西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 頁 摘要 l t e 系統(tǒng)是為了解決移動通信技術(shù)更好的融合無線寬帶接入方案而提出的新一代 的無線通信系統(tǒng)。它上行支持單載波頻分多址的接入技術(shù)，下行支持正交頻分多址接 入的技術(shù)，同時支持多天線m i m o 技術(shù)擴展通信容量。o f d m 技術(shù)同m i m o 多天線技 術(shù)的結(jié)合使用也使得l t e 系統(tǒng)的接收性能和數(shù)據(jù)傳輸速率大為提高，而信道估計技術(shù) 在接收端對信道同步，信號的檢測與接收以及相關(guān)解調(diào)等方面都有著重要的影響。 本文首先簡單介紹了l t e 技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)背景，對l t e 系統(tǒng)目前的研究和商用 現(xiàn)狀做了簡單的總結(jié)。概括介紹了其物理層協(xié)議和o f d m 基本原理，簡單描述了多輸 入多輸出的天線技術(shù)原理，對移動通信系統(tǒng)中使用的無線信道特性和常見的衰落信道 模型做了簡單的介紹。對l t e 系統(tǒng)下行常見的o f d m 信道估計算法如基于最小二乘算 法的估計方法，基于最小均方誤差準則的估計算法以及常用的基于離散傅里葉變換的 信道估計方法的原理做了簡單的概括和一些公式的推導(dǎo)。介紹了幾種常見的信道插值 算法，并對引入虛載波后的信道估計方法進行了仿真對比分析。 對常見的幾種加窗方案進行了性能仿真，對比分析后選取合適的加窗方案；同時 為了減輕邊緣效應(yīng)的影響，采用了邊緣值重復(fù)的方法來補償缺失的虛載波處的信道響 應(yīng)。重點給出了一種基于小波分解的優(yōu)化算法并將其同傳統(tǒng)算法做了仿真比較與結(jié)果 分析，仿真結(jié)果顯示基于小波分解的優(yōu)化算法性能優(yōu)于傳統(tǒng)的估計算法。并且在l t e 下行2 發(fā)2 收多天線系統(tǒng)中分別對傳統(tǒng)的估計算法和給出的信道估計優(yōu)化算法進行仿 真比較，仿真結(jié)果及其分析進一步表明了多天線系統(tǒng)的性能增益和所給估計方法的有 效性。 最后通過對基于d c t 的估計算法和d f t 估計算法的性能比較，給出了一種基于 離散余弦變換聯(lián)合小波分解的優(yōu)化估計方法，使用d c t i d c t 來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的i d f t d f t 操作，在單天線和多天線條件下分別進行仿真對比，結(jié)果表明基于d c t 優(yōu)化算法的性 能同基于小波分解的方法性能相比有了一定的改善。 關(guān)鍵詞：長期演進；正交頻分多址；信道估計；小波分解；離散余弦變換 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1l 頁 a b s t r a c t l t b s y s t e mi san e wg e n e r a t i o ns y s t e mo nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，w h i c hi sd e s i g n e d f o ri n t e g r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o na n db r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g y i t su p l i n k s u p p o r t st h es i n g l e c a r r i e rf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s ss c h e m e ，a n di nt h ed o w n l i n k o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g yi sa d o p t e d a n dm e a n w h i l e ，i t s u p p o r t st h em u l t i a n t e n n at e c h n o l o g yw h i c hi s c a l l e dm i m o ，m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l e o u t p u t m sc o m b i n i n gt e c h n o l o g yi nm d o w n l i n ks y s t e mc o u l de x p a n dt h ec a p a c i t yo f c o m m u n i c a t i o n sa n dg r e a t l yi m p r o v et h er a t eo fd a t at r a n s m i s s i o n h o w e v e r , t h et e c h n o l o g y o fc h a n n e le s t i m a t i o ni sv e r ys i g n i f i c a n tf o rs y n c h r o n i z a t i o na n ds i g n a ld e t e c t i o n , a n di th a s a i li m p o r t a n ti n f l u e n c eo nr e l a t e dd e m o d u l a t i o na n dc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h e r e c e i v e rs y s