LTE系统上行信道估计算法研究与实现【大学毕业论文】

1、硕士学位论文-LTE系统上行信道估计算法研究与实现 西安电子科技大学 硕士学位论文 LTE系统上行信道估计算法研究与实现 姓名：赵彦 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：任光亮 20090101 摘要 随着用户对各种多媒体业务需求的增加，3GPP提出了长期演进系统 Long Term 信道估计则是保证LTE系统传输质量，发挥其优越性的关键，因此本文将重点围 绕LTE系统的上行信道估计技术展开研究。 本文根据最新LTE协议，重点研究了基于导频的LTE系统上行信道估计算法。 衡和Turbo译码的迭代信道估计算法，并给出了系统仿真性能曲线。仿真表明，在 增加有限复杂度的条件下，Tur

2、bo译码迭代信道估计算法性能明显优于MIMO均 衡迭代信道估计算法，提高了信道估计值的精度，同时该算法能够有效地跟踪时 变信道，更适合应用于高速场景。此外，本文从实现的角度介绍了LTE上行信道 估计模块的算法实现流程，算法实现的DSP平台，以及相关的DSP优化，并给出 了优化后的结果。 关键词：第三代移动长期演进 单载波频分多址 信道估计 MIMO均衡 Turbo译码 Abstract Wlththeincreaseofdemandonthemultimedia has its services，3GPP proposed term of is most LTE long evolution

3、LTE systemThesignificantimprovementsystem thatit channel novelair-interface exact employsmany techniquesAccordingly estimation isthe tothe transmission andensuresthe technologykey high performance ofthe thisthesisis intheresearchonthechannel supedoritysystemSo engaged estimation forLTE technologyup,

4、ink to latestLTE channel the According specification,thepilot?-symbol?aided estimation forLTE areresearchedinthis basic algorithmsuplink thesisFirstly,two and channelestimationiS introducedBasedonan cdtedons，LSMMSE，for ofthe iterativeMIMO channelestimation criterions，an improvement equalization anda

5、nimrativeturbo feedbackchannelestimation are algorithm decoding algorithm averificationoftheir simulationresultsare proposedAs performance，the givenThe simulationresultsshowthattheiterativeturbo estimationhas decoding algorithmhigher limited Can followtime-variant increase，and accuracy谢1complexity e

6、ffectively channelsIt the ismore iterativeMIMO outperforms equalization algorithm，and in the of applicablehighspeedenvironmentsMoreover,from perspective ofthechannelestimationmoduleinLTE is implementation，theprocess uplink wellasthe ofthe introduced，asDSP forthe platformimplementation,theoptimizatio

7、n results platform，andoptimization Keyword：LTE SC-FDMAChannelEstimation MIMO TurboDecode Equalizing 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 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 的任何贡献均已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

8、之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 日期 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。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 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。 本人签名：蛆 日期 新躲鹏 日期专睁掣? 第一章绪论 第一章绪论 Term LTE Long 入技术，采用OFDM技术和MIMO技术11作为其无线网络演迸的唯一标准

9、。它改 善了小区边缘用户的性能，提高了小区容量和降低了系统延迟。 11LTE技术背景 3G技术的出现给移动通信带来了巨大的影响，它使上网冲浪、联网游戏、远 程办公等摆脱了场地和环境的束缚，实现了真正意义上的无所不在。但人们的需 求并没有就此停滞，在这种需求的推动下，3GPP提出了新的挑战，那就是在2007 大的挑战，也就是说必须在两年之内设计出750倍于当前系统传输速率的新技 术，并且具有很好的向下兼容性，以保护现有的投资，这一新的系统被称作E3G Term 或LTE LongEvolution 。 LTE是关于UTRA和UTRAN的演进，是对包括核心网在内的全网演进。它 包含了无线接口和无线

