（通信与信息系统专业论文）lteadvanced物理层仿真平台设计与实现.pdf

摘要 摘要 l t e a d v a n c e d 作为候选4 g 标准之一，引起了3 g p p 产业界的广泛关注，是 当前研究的热点。l t e a d v a n c e d 标准化工作在2 0 0 9 年9 月已完成研究阶段，目前 i t u r 开始进行评估和一致性构建。我国已经积极参与到l t e a d v a n c e d 标准化相 关工作中。为了满足l t e a d v a n c e d 标准化工作的研究需要，建立一个有效的仿真 系统平台是首要任务。其次，l t e a d v a n c e d 标准化工作主要集中在物理层方面， 其中增强型m i m o 技术是尤为值得关注的研究重点。因此，本论文将基于以上提 到的两点来开展工作。 首先，论文根据l t e a d v a n c e d 标准化工作需求，以i t u ri m t - a d v a n c e d 信 道模型为基础设计了一个l t e a d v a n c e d 物理层仿真系统平台，其包括了完整的系 统平台设计及实现方法。 其次，论文针对l t e a d v a n c e d 中增强型m i m o 的需求，在r e l e a s e8l t e 发 射分集方案基础上，从编码、相关性和兼容性等角度出发考虑给出了l t e a d v a n c e d 的一种下行发射分集扩展方案。通过对该发射分集方案的理论分析与仿真结果对 比，从一个方面验证了所设计仿真平台的可行性。基于本仿真平台，本文对 l t e a d v a n c e d 中基于m i m o 的分集技术和复用技术进行了仿真评估。 最后，由于l t e a d v a n c e d 系统中增强型m i m o 的引入，使l t e a d v a n c e d 中 必须考虑额外参考信号的设计。论文根据相关文献资料分析了l t e a d v a n c e d 中解 调参考信号的设计要求，综合系统开销、复杂度、兼容性以及性能等方面考虑给 出了一种相对简单的下行解调参考信号设计方案，并进行了仿真验证。 关键字：l t e a d v a n c e dm i m o 发射分集参考信号 a b s t r a c t a b s t r a c t l t e - a d v a n c e d ，勰o n eo ft h ec a n d i d a t e4 gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d s ，h a s c a u s e dw i d e s p r e a da t t e n t i o ni n3 g p pi n d u s t r y i t sah o tr e s e a r c hc u r r e n t l y r 1 1 l er e s e a r c h p h a s eo fl t e a d v a n c e ds t a n d a r d i z a t i o nw o r kh a sb e e nc o m p l e t e di ns e p t e m b e r2 0 0 9 c u r r e n t l y , n u - rb e g i n st oe n t e ri n t h ep h a s eo fa s s e s s m e n ta n dc o n s i s t e n c y c o n s t r u c t i o n c h i n ah a sp a r t i c i p a t e di n t h er e l e v a n tw o r ko fs t a n d a r d i z a t i o np r o c e s s a c t i v e l y i no r d e rt om e e tt h en e e do fl t e - a d v a n c e ds t a n d a r d i z a t i o n ，t h ef i r s tt a s ki st h e e s t a b l i s h m e n to fas y s t e ms i m u l a t i o np l a t f o r m s e c o n d l y , t h es t a n d a r d i z a t i o np r o c e s so f l t e a d v a n c e dw a sm a i n l yc o n c e n t r a t e do nt h ep h y s i c a ll a y e r , e s p e c i a l l yo ne n h a n c e d m i m o t e c h n o l o g y , w h i c hi st h et o pp r i o r i