【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 OFDM技術(shù)也存在一定的缺陷，首先對(duì)頻率偏移敏感，對(duì)同步技術(shù)的要求較高，其次， OFDM信號(hào)的峰均比大，對(duì)系統(tǒng)中的非線性敏感 [14]。 3GPP組織決定對(duì) LTE系統(tǒng)物理層下行傳輸方案采用先進(jìn)成熟的 OFDMA技術(shù)，對(duì)于上行傳輸考慮到 OFDM較高的峰均比會(huì)增加終端的功放成本和功率消耗，限制終端的使用時(shí) 間 ，決定采用峰均比比較低的單載波方案。 OFDM技術(shù)是 LTE系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)與主要特點(diǎn)， OFDM系統(tǒng)參 數(shù)設(shè)定對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能會(huì)產(chǎn)生決定性的影響，其中載波間隔又是 OFDM系統(tǒng)的基本參數(shù)，目前， 3GPP給出北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 了兩種載波間隔，分為為 l5kHz和 。當(dāng)傳輸信道中出現(xiàn)多徑傳播時(shí)，接收子載波間的 正 交性就會(huì)被破壞，使得每個(gè)子載波上的前后傳輸符號(hào)間以及各個(gè)子載波間發(fā)生相互干擾。為了解決這個(gè)問題，在每個(gè) OFDM符號(hào)前插入保護(hù)間隔，即循壞前綴，它是由 OFDM符號(hào)進(jìn)行周期擴(kuò)展得到的。循環(huán)前綴 Cp (Cyclic Prefix)[1 16]的長(zhǎng)度決定了 OFDM系統(tǒng)的抗多徑衰落能力和覆蓋能力。長(zhǎng) CP利于克服多徑干擾，支持大 范圍覆蓋，但是系統(tǒng)的 開 銷也會(huì)相應(yīng)增加，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸能力下降。為了達(dá)到小區(qū)半徑100km的覆蓋要求， LTE系統(tǒng)采用長(zhǎng)短兩套循環(huán)前綴方案，也即是普通 CP和增強(qiáng)型 CP兩種方案。根據(jù)具體場(chǎng)景進(jìn)行選擇 CP，一般普通 CP方案為基本選擇，增強(qiáng)型 CP方案用于支持 LTE大范圍小區(qū)覆蓋和多小區(qū)廣播業(yè)務(wù)。 LTE系統(tǒng)按照雙工方式可以分為兩種： FDD和 TDD[17]。 LTE上行主要關(guān)注的首要問題是峰均比的問題，目 前 主要考慮采用位移 BPSK和頻域?yàn)V波兩種方案進(jìn)一步降低上行 。 LTE下行鏈路要求傳輸速率可達(dá) 100Mbps，故高峰值傳輸速率是LTE下行鏈路需要解決的主要問題。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，在 3G原有的 QPSK[18]、 16QAM的基礎(chǔ)上， LTE系統(tǒng)新增加了 64QAM高階調(diào)制。 LTE的信道編碼主要有兩種，一種是采用Turbo信道編碼， Turbo編碼在 FPGA中較容易實(shí)現(xiàn)，另一種采用咬尾卷積編碼，實(shí)現(xiàn)也較簡(jiǎn)單。 論文研究?jī)?nèi)容及組織結(jié)構(gòu) 在本科 期間，我跟蹤學(xué)習(xí)了 3GPP協(xié)議和會(huì)議確立的 LTE新技術(shù)，對(duì) LTE物理層進(jìn)行了深入學(xué)習(xí)和研究。物理層在 OSI參考模型中處于最底層，主要完成基帶處理過程，提供物理介質(zhì)中比特流傳輸所 需要的所有功能。涉及很多重要算法，具有重要研究意義。 論文具體工作內(nèi)容如下： 學(xué)習(xí)和研究 LTE物理層相關(guān)知識(shí)，掌握 LTE物理層基本概念，理解 LTE下行鏈路基帶處理流程中各模塊 (CRC、咬尾卷積編碼、加擾、速率匹配、調(diào)制以及層映射和預(yù)編碼等 )的 內(nèi)容。 根據(jù) LTE 下行鏈路物理層協(xié)議，利用 MATLAB 軟件仿真實(shí)現(xiàn) LTE 系統(tǒng)物理層發(fā)射鏈路，主要模塊包括信道編碼、插入導(dǎo)頻以及數(shù)據(jù)成幀、調(diào)制、插入 CP 以及OFDM 調(diào)制。主要評(píng)估的參數(shù)是在不同信噪比條件下的誤碼率。 