（通信与信息系统专业论文）ltelteadvanced链路级若干关键技术仿真研究.pdf

独创性( 或创新性) 声明 本人声明所旱交的论文是本人在导师指导下进行的研究1 ：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，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证j f 5 而使用过的 材料。与我一同1 ：作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作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，本人承担一切相关责任。 本人签名：么塞圣塞 日期：冱应! 墨! ! 兰 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电人学。学校有权保留并向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论文的全 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、汇编学位论文。( 保密的学 位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属丁保密范围，在一年解密后适用本授权。 5 。非保密论文 注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：彳交乙杰日期：递厶! 垒也 聊魏望兰盟嗍 祭一rf ；， 导师签名：塑! ：!日期： ， 摘要 l t e l t e a d v a n c e d 链路级若干关键技术仿真研究 摘要 随着i m t - a d v a n c e d 标准化工作的正式启动，3 g p p 、3 g p p 2 和 i e e e 等各大标准组织都在纷纷加紧相关技术标准的制定工作。l t e 系统作为当前最受关注的宽带移动通信标准，显然将成为 i m t - a d v a n c e d 主要的候选技术之一。3 g p pl t e a d v a n c e d 标准化研 究项目正是以l t e 为起点开始研究适用于i m t - a d v a n c e d 的候选技 术方案。 本论文的选题来源于工业与信息化部电信研究院通信标准所的 软科学课题项目 并 il 射 。一- l + i 图2 - 1l t e 下行多址方式 o f d m 调制 i 时域i 竺 子载 心蒺勰h 。哪龇q a q m 调$ f j 4 q 删卜 d f r 波映i f f t叫加c p 卜 - 射 - - 一 + 域 域 d f t - s o f d m 调制 图2 - 2 l t e 上行多址方式 2 3 1 2m i m o 技术 多输入多输出( 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 i m o ) 0 4 q 5 1 技术是利用空间 中增加的传输信道，在发射端和接收端分别使用了多个发射天线和接收天线，利 用收发之间空间信道的传播特性来提高数据速率、减少误比特率，从而达到改善 无线信号传送质量的目的。由于各发射天线同时发送的信号占用同一个频带，所 以能够成倍的提高系统得容量和频谱利用率。 m i m o 技术主要包括发送分集技术和空间复用技术。其中发送分集是指在不 同的发送天线上发送包含相同信息的信号；利用空间信道的弱相关性，结合时间 频率上的选择性，提高信号传输的可靠性。空间复用是指在不同的发送天线上 发送不同的信息，利用空间信道的弱相关性，从而提高数据传输的峰值速率。 简化的m i m o 系统结构如图2 3 所示。m i m o 系统中有m 根发送天线，有 。根接收天线。接收端接收到的信号为： ，= h x + n 式( 2 1 ) 其中r 表示詹x 1 的接收信号矢量；x 表示，1 的发送信号矢量；”表示 。1 的高斯噪声矢量，其中每个分量都是均值为零，方差为仃2 的相互独立的正 北京邮电人学硕i ：学位论文第二章l t e l t e a d v a n c e d 相关技术综述 日仨吲 其中表示从_ ，( = 1 ，2 ，r ) 个发送天线到砸= 1 ，2 ，以) 个接收天线之间 的信道衰落系数。 t 发 送 】 。 r i v 弋矗 接 收 习r n a 图2 3m i m o 系统结构图 2 3 1 3 a m c 和h a r q l t e 系统中，接收端进行信道测量，获得每个子载波的信道响应信息或信噪 比( s i g n a lt on o i s er a t i o ，s n r ) 估计，从而能够利用这些信道状态信息，对每个 子载波进行调制模式选择并对信道编码进行码率调整，同时结合混合自动重传请 求( h y b r i da u t o m a t i cr e p e a t r e q u e s t ，h a r q ) 技术，进一步对链路吞吐量进行精 细调整。