t y b a s e do nt h ea b o v e - m e n t i o n e di s s u e s ，t h e m a i nc o n t r i b u t i o n sa n di n n o v a t i o n si nt h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , f o rt h er e q u i r e m e n to fl t e - a d v a n c e ds t a n d a r d i z a t i o np r o c e s s ，as y s t e r n s i m u l a t i o np l a t f o r mh a sb e e nd e s i g n e db a s e do nt h en u - ri m t - a d v a n c e dc h a n n e l m o d e l ，w h i c hi n c l u d e st h ed e t a i ld e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d s e c o n d l y , t om e e tt h er e q u i r e m e n to ft h ee n h a n c e dm i m o i nl t e - a d v a n c e d ，a l t e - a d v a n c e dd o w n l i n kt r a n s m i s s i o nd i v e r s i t ye x t e n d e dp r o g r a m ，b a s e d o n t r a n s m i s s i o nd i v e r s i t ys c h e m e so f r e l e a s e 一8l t e ，h a sb e e ng i v e nc o n s i d e r i n gf r o mt h e e n c o d i n g ，r e l e v a n c e ，c o m p a t i b i l i t ye t c a s p e c t s i na d d i t i o n , t h i st h e s i st e s t sa n dv e r i f i e s t h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g n e ds y s t e ms i m u l a t i o np l a t f o r mt h r o u g hc o m p a r i n gt h et h e o r y a n a l y s i sw i t ht h e s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ep r o p o s e dt r a n s m i s s i o nd i v e r s i t ys c h e m e b a s e do nt h i ss i m u l a t i o np l a t f o r m ，t h et r a n s m i s s i o nd i v e r s i t yt e c h n o l o g ya n d m u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g yi nl t e a d v a n c e dh a v eb e e ne s t i m a t e ds y s t e m a t i c a l l y i nt h ee n d ，t h ei n t r o d u c t i o no fe n h a n c e dm i m oi nl t e a d v a n c e ds y s t e mh a s g i v e nr i s et ot h ed e s i g no ft h ea d d i t i o n a lr e f e r e n c es i g n a l s f o rt h er e q u i r e m e n to f t h e d e m o d u l a t i o nr e f e r e n c es i g n a l so fl t e a d v a n c e db a s e do nr e l e v a n tl i t e r a t u r ea n a l y s i s ， as i m p l em e t h o do ft h ed o w n l i n kr e f e r e n c es i g n a l sd e s i g nh a sb e e ng i v e n ，c o n s i d e r i