（通信与信息系统专业论文）lte系统中信道估计的研究与应用.pdf

摘要 摘要 近年来，移动通信市场的飞速发展所带来的前所未有的机遇和挑战，促使 3 g p p 组织在面对w i m a x 技术挑战之时推出了通用移动通信系统的l t e 项目。 l t e 在峰值速率、带宽、频谱分配灵活性和容量等方面都获得了重要的突破，受 到了人们的广泛关注，各大通信设备商也纷纷投入到该项目的研究和应用当中。 本文将基于国家科技重大专项“t d l t e 无线综合测试仪表开发”的物理层接收端 信道估计技术进行研究，重点针对l t e 下行链路进行分析。 本文首先介绍了l t e 系统的物理层相关知识、信道模型、下行链路小区专用 参考信号的生成方式以及映射规则，这将直接影响到信道估计的性能。随后，在 信道估计算法的研究之中，首先对传统的l s 和l m m s e 算法进行了介绍，并对它 们的性能进行了理论分析，在这两种算法的基础之上介绍了改进型的时域l s 和时 频二维维纳滤波信道估计算法。为了适应l t e 系统对m i m o 的传输要求，针对下 行2 发2 收传输分集情况提出了一种简化的信道估计处理方案。为了稳定提高信 道估计算法性能，将t u r b o 码与l s 和l m m s e 信道估计算法联合使用，通过加窗 法迭代的思想来提升信道估计性能。最后，为控制计算复杂度过高，针对l t e 下 行链路提出了在频域上进行的改进l m s 、n l m s 和r l s 的自适应信道估计算法， 这类算法适合慢变信道环境，并对时域上进行的n l m s 和减小能量泄露的r l s 信 道估计算法进行了分析。 通过m a n a b 仿真，对以上各类信道估计方案进行了验证分析。结果表明传 统的l s 和l m m s e 信道估计性能稳定，l m m s e 算法与l s 相比存在l 到2 d b 的 性能增益，改进型的时域l s 和时频维纳滤波算法性能都有所改进，只是计算复杂 度都相应有所增加。m i m o 传输分集下简化的信道估计算法相比s i s o 模式具有更 强的抵抗多径衰落的特性。联合t u r b o 编译码与l s 的信道估计迭代算法可以稳定 可靠地提高原有信道估计算法的性能，但计算复杂度过高，不便于实现。频域上 的自适应l m s 、n l m s 和r l s 信道估计算法在较低多普勒频移值下可较好地跟踪 信道变化，时域上的n l m s 和r l s 算法性能优良，但是却存在一定的能量泄露问 题。r l s 收敛速度较快，性能优于n l m s 和l m s 信道估计算法。 关键词：l t e ，信道估计，m i m o ，自适应滤波 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r sa su n p r e c e d e n t e do p p o r t u n i t i e sa n dc h a l l e n g e sc a u s e db yt h er a p i d d e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sm a r k e t , 3 g p po r g a n i z a t i o nl a u n c h e dt h el t e p r o j e c ta b o u t u n i v e r s a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s i n t h ef a c eo fw i m a x t e c h n o l o g yc h a l l e n g e s l t eg a i n e di m p o r t a n tb r e a k t h r o u g hi np e a kr a t e ，b a n d w i d t h , s p e c t r u ma l l o c a t i o nf l e x i b i l i t ya n dc a p a c i t yi n s u c ha s p e c t sa n dr e c e i v e dp e o p l e s e x t e n s i v ec o n c e r n al o to fc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n tb u s i n e s si n v e s t e di n t ot h e r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h i sp r o j e c t t h i ss t u d yo fc h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n o l o g yi n p h y s i c a ll a y e ri s b a s e do nt h en a t i o n a ls c i e n c et e c h n o l o g ym a j o rp r o je c t s ”t d - l t e w i r e l e s sc o m p r e h e n s i v et e s ti n s t r u m e n td e v e l o p m e n t a n dt h ek e yi st h et e c h n i c a l a n a l y s i so fl t ed o w n l i n k f i r s t l y , t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h er e l a t e dk n o w l e d g ea b o u tp h y s i c a ll a y e ro f l t es y s t e m , c h a n n e lm o d e l ，g e n e r a t i o nm e t h o da n dm a p p i n gr u l e so ft h ed o w n l i n k c e l l - s p e c i f i cr e f e r e n c es i g n a l s t h e ni nt h ei n v e s t i g a t i o no fc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m ， f i r s t l yt r a d i t i o n a ll sa n dl m m s ea l g o r i t h ma r ep r e s e n t e d , a n dt h e i rp r o p e r t i e sa r e a n a l y z e di nt h e o r y o nt h eb a s i so ft h et w oa l g o r i t h m , t h et h i r dc h a p t e ra r m l y z e st i m e d o m a i ni m p r o v e dl sa n dt i m e - f r e q u e n c yd o m a i nt w o d i m e n s i o n a lw i e n e rf i l t e r i n g c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m i no r d e rt oa d a p tt ot h et r a n s m i s s i o nr e q u i r e m e n to f m i m oi nl t es y s t e m , as i m p l i f i e dc h a n n e le s t i m a t i o ns o l u t i o n si s p r e s e n t e df o r t r a n s m i td i v e r s i t yo fd o w n l i n k2l a u n c h e ra n d2r e c e i v e ra n t e n n a i na d d i t i o n , f o r s t e a d i l yi m p r o v ec h a n n e le s t i m a t i o np e r f o r m a n c et h i sp a p e ru s e st u r b oc o d ea n dl s ， l m m s ei nc o m b i n a t i o nb ya d d i n gw i n d o wi t e r a t i o nf o rc h a n n e le s t i m a t i o n f i n a l l y , s o a st oc o n t r o lc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y , t h i sp a p e rp u t sf o r w a r df r e q u e n c yd o m a i n i m p r o v e dl m s ，n l m s a n dr l s a d a p t i v ec h a n n e le s t i m a t i o nf o rl t ed o w n l h a k , w h i c h a r es u i t a b l ef o rs l o wc h a n g ec h a n n e le n v i r o n m e n t i no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e o fa d a p t i v ec h a n n e le s t i m a t i o n , t i m ed o m a i nn l m sa n dr e d u c i n gt h ee n e r g yl e a k e d r l sc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h ma l ea