因此与单载波相比，o f d m 系统具有更多的自由度，能够根据信道响 应，灵活选择调制模式、编码效率，并进行h a r q 处理，从而能够显著提高链 路频谱效率。 自适应调制编码( a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ，a m c ) 1 7 - 1 8 】是链路自适 应技术中的一种，移动通信系统可以采用a m c 技术作为基本的链路自适应技术 对调制编码方式以及数据速率进行粗略的选择。自适应编码调制本质上是在保持 误比特率( b i te r r o rr a t i o ，b e r ) 恒定的前提下，通过调整发射功率，选择调制 模式；或者通过选择调制阶数，适应信噪比的动态变化。a m c 需要控制3 个关 键参数：发射功率、调制阶数和信道编码速率。 为了克服无线移动信道时变和多径衰落对信号传输的影响，可以采用基于前 向纠错编码( f o r w a r de r r o rr a t e ，f e c ) $ 1 自动重传技术( a u t o m a t i cr e p e a t r e q u e s t ， a r q ) 等差错控制方法，来降低系统的b e r 以确保服务质量。虽然f e c 方案产 生的时延较小，但存在的编码冗余却降低了系统吞吐量；a r q 在误码率不大时 可以得到理想的吞吐量，但产生的时延较大，不宜于提供实时服务。为了克服两 者的缺点，将这两种方法结合就产生了h a r q 1 9 。2 0 1 。在a r q 系统中包含一个f e c 9 北京邮1 1 1 人学硕i ：学位论文 第- 二章l t e l t e a d v a n c e d 相关技术综述 子系统，当f e c 的纠错能力可以纠正这些错误时，则不需要使用a r q ；只有当 f e c 无法正常纠错时，才通过a r q 反馈信道请求重发错误码组。 2 3 1 4 小区干扰抑制技术 l t e 系统中下行采用o f d m a 多址方式，确保了同- d , 区的不同用户彼此之 间正交，避免了小区内干扰。所以，大部分干扰来自于其他小区。对于小区边缘 的用户，由于相邻小区占用同样载波资源的用户对其干扰比较大，加之本身距离 基站较远，其s i n r 相对就较小，导致虽然整个小区的吞吐量较高，但小区边缘 用户服务质量较差、吞吐量较低的情况。小区间干扰带来小区边缘用户和中心用 户数据速率存在很大差异，边缘用户的通信质量较差，影响了服务的一致性。小 区边缘用户性能已经成为了衡量无线通信系统的主要指标之一，抑制小区间干扰 技术对系统整体性能的提升起到关键作用。 l t e 系统中，小区干扰抑制技术主要有干扰随机化技术、干扰删除技术和干 扰协调技术。干扰随机化技术就是将干扰信号随机化，这种随机化不能降低干扰 的能量，但能使干扰的特性近似高斯白噪，从而对小区间干扰进行抑制。干扰删 除技术就是对干扰小区的干扰信号进行某种程度的解调甚至解码，然后利用接收 机的处理增益从接收信号中消除干扰信号分量。干扰协调技术就是对资源管理 ( 频率资源或发射功率) 设置一定的限制，以协调多个小区的动作，避免产生严 北京邮i 乜人学硕十学位论文第二章l t e l t e a d v a n c e d 相关技术综述 在各个非连续、离散的频段，非连续载波的聚合提供了一个系统对分散的频率资 源进行整合利用的解决方案。 、一 5 个载波分量聚合为1 0 0 m h z 带宽 图2 _ 4 连续载波聚合 、一一一一 2 个不连续载波分量聚合) b 4 0 m h z 带宽 图2 5 非连续载波聚合 目前，载波聚合的标准化工作主要集中在m a c 层信令的扩充与增强，对于 多个载波的协调与抑制。另外，由于受到终端处理能力的限制，载波聚合有一定 的约束条件。在非连续载波聚合时，如果频带间隔较大( 相隔数百m h z ) ，贝0 滤 波器很难实现。 2 3 2 2多天线技术的扩展 l t e 系统已经在下行采用了较先进的m i m o 技术，l t e a d v a n c e d 系统可能 针对多天线传输技术进行优化。 r 8l t e 上行仅支持单天线的发送，并不支持单用户m i m o ( s i n g l eu s e r m i m o ，s u m i m o ) ，为了提高上行吞吐量，同时也为了满足i m t - a d v a n c e d 对上 行峰值频谱效率的要求，l t e a d v a n c e d 将在l t e 的基础上引入上行s u m i m o ， 目前确定将支持最多4 个发送天线。 r 8l t e 下行可以支持最多4 个发送天线，l t e a d v a n c e d 将对此进行扩展以 进一步提高下行吞吐量，目前确定将扩展到支持最多8 个发送天线。同时，对波 束赋形的扩展也是下行m i m o 扩展的一项重要内容，l t e 以用户专用导频的方 式实现与目前t d s c d m a 系统中类似的对用户透明的波束赋形操作，但目前仅 支持单流的情况。在l t e a d v a n c e d 中将对其进行扩展，引入多流空间复用的波 束赋形。 