毕业设计——LTE系统覆盖性能的研究

1、编 号：_审定成绩：_ 毕 业 设 计 （论 文）设计（论文）题目:_ _LTE系统覆盖性能的研究_摘 要伴随移动通信技术的不断发展,用户对移动通信的功能和质量都提及了更高的要求，以便适宜全世界无线通信应运而生的移动化、宽带化和IP化的趋向,也为了与新兴的部分移动通信技术如WIMAX,WiFi竞争,3GPP继HSDPA等技术标准化后,提起了3G的长期演进(LTE)。LTE 系统技术是 3GPP 技术经过长期的发展得来的，LTE 系统技术成了3G 和 4G 之间的过渡技术，LTE 系统技术运用的是 OFDM 和 MIMO 技术规则，建立快速的无线网络供客户采用，LTE 技术很好的覆盖功能成为了该

2、系统的长久提高，在良好的覆盖性能的帮助下，LTE 系统的后期规划可以节省下大量的后期优化工作，同时也促使了运营商的品牌效益，使得运营商在激烈网络运营中实现最优的利用。中国移动的盈利点在于GSM网络基础,长期运营的业务主要有话音业务、短信业务、低速数据业务等基础业务；WLAN无线网络是中国移动蜂窝网的重要部分,也是跃进宽带市场的关键方式,主要承载移动终端、第三方WLAN终端及PC的网络数据业务；TD-LTE是中国移动与其他运营商竞争的资本,其主要承载高速数据业务,而且还具备承载话音业务功能;TD-SCDMA网络主要承载手机移动终端的部分话音业务、移动数据业务，TD-SCDMA网络是TD-LTE网

3、络的网络基础；这些无线接入方式实现了新型数据业务的无缝覆盖。对LTE系统进行评估的重要指标是系统容量与覆盖性能,用户是否有稳定、可靠的业务感受，覆盖性能起决定性作用。本文着重研究了LTE系统的上行系统容量与覆盖性能, 针对如何估算LTE系统的覆盖性能进行了详细的研究，应当根据LTE系统的实际应用地区和应用领域的状况进行选择。最常使用的方法是 LTE 系统仿真设计的方法和LTE系统覆盖性能计算方法。实际组网中，还需结合现网基站地址资源及覆盖目标的周围场景规划好基站覆盖距离，然后根据覆盖距离详细配置小区相关网络参数，确保基站达到规划覆盖距离，这样才能对覆盖目标实现有效覆盖。通过以上研究,可得出3G

4、PP场景中使用功率控制技术时容量与覆盖性能的规律和功率控制的最佳工作点。【关键词】 MIMO OFDM LTE系统 SFR 覆盖性能 ABSTRACTUnder the evolution of mobile communication technology, subscribers have more requirements to the content and quality of mobile communication.In order to adapt to the trend of the mobile, broadband and IP global wireless comm

5、unication, and also to some emerging mobile technologies such as WIMAX, WiFi, 3GPP after the competition following HSDPA, HsUPA the technical standards,and emerge the long term evolution of 3G (LTE).LTE technology is 3GPP technology development over a long period of time, it has become a interim bet

6、ween 3G and 4G internet system, which is realized by using OFDM and MIMO technical standards to form a wireless fast network for customers to use. Long-term development of the system with good coverage performance achievements,under the help of the performance the late planning LTE system can save a

7、 lot of work post optimization, but also the achievements of the operator's brand benefit, enables the operator to achieve the best use of the network operation in the fierce.Main business of Internet data carrying mobile phone, the third WLAN

8、60;terminal and PC TD-LTE.China Mobile will compete with other units in the future, the main bearing of high speed data service, and which also has the voice functio

9、n.TD-SCDMA network is the only smooth evolution to TD-LTE, the main bearing part of voice service, mobile phone terminal of mobile data services,the wireless access way t

10、o achieve seamless coverage of new data services.The coverage performance of the LTE system is an important index to evaluate the system, which can determine whether users can bring constant, trusted service experience. The method for how to estimate the coverage p

11、erformance of the LTE system should be selected according to the LTE system application area and application status. The most frequently used method is LTE system coverage performance calculation method and LTE system simulation design method. In an actual network, need to combine the coverage of th

12、e target scene and existing network site resources to plan base station coverage distance, then according to the distance covered to configurate relevant small cells network parameters to ensure the base station planning coverage distance be an effective coverage.【key words】MIMO OFDM LTE system SFR

