（通信与信息系统专业论文）3gpplte移动通信系统的系统级仿真研究.pdf

_ 遵 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所警交的论文是本人在导师指导下进行的研究工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书而使用过的 材料。与我一同工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：日期：塑笙：! ：! 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大学。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：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。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： 导师签名： ，1 许经 日期： 日期：y ? ：! ：7 _ ! h，j、 ， 一p y 一3 农业移动智能信息服务关键技术研究 ( 编号：2 0 0 7 a a l 0 2 2 3 5 ) ( 时间：2 0 0 7 8 2 0 1 0 1 0 ) 。1 一 e f l c ， 北京邮i b 人学顾l ：学位论文 3 g p p - l t e 移动通衍系统的系统级仿真研究 3 g p p l t e 移动通信系统的系统级仿真研究 摘要 随着移动通信和宽带无线接入技术的融合，“移动通信宽带化” 的趋势越来越明显。基于对移动通信宽带化的认识，3 g p p 启动了l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 项目。它采用多载波调制( o f d m ) 、多天线 ( m i m o ) 、全i p 网等先进的技术，极大的提高了空中接口的能力， 可以给用户提供高质量的无线接入服务。 l t e 系统可以更好的给用户提供服务，但是在实际部署当中，它 需要在有限的功率和带宽下，提供高速率的业务，因此，如何更好地 部署和配置l t e 系统是摆在我们面前的关键问题。解决这个问题的 常用方法是进行系统级仿真，模拟实际的环境，得到合理的规划方案。 论文首先对l t e 系统的技术指标、网络架构及关键技术进行了归 纳总结。技术指标主要包括对于速率、时延、带宽等的要求，网络结 构方面主要包括接入网的体系结构及空中协议栈。关键技术主要研究 了物理层和m a c 层的关键技术，包括调制技术、多天线技术、资源 调度及q o s 保证技术等。 接下来，论文研究了蜂窝系统的系统级仿真方法，主要包括动态 系统仿真和静态系统仿真。在详细分析这两种仿真方法的思想及在实 际应用中的选取原则基础上，给出了系统级仿真和链路级仿真的接口 设计方法。 在以上工作基础上，论文给出了l t e 系统级仿真的模型，并利 用m a t l a b 软件搭建了l t e 系统级仿真平台。平台主要包括小区和 用户模型、传播环境模型、调度模型及链路自适应模型等。论文利用 该仿真平台，对l t e 系统的吞吐量、调度算法及自适应编码调制方 案等多个方面进行了仿真研究，并对仿真结果进行了分析。仿真结果 对于指导l t e 蜂窝系统的开发和部署具有重要的参考意义。 关键词：3 g p p系统级仿真l t e调度 j 堕邮f u 人学倾l j 学化论文 3 g p p l t e 移动通信系统的系统级仿真l i j f 究 ，#t慷 a w a r e n e s so fb r o a d b a n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s 。3g p ps t a r t e dt h el t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) p r o j e c t i tg r e a t l yi m p r o v e st h ec a p a c i t yo fa i r i n t e r f a c ea n dc a np r o v i d eh i g h q u a l i t yw i r e l e s sa c c e s ss e r v i c e sd e p e n d i n g o nt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g y f o re x a m p l e ，o f d m ，m i m o ，a ui pn e t w o r k a n ds oo n t h es y