北京邮电人学硕i ：学位论文 第- 二章l t e l t e a d v a n c e d 相关技术综述 2 3 2 3协作多点传输技术 协作多点( c o o r d i n a t e dm u l t i p l ep o i n t s ，c o m p ) 传输技术是协调的多点发射 接收技术，这里的多点是指地理上分离的多个天线接入点。c o m p 技术通过移动 网络中多节点( 基站、用户、中继节点等) 协作传输，解决现有移动蜂窝单跳网 络中的单小区单站点传输对系统频谱效率的限制，更好地克服小区间干扰，提高 无线频谱传输效率，提高系统的平均和边缘吞吐量，迸一步扩大小区的覆盖。 图2 - 6 多点联合传输 根据实现机制，c o m p 技术可以分为以下两类：多点联合传输和多点协作调 度。图2 - 6 为多点联合传输，多个协作基站联合为目标用户提供服务。图2 7 北京邮电人学硕j ：学位论义第二章l t e l t e a d v a n c e d 相关技术综述 固 图2 - 8 中继技术示例 2 4 链路级仿真的目的和工具 2 4 1链路级仿真目的 移动通信系统是一个非常复杂的系统，为了对这个复杂系统的性能进行较为 精确的描述，就需要通过仿真来模拟这个系统内部工作机制，模拟它所承载的业 务，通过这种方式来观察这个系统的运行情况。另外，仿真也可以用作理论研究 的辅助工具之一。利用仿真对新的算法和方案作定性或定量的分析。 根据实际系统架构和仿真条件，通常将通信系统仿真分为链路级仿真与系统 级仿真两大类。链路级仿真关注的是基站和移动终端之间的单一通信链路。而在 系统级仿真中需要建立多个小区的蜂窝无线通信系统，利用仿真来设计和分析通 信网络。 系统级仿真是基于链路级仿真的。链路级仿真的输出为错误概率和信噪比的 关系。通常采用错误概率为b e r 、误包率( p a c k e te r r o rr a t i o ，p e r ) 或误块率 ( b l o c ke r r o rr a t i o ，b l e r ) 。 链路级仿真的主要功能是完成链路级仿真场景的搭建，主要包括底层收发算 法和信道建模等，为系统级的仿真提供物理层的数据源。根据仿真流程，链路级 仿真平台主要可以划分成五个主要模块：流程控制模块、编译码模块、调制处理 模块、信道模块，如图2 - 9 所示。 北京邮电人学硕1 ：学位论义 第二章l t e l t e a d v a n c e d 相关技术综述 图2 - 9 链路级仿真平台模块关系图 2 4 2链路级仿真工具 m a t l a b 是一种用于工程计算的高性能语言，它集中了计算功能、数据可 视化功能和程序设计功能。在m a t l a b 中，由于其代码编写过程与数学推导过 程都采用习惯的数学描述方法，所以编程更加直观和方便。 下几个 系统、 富的库 免繁杂 而也避 一样多 北京邮电人学硕r l j 学位论文第二章l t e l t e a d v a n c e d 相关技术综述 8 开放性的共享源代码。 c 语言是国际上广泛流行的计算机高级语言。它适合于作为系统描述语言， 既可用来写系统软件，也可用来写应用软件。 c 语言的主要特点是： 1 语言简洁、紧凑，使用方便、灵活。 2 运算符丰富。 3 数据结构丰富，具有现代化语言的各种数据结构。 4 具有结构化的控制语句。 5 语法限制不太严格，程序设计自由度大。 6 c 语言允许直接访问物理地址，可以直接对硬件进行操作。 7 生成目标代码质量高，程序执行效率高。 8 用c 语言写的程序可移植性好。 由于c 语言拥有这些优点，所以其应用面很广，许多大型软件都用c 语言 编写。在本设计中，采用的集成丌发环境是m i c r o s o t t 公司于1 9 9 8 年推出的基于 w i n d o w s 系统的v i s u a lc + + 6 0 。v i s u a lc + + 6 o 内嵌微软的基础类库( m i c r o s o f t f o u n d a t i o nc l a s s ，m f c ) ，可以和w i n d o w s 操作系统无缝结合，因此用v i s u a lc + + 6 0 开发的软件稳定性好，可移植性强，而且软件与硬件相互独立。 2 5 本章小结 随着人们日益增长的通信需要，移动通信系统将呈现移动化、宽带化和口 化的发展趋势，在此形势下，3 g p pl t e 和l t e a d v a n c e d 应运而生。 本章简要回顾了移动通信的发展历程。然后对3 g p pl t e 和l t e a d v a n c e d 的标准化工作进行了概述，并分别说明了l t e 和l t e a d v a n c e d 的性能指标。接 着对l t e 和l t e a d v a n c e d 中的关键技术做了简要概述。由于l t e 的大规模技 术革新已经将近2 0 年来学术界积累的先进信号处理技术( 如o f d m 、m i m o 、 自适应技术等) 消耗殆尽，l t e a d v a n c e d 的技术发展更多地集中在无线资源管 理和网络层的优化方面。