n a l y z e d t h r o u g ht h es i m u l a t i o no fm a t l a b ，a l la b o v ec h a n n e le s t i m a t i o ns c h e m e sa r e c h e c k e da n dc o m p a r e d r e s u l t ss h o wt h a tt h et r a d i t i o n a ll sa n dl m m s ec h a n n e l e s t i m a t i o np e r f o r m a n c ea r es t a b l e ，l m m s ea l g o r i t h mg a i n s1t 02d bp e r f o r m a n c e c o m p a r e d 、衍吐lt h el s i m p r o v e dt i m ed o m a i nl sa n dt i m e - f r e q u e n c yw i e n e rf i l t e r i n g a l g o r i t h m h a v e g o o dp e r f o r m a n c e h o w e v e rc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y i n c r e a s e s a b s t r a c t c o r r e s p o n d i n ga n dt h et i m ed o m a i nl se x i s tt h eb o t t o me f f e c t t h es i m p l i f i e dc h a n n e l e s t i m a t i o na l g o r i t h mi nm i m ot r a n s m i s s i o nd i v e r s i t yh a ss t r o n g e rc h a r a c t e r i s t i c so f r e s i s t a n c et om u l t i p a t hf a d i n gt h a ns i s om o d e l j o i n tt u r b od e c o d i n ga n dl sc h a n n e l e s t i m a t i o ni t e r a t i v e a l g o r i t h mc a ns t a b l yi m p r o v eo r i g i n a l c h a n n e le s t i m a t i o n p e r f o r m a n c e ，b u tc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yi sv e r yh i g h l m s ，n l m s ，r l sa d a p t i v e c h a n n e le s t i m a t i o ni n 丘e q u e n c yd o m a i nc a l lt r a c kt h ec h a n n e lc h a n g e sb e r e ri nl o w e r d o p p l e rf r e q u e n c ys h i f t n l m sa n dr l sa l g o r i t h m i nt i m ed o m a i nh a v e g o o d p e r f o r m a n c e ，b u te n e r g yl e a kp r o b l e mi si n e v i t a b l ef o rn o ti n t e g e rs a m p l i n gc h a n n e l r l si sb e t t e rt h a nl m sa n dn l m si np e r f o r m a n c ea n dh a v ef a l s t e rc o n v e r g e n c es p e e d k e yw o r d s ：l t e , c h a n n e le s t i m a t i o n ，m i m o ，a d a p t i v ef i l t e r 缩略表 2 g 3 g 4 g 3 g p p 1 6 q a m “q a m n w g n b 3 g b e r b p s k c d d c f r c 佩 c t f d f t d s p d w p t s e n o d e b e p a e t u f 朔 f d d f f t g p i f f t i s i l l r l m m s e l m s l s m 缩略表 n l es e c o n dg e n e r a t i o n n e1 1 血mg e n e r a t i o n n 地f o r t hg e n e r a t i o n 硼1 i r dg 