13、目 录前 言1第一章 LTE技术发展状况2第一节 LTE的发展动态2一、LTE的技术优势2二、LTE标准演进过程3三、LTE基本性能要求3第二节 LTE的发展趋势4一、LTE是现有3G技术向B3G4G演进的必经之路4二、LTE将在与WiMAX等其它无线技术的竞争中发展4三、运营商决定技术发展路线4第二章 LTE系统结构基础6第一节 LTE系统架构概述6一、LTE的特点6二、LTE的网络结构6第二节 LTE物理层8一、时域的总体结构、双工方式和帧结构8二、物理层传输方案10三、 导频与编码调制方式11第三节 LTE的帧结构12一、无线传输帧结构12二、TD-LTE 和TD-SCDMA 帧结构区别

14、13第四节 本章小结14第三章 LTE物理层的关键技术15第一节 OFDM技术的研究15一、OFDM技术的发展史15二、OFDM的基本原理15第二节 MIMO技术的研究17一、MIMO基本概念17二、MIMO基本原理18第三节 本章小结21第四章 MIMO和OFDM的系统22第一节 MIMO系统模型研究分析22一、LTE系统中的MIMO模型22二、MIMO系统的优缺点24第二节 OFDM系统模型研究分析24一、OFDM系统的基本原理24二、OFDM系统调制方案25三、OFDM系统的优缺点25第三节 SFR技术的研究论述27一、SFR技术的概述27二、SFR（软频率复用）与FFR（部分频率复用）

15、的区别27第四节 本章小结28第五章 LTE系统覆盖性能的研究29第一节 影响LTE系统覆盖性能的因素29一、LTE 系统研究的意义29二、系统的功率、信道带宽和频率复用系数影响LTE 系统覆盖的性能30第二节 对LTE系统覆盖性能的研究以及估算方法30一、LTE 网络覆盖估算概述31二、LTE FDD链路预算32三、LTE系统的覆盖性能的方法33结 论1致 谢2参考文献3附 录4一、英文原文4二、英文翻译6V- -前 言网络时代的到来，人们的日常生活在移动通信设备以及网络互连的结合之下变得越来越丰富多彩，因此人们对于移动终端设备以及移动通信网络的要求更加高了，随着科技的发展，数据业务已成为了

16、主要的发展方向，它也将是移动通信未来的竞争焦点，从而促使移动通信宽带化的脚步不断加快。现如今，2G、3G、3.5G技术已不能满足新时代的要求， 2004年，第三代移动通信合作单位开始实施长期演进(LTE)技术的标准化项目。LTE(Long Term Evolution)系统技术是3GPP技术的长期演进，迅速地成为了3G与4G技术之间的一个过渡，确定了3.9G的全球标准， 经改进，在原有3G技术中，在LTE中改良并加强了空中接口技术，把OFDM和MIMO技术作为其无线网络通信演进的唯一标准，实现了在20MHz频谱带宽下能够产生下行100Mbit/s、上行50Mbit/s的超高速率。 E3G技术中

17、最典型的就是LTE系统技术，下载速度高达每秒100Mb左右，LTE 技术也是3GPP两年启动的最大的最新的技术研究开发，被当做“准4G”技术开始进行研究，与此同时，对于LTE技术的研究，可以促使运营业完成新的跨越式的发展，提高改进网络运营的能力，成功地降低网络运营企业的成本，从而最终实现无线宽带化的伟大目标，使得4G技术能够顺利的研究开发下去。总体来看，LTE技术的优势有目共睹，不只可以大大地提高用户们对通信业务的完美体验，还能提升用户们对移动终端通信设备以及对超高速网络通信的满足感，所以说，LTE系统的研究是一件势在必行的事情，为了提高LTE系统性能，应尽可能地扩大LTE系统的有效覆盖范围，

18、将覆盖范围及应用性能提高才是LTE系统的最终目标。第一章 LTE技术发展状况第一节 LTE的发展动态一、LTE的技术优势LTE技术与当前时兴的WiMAX、WiFi技术相比较，各自的特点都很突出，比如费用成本低、数据速率高、安全性高等特点。这些技术的适用范围也各不相同，相较之下，LTE兼备以下突出特点。（一）更高的用户数据速率LTE采用的是OFDM技术，实质是子载波可部分重叠来提高频谱效率；LTE改良并加强了第三代的空中接口技术，采用MIMO技术，在20MHz频谱带宽下能够实现超高峰值速率。 （二）更少的等待时间LTE对无线接入网进行延迟，使得控制平面迁移时间低于50ms，从驻留态到开始进行数据

19、交换时间低于l00ms，不再用无线网络控制器了，它的功能由上层核心网和下层演进型NodeB来实现。所以相比而言， NodeB集成了部分RNC的功能，缩减了通信协议层层数1。 （三）更强的稳定性和灵活性稳定性：用户在350Km/h的高速移动下，接入服务速率大于100kbps，而且接收效果良好。灵活性：支持成对/非成对频谱，可配置1.25MHz到20MHz多种带宽，可见其灵活性 。（四）系统容量和覆盖的改善现网中的蜂窝移动通信系统(如3G系统)所提供的数据速率在小区中心和小区边缘就有很大的速率差异，这就影响了整个系统的容量和小区服务质量。在LTE的早期研究当中，利用小区间干扰协调、小区干扰随机化、

