LTE系统物理层发射链路仿真实现毕业设计论文

1、lte系统物理层发射链路仿真实现摘要lte(long term evolution)是3gpp长期演进项目，兼容目前的3g通信系统并对3g演进。它具有高传输速率、高传输质量和高移动性的特性。3gpp在工作计划中写入了长期演进(longtermevolution)的研究框架，并提出了未来在20mhz带宽上达到瞬时峰值下行100mbps以及上行50mbps的目标。本文介绍了lte物理层上下行链路的基本结构及其采用的关键技术，并使用matlab对系统物理层发射链路进行了仿真，对于lte的研究有重要的意义，并将加速lte的商用化进程。在复杂的移动信道环境中，为了达到这些特性，信道估计是不可缺少的一环。

2、而多入多出(mimo)技术能够突破无线频率资源限制，大幅度地提高无线通信系统的频偏效率，也被作为lte的一项核心技术来提高系统传输率。论文首先介绍lte系统物理层的基本概念，对lte下行基带处理流程各模块进行了深入研究。其次，研究了lte下行基于导频的信道估计技术，详细分析了ls信道估计算法、mmse信道估计算法、。然后，研究了lte下行链路基带信号的处理流程，对mrc接收分集技术和sftd发射分集技术进行了深入研究和系统仿真。最后，结合考虑仿真结果和硬件实现复杂度，给出lte下行链路发射端与接收端基带处理的实现方案、lte下行链路信道估计器的实现方案以及lte下行链路发射端matlab实现方

3、案。关键词 长期演进，物理层，正交频分复用，离散傅立叶变换扩频的正交频分多址title ： lte系统物理层发射链路仿真实现 abstract the lte(long term evolution)scheme was proposed by 3gpp，which is compatible with current 3g telecommunications systemchannel estimation plays a quite important role in the lte system which requires high data rate，high quality an

4、d high mobility. long term evolution aimed at achieving 100mbps peak rate in 20mhz bandwidth and 50mbps in uplink ale carried out in 3gpe. this introduce the physical layer structure of up-down link and key technology of lte, simulate the system by matlab. it is very important for the research of lt

5、e and also accelerating the commercial process of lte.all of above key technologies for lte downlink are investigated in this thesisfirstly，the basic knowledge of physical layer in lte system is introducedwe mainly investigate the baseband process，including cyclic redundancy check，tail biting convol

6、utional coding，scrambling，rate matching，modulation，layer mapping and precodingthen，a lte downlink baseband process implementation scheme is proposed，which is realized on matlab platformsecondly，we study the lte downlink channel estimation and interpolation technology，and then analyze the ls channel

7、estimation，mmse channel estimation algorithm，a scheme for designing the lte downlink channel estimator is presented，which is also implemented on matlab platformfinally, the lte downlink transmit diversity techniques is researchedwe investigate the mrc receive diversity technique and sftd transmit di

8、versity technique，and then simulate them in the matlab platformaccording to the simulation conclusion，a scheme for lte transmit diversity in downlink is put forward，which is also implemented on the matlab platformkeywords lte phy ofdm dft-sofdma phy目录前言11.通信网lte基本概念21.1移动通信的发展21.2 lte简介21.2.1 lte的工作

9、计划21.2.2lte的主要技术特征31.2.3 lte的网络结构31.2.4 lte的协议架构41.2.5 lte的核心技术51.3论文研究内容及组织结构62.无线信道特性及lte物理层概述72.1无线信道的特性简介72.1.1.时延扩展82.1.2相干带宽82.1.3多普勒频移92.1.4相干时间92.2 lte物理层基本概念102.2.1 lte帧结构102.2.2lte下行时隙结构和物理资源122.2.4 lte下行物理资源分配143.下行基带信号的产生流程173.1下行物理信道基带信号处理流程173.2系统设计173.2.1信道编码183.2.2调制/解调193.2.3插入导频193

10、.3本章小结204.搭建lte系统物理层发射链路204.1主要仿真模块的说明204.1.1系统参数设置204.1.2导频序列的产生204.1.3导频的映射图样及资源粒子映射214.1.4 ofdm的原理234.1.5 信道估计264.2 lte下行控制信道发射端实现方案274.2.1完整仿真模型274.2.2简化了的lte链路级仿真模型28全文总结29致谢31参考文献32附录1（缩略语）34附录2（部分程序代码）36前言当今社会已经进入了一个信息化的社会，没有信息的传递和交流，人们就无法适应现代化的快节奏生活和工作。目前，移动通信已经从模拟通信发展到了数字通信阶段，从窄带通信发展到了宽带通信，

