（通信与信息系统专业论文）lte下行单天线信道估计及信噪比估计.pdf

摘要 l t 日l o n gt e r me v o l u t i o n ) 是3 g p p ( 3 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 ，即第 三代合作伙伴计划) 组织提出的新一代移动通信的长期演进项目，以o f d m 、 m i m o 作为其关键技术，具有高移动性、高传输速率和高传输质量等特点，已被 世界各主要电信运营商选为下一代通信标准。 为了适应复杂的移动信道环境，必须采用合适的信道估计技术，另外准确的 信噪比估计也是实现a m c ( 自适应调制编码技术，可以有效提高频谱利用率) 的关键。本文主要对l t e 系统下行链路单天线下的这两种技术进行研究。 首先，简单介绍了l t e 系统物理层的基本概念，包括帧结构，下行时隙结构， 物理资源分配等等，分析了两种长度的c p ( 循环前缀) 的选择依据。接下来介绍 了基于3 g p p 协议搭建的l t e 单天线下行链路仿真平台的设计与开发，仿真流程， 并设计了符合城市小区模型的信道作为后续仿真的环境。第二部分针对l t e 下行 链路，对基于导频的信道估计进行了研究与仿真，包括l s ，m m s e ，各类内插算 法，并根据l t e 下行链路导频序列特点，对l s ，m m s e 算法进行了简化。第三 部分则主要是对l t e 下行链路信噪比估计技术的研究。通过仿真一些经典算法， 发现其在a w g n 信道时估计效果良好，但是对于多径传输估计值偏差很大；接 下来将b o u m a r d s 算法进行一些修改，得出适于l t e 下行的b o u m a r d s 演变算法， 仿真表明演变算法也存在一定局限；本文根据频域上靠近的子载波的信道响应变 化量的变化规律，提出改进算法，仿真结果良好，可以满足l t e 的信噪比估计要 求。 最后，综合考虑仿真性能和实现复杂度，给出信道估计处理的实现方案，并 在d s p 开发平台上进行了实现。 关键词：长期演进正交频分复用信道估计信噪比估计 a b s t r a c t t h el t ei st h en e x t g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns c h e m e ，w h i c hw a s p r o p o s e db y3 g p eu s i n go f d m ，m i m oa si t sk e yt e c h n o l o g i e s ，i tg o a l sa t1 1 i g h m o b i l i t y , h i g hd a t ar a t ea n dh i g ht r a n s m i s s i o nq u a l i t y i no r d e rt oa d a p tt ot h ec o m p l e xm o b i l ec h a n n e le n v i r o n m e n t , a p p r o p r i a t ec h a n n e l e s t i m a t i o nt e c h n o l o g ym u s tb eu s e d m e a n w h i l ea na c c u r a t es n re s t i m a t i o ni st h ek e y t oa m c ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l y i m p r o v e t h e s p e c t r u me f f i c i e n c y t h e s e t w o t e c h n o l o g i e sf o rl t ed o w n l i n ks i s os y s t e mw e r es t u d i e di nt h i st h e s i s f i r s t ，t h eb a s i ck n o w l e d g eo fp h y s i c a ll a y e ri nl t es y s t e mw a sb r i e f l yi n t r o d u c e d ， s u c ha sf r a m es t r u c t u r e ，d o w n l i n ks l o ts t r u c t u r e ，p h y s i c a lr e s o u r c ed i s t r i b u t i o n ，e t c ， f o l l o w e db yt h ed e s i g no fs i m u l a t i o np l a t f o r m b a s e do n3 g p p sl t ep r o t o c o l s a l s o ， t h ec ps e l e c t i o nc r i t e r i o nw a sa n a