【文章內(nèi)容簡介】 業(yè)的不斷完善以及 TDD 設(shè)備的日趨成熟，蜂窩移動(dòng)通信領(lǐng)域加大了對(duì) TDD 系統(tǒng)的研究力度，在隨后的演進(jìn)系統(tǒng)中 TDD 雙工模式將會(huì)扮演更加重要的作用?！FDD 雙工方式HFDD 是相對(duì)于現(xiàn)有的 FDD 而言的另一種雙工方式。在半雙工 FDD 中，基站應(yīng)用全雙工 FDD 形式，盡管采用成對(duì)頻譜終端的發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)在不同的頻帶上傳輸，但其接收和發(fā)射信號(hào)卻不能夠同時(shí)進(jìn)行。HFDD 在接收處接收信號(hào)和在發(fā)送處發(fā)送信號(hào)的方法和 TDD 類似。在 LTE 中采納 HFDD 的法子基于以下幾點(diǎn)思考。首先，從能帶結(jié)構(gòu)的角度來看，因?yàn)楹芏嗔闼榈念l段的存在，全雙工 FDD 方法是不可能滿足所有的部署；其次，在 HFDD 終端收發(fā)雙工模式?jīng)]有 FDD 嚴(yán)格，所以最終的價(jià)格相對(duì)較低；再次，對(duì)于一些業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)較低，HFDD 方式可以減少功率損耗，延長電池的使用時(shí)間。LTEA 引入了多輸入多輸出、正交頻分多址復(fù)用/SCFDMA 等技能，因而物理層布局相比于原來的其它通信準(zhǔn)繩有太大的分歧，主要體現(xiàn)在無線幀結(jié)構(gòu)、參考信號(hào)配置等方面。在 3GPP 制訂的 LTE/LTEA 技術(shù)準(zhǔn)則中， 對(duì)物理層舉行了完全的描繪[7]， 則解釋說明了發(fā)送和接收物理信道、參考信息，介紹了框架結(jié)構(gòu)，調(diào)制的方法和如何生成 OFDM 和 SCFDMA 信號(hào)等[8]。對(duì) LTEA 物理層技術(shù)的介紹，結(jié)合以上規(guī)格。LTE 無線接口是指用戶與網(wǎng)絡(luò)之間的接口，包括三個(gè)亞層，協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖 22所示，子層環(huán)說服務(wù)接入點(diǎn)之間的不同的層或?qū)?SAPs，Service Access Points)。無線資源控制 （ R R C ）物理層介質(zhì)訪問控制 （ M A C ）層 1層 2層 3傳輸信道邏輯信道基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析8圖 22　物理層周圍的無線接口協(xié)議架層 2 的介質(zhì)訪問控制(MAC，Medium Access Control)子層與層 1 的物理層和層3 的無線資本掌管(RRC，Radio Resource Control)子層之間具有接口。MAC 子層的傳輸信道由物理層提供，傳輸信道描述了信息的傳輸方式，即定義了“信息是如何傳輸?shù)摹?。而層 2 的無線鏈路控制(RLC，Radio Link Control)亞層的邏輯信道則由MAC 亞層提供，邏輯信道描述了信息的類型，即定義了“傳輸?shù)氖鞘裁葱畔ⅰ?。物理層完成了傳輸通道向物理傳輸通道的映照，落成了經(jīng)歷傳輸通道為接入口朝上層提供數(shù)據(jù)傳送的服務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，物理層將提供下面的一些功能[9]：在傳輸信道進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)并向高層提供提示信息；前向糾錯(cuò)（FEC，F(xiàn)orward Error Correction）編碼/解碼的傳輸通道；混合自愿重傳(HARQ)申請(qǐng)；編碼的傳輸通道與物理信道之間的速度配合；編碼的傳輸通道向物理通道的映射；物理通道的功率相加；物理通道的調(diào)制與解調(diào)；頻率同步和時(shí)間同步；無線功能(radio characteristics)測(cè)量朝上提供指示信息；多輸入多輸出(MIMO)天線處理；傳輸分集；波束賦形；射頻處理等等?！