北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 本文將以 LTE下行控制信道為例對(duì) LTE下行鏈路的 基帶處理過程和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究與實(shí)現(xiàn)，具體組織結(jié)構(gòu)如下： 第一章 作為緒論介紹了移動(dòng)通信的發(fā)展、 LTE的由來、技術(shù)特征、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、協(xié)議架構(gòu)以及 LTE的核心技術(shù)，最后給出了本文研究的方向。 第二章 首先介紹了無線信道的信道特性；然后介紹了 LTE物理層的基本概念，如 LTE系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)、 LTE下行時(shí)隙結(jié)構(gòu)以及物理資源的分配等；最后介紹了 LTE下行鏈路基帶處理過程，以下行控制信道 PDCCH為例，對(duì)下行鏈路基帶處理的各模塊做了簡(jiǎn)要介紹。 第三章 主要研究了 LTE系統(tǒng)基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)器，介紹了 LTE下行導(dǎo)頻的 產(chǎn)生與插入和 基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)器的相關(guān)算法。 根據(jù)協(xié)議編寫信道編碼、插入導(dǎo)頻、插入數(shù)據(jù)、調(diào)制等模塊的代碼。 第四 章 首先介紹了 LTE系統(tǒng)基帶處理的 流程 ；然后給出了 LTE下行鏈路發(fā)射端基帶處理實(shí)現(xiàn)方案，并且以下行控制信道的基帶處理為例給出實(shí)現(xiàn)結(jié)果；同時(shí)給出了 LTE下行鏈路接收端基帶處理實(shí)現(xiàn)方案； 按照通信的一般過程，利用編寫的模塊代碼，搭建 LTE系統(tǒng)物理層發(fā)射鏈路。 第五 章 總結(jié)全文內(nèi)容，提出本課題有待于進(jìn)一步深入研究的問題，并展望該領(lǐng)域的研究發(fā)展趨勢(shì) 。 LTE 物理層概述 無線信道的特性簡(jiǎn)介 移動(dòng) 信道是一種時(shí)變信道。在無線通信中，發(fā)射信號(hào)在傳播過程中往往會(huì)受到環(huán)境中的各個(gè)物體所引起的遮擋、吸收、反射和衍射的影響，形成多條路徑信號(hào)分量到達(dá)接收機(jī)。不同路徑的信號(hào)量具有不同的傳播時(shí)延、相位和振幅，并附加有信道噪聲，它們的疊加會(huì)使復(fù)合信號(hào)相互抵消或增強(qiáng)，導(dǎo)致嚴(yán)重的衰落。一般來說，這些衰落可歸納為三類。一類是自由空間傳播損耗與彌撒：大尺度衰落；一類是陰影衰落：中尺度衰落，是由于傳播壞境中的地形起伏，建筑物及其他障礙物對(duì)電波遮蔽所引起的衰落；另一類就是多徑衰落：小尺度衰落，是由于移動(dòng)傳播環(huán)境的多北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 徑傳輸而引起的衰 落。多徑衰落是移動(dòng)信道特性中最具特色的部分。 從無線系統(tǒng)工程的角度看，傳播損耗和陰影衰落主要影響到無線區(qū)的覆蓋。合理的設(shè)計(jì)總是可以消除這些不利因素的。而多徑衰落則嚴(yán)重影響信號(hào)傳輸質(zhì)量，并且是不可避免的，只能采用抗衰落技術(shù)來減少其影響。下面介紹影響多徑衰落的幾個(gè)移動(dòng)信道參數(shù)。 假設(shè)發(fā)送信號(hào)為一理想脈沖信號(hào)，即 ： s（ t） = δ（ t） 式（ 21） 經(jīng)過信道中多條路徑傳輸，不考慮加性噪聲，在接收端得到的 信號(hào)為 r（ t） = 10Lii p???δ（ tτi ） 式（ 22） 式中 n為第ip徑的復(fù)衰減因子， τi 為第 i徑的時(shí)延， L表示多徑數(shù)目。 由式 (22)所示 ：?jiǎn)我幻}沖經(jīng)過信道傳輸后可以收到多個(gè)脈沖，且脈沖個(gè)數(shù)及每個(gè) 脈沖的衰落和時(shí)延都不相同，這種由于多徑傳播引起接收信號(hào)脈沖寬度擴(kuò)展的現(xiàn)象，稱之為時(shí)延擴(kuò)展。最大時(shí)延擴(kuò)展 τmax。是第一個(gè)到達(dá)接收天線的信號(hào)分量與最后到達(dá)的信號(hào)分量之間的時(shí)間差。 