l y z e d , a n du r b a nc h a n n e lm o d e lw a sd e s i g n e da st h e l a t e rs i m u l a t i o ne n v i r o n m e n ti nt h i sp a r t s e c o n d ，p i l o t - b a s e dc h a n n e le s t i m a t i o nf o r l t ed o w n l i n kw a ss t u d i e da n ds i m u l a t e d ，i n c l u d i n gt h el s ，m m s e ，a n ds e v e r a l i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m s a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i c so fp i l o t si nl t ed o w n l i n k ，l s a n dm m s ew e r es i m p l i f i e d t h et h i r dp a r ti sm a i n l ya b o u tt h el t ed o w n l i n ks n r e s t i m a t i o nt e c h n o l o g y a c c o r d i n gt os i m u l a t i o n ，s o m ec l a s s i c a la l g o r i t h m sw e r e f e a s i b l ei nt h ea w g nc h a n n e lb u tt h e i re s t i m a t i o nb i a sw a sg r e a tf o rm u l t i - p a t h c h a n n e l t h e nm o d i f i e db o u m a r d sa l g o r i t h m sw e r ep r o p o s e d , w h i c hw e r ea p p l i c a b l e t ol t ed o w n l i n ks y s t e m ，b u ts i m u l a t i o ns h o w e dt h a tt h e r ew e r es o m ec o n s t r a i n t s t h e i m p r o v e da l g o r i t h m 、v i t hm u c hb e t t e rp e r f o r m a n c ew a sg i v e n i nt h i st h e s i s ，b a s e do n t h ev a r i a t i o nr e g u l a r i t yo fc h a n n e lr e s p o n s eo fs u b - c a r r i e r sw h i c ha r ec l o s et oe a c h o t h e ri nf r e q u e n c yd o m a i n f i n a l l y , c o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r i n g t h es i m u l a t i o nc o n c l u s i o na n dt h e c o m p l e x i t yo fi m p l e m e n t a t i o n ，as c h e m ef o rd e s i g n i n gt h el t ed o w n l i n kc h a n n e l e s t i m a t o rw a sp r e s e n t e d ，w h i c hw a sa l s oi m p l e m e n t e d0 1 1d s pp l a t f o r m k e y w o r d ：l t e o f d mc h a n n e le s t i m a t i o ns n re s t i m a t i o n 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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；也不包含为获得西安电子科技大学或其它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己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：日期丝：三：! ! 