o線幀結(jié)構(gòu)在物理層規(guī)范，時(shí)間域通常是由時(shí)間單位多表示，它被定義為時(shí)間單位，在15000 者之間的間隔為 15KHz，該定義為 1/(50248)dTs??，其中，子載波之間的間隔是 15kHz，具有最高的帶寬分配和數(shù)為 2048[10]。LTEA 系統(tǒng)的上行和下行信道都以無線幀結(jié)構(gòu)傳輸數(shù)據(jù)，一個(gè)無線子幀的長度為： 30710f dTms??。LTEA 系統(tǒng)支持 TDD 和 FDD 雙工模式，由于 TDD 使用向上和向下之間的時(shí)間差，資源是不連續(xù)的，有必要引入保護(hù)間隔避免上下之間的干擾。所以 LTEA 分別設(shè)計(jì)了用于 FDD 的幀構(gòu)造范例 1 和用于 TDD 的幀構(gòu)造范例 2。　幀結(jié)構(gòu)類型 1幀構(gòu)造范例 1 用于全雙工和半雙工的 FDD 模式。每個(gè)無線報(bào)文共有 20 個(gè)時(shí)隙，是時(shí)隙 0 到 19，它們的總長為 10ms，每個(gè)長為 ??。每個(gè)子幀由兩個(gè)連續(xù)的時(shí)隙組成，即子幀 i包括第 2i和第 i?時(shí)隙。如圖 23 所示[11]。基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析9 1 3 2 4 1 9 1 8一個(gè)子幀一個(gè)時(shí)隙 ??一個(gè)無限幀 10fTs?圖 23　幀結(jié)構(gòu)類型 1在同一頻道不同時(shí)隙發(fā)送和接收信號(hào)的 FDD 模式。所以對(duì)于每一幀，10 幀可以分為下行也可以用來傳送上行，依靠 FDD 頻分和資源下行單方向在時(shí)間上是連續(xù)的。　幀結(jié)構(gòu)類型 2如圖 24 所示，幀結(jié)構(gòu)類型 2 適用于 TDD 模式。每個(gè)無盡的數(shù)據(jù)幀包括兩個(gè)半幀，每一半幀長是 15360sdTms??，含有 8 個(gè)時(shí)隔（即 4 個(gè)子幀）和一個(gè)特別地域[12]，這個(gè)特殊的地域由下行導(dǎo)入頻時(shí)隔(DwPTS，Downlink Pilot Time Slot)、上行導(dǎo)入頻時(shí)隔(UpPTS，Uplink Pilot Time Slot)和保護(hù)間隔(GP，Guard Period)組成的。子幀 0 子幀 2 子幀 3 子幀 5子幀一個(gè)時(shí)隙 1536slotdT?半幀15360dTms?子幀 4 子幀 7 子幀 9子幀 837dT一個(gè)無線幀 7201fds372dTD w P T S D w P T SG P G PU p P T S U p P T S圖 24　幀結(jié)構(gòu)類型 2（切換周期為 5ms）基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析10協(xié)定規(guī)定 GP、UpPTS 和 DwPTS 的長能夠由系統(tǒng)配置，這三個(gè)物理量的總長要為1 毫秒。在 LTEA 中，上、下行子幀報(bào)文切換時(shí)間蘊(yùn)含 5ms 和 10ms 兩種情形，此中U 示意用于朝上傳輸?shù)淖訄?bào)文，D 是以朝下傳輸?shù)淖訄?bào)文，蘊(yùn)含 GP、UpPTS 以及DwPTS 的特別子報(bào)文用 S 來表現(xiàn)。當(dāng)切換周期為 5ms 時(shí)，子幀 子幀 7 和 UpPTS 將用來進(jìn)行上行傳輸。當(dāng)切換周期是 10ms 時(shí)，DwPTS 在兩個(gè)半報(bào)文中生存，然而 UpPTS 和 GP 僅僅在第一個(gè)半報(bào)文中生存，在第二個(gè)半報(bào)文中的 DwPTS 計(jì)量尺度為 1ms。子幀 2 和 UpPTS 將來認(rèn)為朝上的傳輸，子幀 9 和子幀 7 將來認(rèn)為朝下的傳輸。在上面的兩種開關(guān)周期處境中，子幀 0 和子幀 5 以及 DwPTS 牢固的用于下行傳輸。　