最后对链路级仿真的目的和工具进行了简要说明。 北京邮电人学硕i ：学位论文 第三章l t e l t e ，a d v a n c e d 中的信吁榆测技术研究 第三章l t e l t e a d v a n c e d 中的信号检测技术研究 由于l t e l t e a d v a n c e d 系统中采用了m i m o 多天线技术，接收端将接收到 在时间上和频带上均相互重叠的多路信号，甚至存在不同时刻信号间的码间干 扰，这就需要在解调、译码和判决之前对接收到的信号进行信号检测。信号检测 的目的是恢复出各个发送天线的发送信号，而接收端信号检测的准确性将直接影 响通信系统的整体性能，所以信号检测技术的研究已经成为通信系统中的一个热 点问题。 m i m o 信号检测算法通常分为三类：线性检测算法、非线性检测算法和最优 检测算法。线性检测算法主要包括迫零( z e r of o r c i n g ，z f ) 检测算法和最小均方 误差( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r , m m s e ) 检测算法；非线性算法主要包括串 行干扰消除( s u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ，s i c ) 检测算法、并行干扰消除 ( p a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ，p i c ) 检测算法和t u r b o 迭代检测算法等；最 优检测算法主要是指最大似然( m a x i m u ml i k e l i h o o d ，m l ) 检测算法，但m l 算 法的复杂度随着天线数及调制阶数的增加呈指数增长，不易实现。 本章主要对z f 、m m s e 、排序串行干扰消除算法( o r d e r e ds u c c e s s i v e i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ，o s i c ) 和t u r b o 迭代检测算法进行了深入研究，并通过 链路仿真对其进行性能分析。 在2 3 1 节给出了m i m o 传输数学模型： ，= m + 以 式( 3 1 ) 在系统的接收端根据接收数据信号厂对发送数据信号x 进行检测。 3 1 最大似然检测算法 最大似然检测算法【2 6 1 是最优检测算法，其基本思想是将接收信号与所有可 能的发射信号相比较，根据最大似然原理估计发射信号。若调制星座集合为c ， 且包含c 个星座点，则m 个发送天线上的信号矢量z 的所有可能构成的集合记作 c r ，并包含c r 种可能组合。发送矢量x 的估计值为： 扣a r g m i n i ，一研 式( 3 2 ) 当星座点数c 或发送天线数坼增大时，最大似然检测算法的复杂度会呈指 数级增长，从而不易实现。 1 6 北京邮电人学硕l 学位论文第三章l t e l t e a d v a n c e d 中的信吁榆测技术研究 3 2 线性检测算法 3 2 1z f 检测算法 z f 检测算法是最简单的一种线性检测算法，其过程是用h 的广义逆g 左 乘接收信号矢量r ，从而将其他数据流对本数据流的影响完全消除。广义逆g 为： g = ( h 日) 叫h 式( 3 3 ) 其中日表示日的共轭转置。 发送矢量z 的估计值为： 圣= g r = g h x + g n 式( 3 4 ) z f 算法虽然简单，但存在噪声的过度放大问题，在系统噪声比较大的时候 就会导致系统误码性能较差。 3 2 2m m s e 检测算法 m m s e 检测算法【2 9 1 是选择合适的矩阵使得估计矢量殳与原始发送矢量工均 方误差最小。定义的误差函数为： p = e 渺一量| 1 2 ) = e 渺一函峨 式( 3 - 5 ) 对其求导，令其一阶导为0 ，可得到估计矩阵： ， g = ( 日日h + 赢矿1 h 式( 3 - 6 ) 其中，为m 阶单位矩阵，s n r 为信噪比。 m m s e 算法是对z f 算法的一种改进，它平衡了信号间干扰以及噪声所带来 的影响，从而使信号与干扰信号以及噪声的比值( 即信干噪比) 变大。 3 3 排序串行干扰消除算法 串行干扰消除检测算法【3 0 】是先用z f 或m m s e 算法对发射信号中某个元素 进行解调，然后将这个元素的影响从接收符号向量中去掉，依次对剩余元素进行 解调，直到遍历发送信号中的所有元素。 由于串行干扰消除检测算法存在误码扩散，针对这一缺点，在原算法中加入 排序，即在每次线性检测前都对剩余的未检测符号进行选择，寻找信噪比最大者 优先检测，这种算法叫做排序串行干扰消除检测算法【3 l - 3 2 1 。它可以有效减少符号 间干扰，提高系统性能。依据不同的线性检测算法，o s i c 检测算法可以分为 z f o s i c 和m m s e o s i c 。 