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布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论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密。在一年解密后适用本授权书。 本人签名：盘盗 导师签名： 日期丝丝三：丝 第一章绪论 1 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1l t e 简介 移动通信技术市场的巨变，依靠的是开拓性的产品及服务和快速增长的市场 需求。移动通信技术的发展史也是移动通信的成功史： 第一代是模拟制式的蜂窝移动通信系统o g ) ，基于模拟调频及频分多址接入 的技术要点，提供模拟语音通话业务，主要存在容量有限、频带利用率低、保密 性差、通话质量差、终端体积大等缺点。 第二代通信系统是数字蜂窝移动通信系统，实现了模拟技术向数字技术的转 变，但是系统带宽有限，支持速率只有9 6 k b p s 的窄带数据传输，最高也只可达 3 2 k b p s 。 第三代移动通信系统能在提供语音业务的同时提供其他多媒体业务，并形成 了被国际社会认可的三个主要标准：w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。但 是由于其形成的特定历史背景，c d m a 通信系统所涉及的核心专利被少数公司持 有，专利授权费已成为各厂家沉重的负担，所以业界迫切需要改变这种被动局面。 而且第三代移动通信系统最高速率只有2 m b p s ，传输能力有限，称不上真正意义 的宽带多媒体通信，于是世界各国都在积极进行超3 g ( b e y o n d3 g ) 或者 e 3 g ( e v o l v e d3 g ) 的无线传输技术研究。 为了适应移动通信新技术及新理念的变革，满足未来十年对于移动通信的技 术要求，应对来自w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o 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 ，即 全球微波互联接入) 等其它新兴无线通信技术标准的市场挑战，3 g p p 组织在十 几年b 3 g 技术储备的基础上进行“准4 g ”技术l t e 的研究与标准化工作。 1 1 2l t e 系统的主要性能指标 3 g p pl t e 是一个基于全分组的高数据率、低时延和数据包优化的移动通信系 统，具体性能指标如下【1 】【2 1 ： 1 数据速率与频谱效率 下行峰值速率可达1 0 0 m b p s ，上行可达5 0 m b p s ，频谱效率为下行链路5 b s h z ( 3 4 倍于r 6h s d p a ) 、上行为2 5 b s h z ( 2 3 倍于r 6h s u p a ) 。 2 l t e 下行单天线信道估计及信噪比估计 2 时延 以分组域业务为主要目标，取消电路交换，整体架构上基于分组交换，降低 无线网络的时延。通过严格的q o s 机制和系统设计，以支持实时性强的业务，保 证实时业务的服务质量。 同时系统减小了控制平面的状态转移时延，这样有利于改善用户对于网络服 务的体验。子帧长度i m s ，这样解决了向下兼容的问题，在用户数据平面，空中 单向时延小于5 m s ；控制面，用户从空闲状态到连接状态的时延小于l o o m s 。 3 频谱带宽设置 支持“成对”和“非成对 的频谱分配，同时支持1 2 5 m h z - 2 0 m h z 间的多 种不同系统带宽，使系统部署更为灵活。 4 覆盖和移动性 小区覆盖半径在5 k m 以下时，要求满足长期演进( l t e ) 项目的所有性能要求， 可以支持小于3 0 k m 的小区覆盖能力，但允许有一定的性能损失。通过频分多址 和小区间干扰抑制技术提高小区边界比特速率，改善用户在小区边缘的体验。另 外，应支持终端在整个系统范围内的移动性，提高对高速移动用户的服务能力并 优化对低速移动用户的服务。 5 面向广播、多播的m b m s 业务 支持增强型的组播和广播业务( m b m s ) ，实现m b m s 这种非对称业务和双向 业务的结合以及m b m s 在非对称频段的使用。 6 兼容性 强调向后兼容，支持与己有的3 g 系统和非3 g p p 规范系统的协同运作。 l t e 还规范了一些其他要求，如e u t r a n 架构和移植要求、与配置相关的 要求、无线资源管理要求、复杂性要求、成本相关要求和业务相关要求等等。 1 1 3l t e 的协议架构 图1 1 1 3 】说明了l t e 围绕物理层( l a y e rl ，层一) 的无线接口协议架构。可 以看到，无线接1 2 1 包括三层结构：层- - ( l a y e r1 ) ，层- ( l a y e r 2 ) 和层- - - ( l a y e r 3 ) ， 层一是物理层，其技术规范主要由3 g p pt s3 6 2 0 0 系列协议描述，层二和层三 ( m a c r r c ) 由3 g p pt s3 6 3 0 0 系列协议描述。 