20、小区间干扰消除、回避等多种方式实现100Km半径的小区覆盖，从而改善了小区边缘用户速率接收性能，并提高了小区容量。二、LTE标准演进过程GSM网络是最早出现的基于FDD和TDMA技术的现代数字移动通信技术，但由于其中TDMA技术的局限性，受到小区服务质量和容量方面的挑战，演进路线如图1.1所示,在技术标准发展方面， EDGE以及EDGE+的演进方向，CDMA采用码分复用方式，虽2G时代的CDMA标准成熟周期过长，所以在3G标准中，TD-SCDMA和WCDMA、CDMA2000都采用了CDMA技术2。CDMA系列的演进是由CDMA2000到CDMA1x再到UWB的方向发展。演进到3G网络时，G网

21、可采用WCMDA或TD-SCDMA的路线，而CDMA则使用CDMA2000的路径。 CDMA 3GPP LTE-FDD LTE-TDDCDMA2000 图1.1演进路径 LTE技术是移动通信新标准，之前2004年底，3GPP就开始了工作，并于2009年发布了R8的FDD-LTE和TDD-LTE的技术标准，这标志着LTE标准草案初步完成，LTE正式进入实质性阶段。LTE采用OFDM、MIMO等物理层关键技术及网络结构的调整使得其性能提升。LTE-A则引入了一些新的例如无线网络编码、载波聚合技术和无线网络MIMO增强技术等的备用技术才使得其性能指标得到更大改善。三、LTE基本性能要求作为后3G时代

22、技术，LTE技术的主要目标是提高用户传输数据速率、降低时延和系统容量和覆盖范围等。具体性能要求有以下几点：LTE技术支持1.4、15、5、3、10、和20MHz带宽，使用已有或新增的频段并以尽可能相似的技术支持成对/非成对的频段以便于系统灵活控制。在20MHz带宽条件下，峰值速率达到下行100Mbit/s、上行50Mbit/s。在有负荷的系统网络中，上行频谱效率达到R6 HSUPA的两倍左右，下行效率达到三倍左右。从空闲态到激活态的转换时间一般小于100ms，休眠态到激活态的转换时间一般低于50ms左右。支持低速运动和高速运动。较好性能是在低速下表现的，较高速下的用户群能够保持时刻连接性，最优

23、性能可在高速下获得。LTE技术还对互联互通特性、可操作性和业务支撑等方面有具体要求3。因此，与其他无线技术相比而言，LTE能同时适合高低速移动应用场景模式且传输性能不错。第二节 LTE的发展趋势一、LTE是现有3G技术向B3G4G演进的必经之路相较于现有的3G及3G+技术，现有3G移动通信技术在4G应用前的最终版本就是LTE， LTE除了具有技术上的优点之外，也是趋近4G的台阶，是现有3G技术向B3G/4G演进的过渡。但是有些运营商想绕开LTE直接进入4G，这样就会产生很多不确定性和风险，因此不建议考虑。 二、LTE将在与WiMAX等其它无线技术的竞争中发展LTE是在WiMAX竞争中产生的技术

24、，也必将会在WiMAX竞争中演进，此趋势还会不断增大。WiMAX的802.16e标准加入3G标准之一所以有了全球统一的频率使用权。在未来的移动通信市场中，WiMAX肯定对于LTE来说是一个强劲的竞争对手。 三、运营商决定技术发展路线在3G向4G的长期发展中，逐渐形成了LTE、UMB、WiMAX三条演进路径，分别是基于CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA这三大标准以及新WiMAXN 3G标准演进形成的。全球的移动通信产业从3G向4G演进正式开始。我们通过对以往通信行业的发展情况的分析可以看出，对于LTE未来的发展前景而言，移动运营商对LTE的选择至关重要。随营商的用户群快速增加，资金实

25、力不断增强，国际交往密切并加深。所以移动运营商为技术发展起导向作用，其对于技术路线的选择起着至关重要的作用4。 与前两种标准相比，LTE优势明显。现如今LTE潜能有目共睹，因为已经拥有运营商们的支持。从如今的势流上看，LTE很有可能超越其他标准，成为主流。LTE未来很大程度上可能以服务企业等行业用户为主，因为实施LTE完全是为应对厂商提的WiMax，虽两者的传输技术和网络架构方面差不多，但WiMax也有热点覆盖和专网为主的优势以回避该项技术的核心网。第二章 LTE系统结构基础第一节 LTE系统架构概述一、LTE的特点 LTE是3G向4G发展演进的主流技术，俗称为3.9G。LTE网络结构的特点如