1 7 北京邮f 乜人学硕t - q ：位论文 第三章l t e l t e a d v a n c e d 中的信寸检测技术研究 3 3 1z f o s i c 检测算法 z f o s i c 检测算法可以说是一种递归过程，其中干扰抵消的顺序是根据每次 迭代的广义逆矩阵接收列矢量信号能量来排序的，这种排序是一种最优化方法。 z f o s i c 检测算法过程如下： 初始化： i = 1 ，g i = 日+ ，k ra r g m i n i l ( g 1 ) 川2 式( 3 7 ) 迭代过程： 。 计算加权矢量： w k , = ( g f ) t 式( 3 8 ) 计算判决变量： y k , = 式( 3 - 9 ) 进行解调判决： a t ：= q ( y k ) 式( 3 - l o ) 将己检测信号从接受信号中消除：, 仇l = ，；一a k ( 日) t 。 式(3-11), 计算矩阵的伪逆： q + 。= 联 式( 3 1 2 ) 选出信噪比大的信号： 岛+ l _ a r g m i n 1 l ( g , 州1 2 式( 3 - 1 3 ) 如果f 坼，则江i + 1 ；否则樱i 6 l i j 结束。 式( 3 1 4 ) ，岛列为0 阵接收列矢 测性能要优 来的影响， 算法过程如 北京邮电人学硕 ：学位论文 第三章l t e l t e a d v a n c e d 中的信检测技术研究 迭代过程： 计算加权矢量： 计算判决变量： 进行解调判决： 向= 嘴严n 舭一g i h i ) 川2 + 丽1 川2 ) 式( 3 - 1 6 ) w k ，= ( g f ) 岛 蚝= 幢，； 气= q ( ) 将已检测信号从接受信号中消除： l = ，；一a k , ( h ) k t 计算矩阵： g m 2 畔h i i + 丽1 1 1 7 选出m m s e 最小的信号： 岛+ 1 怒鬻舭一g f + - 耳+ t ) ，1 1 2 3 2 v ( 州1 2 ) 肛( 与b ) ” 。 如果i 坼，贝, l j i = i + 1 ；否则检测结束。 输出结果为： 曼= 氓，气，a l 。】 式( 3 1 9 ) 式( 3 2 0 ) 其中h 表示日的共轭转置；h 丘_ n 表示令日的毛，屯，岛列为0 得到的共轭 转置：( g f ) ，表示q 的第行。 3 4 t u r b o 迭代检测算法 3 4 1t u r b o 迭代检测基本原理 t u r b o 迭代检测算法【3 3 。3 5 1 的基本思想为：接收信号直接进入到软输入软输出 ( s o f ti ns o f to u t ，s i s o ) m i m o 检测器，s i s om i m o 检测器利用接收到的数据 和前一次迭代译码器产生的外信息乞c o d e ( b ) 经交织后得到的先验信息t 如( 6 ) 产 生合适的软判决输出，继而获得比特似然外信息l ( 6 ) ，该信息经解交织器后变 为厶( 6 ) ，再输入到信道译码器，作为译码器的先验信息，译码器利用该信息得 到关于信息比特的估计及符号可靠性的外信息。如此反复迭代几次最终得到接收 机的译码硬判决输出。图3 1 为t u r b o 迭代检测原理图。 n i r b o 迭代步骤如下： 1 9 北京邮电人学硕i j 学位论文第二三章l t e l t e a d v a n c e d 中的信吁检测技术研究 初始化符号概率( 等概形式) ，送入s i s om i m o 检测模块； 通过s i s om i m o 检测得到比特似然外信息厶( 6 ) ； t ( 6 ) 经过解交织后得到丘( 6 ) ； t ( 6 ) 经过信道译码模块得到t 。o d e ( b 7 ) 和t ，出舾( 6 ，) ； t , c o d e ( 6 ) 经过交织后得到t c o d e ( b ) ； 利用编码比特似然信息计算符号概率； 返回，直到达到预先设定的迭代次数，然后对t 出血( 6 7 ) 进行判决输出。 接 图3 - 1t u r b o 迭代检测原理图 第一次迭代时，m i m o 检测器和信道译码器所给出的信息相互独立，在随后 的迭代过程中，因为间接使用了相同的信息，它们之间的相关性会随着迭代次数 的增加而增强，相应地，检测性能的提高也会变得不明显。 3 4 2s i s om i m o 检测原理 ， 图3 2 为s i s om i m o 检测原理图。s i s om i m o 检测的基本思想为：接收到 的信号y 和前一次迭代所得的编码比特对数似然比t 。o d e ( b ) 所产生的符号软信息 进入到软干扰消除模块，然后进行外部似然比特信息计算，从而得到比特似然外 信息l ( 6 ) 。 3 4 2 1软干扰消除 图3 - 2s i s om i m o 检测原理图 接收到的信号为： n t y - h i s i + 嘭_ + 刀，江l ，坼 式( 3 - 2 4 ) ，= i ， 对每路发送信号进行干扰消除： 北京邮i 乜人学硕j j 学位论文 第三章l t e l t e a d v a n c e d 中的信0 榆测技术研究 乃= y - 芝乃e = 曩暑+ 芝哆( 勺一e ) + 甩式( 3 2 5 ) 其中均值为： e = c p s i = c n ) 式( 3 2 6 ) 方差为： v a r = lz i c 1 2p ”巳) 】_ i e 圳2 式( 3 - 2 7 ) c h e f 其中巳为星座集合c 中的第刀个符号，p 墨= 巳) 为先验概率，初始值为等 概。 