s t e mo fl t ec a np r o v i d eb e t t e rs e r v i c e st ou s e r s b u ti ts h o u l d p r o v i d eh i g h - s p e e dd a t ar a t eu n d e rc o n d i t i o n so fl i m i t e dp o w e ra n d b a n d w i d t h i ti sac h a l l e n g e t h e r e f o r e t h ek e yp r o b l e mw ef a c e di sh o w t ob e t t e rd e p l o ya n dc o n f i g u r et h es y s t e m t h ec o m m o nm e t h o di st o s i m u l a t et h ea c t u a le n v i r o n m e n ta n dg e tt h er e a s o n a b l ep l a n n i n gs c h e m e f i r s t l y , w es t u d yt h et e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n so ft h el t es y s t e m ， n e t w o r ka r c h i t e c t u r ea n do t h e rk e yt e c h n o l o g i e s t h ek e yi n d i c a t o r s i n c l u d ed a t er a t e ，d e l a y , b a n d w i d t ha n ds oo n t h en e t w o r ks t r u c t u r e i n c l u d e sa c c e s sn e t w o r ka n da i rp r o t o c o ls t a c k w r ea l s o s t u d yt h e t e c h n o l o g i e so fp h y s i c a ll a y e ra n dm a cl a y e r , s u c ha sm o d u l a t i o n ， m i m o ，r e s o u r c es c h e d u l i n g ，q o sa n ds oo n s e c o n d l y , w er e s e a r c ht h et h e s i so fs y s t e m 1 e v e ls i m u l a t i o nm e t h o d i nc e l l u l a rs y s t e m i tm a i n l yi n c l u d e sd y n a m i cs y s t e ms i m u l a t i o na n d s t a t i c s y s t e ms i m u l a t i o n a f t e rd e t a i l e da n a l y s i s t h e s em e t h o d s ，w e h；：；o、 北京邮i 【1 人学硕l j 学位论文 3 g p p l t e 移动通信系统的系统级仿真研究 r e s e a r c ht h ei n t e r f a c eo f s y s t e m - - l e v e l s i m u l a t i o na n dl i n k - l e v e l s i m u l a t i o n b a s e do na l lt h ew o r k w er e s e a r c ht h es y s t e m 1 e v e ls i m u l a t i o n m o d e l so fl t ea n db u i l dt h es y s t e m 1 e v e ls i m u l a t i o n p l a t f o r l 1u s i n g m a t l a b i ti n c l u d e sr e s i d e n t i a la n du s e rm o d e l s ，p r o p a g a t i o nm o d e l ， s c h e d u l i n gm o d e l ，a d a p t i v el i n km o d e la n ds oo n a f t e rt h a t ，w es t u d yt h e t h r o u g h