（通信与信息系统专业论文）3gpp+lte物理层链路关键技术研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 人们惊奇于w i m a x 技术的迅猛崛起时，3 g p p 也开始了u m t s 技术长期演进 ( l o n gt e r me v o l u t i o n ，3 g p pl t e ) 的研究。 中国移动表示2 0 11 年将是t d l t e 商用的元年，一些人据此认为4 g 业务很 快就能开展，其实并非这样。移动通信领域普遍认为3 g p pl t e 项目其实属于3 g 的长期演进。3 g p pl t e 并不是人们心目中所想的4 g 技术，它只是3 g 与4 g 技 术之间的一个过渡，是3 9 g 的全球标准，其采用o f d m 和m i m o 技术作为其无 线网络演进的唯一标准，改进进而增强3 g 的空中接入技术。3 g p pl t e 还属于3 g 的标准范畴内，只不过比较接近4 g ，而3 g p pl t e a d v a n c e d 才是4 g 。3 g p pl t e 提高了小区容量，降低了系统延迟，改善了小区边缘用户的性能。在2 0 m h z 频谱 带宽下能够提供下行3 2 6 m b i t s 与上行8 6 m b i t s 的峰值速率。 针对3 g p pl t e 标准的发展，3 g p p 制定了明确的时间表。整个标准发展过程 分为两个阶段：研究项目阶段和工作项目阶段。前一个阶段主要完成对目标需求 的定义，以及对3 g p pl t e 的概念的明确等；紧接着征集候选技术提案，并对技术 提案进行评估，确定其是否符合目标需求。2 0 0 6 年中期，研究项目阶段结束。工 作项目阶段在2 0 0 6 年中期以前建立，并开始3 g p pl t e 标准的建立。该阶段会对 未来3 g p pl t e 标准的细节展开讨论和研究，这个过程同以前3 g 标准在3 g p p 中 的制定过程是一样的，持续到2 0 0 7 年中期。整个过程相比3 g 标准的制定节奏明 显加快，主要是因为考虑到市场的需求。宽带技术不断创新，与此同时，3 g p p 也 将在最短的时间内推出最新的技术。这给运营业带来了新的机遇，更新更快、甚 至完全可以和有线网络相媲美的无线通信业务可以在不远的将来得以实现。 在这样的研究大背景下，3 g p pl t e 中的关键技术，比如物理层下行链路中 o f d m 技术以及切换机制也受到了越来越多研究者的关注，成为3 g p pl t e 技术的 研究热点。 基于上述背景知识，本文学习和研究了3 g p pl t e 相关知识，诸如3 g p pl t e 网 山东大学硕士学位论文 络构架、系统性能需求、协议构架和核心技术。理解3 g p pl t e 物理层基本概念， 掌握物理层链路相关知识。 学习和研究3 g p pl t e 物理层下行链路中的关键技术之一：正交频分多址技术。 对如何抑制o f d m 系统高p a p r 做出研究。然后论文提出了一种基于合数子块序列 优化的o f d m p t s 算法。与传统的各种p t s 算法相比，采用该算法后，o f d m 系 统的计算复杂度适度降低，峰均功率比的抑制性能得到动态改善，获得很好的折 中效果，可以更好地满足工程应用。 最后学习和研究3 g p pl t e 物理层下行链路中另一项关键技术：切换技术。研 究切换流程、切换分类，提出并设计了针对同频、异频和异系统情况下的切换算 法，得出了不同参数设置下的切换基本性能，由于实际应用中网络环境是多变的， 参数设置也会随之改变，本文研究了参数c i o 对切换成功率以及乒乓效应的影响。 2 关键词：长期演进；物理层；正交频分复用；峰均比；切换 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t j u s ta sp e o p l ew e = t es u r p r i s e da b o u tt h er a p i d6 s eo fw i m a x t e c h n o l o g y , 3 g p p h a ss t a r t e dt h el o n g - t e r me v o l u t i o no fu m t st e c h n o l o g y ( l o n gt e r me v o l u t i o n , m ) c h i n am o b i l ei n d i c a t e st h a t2 0 11w i l lb et h ef i r s ty e a ro fc o m m e r c i a lt d l t e ，s o m e p e o p l e l i n kt h a t4 gw i l lb ea b l et oc o n d u c tb u s i n e s sq u i c k l y , i nf a c tn o tt h ec 蹴3 g p p l t e p r o j e c ti sj u s tal o n g t e r me v o l u t i o no f3 g3 g p pl t ei sn o tt h em i n do ft h e4 g t h a ti so n l yat r a n s i t i o nb e t w e e n3 ga n d4 gt e c h n o l o g i e s l t ei st h eg l o b a ls t a n d a r df o r 3 9 g ；w h i c hu s e so f d ma n dm i m ot e c h n o l o g i e sa st h es o l ec r i t e r i o nf o rt h ee v o l u t i o n o fw i r e l e s sn