t e m f i r s t l y , t h i sa r t i c l eb r i e f l yd e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n to f l t et e c h n o l o g ya n di t sr e l a t e d b a c k g r o u n d ，a n ds u m m a r i e st h ec u r r e n ts t u d ya n dt h ec o m m e r c i a ls t a t u so ft h el t es y s t e m ， a n dt h e nm a k e sa no v e r v i e wo ft h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h ep h y s i c a ll a y e rp r o t o c 0 1 o f d m t e c h n o l o g ya n dt h em u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u ta n t e n n at e c h n o l o g ya r es i m p l yd e s c r i b e d ， a f t e rt h a t , d i s c u s s i o n sa n dp r e s e n t a t i o n sa b o u tt h ew i r e l e s sc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c sa n d c o m m o nf a d i n gc h a n n e lm o d e la r em a d eo nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s e c o n d l y , t h es u m m a r i z ea n ds o m ed e r i v a t i o no fo f d mc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m si nt h ed o w n l i n k l t e s y s t e ma r ec a r d e do u t , w h i c hc o n t a i n l e a s ts q u a r e sa l g o r i t h m ，t h ee s t i m a t i o na l g o r i t h m b a s e do nt h ec r i t e r i ao fm i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o ra n dt h ec o m m o nc h a n n e le s t i m a t i o n m e t h o db a s e do nd i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，a n dt h e ni t i n t r o d u c e ss e v e r a lc h a n n e l i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m s a n da f t e r t h ei n t r o d u c t i o no ft h ev i r t u a lc a r r i e r ，m es i m u l a t i o n a n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i sa r ec a r d e do nt r a d i t i o n a lc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o da n d t h e d c t - b a s e dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m a n dt h e ns e v e r a ls i m u l a t i o np l a n sa r em a d ef o rt h eb e t t e rw i n d o wp r o g r a m ，a n di n o r d e rt om i t i g a t et h ei m p a c t so fe d g ee f f e c t s ，t h ee d g ev a l u er e p e t i t i o nm e t h o di su s e dt o c o m p e n s a t ef o rt 1 1 ec h a n n e lr e s p o n s eo nt h em i s s i n gv i r t u a lc a r d e r t h i sa r t i c l ef o c u s e s o na n o p t i m i z a t i o ne s t i m a t i o nm e t h o db a s e do n w a v e l e td e c o m p o s i t i o n a f t e rt h es i m u l a t i o n c o m p a r e dw i t ho t h e rr e l a t e da l g o r i t h m s ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h e m e t h o db a s e do nw a v e l e td e c o m p o s i t i o ni sb e t t e rt h a nt h ep e r f o r m a n c eo ft h et