【正文】 G 技 術(shù) 的演 進 ，改 進 和增 強 了 3G 的空 中接口 技 術(shù) ，采 用正交 頻 分復 用 (O FDM， O rt hogonal Fre que nc y D iv is ion M ult iple xing)和多 輸 入多 輸 出( M I M O,Mult i I nput M ulti Out put)作 為 無 線 網(wǎng) 絡 演 進 的 唯一 標 準，提 高數(shù) 據(jù) 傳 送 速率 ，改善小區(qū) 邊緣 用 戶 性 能和提 高小 區(qū)容量 ，降 低系 統(tǒng) 延 遲 等 ；本 設計 介 紹 了 LTE 的 物理 層幀結(jié) 構(gòu) 及核 心 技 術(shù) OFDM，使 用 FPGA 平臺 實現(xiàn) LTE 接收機 通信 基 帶 的 仿真 驗 證實 現(xiàn) 的工 作情 況 。模擬蜂窩網(wǎng)的容量已不能滿足日益增長的移動用戶的需求。 20 年代 80 年初， 美國Qualm 公司 推出 了窄帶碼分多址 (CDMA,CodeDivision Multiple Access)蜂窩移動通信系統(tǒng)，這是移動通信系統(tǒng)發(fā)展中的里程碑。第二代移動通信系統(tǒng)主要是為了支持話音和低速率的數(shù)據(jù)業(yè)務而設計。但是由于 3G系統(tǒng)的核心網(wǎng)還沒有完全脫離第二代移動通信系統(tǒng)的核心 網(wǎng)結(jié)構(gòu)，普遍認為 3G系統(tǒng)僅僅是一個向未來移動通信系統(tǒng)過渡的階段。 長期演進 (Long Tern Evolution,LTE)是第一個從一開始就強調(diào)支持分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務的蜂窩移動通信系統(tǒng)，分組通信只是其中的一部分。LTE 作為未來的通信標準，能夠更好地利用頻譜，以更低的成本提供更好的覆蓋和信道容量 。 LTE 關(guān)鍵技術(shù) OFDM(正交頻分復用 ) OFDM, (Orthogonal Frequency Division Multiplexing， 正交頻分復用 )，與已經(jīng)普遍應用的頻分復用(FDM， Frequency Division Multiplexing)技術(shù) 類似 。 圖 21 OFDM系統(tǒng)與傳統(tǒng)多載波調(diào)制的頻譜效率比較 [1] 如圖 21 所示， FDM 中， 各個用戶所占的頻帶之間一般要求有保護帶寬，以免相互干擾。 OFDM作為 一種多載波傳輸方案，可以看做是一種調(diào)制技術(shù)，或者復用技術(shù)。正交頻分復用是多載波調(diào)制 (MCM， Multicarrier Modulation)的一種改進。 OFDM 系統(tǒng)的數(shù)學模型 OFDM[2]中 ，一個 OFDM 符號包括多個經(jīng)過調(diào)制的子載波。 串 并 變 換XX+信 道+并 串 變 換XX 圖 22 OFDM系統(tǒng)數(shù)學模型框圖 圖 23 包含 4 個子載波的 OFDM符號 如圖 23，該 OFDM 符號 包含 4 個子載波，假定子載波 都 具有相同的幅值和相位，實際應用中隨著數(shù)據(jù)符號的調(diào)制方式不同，每個子載波的幅值和相位也不全相同，每個子載波在一個 OFDM 符號周期內(nèi)都包含整數(shù)個周期 ，而且各個相鄰子載波之間都相差一個周期 ，如 (23) 1??∫ ??????(??2????????)????????0 (???2????????)????=21 ?? = ??0 ?? ≠ ?? (23) 對第 j個子載波進行相關(guān)解調(diào)， 在時間長度 T內(nèi)進行積分 ，如 (24)， 可得 ?????=1??∫ ??????(???2?? ????(?? ?????))∑ ?????????????1??=0????+??????(??2?? ???? (??? ????))????=∑ ????∫ ??????(??2????????? (?? ?????))????+?????????1??=0 ????=???? (24) 即對第 j個子載波進行相關(guān)解調(diào)可 恢復出期望符號 ????。