e t w o r k st oi m p r o v ef u r t h e re n h a n c e d3 ga i ra c c e s st e c h n o l o g y , 3 g p pl t e i sa l s ow i t h i nt h ec o n t e x to f3 gs t a n d a r d , b u tc l o s e rt o4 4b u t3 g p pl t e - a d v a n c e di sa 4 gt e c h n o l o g y 3 g p pl t ec a l li n c r e a s ec e l lc a p a c i t y , r e d u c es y s t e ml a t e n c ya n d i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ec e l le d g eu s e r s i n2 0 m h zs p e c t r u mb a n d w i d t hi tc a n p r o v i d ep e a kr a t ei nd o w n l i n k ：3 2 6 m b i t sa n di nu p l i n k ：8 6 m b i t s f o rt h ed e v e l o p m e n to f3 g p pl t es t a n d a r d , 3 g p pe s t a b l i s h e sac l e a rt i m e t a b l e t h es t a n d a r dd e v e l o p m e n tp r o c e s si sd i v i d e di n t ot w os t a g e s ：r e s e a r c hs t a g ea n dw o r k s t a g e t h ef i r s ts t a g ef i n i s h e st h ed e f i n i t i o no ft a r g e tr e q u i r e m e n t s ，a sw e l la st h e d e f i n i t u d ec o n c e p to f3 g p pl t e ，e t c t h e nc o l l e c t sc a n d i d a t et e c h n i c a lp r o p o s a l s ，a n d e v a l u a t e st e c h n i c a lp r o p o s a l st od e t e r m i n ew h e t h e rt h e yc a nm e e tt h et a r g e td e m a n d t h ee n do ft h ef i r s ts t a g ei si nm i do f2 0 0 6 w o r ks t a g eo ft h ep r o j e c te s t a b l i s h e di nm i d o f2 0 0 6a n db e g a nt h ee s t a b l i s h m e n to f3 g p pl t es t a n d a r d s w o r ks t a g ew o u l db et o d i s c u s sa n ds t u d yt h ed e t a i l so ft h i ss t a n d a r du n t i lt h em i d d l eo f2 0 0 7 c o m p a r e dt ot h e 3 gs t a n d a r d s ，l t es t a n d a r dw a si na na c c e l e r a t e dp a c e ，m a i n l yb e c a u s eo ft h em a r k e t d e m a n d a tt h es a m et i m eo ft h eb r o a d b a n dt e c h n o l o g yi n n o v a t i o n ，3 g p pw i l ll a u n c h t h el a t e s tt e c h n o l o g yi nt h es h o r t e s tt i m e t h i sb r i n g sn e wo p p o r t u n i t i e sf o ro p e r a t o r s ， f a s t e rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ss e r v i c e sc a nb er e a l i z e di nt h en e a r l yf u t u r e i nt h ec o n t e x to ft h i ss t u d y , k e yt e c h n o l o g i e so f3 g p pl t e ，s u c ha so f d m t e c h n o l o g ya n dh a n d o f fm e c h a n i s mh a sa l s ob e e nt h ec o n c e r no fm o r ea n dm o r e r e s e a r c h e r s ，3 g p pl t et e c h n o l o g yw i l lb ear e s e a r c hh o t s p o t b a s e do nt h ea b o v e ，t h i sp a p e rs t u d i e sa n dr e s e a r c h e st h er e l a t e dk n o w l