【正文】 　　OFDM技術(shù)屬于多載波調(diào)制（Multi－Car?rierModulation，MCM）技術(shù)。MCM與OFDM常用于無(wú)線(xiàn)信道，它們的區(qū)別在于：OFDM技術(shù)特指將信道劃分成正交的子信道，頻道利用率高；而MCM，可以是更多種信道劃分方法。在對(duì)每個(gè)載波完成調(diào)制以后，為了增加數(shù)據(jù)的吞吐量、提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，它又采用了一種叫作HomePlug的處理技術(shù)，來(lái)對(duì)所有將要被發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)位的載波進(jìn)行合并處理，把眾多的單個(gè)信號(hào)合并成一個(gè)獨(dú)立的傳輸信號(hào)進(jìn)行發(fā)送?！　FDM增強(qiáng)了抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾的能力。此外，糾錯(cuò)碼的使用還可以幫助其恢復(fù)一些載波上的信息。　　OFDM盡管還是一種頻分復(fù)用（FDM），但已完全不同于過(guò)去的FDM。它將不同載波搬移至零頻，然后在一個(gè)碼元周期內(nèi)積分，其他載波信號(hào)由于與所積分的信號(hào)正交，因此不會(huì)對(duì)信息的提取產(chǎn)生影響?！　FDM每個(gè)載波所使用的調(diào)制方法可以不同。我們通過(guò)選擇滿(mǎn)足一定誤碼率的最佳調(diào)制方式就可以獲得最大頻譜效率。為了提高頻譜利用率，應(yīng)該使用與信噪比相匹配的調(diào)制方式。OFDM技術(shù)使用了自適應(yīng)調(diào)制，根據(jù)信道條件的好壞來(lái)選擇不同的調(diào)制方式。自適應(yīng)調(diào)制能夠擴(kuò)大系統(tǒng)容量，但它要求信號(hào)必須包含一定的開(kāi)銷(xiāo)比特，以告知接收端發(fā)射信號(hào)所應(yīng)采用的調(diào)制方式?！　FDM還采用了功率控制和自適應(yīng)調(diào)制相協(xié)調(diào)工作方式。功率控制與自適應(yīng)調(diào)制要取得平衡?！　∽赃m應(yīng)調(diào)制要求系統(tǒng)必須對(duì)信道的性能有及時(shí)和精確的了解，如果在差的信道上使用較強(qiáng)的調(diào)制方式，那么就會(huì)產(chǎn)生很高的誤碼率，影響系統(tǒng)的可用性。發(fā)送一個(gè)已知數(shù)據(jù)的碼字，測(cè)出每條信道的信噪比，根據(jù)這個(gè)信噪比來(lái)確定最適合的調(diào)制方式。根據(jù)收發(fā)兩端天線(xiàn)數(shù)量，相對(duì)于普通的SISO(SingleInputSingleOutput)系統(tǒng)，MIMO還可以包括SIMO(SingleInputMultipleOutput)系統(tǒng)和MISO(MultipleInput SingleOutput)系統(tǒng)。然而研究結(jié)果表明，對(duì)于MIMO系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，多徑可以作為一個(gè)有利因素加以利用。圖1所示為MIMO系統(tǒng)的原理圖。這N個(gè)子流由N個(gè)天線(xiàn)發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個(gè)接收天線(xiàn)接收?！　√貏e是，這N個(gè)子流同時(shí)發(fā)送到信道，各發(fā)射信號(hào)占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。通過(guò)這些并行空間信道獨(dú)立地傳輸信息，數(shù)據(jù)率必然可以提高。這是一種近于最優(yōu)的空域時(shí)域聯(lián)合的分集和干擾對(duì)消處理。對(duì)于發(fā)射天線(xiàn)數(shù)為N，接收天線(xiàn)數(shù)為M的多入多出(MIMO)系統(tǒng)，假定信道為獨(dú)立的瑞利衰落信道，并設(shè)N、M很大，則信道容量C近似為：C=[min(M,N)]Blog2(ρ/2)　　其中B為信號(hào)帶寬，ρ為接收端平均信噪比，min(M,N)為M，N的較小者。而在同樣條件下，在接收端或發(fā)射端采用多天線(xiàn)或天線(xiàn)陣列的普通智能天線(xiàn)系統(tǒng)，其容量?jī)H隨天線(xiàn)數(shù)的對(duì)數(shù)增加而增加?！　】梢钥闯?，此時(shí)的信道容量隨著天線(xiàn)數(shù)量的增大而線(xiàn)性增大。利用MIMO技術(shù)可以提高信道的容量，同時(shí)也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。常見(jiàn)的空時(shí)碼有空時(shí)塊碼、空時(shí)格碼。