LTE 的關(guān)鍵技術(shù) MIMOMIMO 是 LTE 的關(guān)鍵技術(shù)之一，由于本文要介紹 MIMO 信道容量，所以一下部分著重介紹 MIMO。MIMO 無線通信體系是使用時(shí)空處置為根本方式對(duì)信號(hào)舉行剖析的。該系統(tǒng)在多徑傳輸?shù)倪^程中，不僅能夠提高頻譜的利用率，還有效地加快了傳輸速率，因而被看做成核心突破點(diǎn)，為新一代無線通信系統(tǒng)開辟了更廣闊的前景。MIMO 技巧因?yàn)榭臻g中具備多個(gè)發(fā)射的天線和接收的天線，因此在信道模式、信道系統(tǒng)的容量等方面都有其特別獨(dú)到的復(fù)雜性。介紹了 MIMO 系統(tǒng)的 MIMO 結(jié)構(gòu)?！IMO 系統(tǒng)的概念MIMO 技術(shù)的出現(xiàn)為無線移動(dòng)通信開創(chuàng)了一個(gè)嶄新的領(lǐng)域，可以在很大程度上提高系統(tǒng)的頻譜效率。簡單來說 MIMO 技術(shù)的工作原理：把需要傳送的數(shù)據(jù)分解成若干個(gè)并行的數(shù)據(jù)流，之后在多根天線上各自進(jìn)行同時(shí)同頻率的數(shù)據(jù)傳輸，而且發(fā)射端天線的總共發(fā)射功率保持不變。然后，再由接收端的多條天線單獨(dú)的收到多個(gè)不同的數(shù)據(jù)流，在接收終端將其辨認(rèn)判別，而且是使用 MIMO 解調(diào)技巧，最后規(guī)復(fù)出來發(fā)射端天線的原數(shù)據(jù)流。（1）分集增益 多徑衰落信道的傳輸?shù)目煽啃钥梢酝ㄟ^由每個(gè)天線的空間分集改善。一個(gè)發(fā)射天線的傳送途徑中的數(shù)據(jù)體驗(yàn)了深度削弱的假設(shè)的情況下，其他一個(gè)相對(duì)來說獨(dú)立的傳送途徑很可能有一個(gè)較強(qiáng)烈的信號(hào)輸送。因此，我們可以挑選多個(gè)信號(hào)在多徑信號(hào)中，能夠升高接收端天線的瞬時(shí)的信號(hào)噪生比率和平均的信號(hào)噪聲比率，提升2030dB[13]的幅度。 （2）陣列增益基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析11就是通過預(yù)編碼技術(shù)或是波束成形技術(shù)，把一個(gè)甚至多個(gè)指定方向上的能量集合起來。 （3）空間復(fù)用增益 　　　 它使用了空間中信道彼此之間的強(qiáng)和弱的互相關(guān)聯(lián)性，同時(shí)傳輸有差別的信號(hào)數(shù)據(jù)流分別在多個(gè)彼此獨(dú)立的空間信道上，如此能夠使數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆逯邓俣却蟠蟮纳摺！IMO 系統(tǒng)常見的幾種傳輸模式（1）單天線模式單天線模式就是傳統(tǒng)無線傳播信道，也就是理解意義上的一發(fā)一收，即單個(gè)發(fā)射天線發(fā)送數(shù)據(jù)流，經(jīng)由信道，再由單個(gè)接收天線接收。 11發(fā)射端 接收端圖 25　單天線模式（2）發(fā)射分集模式發(fā)射分集模式就是多個(gè)發(fā)射天線發(fā)出同樣的信號(hào)做復(fù)數(shù)變化，提高了系統(tǒng)的可靠性。122h 2 2h 1 1h 1 2h 2 111發(fā)射端 接收端圖 26　天線發(fā)射端口的發(fā)射分集（3）空間復(fù)用模式空間復(fù)用就是發(fā)射端的多根天線同時(shí)發(fā)送不同的信號(hào)，接收端的多根天線分別接收，提高了傳輸數(shù)據(jù)量和系統(tǒng)的有效性?；?MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析12　1122發(fā)射端 接收端圖 27　空間復(fù)用模式MIMO 體系在輸入訊息的過程中，首先利用空時(shí)的處理的技術(shù)將串行比特流變換為幾個(gè)并行子數(shù)據(jù)流，然后在相同頻率下通過不同天線發(fā)送出去。在體系的回收端，因?yàn)樾盘?hào)的傳輸途徑不止一條，因此不光要保證天線組數(shù)不少于發(fā)射天線數(shù)目，還應(yīng)該準(zhǔn)確地估算出來信道的特色和子碼流間的干系。