e d g e so f 3 g p pl t e ，s u c ha s3 g p pl t en e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，s y s t e mp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ， 3 山东大学硕士学位论文 p r o t o c o la r c h i t e c t u r ea n d c o r et e c h n o l o g i e s t h i sp a p e rp r o p o s e sa no f d m p t sa l g o r i t h mb a s e do no p t i m i s a t i o no fc o m p o s i t e n u m b e rs u b - b l o c ks e q u e n c e s c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a la l g o r i t h m , t h i sa l g o r i t h m c a nr e d u c et h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya n ds u p p r e s st h ep a p rd y n a m i c a l l y , t h e nr e a c h ag o o dc o m p r o m i s er e s u l t st h a tc a nb e t t e rm e e tt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n f i n a l l y , t h i sp a p e rs t u d i e st h eh a n d o f ft e c h n o l o g yi n3 g p pm p h y s i c a ll a y e r d o w n l i n k s t u d y t h eh a n d o f f p r o c e s sa n dh a n d o f fc l a s s i f i c a t i o n , t h e np r o p o s ea n dd e s i g n t h eh a n d o f fa l g o r i t h mu n d e rt h es i t u a t i o no fs a m ef r e q u e n c y , d i f f e r e n tf r e q u e n c ya n d d i f f e r e n ts y s t e m s ，w ec a no b t a i n eb a s i cp e r f o r m a n c eu n d e rd i f f e r e n tp a r a m e t e rs e t t i n g s 1 1 圮n e t w o r ke n v i r o n m e n ti sc h a n g i n g ，t h ep a r a m e t e rs e t t i n g sw i l la l s oc h a n g e ，i nt h i s p a p e r , w es t u d yt h ei n f l u e n c eo fc i oa b o u tt h es u c c e s sr a t ea n dt h et h ep i n g - p o n g e f f e c t k e yw o r d s ：l o n gt e r me v o l u t i o n ( l t e ) ；p h y s i c a ll a y e r ；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 ( o f d m ) ；p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a p r ) ；h a n d o f f 4 山东大学硕士学位论文 昌詈皇詈詈詈鲁詈詈詈皇詈皇皇置暑置置皇皇昌鲁皇暑詈詈置詈置昌暑暑詈詈詈暑詈詈置暑皇皇詈暑詈昌暑詈皇詈暑暑皇詈暑= 詈詈! 詈皇暑詈皇暑皇詈詈詈詈皇暑皇詈每i i詈舞詈皇暑喜晕鲁皇詈暑皇兰暑暑皇喜詈詈詈量 英文缩略语 3 g p p 3 mg 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 3 g3 喇g e n e r a t i o ni nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m 4 ( 34 mg e n e r a t i o ni nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m k 戳g ra d d i t i v ew h i t eg a u s s i o nn o i s e c nc o r en e t w o r k c r c c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k c d m ac o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c p c y c l i cp r e f i x c d f c u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n c i oc e l li n d i v i d u a lo f f s e t d s l d i g i i t a ls u b