n g t h eo v e r h e a d ，c o m p l e x i t y , c o m p a t i b i l i t ya n dp e r f o r m a n c et o g e t h e r k e y w o r d s ：l t e a d v a n c e d ，m i m o ，t r a n s m i s s i o nd i v e r s i t y , r e f e r e n c es i g n a l i i i 插图索引 插图索引 图2 1 物理层下行发送端的基本框图6 图2 2 物理层下行接收端的基本框图6 图2 3 系统仿真流程8 图2 4 加扰模块实现流程9 图2 5 调制模块实现流程1 0 图2 6q p s k 实现流程1 0 图2 7 一对二串并变换映射实现流程1 2 图2 8 空间复用层映射实现流程1 2 图2 9 预编码实现流程1 2 图2 1 04 天线端口时空间复用的编码码本矩阵计算1 3 图2 1 l 统一的资源元映射方法流程1 4 图2 1 2 伪随机序列实现流程。( a ) 总体流程，( b ) 生成毛( 聊) 流程，( c ) 生 成x 2 ( m ) ，( d ) 整数化为二进制序列函数流程1 5 图2 1 3 小区参考信号产生实现流程1 6 图2 1 4 参考信号映射实现流程1 7 图2 1 5l m i s r e f e r s i g n a l p o s t i o n 的实现流程1 8 图2 1 6o f d m 调制输入数据组织2 0 图2 1 7 一帧数据的o f d m 调制实现流程2 0 图2 1 8 一帧中各o f d m 的c p 长度计算流程2 1 图2 1 9 单个o f d m 调制模块系统框图2 1 图2 2 0 单个o f d m 调制流程2 l 图2 2 1o f d m 调制输入数据重新排序的实现流程2 2 图2 2 2 循环前缀示意图2 2 图2 2 3 附循环前缀操作流程2 2 图2 2 4o f d m 解调模块系统框图2 3 图2 2 5 以帧为单位的o f d m 解调实现流程2 3 图2 2 6 单个o f d m 解调实现流程2 4 图2 2 7 去c p 操作实现流程2 4 图2 2 8 符号逆重组操作实现流程2 4 图2 2 9 信道估计模块总体流程2 5 图2 3 0 资源元逆映射实现流程2 6 图2 3 l 信道模型建立过程2 8 图2 3 2 信道系数生成过程2 8 图2 3 3 信道模块总体流程2 8 图2 3 4 信道系数生成流程2 9 图2 3 5 信道场景选择处理通用结构2 9 图2 3 6 信道作用数据过程流程3 0 图3 1 基于m i m o - o f d m 系统的数据收发示意图3 5 图3 2 码字解码流程3 6 图3 3 发射分集性能比较3 7 i 重庆邮电大学硕士论文 图3 4 发射分集在u m in l o s 场景中不同速度下的性能比较3 8 图3 5 发射分集在u m il o s 场景中不同速度下的性能比较3 9 图3 6 发射分集在u m an l o s 场景中不同速度下的性能比较3 9 图3 7 发射分集在u m al o s 场景中不同速度下的性能比较4 0 图3 8 发射分集在r m an l o s 场景中不同速度下的性能比较4 0 图3 9 发射分集在r m al o s 场景中不同速度下的性能比较4 1 图3 1 0 发射分集在u m in l o s 与l o s 场景下的性能比较4 1 图3 1 l 发射分集在u m an l o s 与l o s 场景下的性能比较4 2 图3 1 2 发射分集在r m an l o s 与l o s 场景下的性能比较4 2 图3 1 3 发射分集在i n hn l o s 与l o s 场景下的性能比较4 3 图3 1 4 发射分集在各种n l o s 场景下的性能比较4 3 图3 1 5 空间复用在u m in l o s 场景中不同接收机不同速度下的性能比较4 4 图3 1 6 空间复用在u m il o s 场景中不同接收机不同速度下的性能比较4 5 图3 1 7 空间复用在u m an l o s 场景中不同接收机不同速度下的性能比较4 5 图3 1 8 空间复用在u m al o s 场景中不同接收机不同速度下的性能比较4 6 图3 1 9 空间复用在r m an l o s 场景中不同接收机不同速度下的性能比较4 6 图3 2 0 空间复用在r m al o s 场景中不同接收机不同速度下的性能比较4 7 图3 2 1 空间复用在u m in l o s 与l o s 场景下的性能比较4 7 图3 2 2 空间复用在l i m an l o s 与l o s 场景下的性能比较4 8 图3 2 3 空间复用在r m an l o s 与l o s 场景下的性能比较4 8 图3 2 4 空间复用在i n hn l o s 与l o s 场景下的性能比较4 