r a d i t i o n a l d f ta l g o r i t h m 1 1 1 et r a d i t i o n a le s t i m a t i o na l g o r i t h ma n dt h ep r o p o s e dc h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h ma r ea l s os i m u l a t e di nt t l em i m o a n t e n n as y s t e mo fl 1 陋，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s a n df u r t h e ra n a l y s i si n d i c a t et h ep e r f o r m a n c eg a i no ft h em u l t i - a n t e u n as y s t e ma n dv e r i f yt h e 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第l il 頁 v a l i d i t yo f t h ec h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d s f i n a l l y , t h r o u g ht h ec o m p a r i s o nb e t w e e nd c ta l g o r i t h ma n dd f ta l g o r i t h m ，ac h a n n e l e s t i m a t i o n a l g o r i t h mo fw a v e l e td e c o m p o s i t i o nj o i n t 誦t l ld i s c r e t e c o s i n et r a n s f o r mi s p r o p o s e d ，w h i c hm a k e su s eo fd c t i d c t t or e p l a c et h et r a d i t i o n a li d f t d f to p e r a t i o n t h ea l g o r i t h m sa l es i m u l a t e dr e s p e c t i v e l yi nt h el t es i n g l ea n t e n n as y s t e ma n dm i m o a n t e n n as y s t e m ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e p i c tt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h eo p t i m i z a t i o n a l g o r i t h mi sb e t t e rt h a nt h ea l g o r i t h mb a s e do nw a v e l e td e c o m p o s i t i o n k e yw o r d s ：l t e ；o f d m ；c h a n n e le s t i m a t i o n ；w a v e l e td e c o m p o s i t i o n ；d i s c r e t ec o s i n e t r a n s f o r m 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 頁 1 1l t e 技術(shù)的發(fā)展與背景 第1 章緒論 1 1 1 無線通信系統(tǒng)的發(fā)展 從1 9 世紀末首次無線通信實驗的開始，移動通信經(jīng)歷了長足的發(fā)展，也滲入到人們 生活的各個方面。起初的通信系統(tǒng)采用的是頻分多址的接入技術(shù)，核心是模擬的語音信 號技術(shù)。隨著2 0 世紀8 0 年代數(shù)字移動通信的出現(xiàn)，模擬通信網(wǎng)絡(luò)的容量已經(jīng)跟不上用 戶的需求，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展和成熟，推動了第二代g s m 移動通信系統(tǒng)的發(fā)展，采 用碼分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 和時分多址( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，) m a ) 接入技術(shù)，主要傳輸數(shù)字語音信號，促進了系統(tǒng)容量的增加，業(yè)務(wù)服 務(wù)質(zhì)量上的提高，也促進了真正意義上的數(shù)字移動終端的出現(xiàn)，為我們所熟知的g s m 系統(tǒng)和i s 9 5 系統(tǒng)就是其中典型的應(yīng)用。在2 g 和3 g 通信系統(tǒng)之間還存在一種加強數(shù)據(jù) 支持的被稱作2 5 g 過渡的系統(tǒng)，它相對的提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，改善了對頻譜的利用率， 如g p r s 系統(tǒng)l 。 