层一与层二的媒体访问控制子层( m a c ) 和层三的无线资源控制子层( r r c ) 是 通过接口进行交互的。不同层子层之间的椭圆圈是服务访问点( s e r v i c ea c c e s s p o i n t s ，s a p s ) 。物理层提供到m a c 层的传输信道，m a c 层提供不同的逻辑信道 给层二的r l c ( r a d i ol i n kc o n t r 0 1 ) 子层( 图中未画出) 。本文所涉及的技术主要集 中在物理层。 第一章绪论 层三( 脚玎3 ) e 麓 z - ( l a y e r 2 ) 薹 层一( l a y a l ) 图1 1l t e 无线接口协议架构 1 2 研究内容及章节安排 逻辑信道 传输信道 商层 研究内容主要是l t e 的物理层过程，物理层是o s i 参考模型的最底层，其任 务是为它的上一层提供一个传输数据的物理链接，向高层提供数据传输服务。在 物理层，数据仅作为原始的比特流进行处理。 具体内容和章节结构如下： 第一章介绍了l t e 的研究背景，性能指标，协议架构，和论文的主要研究内 容。 第二章首先介绍了无线信道的特征，并深入研究了3 g p p 的l t e 相关标准( 主 要涉及的是下行链路的物理层) ，介绍其帧结构，物理资源等相关概念，分析了系 统定义的两种c p 类型的适用场景，根据协议搭建了下行链路的仿真平台，构建 了下行业务数据处理的各模块，如比特流长度的确定，c r c 校验码的添加，信道 编码，加扰，调制，资源映射，o f d m 符号生成等等，并采用j a k e s 模型完成了 t u 6 信道( 符合城市小区特点的信道模型) 的仿真，将其作为后续仿真的环境。 第三章介绍了l t e 下行信道估计技术。根据l t e 下行的导频序列特点，对 l s ，m m s e 算法形式进行了简化，在基于l t e 协议搭建的仿真平台上，仿真了 简化后的l s ，m m s e ，及各类内插算法的性能。同时对相关协议进行了分析研究， 包括导频图样的选择及导频生成序列的特点，数据子载波与导频子载波的相位差， 等等。 第四章是关于l t e 下行的信噪比估计技术的研究。首先对各类经典的信噪比 4 l t e 下行单天线信道估计及信噪比估计 估计算法进行了仿真，发现这些算法仅适于a w g n 信道，接下来提出了适于l t e 下行链路的b o u m a r d s 算法的演变算法，仿真表明算法具有局限性，本文就在此 基础上根据频域上靠近的子载波的信道响应变化量的变化规律，对算法进行改进， 仿真结果良好，本文认为该算法可以满足l t e 的信噪比估计要求。 第二章无线信道特征及l t e 物理层简介 第二章无线信道特征及l t e 物理层简介 2 1 无线信道特征 无线系统中，信号通过无线信道进行传输时，会受到各种衰落的影响，接收 信号的功率可以表示为式( 2 1 ) h 】。 尸( j ) = l d ls ( d ) r ( d ) ( 2 1 ) 孑是基站与移动台之间的距离向量，根据式( 2 1 ) 可以得到无线信道对信号的 三类影响： 1 大尺度衰落：矧一，拧一般为3 4 ，自由空间传播损耗与弥散，描述区域 均值，具有幂定律传播特征； 2 中尺度衰落：阴影衰落s ( 孑) ，通常称为对数正态阴影，传播环境中的地 形起伏，建筑物及其他障碍物对电波的阻塞或遮蔽引起； 3 小尺度衰落：多径衰落r ( 孑) ，多径传输引起的衰落，通常服从瑞利概率 密度分布，是移动信道特性中最具特色的部分。 小尺度衰落的研究对于移动通信传输技术的选择和接收机设计至关重要，本 文主要针对无线信道的多径衰落和时变性加以讨论。 2 1 1 多径衰落 小尺度衰落是描述短时间( 秒数量级) 或短距离( 几个波长) 内接收信号的 快速变化1 5 】【6 l 。在无线移动通信环境中，信道的主要特征是多径，由于存在直射、 反射、折射、绕射和散射等传播形式，信号便通过很多路径到达接收机并相互叠 加，各个路径上的电波到达接收天线的时间、距离、相位都不一样，不同相位的 多个信号同向叠加会使信号幅度增强，反向则会削弱信号幅度，造成接收信号的 幅度的急剧变化，这种变化是由多径引起的，称之为多径衰落。 设带通信号的等效低通信号是5 ( ，) ，载波频率是c ，得到传输的带通信号为： s 7 ( ，) = r e s ( t ) d 2 - r a 】( 2 - 2 ) 若第f 个多径的传播距离是谚，a 是衰减系数， 为光速即电磁波传播速度，l c 接收的信号表示为： 6 l t e 下行单天线信道估计及信噪比估计 y ( ，) = 军q s ( ，一手) = 军口，r e p ( ，一手弦口露正( ， 】 = r e 【；口，s ( 卜d j 2 z f , o j 生c ) 】( 2 3 ) = r e y ( t ) e 廊力】 式中y ( ，) 是接收信号的等效低通信号。f ，= z c 是第，个多径的时延，各个多 径的时延不同引起接收信号脉冲宽度扩展，称为时延扩展，会造成信道的时间弥 散性，定义r 懈是第一个到达接收天线的信号分量与最后到达的信号分量时延之 间的差。 