9 图3 2 5 空间复用在各种场景中的性能比较4 9 图3 2 6 空间复用i n hn l o s 场景下不同复用率的性能比较5 0 图3 2 7 空间复用i n hn l o s 场景下不同调制的性能比较5 1 图3 2 8 空间复用i n hn l o s 场景下不同码本的性能比较5 1 图4 1 下行参考信号在一个资源块一个子帧中的资源元映射5 6 图4 2i n hl o s 场景下不同参考信号设计方案的性能比较5 8 图4 3i n hn l o s 场景下不同参考信号设计方案的性能比较5 9 v i 主要符号对照表 复数的共轭 表示x 的估计值 黑体大写字母表示矩阵 矩阵的逆 矩阵的伪逆 矩阵的复共轭转置 一个时隙中第，个o f d m 符号在第p 端口上的基带信号 对于天线端口p ，资源元( 七，) 上的值 下行链路资源块数目 一个资源块中子载波数目 i x 一 + j 日 ，j ) u。石舅x盯扩州柑惜 英文缩写表 x i 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 在l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ，长期演进技术) 标准基础上，l t e a d v a n c e d 的标准化进程引起了3 g p p 产业界的广泛关注，是当前研究的热点。l t e a d v a n c e d 标准化工作主要集中在物理层方面，其中基于多输入多输出的发射与接收技术是 尤为值得关注的研究重点。 3 g p p 产业界在经过了几年全力以赴的l t e 技术研发后，已经具有相当明显的 4 g 技术特征，只要在其基础上作适当增强，就可以满足i m t - a d v a n c e d 的需求。 出于这种考虑，l t e a d v a n c e d 一定会作为在l t e 基础上的平滑演进。基于这样一 种定位，l t e a d v a n c e d 系统应自然的支持原l t e 的全部功能，并支持与l t e 的前 后向兼容性，即r l e a s e 8l t e 的终端可以接入未来的l t e a d v a n c e d 系统， l t e a d v a n c e d 终端也可以接入r l e a s e 8l t e 系统。目前，在l t e 中所支持的m i m o 技术，下行方向上可以配置2 根或者4 根发射天线，以及2 根或者4 根接收天线， 允许最大4 个流的多层传输。相对于l t e 而言，l t e a d v a n c e d 对多项系统指标提 出了更高的要求，其中主要表现在兼容性、特定场景优化、峰值速率与频谱效率 等方面 1 】。为了达到峰值频谱效率要求，l t e a d v a n c e d 系统考虑了更高阶的天线 配置，即在下行方向上支持8 根发射天线以及8 根接收天线。 l t e a d v a n c e d 中关于下行增强型m i m o 的讨论引发了一个问题，即是否为支 持下行8 天线端口传输的用户终端( u t ) 定义一种具体的8 t x 发射分集( 8 t x d ) 方案。一些公司指出8 - t x d 方案不太可能带来增益，因此有待于在实践中验证 2 ，3 ， 4 】。文献【5 】中给出了几种8 t x 发射分集方案，文献 6 中对r e l e a s e 一8l t e 中的4 - t x 发射分集及文献 5 】中给出的8 t x 发射分集方案进行了仿真对比，并指出在 l t e a d v a n c e d 中引入8 t x 发射分集方案具有合理性与必要性。在文献 5 】的基础 上，文献 7 中通过引入d f t 和r e g r o u p i n g 模块来提高系统性能。另外，文献 8 】 通过引入预编码矩阵来实现由4 t x 分集到8 t x 分集的扩展。实际上，【6 , 7 ，8 都是 基于s f b c + f s t d 的8 一t x 发射分集方案。然而，文献 6 ， 7 】， 8 都存在复杂度，兼 容性以及性能等方面的问题。 空间复用也是增强型m i m o 的重要方面，可以提供很高的频谱效率。空间复 用的顸编码m i m o 技术，可以有效的实现空间复用，文献【9 】对基于码本的预编码 m i m o 及其接收技术进行了论述。当发送端可以得到可靠的信道信息时，可以通 重庆邮电大学硕士论文 过线性预编码来实现空间复用。线性预编码需要完整的信道状态信息 1 0 ，1 1 、一阶 统计信息 1 2 ，1 3 或二阶统计信息 1 4 1 9 。这些信息的获取在f d d 系统中是很难实 现的，而通过提供预先设计好的预编码码本集，在接收端根据所测量到的信道状 态信息并根据一定的选择算法选择出合适的预编码码本，然后把相应码本的索引 反馈到发送端，可以极大地减少系统的反馈信息。基于此，大量的预编码码本设 计方法 2 0 2 7 被提出。 