多入多出(MIMO)或多發(fā)多收天線(xiàn)(MTMRA)技術(shù)是無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信領(lǐng)域智能天線(xiàn)技術(shù)的重大突破。 LTE系統(tǒng)在高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用 由于高速公路線(xiàn)性特點(diǎn)、投資規(guī)模、供電及傳輸通道等因素的限制，監(jiān)控系統(tǒng)布設(shè)密度非常有限，存在很多監(jiān)控盲區(qū)。實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控路段和地區(qū)的實(shí)時(shí)視頻信息傳輸實(shí)現(xiàn)管理者遠(yuǎn)程指揮、調(diào)度交通異常事件最大限度地減少突發(fā)事件造成的損失，是高速公路信息監(jiān)控急待解決的問(wèn)題。 高速公路監(jiān)控系統(tǒng)是調(diào)整公路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全、高效、節(jié)能及環(huán)保運(yùn)行的重要手段。在現(xiàn)有的道路和環(huán)境條件下，通過(guò)對(duì)采集的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、處理和預(yù)測(cè)，采取有效的交通控制手段，預(yù)防可能發(fā)生的交通事件、事故和阻塞；當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)性交通事故或道路環(huán)境變化而導(dǎo)致交通阻塞時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取有效措施進(jìn)行緩解和排除，以防止對(duì)路網(wǎng)交通產(chǎn)生更大的影響，進(jìn)而提高路網(wǎng)運(yùn)行的利用效率和安全性。收費(fèi)監(jiān)控系統(tǒng)主要是對(duì)收費(fèi)站的車(chē)道、收費(fèi)廣場(chǎng)、收費(fèi)亭的收費(fèi)情況，對(duì)收費(fèi)車(chē)道通過(guò)的車(chē)輛類(lèi)型、收費(fèi)員的操作過(guò)程以及收費(fèi)過(guò)程中的突發(fā)事件和特殊事件進(jìn)行觀察和記錄，實(shí)施有效的監(jiān)督。其主要功能是以收費(fèi)站為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)、視頻、音頻等信息的采集，傳送到監(jiān)控室或監(jiān)控分中心進(jìn)行處理和分析，完成整個(gè)收費(fèi)過(guò)程。圖像監(jiān)控是指在收費(fèi)廣場(chǎng)、收費(fèi)車(chē)道和收費(fèi)亭等處設(shè)置攝像頭，采集視頻信息，監(jiān)控員在監(jiān)控室通過(guò)監(jiān)視器實(shí)現(xiàn)對(duì)通過(guò)收費(fèi)車(chē)道的車(chē)輛、收費(fèi)人員的操作過(guò)程，包括通行券(卡)的發(fā)放、回收以及收費(fèi)找零情況等進(jìn)行有效的監(jiān)督，并能人工或自動(dòng)啟動(dòng)錄像設(shè)備記錄沖卡車(chē)輛和其他異常情況。根據(jù)道路監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求和設(shè)備特點(diǎn)，系統(tǒng)又可分為交通信息采集系統(tǒng)、交通狀態(tài)分析系統(tǒng)、交通控制系統(tǒng)等?！　〗煌ㄐ畔⒉杉到y(tǒng)的功能是獲取交通信息原始數(shù)據(jù)，通過(guò)車(chē)輛檢測(cè)器、檢測(cè)線(xiàn)圈、通訊設(shè)備等形成的交通信息采集網(wǎng)，獲得路網(wǎng)中各路段的交通量數(shù)據(jù)；通過(guò)在重要地段的攝像機(jī)和視頻傳輸設(shè)備獲取該路段的視頻實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；通過(guò)氣象信息采集系統(tǒng)采集各個(gè)路段的能見(jiàn)度、溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨雪等氣象條件。若經(jīng)過(guò)視頻人工確定為交通事故則直接將相關(guān)信息傳遞給交通控制子系統(tǒng)；若不是交通事故，則計(jì)算機(jī)利用程序求得各路段的交通狀態(tài)參數(shù)，并利用交通流理論分析該路段的交通狀態(tài)。目前道路監(jiān)控系統(tǒng)在我國(guó)發(fā)展存在滯后性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足需要。