26、下：LTE定义的是一个纯分组的交换网络系统。提供无缝的移动IP对接（UE与分组数据网之间）。一个EPS承载式分组数据网关与UE之间满足一定小区服务质量（QoS）要求的IP流。LTE上的所有网元都通过标准接口连接，以满足多供应商产品间的互操作性、灵活性。LTE网络结构特点鲜明，因为这样它才有100Mbps的超高速数据下载能力。二、LTE的网络结构LTE网络由以下几部分构成，如图2.1。E-UTRAN：是LTE的接入网入口，由eNB组成。EPC（Evolved packet Core）：由MME（Mobility Management Entity），S-GW（服务网关，Serving Gatew

27、ay）以及P-GW（PDN Gateway）构成，是LTE的核心网5。图2.1 LTE网络结构图2.2 简化的LTE网络整体架构接入部分和接入控制部分的功能下面列出，如图2.2。（一）eNode B功能：进行无线资源管理，控制无线承载、连接移动性等，对UE的资源分配。对IP头进行压缩，加密用户的数据。用户面数据向S-GW的路由。寻呼消息调度和发送。广播信息的调度和发送。测量移动性，并配置测量报告。（二）MME功能：分发寻呼信息给eNB和网络切换时对SGSN的选择。接入层安全控制，PSNGW与S-GW选择。移动性管理涉及核心网节点间的信令控制。空闲状态的移动性管理，漫游，鉴权。SAE承载控制，跟

28、踪区列表管理。加密非接入层信令，并完成完整性保护。（三）Serving Gateway功能： 终止由于寻呼原因长生的用户平面数据包。支持由于UE移动性产生的用户面切换。合法监听，用户计费。分组数据的路由与转发。标记传输层中的分组数据。运营商间计费的数据统计。（四）PSN Gateway功能： 基于用户的包过滤。合法监听。IP地址分配。上下行传输层数据包标示。DHCPv4和DHCPv6（client，relay，server）。业务镇定点。第二节 LTE物理层一、时域的总体结构、双工方式和帧结构如图2.3展示的是LTE的时域结构，帧长为=10ms，由十个等长的子帧=1ms构成。图2.3 LTE传

29、输的时域结构在每个载波中每帧的不同子帧是用来做上下行传输的。如图2.4（a）所示， TDD时，都是是不成对的频谱操作（如图2.4（b），每帧的第1个和第6个子帧用于下行，而余下子帧可以灵活分配用于上/下行传输。FDD时，都是成对的频谱操作，每个子载波所有子帧都是用来做上下行传输的。为什么要预先分配第一和第六子帧呢。原因是它们包含了LTE的同步信号（同步信号传输在每小区下行链路），其目的是用来搜索初始小区和邻近小区6。图2.4（a）图2.4（b）如图2.3中所示的LTE帧结构，这种帧结构通用于FDD（频分双工）或TDD（时分双工）模式。在FDD 模式下，LTE每个10ms的帧长可分为10 个子帧

30、, 每子帧有两个TS(时隙)（每时隙为0.5ms）。TDD 模式下, 共分为两个子帧分别每个有7个时隙, 每时隙为0 .675ms 。 LTE 的最小TTI 长度仅为0.5ms的原因主要是为了支持实时业务, 然而系统是可以动态调整TTI 长度的。二、物理层传输方案上行SC-FDMA 的实现。OFDM不利于上行链路的实现，虽技术优势突出如带宽扩展性强、频谱效率高、抗多径衰落能力强等，但是OFDM系统功率较高会增加发射机功放的成本还耗电。上行SC-FDMA 信号可以用时/频域生成。时域中的SC-FDMA由于添加循环前缀的顺序不同可分为两种形式，:一种是将已调制符号数据块首先直接添加循环前缀，另种是

31、已调制符号数据块先进行重复级联后添加循环前缀，再经滤波后进行频谱搬移实现频分多址7。基于离散傅里叶变换扩频的正交频分复用多址是先对信号进行了DFT 扩展再调制OFDM的IFFT, 如图2.5可见。为了使传输信号具有单载波信号的特征，DFTS-OFDM 中的每个数据符号首先需要扩频到所有已经分配的子载波上再进行传输的。图2.5 DFT-S-OFDM 发射机结构在3GPP LTE上行链路的参选方案DFT-S-GMC(通用多载波，General Multi-Carrier)也是一种频域中的生成有效方法，基于DFT扩频和多子带滤波器组的单载波传输技术才产生的这种方法，如图2.6。我们可看出, 区别于D