11、并且朝着个人通信这一更高阶段发展。人们期望随时随地、及时可靠、不受时空限制地进行信息交流，提高工作效率和经济效益1。近期伴随着wimax的崛起，3gpp也开始了umts技术的长期演进（lte，long term evolution）项目。这项受人瞩目的技术被称为“演进型3g”（e3g，evolved 3g）。但只要对这项技术稍作了解，就会发现，这种以ofdm为核心的技术，与其说是3g技术的“演进”（evolution），不如说是“革命”（revolution），它和3gpp2空中接口演进（aie）、wimax以及最新出现的ieee 802.20mbfdd/mbtdd等技术，由于已经具有某些“4

12、g”特征，甚至可以被看作“准4g”技术。目前已经确定了上下行信道的基本传输技术，上行sc（单载波）-fdma，下行采用ofdm技术。 随着通信系统的规模和复杂度不断增加，传统的设计方法已经不能适应发展的需要，通信系统的模拟仿真技术越来越受到重视传统的通信仿真技术主要分为手工分析与电路试验两种，可以得到与真实环境十分接近的结果，但耗时长，方法比较繁杂而通信系统的计算机模拟仿真技术是介于上述两种方法的一种系统设计方法它可以让用户在很短的时间内建立整个通信系统模型，并对其进行模拟仿真，本文使用matlab语言建立了lte上下行链路的基本仿真平台。1.通信网lte基本概念1.1移动通信的发展移动通信综

13、合利用了有线、无线的传输方式，为人们提供了一种快速便捷的通讯手段。由于电子技术，尤其是半导体、集成电路及计算机技术的发展，以及市场的推动，使物美价廉、轻便可靠、性能优越的移动通信设备成为可能。现代移动通信发展至今，主要走过了三代，而后三代正处于紧张的研制阶段2。纵观移动通信的发展史，第一代通信系统是模拟制式的蜂窝移动通信系统，时间是二十世纪七十年代中期至八十年代中期，仅提供语音服务，不能传输数据；第二代通信系统是数字通信系统，时间是从八十年代中期开始，数据传输速率也只有9.6kbit/s，最高可达32kbit/s；第三代移动通信系统最早由国际电信联盟(itu)于1985年提出，该系统工作在20

14、00mhz频段，最高业务速率可达2mbit/s。虽然第三代移动通信系统可以提供很高的传输速率，但是为了满足未来十年对于移动通信的技术要求，同时适应新技术和移动通信理念的变革，3gpp(third generationpartnership project)启动了关于3g演进系统lte(long term evolution)的研究与标准化工作，作为后三代(b3g)移动通信系统3。1.2 lte简介lte是3g的演进，它改进并增强了3g的空中接入技术，采用ofdm技术和mimo技术作为其无线网络演进的唯一标准。在20mhz频谱带宽下能够提供下行100mbit/s与上行50mbit/s的峰值速率。

15、下面将对lte的工作计划、主要技术特征、网络结构、协议架构以及lte的核心技术进行简要的介绍。1.2.1 lte的工作计划3gpp对lte项e1的工作大体分为两个时间段：si(study item)阶段和lte下行链路关键技术的研究与实现wi(work item)阶段。2005年3月到2006年6月为si阶段，完成3gpp lte的可行性研究报告。2006年6月到2007年6月为wi阶段4，完成核心技术的规范工作。在2007年中期完成lte相关标准制定(3gpp r7)，预计在2008年或2009年推出商用产品。就目前的进展来看，发展比计划有所滞后，但经过3gpp组织的努力，lte的系统框架大

16、部分已经完成5、6。1.2.2lte的主要技术特征3gpp从“系统性能要求”、“网络的部署场景”、“网络架构”、“业务支持能力”等方面对lte进行了详细的描述。与3g相比，lte具有高数据速率、分组传送、延迟降低、广域覆盖和向下兼容等技术优势，具体技术特征如下：1.通信速率有了提高，下行峰值速率可达l00mbps、上行可达50mbps。2.提高了频谱效率，下行链路5(bit/s)/hz(3-4倍于r6 hsdpa)；上行链路2.5(bit/s)/hz (2-3倍于r6 hsupa)。3.以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上将基于分组交换。4.qos保证，通过系统设计和严格的qos机制，保证