s c r i b e rl i n e d v b d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g d a b d i g i 【t a ia u d i ob r o a d c a s t i n g d m b d i g i t a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g d w p t sd o w n l i n kp i l o tt i m e s l o t e d l g ee n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n e p ce v o l v e dp a c k e tc o r e e p se v o l v e dp a c k e ts y s t e m e n o d e b e v o l v e dn o d eb f d m f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g f d m a g p r s g s m g i h s d p a h s u p a h s p a h d t v h o i p i t u 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 g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s g u a r di n t e r v a l h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s h i 曲s p e e du p l i n kp a c k e ta c c e s s h i g hs p e e dp a c k e ta c c e s s h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n h a n d o f f i n t e r n e tp r o t o c o l i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n i s i i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e 3 g p pl t e l o n gt e r me v o l u t i o n m i m o m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m m e m a c m s m a n o f d m m o b i l i t ym a n a g e m e n te n m e d i u ma c c e s sc o n t r o l m o b i l es t a t i o n m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 第三代合作伙伴计划 第三代移动通信技术 第四代移动通信技术 加性高斯白噪声 核心网 循环冗余校验 码分多址 循环前缀 累积分布函数 小区特定偏置 数字用户线路 数字视频广播 数字信号广播 数字多媒体广播 上行导频时隙 增强型数据速率g s m 演进技术 演进分组核心网 演进分组系统 演进n o d e b 频分复用 频分多址 通用分组无线服务 全球移动通信系统 保护间隔 高速下行链路分组接入 高速上行链路分组接入 高速分组接入 高清晰度电视 切换 互联网协议 国际电信联盟 码间干扰 长期演进 多输入多输出 移动性管理实体 媒体接入控制 移动台 城域网 正交频分复用 5 山东大学硕士学位论文 o f d m a o r t h o g o n a lf 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 正交频分多址 o s i o p e ns y s t e m si n t e r c o r m e c t i o n 开放系统互连 p h y p h y s i c a ll a y e r 物理层 p d u p r o t o c o ld a t eu n i t 协议数据单元 p a p r p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o 峰均比 p d c c h p h y s i c a ld o w n l i n kc o n t r o lc h a n n e l 物理下行控制信道 p s t np u b l i ct e l e p h o n es w i t c h e dn e t w o r k 公共电话交换网 p m d p h y s i c a lm e d i ad e p e n d e n t 物理媒质依赖 p s k p h a s es h i rk e y i n g 相移键控 q o s q u a l i t yo fs e e v i c e 服务质量 q a mq u a d r a t ma m p l i t u d em o d u l a t i o n 正交幅度调制 r n c r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r 无线网络控制器 r r mr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t 无线资源管理 r s r e l a ys t a t i o n 中继站 r e dr a n d o me a r l vd e t e c t i n g 随机早期侦测 r s r pr e f e r e n c es i g