p u to fl t e ，s c h e d u li n ga l g o r i t h m ，a n ds oo n t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wav a l u a b l eg u i d et ot h ed e v e l o p m e n ta n d d e p l o y m e n to fl t e k e yw o r d s ：3 g p pl t e s y s t e m l e v e ls i m u l a t i o n s c h e d u l e 一， j _ 北京邮i u 人学硕，l ：学位论文 3 g p p l t e 移动通信系统的系统级仿真研究 目录 第一章绪论1 1 1l t e 技术的发展。l 1 2 蜂窝系统的系统仿真技术。2 1 3l t e 系统的需求一3 1 4l t e 系统的架构。4 1 4 1e u t r a n 总体架构。4 1 4 2e u t r a n 功能实体5 1 5 论文研究内容及结构6 第二章l t e 系统的理论基础8 2 1 物理层技术8 2 1 1l t e 帧结构8 2 1 2 多载波调制技术1 0 2 1 3 多天线技术1 3 2 1 4h a r q 1 4 2 1 5 自适应编码调制1 6 2 2 媒体接入层技术1 7 2 2 1 资源分配与调度1 7 2 2 2q o s 结构1 9 2 2 3 移动性支持。2 1 2 3s a e 演进。2 l 2 3 1s a e 的需求2 1 2 3 2s a e 的基本结构2 3 2 4 本章小结2 4 第三章蜂窝网的系统级仿真方法2 5 3 1 系统级仿真方法概述2 5 3 2 静态系统仿真2 6 3 3 动态系统仿真。m2 7 3 4 静态仿真和动态仿真比较2 8 3 5 仿真接口设计2 9 3 6 本章小结3 0 第四章l t e 系统仿真模型31 4 1 网络拓扑3l 北京i i i i i , e 人。娑坝i ：学化论义3 g p p l t e 移幼通f 方系统的系统级仿真l j 究 4 2 用户模型3 2 4 3 传播环境模型3 3 4 3 1 路径损耗模型3 3 4 3 2 阴影衰落模型3 4 4 4b s 天线模型3 4 4 5 调度模型3 5 4 6 链路自适应模型3 8 4 7 干扰计算模型3 8 4 8e e s m 映射模型3 9 4 9 系统仿真流程3 9 4 1o 本章小结。4 l 第五章仿真结果及分析4 2 5 1 仿真场景及参数设置4 2 5 2 链路级仿真接口4 3 5 3 仿真结果4 5 5 3 1 吞吐量4 5 5 3 2 调度算法4 7 5 3 3 自适应编码调制4 8 5 4 本章小结4 9 第六章总结与展望5l 6 1 工作总结5 1 6 2 讨论和展望5 2 参考文献。5 3 致i 射5 5 附录5 6 攻读硕士学位期间取得的研究成果5 7 2 b ： 一 北京邮1 1 1 人学硕i j 学位论文3 g p p l t e 移动通信系统的系统级仿真研究 1 1l t e 技术的发展 第一章绪论弟一早三百t 匕 近年来，随着移动通信技术的发展，人们的生产和生活方式也发生了很大的 变化。从最初的语音通信为主，到对语音、数据、图像等多媒体业务的需求，人 们对于数据速率的要求越来越高。用户需求的变化，推动着移动通信技术迅猛向 前发展。从第一代、第二代到第三代，通信系统提供给用户的通话质量、数据速 率、业务种类等都有了很大的提高。目前，大多数的u m t s 网络正在升级为h s p a ， 用以提供更高的传输速率。但是，这不是通信系统对于数据速率提升的句号， 3 g p p 成立了相关的工作组，启动了l t e 、h s p a + 、l t e a d v a n c e d 等长期标准演 进项目，用以提供更好的通信服务。 l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 长期演进项目的驱动力不只来源于用户需求的 变化，更来自于w i m a x 等无线宽带接入技术的市场竞争。随着移动通信和宽带 无线接入技术的融合，“宽带化接入移动化”日益发展壮大，“移动接入宽带化 已成为刻不容缓的必然趋势。“移动接入宽带化 表现为【l 】：由5 m h z 以下带宽 向2 0 m h z 带宽演变；由注重高速移动向为低速移动优化演变；由电路交换分组 交换并重向全分组域演变；由蜂窝网络向兼顾热点覆盖演变；终端形态由以移动 终端为主向便携与移动并重演变。基于以上认识，3 g p p 开始了“长期演进 进 程。它可以保持3 g p p 标准在未来十年相对于其他通信系统标准的持续竞争优势， 成为最具影响力的宽带移动通信技术标准之一。 