【正文】 LTE中上行SCFDMA技術(shù)性能分析與仿真畢業(yè)論文目 錄前 言 1第一章 LTE技術(shù)的簡單介紹 2第一節(jié) LTE技術(shù)的發(fā)展背景 2一、UMTS長期演進(jìn)的背景 2二、LTE的需求和目標(biāo) 3三、LTE項目時間 4第二節(jié) LTE上行多址技術(shù)的研究現(xiàn)狀 4第三節(jié) 本文主要研究內(nèi)容以及結(jié)構(gòu) 5第四節(jié) 本章小結(jié) 6第二章 單載波頻域均衡（SCFDE）技術(shù) 7第一節(jié) OFDM技術(shù) 7一、OFDM技術(shù)的發(fā)展 7二、OFDM技術(shù)的基本原理 7三、OFDM的優(yōu)缺點 9四、OFDM的參數(shù)設(shè)置 10第二節(jié) OFDM與SCFDE的比較 12一、SCFDE技術(shù)的基本原理 12二、OFDM與SCFDE的對偶性 13三、OFDM與SCFDE的同異 14第三節(jié) 均衡技術(shù) 15第四節(jié) SCFDE的幀結(jié)構(gòu) 16第五節(jié) 本章小結(jié) 17第三章 單載波頻分多址（SCFDMA）技術(shù) 19第一節(jié) PUSCH信道的簡單介紹 19一、LTE上下行信道的簡單介紹 19二、PUSCH的產(chǎn)生框圖 19三、PUSCH發(fā)送端的流程 21第二節(jié) SCFDMA的基本原理 22第三節(jié) 子載波映射方式 24第四節(jié) SCFDMA的幀結(jié)構(gòu) 26一、FDD LTE上行幀結(jié)構(gòu) 26二、SCFDMA幀結(jié)構(gòu) 27第五節(jié) 集中式與分布式子載波映射的性能比較 28第六節(jié) 本章小結(jié) 34第四章 SCFDMA的PAPR仿真 35第一節(jié) PAPR（峰均比）的定義 35一、PAPR的定義 35二、PAPR的衡量標(biāo)準(zhǔn) 36三、PAPR與功率效率的關(guān)系 36第二節(jié) SCFDMA的PAPR分析 36第三節(jié) SCFDMA與OFDM的PAPR仿真分析 38第四節(jié) 本章小結(jié) 44結(jié) 論 46致 謝 48參考文獻(xiàn) 49前 言LTE（即Long Term Evolution，長期演進(jìn)計劃）也就是我們所說的準(zhǔn)第四代移動通信技術(shù)，它是介于3G與4G之間的一個過渡技術(shù)。LTE通過采用OFDM，MIMO，SCFDMA等多種技術(shù)手段，進(jìn)而得以大幅度提高移動通信網(wǎng)絡(luò)的整體效率與能力。同時也必須看到，LTE也是基于GSM與CDMA的共同演進(jìn)，LTE的標(biāo)準(zhǔn)化是由3GPP組織主導(dǎo)完成的，3GPP發(fā)布的TS36系列版本標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議使得LTE標(biāo)準(zhǔn)體系得到進(jìn)一步的完善與發(fā)展。3GPP Release 8標(biāo)準(zhǔn)版本，簡稱R8標(biāo)準(zhǔn)版本，在2008年得到批準(zhǔn)與審核，而后發(fā)布的R9（Release 9）版本則是對LTE R8版本的一個補(bǔ)充[1]。LTE是現(xiàn)有3G移動通信技術(shù)在4G應(yīng)用前的一個最終版本，它采用了很多原計劃用于4G的技術(shù)新技術(shù)如OFDM、MIMO等，所以在一定程度上可以說LTE是4G技術(shù)在3G頻段上的一種應(yīng)用。LTE和現(xiàn)有的3G及3G+技術(shù)相比，它除了具有技術(shù)上的優(yōu)越性之外，同時也提供了更加接近4G的一個舞臺，使得移動通信向未來4G的演進(jìn)相對比較平滑，然而LTE也是現(xiàn)有3G技術(shù)向4G演進(jìn)的必由之路。同時也必須看到，LTE在與WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)，即全球微波互聯(lián)接入，的競爭中產(chǎn)生，那么它在未來也將在與WiMAX的競爭中不斷地向前發(fā)展，可以斷言這種競爭的強(qiáng)度還會不斷地加大力度。目前，（移動寬帶無線接入的標(biāo)準(zhǔn)），也正在積極申請加入3G標(biāo)準(zhǔn)，以此期望獲得全球統(tǒng)一的頻率使用權(quán)。在未來的移動通信市場中，WiMAX技術(shù)將會是LTE的一個強(qiáng)勁的競爭對手，LTE將會在和WiMAX技術(shù)的激烈競爭中逐步發(fā)展壯大。