n a lr e c e i v i n gp o w e r 参考信号接收功率 r s r q r e f e r e n c es i g n a lr e c e i v i n gq u a l i t y 参考信号接收功率 r a t r a d i oa c c e s st e c h n o l o g y 无线接入技术 s a e s y s t e ma r c h i t e c t u r ee v o l u t i o n 系统架构演进 s n r s i g n a lt on o i s er a t i o 信噪比 s a p s e r v i c ea c c e s sp o i n t 服务接入点 s i n r s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ep l u sn o i s er a t i o 信号与干扰加噪声比 s d u s e r v i c ed a t eu n i t 服务数据单元 t d m at i i i l ed i v i s i m u l t i p l ea c c e s s 时分多址 u m t su n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m 通用移动通信系统 u t r a n u m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k u m t s 陆地无线接入网 u p p t s u p l i n kp i l o tt i m e s l o t 下行导频时隙 u e u s e re q u i p m e n t 用户设备 w m a n w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k 无线城域网 w i f i w i r e l e s sf i d e l i t y 无线保真 w i m a x w o r l di n t e m p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s 全球微波接入互操作性 6 山东大学硕士学位论文 1 1u m t s 的长期演进 第一章绪论 u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o ms y s t e m ，通用移动通信系统) 的长期演进( 3 g p p l t e ，l o n gt e r me v o l u t i o n ) ，是推动移动通信系统向前发展的最新进展【l 】。 个人通信技术的迅猛发展极大地促进了个人通信设备的多样化和微型化。视 频点播、音乐下载、多媒体信息、网络游戏和移动电视等数据业务，大大满足了 人们对日常通信和娱乐的基本需求。通信业务的汇总以及多业务终端的发展对无 线传输速率和效率提出了更高的要求。w c d m a 、h s d p a 技术与g p r s 、e d g e 技 术1 2 1 相比，虽然在无线性能方面有较大改善，但在应对市场挑战和满足用户需求、 i p r 的制肘等领域有很多短处的。在移动用户看来，电信运营商最好可以提供任何 时间任何地点不低于1 m b p s 的无线接入速度，不大于2 0 m s 的系统传输延迟，在高 移动速率环境下任然可以实现全网无缝覆盖，真正达到“移动带宽”接入。业界有 一种观点认为：2 0 0 2 , - - - 2 0 0 6 年固定宽带( d s l ) 经历了一个快速增长期，2 0 0 6 - 2 0 1 0 年移动宽带有可能复制d s l 增长。对无线接入网络还有很重要的一点是能被广大用 户负担得起的廉价终端设备和网络服务。这些要求已远远超出了现有网络的能力， 寻找突破性的空中接口技术和网络结构已经是大势所趋。与w i f i 和w i m a x 等无线 接入方案相比，w c d m a 、h s d p a 虽然在支持移动性和q o s 方面有较大优势【3 1 但 是空中接口和网络结构过于复杂，且每比特成本、无线频谱利用率和传输时延等 能力方面落后很明显。 按照3 g p p 标准组织的时间表，4 g 最早可以在2 0 1 5 年正式商用，在这期间传统 的电信运营商和制造商会面临前所未有的挑战。用户的需求、市场的挑战和i p r 的 制肘，共同推动了3 g p p 组织加速制定新的空中接口和无线接入网络标准。 在3 g p p 标准的演进过程中，有3 种多址接入技术的作用是空前绝后的： 第二代移动通信中g s m g p r s e d g e 是基于时分多址和频分多址的接入 技术； 第三代移动通信中u m t s 标志着码分多址接入技术进入3 g p p 演进阶段； 7 山东大学硕士学位论文 3 g p pl t e 采用正交频分复用( o f d m ) 接入技术 4 1 。 从当前通信行业发展来看，o f d m 技术在移动无线标准的最新技术演进中起着 主导作用【引。 3 g p pl t e 延续 3 g p p q l g s m 和u m t s 6 1 的技术演进，可以看作是完成了业务 扩展这个趋势。也就是说，从简单的语音通信向建立多业务空中接口转变。虽然 说这也是g p r s 、e d g e 和u m t s 的关键目标，但是我们在设计3 g p pl t e 的初期就 考虑了无线接入技术演进这一目标，并考虑所有的业务都摒弃了早期的电路交换 模式，改用分组交换模式。此外，3 g p pl t e 也伴随着整个系统中非无线方面的演 进，业界称之为s a e ，即系统构架演进，囊括了演进型分组核心网络( e p c ) 。3 g p p l t e 和s a e 共同组成了演进的分组交换系统，其核心网和无线接入采用分组交换技 术1 7 1 。 