l t e 项目主要针对高数据速率、低时延、为分组优化等方面进行了研究，是 关于u t r a 和u t r a n 的改进的项目。它的语音业务将采用v o p 的形式，并且 在空中接口和网络结构方面进行了变革。它采用o f d m 、m i m o 等先进的无线 传输技术、扁平的网络结构和全m 系统架构，支持最大2 0 m h z 的系统带宽、超 过1 0 0 m b p s 的峰值速率和更短的传输时延，频谱效率达到3 g p pr 6 标准的3 5 倍【2 l ，是一项重大的革新。 随着l t e 标准的深入研究与完善，l t e 标准的研究成果将逐步应用到产业 化和市场化中。瑞典电信运营商t e l i a s o n e r a 于2 0 0 9 年1 月1 5 日宣布，它与爱 立信和华为分别签署了两项关于4 g l t e ( l o n g t e r me v o l u t i o n ) 商用网络的合同。 2 0 1 0 年上海世博会，中国移动将在世博会园区内运行t d l t e 示范网，配合射 频识别等技术，开展世博会手机门票、手机支付、无线视频监控等应用，这也将 是全球第一个t d l t e 示范网。种种迹象表明，l t e 商用发展已经初露端倪，相 信在不久的将来，它定会给我们带来高质量的通信服务。【3 1 北京1 1 1 1 吨人学倾i ：学位论文 3 g p p l t e 移动通信系统的系统级仿真 i j l = 究 1 2 蜂窝系统的系统仿真技术 随着计算机技术的迅猛发展，计算机不仅功能强大，而且价格便宜，适合于 桌面使用，这些便利条件促使计算机辅助设计与分析方法层出不穷，影响着人们 生产生活的各个方面。尤其是功能强大面向通信系统的软件包的开发，加速了计 算机仿真方法在通信领域的应用。 在现代通信系统中，分析蜂窝系统网络性能的方法通常有三种【4 】：实地实验、 数学分析和计算机仿真。通信系统要在有限的功率和带宽的条件下，实现高数据 速率的业务传输，就要采用高阶的调制方案、更强的纠错技术及差错控制等各种 方案的联合最优配置。复杂的系统加上恶劣的环境( 如多径效应、阴影衰落及多 普勒频移等) ，很难用精确的数学模型进行有效而实用的分析。实地实验的方法 不仅费时，而且成本又过于庞大，因此，计算机仿真技术成为了设计和分析这些 问题的最常用方法。 蜂窝系统的仿真首先是建立合理的网络拓扑，并遵循一定的原则产生服务的 用户。其次，模拟用户的业务特性及其他动态行为，从而获得对系统性能的把握， 为移动系统的设计或优化提供数据支持。蜂窝系统仿真一般采用统计特性的模 型，而不是详细的数学推导，因此，它需要通过大量随机的仿真实验来精确的再 现移动系统中的事件，从而获得统计意义上的网络性能。 根据仿真中考察指标的不同，我们可以把蜂窝系统的仿真分为系统级仿真和 链路级仿真两种。链路级仿真主要是考察单条链路的性能，它通过建立一条完整 的仿真链路来检验各种无线传输技术的性能。同时，链路级仿真也可以为系统级 仿真提供相应的物理层数据支持；系统级仿真主要是关注整个蜂窝系统的性能表 现，它通过建立合理的网络结构及用户分布，考察多个小区、多个用户条件下， 整个网络的吞吐量及用户业务性能等。 蜂窝系统仿真的可以在很短的时间内建立起网络拓扑及用户分布等模型，而 且易于修改和扩展，它可以很好地预测网络的性能，是系统规划优化前最常用的 手段。同时，在网络的规划部署中通常会有多种不同的方案，实地实验及仅凭主 观的判断而做出选择都是不现实的。因此，通过系统仿真来比较多种不同的方案 优劣是既科学又实用的。 蜂窝系统仿真的优点有很多。它可以预测网络的性能，可以在比较复杂的环 境下进行仿真实验，获得比较科学实用的实验数据。同时，它的模型易于建立及 修改，可以很好的比较多种不同方案的优劣。成本低、易于操作、高效快捷使得 蜂窝系统仿真成为现在网络部署前不可或缺的组成部分。 2 北京邮l 乜人学颐l ：学位论文 3 g p p - l t e 移动通信系统的系统级仿真研究 1 3l t e 系统的需求 面对更低的时延、更高的用户数据速率、更高的系统容量、更大的覆盖和更 低的成本这些挑战性的需求，l t e 在空中接口和网络结构方面都进行了重大革 新，表现为以下几个方耐5 】： ( 1 ) 数据速率与用户吞吐量 l t e 系统要求能够显著提高系统的峰值速率，在2 0 m h z 带宽内能够达到 1 0 0 m b p s 的瞬间下行峰值速率，即峰值频谱效率5b i t s h z ，和5 0 m b p s 的瞬间上 行峰值速率，即峰值频谱效率2 5b i t s h z 。 l t e 系统不仅要求可以提供很高的平均小区吞吐量，还强调了要提高小区边 缘用户吞吐量。l t e 系统下行吞吐量要求：在5 累积分布函数处的每兆赫兹用 户吞吐量应达到r 6h s d p a 的2 3 倍，每兆赫兹平均用户吞吐量应达到r 6 h s d p a 的3 - 4 倍。