近幾年來(lái)，一些發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛投入智能交通系統(tǒng)（ITS）的研究與開(kāi)發(fā)工作。但是在高速公路監(jiān)控系統(tǒng)方面的建設(shè)相對(duì)滯后，尤其是聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)和道路監(jiān)控方面與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在不小的差距。 LTE無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的組成基本包括數(shù)據(jù)采集終端、無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)接收終端及后臺(tái)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)幾大部分。(2) 無(wú)縫時(shí)接　　LTE無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的建立應(yīng)立足于高速公路信息監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀， 充分利用現(xiàn)有信息監(jiān)控資源。(3) 標(biāo)準(zhǔn)一致　　LTE無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的建立在局部范圍內(nèi)是為高速公路路段信息監(jiān)控服務(wù)但從高速公路信息監(jiān)控系統(tǒng)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)與重大緊急事件處理等角度考慮無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該納入省級(jí)高速公路信息監(jiān)控中心統(tǒng)籌安排的范疇之內(nèi)。(4) 易于升級(jí)　　隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和完善， 以及無(wú)線(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)的延伸， LTE無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)必然會(huì)出現(xiàn)升級(jí)改造的需求。本論文的具體安排如下： 第一部分：緒論 第二部分：LTE系統(tǒng)技術(shù)研究 第三部分：LTE系統(tǒng)在高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用 第四部分：LTE系統(tǒng)技術(shù)仿真 第五部分：總結(jié)和展望11長(zhǎng)安大學(xué)碩士學(xué)位論文第2章 LTE系統(tǒng)技術(shù)研究 LTE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及技術(shù)構(gòu)成 LTE系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3GPP對(duì)LTE項(xiàng)目的工作大體分為兩個(gè)時(shí)間段：2005年3月到2006年6月為SI(StudyItem)階段，完成可行性研究報(bào)告。在2007年中期完成LTE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定(3GPPR7)，在2008年或2009年推出商用產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的3GPP接入網(wǎng)相比，LTE減少了RNC節(jié)點(diǎn)。 LTE的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)和核心網(wǎng)兩部分，無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)稱(chēng)為EUTRAN，核心網(wǎng)稱(chēng)為EPC。 SGW：服務(wù)網(wǎng)關(guān)，與其他3GPP制式（GSM/UMTS）的錨點(diǎn)。 無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)由eNodeB構(gòu)成，對(duì)2G/3G的2層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。 