32、FT-SOFDM的是DFT-S-GMC 采用逆滤波器组变换(IFBT)实现频分复用。在最后部分生成GMC时频复用符号首先要经过对滤波输出的多组信号进行移位叠加才行。 图2.6DFT-S-GMC 发射机结构3、 导频与编码调制方式图2.7 导频的帧结构 如图2.7所示。 SC-FDMA单个子帧的两个SB 内有上行参考符号(RS)用于与其他LB 时分进行复用。RS是用来估计Node B的信道和质量(CQI)的。虽然SC-FDMA的SB的长度很短，只有LB的一半长, 但是SC-FDMA 参考符号的子载波宽度却很宽，比数据子载波宽度宽2倍。LTE的下行导频格式是采用时分复用的导频插入方式实现的。每个子

33、帧中可插入两个导频符号。在一个基站小区内,多天线间主要采用FDM实现正交导频。不同基站小区间主要是采用CDM实现正交导频。LTE上行调制方式主要采用位移BPSK( 2-shift BPSK),QPSK , 8PSK 和16QAM8 。下行主要采用QPSK , 16QAM 和64QAM 。在信道编码中 LTE系统中主要考虑Turbo码, 有时特殊情况，也要考虑其他编码，如低密度奇偶校验码 , LDPC码可获得比Turbo 码更高的编码增益, 这种编码在解码时比较简单，所以说，对于信道编码中，在基于不同情况考虑时，有时也要使用多种编码。第三节 LTE的帧结构一、无线传输帧结构在无线空中接口上， T

34、ype1 和Type2是LTE系统中仅支持的两种帧结构。它们分别用于FDD 模式和TDD模式，帧长都为10ms。如图2.8所示。在FDD模式下10个单独长度为1ms 的子帧组成了10ms的无线帧，且每子帧又由两个为0.5ms的时隙组成。 图2.8 帧结构类型I如图2.9 所示。在TDD 模式下两个长度为5ms 的半帧组成了10ms 的无线帧，半帧又是由5个1ms的子帧组成（4 个普通子帧和1个特殊子帧）。1个普通子帧中有两个0.5ms 的常规时隙，一个特殊子帧有3 个特殊时隙9。 图2.9 帧结构类型II我们再来详细看一下Type2 TDD 的帧结构，如图2.10，三个特殊时隙组成了1个总长为

35、1ms特殊子帧。 图2.10 TDD帧结构特殊时隙设计Type2 TDD帧结构与Type1 FDD帧结构在同步信号的设计上略有区别。LTE同步信号可分为主/辅同步信号且周期为5ms。如图2.11。它们同步信号的位置/相对位置不同。所以在实际应用就可以很容易的利用终端在小区搜索的初始阶段就可以识别系统是TDD还是FDD了。图2.11 TDD 帧结构同步信号设计二、TD-LTE 和TD-SCDMA 帧结构区别 TD-LTE 和TD-SCDMA 帧结构主要区别有：时隙长度不同。TD-LTE 子帧长度和FDDLTE一致，有利于产品的实现，还有利于以借助FDD的产业链 TD-LTE中的特殊时隙有多种配置

36、方式来适应容量、覆盖、干扰等不同场景的不同需要在某些配置下，增大小区容量可利用TD-LTE中的DwPTS传输数据来实现TD-LTE调度周期很短，1ms的调度周期都可以控制终端收发数据，相较，TD-SCDMA的调度周期就很长， 5ms的调度周期可以影响收发数据速度。第四节 本章小结 本章主要从几个主要方面介绍了 LTE系统的相关基础知识，首先简述了 LTE的系统架构与空中接口、LTE无线接口协议结构。其次介绍了 LTE系统物理层的基本概念，并重点对物理层中帧结构、传输方式、导频与编码调制方式进行了详细的研究。第三章 LTE物理层的关键技术第一节 OFDM技术的研究一、OFDM技术的发展史在上个世

37、纪60年代初，就已提出了平行数据传输和频分复用(FDM)的概念。1970年以后，由于OFDM各个子载波之间相互正交，且采用FFT实现这种调制这项技术，最初是主要用于军事通信系统，但在实际中很多因素限制使得OFDM技术实现得到制约。在二十世纪80年代，大规模集成电路打破了很多限制因素，一些其它困难也逐步解决，自此OFDM逐步奔向高速数字移动通信的广阔天空，走上了通信大舞台，。 20世纪70年代,有人简化了系统结构使得OFDM技术得以应用，因为他提出了采用DFT/IDFT来实现多个载波的调制,。 80年代后，OFDM的调制技术仍然热门。进入90年代以后，OFDM的应用包括利用F

38、M和SSB信道进行高速数据通信、陆地移动通信、HDSL、ADSL、VHDSL、数字声广播（DAB）及陆地广播和高清晰度数字电视（HDTV）等各种通信系统10。 近年来DSP技术超速发展，而高速高性能DSP芯片诞生，移动通信技术从基于FDMA的模拟技术过渡到基于TDMA和CDMA的数字技术。第三代移动通信系统可以提供更宽频带和高速数据传输，但3G仍无法满足多媒体通信的要求，在人们对传输速率要求日益迫切的要求下，于是4G研究应运而生。  它以OFDM、MIMO技术为代表来对抗无线信道对信号的干扰提高信号传输速率。OFDM技术的特点具有良好抗噪能力和抗多信道干扰能力，还