2 8 】中给出了l t e a d v a n c e d 中8 t x 传输的码本要求和设计 准则，【2 9 中对系统中码本个数的选取进行了测试，【3 0 ，3 1 】中分别具体给出了8 t x 传输的码本设计方法。文献 3 2 ，3 3 ，3 4 ，3 5 给出了具体的8 t xm i m o 码本设计。 高阶m i m o 的引入，也必将引起参考信号的改变。目前，已经有许多文献针 对l t e a d v a n c e d 中参考信号( r s ) 的设计进行了考虑 3 6 ，3 7 ，3 8 。但这些文献中 都存在着系统开销、复杂度、兼容性以及性能等方面的问题。 在信道方面，3 g p p 首先在t r 2 5 9 9 6 中提出s c m 信道模型 3 9 】，但随着l t e 的演进以及l t e a d v a n c e d 的提出，载波频率与系统带宽有了更高的要求，s c m 模 型不再满足技术评估的要求。基于此，业界又提出了s c m e 4 0 ，w i n n e r 4 1 等 无线信道模型，文献 4 2 】对s c m 、s c m e 和w i n n e r 信道模型进行了详细的分析 对比。在丹佛举行的第2 0 次i t u r w p 8 f 会议上讨论并通过了由爱立信、诺基亚 和西门子联合提交的关于i m t - a d v a n c e dm i m o 信道模型【4 3 】。该信道模型是从 w i n n e r 信道模型发展而来，只是对应用场景进行了重新定义并对各个场景的参 数做了相应的改动，其基本的建模方法没有发生变化，采用的是基于几何统计建 模方法。本论文将基于i m t - a d v a n e e d 信道模型来搭建l t e a d v a n c e d 物理层仿真 系统平台。 在此需要特别说明的是本论文工作主要是针对l t e a d v a n c e d 的一些标准讨 论，该工作是一个动态的，特别是一些关键技术还在不断讨论中。另外，由于仿 真平台目前大多研究单位和公司不公开，从仿真平台搭建的角度看，这方面的研 究现状说明相对较少。 1 2 论文结构安排 本文主要以l t e a d v a n c e d 的标准化工作作为背景，以研究标准、跟踪标准和 提交标准提案为目的，对l t e a d v a n c e d 物理层关键技术展开了工作，具体主要工 作和相关内容如下： 论文第二章针对l t e - a d v a n c e d 的标准化需求，以i t u - ri m t - a d v a n c e d 信道 模型为基础设计了一个l t e a d v a n c e d 物理层仿真系统平台。本章首先分析了 l t e - a d v a n c e d 系统结构，然后根据其系统结构将本仿真系统平台分成许多功能模 2 第一章绪论 块来逐一实现，从而方便各功能模块中不同算法或方案的替换和比较。针对每个 功能模块本章都给出了详细说明以及具体实现流程。 论文第三章简要分析了现有m i m o 技术及l t e a d v a n c e d 系统中的增强型 m i m o 技术，并针对l t e 中的发射分集技术深入分析了增强型m i m o 的发射分集 技术且给出了一种扩展方案，通过对该发射分集方案的理论分析与仿真结果对比， 从一个方面测试了第二章所设计仿真系统平台的可行性。另外，本章还以第二章 所搭建的仿真平台为基础系统地对l t e a d v a n c e d 中基于m i m o 的发射分集技术 和空间复用技术进行了仿真评估。 论文第四章分析了l t e a d v a n c e d 中参考信号的设计要求，并给出了一种相对 简单的下行解调参考信号设计方案。针对所给出的下行解调参考信号设计方案， 本章对系统开销、复杂度、兼容性以及性能等方面进行了理论分析，并给出仿真 结果进行了验证。 论文第五章对全文的工作进行了总结，并根据现有研究思路及近期相关文献 给出了后续工作的研究方向。 第二章l t e - a d v a n c e d 仿真设计与实现 第二章l t e - a d v a n c e d 仿真设计与实现 l t e a d v a n c e d 是拟向国际电信联盟无线部门( r r u r ) 提交的4 g 标准之一， 2 0 0 9 年9 月已完成研究阶段( s i ，s t u d yr e m ) 。目前，i t u - r 开始进行评估和一致 性构建( c o n s e n s u sb u i l d i n g ) ，之后将进入规范起草过程，当这个过程于2 0 1 1 年 初结束时，l t e a d v a n c e d 工作阶段( w i ，w o r ki t e m ) 也将基本完成。我国目前已 积极参与到l t e a d v a n c e d 标准化相关工作中。 为了满足l t e a d v a n c e d 标准化工作以及无线通信系统理论研究的需要，搭建 起一套计算机仿真系统平台无疑是极为重要的。