10、网络结构部分。LTE的两个核心目标：一方面提高吞吐量 和频谱利用率；另一方面是降低运营成本。空中接口物理层技术依旧是无线通信 系统的基础与标志，LTE系统物理层上行传输采用峰均比较低的单载波方案 SCFDMA技术，下行传输采用先进成熟的OFDMA技术。在网络结构方面，正在 考虑简化网络结构，以减少网络层次，降低数据传输时延和呼叫建立时间，满足 实时业务的需要。LTE的主要目标包括： 1 峰值速率：在20MHz的频谱带宽条件下，能够使下行峰值速率达100Mbps， 上行峰值速率达到50Mbps。 2 系统时延：用户面延g 单向 小于5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态迁 移时间小于50ms，从驻

11、留状态到激活状态的迁移时间小于lOOms。 R6 3 用户吞吐量：下行平均用户吞吐量达到3GPPHSDPA的34倍，上行平 均用户吞吐量达到3GPPR6的增强型上行链路的23倍。 4 频谱效率：下行频谱效率达到R6HSDPA的34倍，上行频谱效率达到增强 型上行链路的23倍。 5 覆盖范围：能够支持lOOkm半径的小区。 6 带宽配置：支持成对或非成对频谱分配，可灵活配置125MHz、25MHz、 5MHz、10MHz、15MHz、20MHz的多种带宽。 7 成本：尽可能降低用户和运营商的成本。 2 LTE系统上行信道估计算法研究与实现 从中可以看出，其目标与3G相比已经有了很大提高。主要体现

12、在高数据速率、 分组传送、灵活带宽和向下兼容性。此外，3GPP对演进型系统从系统性能要求、 网络的部署场景、网络架构、业务支持能力以及与现有各个系统的演进和互通关 系等方面进行了详细的讨论。下图给出了3GPPLTE项目发展时间表。 RAN#299月l923 RAN#273月9一11 日，东京 日，塔林 日，中国 通过工作计划 修订工作计划 修订工作计划 通过TR框架 通过RAN和CN的功 课题的假设条件 信 道结构，MIMO，信 第一阶段需求 能划分一包括RAN 和CN的研究路线 2005年 T 2006年 6 3月I4月I5月l6月I7月I8月f9月110月111月112月I1月l2月l3月

13、l4月l5月l RAN#301 1月3012 月2日，马耳他 RAN#325月316月 RAN#285月3031 修订工作计划 2日 日，魁北克 RAN结构的演进 通过TR概念 修订工作计划 无线接口协议结构 TR向工作课题转 通过TR需求 状态和状态转移 移的准备 未来演进路线需求 物理层 多址接入， 创建工作课题和制 宏分集是否必要， 定时间表 RF，测量 图113GPPLTE研究项目发展时间表 12信道估计研究现状 由于无线通信的不可靠性主要是由无线衰落信道的时变性和多径传播引起 的，因此，如何有效地对抗无线信道的这些传输缺陷是实现未来高速无线通信的 关键12。在LTE系统中，存在例如：

14、同步技术、信道估计、峰均比、编码以及分 集技术等诸多领域。本论文的主要研究是LTE系统中关键技术之一信道估计 技术。 信道估计是无线传输系统的关键技术之一，在接收端进行的均衡、检测、信 道质量测量和软译码等处理都需要信道估计中给出的信道传输系数。这些信道传 输系数的估计精度直接决定了系统接收机的性能。为了获得高精度和低复杂度的 实用信道估计方法，国内外开展了大量的研究，提出了大量信道估计方法【3114151。 已提出的方法大体上可以分为两类，一类是盲信道估计方法，另一类是在已有系 统的标准中应用最广泛的方法数据辅助的信道估计方法。盲估计不需要训练 序列，但需要利用数据传输的统计信息，相比基于数

15、据辅助的信道估计算法虽然 节省了带宽，但算法运算量太大，灵活性很差，在实时系统中应用受限。数据辅 助的信道估计方法中常用的算法有最小二乘估计 LS 【6】、最小均方误差准则 第一章绪论 MMSE 【7】18J和最大似然估计 ML 准则19】等算法。 目前一些关于信道估计的算法大多是在低速场景下研究的，低速场景下信道 变化较为缓慢，传统的算法大多能够较好地对抗慢衰落信道。但对于高速场景下， 由于信道时变性较强，传统的算法不能够有效地对抗信道的快衰落特性，因此， 如何提高信道估计在高速场景下的精度，是本文研究的出发点。 在一般的通信系统中，信道估计、均衡以及译码都是相对独立的处理单元， 先进行信道