17、实时业务的服务质量。5. 系统部署灵活，能够支持1.25mhz.20mhz间的多种系统带宽，并支持“paired”和 “unpaired”的频谱分配。保证了将来在系统部署上的灵活性。6. 降低无线网络时延：子帧长度lms，解决了向下兼容的问题并降低了网络时延， 时 延可满足用户面u.plan5ms、控制面c.plan100ms。7.增加了小区边界比特速率，在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界比特速 率。如mbms(多媒体广播和组播业务)在小区边界可提供lbit/s/hz的数据速率。8.强调向下兼容，支持已有的3g系统和非3gpp规范系统的协同运作。在lte中， 还规范了一些其他的要求，如

18、与配置相关的要求、e.utran架构和移植要求、无线资源管理要求、复杂性要求、成本相关要求以及业务相关要求等7-9。1.2.3 lte的网络结构lte采用由nodeb构成的单层结构，这种结构有利于简化网络和减小延迟，实现了低时延，低复杂度和低成本的要求。与传统的3gpp接入网相比，lte减少了rnc节点。名义上lte是对3g的演进，但事实上它对3gpp的整个体系架构作了革命性的变革，逐步趋近于典型的ip宽带网结构。3gpp初步确定lte的架构如图（1-1）所示，也叫演进型utran结构(e.utran)。 图（1-1）lte总体架构接入网主要由演进型：nodeb(enb)和mme/s.gw(m

19、obilitymanagemententity/servinggateway) 两部分构成。enb和enb之间由x2接e1连接，enb与mms/s.gw之间通过s1连接。enb不仅具有原来nodeb的功能外，还能完成原来rnc的大部分功能，包括物理层、mac层、rrc、调度、接入控制、承载控制和接入移动性管理等10-12。1.2.4 lte的协议架构lte无线接口包括层一(layer 1)，层二(layer 2)和层三(layer 3)，层一就是物理层，主要由3gpp ts 36.200系列协议描述，层二和层三由3gpp ts 36。300系列协议描述。它们之间的关系如图（1-2）所示。图（1

20、-2）物理层相关无线接口协议架构图（1-2）描述了e.utra物理层相关无线接口协议架构，物理层接入到层二的mac (mediumaccess contr01)子层和层三的rrc(radio resource contr01)层。图中不同层/子层之间的圆圈是saps(service access points)。物理层给mac层提供传输信道，mac层提供不同的逻辑信道给层二的rlc(radio link contr01)子层。1.2.5 lte的核心技术lte主要用到两个核心技术，一是ofdm技术，另一个是mimo技术。ofdm是一种特殊的多载波调制技术，它利用载波间的正交性进一步提高频谱利用

21、率，且可以抗窄带干扰和多径衰落13。ofdm的基本思想就是将串行的数据并行地调制在多个正交的子载波上，这样可降低每个子载波的码元速率，增大码元的符号周期，提高系统的抗衰落和干扰的能力，同时由于每个子载波的正交性，频谱的利用率大大提高。目前，ofdm技术都可以通过fft技术实现，所以系统实现结构简单。但是ofdm技术也存在一定的缺陷，首先对频率偏移敏感，对同步技术的要求较高，其次，ofdm信号的峰均比大，对系统中的非线性敏感14。3gpp组织决定对lte系统物理层下行传输方案采用先进成熟的ofdma技术，对于上行传输考虑到ofdm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，决

22、定采用峰均比比较低的单载波方案sc.fdma技术。ofdm技术是lte系统的技术基础与主要特点，ofdm系统参数设定对整个系统的性能会产生决定性的影响，其中载波间隔又是ofdm系统的基本参数，目前，3gpp给出了两种载波间隔，分为为l5khz和7.5khz。当传输信道中出现多径传播时，接收子载波间的正交性就会被破坏，使得每个子载波上的前后传输符号间以及各个子载波间发生相互干扰。为了解决这个问题，在每个ofdm符号前插入保护间隔，即循坏前缀，它是由ofdm符号进行周期扩展得到的。循环前缀cp (cyclic prefix)15、16的长度决定了ofdm系统的抗多径衰落能力和覆盖能力。长cp利于克

23、服多径干扰，支持大范围覆盖，但是系统的开销也会相应增加，导致数据传输能力下降。为了达到小区半径100km的覆盖要求，lte系统采用长短两套循环前缀方案，也即是普通cp和增强型cp两种方案。根据具体场景进行选择cp，一般普通cp方案为基本选择，增强型cp方案用于支持lte大范围小区覆盖和多小区广播业务。lte系统按照双工方式可以分为两种：fdd和tdd17。lte上行主要关注的首要问题是峰均比的问题，目前主要考虑采用位移bpsk和频域滤波两种方案进一步降低上行sc.fdma的峰均比。lte下行链路要求传输速率可达100mbps，故高峰值传输速率是lte下行链路需要解决的主要问题。为了实现该目标，