τmax從時(shí)域上觀察，由于時(shí)延擴(kuò)展，接收信號(hào)中一個(gè)符號(hào)的波形會(huì)擴(kuò)展到其他符號(hào)中去，造成符號(hào)間干擾 (ISI)，為此要求符號(hào)寬度要遠(yuǎn)大于 τmax因此 τmax是多 徑信道的一個(gè)重要參數(shù)。 相干帶寬 與時(shí)域參數(shù) τmax相對(duì)應(yīng)，相干帶寬 . maxB 是頻域上與時(shí)延擴(kuò)展相干的重要參數(shù)，是表征多徑信 道特性的一個(gè)重要參數(shù)，是多徑信道具有恒定的增益和線性相位的帶寬范圍，也就是說在某一特定的頻率范圍內(nèi)的任意兩個(gè)頻率分量都具有很強(qiáng)的幅度相關(guān)特性。在實(shí)際工程應(yīng)用中可以用最大時(shí)延擴(kuò)展的倒數(shù)來表示，即 ： cB =1/ τmax 式（ 23） 從頻域上看，如果相干帶寬小于發(fā)送信號(hào)的帶寬，則該信道特性會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 波形產(chǎn)生頻率選擇性衰落，即某些頻率成分信號(hào)的 幅值得到加強(qiáng)，而另外一些頻率成分的信號(hào)的幅 值卻衰減。在這種情況下，信道的沖擊響應(yīng)具有多徑時(shí)延擴(kuò)展，其值大于發(fā)送信號(hào)波形帶寬的倒數(shù)。此時(shí)，接收信號(hào)中包含經(jīng)歷了不同衰減和時(shí)延的多徑波形的疊加，因而，產(chǎn)生接收信號(hào)的失真。頻率選擇性衰落引起數(shù)字信號(hào)傳輸出現(xiàn) ISI。反之，如果多徑信道的相干帶寬大于發(fā)送信號(hào)的相干帶寬，則接收信號(hào)經(jīng)歷平坦性衰落過程。因此 cB ，是頻域上表征信道頻率選擇性的重要概念。 多普勒頻移 當(dāng)無線電發(fā)射機(jī)與接收機(jī)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收信號(hào)的頻率將 會(huì)發(fā)生偏移。當(dāng)兩者作相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收信號(hào)的頻率將高于發(fā)射頻率；當(dāng)兩者作反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收信號(hào)的頻率將低于發(fā)射頻率，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。對(duì)于電磁波而言，因?yàn)槎嗥绽招?yīng)造成的頻率偏移取決于兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度，可將這種頻率偏移寫為 ： 0 cosd vffc ?? 式（ 24） 其 中 df 為接收端檢測(cè)到的發(fā)射機(jī)頻率的變化量， 0f 是發(fā)射機(jī)的載頻， v 是發(fā)射機(jī)之間的相對(duì)速度， ? 為移動(dòng)方向與電波入射方向的夾角， c 為光速。多普勒擴(kuò)展描述了無線信道的時(shí)變性所引起的接收信號(hào)的頻譜展寬程度。當(dāng)發(fā)射機(jī)在無限信道上發(fā)送一個(gè)頻率為 0f 的單頻正 弦波時(shí)，由于前述的多普勒效應(yīng)，接收信號(hào)的頻譜被展寬，將包含頻率為 0f df ~ 0f + df 的頻譜分量，這一頻譜稱為多普勒頻譜。接收信號(hào)的多普勒頻譜上不等于 O的頻率范圍定義為多普勒擴(kuò)展，用 dB 來表示。如果所傳送的基帶信號(hào)的帶寬 sB 遠(yuǎn) 大于 dB ， 則接收機(jī)中多普勒影響可以忽略，該信道稱為慢衰落信道；反之，信道為快衰落信道。 相干時(shí)間 多普勒頻移是頻域上表征信道時(shí)變特性的重要參數(shù)，而從時(shí)域角度分析，與多普勒頻移相干的是信道相干時(shí)間 cT 。它在時(shí)域上描述信道的頻率色散的時(shí)變特性。相干時(shí)間 與多普勒頻移成反比 1/cdTf? ，它是信道沖擊響應(yīng)維持不變的時(shí)間間隔的統(tǒng)計(jì)平均值，在此間隔內(nèi)到達(dá)的兩個(gè)信號(hào)之間具有 很強(qiáng)的幅度相干性。概括而言，由北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 于衰落信道的影響，信號(hào)在時(shí)域發(fā)生多徑時(shí)延擴(kuò)展 (時(shí)間色散 )，在頻域產(chǎn)生多普勒頻移 (頻率色散 )；信道參數(shù)和信號(hào)參數(shù)共同決定信號(hào)可能經(jīng)歷四種不同類型的衰落。