时域角度看，由于时延扩展，接收信号中一个符号的波形会扩展到其他的符 号中去，造成符号间干扰( i s i ) ，因此应该令符号宽度远远大于r 。 频域内，与时延扩展相关的重要概念就是相干带宽，其本质上是指多径信道 的冲击响应具有恒定增益和线性相位的带宽范围，在这一特定的频率范围内的任 意两个频率分量都具有很强的幅度相关特性。在实际工程应用中定义相干带宽是 最大时延扩展的倒数，即 1 ( b ) 。- 二一 ( 2 _ 4 ) r 嘣 从频域上看，如果相干带宽小于发送信号的带宽，多径的时延扩展会导致频 率选择性衰落，即信号中的不同频率成分的衰落不一致，信号波形就会发生畸变， 出现i s i 。反之，如果相干带宽大于发送信号的带宽，则没有i s i ，接收信号经历 平坦性衰落过程。 2 i 2 多普勒频移 移动通信中，当接收端以恒定速率v ，且与发射端成9 角度的方向上移动时， ，时间内相对于基站行走的距离为斛= v a t c o s o , ，造成的接收信号相位变化为： 妒：2 a _ a d , ( 2 - 5 )妒2 一 此相位变化产生的多普勒频移是： 乃= 击= 丁v c o s o ( 2 - 6 ) 其中a 是载波波长，定义最大多普勒频移为厶的最大值： 厶= ( 2 - 7 ) 多普勒扩展【7 l 描述了由无线信道的时变性所引起的接收信号频谱的展宽程 第二章无线信道特征及l t e 物理层简介 7 度，又可以称为信道的频率弥散性。 从时域看，与多普勒频移相关的另一个概念就是相干时间，定义： ( r ) 。 ( 2 8 ) ) m 相干时间实际就是指一段时间间隔，在此间隔内，两个到达信号有很强的幅 度相关性。如果基带信号符号宽度大于相干时间，信号的波形会发生变化，产生 时间选择性衰落，造成信号畸变，该信道称之为快衰落信道；反之，符号宽度小 于相干时间，没有发生时间选择性衰落，即信道是慢衰落信道。 加入对多普勒频移的考虑，最后的接收信号等效低通信号可以表示为： 加) ：q p - j 2 x f f 华印一华) ( 2 - 9 ) 当这一簇信号没有一个很强的径，各个多径的能量差不多时，这种信道成为 典型的r a y l e i g h ( 瑞利) 信道，当一簇信号中存在一个主要的入射分量，则接收 信号的幅度服从莱斯分布。不失一般性，本文考虑使用瑞利信道仿真，接收端信 号的包络变化服从瑞利分布，相位变化服从均匀分布。 2 2 1l t e 帧结构 2 2l t e 物理层 l t e t 8 】系统的子载波间隔1 5 k h z ，2 0 4 8 个子载波，协议规定时域基本单位表 示为： 瓦= 1 ( 1 5 0 0 0 * 2 0 4 8 ) = l 3 0 7 2 m h z 3 2 5 5 ( n s ) ( 2 1 0 ) 最低信号带宽为： 皿= a f 2 0 4 8 = 1 5 k i t z 2 0 4 8 = 3 0 7 2 m h z( 2 1 1 ) 规定一个无线帧长度为： t f = 3 0 7 2 0 0 幸瓦= 1 0 ( m s ) ( 2 - 1 2 ) 根据双工方式的不同，l t e 的帧结构有两种，分别针对频分双工( f d d ) 和时 分双i ( t d d ) 两种双工模式。 如图2 1 所示，帧结构类型l 适用于f d d 全双工和f d d 半双工模式。每个 无线帧长度一= 3 0 7 2 0 0 木瓦= 1 0 ( m s ) ，由2 0 个时隙组成，编号从0 到1 9 ，每个时 隙长= 1 5 3 6 0 奉c = o 5 ( m s ) 。再定义一个子帧包含2 个连续的时隙，即子帧i 8 l t e 下行单天线信道估计及信噪比估计 包含第( 2 i ) 和第( 2 i + 1 ) 时隙。对于f d d ，每一个1 0 m s 的间隔内，1 0 个子帧被用作 下行传输，同时也有1 0 个子帧用作上行传输，上行传输和下行传输在频率上是错 开的；在半双工f d d 中，有个限制：l y e ( u s e r e q u i p m e n t ，即终端) 不能同时进 行传输和接收，在全双工f d d 中无此限制。 一个无线帧，t f = 3 0 7 2 0 0 瓦= 1 0m s 一个子帧 图2 1l t e 帧结构类型1 帧结构类型2 的结构图如图2 2 所示，它仅适用于t d d 方式，一个无线帧的 长度也是0 = 3 0 7 2 0 0 * z = 1 0 ( m s ) ，由两个长度为5 m s 的半帧构成，每个半帧包 含5 个长度为3 0 7 2 0 * z = l m s 的子帧，帧结构类型2 的特殊子帧不象其它普通子帧 由2 个时隙组成，而是由d w p t s ( d o w n l i n kp i l o tt h n es l o t ) ，g p ( g u a r dp e r i o d ) 和 u p p t s ( u p l i n kp i l o tt i m es l o t ) 3 个特殊区域组成，d w p t s ，g p 和u p p t s 总长为l m s ， 这点与帧结构类型l 不同。 