3 4 2 2似然函数和似然比计算 发送符号墨的似然函数为： p ( 咒阱南e x p 一蜀) h 耳1 ( 咒一毋) 式( 3 - 2 8 ) 其中= h i s i ，r = 芝l 矽v a r 0 + 蠢k ，k 为阶的单位矩阵 第价符号中第k 个比特似然比为： 啦。乩等裂 p ( 乃k = q ) p ( 墨= 巳) 扎鼍专丽司雨习 v e n e c ，厶j 爿 外部比特似然比为： t ( 岛，。) = ( 岛，。) 一厶( 岛，。) 式( 3 - 3 0 ) 其中厶( 包。) 为先验比特似然比。 3 4 2 3符号软信息计算 根据星座图和t u r b o 译码器得出的每个比特对数似然比信息，可以对符号进 行软估计。假设( 吃，) 表示星座图中第以个符号的第( = o ，1 ，m 一1 ) 个比 特的对数似然比，则巳，为1 或0 的后验概率可表示为： 出厂归嵩端 北京邮f 乜人学硕i ：学位论文 第三章l t e l t e a d v a n c e d 中的信墨检测技术研究 符号软信息为： 3 5 仿真分析 机= 。) 2 硐1 m l p i = 巳) = 兀p h 3 5 1 仿真模型及参数描述 本节对前面描述的各种检测算法进行链路级仿真实现，仿真模型如图3 3 所 不。 图3 - 3 链路仿真模型 仿真基于l t e 系统的条件和参数，配置如表3 1 所示。 表3 - 1l t e 下行链路仿真参数 系统带宽 1 0 m h z f f t 长度 1 0 2 4 有效子载波数 6 0 0 o f d m 符号块数 1 4 发送时间间隔 1 0 m s 子载波带宽 1 5 k h z 信道编码编码速率为1 3 的t u r b o 编码m 1 译码算法 m a x - l o g - m a p ( 最人迭代次数8 次) 调制 q p s k 信道估计理想估计 预编码 s v d 天线配置 4 4 信道模型t u 信道 载波频率 2 g h z 移动速度3 k m h 北京邮电人学硕l ：学位论文第三章l t e l t e a d v a n c e d 中的信 榆测技术研究 3 5 2仿真结果及性能比较 根据表3 1 所描述的仿真参数，给出了不同系统参数情况下的几种检测算法 的仿真性能，误码率曲线如图3 4 和图3 5 所示。 图3 4 为无信道编码条件下，z f 、m m s e 、z f o s i c 和m m s e o s i c 4 种检 测算法的误码率曲线。从图中可以看出，性能由好到差依次为：m m s e o s i c 、 z f o s i c 、m m s e 、z f 。m m s e 性能优于z f ，这是由于m m s e 综合考虑信号间 干扰以及噪声所带来的影响，而z f 仅仅考虑了信号间干扰。o s i c 性能优于线 性检测算法，这是由于o s i c 引入了干扰消除技术，从接收信号中部分消除了流 间干扰，从而提高了系统的性能。 1 41 61 82 02 22 42 62 8 3 03 2 s n r 图3 _ 4 无信道编码的不同检测算法陧能比较 - 20246 8 9 r 图3 5 有信道编码的不同检测算法性能比较 北京邮电人学硕 ：学位论文第三章l t e l t e a d v r , n c e d 中的信号榆测技术研究 图3 5 有信道编码条件下，z f 、m m s e 、z f o s i c 、m m s e o s i c 和t u r b o 迭代5 种检测算法的误码率曲线。从图中可以看出，t u r b o 迭代性能最优，并且 其在2 、3 和4 次迭代时性能相近，比1 次迭代有0 5 d b 左右的增益。这主要是 由于随着迭代次数的增加，m i m o 检测器和信道译码器所给出的信息之间的相关 性增强，相应地检测性能的提高也会变得不明显。m m s e o s i c 、m m s e 和 z f o s i c 性能次之，z f 性能最差。其中m m s e o s i c 和m m s e 性能相近。 对比图3 4 和图3 5 可以看出，在无信道编码时，o s i c 相较线性检测算法 有较大提高，而在有信道编码时，z f o s i c 与z f 相比，仅有0 5 d b 左右的增益， m m s e o s i c 与m m s e 相比则没有明显增益。这主要是由于o s i c 在干扰消除时， 判决采用的都是硬判决，使得系统存在误差传播的影响。在有信道编码时，输入 信道译码器的是软信息，对干扰消除时引入的误差传播比较敏感；而在无信道编 码时，四种检测算法均采用硬判决输出信息比特。 3 6 本章小结 本章主要研究了三类检测算法：线性检测算法、排序串行干扰消除和t u r b o 检测算法。