16、补偿即信道估计，然后对补偿后的接收信号做均衡，之后再进行译码。 目前，随着MIMO均衡技术的广泛应用，以及有着良好性能的Turbo码的出现， 使我们能更充分地将信道估计、均衡、译码结合考虑。特别地，由于Turbo码自身 的迭代译码结构，使其具有很好的对抗衰落信道的特性，如果能够将其迭代译码 的思想应用到信道估计中，从理论上讲应该有助于我们提高信道估计的精度。这 为我们进一步研究高速场景下信道估计算法提供了很好的思路。 13本论文研究主要工作及内容安排 本文在前期项目研究的基础上，专门针对基于导频的LTE系统的上行信道估 计算法方面做了深入的研究，改进的算法解决了高速场景下信道估计性能不理想 的

17、缺点，并在此基础上介绍了实际应用中LTE上行信道估计算法采用DSP平台实 现的流程，DSP的相关优化，完成了相关代码优化工作，最后给出了优化结果。 本论文内容章节安排如下： 第一章绪论。本章介绍了LTE技术背景以及信道估计研究发展现状。 第二章LTE系统与关键技术。介绍了LTE帧结构，LTE发射机原理，以及现有的 LTE上下行采用的关键技术等。 第三章LTE系统上行信道估计算法。介绍了导频的选择和分类，对传统的LS准 的改进的LTE系统迭代信道估计算法研究，并给出不同调制以及不同多普勒频移 下的性能曲线仿真，根据仿真曲线得出了相应的结论。 第四章基于DSP的LTE系统信道估计算法实现。介绍了实

18、际应用的LTE系统上 行信道估计的实现流程，算法DSP实现平台，以及DSP相关优化，最后给出了信 道估计模块的优化结果。 第五章结束语。对本论文研究工作做了总结，并对后续如何在该领域深入研究进 行了探讨。 第二章LTE系统与关键技术 第二章LTE系统与关键技术 21 LTE系统帧结构与导频 3G技术主要是针对当前不断增长的语音业务设计的，它考虑了对语音业务的 良好支持，兼顾了低速率的数据业务。但由于技术限制和对未来业务的预测，3G 技术并不能全面支持高速率数据业务，也不能对时延低，速率高的流媒体业务提 供良好的支持。而将4G的技术提前引入现有的3G系统，利用4G技术对现有的 3G系统进行改进，

19、就成为现有条件下最理想的选择。LTE的研究工作主要集中在 物理层、空中接口协议和网络架构三个方面，本节将对LTE系统物理层方面作以 简单介绍。 211帧结构 目前的LTE物理层技术研究主要针对频分双工 FDD 和时分双工 TDD 两种双工模式。LTE协议【ll】旧分别给出FDD，TDD两种双工方式下的帧结构，本 课题是基于FDD双工方式，所以这里仅介绍FDD方式下的帧结构。 如图21所示，该类型帧结构适用于全双工FDD和半双工FDD模式。每个无 111s，编 线帧长霉 307200T。 10Ills，包含20个时隙，每个时隙长 15360互 05 号019。定义一个子帧包含2个连续的时隙，子帧

20、i包含第2f和第 2i+1 时隙。对 于FDD，在每一个10ms的间隔内，有10个子帧可被用作下行传输，也有10个 子帧可被用作上行传输，上行传输和下行传输在频率上是错开的；在半双工FDD 中，LIE不能同时进行传输和接收，但是在全双工FDD中则可以同时进行传输与 接收。 一个无线帧乃 307200xT, 10res 个时隧rD， 15360xT， o5ms +一。 臣三工三日一臣叵 一个子帧 图21FDD帧结构 6 LTE系统上行信道估计算法研究与实现 212参考信号设计 l、上行参考符号设计 计和信道质量 CQI 估计。根据LTE协议】，对于上行链路一个子帧中导频符 号与用户数据符号共有1