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 16 q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n 6 4 q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n a d d i t i v e 、1 1 i t eg a u s s i a nn o i s e b e y o n d3 g b l o c ke r r o rr a t e b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g c y c l i cd e l a yd i v e r s i t y c h a n n e lf r e q u e n c yr e s p o m e c h a n n e li r n p l u s er e s p o n s e c h a n n e lt r a n s f o r r nf u n c t i o n d i s c r e t ef o r u r i e rt r a n s f o i m d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g d o w r d i n kp i l o ts l o t e v o l v e dn o d e b e x t e n d e dp e d e s t r i a na e x t e n d e dt h p i e a lu r b a nm o d e l e x t e n d e d c u l a ram o d e l f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m g u a r dp e r i o d i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e l o g a r i t h m i cl i k e l i h o o dr a t i o l i n e a rm i n i m b mm e a ns q u a r ee r r o r l e a s tm e a ns q u a r ee r r o r l e a s ts q u a r e l o n gt e r me v o l u t i o n i 第二代移动通信 第三代移动通信 第四代移动通信 第三代合作伙伴 1 6 正交调幅 “正交调幅 加性高斯白噪声 超3 g 误块率 二相相位键控 循环延迟分集 信道频域响应 信道冲击响应 信道传输函数 离散傅里叶变换 数字信号处理 下行导频时隙 基站 步行模型 典型城市模型 车载模型 频分双工 快速傅里叶变换 保护间隔 反快速傅里叶变换 符号间干扰 对数似然比 线性最小均方误差 最小均方误差 最小二乘 长期演进 缩略表 n l 垤 m i m o m l m m s e m s e m w n l m s o f d m p a p r p c c c p d p p d s c h p m i p r b p s p u c c h q p s k r b r e i u s r n c r s r s c s f b c s i s o s m o s n r s o v a s r s s t b c 们d d t s 豫 m a x i m u map o s t e r i o r ip r o p a b i l i t y m u l t i p l ei n p u tm l l l t i p l eo u t p u t m a x i m u ml i k e l i h o o d m j l i m u mm e a ns q u a r ee r r o r m e a ns q u a r ee r r o r m o v i n gw m d o w n o r m a l i z e dl e a s tm e a ns q u a r ee r r o r 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 p e a ka v e r a g ep o w e rr a t e p a r a l l e lc a s c a d ec o n v o l u t i o nc o d e p o w e rd e l a yd i s t r i b u t i o n p h y s i c a ld o w n l i n ks h a r e dc h a n n e l p r e e o d i n gm a t r i xi n d i c a t i o n p h y s i c a lr e s o u r c eb l o c k p a c k e ts w i t c h p h y s i c a lv p l i n kc o n t r o lc h a n n e l q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g