24、在3g原有的qpsk18、16qam的基础上，lte系统新增加了64qam高阶调制。lte的信道编码主要有两种，一种是采用turbo信道编码，turbo编码在fpga中较容易实现，另一种采用咬尾卷积编码，实现也较简单。1.3论文研究内容及组织结构在本科期间，我跟踪学习了3gpp协议和会议确立的lte新技术，对lte物理层进行了深入学习和研究。物理层在osi参考模型中处于最底层，主要完成基带处理过程，提供物理介质中比特流传输所需要的所有功能。涉及很多重要算法，具有重要研究意义。论文具体工作内容如下：1、学习和研究lte物理层相关知识，掌握lte物理层基本概念，理解lte下行链路基带处理流程中各模

25、块(crc、咬尾卷积编码、加扰、速率匹配、调制以及层映射和预编码等)的内容。2、根据lte下行链路物理层协议，利用matlab软件仿真实现lte系统物理层发射链路，主要模块包括信道编码、插入导频以及数据成帧、调制、插入cp以及ofdm调制。主要评估的参数是在不同信噪比条件下的误码率。本文将以lte下行控制信道为例对lte下行链路的基带处理过程和关键技术进行研究与实现，具体组织结构如下：第一章 作为绪论介绍了移动通信的发展、lte的由来、技术特征、网络结构、协议架构以及lte的核心技术，最后给出了本文研究的方向。第二章 首先介绍了无线信道的信道特性；然后介绍了lte物理层的基本概念，如lte系统

26、的帧结构、lte下行时隙结构以及物理资源的分配等；最后介绍了lte下行链路基带处理过程，以下行控制信道pdcch为例，对下行链路基带处理的各模块做了简要介绍。第三章 主要研究了lte系统基于导频的信道估计器，介绍了lte下行导频的产生与插入和基于导频的信道估计器的相关算法。根据协议编写信道编码、插入导频、插入数据、调制等模块的代码。第四章 首先介绍了lte系统基带处理的流程；然后给出了lte下行链路发射端基带处理实现方案，并且以下行控制信道的基带处理为例给出实现结果；同时给出了lte下行链路接收端基带处理实现方案；按照通信的一般过程，利用编写的模块代码，搭建lte系统物理层发射链路。第五章 总

27、结全文内容，提出本课题有待于进一步深入研究的问题，并展望该领域的研究发展趋势。2.无线信道特性及lte物理层概述2.1无线信道的特性简介移动信道是一种时变信道。在无线通信中，发射信号在传播过程中往往会受到环境中的各个物体所引起的遮挡、吸收、反射和衍射的影响，形成多条路径信号分量到达接收机。不同路径的信号量具有不同的传播时延、相位和振幅，并附加有信道噪声，它们的叠加会使复合信号相互抵消或增强，导致严重的衰落。一般来说，这些衰落可归纳为三类。一类是自由空间传播损耗与弥撒：大尺度衰落；一类是阴影衰落：中尺度衰落，是由于传播坏境中的地形起伏，建筑物及其他障碍物对电波遮蔽所引起的衰落；另一类就是多径衰落

28、：小尺度衰落，是由于移动传播环境的多径传输而引起的衰落。多径衰落是移动信道特性中最具特色的部分。从无线系统工程的角度看，传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区的覆盖。合理的设计总是可以消除这些不利因素的。而多径衰落则严重影响信号传输质量，并且是不可避免的，只能采用抗衰落技术来减少其影响。下面介绍影响多径衰落的几个移动信道参数。假设发送信号为一理想脉冲信号，即：s（t）= （t） 式（2-1）经过信道中多条路径传输，不考虑加性噪声，在接收端得到的信号为r（t）=（t-） 式（2-2）式中n为第径的复衰减因子，为第i径的时延，l表示多径数目。2.1.1.时延扩展由式(2-2)所示：单一脉冲经过信道传输

29、后可以收到多个脉冲，且脉冲个数及每个脉冲的衰落和时延都不相同，这种由于多径传播引起接收信号脉冲宽度扩展的现象，称之为时延扩展。最大时延扩展max。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之间的时间差。max从时域上观察，由于时延扩展，接收信号中一个符号的波形会扩展到其他符号中去，造成符号间干扰(isi)，为此要求符号宽度要远大于max因此max是多径信道的一个重要参数。2.1.2相干带宽与时域参数max相对应，相干带宽.是频域上与时延扩展相干的重要参数，是表征多径信道特性的一个重要参数，是多径信道具有恒定的增益和线性相位的带宽范围，也就是说在某一特定的频率范围内的任意两个频率分量都具