虽然3 g p pl t e 和s a e 已经标准化，但是3 g p p 中的其他无线接入技术仍旧处于 进步发展当中。比如说u m t s ，随着新规范的发行，在保证后向兼容早期版本同时， 不断地进行着改进。u m t sr e l e a s e9 9 版本规范在r e l e a s e 5 和r e l e a s e 6 版本中分别扩 展了高速上行和高速下行增强( 分别叫h s u p a 和h s d p a ) ，统称为高速分组接入 ( h s p a ) 。h s p a 在r e l e a s e 7 版本中得到进一步增强( h s p a + ) ，h s p a + 在r e l e a s e s 版本中又得到加强，在此同时，通信业首次发布3 g p pl t e ，为了保持称呼上的一 致性，也被称为r e l e a s e 8 版本。 1 23 g p p l t e 3 g p pl t e 技术作为3 g 技术的演进，改进并增强了3 g 的空中接入技术。本节将 从3 g p pl t e 的系统性能需求、网络构架、协议构架以及核心技术方面对3 g p pl t e 进行简要概述。 1 2 13 g p pl t e 的系统性能需求 有关3 g p pl t e 系统性能需求的讨论促使3 g p p 仓t j 建了一个正式的研究项目，其 目的在于借助3 g p p 的无线接入技术演进确保其在未来的竞争力。在研究项目的主 持下，3 g p pl t e 的需求得到了细化和完善，在2 0 0 5 年中期完成最终版本。当前3 g 通信日益发展，提高3 g p pl t e 系统性能是网络运营商的主要目标，进而可以确保 8 山东大学硕士学位论文 3 g p pl t e 在市场上的竞争力【引。 3 g p pl t e 的性能需求可以概括如下： 提高用户数据传输的速率； 减少时延，比如连接建立和传输； 提高小区边界的比特率； 提高频谱效率，以降低每比特成本； 实现对现有带宽和新增加带宽中频谱的更灵活使用： 无缝移动，包括在不同的无缝接入技术之间； 实现网络结构简化； 表1 - 13 g p pl t e 关键性能需求 r e l e a s e8 版本r e l e a s e6 版本 备注 需求r r 口小 峰值传输 速率 1 0 0 m b p s 7 1 4 4m b p s 3 g p pl t e 以f d d 模式运 下 峰值频谱 行在2 0 m h z 带宽， 行 效率 s b p s h z 3b p s h z 2 * 2 s d d 链 小区均频 ( 3 - 4 ) 0 5 3 3 g p pl t e ：2 * 2 s d d ，干 谱效率 1 6 2 1b p s h z c e l l 路 b p s h z c e l l扰抑制接收机( i r c ) 小区边缘 ( 2 - 3 ) 0 0 2 每小区1 0 用户 频谱效率 o 0 4 0 0 6 b p s h z u s e r b p s h h u s e r 峰值传输 速率 5 0 m b p s 5 幸i im b p s3 g p pl t e 以f d d 模式运 上 峰值频谱 行在2 0 m h z 带宽，单天 行 效率 2 5b p s h z2b p s h z线传输 链 小区均频 ( 2 - 3 ) 0 3 3 3 g p pl t e ：单天线传输， 谱效率 o 6 6 1 0b p s h z c e l l 路 b p s h z c e l li r c 接收机 小区边缘 o 0 2 一o 0 3 ( 2 3 ) + 0 01 每小区1 0 用户 频谱效率b p s h z u s e rb p s h z u s e r 用户平面 时延( 单 5 m s1 5i n s 向) 系 连接建立 时延 6 0 s e s s i o n s m h z c e l l 9 山东大学硕士学位论文 表1 1 描述了首次发布的3 g p pl t e 系统主要性能具体需求，这些内容也体现了 3 g p pl t e 的主要技术特征。 1 2 23 g p pl t e 的网络构架 3 g p pl t e 仅支持分组交换业务，这与以往的蜂窝移动通信系统所采用电路交 换模式截然不同。3 g p pl t e 包含无线接入技术演进，也包含了系统构架的演进 ( s y s t e m a r c h i t e c t u r ee v o l u t i o n , s a e ) 。3 g p pl t e 的网络构架1 9 1 如下图所示。 图1 1 3 g p pl t e 网络构架 3 g p pl t e 的网络架构如图1 1 所示，也叫演进型u t r a n 结构。3 g p pl t e 的 网络架构由接入网( e u t r a n ) 和核心网( c o r en e t w o r k ，c n ) 组成。从图中可以 看出不同的e n o d e b 之间用x 2 接口相连接，e n o d e b 与核心网之间用s l 接口相连 接，这种网络结构设计主要用于支持l i e 在整个网络内的移动性，保证用户的无缝 切换。 e - u t r a n 仅由e n o d e b 组成，提供到终端u e 的e - u t r a 用户面和控制面协 议。负责所有与无线相关的功能，简要概括如下【1 0 1 ： 1 0 山东大学硕士学位论文 无线资源管理：包含所有与无线承载相关的管理，例如无限准入控制、无 限承载控制等； 系统安全性：所有通过无线接口发送的数据包都要经过加密； i p 数据包头的压缩：有利于提高无线接口的利用率，降低不必要的开销； 与c n 的连接：包括到s g w 承载路径的简历以及m m e 的信令。 核心网的主要逻辑节点有p d n 网关( p g w ) 、业务网关( s g w ) 和移动性管理 实体( m m e ) 。主要功能概括如下： p g w ：负责用户q o s 保证和m 地址分配； s g w ：负责用户包的发送； v i v i e ：是处理u e 和核心网络间信令交互的控制节点。 