LTE的性能也是顯著的，在20MHZ頻譜寬帶下，能夠提供下行326Mbit/s與上行86Mbit/s的峰值速率，并且改善了小區(qū)邊緣用戶的性能，提高了小區(qū)的容量，降低了系統(tǒng)延遲?？梢哉fLTE是對3G很大的一種改進(jìn)，同時LTE還支持移動高清電視和互動游戲等業(yè)務(wù)，更高的寬帶也預(yù)示著移動多媒體時代的到來。LTE的接入網(wǎng)不但能夠提高對新的物理層傳輸技術(shù)的支持，而且還帶來網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)維過程中的低時延，低復(fù)雜度，低成本等等好處。這是原有的3G網(wǎng)絡(luò)所無法滿足的要求，然而通過LTE的調(diào)整和演進(jìn)，使得需求得到滿足。LTE在接入網(wǎng)這一塊采用了扁平化的IP架構(gòu)，適應(yīng)了更多業(yè)務(wù)的訴求。第一章 LTE技術(shù)的簡單介紹第1節(jié) LTE技術(shù)的發(fā)展背景一、UMTS長期演進(jìn)的背景19世紀(jì)末期，赫茲發(fā)明了無線電。而在1897年，距離為18海里（33km）。這一事件標(biāo)志著移動通信的開創(chuàng)。從20世紀(jì)七十年代后期開始，蜂窩網(wǎng)便正式開放供公眾使用，全世界的移動通信總數(shù)開始持續(xù)高速增長。人們都期盼著使用新的無線通信方法和手段，這就極大地促進(jìn)了移動通信在數(shù)字化和設(shè)備制造技術(shù)方面的快速進(jìn)步，移動通信正朝著小型化，高集成化，更可靠，低成本方向發(fā)展。到目前為止，UMTS（Universal Mobile Tele System，即通用移動通信系統(tǒng) ）共經(jīng)歷了3個發(fā)展階段[2]：第一階段：模擬語音——第一代模擬通信（1G）。第一代移動通信采用的是模擬技術(shù)和頻分多址等技術(shù)。第一代移動通信有多種制式，我國主要采用的是TACS。第一代移動通信由于受到傳輸帶寬的限制，僅屬于一種區(qū)域性的移動通信系統(tǒng)，所以不能進(jìn)行移動通信的長途漫游。第一代移動通信有很多不足之處也比較多，如通話質(zhì)量不高、保密性差、制式太多、互不兼容、容量有限、不能提供自動漫游和不能提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等。第二階段：數(shù)據(jù)語音——第二代移動通信（2G）。第二代移動通信主要采用的是數(shù)字化的時分多址（TDMA）技術(shù)和碼分多址（CDMA）技術(shù)，具有標(biāo)準(zhǔn)化程度高，提供豐富的業(yè)務(wù)，能頻譜利用率高，保密性強(qiáng)等優(yōu)點，這就使得移動通信得到了前所未有的發(fā)展。我國應(yīng)用的第二代蜂窩系統(tǒng)為GSM系統(tǒng)（俗稱G網(wǎng)）和窄帶CDMA系統(tǒng)（俗稱C網(wǎng)）。第二代移動通信系統(tǒng)的提供的主要業(yè)務(wù)有：語音業(yè)務(wù)及低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。它彌補(bǔ)了第一代模擬移動通信系統(tǒng)的不足之處，在語音質(zhì)量、保密性能等方面得到大幅度的提高，并可以進(jìn)行自動漫游。不過由于第二代移動通信系統(tǒng)帶寬有限，限制了大流量高速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的應(yīng)用，因此無法實現(xiàn)高速率的業(yè)務(wù)，例如移動的多媒體業(yè)務(wù)。第三階段：數(shù)字語音+數(shù)據(jù)——第三代移動通信（3G）。3G系統(tǒng)的三大主流無線接口標(biāo)準(zhǔn)由國際電信聯(lián)盟（ITU）于2000年5月正式確定，包含由中國主導(dǎo)的TDSCDMA、美國的CDMA2000和歐洲的WCDMA三種制式。與第二代移動通信系統(tǒng)相比，第三代移動通信系統(tǒng)能提供更大的系統(tǒng)容量、更好的通信質(zhì)量，而且要能在全球范圍內(nèi)更好地實現(xiàn)無縫漫游，并為能夠提供融合視頻、數(shù)據(jù)和語音等豐富的多媒體業(yè)務(wù)。隨著3G技術(shù)在全球范圍內(nèi)的推廣與應(yīng)用，帶來了前所未有的移動數(shù)據(jù)支持，但是，3G并非完美。