l t e 上行吞吐量要求：在5 累积分布函数处的每兆赫兹用户 吞吐量应达到r 6h s u p a 的2 3 倍，每兆赫兹平均用户吞吐量应达到r 6h s u p a 的2 3 倍。 ( 2 ) 频谱扩展性与频谱效率 l t e 系统可以灵活地支持频谱配置，包括1 4 m h z 、3 0 m h z 、5 m h z 、10 m h z 、 1 5 m h z 和2 0 m h z ，支持成对和非成对频谱。同时，它要求能够显著提高频谱效 率：下行频谱效率应能达到r 6h s d p a 系统的3 4 倍，上行频谱效率应能达到 r 6h s u p a 系统的2 3 倍。 ( 3 ) 系统时延 系统时延分为控制面时延和用户面时延。控制面时延要求从驻留状态转换为 激活状态的时延小于l o o m s ，从睡眠状态到激活状态的转换要控制在5 0 m s 以内。 用户面延时要求在“零负载和“小p 包 情况下的用户面单向时延控制在5 m s 以内，以此增强对实时业务的支持。 ( 4 ) 移动性和覆盖需求 l t e 系统支持蜂窝网中的移动性，对于低速运动( o 1 5 k i n h ) 要实现优化， 较高的移动速度要不低于原来系统，在1 2 0 3 5 0 k m h 移动速度下仍然需要保持对 于移动性的支持。同时，l t e 要灵活的支持各种覆盖场景，满足各项性能指标， 提高小区边缘性能，要支持最大1 0 0 k m 的覆盖半径。 ( 5 ) 无线资源管理与复杂度需求 在无线资源管理方面，要增强端到端的q o s 支持，设计合理的空中接口支 持高层传输，对于不同无线接入技术要实现负载均衡和业务策略管理。在满足所 需性能的基础上，要尽可能降低系统复杂度和终端复杂度，并降低系统和终端的 成本，以便实现更好的部署和应用。 3 北京邮l 也人学坝i j 学位论义3 g p p l t e 移动通信系统的系统级仿真研究 ( 6 ) 业务需求 在全i p 网的基础上，支持多种的业务类型，如视频、v o i p 、文件传送等， 在传输效率与业务质量方面不差与以日i 的通信系统。 ( 7 ) 共存与互操作性 实现与其他3 g p p 系统的共存与互操作。 1 4l t e 系统的架构 l t e 系统要求核心网是基于分组交换的，能够提高数据速率、降低时延和复 杂度、提高用户容量和系统容量等，这些需求使得原来的陆地无线接入网 ( u t 黜蝌) 和陆地无线接入( u t i 认) 的架构无法满足要求，需要进行调整和 演进，我们称之为演进的陆地无线接入网( e u t 凡州) 和演进的陆地无线接入 ( e u t r a ) 。 1 4 1e u t r a n 总体架构 为了满足低时延、低复杂度、低成本等指标的需求，l t e 取消了u m t s 标 准长期采用的无线网络控制器( r n c ) 节点，代之以全新的扁平结构。l t e 系统 的接入网架构最终在r 8 版本中确定下来，包括演进后的核心网e p c ( e v o l v e d p a c k e tc o r en e t w o r k ) 和演进后的接入网e u t r a n ，如图1 1 所示。 移动管理实体服务网关 k j h 演进的n 移动管理实体服务网关 演进的n o d e b 图1 - 1l t e 接入网架构【6 】 l t e 接入网主要由演进后的节点e n b ( e v o l v e dn o d eb ) 组成，提供到u e 的e u t r a n 控制面r r c 协议和用户面p d c p r l c m a c p h y 协议的服务。新 的l t e 接入网架构中，没有了原有的i u 和i u b 以及i u r 接口，取而代之的是 s 1 和x 2 接1 2 1 。核心网e p c 主要包括m m e ( m o b i l i t ym a n a g e m e n te n t i t y ) 和 4 北京邮l 乜人学颂l ：学位论文3 g p p - l t e 移动通信系统的系统级仿真研究 s g w ( s e r v i n gg a t e w a y ) 两部分。e n b 之间通过x 2 接口进行连接，并且在需 要通信的两个不同e n b 之间的x 2 接口总是存在的，例如支持l t ea c t i v e 状 态下的e n b 之间的切换。同时，l t e 接入网与核心网e p c 之间通过s l 接口进 行连接，并且支持多对多的连接方式。 这种网络架构只有e n b 一种逻辑节点，网络结构更加趋向于扁平化，可以 很好的降低呼叫建立时延和数据传输时延。同时，这样也很好的降低了系统的复 杂度和相互之间的信令交互，能够很好的实现对v o 口等实时业务的支持。 