30、有很强的幅度相关特性。在实际工程应用中可以用最大时延扩展的倒数来表示，即： =1/ max 式（2-3）从频域上看，如果相干带宽小于发送信号的带宽，则该信道特性会导致接收信号波形产生频率选择性衰落，即某些频率成分信号的幅值得到加强，而另外一些频率成分的信号的幅值却衰减。在这种情况下，信道的冲击响应具有多径时延扩展，其值大于发送信号波形带宽的倒数。此时，接收信号中包含经历了不同衰减和时延的多径波形的叠加，因而，产生接收信号的失真。频率选择性衰落引起数字信号传输出现isi。反之，如果多径信道的相干带宽大于发送信号的相干带宽，则接收信号经历平坦性衰落过程。因此，是频域上表征信道频率选择性的重要概念。

31、2.1.3多普勒频移当无线电发射机与接收机作相对运动时，接收信号的频率将会发生偏移。当两者作相向运动时，接收信号的频率将高于发射频率；当两者作反向运动时，接收信号的频率将低于发射频率，这种现象称为多普勒效应。对于电磁波而言，因为多普勒效应造成的频率偏移取决于两者相对运动的速度，可将这种频率偏移写为： 式（2-4）其中为接收端检测到的发射机频率的变化量，是发射机的载频，是发射机之间的相对速度，为移动方向与电波入射方向的夹角，为光速。多普勒扩展描述了无线信道的时变性所引起的接收信号的频谱展宽程度。当发射机在无限信道上发送一个频率为的单频正弦波时，由于前述的多普勒效应，接收信号的频谱被展宽，将包含频

32、率为-+的频谱分量，这一频谱称为多普勒频谱。接收信号的多普勒频谱上不等于o的频率范围定义为多普勒扩展，用来表示。如果所传送的基带信号的带宽远大于，则接收机中多普勒影响可以忽略，该信道称为慢衰落信道；反之，信道为快衰落信道。2.1.4相干时间多普勒频移是频域上表征信道时变特性的重要参数，而从时域角度分析，与多普勒频移相干的是信道相干时间。它在时域上描述信道的频率色散的时变特性。相干时间与多普勒频移成反比，它是信道冲击响应维持不变的时间间隔的统计平均值，在此间隔内到达的两个信号之间具有很强的幅度相干性。概括而言，由于衰落信道的影响，信号在时域发生多径时延扩展(时间色散)，在频域产生多普勒频移(频率

33、色散)；信道参数和信号参数共同决定信号可能经历四种不同类型的衰落。故我们在研究各种无线通信系统时要考虑各种衰落带来的影响。2.2 lte物理层基本概念2.2.1 lte帧结构lte支持两种类型的无线帧结构，即适用于fdd19模式的类型1(type 1)和适用于tdd模式的类型2(type 2)。帧结构类型1的结构如图（2-1）所示，每一个无线帧长度为10ms，由20个时隙构成，每一个时隙的长度为。这些时隙分别编号为019。一个子帧定义为两个相邻的时隙，其中第i个子帧由第2i个和2i +1个时隙构成。图（2-1）lte帧结构类型1对于fdd，在每一个10ms中，有10个子帧可以用于下行传输，并且

34、有10个子帧用于上行传输。上下行传输在频域上进行分开。图（2-2）lte帧结构类型2帧结构类型2的结构如图（2-2）所示，每一个无线帧由两个半帧构成，每一个半帧长度为5ms。每个半帧由4个常规子帧和一个特殊子帧构成。一个常规子帧包含两个时隙，每个时隙长度为0.5ms。特殊子帧由下行导频时隙(downlink pilot timeslot, dwpts)20、保护时隙(guard period,gp)21和上行导频时隙(uplink pilot time slot,11uppts)22三个特殊时隙构成，dwpts和uppts的长度是可配置的，但dwpts、gp以及uppts的总长度等于1ms。半

35、帧0的特殊子帧总是作为特殊子帧使用，而半帧1的特殊子帧则是在图（2-3）所列的配置0、1、2和6中才作为特殊子帧使用。对于tdd，lte支持5ms和10ms的上下行切换周期。具体的子帧切换配置如图（2-3）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表示特殊子帧。子帧0、子帧5和dwpts总是预留为下行传输。在5ms切换周期模式下，uppts和紧跟特殊子帧的子帧2、子帧7预留为上行传输。在10ms切换周期模式下，dwpts在两个半帧中都存在，但是gp和uppts只在第一个半帧中存在，在第二个半帧中的dwpts长度为1ms。uppts和子帧2预留为上行传输，子帧7到子帧9预留