伴隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，商用、民用的移動通信業(yè)務(wù)需求和范圍都在日益地膨脹，對于移動通信系統(tǒng)也提出了更高的要求。用戶不僅僅對語音質(zhì)量以及數(shù)據(jù)速率都有更高的要求，而且還要求移動通信系統(tǒng)提供更高的多媒體服務(wù)，然而這些要求已經(jīng)超出了現(xiàn)有3G網(wǎng)絡(luò)的承載能力。尋求一種新的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)支持的移動通信標(biāo)準(zhǔn)勢在必行。因此，3G建網(wǎng)運(yùn)營，與此同時，ITU也提出了移動通信系統(tǒng)的進(jìn)一步演進(jìn)計劃，以滿足新的移動通信業(yè)務(wù)需求。2003年，由ITU主持的B3G(Beyond Third Generation，即超3G)標(biāo)準(zhǔn)化開始實施。2005年10月，ITU將B3G正式命名為IMTAdvanced。2008年3月，ITU向全球發(fā)出了征集IMTA技術(shù)的通函，征集工作也于2009年底截止。2010年年底，完成了后續(xù)的針對標(biāo)準(zhǔn)版本的評估與新增工作，[3]。LTE延續(xù)了3GPP中GSM和UMTS家族的技術(shù)演進(jìn)，目的是為了應(yīng)對寬帶接入的挑戰(zhàn)，同時滿足新型業(yè)務(wù)的需求。第三代合作伙伴計劃（3GPP）在2004年年底啟動了長期演進(jìn)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。LTE的獲益源于HSPA以及HSPA+的技術(shù)發(fā)展和最新的理解。LTE采用了先進(jìn)的技術(shù)，具有很好的后向兼容性，同時載波帶寬等限制因素也不需要再考慮，但是必須考慮到LTE對于頻譜靈活性的要求。在系統(tǒng)整體框架上，與LTE相應(yīng)的SAE（System Architecture Evolved，即系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)）項目推出了嶄新的EPS（Evolved Packet System，即演進(jìn)分組系統(tǒng)）。雖然LTE系統(tǒng)可以部署于3G（IMT2000）的現(xiàn)有頻譜上，但是不管是網(wǎng)絡(luò)層面，還是在終端方面都要進(jìn)行重大的改革與更近。二、LTE的需求和目標(biāo)2004年在雅典的會議上，3GPP確定了一個LTE項目的總體目標(biāo)。這個總體目標(biāo)就是高速率、低時延和數(shù)據(jù)包優(yōu)化的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。LTE的相關(guān)需求指標(biāo)可以概括如下：（1） ~20MHz的帶寬配置，支持對稱和不對稱的頻譜分配。，，5兆赫茲，10兆赫茲，15兆赫茲和20兆赫茲的帶寬配置。繼而在技術(shù)上使得LTE系統(tǒng)具有優(yōu)異的后向兼容能力。（2） 在系統(tǒng)性能方面[4]：①實現(xiàn)峰值數(shù)據(jù)率上行50Mbps，下行100Mbps。頻譜效率達(dá)到3GPP R6的2~4倍。②低時延：用戶面延遲（單面）小于5ms，控制面延遲小于100ms。（3） 提高小區(qū)邊緣的比特率，增強(qiáng)LTE系統(tǒng)的覆蓋性能，保證業(yè)務(wù)的一致性。（4） 實現(xiàn)現(xiàn)有帶寬和新增頻帶的更加靈活的使用。（5） 簡化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，縮減建網(wǎng)成本。（6） 無縫移動性要求，能夠在不同的接入網(wǎng)技術(shù)中使用。（7） 實現(xiàn)MT（移動終端）的合理功耗。與現(xiàn)有系統(tǒng)相比，提高LTE系統(tǒng)性能是網(wǎng)路運(yùn)營商的主要訴求，以確保LTE的競爭力。三、LTE項目時間對LTE系統(tǒng)需求的研究，早自2004年年底就已經(jīng)通過研討會（Workshop）的方式開始了，這可以看做LTE項目的開始時間。2005年4月，RAN1最先發(fā)起了針對LTE的正式技術(shù)學(xué)術(shù)討論。由于WiMAX在標(biāo)準(zhǔn)化上領(lǐng)先，LTE制定了相當(dāng)激進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)化時間表，整個標(biāo)準(zhǔn)化時間被壓縮到兩年半的時間內(nèi)完成。