行的只是简单的业务( 主要语 音业务和简单的数据业务) 传输，不能满足人们愈来愈高的需求，( 3 ) 能够有效 的利用频谱，但是未来的4 g 以及以后的5 g 系统将实现高质量、高速率的传输， 则需要更大的带宽，在大带宽的情况下，对接收端的r a k e 接收机要求比较高， 实现比较复杂，而且多径干扰的影响会增加；( 4 ) 以其独特的区分方式，能够得 到广泛的应用，目前t d s c d m a 就应用了该技术【l 】。 1 2 2l t e 、w i m a x 、w i f i 的多址技术 l t e 、w i m a x 和w i f i 在分组数据传输方面均采用了o f d m 技术，而且l t e 和w i m a x 也同时采用了o f d m a 多址接入【3 9 j 。 l t e 技术标准讨论中，专家认为o f d m a 适合完成l t e 下行的要求，却不适 合上行的情况；主要因为o f d m a 信号的p a p r 性能比较差，导致上行覆盖范围 的恶化。通过3 g p p 专家组讨论，l t e 的上行传输方案最终选择的是基于带有循环 前缀的s c f d m a ，s c f d m a 比o f d m a 有较好的p a p r 性能，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，另外，p a p r 特性对于终端功放的 简化也很重要。 2 第一章绪论 w i m a x 在8 0 2 1 6 e 标准中，支持1 2 8 、5 1 2 、1 0 2 4 、2 0 4 8 这4 种不同的可变 子载波数量，并且引入了可扩展o f d m a ( s c a l a b l eo f d m a ) 的概念，即保持子 载波间隔不变，而信号带宽和子载波数量呈正比，在1 2 5 - 2 0 m h z 见灵活调配，从 而使其具备更强的信道均衡能力和抗快衰落能力，以保证w i m a x 终端在移动环 境中使用。 w i m a x 上行和下行均采用o f d m a 技术作为其多址接入方式，每个o f d m a 符号被分成逻辑子信道，从而可支持可扩展性、多址接入、和阵列天线处理，无 限自由的调度和分配可在基站集中控制，使信道可灵活地全部用于上行或下行， 与l t e 类似。 w i f i 无线接入采用了随机接入的竞争机制，比较适合宽带数据业务，而对实 时性要求较高的业务则存在不足，如对语音业务存在时延。其具体的接入机制采 用的是c s m a ( 载波侦听多路访问) 方案。c s m a 本质是一种先听后说的协议， 采用碰撞检测加随机退避的机制来最小化数据间的碰撞，但不能从根本上消除碰 撞，虽然改进型的c t s r t s ( 请求发送清楚发送) 降低了碰撞的几率，但相应地 也增加了开销。 w i f i 接收工作站s t a ( 终端用户) 的地址信息实际上是包含在分组数据中而 在m a c 层( 媒体接入层) 被解释的，从网络的角度来说，w i f i 这样面向分组的 传输具有实现简单的优点，在非广播的模式下每个分组都被发向确定的单个接收 站点，然而，载波侦听复用方案中所采用的随机退避机制实际上是预留了一段空 闲时间，造成了资源的浪费。 尽管l t e 、w i m a x 、w i f i 都采用了o f d m 技术，但是从多址接入机制来讲， 是有所区别的。 l t e 和w i m a x 是从全业务、可运营的角度来设计系统的。传统的移动运营 商希望网络能够在固定的时间段内承载尽可能多的语音、数据和多媒体业务，即 用户提出的网络使用申请越多越好，而且要求业务质量比较高、吞吐量大，因此 对系统的效率和时延要求非常高。此时，比较可行的接入机制是动态按需分配机 制，这就是需要一个集中的调度器，根据网络及用户分布情况分配无线资源。而 w i f i 最初是作为无线局域网提出，而且其占用的是免费频段，所以没有考虑太多 这方面的问题，其采用的基本接入机制属于随机竞争类，当然，w i f i 的可选接入 机制中也包括了轮询方式以保证q o s 。 l t e 和w i m a x 的下行多址接入技术均采用了o f d m a 技术，w i m a x 的上 行也采用了o f d m a ，而l t e 为简化终端设计，在上行采用了s c f d m a 技术。 o f d m a 在网络效率和业务时延方面要优于w i f i 传统的基于分组的时间复用技 术。 重庆邮电大学硕士论文 目前，多址接入技术还需要考虑的一个问题是如何降低峰均比，提的最多的 是针对o f d m 的降峰均比算法，而由于d f t - s o f d m 本身峰均比较低，因此在这 个基础上的降峰均比技术研究较少，但是，d f t - s o f d m 衍生的两种方法( n x d f t - s o f d m 、c l u s t e r e dd f t - s o f d m ) 会提高其p a p r ，针对这两种情况下的降 峰均比技术还需要深入的研究，在l t e 中，提案中提的较多的为频域频谱成形方 法，其中滚降因子和成形滤波器的选择是关键。