一十无线啦n ；如7 2 l ；1 0 b d-m舒w喁撕m口upi喁 图2 2l t e 帧结构类型2 不失一般性，本文仅通过f d d 的帧结构来实现链路的搭建与仿真。 2 2 2l t e 下行时隙结构和物理资源 1 资源网格 l y e 系统的物理资源都被分配到物理资源网格中进行传输引，下行每个时隙 传输的信号用蜡蠼个连续子载波和哗。个o f d m 符号组成的资源网格描 述。其中蜡的数值是由下行传输带宽决定。l t e 下行物理资源网格如图2 3 所 第二章无线信道特征及l t e 物理层简介 9 不。 楚 繇 崔譬 之 毒受 乏 髫 谋 m e ： 之 一个下行时隙乃。 口 。d 。l bo f d m 符号 1 ：0i = m d l h l b l o c k ) l e m e n t ) ( k ， 图2 3 f 行物理资源网格不恿图 2 资源元 在资源网格中定义传输的最小时频单元为资源元( r e s o u r c ee l e m e n t ，记为 r e ) ，在一个时隙内，每个资源元由索引对( 七，) 唯一标识，这里k 和，分别对应频 域和时域索引。r e ( 七，) 表示一个复杂的数值q _ ，其中k = o ，嚣蠼- 1 ， ，= 0 ，州d 埘 l l ，当吼，不用于信道或物理信号传输时，q 等于0 。 3 资源块 定义一个资源网格由若个下行物理资源块( p h y s i c a lr e s o u r c eb l o c k ，记为 r b ) 构成。一个r b 由碟。个连续的o f d m 符号( 时域) 乘以蠼个连续子载 波( 频域) 构成的资源网格来描述。箩是为每个l 也分配的子载波数目，取决 l o l t e 下行单天线信道估计及信噪比估计 于子载波的问隔矽。屹是下行每时隙发送的o f d m 符号，由循环前缀( c y c l i c p r e f i x c p ) 的类型及子载波间隔决定，循环前缀有两种类型，一种是普通c p 类型， 另一种是增强c p 类型。物理资源块参数与c p 长度的关系如表2 1 所示。 表2 1 下行链路资源块的参数选择 配置 ，髓 s d l n b 。s c 酱通c pn = 1 5 k l - l z 7 1 2 鹭= 1 5 k t t z 6 增强c p 鹭= 7 5 k h z2 43 4 c p 类型的选择 c p 的插入会带来功率和信息速率的损失，其中功率损失可以定义为1 4 1 ： r u 删= 1 0 l o g l o ( 等+ 1 ) ( 2 一1 3 ) 1 l t e 系统的保护间隔占到6 左右，这样带来的功率损失不到0 3 d b ，信息速 率的损失为6 。 根据l t e 的帧结构，分析两种类型c p 的适用范围： 已知l t e 最小时间单位是疋= l 3 0 7 2 m h z 3 2 5 5 n s ，则每个l m s 的子帧中 含有3 0 7 2 m h z i 1 0 3 = 3 0 7 2 0 个离散样值。以下以一个子帧为例： 1 ) 普通c p 类型：1 4 n + 1 4 = 1 4 2 0 4 8 + 1 4 1 4 6 3 = 3 0 7 2 0 ，其中1 4 是一个子帧的符号数，2 0 4 8 是i f f t 样点数，k 是n o r m a lc p ( 普通c p ) 的 平均样值数( 因为每个时隙第一个符号c p 长度为1 6 0 ，其余符号的c p 长度是1 4 4 ， 平均计算下来的结果是1 4 6 3 ) 。则c p 的持续时间为：3 2 5 5 n s * 1 4 6 3 4 7 6 a s ， 这种配置下，假定同步估计与跟踪完全准确，当约束多径时延扩展小于， 即约束多径之间最大传播路径不超过4 7 6 j l l s 3 1 0 8 1 4 k m ，( 3 1 0 8 是电磁波传 输速度) ，才不至于引起符号段间干扰，这是典型的城区宏小区、微小区的信道特 征。 2 ) 增强c p 类型：1 2 n + 1 2 = 1 2 2 0 4 8 + 1 2 5 1 2 = 3 0 7 2 0 ，1 2 是这种 c p 类型配置下的每子帧o f d m 符号数，卿是e x t e n d e dc p ( 增强c p ) 的平均 样值数，则c p 的持续时间为：3 2 5 5 n s 5 1 2 1 6 6 7 j s ，约束多径之间最大传播 路径不超过1 6 6 7 p s 3 * 1 0 8 5 k m ，才不至于引起符号段间干扰，这个又是典型的 郊区宏小区，广覆盖的信道特征。 总之，c p 的选择与小区类型紧密相关。 第二章无线信道特征及l t e 物理层简介 l i 2 2 3l 1 e 下行物理资源的分配 l t e 定义的下行链路主要包括以下物理信道的处理【8 l ：物理下行业务信道 ( p d s c h ) 、物理广播信道( p b c h ) 、物理多播信道( p m c h ) 、物理下行控制信道 ( p d c c h ) 、物理控制格式指示信道( p c f i c h ) 、物理f i a r q 指示信道( p h i c h ) 以及 主辅同步信道( p s s c h ) 。 