36、为下行传输。图（2-3）lte tdd模式上下行子帧切换点配置。2.2.2lte下行时隙结构和物理资源如图（2-4）所示，lte fdd的一个帧长度为10ms，被等分为10个子帧，每个子帧的长度为1ms，其中每个子帧又被分为两个时隙，每个时隙长度为0.5ms。一个时隙中传输的信号可以用一个资源栅格(resource grid)23来描述，其大小为个子载波和个ofdm符号，如图(2-3)所示。的大小取决于小区中的下行传输带宽配置，并且满足：期中=6，并且=110是下行传输的最小和最大带宽。资源栅格中的最小单元为资源粒子(resource element,re)，它也是下行传输使用的最小资源单元，

37、用唯一的序号来进行定义，其中，分别为频域和时域序号。对应的一个复数。图（2-4）资源栅格(resource grid)图（2-4）资源网格由图（2-4）可知，一个资源网格由频域索引坐标上个子载波和时域索引坐标上个ofdm符号交错分割而成。其中，是rb个数，它由下行传输带宽决定。为每rb分配的子载波个数，它的大小由子载波间隔决定，其值为。而系统给每rb分配的物理带宽为180khz，则当子载波为15hz时。 =l80khz/15khz=12。而为下行1个子载波每时隙发送的ofdm符号数，该数由循环前缀(cyclic prefix，cp)24的型决定，循环前缀有两种类型，一种是普通cp类型，另一种是

38、增强cp类型。2.2.4 lte下行物理资源分配lte下行链路主要包括如下几种信道25的处理：物理下行业务信道(pdsch) 26、物理多播信道(pmch) 27、物理广播信道(pbch) 28、物理控制格式指示信道(pcfich) 29、物理harq指示信道(phich) 30、物理下行控制信道(pdcch) 31以及主/辅同步信道(p/s.sch) 32。本文将上述信道分为业务信道、控制信道、同步信道三类，其中pdsch是业务信道，p/s.sch为同步信道，剩下的pbch、pcfich、phich以及pdcch统属于控制信道。lte下行发送的数据有：同步信号、公共导频、广播信息、控制格式指

39、示信息、harq指示信息、控制信息和业务数据。这些信息分别通过如下信道承载：p/s.sch、pbch、pcfich、phich、pdcch以及pdsch。下面将详细介绍这些物理信道承载的各种信号，以及它们在物理资源网格中所要映射的位置。下面给出一个子帧里各信号的资源分配图，如图（2-5）所示，该图给出了各种信号的具体资源分配情况。这罩假设导频移位为0、映射为4天线口、传输带宽为20 mhz，normalcp情况。图（2-5）一个子帧的物理资源分配以图（2-5）为例，下面分别介绍下行各种信号及它们的物理资源分配情况：1.参考信号(导频)：图中蓝色r字母部分所示，不同天线口在1 tti或1子帧内发

40、射的导频符号数可以是8个(p=0，1)，也可以是4个(p=2，3)。如果是8个，其有效发射时间位于每时隙首个和倒数第三个ofdm符号处；如果是4个，其有效发射时间只在每时隙的第二个ofdm符号处。可见不同天线口导频数目是不同的，但是为了统一，在资源网格中各天线口为导频预留的资源位置是一样的，故对于天线端口为2和3时，映射后剩余的蓝色r资源元，协议36.211中规定要保留且承载内容置0。2.主同步信号：图中p字母部分。在1 tti或1子帧内的长度为62。其发射时位于每无线帧的第0 slot(第0子帧)内和第10 slot(第6子帧)内的最后一个ofdm符号处。图（2-5）中标记了p的res表示有

41、效承载(总计62x2=124res)，同样颜色但标记为木的res(总计52=10res)， 3.辅同步信号：图中s字母部分。在1 tti或1子帧内的长度为62。其发射时间位于每无线帧的第0 slot(第0子帧)内和第10 slot(第6子帧)内的倒数第二个ofdm符号处。上图中标记了s的res表示有效承载(总计622=124res)，同样颜色但标记为*的res(总计52=10res)，在协议36.2ll中规定不能用于承载辅同步信号，却没明确指出可以放置其他何种信号。3.广播信号：即小区广播信息，由信道pbch来承载，图中b字母部分，只在每个无线帧的第1个子帧(编号为子帧o)内发射。其余子帧时，