只有將這幾路信號(hào)聯(lián)合處理，才能將有效信息從發(fā)送子流中分離，最終轉(zhuǎn)換成串行碼輸出。它的工作原理如圖 28 所示?？諘r(shí)處理RXRXRX空時(shí)處理TXTXTX多徑信道圖28　MIMO系統(tǒng)的原理圖恰是基于 MIMO 體系通道能夠?yàn)槎鄶?shù)并行子通道的突出特點(diǎn)，抵抗信息衰落和抵抗信息干擾的能力體系能夠提高，傳輸速率和利用帶寬率比較好?！IMO 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)MIMO 技術(shù)利用多天線配置，充分利用時(shí)空資源，改善在衰落信道下的系統(tǒng)容量。系統(tǒng)容量[14]，它是在一定信噪比下的傳輸速率最大值，在通信系統(tǒng)的計(jì)量工作中，是一個(gè)重要的性能指標(biāo)。當(dāng)傳輸信道為瑞利衰落和單獨(dú)存在，MIMO 收發(fā)器是 N M，其容量可表示為式（21）: ??HzbpsMICN/detlog2?????????(21)上式中， ?是接收端收到信息的平均信噪比， ??nmhH?是信道的系數(shù)矩陣，基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析13其元素 nmh是其中一條路徑的衰落系數(shù)。如果 M， N很大，那么信道容量可以近似為： ????2/log,min?NMC?(22)由式（22）知，當(dāng) min{M,N}線性增大時(shí)，MIMO 體系的信道容量也會(huì)相互對(duì)應(yīng)的呈線性增長的趨勢(shì)變大?；?MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析143　無線衰落信道的基本特征無線通信都是通過電磁波來傳遞消息的。電磁波在傳播過程中有直射、反射、散射和衍射等 4 種主要的傳播方式，經(jīng)過這些傳輸路徑之后，到達(dá)接收端的接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)不再相同。無線通信鏈路對(duì)信息傳輸?shù)挠绊懼饕ù蟪叨人ヂ浜托〕叨人ヂ洌蟪叨人ヂ溆职窂綋p耗和陰影衰落，小尺度衰落包括頻域選擇性衰落、時(shí)間選擇性衰落和空間選擇性衰落。這些衰落并非獨(dú)立的，大尺度衰落和小尺度衰落往往是同時(shí)存在的。無線通信條件下，信號(hào)傳播過程中可能會(huì)經(jīng)過很多的障礙，比如建筑物、街道、大樹以及移動(dòng)的汽車等等。信號(hào)的傳播路徑大致可以分為以下 4 種，在較開闊的地區(qū)，如草原和村莊，直線傳播比較常見；反射是信號(hào)傳輸?shù)牧硗庖环N重要的方式，信號(hào)傳輸過程中往往要經(jīng)過建筑物、地面以及高山的反射；在無線通信模型中，一般不考慮折射現(xiàn)象，這是因?yàn)樾盘?hào)經(jīng)過障礙物的邊界時(shí)發(fā)生折射時(shí)的衰減太大的緣故；當(dāng)信號(hào)碰到小的障礙物時(shí)便會(huì)分成多個(gè)方向隨機(jī)的信號(hào)即是產(chǎn)生散射現(xiàn)象。　大尺度衰落該模型適用于描述發(fā)送方和接收方之間的距離達(dá)到幾百或幾千米內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度的改變。一般而言，大尺度衰落表示的是接收信號(hào)的平均值在一定的時(shí)間內(nèi)隨著傳輸距離和環(huán)境的變化而展現(xiàn)出來的緩慢的變化。無線通信信道對(duì)傳輸信號(hào)的大尺度形象是通過途徑損耗和陰影衰落一起反映出來的?！÷窂綋p耗當(dāng)發(fā)送方與接收方之間的距離在數(shù)百米或數(shù)千米的距離上變化時(shí)，不管室內(nèi)信道還是室外信道，接收信號(hào)的平均功率值都與信號(hào)經(jīng)過距離 d 的 n 次方成反比。不管收發(fā)距離取何值，大尺度的路徑損耗都可以用下面的式子表示 Error! 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