矩形脈沖的 頻譜幅值為 sinc(fT)函數(shù)，該函數(shù)在頻譜為1/T的整數(shù)倍處均為零點。在每一個 子載波 頻譜 的 最大值處 ，所有其他子載波的頻譜幅度恰好為零 ，在解調(diào)過程中從這些相互重疊的子信道符號頻譜提取出每個子信道符號而不會受到其他子信道的干擾 (ICI)。 但子載波之間 存在頻偏時 就會導致這種正交性的破壞，即 OFDM系統(tǒng)對頻偏差較為敏感。 IFFT變換和 FFT變換的作用相 反 ，適用于任何的所有應用系統(tǒng)，其中上半部分為發(fā)射機鏈路，下半部分為接收機鏈路。 導頻數(shù)據(jù) ： 參考 信號 序列定義為 ????,????(??),公式如下： ????,????(??)= 1√2(1?2?c(2m))+?? 1√2(1?2? ??(2??+1)),?? = 0、 …2????????????,?????1； (25) (小區(qū)特定參考信號 )；包含有參考信號的 OFDM 符號上產(chǎn)生參考信號的偽隨機序列的初始種子由下式?jīng)Q定： ?????????? = 210 ?(7? (???? +1)+?? +1)? (2???????????????+1)+2???????????????+?????? (26) 4 其中： ?????? = {1 (正常 CP)0 (擴展 CP) (27) 表 21 配置 CP 參量 配置 ?????????? ?????????????? 正常 CP ?f = 15kHz 12 7 擴展 CP ?f = 15kHz 6 ?f = 24 3 正常 CP 情況下， RB 的大小為時域上 1 個 時隙 ，頻域上戰(zhàn) 12 個子載波。小區(qū)內(nèi)的主同步信號序列從 3 種 不同的序列中選擇一種，物理層小區(qū)標識組內(nèi)的 3 個物理層小區(qū)標識與 3 個主同步信號序列 一一對應 。 FDZC 序列長度為 63； PSC序列長度 =63(包括 DC) ????(??) = { ???????????(??+1)63 ?? = 0、 …、 30?????????(??+2)(??+1)63 ??= 3 3 …、 61 (28) 選擇不同的根索引 μ，可以得到互相關(guān)性很好的主同步信號。 把輸入數(shù)據(jù)流串并變換到 N 個并 5 行的子信道中， 使得每個調(diào)制子載波的數(shù)據(jù)周期可以擴 展 為原始數(shù)據(jù)符號周期的 N 倍， 時延 擴展與符號周期的數(shù)值比同樣降低 N倍。ISI)，在每個 OFDM符號之間插入 保護間隔 (GI,Guard Interval),保護間隔長度為 ????一般要大于無線信道中最大 時延擴展，這樣一個符號的 多徑 分量才不會 干擾 下一個符號 ，在這段保護間隔內(nèi)可以 選擇不插入任何信號，即 空白傳輸 ，然而在這種情況下，由于多徑傳播的 作用 ，會產(chǎn)生載波間干擾 (ICI)，即 破壞了 子載波間的正交性 。在 FFT 運算時間內(nèi)，第一個子載波和第二個子載波之間的周期數(shù)之差 ?T已不是 整數(shù)，當接收機對第一個子載波進行解調(diào)時，第二子載波會對第一子載波造成干擾，同樣，當接收機對第二子載波進行解調(diào)時，也會存在來自第一子載波的干擾 。 則符號的總長度 ???? = ???? +???????? (????為 OFDM 符號的總長度； ????為抽樣的保護間隔長度， ????????為 FFT 變換產(chǎn)生的 OFDM 符號長度 )。 保 護 間 隔 I F F T 輸 出 保 護 間 隔符 號 N + 1時 間符 號 N 1IFFTIFFT符 號 N復 制 圖 26 加入保護間隔的 OFDM 符號 MIMO(多輸入多輸出 ) MIMO： (MultipleInput MultipleOutput) [5]多輸入多輸出 。 表 24 SISO、 MIMO、 SIMO 結(jié)構(gòu)示意圖 類別 說明 示意圖 6 SISO 單發(fā)單收 (SISO)技術(shù)， 應用在傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)中 發(fā) 射接 收 MISO 多 發(fā)單 收 (MISO) 技術(shù)， 應用在發(fā)送分級系統(tǒng)中 發(fā) 射 接 收 SIMO 單 發(fā)多 收 (SIMO) 技術(shù)， 應用在接收分集系統(tǒng)中 發(fā) 射接 收 利用多天線傳輸將串行映射為并行，各自獨立 運行，采用各自的調(diào)制方式發(fā)送電波，同時也采用對應的解調(diào)方式進行接收電波。 