线性检测算法实现简单，但检测性能较差；串行干扰消除检测算 用干扰消除技术，使得检测性能有所提升；t u r b o 迭代检测算法通过引入循 代理念来提高系统的检测系能，但同时也提高了系统的复杂度。在实际应用 应该根据具体情况综合考虑，均衡检测算法的性能和复杂度。 北京邮电人学硕1 j 学位论文 第p q 章l t e l t e a d v a n c e d 中的预编码技术研究 第四章l t e l t e a d v a n c e d 中的预编码技术研究 空间复用是m i m o 系统提高传输效率的一种简单方法，是一种利用空间信 道的弱相关性的技术。在空间复用系统中，将传输信息比特分成多个并行的数据 流，并在多个相互独立的空间信道上进行传递，从而提高数据的传输效率。根据 发送端是否已知信道信息，可将m i m o 系统的空间复用分为：开环方式的空间 复用和闭环方式的空间复用，其中闭环方式的空间复用即所谓的预编码技术。 4 1 预编码技术的基本原理 预编码技术就是在已知信道状态信息( c h a n n e ls t a t e si n f o r m a t i o n ，c s i ) 的情 况下，发送端利用c s i 对发送信号进行预处理操作，从而进一步提高用户和系统 的吞吐量。按照采用信号处理方式的不同，可将预编码分为线性预编码和非线性 预编码。本章主要介绍线性预编码。 基站 用户 预编码矩阵获得过程 ：蕞：廿e j 蛹拉手h r 、c i l 一 发送i ：行解调或探测导频理灶哥州狄1 哥l 3 1 j 基于c s i 进行预编码矩阵讦算 预编码操作过程 1 r 预编码操作 i 发送预编码的数据和专用导频使用专用导频解调数据符号 图4 - 1 非码本的预编码操作流程 线性预编码可以按其预编码矩阵的获得位置划分为：非码本的预编码方式和 基于码本的预编码方式【3 7 1 。图4 1 和4 2 分别为非码本的预编码操作流程和基于 码本( c o d e b o o k ) 的预编码操作流程。在频分双工( f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ， f d d ) 系统中，信道的先验信息可以通过对m i m o 信道的测量获得，并通过反 北京邮i u 人学顾十学位论文第四章 l t e l t e a d v a n c e d 中的预编码技术研究 馈信道传递给发送端。为了降低反馈开销，通常采用基于码本的方式进行反馈。 在时分双工( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ，t d d ) 系统中，由于上下行信道具有互易性， 可以通过上行信道测量获得下行预编码所需的m i m o 信道信息，即通过非码本 的方式实现反馈。 基站 用户 预编码矩阵获得过程 发送公兆导频通过公哭导频获得c s i + 肇于c s i 从码本中 选择预编码超! 眸 摹y - p m i 从码本中 选择预编码矩阵 反馈p m i 预编码操作过程 1r 预编码操作 发送预编码矩阵验证信息获得p m ! 基于c s i 从码奉中 选择顾编码矩阵 ， 发送预编码的基于公j 导频和预编码 数据符号和公共导频麓i 阵解调数据符 4 1 ) ，h e ：一种 ! 阵在 l 的右 ! 频符 之后 北京邮电大学硕r j ：学位论文第阴章l t e l t e a d v a n c e d 中的预编码技术研究 空阳j 信道矩阵日的s v d 分解为： h = u s v 式( 4 2 ) 其中u 、v 为酉矩阵，s 为对角阵。 未采用预编码的系统模型表示为： y = 硪+ n 式( 4 3 ) 发送信号x 左乘预编码矩阵矿之后，系统模型变为 y = h v x + n = h x - i - n 式( 4 4 ) 接收端利用信道估计所获得的等效信道日，对接收信号进行检测。当采用 m m s e 检测时，则其信号估计矩阵为： g = ( h c n + 志矿h 。n 式( 4 - 5 ) 4 3 基于码本的预编码 在f d d 系统，由于上下行信道不存在互易性，只有通过预先设计码本的方 式来减少反馈信息量，并通过一定准则来选取合适的码本来进行预编码。当然这 种基于码本的预编码方式也可以应用于t d d 系统，不过这样将不能够发挥t d d 系统上下行信道互易性的特点。 基于码本的预编码方式的基本思想是：在收发两端都存储一个相同的码本集 合，接收端通过对下行信道的估计获得c s i ，按照一定的准则选择最合适的预编 码矩阵，并将该预编码矩阵指示符( p r e c o d i n gm a t r i xi n d i c a t o r , p m i ) 通过上行 信道反馈给发送端，发送端根据收到的p m i 从码本中找出相应的预编码矩阵进 行预编码操作。发送端还需要通过某种方式告知接收端当前所使用的p m i ，这是 因为虽然预编码矩阵是接收端选择并将p m i 反馈给发送端的，但是在反馈的过 程中可能会发生错误，所以发送端有权根据实际情况更改预编码矩阵。