21、4个，记作013。其中第四个符号和第十一个符号为导频 信号 。 ：圜一导频 一个子帧 图22LTE上行子帧时隙结构 假定一个用户占用12个子载波，则其时频结构如图23所示： _l II 羞 F 簟 一 l 图23LTE时频二维结构示意图 其中深色为导频数据，其余的是用户数据。对接收到的导频先进行导频点处 信道估计，然后对得到的导频子载波上的信道传输系数进行降噪滤波、时域插值， 从而得到数据子载波上的信道估计值。由于LTE系统上行块状导频结构，且各子 载波上的导频参考序列由ZC Zadoff-Chu 序列产生，故其相邻子载波导频位置 处的参考序列相互正交。 2、下行参考符号设计 LTE系统利用导

22、频进行信道估计，LTE下行采用短CP的导频结构 没有特别 说明均默认为短CP的帧结构 ，导频子载波用于传输导频信息；数据子载波用于 传输数据；其中有一个直流偏置DC子载波位置，不传任何数据。时域上每个时隙 包含7个OFDM符号，其中两个符号放置导频 第一个和倒数第三个 ；从频域看， 第二章LTE系统与关键技术 7 每个符号从左保护边带后 保护边带不传任何信息 的第二个子载波开始，每6 个子载波放置一个导频，两个导频子载波之间有5个子载波，倒数第三个符号从 左保护边带后第五个子载波开始，每6个子载波放置一个导频，两个导频子载波 之间有5个子载波。第一个符号上的导频子载波位置与倒数第三个符号上的导

23、频 子载波位置正好交叉错开。另外，由于DC 直流偏置 子载波不传输任何信息， 导频和数据的放置在碰到DC都后移一个子载波，即DC两边的两个导频之间有6 个子载波。 22LTE上行关键技术 SCFDMA叫做单载波频分多址【121，是相对于OFDMA提出的一种多址方案。 由于OFDM的时域信号是若干平行随机信号之和，因而容易导致高峰均比。而基 站端的功率限制相对较小，可以采用较为昂贵的功率放大器，所以在下行链路中， 高峰均比不会带来太大的问题。然而，在上行链路中，由于用户终端的功率放大 器要求低成本，并且电池的容量有限，因而高PAPR会将降低UE的功率利用率， 减小上行的有效覆盖【l引。为避免OF

24、DM上述缺点，因此LTE系统上行链路选择采 用峰均比比较低的单载波调制技术，即：SCFDMA技术。 221发射机结构 LTE系统上行基带发射机结构框图： 图24LTE系统上行基带发射机结构图 上述框图简单描述了上行链路基带发射的过程，有几点作以下说明： 1 信道复用指各种信道和信号在时域和频域上的复用，sounding在第一个符号， LTE系统上行信道估计算法研究与实现 任何用户发送sounding时，第一个符号不发送数据，否则第一个符号发送数据。 2 参考信号包括用于物理上行共享信道和物理上行控制信道解调的参考信号与 sounding的参考信号。 3 除RACH信道的SCFDMA符号生成不同

25、外，其它信道信号的生成都一样。 222 SCFDMA上行链路传输 4。， 了功放的效率和增加了小区的覆盖面积，这是选择SCFDMA作为LTE上行多址 方案的重要原因。上行传输方案采用带循环前缀CP的SCFDMA，使用DFT获得 频域信号，然后插入零符号进行扩展，扩展信号再通过IFFT。这个过程简写为 它将传输带宽分为正交的子载波集合，并将不同的子载波集合分配给不同的用户， 实现传输带宽可以灵活地在多用户之间共享，同时由于信号在频域的正交性，避 免了系统中用户间的多址干扰f151。其原理如图25所示。 彳 比特流 由 星座IX 1山 7马 输入比特流f并 映射广一 M点_2一 N点 加循环 并串