1 4 2e u t r a n 功能实体 为了适应l t e 的系统需求，l t e 系统的网络架构有了很大变化，进而 e u t r a n 和e p c 的功能也进行了重新的划分，如图1 2 所示。其中，图中黄色 部分代表逻辑节点，白色部分为控制平面的功能实体，蓝色部分代表用户平面的 功能实体。 e n b l 兰坚嘴多2 塑翌篁堡l r 堂鲤一 l 兰警状态下的移动性控制i 无线接纳控制 c n b 测量控制和上报 动态资源分配 ( 调度器) 缀r 醚溺 隧菱形彩：p d 醉? 雾擎擎霪豹 隧鳖遂攥噬_ 縻瓣露溺磷斓 缓糍! 嘲鹱辔霪溺 m m e n a s 安全管理 空闲状态下的移动性 处理 e p s 承载控制 服务网关 移动性控制 锚点 演进 图1 - 2 演进的u t r a h 与演进的分组核心网的功能划矿6 l l t e 的e n b 除了具有原来n o d e b 的功能之外，还承担了原来r n c 的大 部分功能，包括有物理层功能( 包括h a r q ) 、m a c 层功能、r r c 功能( 包括 无线资源控制功能) 、调度、无线接入许可控制、接入移动性管理以及小区间的 无线资源管理功能等。具体功能如下： 5 ；一；川一； 北京邮i u 人学硕i j 学位论文 3 g p p - l t e 移动通信系统的系统级仿真彤究 ( 1 ) 无线资源管理功能，包括无线承载控制、接纳控制、连接移动性管理、 上下行动态资源分配和调度等。 ( 2 ) i p 头的压缩和用户数据流的加密。 ( 3 ) 当根据用户提供的信息不能路由到m m e 时，需要为u e 选择一个m m e 进行附着。 ( 4 ) 提供用户面数据到s g w 的路由。 ( 5 ) 对源于m m e 的寻呼消息进行调度与传输。 ( 6 ) 对源于m m e 或者o & m 的广播信息进行调度与传输。 ( 7 ) 对移动性和调度进行测量和测量配置。 ( 8 ) 地震和海啸预警系统( e a r t h q u a k ea n dt s u n a m iw a m i n gs y s t e m ，e t w s ) 消息的传输与调度。 在r 8 版本的e u t r a n 中，接入网关又进一步的划分为：移动管理实体 m m e 、服务网关s g w 和分组数据网关p g w 。这三种功能实体可以根据不同 的应用场景进行配置。m m e 主要功能如下所示： ( 1 ) 非接入层和接入层的安全性控制。 ( 2 ) s a e 承载控制，包括专用承载的建立。 ( 3 ) 空闲模式下u e 的可达性，包括寻呼消息的控制与执行。 ( 4 ) 跟踪区域表的管理，主要用于移动性管理。 ( 5 ) p g w 与s g w 的选择及切换时m m e 的选择。 ( 6 ) 支持e t w s 消息的传输。 其中，m m e 可与一个s g w 联合部署，一个m m e 可管理多个e n b 。p g w 与s g w 分开部署时，一个p g w 可与多个s g w 连接，一个s g w 可连接多 个e n b 。当p g w 与s g w 分开部署通过p m i p ( p r o x ym i p ) 绑定时，可实现 基于网络的移动性管理，使u e 的移动性切换主要限制于l 2 和本地，提高移动 性管理效率。某一时刻，u e 只与1 个s g w 连接。 1 5 论文研究内容及结构 本文主要是以l t e 为背景，研究了系统级仿真的原理及方法，并搭建了l t e 系统级仿真平台，并对系统吞吐量、用户吞吐量及调度算法等进行了仿真研究。 论文共分为以下六章： 第一章为绪论。首先介绍了l t e 技术的研究背景、蜂窝系统的系统仿真、 l t e 系统的需求，包括数据速率与用户吞吐量、频谱扩展、时延、移动性与覆盖 等方面。其次，介绍了为了满足这些需求，l t e 系统在架构上的演进。 第二章主要介绍了l t e 系统的关键技术，从p h y 层和m a c 层两方面对l t e 6 北京邮l u 人学硕l ：学位论文 3 g p p l t e 移动通信系统的系统级仿真研究 进行了介绍。首先是物理层关键技术，包括l t e 的帧结构( f d d 和t d d ) 、调 制技术( o f d m ) 、多天线技术( m i m o ) 和h a r q 技术。其次介绍了l t e 的 m a c 层技术，包括资源调度、q o s 保证、移动性支持。最后对于s a e 系统架构 演进方面的知识进行了综合研究。通过本章，可以对l t e 技术特点和系统架构 有清晰而深刻的认识。 第三章讲述了系统级仿真的方法。首先介绍了系统级仿真的原理、方法及分 类。其次对动态仿真和静态仿真分别进行了详细的介绍并比较了两种仿真方法的 优劣。最后研究了链路级和系统级仿真的接口设计问题。 