本文将对由d f t - s o f d m 衍生的 方案进行降峰均比研究。 1 3 l t e a d v a n c e d 系统关键技术及商用前景 从3 g 到4 g 的平滑过渡需要从接入技术、传输技术和网络架构三个方面分别 予以考虑。为了满足i m t - a d v a n c e d 的各种需求指标，3 g p p 针对l t e a d v a n c e d 提出了几项关键技术，包括载波聚合、多点协作、无线中继、增强的多天线技 术等【l5 1 。下面分别做简单介绍： 1 ) 载波聚合 l t e a d v a n c e d 支持连续载波聚合以及频带内和频带间的非连续载波聚合， 最大能聚合带宽可达1 0 0 m h z 。为了在l t e a d v a n c e d 商用初期能有效利用载 波，即保证l t e 终端能够接入l t e a d v a n c e d 系统，每个载波应能够配置成与 l t e 后向兼容的载波，然而也不排除设计仅被l t e a d v a n c e d 系统使用的载波。 目前3 g p p 组织根据运营商的需求识别出了1 2 种载波聚合的应用场景，其 中4 种作为近期重点分别涉及到f d d 和t d d 的连续和非连续载波聚合场景。 在l t e a d v a n c e d 的研究阶段，载波聚合的相关研究重点包括连续载波聚合的 频谱利用率提升，上下行非对称的载波聚合场景的控制信道的设计等。 2 ) 多点协作 多点协作分为多点协调调度和多点联合处理两大类，分别适用于不同的应 用场景，互相之间不能完全取代。多点协调调度的研究主要是集中在和多天线 波束赋形相结合的解决方案上。 在3 g p p 最近针对i t u 的初步评估中，多点协作技术是唯一能在基站四天 线配置条件下满足所有场景的需求指标的技术，并同时明显改进上行和下行的 系统性能，因此多点协调的标准化进度成为3 g p p 提交的4 g 候选方案和面向 i t u 评估的重中之重。 3 ) 无线中继 l t e - a 系统容量要求很高，这样的容量需要较高的频段。为了满足下一代 4 第一章绪论 移动通信系统的高速率传输的要求，l t e a 技术引入了无线中继技术。用户终 端可以通过中间接入点中继接入网络来获得带宽服务。减小无线链路的空间损 耗，增大信噪比，进而提高边缘用户信道容量。无线中继技术包括r e p e a t e r s 和r e l a y 。 r e p e a t e r s 是在接到母基站的射频信号后，在射频上直接转发，在终端和基 站都是不可见，而且并不关心目的终端是否在其覆盖范围，因此它的作用只是 放大器而己。它的作用仅限于增加覆盖，并不能提高容量。r e l a y 技术是在原 有站点的基础上，通过增加一些新的r e l a y 站( 或称中继节点、中继站) ，加大 站点和天线的分布密度。这些新增r e l a y 节点和原有基站( 母基站) 都通过无 线连接，和传输网络之间没有有线的连接，下行数据先到达母基站，然后再传 给r e l a y 节点，r e l a y 节点再传输至终端用户，上行则反之。这种方法拉近了天 线和终端用户的距离，可以改善终端的链路质量，从而提高系统的频谱效率和 用户数据率。 4 ) 增强的多天线技术 多天线是l t e 的一种关键技术，主要包括波束赋形和空间复用两种。众所周 知，在l t e 系统中，多天线最大支持的4 x 4 的传输，在下行链路中配置特定小区 参考信号，并使用基于码本的预编码技术，这种结构同时支持最大为4 层的空间 复用和基于码本的波束行 4 1 。如前文所述，l t e a 系统最大支持1 0 0 m 的带宽，那 么根据现有的l t e 系统的复用方式，应该能支持的峰值速率可达1 5 g b i t s ，这将 大大的满足了l t e a 系统要求，但是，对于接收端来讲，空间复用层数比较大时 候，主要用在信道环境比较好的情况下，比如具有较高的信噪比环境。并且，l t e a 更重要的目标将数据传输速率提高上去。因此，增加复用的层数不比提高接收端 信噪比的波束赋形和利用空间复用技术的改进效果更好。 4 g 是l t e 和w i m a x 技术的自然演进，即l t e a d v a n c e d 和8 0 2 1 6 m 。从目 前形势看，8 0 2 1 6 e ( 移动w i m a x ) 在全球的发展远低于产业预期，各国对 8 0 2 1 6 m ( w i m a x 演进技术) 的后续发展也有不同的预测。w i m a x 欧洲之旅也屡遭 碰壁，英国b t 等运营商已将目光转向l t e ，对于设备商所提供的以l t e 架构设 计的8 0 2 1 6 m 系统不为所动。