l t e 下行发送的数据及承载信道，占用资源网格的位置介绍如下： 1 参考信号，即导频，在后面信道估计章节会详细介绍。 2 主同步信号，由p s c h 信道承载，位于每无线帧的第0 时隙( 第o 子帧) 内和第1 0 时隙( 第6 子帧) 内的最后一个o f d m 符号处，占据资源网格图中间 6 2 个连续子载波的位置。 3 辅同步信号，由s s c h 信道承载，位于每无线帧的第0 时隙( 第0 子帧) 内和第1 0 时隙( 第6 子帧) 内的倒数第二个o f d m 符号处，占据资源网格图中 间6 2 个连续子载波的位置。 4 广播信号，就是小区广播信息，由p b c h 信道来承载，只在每个无线帧 的第0 子帧发射，其余子帧时，其资源映射的位置被其它信号占用( 如：业务信 号) 。 5 下行控制信道的信号，下行控制信道包括p c f i c h ，p d c c h 和p h i c h 。 其中，信道p d c c h 用来承载调度分配和其他控制信息，其发射限定在每子帧前 三个符号内；信道p c f i c h 是用来承载指示1 个子帧中p d c c h 信号所占用的 o f d m 符号数信息( 1 ，2 或3 ) 的，只在每子帧的第一个o f d m 符号处发射： 信道p h i c h 承载h a r q 的a c k n a c k 信息，只会在每子帧的第一个或前三个 o f d m 符号处发射。 6 业务信号，指非m b s f n 传输的信号，由下行业务信道，也叫下行共享信 道( p d s c h ) 承载，位于资源网格中去掉以上所有信号占用资源元后剩下的r e 上。 由于信道估计和信噪比估计主要用于业务数据处理，本文后续仅介绍业务信 道的处理。 2 3 链路仿真设计 本文不考虑主辅同步信号及广播信号，根据上节的介绍，选用没有p b c h ， p s s c h 的5 号子帧来循环进行仿真。 1 2 l t e 下i 一单天线信道估计及信噪比估计 2 3 1 系统参数 仿真链路平台的系统参数见表2 2 所示。 表2 2 仿真系统参数 载波频率 2 6 g h z 子载波个数 1 2 0 0 载波间隔 1 5 k h z l f f 聊f t 点数 2 0 4 8 调制方式 q p s k 16 q a m 系统带宽2 0 m h z c p 类型 n o r m a lc p 基本时域单位 3 2 5 5 n s 仿真的子帧索引 5 2 3 2 仿真流程 图2 4 给出了本次链路仿真的流程图，仿真平台是根据3 g p p 协议【8 1 0 1 搭建。 懈卜 u 资 o f d 码块加调 层预 级联 映编 源m 符 抗制 映 _ n 生 射码 射成 厂 旧卜， 一l 制 恢复 解码 原始c r c 比特 _ 块分 梭验 流 割 一 l 解速i j 辜 - i p 1 匹配l i 一 懈解 解 码块 解解层预 瓷去 串并o 扰 调 映 源c p 编 映 f f t转换 射码 厂 射 嚣卜 图2 4 仿真流程图 2 3 3 原始比特流的生成及前期处理 1 原始比特流产生 第二章无线信道特征及l t e 物理层简介 首先从表2 3 中取定一种调制编码方式f 1 0 l ( m o d u l a t i o na n dc o d i n gs c h e m e ， k ) ，其对应一个调制阶数q 埘和一个( t b s ，t r a n s p o r tb l o c ks i z e ) 索引指示。q 反映的是一个基带调制符号由几个b i t 组成，q p s k 对应级= - - 2 ；1 6 q a m 对应 绒= 4 ；6 4 q a m 对应q = 6 。 表2 3 业务信号调制与t b s 索引表 m c si n d e x m o d u l a t i o n0 r d e rt b si n d e x i m c sq1 t 8 s 020 121 222 323 424 525 626 727 82 8 929 1 049 1 141 0 1 241 l 1 341 2 1 441 3 1 541 4 1 64 1 5 1 761 5 1 861 6 1 961 7 2 061 8 2 161 9 2 262 0 2 362 l 2 462 2 2 562 3 2 662 4 2 762 5 2 862 6 2 92 3 04r e s e r v e d 3 l6 再根据给用户分配的r b 数目结合k 通过查找文献1 0 1 表7 1 7 2 1 1 得到传 1 4 l t e 下行单天线信道估计及信噪比估计 输块的大小( t b s i z e ，t r a n s p o r tb l o c ks i z e ) ，r b 是在第2 2 2 节提到的资源块的概念， 其实就是给用户分配的频域资源大小，r b 数越大，占用频域资源越多。 这里只仿真q p s k 和1 6 q a m 的情况，从表格里选取分别对应q p s k 和 1 6 q a m 的两种t b s i z e ，生成长度为t b s i z e 的原始比特码流。 