42、其资源位置则用于其他信号(如：业务信号)的发射。4.下行控制信道的信号：下行控制信道包括pdcch、pcfich和phich，在资源网格图（2-5）中如c字母部分。其中：信道pcfich是用来承载发射1个子帧中pdcch信号所占用的具体ofdm符号数信息(1，2或3)的，它只在每子帧的第一个ofdm符号处发射：信道phich是用来承载harq的ack/nack信息，映射到相同资源元的多个phich复值符号构成一phich组，在映射前会累加，累加后的符号只会在每子帧的第一个或前三个ofdm符号处发射，发射持续符号数由高层决定和配置。而信道pdcch则是用来承载调度分配和其他控制信息，可以在一个子

43、帧发射多个pdcch信号，所有复值信号在资源元映射前已连续4个一组进行了分组，然后映射时也是逐组映射至4个频域相邻的res构成的资源元组reg中，且发射时问限定在每时隙前三个ofdm符号内。6.业务信号：图中没有字母部分，指非mbsfn传输的信号，由下行共享信道(pdsch)承载，去掉以上所有信号占用资源元后剩下的res均可承载业务信号。3.下行基带信号的产生流程3.1下行物理信道基带信号处理流程下行物理信道的基带信号处理，如图（3-1）所示：图（3-1）下行物理信道基带信号处理流程下行物理信道的基带信号处理可以分为如下几步： （1）对将在一个物理信道上传输的每一个码字中的编码比特进行加扰；

44、（2）对加扰后的比特进行调制，产生复值调制符号； （3）将复制调制符号映射到一个或者多个传输层； （4）将每层上的幅值符号进行预编码，用于天线端口上的传输； （5）将每一个天线端口上的复值调制符号映射到资源粒子上； （6）为每一个天线端口产生复制的时域ofdm符号。 3.2系统设计在系统设计上采用了模块化的系统结构，便于进行系统调试和扩展。lte下行系统构成。如图（3-2）所示。 图（3-2）lte下行链路结构图3.2.1信道编码 lte确立的信道编码方式以turbo码为主，正在考虑ldpc码，本系统提供了turbo码的模块，ldpc码根据需要也可以加上。 因为介绍turbo码的文章很多，在此

45、本文不再具体介绍其基本原理，感兴趣的读者可以下面介绍turbo码的基本参数：码率为1/2的系统循环卷积码（rsc），log-map算法，块长1024，g=07，05。编码之后要进行交织，交织主要是为了防止在传输过程中，发生用户信息比特丢失的情况，不至于丢失某一个用户所有的信息，而只是会丢失若干个用户的部分信息。根据剩下的信息比特仍然可以恢复原始信息，也就是将丢失的比特分散，从而达到降低误比特率的目的。ofdm系统中采用矩阵交织器，根据ofdm符号的大小，即nc的大小，对编码后的信息进行交织处理，分两个步骤进行交换：第一步是将相邻的信息比特分别映射到不相邻的子载波上；第二步是保证相邻编码后的信息

46、比特可选择的映射到或多或少的一组比特中，从而使恢复的可能性降低。如果用k来代表第一步交织之前的比特，i代表第一步交织之后、第二步交织之前的信息比特，而用j代表第二步交织之后、调制之前的信息比特，则：步骤一可用式（3-1）表示： 式（3-1）floor（.）表示向下取整。步骤二可用公式（3-2）表示 式（3-2）其中s由下式决定： 式（3-3）解交织则是相反的过程，假设用j表示解调之后、第一步解交织之前收到的信息比特，i表示第一步解交织之后，第二步解交织之前接受到的信息比特，k表示第二步之后的信息比特。则有：步骤一可由以下式子表示： 式（3-4）其中s与前面定义一致，这与发端的步骤一刚好相反。步

47、骤二由以下式子表示： 式（3-5）这一步骤与发端的步骤二是相反的。注意16是可变的值，但nc/16须是整数。3.2.2调制/解调lte支持的调制方式有下行qpsk，16qam，64qam；上行位移bpsk，qpsk，8psk，16qam。调制之后是ofdm调制部分，采用ifft实现，解调部分使用fft实现。系统假设时钟、符号和帧是完全同步的，没有对同步误差造成的影响进行讨论。3.2.3插入导频lte目前确定了下行参考符号（即导频）设计。系统采用时分复用（tdm）的导频插入方式。每个子帧可以插入两个导频符号，第一导频符号和第二导频符号分别位于每个子帧的第一个和倒数第三个ofdm符号中，适用于td

