【文章內容簡介】 OFDM技術也存在一定的缺陷，首先對頻率偏移敏感，對同步技術的要求較高，其次， OFDM信號的峰均比大，對系統中的非線性敏感 [14]。 3GPP組織決定對 LTE系統物理層下行傳輸方案采用先進成熟的 OFDMA技術，對于上行傳輸考慮到 OFDM較高的峰均比會增加終端的功放成本和功率消耗，限制終端的使用時 間 ，決定采用峰均比比較低的單載波方案。 OFDM技術是 LTE系統的技術基礎與主要特點， OFDM系統參 數設定對整個系統的性能會產生決定性的影響，其中載波間隔又是 OFDM系統的基本參數，目前， 3GPP給出北京郵電大學世紀學院畢業(yè)設計（論文） 6 了兩種載波間隔，分為為 l5kHz和 。當傳輸信道中出現多徑傳播時，接收子載波間的 正 交性就會被破壞，使得每個子載波上的前后傳輸符號間以及各個子載波間發(fā)生相互干擾。為了解決這個問題，在每個 OFDM符號前插入保護間隔，即循壞前綴，它是由 OFDM符號進行周期擴展得到的。循環(huán)前綴 Cp (Cyclic Prefix)[1 16]的長度決定了 OFDM系統的抗多徑衰落能力和覆蓋能力。長 CP利于克服多徑干擾，支持大 范圍覆蓋，但是系統的 開 銷也會相應增加，導致數據傳輸能力下降。為了達到小區(qū)半徑100km的覆蓋要求， LTE系統采用長短兩套循環(huán)前綴方案，也即是普通 CP和增強型 CP兩種方案。根據具體場景進行選擇 CP，一般普通 CP方案為基本選擇，增強型 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。 LTE系統按照雙工方式可以分為兩種： FDD和 TDD[17]。 LTE上行主要關注的首要問題是峰均比的問題，目 前 主要考慮采用位移 BPSK和頻域濾波兩種方案進一步降低上行 。 LTE下行鏈路要求傳輸速率可達 100Mbps，故高峰值傳輸速率是LTE下行鏈路需要解決的主要問題。為了實現該目標，在 3G原有的 QPSK[18]、 16QAM的基礎上， LTE系統新增加了 64QAM高階調制。 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中較容易實現，另一種采用咬尾卷積編碼，實現也較簡單。 論文研究內容及組織結構 在本科 期間，我跟蹤學習了 3GPP協議和會議確立的 LTE新技術，對 LTE物理層進行了深入學習和研究。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。 論文具體工作內容如下： 學習和研究 LTE物理層相關知識，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、調制以及層映射和預編碼等 )的 內容。 根據 LTE 下行鏈路物理層協議，利用 MATLAB 軟件仿真實現 LTE 系統物理層發(fā)射鏈路，主要模塊包括信道編碼、插入導頻以及數據成幀、調制、插入 CP 以及OFDM 調制。主要評估的參數是在不同信噪比條件下的誤碼率。 北京郵電大學世紀學院畢業(yè)設計（論文） 7 本文將以 LTE下行控制信道為例對 LTE下行鏈路的 基帶處理過程和關鍵技術進行研究與實現，具體組織結構如下： 第一章 作為緒論介紹了移動通信的發(fā)展、 LTE的由來、技術特征、網絡結構、協議架構以及 LTE的核心技術，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系統的幀結構、 LTE下行時隙結構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，對下行鏈路基帶處理的各模塊做了簡要介紹。 第三章 主要研究了 LTE系統基于導頻的信道估計器，介紹了 LTE下行導頻的 產生與插入和 基于導頻的信道估計器的相關算法。 根據協議編寫信道編碼、插入導頻、插入數據、調制等模塊的代碼。 第四 章 首先介紹了 LTE系統基帶處理的 流程 ；然后給出了 LTE下行鏈路發(fā)射端基帶處理實現方案，并且以下行控制信道的基帶處理為例給出實現結果；同時給出了 LTE下行鏈路接收端基帶處理實現方案； 按照通信的一般過程，利用編寫的模塊代碼，搭建 LTE系統物理層發(fā)射鏈路。 