但即使火力全開，整個計劃還是需要更多的時間醞釀，最終原定于2006年6月完工的LTE研究階段（SI Study Item）還是不得不推遲了三個月。而工作階段（WI Work Item）本應(yīng)該在2007年6月完工，最終也超期了，遲到了半年，到2008年底才完成。盡管如此，學(xué)界對LTE的研究也如同雨后春筍般，蓬勃發(fā)展。從RAN1文稿數(shù)量可見一斑，可以看出自2005后，研究著作大批涌現(xiàn)。 RAN1文稿數(shù)年份20002001200220032004200520062007RAN1文稿數(shù)目14981354144114401535162636245116第2節(jié) LTE上行多址技術(shù)的研究現(xiàn)狀在3GPP LTE標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程中，北電、諾基亞等公司都提交了自己的若干多址方案。其中包括，MCWCDMA（MulticarrierWideband Code Division Multiple Access，即多載波寬帶碼分多址），MCTDSCDMA（MulticarrierTime DivisionSynchronous Code Division Multiple Access，即多載波時分同步碼分多址），OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，即正交頻分多址），IFDMA（交織頻分多址）以及DFTSOFDM（基于傅里葉變化擴(kuò)展的頻分復(fù)用）[5]。為了達(dá)到預(yù)期的LTE系統(tǒng)性能目標(biāo)必須在上述的技術(shù)中做出選擇，才得以在復(fù)雜合理的情況下，提供更高的數(shù)據(jù)速率以及頻譜的利用率。而在上行鏈路中需要跟多的考慮的就是終端的處理能力以及它的功耗。所以在性能、設(shè)計復(fù)雜度以及PARA上都需要考慮。由于采用了多載波頻分復(fù)用技術(shù)的OFDMA具有能支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點，同時它還可以克服多徑效應(yīng)，提高了系統(tǒng)性能及頻譜利用率。因此在下行信道選擇了OFDMA技術(shù)，而在上行鏈路上，OFDMA也成為了備選方案。在LTE系統(tǒng)設(shè)計的角度上，很多方面上行鏈路都有別于下行鏈路。設(shè)計的初衷就在于，移動終端的能量是有限的，必須在UE（User Equipment，即用戶設(shè)備）功耗上更多考慮。下行鏈路采取了OFDM調(diào)制技術(shù)，帶來則是高峰均值比（PARA）和效率的降低等問題，當(dāng)然由于下行鏈路是由基站功能，在功耗上是沒有必要太多考慮的，而在上行鏈路上OFDM勢必是不行的。最終LTE系統(tǒng)選定SCFDMA技術(shù)作為上行鏈路的方案?？v觀LTE上行物理層，可以發(fā)現(xiàn)與下行也有很多類似的地方。LTE上行物理層面臨一些問題與挑戰(zhàn)，： LTE上行物理層的問題與挑戰(zhàn)①充分利用最大20MHz的寬帶信道帶來的頻率分集增益，低速率數(shù)據(jù)傳輸也可以滿足這一條件；②頻率選擇性調(diào)度的支持；③支持先進(jìn)多天線技術(shù)，增強(qiáng)上行鏈路的容量；④足夠的低峰均值比的上行發(fā)射波形，繼而避免給終端放大器設(shè)計帶來的麻煩；⑤支持更大范圍數(shù)據(jù)速率的靈活性，并能夠根據(jù)信干噪比自適應(yīng)調(diào)整數(shù)據(jù)速率；⑥不同終端需要發(fā)射正交的上行信號以獲取最小的小區(qū)干擾和最大的系統(tǒng)容量。第3節(jié) 本文主要研究內(nèi)容以及結(jié)構(gòu)本文通過前兩節(jié)對LTE的發(fā)展背景，以及LTE上行多址的演技現(xiàn)狀有了進(jìn)一步的了解。分析了SCFDMA作為LTE上行多址方案的合理性，SCFDMA相較于OFDMA的優(yōu)勢突出體現(xiàn)在PAPR上面，SCFDMA具有較低的PAPR，從而滿足了終端的功率要求。這些優(yōu)點與SCFDMA本身的載波結(jié)構(gòu)是密不可分的，它作為一種具有吸引力的技術(shù)受到了全球的矚目，尤其對于終端功率要求低的上行鏈路，低PAPR意味著低的發(fā)射功率以及終端生產(chǎn)成本的降低。SCFDMA有兩種子載波映射方式，第一種是集中式，第二種是分布式。在第一種映射方式中，可以通過信道依賴調(diào)度獲得頻率選擇性增益；在第二種分布式映射方式中，可以獲得頻率分集增益。SCFDMA繼承了OFDM技術(shù)的各種優(yōu)勢