26、 1转 fM 册盯 转换 Dflr 前缀 换 器 器 行批特流 脚 星座lx M?l，11 r 映射I M-! 图25DFT-S?OFDM原理图 对DFT-SOFDM来说，首先对M个调制符号的数据块进行了M点的DFT， 然后DFT将调制符号变换到频域上，映射到可用的子载波上，再进行N N M 点IFFT变换，接着进行加循环前缀和并串变换。在一个SCFDMA信号中，每一 个子载波承载了所有发送调制符号的信息，这是因为输入的数据流被DFT变换映 射到了所有的可用子载波上。不同的是，在OFDMA信号中每个子载波只承载了 特定调制符号的信息。子载波映射决定了哪一部分频谱资源被用来传输上行数据， 而其他

27、部分则被插入若干个零值。通常频谱资源的映射方式有两种方式【14】：一种 是集中式映射，即DFT的输出映射到连续的子载波上；另一个是分布式映射，即 第二章LTE系统与关键技术 9 DFT的输出映射到离散的子载波上，如图26所示。对于不同用户而言，相对于前 者，分布式映射可以获得额外的频率分集，但其缺点在于对频率偏移以及高多普 勒现象更加敏感。 ToIFFT FromD - 卜 图26集中式和分布式子载波映射示意图 在LTE上行链路中，由于传输信号受到信道的影响，导致接收到的信号在相位 和幅度上产生畸变，其中产生畸变的主要的原因是无线信道中的多径衰落和多谱 勒频移。接收端一般采用差分解调和非差分解

28、调 相干检测 这两种方法来消除 这类影响。如果采用差分检测则是不需要信道估计的，而且可以降低系统的复杂 性和导频的数量，但是要求信道有较高的信噪比。而大多数的无线通信系统对频 偏比较敏感，接收机一般采用相干检测。相干检测是通过信道均衡技术消除信道 干扰，需要信道估计，性能良好的信道估计是提高系统性能的关键。特别地，在 高速移动的通信系统中，无线信道的时变特性非常突出，即使相邻的信息符号所 对应的信道特性都会有所变化，所以如何有效地跟踪时变信道，对时变信道进行 准确的信道估计在LTE系统中显得尤为重要。 23LTE下行关键技术 231 OFDMA概述 传统的正交频分复用 OFDM 06】技术基本

29、思想是把高速率的信源信息流变 换成N路低速率的并行数据流，然后用N个相互正交的载波进行调制，将N路调 制后的信号相加即得发射信号。由于每个子信道中的符号周期会相对增加，因此 可以减小无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性。通过插入循环前缀，满 足一定条件就可最大限度地消除由多径引起的符号间干扰，提高了抗多径衰落方 面的性能。 lO LTE系统上行信道估计算法研究与实现 OFDMA技术【l7J是为了将OFDM技术从定点接取无线系统扩展为具有行动能 力的真正蜂巢式系统而开发的。其底层技术是相同的，更多灵活性是通过系统工 作定义所实现。在LTE下行链路中，协议采用基于传统OFDM技术的OFDMA技

30、 术，它是将OFDM和FDMA技术结合形成的最常见的OFDM多址技术，它分为 成若干子信道，每个子信道包括若干子载波，分配给一个用户 也可以一个用户 占用多个子信道 。与OFDM不同的是，OFDMA允许多个用户同时在可用的带宽 上进行数据传输。每个用户分配一块特定的时频资源块。OFDMA方案可以看做将 总资源 时间，带宽 在频率上进行分割。从而实现多用户接入，是一种以频率 来区分用户的多址接入方式。 232 OFDMA下行链路传输 l、下行的资源分配 下行的资源分配单位为资源块，当子载波间隔为15KHz时，一个物理资源块 在频域上包括12个子载波，当子载波间隔为75KHz时包括24个子载波。在

31、时域 上包括碟6个OFDM符号，这里雌6指的是每个时隙的OFDM符号个数。资源 块的大小对于所有带宽都是相等的，资源块数目取决于带宽大小【111。 下行一个时隙 I J L 翻 一个资源块中 -7 载波的个数 1 r I I I I I I l 下行OFDM符号 图27LTE下行资源结构图 根据要求的数据速率，每个用户在每隔lms的传输间隔内被分配一个或多个 资源块，资源调度由eNodeB来做。用户数据在物理下行共享信道 PDSCH 上 第二章LTE系统与关键技术 进行传输，控制信息在物理下行控制信道上传输 PDCCH ，用来传输对各个用户 的调度信息。 2、下行共享信道的信号生成过程： 图2