r e s o u r c eb l c i c k r e s o u r c ee l e m e n t r a n ki n d i c a t i o n r e c u r s i v el e a s ts q u a r e r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r r e f e r e n c es i g n a l r e e u r s i o ns y s t e mc o n v o l u t i o nc o d e s p a c ef r e q u e n c yb l o c kc o d e s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t s i n g l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t s i p t on o i s er a t i o s o f to u t p u tv i t e r b ia l g o r i t h m s o u n d i n gr e f e r e n c es i g n a l s p a c et u n eb l o c kc o d e t u n ed i v i s i o nd u p l e x t e c h n o l o g ys t a n d a r d t e c h n o l o g yr e p o r t v i h 最大后验概率 多输入多输出 最大似然 最小均方误差 均方误差 移动窗 归一最小均方误差 正交频分复用 峰均功率比 并行级联卷积码 功率延迟分布 物理下行共享信道 预编码矩阵指示 物理资源块 分组交换 物理上行控制信道 正交相移键控 资源块 资源元素 秩指示 递归最小二乘 无线网络控制器 参考信号 递归系统卷积码 空频块码 单输入单输出 单输入多输出 信噪比 软输出维特比算法 探测参考信号 空时块码 时分双工 技术规范 技术报告 缩略表 u e v o 口 u p p t s z f u s e re q u i p m e n t v o i c eo v e ri n t e m e tp r o t o c o l u p l i n kp i l o ts l o t z e r of o r c i n g i x 终端 网络电话 上行导频时隙 迫零 第一章绪论 第一章绪论 l t e 项目是3 g p p 组织所指定的对3 g 技术进行演进的无线通信标准。它采用 了扁平的网络架构，取消了r n c ，在物理层采用了正交频分多址和多天线两种创 新型技术。 1 1l 1 限技术背景 当今社会，移动通信技术的不断发展给人们的生产和生活都带来了便利，随 着3 g 技术的出现，更使得人们可以摆脱地域和环境的限制，进行远程办公、上网 冲浪等。当然，人们的需求并没有因此而停滞，移动通信事业的发展也不会就此 终止，反而迎接着更激烈的挑战，l t e 技术应运而生。l t e 出现的原因主要可以 概括成以下三点【l j ： 移动互联网业务发展的需要 从话音优化到数据优化，除了窄带业务的效果，更要提高宽带业务效率；从 覆盖优化到容量优化，除了保证基本业务连续覆盖，更要提高“热区”内的容量；从 用户容量优化到数据率容量优化，运营商的收入除了依赖用户的数量，更依赖业 务的流量；从均匀容量分布到不均匀容量分布，未来大部分的数据容量会集中在 室内和热区内。宽带无线接入和宽带移动通信的融合，实现无处不在的移动因特 网。 技术储备成熟 到2 0 世纪末，学术界在实现o f d m 和m i m o 的理论、算法、软硬件基础方 面积累了丰富的技术储备；2 g 、3 g 已经提供了很好的语音网络，l t e 的任务就是 在2 g 3 g 网络之上叠加一个“宽带数据接入”网络。 移动运营商针对l t e 的开发提出了要求 要求l t e 必须为b 3 g 宽带无线业务提供手段。这就使得l t e 系统在设计的时 候就要考虑以下几个主要的指标【2 1 ： 1 ) 灵活的频谱：上下行支持1 4 、3 、5 、1 0 、1 5 、2 0 m h z 这六种不同大小的 频带，支持成对和非成对的频谱 2 ) 频谱效率：下行满足5 b p s h z ，上行满足2 5 b p s h z 3 ) 峰值速率：下行达到1 0 0 m b p s ，上行达到5 0 m b p s 4 ) 提高小区边缘的比特率 5 ) 单向的用户面延迟小于5 m s ，控制面延迟小于l o o m s 6 ) 后向兼容：仔细考虑性能改进和后向兼容之间的平衡 重庆邮电大学硕士论文 7 1 取消电路交换域，在分组交换域实现，比如采用v o i p 8 ) 优化低速移动系统，支持高速移动 可以看出，l t e 与3 g 技术相比技术指标上已经有了很大的提高。总结起来， l t e 就是一个可以实现高数据率、低延迟、为分组业务优化的系统。 在2 0 0 4 年年底，关于l t e 系统的需求研究研讨会就开始了，这可以看成是 l 1 飞项目的开始时间。