39、有网络结构高度可扩展的性能，可以提供比目前无线数据速率高、时延小的服务，而且性价比极高，能为4G无线网提供更好的方案。综上OFDM技术发挥了不可估量的作用。二、OFDM的基本原理传统传输系统中，是由N个频率子信道构成了整个信号频段，这几个信道是相互间不重叠的。这每个子信道能独立地传输调制符号，然后再将这N个子信道进行FDM,很明显这样的信道不能有效利用频。正交频分复用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是采用的一种多载波的传输方式。常规FDM与OFDM的信道分配情况，如图3.1。可直接看出， OFDM技术很大程度上节约了频谱资源，约二

40、分之一。这对系统来说无疑是一个大大的优势。图 3.1 常规频分复用与OFDM的信道分配OFDM的实质是将信道分成N个正交子信道，把信号调制到每个子信道上再进行传输之前需要将高速数据信号转换成并行的低速子数据流。要减少子信道间互干扰，就要用正交信号在接收端分开。如下图3.2，信道的相关带宽大于子信道上信号带宽，因此可以把每个子信道上信号看成平坦性衰落从而消除了符号干扰。图 3.2 OFDM基本原理OFDM中采用的多载波调制技术相比于单载波调制方式来说，它主要具有抗无线信道时间弥散的特性。多径效应会对数字信号产生时延展宽使接收信号中前后码元交叠，形成的判决失误最终会影响传输质量（当码元速率较高的情

41、况下更为明显），无线信道传输速率受限的主要原因是时间弥散11。频率选择性衰落会影响一定数量的子载波，因此多载波对频率选择性衰落在某一时刻抗力很强。 OFDM相比其它多载波调制系统实现简易比如更容易消除符号间干扰。OFDM的调制和解调是利用快速傅立叶反变换和快速傅立叶变换来实现的，调制解调过程如图3.3所示。图 3.3 调制解调过程OFDM的调制解调流程如下：发射机在发射数据流时，利用正交的多个子载波进行数据传输，把高速串行数据转为低速并行数据；各个子载波使用独立的调制器和解调器；各个子载波之间要求完全正交、各个子载波收发完全同步；发/接收机要精确地保证同频、同步，准确进行位置采样；在

42、解调器的后端的接收机同步采样再获取数据，最后转为高速串行。第二节 MIMO技术的研究一、MIMO基本概念多天线技术是移动通信领域中无线传输技术的重大突破性技术之一。通常而言，多径效应对系统而言是有害的，然而，多天线技术却能将多径效应作为一个有利因素加以利用。多输入多输出MIMO (Multiple Input Multiple output)技术简单来说，就是指在发接端采用多个天线，为充分利用空间资源通过空时技术实现分集或复用增益来提高频谱利用率12。 MIMO技术主要是为了产生更高空间分集增益，空间分集增益越大无线信道就更稳定，这样就会大大降低误码率和提升系统容量。二、MIMO基本原理下行M

43、IMO技术多为2×2天线配置是为了实现系统中的高速率和高容量。下行MIMO技术主要分为3类，空间复用、空间分集、及波束成形。而上行MIMO技术仅包括空间分集和空间复用，基本天线配置为1×2（即一发二收天线）。由于终端复杂度目前对于上行链路不支持一个终端同时使用2根天线发送，所以只考虑单一上行传输链路。所以说在当前阶段上行链路仅支持两种方案，为上行天线选择和多用户MIMO。（一）空间复用其主要原理是：利用弱相关性来提高峰值速率，在N个互独立的空间信道上传输不同的数据流。LTE系统中空间复用技术有2种，为开环空间复用和闭环空间复用。MIMO空间复用原理图如图3.4所示。图3.4

44、 MIMO系统空间复用原理图（二）空间分集空间分集技术是利用多个收发天线来实现的，由于有多个收发天线，就可以很好的对抗信道传输中的衰落。空间分集可分三种，为发射分集、接收分集和接收发射分集。 发射分集是指在发射端利用多幅发射天线来发射信息的一种分集方式，通过对不同的天线所发射的信号进行编码，从而实现空间分集，这样接收端就可以比单独天线获得的信噪比高很多。其中发射分集包含三种，有空时发射分集、空频发射分集和循环延迟分集13。 接收分集是指多个天线同时接收来自多个不同信道但承载同一信息的多个独立的信号拷贝。然而，在众多信号中，不可能使得众多信号同时处于深衰落，因此在任一给定的时刻，只要保证至少有一