第四章讨论了l t e 系统级仿真模型。给出了本平台采用的小区和用户模型、 传播环境模型、链路自适应模型等。最后，给出了本平台的仿真流程图。 第五章讨论了本平台的仿真结果。首先介绍了仿真的场景及参数设置，然后 给出了链路级仿真接口表格，最后对于输出的结果进行了分析。 第六章主要是本文的总结和展望。主要介绍了本文的主要工作及贡献，并对 下一步的工作进行了展望，提出了指导性的建议。 7 北京邮i u 人学颂l j 学位论文3 g p p l t e 移动通信系统的系统级仿真研究 第二章l t e 系统的理论基础 l t e 系统支持更高的数据速率和更高的系统吞吐量，可以给用户带来更加优 质的通信服务。本章将对l t e 系统的一些关键技术及系统架构演进方面的理论 进行研究。关键技术主要包括物理层关键技术和媒体接入层关键技术，如帧结构、 o f d m 、m i m o 、资源分配与调度、q o s 支持等。在架构演进方面将主要研究s a e 的需求原则及基本架构。 2 1 物理层技术 2 1 1l t e 帧结构 l t e 系统支持两种基本的工作模式，即频分双工( f d d ) 和时分双工( t d d ) ， 支持两种不同的无线帧结构，即类型l 和类型2 帧结构，帧长均为1 0 m s 。前者 适用于f d d 工作模式，后者适用于t d d 工作模式。 ( 1 ) 帧结构类型1 帧结构类型1 适用于全双工和半双工的f d d 模式。每一个无线帧长度为 1 0 m s ，由2 0 个时隙构成，每一个时隙的长度为0 5 m s 。一个子帧定义为两个相 邻的时隙，把时隙编号为0 1 9 ，则第i 子帧由第2 i 和2 i + 1 个时隙构成，帧结构 如图2 1 所示。 一个子帧 i t 1 ： 图2 - 1 帧结构类型l 【7 】 在f d d 模式下，每一个1 0 m s 内，有l o 个子帧可以用于下行传输，并且有 1 0 个子帧可以用于上行传输，上下行在频域分开。在半双工f d d 模式下，收发 不同时进行，没有这样的限制。 ( 2 ) 帧结构类型2 帧结构类型2 适用于t d d 模式。每一个无线帧由两个半帧构成，每一个半 帧长度为5 m s 。每一个半帧又由8 个常规时隙和下行导频时隙( d w p t s ) 、保护 时隙( g p ) 和上行导频时隙( u p p t s ) 三个特殊时隙构成。1 个常规时隙的长度 为0 5 m s 。d w p t s 和u p p t s 的长度是可灵活配置的，但是要求d w p t s 、g p 以 8 北京邮l 乜人学硕i j 学位论文3 g p p - l t e 移动通信系统的系统级仿真研究 及u p p t s 的总长度等于l m s ，即3 0 7 2 0 t s ，具体配置如表2 - l 所示。除了特殊子 帧，所有其他子帧包含两个相邻的时隙，其中第i 个子帧由第2 i 个和第2 i + 1 个 时隙构成，如图2 2 和表2 1 所示。 图2 - 2 帧结构类型2 【7 】 表2 - 1 特殊子帧的配置【7 】 常规的c p ( 循环前缀)扩展的c p ( 循环前缀) 特殊子帧配置 d w p t sg p u p p t s d 、) i ，p t sg p u p p t s 0 6 5 9 2 t ，2 1 9 3 6 t ,7 6 8 0 t ，2 0 4 8 0 t ， l 1 9 7 6 0 t ，8 7 6 8 t ，2 0 4 8 0 t ，7 6 8 0 t 。 2 2 1 9 5 2 t ，6 5 7 6 t ，2 1 9 2 t ，2 3 0 4 0 t ，5 1 2 0 t s2 5 6 0 t s 3 2 4 1 4 4 t ，4 3 8 4 t ，2 5 6 0 0 t s2 5 6 0 t ， 4 2 6 3 3 6 t s2 1 9 2 t ，7 6 8 0 t s7 6 8 0 t ， 5 6 5 9 2 t 。1 9 7 4 4 t 。2 0 4 8 0 t 。2 0 4 8 0 t 。 5 1 2 0 t ， 6 1 9 7 6 0 t s6 5 7 6 t ，2 3 0 4 0 t ，2 3 0 4 0 t , 4 3 8 4 t ， 7 2 1 9 5 2 t s4 3 8 4 t s 8 2 4 1 4 4 t s2 1 9 2 t ， l t et d d 模式下，上下行子帧切换周期为5 m s 和1 0 m s ，具体配置参见表2 2 所示，其中d 表示用于下行传输的子帧，u 表示用于上行传输的子帧，s 表示包 含d w p t s 、g p 及u p p t s 的特殊子帧。子帧0 和子帧5 以及d w p t s 永远预留为 下行传输。