LTE系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)成 LTE無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)是新一代的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，是未來(lái)通信發(fā)展的趨勢(shì)和目標(biāo)，他在多址技術(shù)和多天線(xiàn)技術(shù)方面進(jìn)行了革命性的改進(jìn)，我們從以下幾個(gè)方面來(lái)研究LTE系統(tǒng)的主要技術(shù)構(gòu)成[11]。FDD指的是上行信號(hào)(UE到基站)和下行信號(hào)(基站到UE)，發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)在相同的頻帶內(nèi)，上下行信號(hào)在不同的時(shí)隙發(fā)送。在HFDD中，基站仍采用全雙工FDD方式，終端的發(fā)送和接收信號(hào)雖然分別在不同的頻段上傳輸，采用成對(duì)頻譜，但其接收和發(fā)送不能在同時(shí)進(jìn)行。2. 多址技術(shù) LTE采用OFDMA作為下行多址技術(shù)方案，這并不是說(shuō)不是說(shuō)OFDMA技術(shù)比CDMA技術(shù)先進(jìn)而是由于3GPP的選擇。但是為了避免各子載波之間的十?dāng)_，不得不在相鄰的子載波之間保留較大的間隔，大大降低了頻譜效率。集中式將連續(xù)的子載波分配給一個(gè)信道，既可以在時(shí)域調(diào)度，又可以在頻域調(diào)度，獲得更多的用戶(hù)增益。 終端UE的發(fā)射功率有限，對(duì)上行技術(shù)的選擇有很大影響，為了降低多載波技術(shù)帶來(lái)的高PAPR(峰值平均功率比)的影響，在LTE中選用單載波FDMA(SCFDMA)做為上行多址技術(shù)。原理是在發(fā)射機(jī)的IFFT處理前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)擴(kuò)展處理。將每個(gè)用戶(hù)使用的子載波進(jìn)行DFT處理，由時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，然后將各用戶(hù)的頻域信號(hào)輸入IFFT模塊，由頻域轉(zhuǎn)換到時(shí)域并發(fā)送。3. MIMO技術(shù) 為了支持LTE在高數(shù)據(jù)率和大系統(tǒng)容量方面的需求，LTE系統(tǒng)支持多輸入多輸出技術(shù)，在LTE系統(tǒng)的下行鏈路，系統(tǒng)的基本天線(xiàn)配置為2*2，即2天線(xiàn)發(fā)送和2天線(xiàn)接收，最大支持4天線(xiàn)進(jìn)行下行方向四層傳輸。4. 小區(qū)間干擾抑制技術(shù) 因?yàn)镺FDM技術(shù)存在嚴(yán)重的小區(qū)之間干擾，在LTE的早期研究中，提出了小區(qū)干擾隨機(jī)化、小區(qū)干擾消除、小區(qū)干擾協(xié)調(diào)、回避等方法，這些方法可以結(jié)合起來(lái)使用。該技術(shù)最早是由馬可尼于1908年提出的，他利用多天線(xiàn)來(lái)抑制信道衰落（fading）。 通常，多徑要引起衰落，因而被視為有害因素。MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天線(xiàn)(或陣列天線(xiàn))和多通道，MIMO的多入多出是針對(duì)多徑無(wú)線(xiàn)信道來(lái)說(shuō)的。傳輸信息流s(k)經(jīng)過(guò)空時(shí)編碼形成N個(gè)信息子流Ci(k)，I=1，……，N。多天線(xiàn)接收機(jī)利用先進(jìn)的空時(shí)編碼處理能夠分開(kāi)并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實(shí)現(xiàn)最佳的處理。若各發(fā)射接收天線(xiàn)間的通道響應(yīng)獨(dú)立，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個(gè)并行空間信道。信源時(shí)空編碼S(k)N1……Ci(k)C1(k)時(shí)空解碼1MR1(k)Ri(k) MIMO系統(tǒng)原理圖 特別是，這N個(gè)子流同時(shí)發(fā)送到信道，各發(fā)射信號(hào)占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。通過(guò)這些并行空間信道獨(dú)立地傳輸信息，數(shù)據(jù)率必然可以提高。這是一種近于最優(yōu)的空域時(shí)域聯(lián)合的分集和干擾對(duì)消處理。 在不同的環(huán)境和天線(xiàn)配置下，H中的元素分布形式是不同的，這就導(dǎo)致了不同的信道模型和相應(yīng)的信道容量問(wèn)題。假設(shè)所有路徑時(shí)延都遠(yuǎn)小于發(fā)射符號(hào)長(zhǎng)度，第i個(gè)散射體對(duì)Nt個(gè)發(fā)送天線(xiàn)引入的Nt階陣列響應(yīng)矢量為αr，i(t)。此時(shí)，假設(shè)所有發(fā)送天線(xiàn)到散射體i的路徑損失洗相移近似相等。