48、d和fdd以及长cp和短cp的情况。导频的频域密度为6个子载波，第一和第二导频在频域上交错放置。采用mimo时，须支持至少4个正交导频（以支持4天线发送），但对智能天线除外。在一个小区内，多天线之间主要采用频分复用（fdm）方式的正交导频。在不同的小区之间，正交导频在码域实现（cdm）。3.3本章小结本章首先介绍了无线信道的信道特性，主要介绍了lte物理层的一些基本概念，主要包括lte的系统帧结构、lte下行时隙结构、物理资源以及物理资源的分配。有了这些lte系统基础知识，本章最后介绍了lte下行发射端基带处理过程，主要以下行控制信道pdcch为例。介绍了lte下行链路发射端pdcch基带处理

49、的流程，分别对流程中的crc校验模块、加扰模块、信道编码模块、速率匹配模块、调制模块、层映射与预编码模块以及资源映射模块进行了研究。4.搭建lte系统物理层发射链路4.1主要仿真模块的说明4.1.1系统参数设置接收天线个数：2发2收rb数目(n_rb) =15；n_id =0；信道类型 ：频率选择性多径信道；信噪比 ：0：20；多普勒频移 ：04.1.2导频序列的产生导频信号序列 定义为： 式（4-1）其中 是一个无线帧中的时隙序号，l是一个时隙中的ofdm符号序号。伪随机序列 的定义是： 式（4-2） 式（4-3） 式（4-4）其中， =1600，并且第一个m-序列将被初始化为： 式（4-5

50、）第二个m-序列的初始化由c(n)的初始化序列定义。在每一个ofdm符号的起始载频处，都将用一个伪随机序列初始化，它的定义是： 式（4-6） 其中 表示小区id，在本仿真程序中，设置为0。另外， 的定义是： 式（4-7） 4.1.3导频的映射图样及资源粒子映射参考信号序列 ，将按照下面的方式映射到复制调制符号 上，作为时隙中天线端口p上的参考信号，即： 其中： 变量 和定义了不同参考信号在频域上的位置，其中： 式（4-8）小区专有的频域偏移为： 式（4-9）在一个时隙中，在任何天线端口上用作传输参考信号的资源粒子(k,l)，不能在相同的时隙中其他天线端口上进行任何传输，并设置为0。导频资源的映

51、射图样： 图（4-1）导频资源的映射图样4.1.4 ofdm的调制一个ofdm符号包含多个经过相移键控（psk）或者正交幅度调制（qam）的子载波。其中， 表示子载波的个数， 表示ofdm符号的持续时间（周期）， 是分配给每个子信道的数据符号， 是第i个子载波的载波频率， ，则从t=0开始的ofdm符号可以表示为： 式（4-10）通常采用等效基带信号来描述ofdm的输出信号： 式（4-11）其中s(t)的实部和虚部分别对应于ofdm符号的同相和正交分量，在实际中可以分别与子载波的cos分量和sin分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的ofdm符号。ofdm发射端和接收端得原理图如下：图（4-2

52、）ofdm发射端原理图图（4-3）fdm接收端原理图ofdm频谱图：图（4-4）ofdm频谱图在接收端解调时，由于各子载波之间具有正交性，即： 式（4-12）解调时只需乘上对应的子载波，然后在时间长度为t内进行积分就可求出相应的值。由于ofdm子载波之间满足正交性，因此可以采用离散傅立叶变换(dft)表示信号。直接进行idft/dft变换，算法复杂度为，计算量非常大，但如果采用ifft/fft来实现，则算法复杂度降低为 ，极大降低了ofdm系统的实现难度。在仿真中均采用ifft/fft来表示ofdm信号。另外，为了减弱多径延迟造成的符号间干扰的影响，在ofdm符号的起始处插入循环前缀。4.1.

53、5 信道估计在ofdm技术中，信道估计算法最常用的就是导频辅助的信道估计方法，它在发送端的数据流中插入一定数量的已知信号即导频，在接受端利用接收到的信号和导频信号估计处的信道冲激响应，并通过一定的内插方法，得到整个信道响应的估计值。常用的信道估计方法有：基于ls准则的线性插值算法；基于lmmse准则的频域维纳滤波插值算法；基于lmmse准则的时频维纳滤波插值算法；基于lmmse的迭代滤波信道估计。本仿真采用了基于ls准则的线性内插算法作为信道估计的算法。4.2 lte下行控制信道发射端实现方案4.2.1完整仿真模型图（4-4）完整仿真模型lte下行物理层与控制信息相关的信道主要包括：pbch、pcfich、pdcch和phich。通过上面的研究，我们清楚了各个物理信道承载的信号的资源分配情况，我们知道了同步信号、公共导频、广播信息位置是固定的，而控制格式指示信息的位置可以估算出，也相当于是固定的。一般来说，实现时先映射以上固定信息；再按照广播信息规