从2 0 0 5 年4 月开始进行技术讨论到2 0 0 6 年9 月作为l t e 的研究阶段，历时一年半时间，期间完成了需求报告t r2 5 9 1 3 以及研究报告t r 2 5 8 1 4 、t r2 5 8 1 3 等。2 0 0 6 年1 0 月到2 0 0 8 年年底是l t e 的工作阶段，原定的 l t e 规范完成时间足足推迟了年半才得以完成，可见工作阶段的工作量大大超 过了预期的设想，期间完成了技术规范t s3 6 3 0 0 ，最后r 8 的l t e 规范得以出炉。 1 2 本文的研究意义及现状 本文进行的研究分析是在国家科技重大专项“新一代宽带移动无线通信”的 子项目“t d l t e 无线综合测试仪表开发”的支撑下进行的，课题最终目的需要研 发出t d l t e 无线终端综合测试仪和t d l t e 无线网络综合测试仪。希望本文进行 的针对信道估计算法的研究和应用可以给项目的开发提供一些具有价值的参考。 在l t e 系统的物理层采用了两种创新型技术：o f d m 技术和m i m o 多天线技 术。这两种创新型技术的使用使得l t e 系统发送端和接收端在物理层的处理方式 和算法要求上跟以往的2 g 3 g 系统大不一样。在移动通信环境中，无线信道千变 万化，接收机接收到的信号往往是信号经反射、折射、散射的多条路径在不同时 间点到达接收端的一个叠加。可见，要想精确估计出信道响应值十分艰难，信道 估计的研究也一直成为移动通信系统研究的难点和热点，l t e 系统自然也不例外。 信道估计作为物理层的接收端算法，为信号检测提供条件，对影响数据恢复起着 至关重要的作用，不容轻视。因此，在接收端进行正确可靠的信道估计研究以及 应用十分关键，本文主要对l t e 系统下行链路的信道估计方法进行介绍。 信道估计技术的本质就是对无线移动信道的特征参数进行实时的提取。通常， 该技术主要可分成三类：盲信道估计、非盲信道估计和半盲信道估计。盲信道估 计就是指在进行信道估计时只利用信道和接收信号本身的内在特点，而对它们的 具体形式一无所知，具体的应用算法取决于不同情况下指定的未知参数特征。盲 估计由于不需要传输导频信号或训练序列，节约了系统开销，使频带利用率最大， 提高了有效数据的传输效率，但是接收端算法复杂度高，收敛速度慢【”。非盲信道 估计大致可以分为基于导频的信道估计和基于训练序列的信道估计，就是指利用 已知的导频信号或训练序列，通过它们来提取需要的信道特征参数。非盲估计在 接收端实现的复杂度较低，误差小，收敛速度快，对这类算法的研究比较成熟， 2 第一章绪论 但是需要占用一定的信息资源。半盲信道估计就是尽量使用较少的导频信号或训 练序列，是盲信道估计和非盲信道估计之间的一个折衷1 4 j 。 在l t e 系统中，上下行链路都采用导频辅助的信道估计方法，这样可以很好 的跟踪无线信道的变化，进一步提高接收机的性能。不同的是上行链路中导频分 布呈块状，导频符号占据约定o f d m 符号的全部频域子载波，下行链路中导频分 布呈离散状态，导频符号在时频域间是等间隔的分布。针对导频辅助的信道跟踪 和估计研究问题，很多学者已经做了不少研究，取得了大量的研究成果，大致可 以分成以下几点来说明： 信道估计准则 基于导频的信道估计就是根据一定的准则估计出导频符号位置处的信道响应 值。文献 5 】描述的基于梳状导频结构的l s 信道估计准则，算法简单，计算复杂度 低，硬件实现容易。为了改善传统l s 算法在快速时变频选衰落信道中的性能，文 献【6 提出了一种在时域上进行的l s 估计算法。与带有确定性质的l s 不同，m m s e 估计【7 】属于统计的范畴，需要结合信道的二阶统计特性，包括功率延迟分布( p d p ) 和噪声方差，在l s 的基础上增加了计算复杂度，提高了信道估计性能。由于m m s e 算法需要矩阵求逆运算，硬件难以实现，为了降低计算复杂度在此基础上提出了 相应的简化算法如l m m s e i s 】以及它的奇异值分解法【9 1 。l d e n e i r e 等人在文献 1 0 】 中提出了一种基于m l 准则的信道估计算法，该算法不需要统计信道的频域相关 特性，但是对信道有效长度比较敏感。文献 1 1 就m a p 方式的信道估计方法在 o f d m 系统中的应用进行了分析。除此之外，为了自适应地跟踪信道变化，调整 估计的信道参数，文献【1 2 】采用k a l m a n 滤波的方法对信道参数进行实时的跟踪， 这要求已知信道噪声统计特性，实际应用中很难准确得到。文献【1 3 】采用l m s 算 法来估计时变频选信道，l m s 自适应算法收敛速度较慢，需要较高的信噪比。为 了加快收敛速度，文献【1 4 】介绍了一种适用于快衰落信道的基于r l s 的自适应信 道跟踪算法。 插值方法 针对导频辅助的信道估计方法，在估计出导频位置处的信道响应值之后，需 要通过在时域和频域上进行插值来获取整个数据位置处的信道响应值。一般情况 下采用的插值方法有：一阶线性插值、二阶插值、三次样条插值【1 5 】等。在本文的 信道估计算法描述中，主要讨论导频处的信道响应求解方式，对于频域和时域间 的插值方法，在仿真链路中全部采用线性插值方式。 联合处理的方法 为了进一步提高接收端的性能，将信道估计与其它常规处理模块进行联合处 理也是目前的研究方向之一。