在5 m s 切换周期情况下，u p p v s 、子帧2 和子帧7 预留为上行传输； 在1 0 m s 切换周期情况下，d w p t s 在两个半帧内都存在，但是g p 和u p p t s 只 在第一个半帧内存在，在第二个半帧内的d w p t s 长度为1 m s 。u p p t s 和予帧2 预留为上行传输，子帧7 和子帧9 预留为下行传输。 9 北京邮l u 人学顺l ：学f 证论文3 g p p l t e 移动通信系统的系统级仿真i j | = 究 表2 - 2 上下行子帧切换点配置【7 】 上下行配置上下行切换周期子帧序列号 o5m s0l23 4 56 789 l5m sdsuuudsu uu 25m 8dsuu d dsuu d 31 0m sdsud d dsu d d 41 0 n l sdsu u u d d d dd 51 0m sdsuudd d d d d 65m sdsu d d d d d d d o5m sdsu u u dsu u d l t et d d 模式下，上下行子帧切换周期为5 m s 和10 m s ，具体配置参见表2 2 所示，其中d 表示用于下行传输的子帧，u 表示用于上行传输的子帧，s 表示包 含d w p t s 、g p 及u p p t s 的特殊子帧。子帧0 和子帧5 以及d w p t s 永远预留为 下行传输。在5 m s 切换周期情况下，u p p t s 、子帧2 和子帧7 预留为上行传输； 在1 0 m s 切换周期情况下，d w p t s 在两个半帧内都存在，但是g p 和u p p t s 只 在第一个半帧内存在，在第二个半帧内的d w p t s 长度为l m s 。u p p t s 和子帧2 预留为上行传输，子帧7 和子帧9 预留为下行传输。 2 1 2 多载波调制技术 l t e 系统物理层下行传输方案采用先进成熟的o f d m a 技术；但上行传输方 案考虑到o f d m 较高的峰均比会增加终端的功放成本和功率消耗，限制终端的 使用时间，采用峰均比较低的单载波方案s c f d m a ，这样l t e 系统传输方案最 终确定为下行o f d m a 和上行s c f d m a 。 s c f d m a 技术是一种单载波多用户接入技术，它的实现比o f d m o f d m a 简单，但是性能稍逊于前者。相对于o f d m o f d m a 来看，s c f d m a 的峰均比 较低，发射机效率较高，可以很好的提高边缘小区的网络性能。它的最大的好处 是降低了峰均比和减小了终端的复杂度、体积和成本。它的特点还包括频谱带宽 的灵活配置、可变的传输时间间隔及对抗多径衰落的循环前缀等。 s c f d m a 有两种子载波映射方式：集中式和离散式，如图2 3 所示 1 0 一 ， 北京邮l u 人学颂i ：学位论文3 g p p - l t e 移动通信系统的系统级仿真研究 i h 叮 图2 - 3s c f d m a 子载波映射方式【8 】 在集中式映射的传输中，每个用户在频域中的子载波是相邻的，传输带宽可 以灵活的进行配置；在离散式的传输中，每个用户在频域占用的子载波是离散的， 可以获得很好的频域增益。 o f d m ( 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 ) 的全称是正交频分复用， 是多载波调制( m c m ) 的一种。m c m 的基本思想是把数据流串并变换为n 路 速率较低的子数据流，用它们分别去调制n 路子载波后再并行传输【9 1 ，如图2 4 所示。这样，数据速率就变为原来的1 n ，符号周期变为原来的n 倍，远大于信 道最大延迟，宽带频率选择性衰落信道就被划分为n 个窄带平坦衰落信道，从 而提高了抗多径衰落和抗脉冲干扰的能力。当o f d m 的循环前缀大于信道的时 延扩展时，它可以有效的消除符号间干扰，特别适合高速无线数据传输。尤其是 随着数字信号处理技术f f t ( 快速傅里叶变换) 的发展，加速了o f d m 实用化 的步伐。 图2 4 多载波调制系统框图 用户3 髓潞黼雾 用户2 昌营置菖昌置 甩户 翰豳骝雷 北京| i | l j i u 人学顾l ：学位论文3 g p p l t e 移动通信系统的系统级仿真研究 o f d m 在频域上，由相互重叠的子载波构成，如图2 5 所示。在每一子载波 频率的最大值处，所有其它子载波的频谱值恰好为零。由于在对o f d m 符号进 行解调的过程中，需要计算这些点上所对应的每一子载波频率的最大值，因此可 以从多个互相重叠的子载波符号频谱中提取每个子载波符号，而不受到其它子载 波的干扰。另外由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率。 一64- 20246 o f d m 频域图 图2 5o f d m 频域图 同时，为了避免o f d m