一个好的仿真系统平台，一方面 可以有效地对理论研究结果进行仿真验证，另一方面也可以大大缩短从理论研究 到系统实现之间的距离，从而加速从理论到实践的转化。 本章以r e l e a s e8l t e 为基础，提供了一套完整的l t e a d v a n c e d 物理层仿真 系统平台的设计方法。基于先前l t e 工作，本论文根据l t e a d v a n c e d 标准化工作 的需要，在本仿真系统中给出了一些通用的设计模块以满足理论研究的灵活性， 从而方便理论研究中对算法的改进与替换。如r e l e a s e8l t e 中给出了天线配置最 高为4 i x 的参考信号映射方法，而在l t e a d v a n c e d 中，则要求支持的最高天线 配置为8 t x 。本文所给出的仿真平台提供了一个通用的参考信号映射框架，对于 不同的参考信号设计，只需改动具体的参考信号生成与映射算法部分即可，从而 大大方便了理论研究。 本章主要工作如下： 1 ) 对r e l e a s e8 中l t e 物理层关键技术进行了系统分析，并在其物理层系统 结构基础上，提供了一种可实现的l t e a d v a n c e d 物理层接收端的系统结构； 2 ) 以i t u - ri m t - a d v a n c e d 信道模型为基础对l t e a d v a n c e d 物理层仿真系统 中所涉及的各功能模块进行了概要设计与详细设计。 2 1 系统结构 系统结构是搭建整个仿真系统平台及开展理论研究工作的基础。本节将以 r e l e a s e 一8l t e 物理层系统结构为基础，给出一种可行的l t e - a d v a n c e d 物理层下 行系统结构。本系统结构分为发送端、接收端及信道三部分，下面将分别对其进 行详细阐述。 重庆邮电大学硕士论文 2 1 1 发送端 在实现l t e 到l t e a d v a n c e d 系统的扩展中，主要是引入了高阶m i m o 。两 者的总体系统框图基本一致，因此我们采用了3 g p p 协议3 6 2 1 1 中给出的l t e 物 理层下行发送端的基本框架( 图如2 1 ) 。 图2 1 物理层下行发送端的基本框图 在图2 1 中，通过层映射与预编码共同完成m i m o 的功能：层映射首先把要 传输的每一码字的复值调制符号映射到一个或多个层，从而完成串并变换并控制 空间复用的复用率，然后通过预编码来实现具体的m i m o 编码操作。 2 1 2 接收端 与发射端的各个模块相对应，在接收端都有相应的逆过程，另外还需要加入 如同步、信道估计等模块。在3 g p p 协议中没有给出具体的接收方案，本论文鉴于 移动终端体积、功耗与成本的限制，这里给出一种简单可行的下行接收端系统框 图( 如图2 2 所示) 。 图2 2 物理层下行接收端的基本框图 在接收端接收的信号，首先送至o f d m 解调器中进行o f d m 解调，然后进行 信道估计并完成资源元逆映射操作，之后数据送至m i m o 接收机。m i m o 接收机 把预编码的逆过程作为信道均衡器的组成部分进行实现。m i m o 接收机的输出数 据再通过逆层映射、解调、解扰等操作，从而恢复发射端的发射信号。 2 1 3 信道 信道性能的好坏决定着人们通信的质量，因此要想在有限的频率资源上尽可 6 第二章l t e a d v a n c e d 仿真设计与实现 能地高质量、大容量传输有用的信息就要求研究人员十分清楚地了解信道的特性。 然后根据信道的特性采取一系列的抗干扰和抗衰落措施，来保证传输质量和传输 容量等方面的要求。所以说，移动无线信道是一切移动通信技术的发源和最终归 宿。 3 g p p 在t r 2 5 9 9 6 中提出的s c m 信道模型是为载频2 g h z 、带宽5 m h z 系统 设计的，它是一个随机信道模型。其基本原理是利用统计方法得到信道特性，如 通过时延扩展、角度扩展等来获得信道系数并通过在公式中引入天线间距来得到 信道之间的相关性。 随着l t e 的演进以及l t e a d v a n c e d 的提出，载波频率与系统带宽有了更高 的要求，从而s c m 模型不再满足技术评估的要求，如l t e a d v a n c e d 中要求支持 系统带宽达到1 0 0 m ，而s c m 最高只支持5 m 带宽。基于此，业界又提出了 s c m e 4 0 ，w i n n e r 4 1 等无线信道模型。s c m e 信道模型是s c m 信道模型的扩 展；w i n n e r 信道模型的原理以及建模方法同s c m e 一样，所采用的是射线叠加 法，它利用信道在移动台和基站周围散射体组的统计特性，来模拟实际电磁波的 反射、折射等，从而实现对实际信道的模拟。 4 2 d p 对s c m 、s c m e 和w i n n e r 信道模型进行了详细的分析对比。 