如文献 1 6 提出了联合信道估计与频偏估计的算法， 重庆邮电大学硕士论文 文献【1 7 提出了联合m l 信道估计和信号检测进行在s i m o 系统的处理方法，文献 【l8 】介绍了联合t u r b om a p b c j r 译码和m m s e 信道估计进行迭代的算法。这类 联合迭代的信道估计算法也成为了目前研究的热点之一，这类算法可以提高信道 估计的性能，但却大幅度提升了计算量。 1 3 本文主要工作和章节安排 本文主要研究l t e 系统中的信道估计技术，包括对上行链路信道估计方法的 简单介绍、下行链路采用传输分集和空间复用时的m i m o 信道估计方法的介绍。 分析了几种导频辅助的信道估计算法，提出了一些改进措施，并进行了m a t l a b 仿真比较和分析。章节安排如下： 第一章主要介绍本文的研究意义和研究现状。 第二章介绍l t e 系统的物理层相关知识和关键技术，导频的分布方案以及仿 真信道模型。 第三章介绍了l t e 系统下行链路中小区专用参考信号的产生方式及映射规 则，并分析了基于l s 和m m s e 准则的信道估计算法以及m i m o 状态下的信道估 计处理方法，最后通过仿真进行了比较和分析。 第四章简要介绍了l t e 系统采用的t u r b o 编译码方案，并研究和分析了利用 t u r b o 译码进行迭代的加窗处理信道估计方案，通过不同的迭代次数进行了仿真比 较。 第五章研究了基于l m s 和r l s 算法的自适应信道估计算法，将这两种算法分 别在频域和时域来进行分析，最后通过仿真进行了性能比较。 第六章总结全文并展望下一步研究方向。 4 第二章l t e 系统概述及信道模型 第二章l t e 系统概述及信道模型 2 1l t e 系统帧结构和物理资源 2 1 1m 系统帧结构 l t e 系统支持两种无线帧结构的双工模式，分别是f d d 和t d d 。f d d 采用 成对的频率来区分上下行链路，在对称的频段上分别进行发送和接收，支持对称 业务，对于非对称业务频谱利用率很低。t d d 通过时间来区分发送和接收信道， 主要具有以下四点优势【”l ： 频谱配置灵活，可以使用f d d 无法使用的零散频段 有效支持非对称业务，通过灵活配置上下行帧配比 使用智能天线，增加系统的吞吐量 为l t e 的t d d 和f d d 模式的融合提供便利 由于t d d 模式的优势所在，本文的相关研究都将基于t d d 模式进行。t d l t e 系统的无线帧结构如图2 1 所示，t d l t e 就是指t d d 帧结构的l t e 系统。 ；17 ： 1 半帧5 m 1 | 半帧5 m s、j f 子帧。l 子帧，i 子帧：i 子帧，l 子帧i 子帧si 子帧sl 子帧，j 子帧。l 子帻，i o s t m i 一一? 歹 d w f r $ g pt m , r s 图2 1t d - l t e 无线帧结构 t d d 模式下，每个无线帧长为：t f = 3 0 7 2 0 0 z = 1 0 m s ，包含两个长度都为 1 5 3 6 0 0 t = 5m s 的半帧，每个半帧包含五个长度都为3 0 7 2 0 z = 1m s 的子帧，每 个子帧包含两个长度都为1 5 3 6 0 z = 0 5i l l s 的常规时隙。每个子帧包含两个时隙， 其中子帧f 包含时隙2 f 和2 i + 1 。子帧1 和子帧6 为特殊子帧，包含下行导频时隙 ( d w p t s ) 、保护间隔( g p ) 和上行导频时隙( u p p t s ) ，在一个子帧中这三者占 据的时间比值由表2 1 来确定。此表显示了9 种特殊子帧配置在不同循环前缀类型 下，特殊时隙所占用的o f d m 符号个数。在特殊子帧中u p p t s 最多占用两个o f d m 符号，d w p t s 总是比u p p t s 占用的符号数多。通过调整特殊子帧的配置方式，可 以灵活分配特殊子帧中用于上下行数据传输的时域资源以及保护间隔的时间长 短。 5 重庆邮电大学硕士论文 表2 1 特殊子帧配置 配 普通c p扩展c p 置 d w p t sg p u p p t s d w p 偈g p u p p t s o31 01 381 l9 4 l 83l 21 03l 9 2 l 31 12l1 0l1 41 2l13 7 2 5392822 69329l2 7l o22 81 1l2 t d l t e 系统中无线帧的上下行配置如表2 2 2 0 。t d l t e 支持5 m s 和1 0 m s 两种上下行子帧转换周期，有7 种帧配比模式。d 表示该子帧用于下行传输，u 表示该子帧用于上行传输，s 表示特殊子帧。对5 m s 的转换周期，两个半帧中同 时存有特殊子帧，而1 0 m s 周期时，只有第一个半帧才存有特殊子帧。通过调整帧 配置模式可以灵活分配用于上下行传输的时域资源，满足不同业务类型的需要。 表2 2 上下行帧配置 子帧序号 上下行配置上下行转换周期 01234567 89 0 5m s dsuuudsuuu l5m s dsuuddsuud 2 5m s dsudddsudd 31 0 i l l sdsuuud dddd 41 0m s dsuudd dddd 51 0m s dsuddd dddd 65m s dsuuudsuud 2 1 2l 1 陋系统的下行物理资源 l t e 系统下行信道中，用资源栅格来描述传输的信号【2 0 】，时域上包含一个时 隙碟。