45、个强度足够大的信号拷贝能及实时提供给接收机使用就可以了，所以提高了接收信噪比。接收分集原理图如下。 图 3.12 接收分集原理图（三）波束成形MIMO中的波束成形和智能天线系统中的波束成形很类似，首先，在发射端，将待发射的数据矢量进行加权，接着形成某种方向图后由接收端接收，紧接着，由接收端对接收信号进行上行波束成形抑制噪声和干扰14。与通常的智能天线有所区别，之前的下行波束成形只针对单个天线，现在需要针对多个天线进行波束成形。信号在用户方向上要得到加强需通过下行波束成形，而要使得用户具更强抗干扰和抗噪能力的话，需通过上行波束成形。类似于发射分集，我们可以利用额外波束成形增益来提高通信可靠性，当

46、然了也可以在同样可靠性下，利用高阶调制的方法进而提高数据率和频谱利用率。波束成形原理如图3.13。图 3.13 波束成形原理图（四）上行天线选择对于FDD模式来说，可分为开环和闭环方案。开环方案就是指UMTS系统中的时间切换传输分集，也就是对传输的数据在时间上的传输进行分集。上行的共享数据信道在天线间来回交替发送不仅实现了空间分集还可避免共享数据信道链路中的深衰落，这样在信道间的交替往复不但实现了空间分集还避免了衰落，这种衰落实质上是已经共享的数据信道链路中的深衰落。闭环天线的UE必须发射参考符号才能实现在信道链路中的传输，通过不同的天线传输这样才能在基站周围侧提前进行信道质量测试，基站选址也

47、是很重要是因为选址不对或者天线方向角不对都会引起通信链路信道上数据的传输速率，所以说基站选址能提供给更高接收信号功率的天线用在后续的共享数据信道传输链路上，被筛选的天线信息需通过下行控制信道进行信息反馈给目标UE， 当UE接收到由下行控制信道发出的的天线信息后它就可使用被选中的天线来实施上行共享数据信道传输了。就TDD模式而言，可利用上下行信道间的对称，从而上行天线选择就可以基于下行MIMO信道估计来实施。一般来讲，最好的天线选择准则可从提高传输质量和提高传输效率两方面入手，以最大化多天线所提供的分集来优化质量，以最大化多天线提供的容量来提高效率15。相比于传统的单天线传输，上行天线选择技术可

48、实现更多的分集增益，而且还能保持与单天线传输相同的复杂度。所以从本质上看，该技术增加反馈参考信号，可提升信道容量。（五）上行多用户MIMO对于LTE上行链路，在每个用户终端仅有单个天线的状况下，若把两个移动台（MS）合并发送，将这2个MS天线配成一对，它们之间收发信号共享配对的这两天线，在两个MS和基站（BS）之间相同的时/频资源构成一个虚拟MIMO系统来提高上行系统容量。LTE系统中用户间无法互通，因此这种方案必须由BS统一来调度。综上，MIMO传输方案的应用可以概括为下表。表3.14 MIMO传输方案应用传输类型秩信道相关移动速度数据速率快慢小区中所在位置发射分集(SFBC)1低高/中速移

49、动低小区边缘开环空间复用技术2/4 低高/中速移动中/低小区中心/边缘双流预编码2/4 低低速移动高小区中心多用户MIMO2/4 低低速移动高小区中心码本波束成形1 高低速移动低小区边缘非码本波束成形1高低速移动低小区边缘理论而言，虚拟MIMO技术可很大程度上提升系统吞吐量，但实际配对方法及如何有效为配对用户解决分配资源问题都会对系统的吞吐量产生极大影响。因此若要充分发挥虚拟MIMO技术的优势需在性能和复杂度间取得一个良好的折中。第三节 本章小结本章主要对LTE物理层的两大关键技术MIMO和OFDM技术进行了详尽的研究分析，重点对其基本原理进行了分析，针对MIMO技术的几种传输方案分析了各自的

50、优势，包括上行传输方案有上行天线选择和多用户MIMO，下行传输方案有空间复用、空间分集、及波束成形。第四章 MIMO和OFDM的系统第一节 MIMO系统模型研究分析一、LTE系统中的MIMO模型无线通信系统中有四种传输模型，为多输入多输出系统（MIMO）、单输入单输出系统（SISO）、多输入单输出系统（MISO）、单输入多输出系统（SIMO），如图4.1所示。图 4.1 典型传输模型示意图在每个无线通信系统中，天线都是用来在系统的最前端处理信号的。所以说，提高天线系统性能也就提高了整个系统增益。传统天线系统是从单发/单收天线（MISO），多收/单发（SISO）到单收/多发（SIMO）天线的阶段