在丹佛举行的第2 0 次i t u r w p 8 f 会议上讨论并通过了由爱立信、诺基亚和 西门子联合提交的关于i m t - a d v a n c e dm i m o 信道模型 4 3 】。该信道模型是从 w i n n e r 信道模型发展而来，只是对应用场景进行了重新定义并对各个场景的参 数做了相应的改动，其基本的建模方法没有发生变化，采用的是基于几何统计建 模方法。模型中载波频率指定在2 g h z 到6 g h z 频段，对于农村宏蜂窝场景，可使 用更低的频率4 5 0 m h z 。本论文将基于i m t a d v a n c e d 信道模型来搭建仿真系统平 台。 2 2 仿真系统概要设计 根据2 1 节分析的物理层系统结构，可以相应地得到具体的仿真流程如图2 3 所示。整个仿真过程包括两层循环，外层循环是针对信噪比s n r 的循环，内层循 环对应于每一次仿真迭代( 在本系统平台中迭代次数就是帧数) ，在循环体内部对 各s n r 取值时的b e r 性能进行仿真。对于一次仿真迭代过程，首先产生二进制信 源数据，然后进行扰码、调制、m i m o 编码、资源元及参考信号映射、o f d m 调 制操作，之后把已调信号送入衰落及加性噪声信道。至此，发射过程也就完成了。 接下来是接收过程，即发射过程的逆过程。在接收过程中，信号首先通过o f d m 解调，再进行信道估计及资源元逆映射操作，之后进入m i m o 译码模块进行m i m o 重庆邮电大学硕士论文 译码，最后是解调与解扰。逆向操作完成之后，进行b e r 的计算操作，并依次迭 代。l t e 物理层仿真系统平台中参数及函数功能说明见附录。 图2 3 仿真流程 2 3 发送端各模块设计与实现 在2 2 节中已给出了仿真系统的概要设计，在此基础上，本节将给出各个子模 块的详细设计方法。在这里，需要说明的是：仿真系统的详细设计是一个非常复 杂的过程，本节只是对其最核心的部分进行了阐述。 2 3 1 加扰模块 对于每一个码字g ，比特块6 4 ( o ) ，b 9 ( 峨：- 1 ) ，在调制前应先进行加扰操 第二章l t e - a d v a n c e d 仿真设计与实现 作，从而得到一个扰码后的比特块：占a ( o ) ，6 ( g ( 刎一1 ) ，其加扰方法为： 6 宁o ) = ( b q ( f ) + ，( 训r o o d 2 式( 2 1 ) 其中蛾表示一个子帧中物理信道上传输的码字g 的比特数，加扰序列c q ( i ) 由文献 4 4 】的7 2 节给出。在一个子帧中最多可以传输两个码字，即q 0 , 1 。在传 输单个码字的情况下，g 值为0 。加扰序列发生器在每一子帧开始时需要进行初始 化，其初始化值q 而依赖于传输信道类型： 一： 2 1 4 + g ：曼馋2 j 2 9 + 础f o rp dschc 式(22)mit 一1 l - , , 2 j 2 9 + 坩洲 f o r p m c h n 厶纠 这里n r n t i 对应于u e 标识，也确定为p d s c h 传输。根据以上对加扰操作的定 义，给出了其实现流程如图2 4 ： 2 3 2 调制模块 图2 4 加扰模块实现流程 r e l e a s e 一8 l t e 中主要定义了q p s k , 1 6 q a m ，6 4 q a m 三种调制方式，在 l t e a d v a n c e d 中，下行链路可能采用更高阶的调制方式( 如2 5 6 q a m ) 。本小节 定义了通用统一的调制模块，具体的调制方式可根据具体的仿真配置进行选择， 其实现流程如图2 5 。 重庆邮电大学硕士论文 图2 5 调制模块实现流程 对于以上三种调制方式，其实现流程具有相似性，因此在这里本节只以q p s k 为例来说明各调制方式的实现方法。对于q p s k 调制，两个连续数据比特 6 ( f ) ，b ( i + 1 ) 映射到复值调制符号x = i + j q ，其映射关系如表2 1 。 6 ( f ) ，b ( i + 1 ) ， q 0 0 、| 矗、| 压 0 1 、| 压o | 厄 1 0 - 、| 矗 、 压 1 1 _ 、| 压o | 压 q p s k 具体实现流程设计图如图2 6 所示： 图2 6q p s k 实现流程 l o 第二章l t e a d v a n c e d 仿真设计与实现 2 3 。3m im 0 编码模块 如2 1 节所述，在l t e 中层映射和预编码共同完成m i m o 的功能：层映射首 先把要传输的每一码字的复值调制符号映射到一个或多个层，从而完成串并变换 并控制空间复用的复用率，然后通过预编码来实现具体的m i m o 编码操作。在本 仿真系统中，分集情况下：由于不涉及到预编码码本，为简便起见，我们将层 映射和预编码放在一起进行操作；空间复用情况下：m i m o 编码模块分为层映 射与预编码两部分。由于分集情况比较简单，因此在这里只以空间复用为例来进 行分析。 l t e 中空间复用的层映射操作可以归为如下两种情况： 1 ) 一对一映射 2 ) 一对二串并变换映射 本小节以一对二串并变换层映射为例，给出其实现流程如图2 7 。