φit=φr,itφt,it。 當(dāng)信號(hào)帶寬增加，使得多徑時(shí)延擴(kuò)展將近或超過(guò)發(fā)射符號(hào)長(zhǎng)度時(shí)，信道就變成了頻率選擇性衰落信道。也可以直接對(duì)頻率選擇性的MIMO信道進(jìn)行建模和處理，但接收端均衡器的設(shè)計(jì)就變得非常復(fù)雜[5]。由此可看出，在理想情況下，MIMO系統(tǒng)的信道容量隨發(fā)送天線(xiàn) 和接收天線(xiàn)的最小值的增加二線(xiàn)性增加，上述公式是基于很多前提條件的，他們是：(1) 信道是平坦衰落信道，即信號(hào)帶寬遠(yuǎn)小于信道的相干帶寬。(2) 信道矩陣各元素之間是相互獨(dú)立的。(3) 式26是假設(shè)信道各元素是復(fù)高斯分布，即滿(mǎn)足包絡(luò)Rayleigh分布，但在實(shí)際中，可能是LOS分布或者Rice分布。(5) 信道是無(wú)記憶的。(7) 發(fā)射總功率有限，切平均分配給每個(gè)天線(xiàn)。(1) 下行MIMO應(yīng)用在下行MIMO中，LTE主要采用空頻分集技術(shù)，采用Alamouti編碼方式對(duì)發(fā)送的符號(hào)進(jìn)行頻域和空域編碼，因此這種碼塊又叫空頻碼塊(SFBC)，他將同一組數(shù)據(jù)承載在不同的子載波上面獲得頻率分集增益。由于多徑傳播，每個(gè)發(fā)射天線(xiàn)對(duì)于接收機(jī)產(chǎn)生不同的空間簽名，接收機(jī)利用這些這些不同的簽名分離出獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，最后再?gòu)?fù)用成原始數(shù)據(jù)流。LTE使用的是基于多碼字(Multiple CodeWord，MCW)的空間復(fù)用傳輸，他用于空間復(fù)用傳輸?shù)亩鄬訑?shù)據(jù)來(lái)自多個(gè)不同的獨(dú)立進(jìn)行信道編碼的數(shù)據(jù)流，每個(gè)碼字可以獨(dú)立的進(jìn)行速率控制，分配獨(dú)立的混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求(Hybrid Automatic RepeatreQuest，HARQ)。信道編碼碼字Q調(diào)制調(diào)制層映射.。層1層2層L圖 多碼字空間復(fù)用傳輸示意圖波束賦形是一種應(yīng)用于小間距的天線(xiàn)陣列多天線(xiàn)傳輸技術(shù)，其主要原理是利用空間的強(qiáng)相關(guān)性及波的干涉原理產(chǎn)生強(qiáng)方向性的輻射方向圖，使輻射方向圖的主瓣自適應(yīng)的指向用戶(hù)來(lái)波方向，從而提高信噪比，提高系統(tǒng)容量或覆蓋范圍。(2) 上行MIMO應(yīng)用上行MIMO對(duì)終端天線(xiàn)的要求較高，為了節(jié)省功率和降低射頻開(kāi)銷(xiāo)，在終端側(cè)期望使用更小數(shù)目的功放，上行MIMO引入天線(xiàn)選擇技術(shù)，這就要求終端有兩個(gè)或兩個(gè)以上的天線(xiàn)。與SUMIMO相比，MUMIMO可以獲得更多用戶(hù)分集增益，MUMIMO信號(hào)來(lái)自不同終端，更容易獲得信道之間的獨(dú)立性。當(dāng)每個(gè)OFDM符號(hào)插入一定的保護(hù)時(shí)間后，碼間干擾就幾乎可以忽略不計(jì)。 接收端首先對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理，完成定時(shí)同步和載波同步。 在OFDM系統(tǒng)中，由于調(diào)制的模式是可以自適應(yīng)變化的，因此每個(gè)子載波的調(diào)制模式是可變的，串/并變換需要分配給每個(gè)子載波數(shù)據(jù)段的長(zhǎng)度可以不同，當(dāng)有OFDM符號(hào)在無(wú)線(xiàn)信道傳輸時(shí)，由于頻率的選擇性衰落會(huì)導(dǎo)致某幾組子載波受到衰減，從而引起錯(cuò)誤，由于大多數(shù)的前向糾錯(cuò)嗎FEC工作在無(wú)碼分布均勻的情況下，因此為了提高系統(tǒng)性能，OFDM將數(shù)據(jù)交織作為串/并轉(zhuǎn)換的一部分，這可以通過(guò)把每個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)比特流隨機(jī)分配到各個(gè)子載波實(shí)現(xiàn)。 每一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)都包括多個(gè)經(jīng)過(guò)PSK或QAM調(diào)制的子載波，則OFDM系統(tǒng)發(fā)送端的通帶信號(hào)可以表示為：st=Rei=0N1directtt0T2expj2πfc+iNtt0, t0≤t≤t0+T 0, tt0 0, tt0+T(27)式中di——分配給每個(gè)子信道的信號(hào)； N——子載波的個(gè)