除美国s p r i n t 外，w i m a x 更多地被边远、岛屿国家 和新兴运营商所欢迎。 两大类4 g 标准代表了不同厂商的支持。支持l t e a d v a n c e d 的运营商有中国 移动、美国a t & t 、日本n t t 、韩国k t 、德国电信、法国电信等，华为、中兴、 诺基亚、爱立信等设备制造商也支持l t e a d v a n c e d 。8 0 2 16 m 从w i m a x 技术演 进而来，英特尔、思科以及日本的k d d i 等支持该标准。 2 0 0 9 年1 0 月1 4 日至2 1 日，国际电信联盟在德国德累斯顿举行i t u rw p 5 d 重庆邮电大学硕士论文 工作组第6 次会议，l t e a d v a n c e d 入围，包含t d d 和f d d 两种制式。 2 0 1 0 年1 0 月1 8 日在重庆举行的i t u 会议上，最终确定了i m t - a d v a n c e d ( 4 g ) 标准，经与会代表一致讨论，目前已基本确定为8 0 2 1 6 m 和l t e - a d v a n c e d 两大类 ( 融合为f d d 和t d d 两种制式的4 个标准) 为4 g 标准。 2 0 1 1 年0 2 月1 5 日，在西班牙巴塞罗那召开的世界移动通信大会上，印度、 日本、美国、欧洲等多个国家和地区的运营商都宣布将采用t d l t e 技术建设4 g 网络。 国际电信联盟副秘书长赵厚麟说，国际电联很可能在2 0 1 2 年l ，2 月份确定 4 g 标准。据参会的其它业内人士透露，中国可占先机的l t e 成为4 g 标准已“没有 悬念”。 1 4 课题研究的意义及论文安排 近年来，随着3 g 系统逐步进入商用，各国都开始加大对下一代移动通信系统 的研究力度。下一代无线通信系统被认为是比3 g 具有更高传输速率的系统，并且 在各种信道环境下仍能为用户提供各种业务。要获得更高的数据速率，现有多址 接入技术却由于存在一些固有的问题变得难以实现【5 j ，具体来说，对于d s c d m a 系统，当宽带高数据速率传输时，由于系统带宽远远大于相关带宽，大量衰落路 径会出现，此时r a k e 接收机就变得非常复杂而很难实现，从而导致接收端不能获 得足够的分集增益。因此，要获得更高的传输质量、传输速率和频谱利用率，必 须采用新的多址技术来代替现有技术，由此人们开始关注o f d m 系统，希望通过 这种方法来解决高速信息流在无线信道中的传输问题，从而满足带宽要求更高的 各种多媒体业务，并达到更快的网络浏览速度。 基于以上分析，本文主要研究目前4 g 候选方案中的多址技术，并综合考虑目 前讨论的热点多址技术的优缺点以及与l t e 的向后兼容性，针对性地进行改进。 因此，本文的目的是在l t e a d v a n c e d 的多址方案的基础上，针对其接入方案的 p a p r 值较l t e 系统高，对目前的降峰均比技术进行学习和研究，对上下行降峰均 比技术分别进行研究，将某些算法进行改进，应用到系统中，利用m a t l a b 软件 仿真，并综合考虑链路的性能( 譬如：实现复杂度、频谱利用率、b e r 性能等) ， 最后以达到降低p a p r 的目的，为未来移动通信系统提供参考。 第二章简单介绍了o f d m 技术，然后研究了基于o f d m 的多址方案，将 o f d m a 和s c f d m a 方案的原理、结构特点进行了对比，并对l t e a d v a n c e d 中 6 第一章绪论 的上下行多址技术的原理、形成过程、结构特点进行了总结分析。以l 1 m 系统的 参数为仿真条件，对o f d m a 和s c f d m a 信号进行了p a p r 性能的仿真分析， 另外，也将l t e a d v a n c e d 系统的多址方案进行了p a p r 性能的仿真，最后，针对 目前的主要降峰均比技术，主要对基于o f d m 信号和s c f d m a 信号的降峰均比 算法进行了研究。 第三章以l t e a d v a n c e d 系统下行多址方案为基础，将压缩扩展变换算法、选 择性映射算法、部分传输序列算法应用到系统中，进行降峰均比设计与实现。最 后，提出改进的p t s 算法混合分割p t s 算法，仿真得出改进算法，在对系统 的链路译码性能、频谱利用率造成不大影响的前提下，能很好的减低系统的p a p r 值和系统的计算复杂度，并且实现较简单，具有较高的可行性。 第四章以l t e a d v a n c e d 系统上行多址方案为基础，首先研究了频域频谱成型 算法、相位优化算法。通过仿真看出相位优化算法对系统的p a p r 性能改善并不明 显，本章节主要对频域频谱成型算法进行了研究，并对三种成型函数进行了分析 与仿真，最后选择广义升余弦