2 添加c r c 校验比特 设原始比特码流长度为a ，记为a o ，o l ，a 2 ，a 3 9o 0 9 口一- l ，附加的校验比特长度为l ， 记为，p l ，见，p 3 ，p l - l 根据协议吲规定，业务数据的c r c 校验比特的循环生成 多项式为： g c r c 2 4 a ( d ) = 【d 2 4 + d 2 3 + d 1 8 + d 1 7 + d 1 4 + d 1 1 + d 1 0 ( 2 1 4 ) + d 7 + d 6 + d 5 + d 4 + d 3 + d + 1 1 、7 最终生成的序列为： a o d + 2 3 + q d 舢2 2 + + 口_ 一l d 2 4 + 风d 2 3 + p l d 2 2 + + 见2 d 1 + 如 ( 2 1 5 ) 记为b o ，6 l ，6 2 ，6 3 ，b b - l ，b = a + l 。钆与a r t 的关系如式( 2 - 1 6 ) 所示。可以看出 这是一种系统校验码的形式。 以= a k ，七= 0 ，l ，2 ，彳一l ( 2 - 1 6 ) 6 k = 仇一，k = a ，a + 1 ，a + 2 ，a + l - i 3 码块分割 当输入比特流b o ，6 1 ，6 2 ，6 39o o - 9 一。长度b 大于最大码块长度z ，需要进行码块分 割，并给分割后的每个码块附加额外的长为2 4 的校验比特。最大码块长度 z = 6 1 4 4 。如果通过以下计算得出的填充比特数f 不为o ，填充比特将加到第一个 码块的首端，若b 4 0 ，填充比特将加到该比特流的首端。填充比特取值为空 。 第一步，确定分割的码块数c i fb z = 6 1 4 4 l = o ：不添加额外的c r c 校验码 c = 1 ； b = b ；比特流长度不变 e l s e l = 2 4 ；每个码块将添加2 4 位c r c 校验码 c = ib ( z - l ) i ； b 。= b + c 三；更新比特流长度 e n di f 第二步，确定每个码块长度 第二章无线信道特征及l t e 物理层简介 当c 0 ，码块分割模块输出记为c r o c r i c r 2 , q 3 。f 似，_ 1 1 ，厂是码块编号，t 是 第，个码块的比特数。 确定第一次分割尺寸：丘是文献1 9 1 表5 1 3 3 中满足c k b 。的最小k i fc = l 长度为k + 的码块数是c = l ：疋= o ；c = 0 ： e l s ei fc l 确定第二次分割尺寸：赶是文酬9 1 表5 1 3 3 种满足k k + 的最小k a k = k 一k 长度为疋的码块数：c - = 【- ( c k + - b ) j ； 长度为疋的码块数是c = c c - e n di f 确定填充比特数目：f = c + k + c - 疋一 第三步，插入填充比特 佑r 七= 0 ：f i c o t = ；填充比特加入第0 个码块首端 e n df o r k = f ；信息位起始索引 s = o ：原输入比特流的索引位 f o rr = 0 ：c 1 逐码块填入信息比特和校验比特 i f ， c - 前c - 个码块取长度疋 k ，= 疋； e l s e t = t ；后c 个码块取长度t e n di f 对第0 个码块，从位置f 到群一依次填充信息比特，其余码块从位置0 到疋一依次填充。 w h i l ek l c r o c ，l ，c r 2 , c ，3 ，c r ( t 一工- l x 第，个码块的序列会根据生成多项式w 2 4 口( d ) 来计算 校验比特，并添加在码块后面。对于填充比特，计算时值取o 。 1 6 l t e 下行单天线信道估计及信噪比估计 & w 2 4 占( d ) - d 2 4 + d 2 3 + d 6 + d 5 + d + 1 】 ( 2 1 7 ) w h i l ek 0 ，则令输入c k = 0 ，k - - 0 ，( f - 1 ) ， 输出硪o ) = ，k = o ，( f 1 ) ，硪 = ，k = o ，( ，一1 ) 。 如图2 5 ，编码器的输入是c o ，c i ，c 2 ，c 3 ，& 1 ，第一个和第二个成员编码器输出 分别是：气，毛，乞，乞，氐_ ，毛，乏，之，乏，z 二一。，内部交织器的输出记为： 磊，c ：，之，t ，并作为第二个成员编码器的输入。 2 ) t u r b o 编码器的栅格终止 栅格终止就是当结束所有信息比特编码后，将来自移位寄存器反馈的尾比特 附加到编码的信息比特之后进入编码器，对移位寄存器清零。前三个尾比特将被 用来终止第一个成员编码器，此时第二个成员编码器被去激活( 即图2 5 中第一 个成员编码器的开关改为虚线所示) ；后三个尾比特终止第二个成员编码器，第一 个被去激活( 即图2 5 中第二个成员编码器的开关改为虚线所示) 。栅格终止过程 中，具体三路输出： 雒= k ，础。= 缸+ p 础：= ，础，= z ：+ 。 ( 2 - 2 0 ) - - 7 r ，卅：。= k 彬础：= ，卅：，= + ： 砟= x r + ，础。= 缸彩础：= + ，础，