个o f d m 符号，频域上包含聪蠼个子载波，如图2 2 所示。 6 第二章l t e 系统概述及信道模型 k 衍、 下行 时隙 t i 0 z = 0 ，= 雌6 一l 图2 2 下行资源栅格 一个时隙所包含的o f d m 符号个数屹6 和一个资源块( r b ) 所包含的子载 波个数磴取决于循环前缀类型和子载波间隔，如表2 - 3 所示。 嚣表示分配的下 行资源块数，取决于传输带宽的大小，最小值为6 ，最大值为1 1 0 。 表2 3 物理资源块参数 c p 类型子载波间隔 n n 篓 普通c p1 5 k h z7 1 2 1 5 k h z6 扩展c p 7 5 k i - i z32 4 2 2l 1 匝的关键技术 l t e 之所以被看作“准4 ( 3 技术，与3 g 技术相比存在着必然优势，主要体 现在l t e 系统引进了o f d m 、m i m o 等核心技术，这次“革命 性的变革使l t e 系统在很大程度上丧失了和3 g 的后向兼容性。同时，l t e 系统将带宽扩展到了 2 0 m h z ，使之可以与w i 燃技术相抗衡。 2 2 1o f d m a s c f d m a 技术 传统的f d m 频谱效率很低，原因在于载波之间需要留有保护带，以免干扰。 为了提高频谱使用效率，通过使用快速傅里叶变换，便产生了允许子载波间可以 紧密相连，甚至部分重合的o f d m 技术。这并不是一项近年来才出现的新技术， 只是依赖于数字信号处理( d s p ) 芯片的发展，近年来才得以应用。o f d m 调制 的核心操作步骤体现在i f f t 变换和插入循环前缀上。i f f t 变换的目的就是要将大 量的窄带频域信号转换成宽带时域信号，插入c p 就是在i f f t 变换之后将每个 o f d m 符号的一段尾部信息复制作为该符号的首部信息，避免符号间干扰( i s i ) 。 o f d m 的优势体现在u j ： 7 重庆邮电大学硕士论文 频谱效率高，源于正交传输，添加c p 来避免用户间的干扰 带宽扩展性强，支持子带级的带宽分配 抗多径衰落，频率选择性衰落，窄带干扰 频域调度增益明显 m i m o 操作简单 o f d m 存在的潜在问题主要有两点：一是峰均功率比( p a p r ) 问题，降低 r f 功放的效率，增大发射机的耗电量和成本，不利于上行链路实现。二是小区间 干扰问题，o f d m 需依赖其它技术来抑制小区间干扰。 在l t e 的上行链路中，为了避免o f d m 所带来的较高的p a p r 值，选取 s c f d m a 的上行多址技术。s c f d m a 技术是o f d m 的一种改进，它不会对串并 转换之后的数据直接用于调制，而是先进行d f t 变换，就是将每个用户使用的子 载波通过d f t 处理，从时域变换到频域，再将每个用户的频域信号输入i f f t 处 理模块，最后在用户信号前插入循环前缀之后转换到时域一起发送出去，这样频 域信号又转换成了时域信号，p a p r 得以大大降低【2 。 2 2 2m m o 技术 m i m o 技术广义上说就是一种多输入多输出的多天线技术，多个信号流在空 中并行传输。l t e 系统为了达到高数据率和高系统容量的需求，支持m i m o 技术， 包括空间分集、空间复用、波束赋形和空分多址【1 1 。 空间分集的基本原理就是利用天线之间的不相关性，采用多个天线发送或者 接收一个数据流，避免单信道衰落对整个链路性能的影响。目的在于提高链路的 接收质量，而不是容量。空间分集包含发射分集和接收分集，发射分集是指采用 多个天线发送一路信号流，接收分集是指采用多个天线接收一路信号流，都可避 免单天线的深度衰落。发射分集可以有四种不同的表示形式，简单分集就是多天 线发送完全相同的版本；编码分集是多天线发送一路数据流的不同版本；选择分 集是在同一个时间只选取一个较好质量的天线来发送；波束分集是指由预编码操 作来进行波束赋形，不用实体天线分集处理。常用的发射分集技术包括空时码块 ( s t b c ) 和空频码块( s f b c ) 的编码方式。l t e 系统下行信道采用的是s f b c 的 发射分集。 空间复用的基本原理是利用天线阵元之间较大间距的不相关性，向接收端并 行发射多路数据流，目的在于提高链路容量，也就是峰值速率。是否能有效区分 多个天线决定了空间复用的应用效果，若天线之间的干扰太大，性能甚至比单天 线发送还差。l t e 系统采用的空间复用技术是预编码技术，各个发射天线的发射 权值及相位由预编码矩阵动态配置，形成与信道条件相匹配的流数，流数一般情 8 第二章l t e 系统概述及信道模型 况由信道相关矩阵的秩( 对) 来指示。基于码本的预编码方式，系统根据可能会 使用到的典型的预编码矩阵组成一个码本，终端根据基站发送的参考信号( r s ) 来探测信道，在码本中选取最合适的预编码矩阵并将这个编号( p m i ) 反馈回基站， 基站根据p m i 值在码本中选取对应的预