故我們?cè)谘芯扛鞣N無線通信系統(tǒng)時(shí)要考慮各種衰落帶來的影響。 LTE物理層基本概念 LTE 幀結(jié)構(gòu) LTE 支持兩種類型的無線幀結(jié)構(gòu)，即適用于 FDD[19]模式的類型 1(Type 1)和適用于 TDD 模式的類型 2(Type 2)。幀結(jié)構(gòu)類型 1 的結(jié)構(gòu)如圖 （ 21） 所示，每一個(gè)無線幀長(zhǎng)度為 10ms，由 20 個(gè)時(shí)隙構(gòu)成，每一個(gè)時(shí) 隙的長(zhǎng)度為 153 60 lot sT T m s? ? ?。這些時(shí)隙分別編號(hào)為 0~19。 一個(gè)子幀定義為兩個(gè)相鄰的時(shí)隙，其中第 i 個(gè)子幀由第 2i 個(gè)和 2i +1 個(gè)時(shí)隙構(gòu)成。 圖（ 21） LTE 幀結(jié)構(gòu)類型 1 對(duì)于 FDD，在每一個(gè) 10ms 中，有 10 個(gè)子幀可以用于下行傳輸，并且有 10 個(gè)子幀用于上行傳輸。上下行傳輸在頻域上進(jìn)行分開。 北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖（ 22） LTE 幀結(jié)構(gòu)類型 2 幀結(jié)構(gòu)類型 2 的結(jié)構(gòu)如圖 （ 22） 所示，每一個(gè)無線幀由兩個(gè)半幀構(gòu)成，每一個(gè)半幀長(zhǎng)度為 5ms。每個(gè)半幀由 4 個(gè)常規(guī)子幀和一個(gè)特殊子幀構(gòu)成。 一個(gè) 常規(guī)子幀包含兩個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度為 。特殊子幀由下行導(dǎo)頻時(shí)隙 (Downlink Pilot TimeSlot, DwPTS)[20]、保護(hù)時(shí)隙 (Guard Period,GP)[21]和上行導(dǎo)頻時(shí)隙 (Uplink Pilot Time Slot,11UpPTS)[22]三個(gè)特殊時(shí)隙構(gòu)成， DwPTS 和 UpPTS 的長(zhǎng)度是可配置的，但DwPTS、 GP 以及 UpPTS 的總長(zhǎng)度等于 1ms。半幀 0 的特殊子幀總是作為特殊子幀使用，而半幀 1 的特殊子幀則是在 圖（ 23） 所列的配置 0、 2 和 6 中才作為特殊子幀使用。對(duì) 于 TDD， LTE 支持 5ms 和 10ms 的上下行切換周期。具體的子幀切換配置 如 圖（ 23） 所示 ，其中 D 表示用于下行傳輸?shù)淖訋?U表示用于上行傳輸?shù)淖訋?S 表示特殊子幀。子幀 0、子幀 5 和 DwPTS 總是預(yù)留為下行傳輸。在 5ms 切換周期模式下， UpPTS 和緊跟特殊子幀的子幀 子幀 7 預(yù)留為上行傳輸。在 10ms 切換周期模式下， DwPTS 在兩個(gè)半幀中都存在，但是 GP 和 UpPTS 只在第一個(gè)半幀中存在，在第二個(gè)半幀中的 DwPTS 長(zhǎng)度為 1ms。 UpPTS 和子幀 2 預(yù)留為上行傳輸，子幀 7 到子幀 9 預(yù)留為下行傳輸。 北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖（ 23） LTE TDD 模式上下行子幀切換點(diǎn)配置。 下行時(shí)隙結(jié)構(gòu)和物理資源 如圖 （ 24） 所示， LTE FDD 的一個(gè)幀長(zhǎng)度為 10ms，被等分為 10 個(gè)子幀，每個(gè)子幀的長(zhǎng)度為 1ms，其中每個(gè)子幀又被分為兩個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度為 。一個(gè)時(shí)隙中傳輸?shù)男盘?hào)可以用一個(gè)資源柵格 (Resource Grid)[23]來描述，其大小為 DL RBRB scNN個(gè)子載波和 DLsymbN 個(gè) OFDM 符號(hào)，如圖 (23)所 示。 DLRBN 的大小取決于小區(qū)中的下行傳輸帶寬配置，并且滿足： m in D L D L D LRB RB RBN N N??期中 minDLRBN =6，并且 maxDLRBN =110 是下行傳輸?shù)淖钚『妥畲髱?。資源柵格中的最小單元為資源粒子 (Resource Element,RE)，它也是下行傳輸使用的最小資源單元，用唯一的序號(hào) (,)kl 來進(jìn)行定義，其中0 , , 1 , 0 , , 1D L R B D LR B s c s y