第五 章 總結全文內容，提出本課題有待于進一步深入研究的問題，并展望該領域的研究發(fā)展趨勢 。 LTE 物理層概述 無線信道的特性簡介 移動 信道是一種時變信道。在無線通信中，發(fā)射信號在傳播過程中往往會受到環(huán)境中的各個物體所引起的遮擋、吸收、反射和衍射的影響，形成多條路徑信號分量到達接收機。不同路徑的信號量具有不同的傳播時延、相位和振幅，并附加有信道噪聲，它們的疊加會使復合信號相互抵消或增強，導致嚴重的衰落。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，是由于移動傳播環(huán)境的多北京郵電大學世紀學院畢業(yè)設計（論文） 8 徑傳輸而引起的衰 落。多徑衰落是移動信道特性中最具特色的部分。 從無線系統工程的角度看，傳播損耗和陰影衰落主要影響到無線區(qū)的覆蓋。合理的設計總是可以消除這些不利因素的。而多徑衰落則嚴重影響信號傳輸質量，并且是不可避免的，只能采用抗衰落技術來減少其影響。下面介紹影響多徑衰落的幾個移動信道參數。 假設發(fā)送信號為一理想脈沖信號，即 ： s（ t） = δ（ t） 式（ 21） 經過信道中多條路徑傳輸，不考慮加性噪聲，在接收端得到的 信號為 r（ t） = 10Lii p???δ（ tτi ） 式（ 22） 式中 n為第ip徑的復衰減因子， τi 為第 i徑的時延， L表示多徑數目。 由式 (22)所示 ：單一脈沖經過信道傳輸后可以收到多個脈沖，且脈沖個數及每個 脈沖的衰落和時延都不相同，這種由于多徑傳播引起接收信號脈沖寬度擴展的現象，稱之為時延擴展。最大時延擴展 τmax。是第一個到達接收天線的信號分量與最后到達的信號分量之間的時間差。 τmax從時域上觀察，由于時延擴展，接收信號中一個符號的波形會擴展到其他符號中去，造成符號間干擾 (ISI)，為此要求符號寬度要遠大于 τmax因此 τmax是多 徑信道的一個重要參數。 相干帶寬 與時域參數 τmax相對應，相干帶寬 . maxB 是頻域上與時延擴展相干的重要參數，是表征多徑信 道特性的一個重要參數，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的任意兩個頻率分量都具有很強的幅度相關特性。在實際工程應用中可以用最大時延擴展的倒數來表示，即 ： cB =1/ τmax 式（ 23） 從頻域上看，如果相干帶寬小于發(fā)送信號的帶寬，則該信道特性會導致接收信號北京郵電大學世紀學院畢業(yè)設計（論文） 9 波形產生頻率選擇性衰落，即某些頻率成分信號的 幅值得到加強，而另外一些頻率成分的信號的幅 值卻衰減。在這種情況下，信道的沖擊響應具有多徑時延擴展，其值大于發(fā)送信號波形帶寬的倒數。此時，接收信號中包含經歷了不同衰減和時延的多徑波形的疊加，因而，產生接收信號的失真。頻率選擇性衰落引起數字信號傳輸出現 ISI。反之，如果多徑信道的相干帶寬大于發(fā)送信號的相干帶寬，則接收信號經歷平坦性衰落過程。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 當無線電發(fā)射機與接收機作相對運動時，接收信號的頻率將 會發(fā)生偏移。當兩者作相向運動時，接收信號的頻率將高于發(fā)射頻率；當兩者作反向運動時，接收信號的頻率將低于發(fā)射頻率，這種現象稱為多普勒效應。對于電磁波而言，因為多普勒效應造成的頻率偏移取決于兩者相對運動的速度，可將這種頻率偏移寫為 ： 0 cosd vffc ?? 式（ 24） 其 中 df 為接收端檢測到的發(fā)射機頻率的變化量， 0f 是發(fā)射機的載頻， v 是發(fā)射機之間的相對速度， ? 為移動方向與電波入射方向的夾角， c 為光速。多普勒擴展描述了無線信道的時變性所引起的接收信號的頻譜展寬程度。當發(fā)射機在無限信道上發(fā)送一個頻率為 0f 的單頻正 弦波時，由于前述的多普勒效應，接收信號的頻譜被展寬，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。