32、8下行共享信道信号生成过程 CRC 循环冗余校验 用于对传输块进行检错，数据共享信道中其长度为24； 分段是由于其编码的信息比特太长，超过了编码器的要求，故需要分成几段进行 编码；速率匹配是在Turbo码或卷积码的基础上进行适当的修改，以适应LTE高 数据速率的需要：LTE系统中信道编码大多采用的是Turbo码；相对于前面的分段 编码而言，级联就是把分段并编码完成的码块再连接起来；信道交织目的是为了 把突发错误随机化，最后产生基带信号【18】。 24本章小结 本章主要介绍了LTE系统物理层相关概念，根据目前LTE协议的规定，重点 介绍了本课题基于FDD的帧结构类型。介绍了上下行参考符号，重点介

33、绍了LTE 上行关键技术，即：Sc-_FDMA技术，包括发射机的原理，上行链路的传输方案： 传输介绍。为我们进一步理解LTE的基本原理以及后续章节对LTE系统信道估计 技术的研究奠定了扎实的理论基础。 第三章LTE系统上行信道估计算法 第三章LTE系统上行信道估计算法 对于LTE系统上行链路而言，采用的是单载波SCFDMA技术和块状导频结构。 因此，在eNodeB端在进行信道估计的时候，只需要对估计出的信道响应在时域进 行平均或插值来获得整个帧面的信道响应值，而不需要对频域进行插值，因而实 现起来比较简单。但其弊端是对于高速场景下的信道估计精度不够，这主要是由 于导频排放模式所导致。如何就当前

34、LTE上行链路在高速场景下和增加有限复杂度 的条件下，能够有效的对抗信道的时变性，提高信道估计的准确度，从而达到提 升整个系统性能的目的，这是本章研究的重点。 31信道估计算法 信道估计就是估计从发送天线到接收天线之间的无线信道的频率响应。它的 任务就是根据接收到的经信道影响在幅度和相位上产生了畸变并叠加了高斯白噪 声的接收序列来准确识别出信道的时域或者频域的传输特性，即：估计出每个子 载波上的频率响应。传统信道估计准则大致分为：最小平方准则 LS ，最小均方误 差准N MMSE 等【19】【201。 目前关于信道估计的算法很多【2l】【24】，根据在时域还是频域实现，可以分为是 时域信道估计

35、算法和频域信道估计算法两大类；根据是否使用辅助数据又可以分 为导频辅助的估计算法【25】【26】【2刀和盲估计算法【28291。基于子空间和高阶统计量等盲 估计算法，不需要发送训练序列从而提高了系统的频谱效率。但为了进行可靠估 计，接收端必须接收到足够多的数据符号，因此产生很大运算量和处理延时。由 于信道的时变特性，灵活性差等因素导致其在实时系统的应用中受到限制。导频 辅助的估计算法通过在时域和频域插入导频，定期或不定期地发送一定的训练序 列来训练接收机的信道估计器。先对导频位置进行估计，再进行插值处理得到全 部信道响应值。对导频子载波上的估计方法有最小平方估计 LS 、最小均方误差估 计 MMSE 、最大似然估计 MLE 等方法。插值方法中二维维纳滤波器是最小均方 意义上的最佳滤波器【30】【3l】，它最大限度地抑制了ICI和高斯白噪声，但缺点在于算 法复杂度过高和对存储空间要求太高。对它的改进算法有： 1 分离滤波器法，即 将二维滤波器分解成级联的两个一维滤波器。但复杂度仍然相对较高； 2 变换域 法。目前这种算法主要分为基于奇异值分解的估计算法【32】和基于离散傅里叶变换 DFT 的估计算法【331134】【351。对于辅助信息信道估计算法，虽然导频占用了一定的信 息比特，造成带宽和功率的损