接 收發(fā) 射 圖 27 MIMO 工作結(jié)構(gòu)示意圖 LTE 實現(xiàn)方式 LTE 標準定義了頻分雙工 (FDD)和時分雙工 (TDD)兩種方式。 FDD必須采用成堆的頻率，依靠頻率來區(qū)分上下行鏈路，其單方向的資源在時間上連續(xù)的。某個時間段由基站發(fā)送信號給移動臺，其余 由移動臺發(fā)送信號給基站，基站和移動臺之間必須協(xié)同一致才能順利工作。編號 0~19。 0 1 2 3 1 7 1 8 1 9一 個時 隙一 個 子 幀一 幀 = 1 0 m s 0 1 2 3C P 4 C P 5C P 6C P : 8 0C P : 7 2C P : 7 2C P : 7 2C P : 7 2 C P : 7 2 C P : 7 2C PC PC PC PI F F T / F F T : 1 0 2 41 m s0 . 5 m s 圖 28 FDDLTE 幀結(jié)構(gòu) 8 圖 29 FDDLTE 子載波分布 [5] 如圖 29 所示， 根據(jù) LTE 幀結(jié)構(gòu) ，在第 0 和第 4 符號進行插入導頻，在第 6 符號插入同步數(shù)據(jù) 。頻域間隔 6個子載波，使用交叉菱形狀導頻。每時隙占用 200 個 RE。 6 符號中添加同步 數(shù)據(jù) ，占用 74個子載波。每時隙占用 74 個 RE。 3 系統(tǒng)概述 該設計 基于 FDDLTE 協(xié)議，進行 LTE的核心技術(shù) OFDM,帶寬 10MHz基帶信號的實現(xiàn) ，由于時間的限制與自身知識體系架構(gòu)系統(tǒng) 還未 完善， OFDM 同步技術(shù)測試工作 暫時 還未完成， 現(xiàn)以 OFDM 基帶 9 信號 主體 作為本課題 。輸出信號的 復等 效基帶信號 ???? =∑ ????exp (???2???????? )???1??=0 (0≤ i ≤ N?1) ????≤??≤????+????????∩??????+?? (31) 實部和虛部分別對應 OFDM符號的同相和正交分量 。 改善途徑 ： 把長序列的 DFT 分解成短序列的 DFT 運算 利用系數(shù) ????nk的周期性： ????m+??N = ?????2????(??+????) = ?????2???? ???????2???? = ?????2???? ??(cos(?2????)+??sin(?2????)) = ?????2?????? = ????m (35) 對稱性 ????N?m = ?????2????(?????) = ????2???????????2?? = ????2??????(cos(?2??)+??sin(?2??))= ????2?????? = ?????m (36) [????N?m]? = ,?????m? =????m (37) ????m+??2 = ?????2???? (m+??2) = ?????2????????????? = ?????2??????(cos(???)+??sin(???)) = ??????2?????? = ?????m (38) FFT 算法利用 ????nk的周期性和對稱性來實現(xiàn)把長序列的 DFT 分解成短序列的 DFT，以減少 DFT 的運算次數(shù) 。、 N1 (39) 根據(jù) ???? = ?????2???? ,則 IDFT 為： x(n)=1??∑ ??(??)???1??=0 ?????nk, n=0、 所以 N=2??的序列 x(n)共 L 級蝶形運算，每級由 N/2 個蝶形運算組成。每一級運算都需要 N/2 次復數(shù)乘和 N 次復數(shù)加 (沒個蝶形需要兩次復數(shù)加法 )，即 M 級運算總的 復數(shù)乘次數(shù)為 ???? = ??2 ??=??2lbN (317) 復數(shù)加法次數(shù)為 ???? = N??=NlbN 直接計算 DFT 與 FFT 算法的計算量之比為 ： 圖 34 直接計算 DFT 與 FFT 算法的計算量之比 [6] 結(jié)論： FFT 算法的優(yōu)越性， N 越大，優(yōu)越性越明顯 DIF 的基 2FFT 算法 按頻率抽選的基 2FFT 算