51、逐步发展过来的。要想最大程度抵抗时变多径衰落影响，人们就要在信号传输过程中研究研发新的技术来改变这种衰落问题。这时候人们就慢慢找出新的方法来提高性能了比如采用时间和频率分集技术就能抵抗多径衰落，这主要是可以在传统SISO系统中抵抗这种衰落，但是在其他三种系统中是不能够被抵抗的，但是空间分集技术能在MISO、SIMO或MIMO系统中抵抗衰落。LTE系统中常用MIMO模型有下行单用户的模型和上行多用户的模型。SU-MIMO（下行单用户的模型）：指在同一时频单元上其中一个用户占用所有空间资源，这时预编码只是考虑单个收发链路性能，它的传输模型如下图4.2所示。图4.2 单用户MIMOMU-MIMO（上

52、行多用户的模型）：每个终端都只采用1根天线发射，但是若采用这种模型多个终端可以同时用相同时频资源块来上行链路同时传输，其中在系统的侧接收机上也可以对上行很多用户混合接收到的信号进行联合检测和监测，通过对上行的混合用户数据检测最后恢复出各用户的原发射信号。上行MU-MIMO可大幅度提高LTE系统上行频谱效率的同时不能同时提高上行单用户峰值的吞吐量，这也就是它的限制所在了。它的传输模型,如图4.3。图 4.3 多用户MIMO二、MIMO系统的优缺点(一)MIMO技术的优点MIMO技术能提高系统资源，增加无线系统的周围覆盖率。 MIMO技术允许多个天线同时发收N个空间流，还能精确区分接收和发送信号的

53、空间方位。在发收端采用多天线可显著克服信道衰落和降低误码率。总之可利用MIMO信道在不增加带宽和天线发送功率的情况下成倍提高无线信道容量。MIMO技术可提高信道的容量和信道的可靠性，同时降低误码率。（二）MIMO技术的缺点空间相关:空间特性才是MIMO技术性能的关键，有效性的并行子信道和可靠性的分集指数都与空间独立性息息相关，这种空间相关性导致的低秩和分集指数都时刻影响MIMO信道容量和误码率。空间干扰：我们要实现空时复用首先就要避免干扰，但空时复用最直接的影响就是会对空间进行干扰，这是我们所不希望出现的现象。若某系统中，无空间分集，这样的情况下恢复各发射天线等功率信号必会造成的判决性能的下降

54、，无空间分集会造成判决性能的下降也是我们所不希望出现的，因此接收端的干扰消除算法也很重要，可以保证在这些不可避免出现的情况下还能够保证系统性能。第二节 OFDM系统模型研究分析一、OFDM系统的基本原理MC与FDM基本思想一致都是采用多个载波信号，就是把将要传输的数据流分结成N多个比特流再用数据流去同时调制多个载波来实现FDM的。其中OFDM技术实质就是把高速率信源信息通过串并变换把其变换成低速率的N路并行数据流，这样祭坛数据是并行传输的就可以实现FDM使得通信链路不受干扰，然后用N多个相互正交的载波进行多载波调制，将N路调制后的信号相加这样就得到了发射信号。OFDM系统中的调制方程表示为：

55、,OFDM的基本原理，如图4.4。 图4.4 OFDM的基本原理二、OFDM系统调制方案 MIMO-OFDM系统能在实际应用中灵活利用每个子信道传播情况来灵活地分配比特流和发送功率配比，这样就能最大限提高系统容量。而信道有随时间变化和频率选择性等特点，还应及时的对信道进行检测与监测，这样就能视情况来有效利用系统资源。自适应传输的根本思想就是据传输信号在信道中传输的实时情况，来改变各个无线子信道的一些参数设定如信息速率、发射功率大小和编码方式等参数以达到维持恒定误码率的效果。OFDM系统中自适应调制技术有BPSK，16QAM， QPSK，8PSK，64QAM等技术，每个单独子载波可据移动通信信道

56、的状况来选用不同的调制技术来进行调制，但其前提条件就是要得到最优频谱使用率、比特误码率16。前面已经提到了OFDM系统的多径信道的多径效应可致使接收信号功率降到30dB以下，SNR(信噪比)也会快速严重的下降。在系统中利用与SNR值相匹配的调制方法也可提高频谱利用率，然而考核无线信道的KPI指标就是系统的可靠性的检测，所以通常人们用BPSK或QPSK调制方式来进行调制，这样就可保证，在最坏的SNR条件下也是以频谱利用率低为代价的调制。三、OFDM系统的优缺点（一）OFDM系统的优点 OFDM系统在窄带宽时也能够发送出大量数据是和它的正交多载波特性分不开的一般系统在窄带时候是很难发送出大量数据信号的。 OFDM技术能连续监控传输介质上通信突变，虽说通信路径上传送数据的能力会随