接收信號的多普勒頻譜上不等于 O的頻率范圍定義為多普勒擴展，用 dB 來表示。如果所傳送的基帶信號的帶寬 sB 遠 大于 dB ， 則接收機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。 相干時間 多普勒頻移是頻域上表征信道時變特性的重要參數，而從時域角度分析，與多普勒頻移相干的是信道相干時間 cT 。它在時域上描述信道的頻率色散的時變特性。相干時間 與多普勒頻移成反比 1/cdTf? ，它是信道沖擊響應維持不變的時間間隔的統計平均值，在此間隔內到達的兩個信號之間具有 很強的幅度相干性。概括而言，由北京郵電大學世紀學院畢業(yè)設計（論文） 10 于衰落信道的影響，信號在時域發(fā)生多徑時延擴展 (時間色散 )，在頻域產生多普勒頻移 (頻率色散 )；信道參數和信號參數共同決定信號可能經歷四種不同類型的衰落。故我們在研究各種無線通信系統時要考慮各種衰落帶來的影響。 LTE物理層基本概念 LTE 幀結構 LTE 支持兩種類型的無線幀結構，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)。幀結構類型 1 的結構如圖 （ 21） 所示，每一個無線幀長度為 10ms，由 20 個時隙構成，每一個時 隙的長度為 153 60 lot sT T m s? ? ?。這些時隙分別編號為 0~19。 一個子幀定義為兩個相鄰的時隙，其中第 i 個子幀由第 2i 個和 2i +1 個時隙構成。 圖（ 21） LTE 幀結構類型 1 對于 FDD，在每一個 10ms 中，有 10 個子幀可以用于下行傳輸，并且有 10 個子幀用于上行傳輸。上下行傳輸在頻域上進行分開。 北京郵電大學世紀學院畢業(yè)設計（論文） 11 圖（ 22） LTE 幀結構類型 2 幀結構類型 2 的結構如圖 （ 22） 所示，每一個無線幀由兩個半幀構成，每一個半幀長度為 5ms。每個半幀由 4 個常規(guī)子幀和一個特殊子幀構成。 一個 常規(guī)子幀包含兩個時隙，每個時隙長度為 。特殊子幀由下行導頻時隙 (Downlink Pilot TimeSlot, DwPTS)[20]、保護時隙 (Guard Period,GP)[21]和上行導頻時隙 (Uplink Pilot Time Slot,11UpPTS)[22]三個特殊時隙構成， DwPTS 和 UpPTS 的長度是可配置的，但DwPTS、 GP 以及 UpPTS 的總長度等于 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 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 表示用于下行傳輸的子幀， U表示用于上行傳輸的子幀， S 表示特殊子幀。子幀 0、子幀 5 和 DwPTS 總是預留為下行傳輸。在 5ms 切換周期模式下， UpPTS 和緊跟特殊子幀的子幀 子幀 7 預留為上行傳輸。在 10ms 切換周期模式下， DwPTS 在兩個半幀中都存在，但是 GP 和 UpPTS 只在第一個半幀中存在，在第二個半幀中的 DwPTS 長度為 1ms。 UpPTS 和子幀 2 預留為上行傳輸，子幀 7 到子幀 9 預留為下行傳輸。 北京郵電大學世紀學院畢業(yè)設計（論文） 12 圖（ 23） LTE TDD 模式上下行子幀切換點配置。 下行時隙結構和物理資源 如圖 （ 24） 所示， LTE FDD 的一個幀長度為 10ms，被等分為 10 個子幀，每個子幀的長度為 1ms，其中每個子幀又被分為兩個時隙，每個時隙長度為 。一個時隙中傳輸的信號可以用一個資源柵格 (Resource Grid)[23]來描述，其大小為 DL RBRB scNN個子載波和 DLsymbN 個 OFDM 符號，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 是下行傳輸的最小和最大帶寬。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 (,)kl 來進行定義，其中0 , , 1 , 0 , , 1D L R B D LR B s c s y