基于以上两 种串并变换映射方法，可以设计出具体空间复用层映射流程如图2 8 0r e l e a s e 一8 l t e 中又进一步把空间复用预编码分为两类，即无c d d 预编码和具有大延迟c d d 预编码，其定义如下： 无循环延迟分集( c d d ) 时，空间复用预编码操作可定义为 ly ( f ) iiz 0 ( 州 i ； i = w ( 0 i ； l 式( 2 3 ) iy f p - o ( i ) lix 忙d “) i 其中w ( i ) 是p x v 阶的预编码矩阵，且f = o ，l ，m 一1 ，m = m 咖l a y e r 。 大延迟c d d 情况下，空间复用预编码操作可按照下式进行，即： iy ( f ) il 工( f ) i i ； f - w ( i ) d ( i ) u i ； l 式( 2 4 ) i y ( 圳lz 忙d ( f ) i 其中w ( i ) 是p x u 阶的预编码矩阵，且f = o ，1 ，m 一l ，肘= 肘篙。o x o 阶对角矩阵d ( i ) 支持c d d 。 各编码矩阵在3 g p p3 6 2 1 1 协议中的相关章节中已给出。在已经给出预编码编 码矩阵的前提下，可以有统一的预编码过程如图2 9 。编码过程中涉及到的d 、u 矩阵可直接根据层数目u 查询，而4 天线端口时形需要根据协议中给出的数据进 一步产生，4 天线端口时编码码本矩阵形计算方法如图2 1 0 。 这里只给出了r e l e a s e 8l t e 中已经定义的层映射与预编码方法，基于此方法， 可以把预编码扩展到l t e a d v a n c e d 系统，即8 t x 天线配置情况下。 重庆邮电大学硕士论文 图2 7 一对二串并变换映射实现流程 图2 8 空间复用层映射实现流程 图2 9 预编码实现流程 1 2 第二章l t e a d v a n c e d 仿真设计与实现 s w i t c hn m n l a y e r jijj l c a s e1c a s e2c a s e3c a s e 4 i 工上上l i w ；w 2 ( ：，1 ) s w i t c hi n d e x s w i t c hi n d e xs w i t c hi n d e x l 窜审审窜审审窜窜窜 图2 1 04 天线端口时空间复用的编码码本矩阵计算 2 3 4 资源元映射模块 对于物理信道传输使用的每一个天线端口，复值符号j ，( p ( o ) ，y ( p ) ( m s 印y m b 一1 ) 将 从) ，( p ( o ) 映射到用于传输虚拟资源块上的资源元g ，) ，向天线端口p 上没有其他用 途的资源元任，) 上映射。映射原则：从一个子帧中的第一个时隙开始，按照每一个 维度的增序进行，优先考虑维度七，然后考虑维度，。 各物理信道信号在帧结构上都具有特定的组织形式，为了方便处理，本仿真 系统采用一种统一的资源元映射方法，基于此方法能有效地完成系统的仿真工作， 同时也简化了各物理层信号的资源元映射操作，有利于仿真实现及性能比较。此 通用资源元映射方法流程如图2 1 1 。 重庆邮电大学硕士论文 图2 1 l 统一的资源元映射方法流程 2 3 5 参考信号映射模块 信道估计和信道质量信息测量对高阶m i m o 的相关性能具有直接的影响，而 参考信号是实现信道估计和信道质量信息测量的关键。r e l e a s e8l t e 中给出了最 高天线配置为4 - t x 的参考信号映射方法，在l t e a d v a n c e d 中，要求支持最高达 到8 一t x 的天线配置。这里给出了参考信号映射的一个通用框架，对于不同的参考 信号设计方案，只需改动其中极小部分，就可以实现新的参考信号映射与提取， 从而大大方便了理论研究。论文第4 章讲详细介绍l t e a d v a n c e d 下行参考信号的 设计。 参考信号映射模块包括参考信号产生与参考信号映射两部分，下面将一一进 行阐述。 1 4 第二章l t e - a d v a n c e d 仿真设计与实现 小区参考信号的生成是建立在伪随机序列产生的基础上的，在r e l e a s e 一8l t e 中对参考信号的定义如下： 由一个长度为3 1 的g o l d 序列和长度为m p n 的伪随机序列生成序列c ( 刀) ( 其中 n = o ，1 ，m 州一1 ) 为 c ( ，痧= ( 五( 玎+ c ) + 而( 行+ c ) ) r o o d 2 毛( 肘3 1 ) ：( 五( 肘3 ) + 五( 力) 删2 式( 2 5 ) x z ( n + 3 1 ) = ( x 2 ( n + 3 ) + x 2 ( n + 2 ) + x 2 ( n + 1 ) + x z ( n ) ) m o d 2 其中c = 1 6 0 0 ，第一个m 一序列应初始化为五( 0 ) = 1 ，五q ) = o ，n =