这种预编 码的主要特点是：不需要反馈信道信息，预编码矩阵在接收端获得，只需反馈 p m i ，大大降低了对反馈链路的要求。 需要注意的是，预编码矩阵的数量和所获得的预编码增益有着直接的关系。 此外，在预编码矩阵的选择上，一般都采用轮询的方法，这样势必增加处理的时 延，再加上反馈时延，对于信道变化较快的情况，这种预编码的性能也不容易得 到预期提高。 4 3 1码本选择准则 码本的选择就是根据互信息或错误概率等系统性能的评价标准，从码本集合 2 7 北京邮电人学硕l ：学位论文 第网章l t e l t e a d v a n c e d 中的预编码技术研究 中选出最优预编码矩阵f 。本文主要介绍基于误码率( b i te r r o rr a t i o ，b e r ) 【4 0 】 和容量( c a p a c i t y ) 4 1 】的码本选择准则。 4 3 1 1基于误码率准则选择码本 误码率是衡量系统性能最直接也最有效的指标，与其他的方式相比，基于 b e r 性能准则选择码本更加有效。 预编码矩阵为f ，则第z 层上的数据流的信噪比( s n r ) 可以表示为： s n r t2 乃( f 日职) 式( 4 6 ) 其中见表示矩阵f h 胛按降序排列的第，个特征值。 系统误码率为： 一 q ( x ) 丽丽e 2 式( 4 - 7 ) l 6 4 x + o 7 6 【x 2 + 4 ) 背f 4 7 、 其中x 为信噪比。 使用预编码时，系统b e r 可表示为： 2 善q ( 呲) 2 善q ( 乃( 脚h 胛) ) 式( 4 8 ) ，= l，= l i f ( 4 r1 接收端在码本中选择最小化函数q 的码字，作为最佳预编码： 2 嘶厶职 式( 4 9 ) 4 3 1 2基于容量准则选择码本 在空间复用系统的天线子集选择中，容量可以用于作为预编码矩阵的选择准 则。由于发送之前的预编码矩阵为f ，等效信道可以表示为胛，容量可以表示 为： ，( f ) = l 0 9 2d e t ( i m + s n r xf + 日研) 式( 4 1 0 ) 其中，d e t ( ) 表示求行列式，l 为刀置维的单位矩阵，s n r 为信噪比。 接收端在码本中选择信道容量最大的码字，作为最佳预编码： 2 a r g f e m w 觚舻) 式( 4 1 1 ) 丽( 4 11 ) 4 3 2 码本 针对四根发送天线的情况，3 g p p 已经确定其线性预编码矩阵的码本如表 4 1 ，其中呒：，一2 u n u n “，“。，i 是4 x 4 的单位矩阵【4 2 1 。 北京邮电人学硕l ：学位论文第p q 章l t e l t e a d v a n c e d 中的预编码技术研究 表4 - 14 天线情况下的预编码矩阵码本 码本序号“月 暖数目 1 2 34 0 “o = 1 1 1 1 1 吲1 吲1 4 压w o ：1 2 4 压吲1 2 3 4 2 1 约= 【l 一，1j 1 皑u 2 压 皑2 3 历 皑2 3 4 2 2 “2 = 【l 1 11 1 叫”吲1 2 压 吲1 2 3 ，压 吲3 2 1 4 2 3 “3 = 【l 1 一，i r吲1 蟛1 2 压时1 2 3 打吲3 2 1 4 2 4 。：i ( 一1 - 州压一，( 1 - 州压】r 喇1 喇1 4 压吲1 2 4 压吲1 2 3 4 2 5 酽i ( 1 - j ) 4 i ，( _ l - ) 压r 吲1 w s ：1 4 压 喇1 2 4 压吲1 2 3 4 2 6 “。：i ( 1 + 州压一( 一1 + 州压i r 唆1 啄”压磙1 3 4 压咴1 3 2 4 2 7 ”，：i ( 一1 + ，) 压- ，( 1 + 州压l r 臃1 w 7 ”) 压吲1 3 4 压 咧”2 4 2 8 “8 = b 一1 1 1 1 略1 吲1 2 压 唆1 2 4 历吲1 2 3 4 2 9 “9 = 【1 一_ ，一1 一j 1 列1 啄m 压吲1 3 4 a 吲1 2 3 4 2 1 0 = b 1 1 1 1 ； 嵋3 3 压压 3 3 2 4 2 1 1 = 【1 ，一1 汀 嵋j l j 1 3 压p 石 7 3 2 4 2 1 2 = 【l 一1 11 】r 2 2 2 1 压p 压 2 2 3 4 2 1 3 = 【l 一11 1 i r p 压p 压 ；3 2 4 j 2 1 4 “1 4 - - 11 1 一1 1 r2 2 3 压2 2 3 i , g ? 2 h 2 1 5 = 【l 11 1 1 争 霸2 2 压p 压职p 2 针对两根发送天线的情况，3 g p p 确定其线性预编码矩阵的码本如表4 - 2 4 2 1 。 北京邮l 乜人学硕i ：学位论文 第四章l t e l t e a d v a n c e d 中的颅编码技术研究 4 4 仿真分析 表4 - 22 天线情况下的预编码矩阵码本 层数目 码本序号 1 2 o 洲 1 - 1 0 。 万l o1 _ _ l l 1 11 1 压 一121 1 -_-_ _ 1 1 1 l ll 2 万l 州 2 1一j 一 - 一 1 1 3 压 一一_ ，