LTE系统物理层发射链路的仿真实现

北京邮电大学世纪学院毕业设计论文题目LTE系统物理层发射链路的仿真实现学生姓名王罗力学号06080202所在系（院）通信与信息工程专业名称电子信息工程年级06指导教师郑凤职称讲师2010年6月3日北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文）诚信声明本人声明所呈交的毕业设计（论文），题目LTE系统物理层发射链路的仿真实现是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，毕业设计（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。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。本人签名日期毕业设计（论文）使用权的说明本人完全了解北京邮电大学世纪学院有关保管、使用论文的规定，其中包括学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存论文；学校可允许论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容。本人签名日期指导教师签名日期北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文）I题目LTE系统物理层发射链路仿真实现摘要LTELONGTERMEVOLUTION是3GPP长期演进项目，兼容目前的3G通信系统并对3G演进。它具有高传输速率、高传输质量和高移动性的特性。3GPP在工作计划中写入了长期演进LONGTERMEVOLUTION的研究框架，并提出了未来在20MHZ带宽上达到瞬时峰值下行100MBPS以及上行50MBPS的目标。本文介绍了LTE物理层上下行链路的基本结构及其采用的关键技术，并使用MATLAB对系统物理层发射链路进行了仿真，对于LTE的研究有重要的意义，并将加速LTE的商用化进程。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MIMO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LTE的一项核心技术来提高系统传输率。论文首先介绍LTE系统物理层的基本概念，对LTE下行基带处理流程各模块进行了深入研究。其次，研究了LTE下行基于导频的信道估计技术，详细分析了LS信道估计算法、MMSE信道估计算法、。然后，研究了LTE下行链路基带信号的处理流程，对MRC接收分集技术和SFTD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LTE下行链路发射端与接收端基带处理的实现方案、LTE下行链路信道估计器的实现方案以及LTE下行链路发射端MATLAB实现方案。关键词长期演进，物理层，正交频分复用，离散傅立叶变换扩频的正交频分多址北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文）IITITLELTE系统物理层发射链路仿真实现ABSTRACTTHELTELONGTERMEVOLUTIONSCHEMEWASPROPOSEDBY3GPP，WHICHISCOMPATIBLEWITHCURRENT3GTELECOMMUNICATIONSSYSTEMCHANNELESTIMATIONPLAYSAQUITEIMPORTANTROLEINTHELTESYSTEMWHICHREQUIRESHIGHDATARATE，HIGHQUALITYANDHIGHMOBILITYLONGTERMEVOLUTIONAIMEDATACHIEVING100MBPSPEAKRATEIN20MHZBANDWIDTHAND50MBPSINUPLINKALECARRIEDOUTIN3GPETHISINTRODUCETHEPHYSICALLAYERSTRUCTUREOFUPDOWNLINKANDKEYTECHNOLOGYOFLTE,SIMULATETHESYSTEMBYMATLABITISVERYIMPORTANTFORTHERESEARCHOFLTEANDALSOACCELERATINGTHECOMMERCIALPROCESSOFLTEALLOFABOVEKEYTECHNOLOGIESFORLTEDOWNLINKAREINVESTIGATEDINTHISTHESISFIRSTLY，THEBASICKNOWLEDGEOFPHYSICALLAYERINLTESYSTEMISINTRODUCEDWEMAINLYINVESTIGATETHEBASEBANDPROCESS，INCLUDINGCYCLICREDUNDANCYCHECK，TAILBITINGCONVOLUTIONALCODING，SCRAMBLING，RATEMATCHING，MODULATION，LAYERMAPPINGANDPRECODINGTHEN，ALTEDOWNLINKBASEBANDPROCESSIMPLEMENTATIONSCHEMEISPROPOSED，WHICHISREALIZEDONMATLABPLATFORMSECONDLY，WESTUDYTHELTEDOWNLINKCHANNELESTIMATIONANDINTERPOLATIONTECHNOLOGY，ANDTHENANALYZETHELSCHANNELESTIMATION，MMSECHANNELESTIMATIONALGORITHM，ASCHEMEFORDESIGNINGTHELTEDOWNLINKCHANNELESTIMATORISPRESENTED，WHICHISALSOIMPLEMENTEDONMATLABPLATFORMFINALLY,THELTEDOWNLINKTRANSMITDIVERSITYTECHNIQUESISRESEARCHEDWEINVESTIGATETHEMRCRECEIVEDIVERSITYTECHNIQUEANDSFTDTRANSMITDIVERSITYTECHNIQUE，ANDTHENSIMULATETHEMINTHEMATLABPLATFORMACCORDINGTOTHESIMULATIONCONCLUSION，ASCHEMEFORLTETRANSMITDIVERSITYINDOWNLINKISPUTFORWARD，WHICHISALSOIMPLEMENTEDONTHEMATLABPLATFORMKEYWORDSLTEPHYOFDMDFTSOFDMAPHY北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文）III目录前言11通信网LTE基本概念211移动通信的发展212LTE简介2121LTE的工作计划2122LTE的主要技术特征3123LTE的网络结构3124LTE的协议架构4125LTE的核心技术513论文研究内容及组织结构62无线信道特性及LTE物理层概述721无线信道的特性简介7211时延扩展8212相干带宽8213多普勒频移9214相干时间922LTE物理层基本概念10221LTE帧结构10222LTE下行时隙结构和物理资源12224LTE下行物理资源分配143下行基带信号的产生流程1731下行物理信道基带信号处理流程1732系统设计17321信道编码18322调制/解调19323插入导频19北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文）IV33本章小结204搭建LTE系统物理层发射链路2041主要仿真模块的说明20411系统参数设置20412导频序列的产生20413导频的映射图样及资源粒子映射21414OFDM的原理23415信道估计2642LTE下行控制信道发射端实现方案27421完整仿真模型27422简化了的LTE链路级仿真模型28全文总结30致谢32参考文献33附录1（缩略语）35附录2（部分程序代码）37北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文）1前言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。近期伴随着WIMAX的崛起，3GPP也开始了UMTS技术的长期演进（LTE，LONGTERMEVOLUTION）项目。这项受人瞩目的技术被称为“演进型3G”（E3G，EVOLVED3G）。但只要对这项技术稍作了解，就会发现，这种以OFDM为核心的技术，与其说是3G技术的“演进”（EVOLUTION），不如说是“革命”（REVOLUTION），它和3GPP2空中接口演进（AIE）、WIMAX以及最新出现的IEEE80220MBFDD/MBTDD等技术，由于已经具有某些“4G”特征，甚至可以被看作“准4G”技术。目前已经确定了上下行信道的基本传输技术，上行SC（单载波）FDMA，下行采用OFDM技术。随着通信系统的规模和复杂度不断增加，传统的设计方法已经不能适应发展的需要，通信系统的模拟仿真技术越来越受到重视传统的通信仿真技术主要分为手工分析与电路试验两种，可以得到与真实环境十分接近的结果，但耗时长，方法比较繁杂而通信系统的计算机模拟仿真技术是介于上述两种方法的一种系统设计方法它可以让用户在很短的时间内建立整个通信系统模型，并对其进行模拟仿真，本文使用MATLAB语言建立了LTE上下行链路的基本仿真平台。北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文）21通信网LTE基本概念11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2。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开始，数据传输速率也只有96KBIT/S，最高可达32KBIT/S；第三代移动通信系统最早由国际电信联盟ITU于1985年提出，该系统工作在2000MHZ频段，最高业务速率可达2MBIT/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，3GPPTHIRDGENERATIONPARTNERSHIPPROJECT启动了关于3G演进系统LTELONGTERMEVOLUTION的研究与标准化工作，作为后三代B3G移动通信系统3。12LTE简介LTE是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM技术和MIMO技术作为其无线网络演进的唯一标准。在20MHZ频谱带宽下能够提供下行100MBIT/S与上行50MBIT/S的峰值速率。下面将对LTE的工作计划、主要技术特征、网络结构、协议架构以及LTE的核心技术进行简要的介绍。121LTE的工作计划3GPP对LTE项E1的工作大体分为两个时间段SISTUDYITEM阶段和LTE下行北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文）3链路关键技术的研究与实现WIWORKITEM阶段。2005年3月到2006年6月为SI阶段，完成3GPPLTE的可行性研究报告。2006年6月到2007年6月为WI阶段4，完成核心技术的规范工作。在2007年中期完成LTE相关标准制定3GPPR7，预计在2008年或2009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3GPP组织的努力，LTE的系统框架大部分已经完成5、6。122LTE的主要技术特征3GPP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LTE进行了详细的描述。与3G相比，LTE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，具体技术特征如下1通信速率有了提高，下行峰值速率可达L00MBPS、上行可达50MBPS。2提高了频谱效率，下行链路5BIT/S/HZ34倍于R6HSDPA；上行链路25BIT/S/HZ23倍于R6HSUPA。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。4QOS保证，通过系统设计和严格的QOS机制，保证实时业务的服务质量。5系统部署灵活，能够支持125MHZ20MHZ间的多种系统带宽，并支持“PAIRED”和“UNPAIRED”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LMS，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UPLAN0ZEROPADDINGXLENGTHX1LENGTHXMMODLEN