与传统的3 g p p 接入网相比，3 g p pl t e 减少了r n c 节点。3 g p pl t e 采用单层 结构，这种单层结构由n o d e b 构成，有利于网络的简化和延迟的减少，能够满足低 成本，低复杂度和低时延的要求。3 g p pl t e 是对3 g 的演进，但它对3 g p p 的整个体 系结构作出了革命，逐步趋近于典型的p 宽带网结构。 3 g p pl t e 系统构架的设计可以提供更大的系统吞吐量、用户容量以及更好的 端到端服务质量保证。 1 2 33 g p pl t e 的协议构架 3 g p pl t e 无线接口包括三层，层一是物理层，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。图1 2 描述了3 g p pl t e 物理层相 关无线接口协议架构。物理层接入到层二当中的媒体接入控制层( m a c ) 和层三的 无线资源管理层( r r c ) 。图1 - 2 中不同层子层之间的椭圆圈是服务接入点( s a p 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 子层 i n l 。 山东大学硕士学位论文 层3 测量控制 层2 层l 逻辑信道 传输信道 图1 - 23 g p pl t e 物理层相关无线链路接口协议构架 1 2 43 g p pl t e 的核心技术 涉及3 g p pl t e 无线接口设计的基本核心技术有：多载波技术、多天线技术等。 3 g p pl t e 的第一个关键技术就是采用多载波技术。上行链路主要方案为单载 波频分多址接入( s c f d m a ) 、多载波w c d m a 以及正交频分多址接入( o f d m a ) ； 下行链路方案是正交频分多址接入和多载波w c d m a 技术。在2 0 0 5 年1 2 月，3 g p p 组织决定上行链路采用s c f d m a ，下行链路采用o f d m a ，该方案将频域作为系 统的一个新的灵活资源。 o f d m a 是对o f d m 的一个扩展，它与o f d m 的区别主要体现在：o f d m 是 把有效的信号传输带宽细分为数个窄带子载波，同时满足相互间正交，其中的每 一个子载波都可以单独的或者成组来传输独立信息；o f d m a 则是利用有效带宽的 细分在多用户间共享子载波，从而提供一个非常灵活的多址接入技术n 2 1 。其灵活 性也可以体现在： 为小区间的干扰协调和软频率服用提供便利； 可以在系统参数或者设备设计固定的情况下使用不同的频谱带宽； 可变带宽的传输资源可以在频域内自由调度。 最近几年，在视频广播和数字音频系统领域，如数字视频广播( d v b ) 、数字 音频广播( d a b ) 和数字移动广播( d m b ) 的广泛使用中，体现了很多o f d m 的优势 1 1 3 1 ： 1 2 山东大学硕士学位论文 通过频域均衡实现低复杂度接收机； 对抗时间弥散无线信道更具鲁棒性； 广播网络中多重发射机发射信号可以实现简单合并。 虽然o f d m 技术具有很多优点，但是其发射机成本很高，因为o f d m 的峰均 功率比( p a p r ) 相对较高【1 4 1 ，这也是时下研究重点，有关于抑制p a p r 性能的研 究将会在本文后续内容中体现。 3 g p pl t e 使用多天线技术，可以把空间域作为新资源。多天线技术可以用各 种方式实现，主要基于3 个基本原则：分集增益、阵列增益、空间复用增益。 ( i ) 分集增益( i i ) 阵列增益( i i i ) 空间复用增益 图1 3 多天线技术的3 种增益 3 g p pl t e 是完全面向分组交换的多业务系统，不依赖于以前系统中广泛采用 的面向连接的电路交换协议。 1 3 论文内容安排 本文的工作重点是对3 g p pl t e 物理层链路( 主要针对下行链路) 进行研究分 析，重点研究正交频分多址技术以及无线资源管理中的切换机制。 论文具体工作内容如下： 第一、学习和研究3 g p pl t e 物理层相关知识，掌握3 g p pl t e 物理层基本概念。 第二、学习和研究3 g p pl t e 下行链路中的关键技术：正交频分多址技术。对 抑制o f d m 的p a p r 性能提出自己的改进算法，并在m a t l a b 中仿真。 第三、学习和研究3 g p pl t e 下行链路中的切换机制：3 g p pl t e 的无线资源管 理中，切换机制是一个关键技术。 山东大学硕士学位论文 根据论文要研究的工作内容，论文结构安排如下： 第一章作为绪论，介绍了移动通信的发展、3 g p pl t e 的由来、对3 g p pl t e 的 系统性能需求、网络构架、协议构架以及核心技术进行简要阐述。 第二章首先介绍无线信道特性，接着介绍3 g p pl t e 物理层的一些基本知识， 如3 g p pl t e 系统的帧结构、3 g p pl t e 下行时隙结构以及物理资源的分配等。 第三章主要对3 g p pl t e 系统中o f d m 技术，以及如何抑制o f d m 系统p a p r 作 出研究。 第四章对抑制o f d m 系统的p a p r ，提出改进算法并进行仿真和性能分析。 第五章主要研究3 g p pl t e 下行链路的无线资源管理，针对3 g p pl t e 的切换机 制进行算法设计和性能分析。 第六章总结全文内容，提出有待于进一步深入研究的问题，展望课题的研究 发展趋势。 1 4 山东大学硕士学位论文 第二章3 g p pl t e 物理层链路概述 2 1 无线信道特性研究 在本节中，我们先对物理层无线信道中三种信道损耗以及相应的效应作出研 究。移动信道是一种时变信道。在无线通信过程中，信号经发射机发射后会分成 多路信号分别到达接收机，因为信号在传播中受到外界物