第三代移動通信技術(shù)主要涵蓋了三種技術(shù)標準：w c d m a 技術(shù)，c d m a 2 0 0 0 以及我 國提出的t d s c d m a 技術(shù)，目前已經(jīng)在很多國家商用，為用戶提供寬帶移動服務(wù)，從 技術(shù)層面來看，c d m a 仍是核心的技術(shù)，但是它向用戶提供了更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和帶 寬，隨著國內(nèi)3 g 系統(tǒng)的商用，各個運營商也相繼推出了代表其寬帶移動技術(shù)的數(shù)據(jù)解 決方案【l 】o 2 0 0 4 年1 2 月3 g p p 正式提出并啟動了l t e 的相關(guān)研發(fā)工作，作為3 g 技術(shù)的后續(xù) 演進方案，l t e 是在3 g 技術(shù)的基礎(chǔ)上，為了降低系統(tǒng)和終端的復(fù)雜性和功耗，減少成 本，用來支持電信行業(yè)后續(xù)發(fā)展而提出的下一代移動通信系統(tǒng)，它明確要求靈活的頻譜 分配，目前l(fā) t e 系統(tǒng)支持1 4 m h z ，3m h z ，5m h z ，1 0m h z ，1 5m h z ，2 0m h z 等幾 種帶寬分配方式【2 j 。 長期演進方案的主要技術(shù)指標包括要求更低的延時，更高的用戶數(shù)據(jù)傳輸速率，優(yōu) 化分組，改善系統(tǒng)的容量并且降低成本等，其中當系統(tǒng)帶寬為2 0 m h z 時，上行鏈路的 峰值速率要求達到5 0 m b i t s ，同時下行鏈路支持的峰值速率也要求達到1 0 0 m b i t s 3 1 。 第三代移動通信系統(tǒng)已經(jīng)演進到l t e 階段，但是技術(shù)并不會就此停止進步，它會緊 隨用戶需求的變化而繼續(xù)向前演進，l t e a d v a n c e d 就是l t e 技術(shù)的后續(xù)研究之一，于 0 8 年6 月份完成的l t e a 的技術(shù)報告中就提出了下行支持的峰值速率要達到1 g b i t s ， 上行峰值速率達到5 0 0 m b i t s 的更高的需求，將無線寬帶接入技術(shù)融合進移動通信系統(tǒng) 中，充分利用現(xiàn)有的無線頻譜【4 】。l t e 演進方案支持的最大的系統(tǒng)帶寬為2 0 m h z ，同支 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 頁 持5 m h z 帶寬的c d m a 技術(shù)相比，降低了實現(xiàn)的復(fù)雜度，同時為了得到更快的數(shù)據(jù)速 率和更低的時延，l t e 在物理層采用了嶄新的系統(tǒng)架構(gòu)和很多新的技術(shù)。 1 1 2 l 1 e 發(fā)展的現(xiàn)狀 隨著今年在西班牙巴塞羅那召開的世界移動通信大會m w c ( m o b i l ew o r l d c o n g r e s s ) 的落幕，l t e 商用計劃再次成為了話題的焦點，各個設(shè)備商和終端提供商都 相繼展示了其未來幾年的發(fā)展方向，其中就不乏l t e 的手機終端，智能平板產(chǎn)品，隨著 用戶對便攜，快速數(shù)據(jù)量傳輸要求越來越高，下一代l t e 移動通信系統(tǒng)以其特有的高速， 大容量的重要性，被越來越多的國家和廠商所重視，可以有效的改進移動網(wǎng)絡(luò)運營商的 服務(wù)質(zhì)量和滿足用戶間不斷提高的業(yè)務(wù)需求。 目前，世界上主要的設(shè)備提供商都在積極的增加對l t e 技術(shù)的研發(fā)投入和繼續(xù)引領(lǐng) l t e 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，基于不同頻段和制式場景的端到端解決方案也相繼被提出并投入應(yīng)用， 截止目前全球范圍內(nèi)已經(jīng)有多個國家和地區(qū)部署了l t e 商用網(wǎng)絡(luò)，l t e 系統(tǒng)的優(yōu)異性能 已經(jīng)在實際的商業(yè)應(yīng)用中得到了驗證。全球各個主流運營商也都積極的參與其中，分別 部署其相應(yīng)的升級演進方案，為客戶提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更加穩(wěn)定的解決方案。 移動通信目前正快速增長著，而長期演進方案就可以為終端用戶提供更高標準的速率， 更好的通話質(zhì)量和更加簡單的操作。 l t e 支持t d d 和f d d 兩種雙工方式，而其中t d l t e 制式是由我國主導(dǎo)的4 g 標 準之一，除了f d - l t e 和t d - l t e 之外，l t e 技術(shù)和3 g ，w l a n 的融合也是各個運營 商的主要組網(wǎng)方案。目前為止，f d l t e 技術(shù)已經(jīng)在歐洲，北美地區(qū)，和亞洲的日本等 國家和地區(qū)進行了商用，在瑞典，德國，挪威等國家采用的l t e 方案的網(wǎng)絡(luò)性能都到達 了不錯的水準。由我國主導(dǎo)的t d l t e 解決方案也已經(jīng)在杭州等地開始了大規(guī)?，F(xiàn)場測 試，不久也將在多個城市試點商用，隨著l t e 技術(shù)進入實質(zhì)意義上的規(guī)模商用，移動通 信的發(fā)展將進入新的階段。 長期演進計劃是移動通信系統(tǒng)為了滿足日益增長在移動性和更高的多媒體應(yīng)用質(zhì)量 上的需求，主要的技術(shù)指標包括要求更低的延時，更高的用戶數(shù)據(jù)傳輸速率，優(yōu)化分組， 改善系統(tǒng)的容量并且降低成本等，在現(xiàn)有基站規(guī)劃不改變的情況下，增加小區(qū)邊緣的信 號質(zhì)量和傳輸速度，支持現(xiàn)有3 g 系統(tǒng) 4 1 。 1 2 信道估計研究的意義和現(xiàn)狀 在無線通信系統(tǒng)中，由于無線信道具有較大隨機性的特性，導(dǎo)致信號在傳播過程中 會產(chǎn)生相位的偏移和幅度的變化，繼而產(chǎn)生符號間干擾等，當信號經(jīng)過無線衰落信道后 需要在接收端進行解調(diào)恢復(fù)，此時就需要信道估計來確定信道的相關(guān)信息，所以研究較 為精確的信道估計方案對相關(guān)解調(diào)而言有著重要的意義，信道估計的精度將會直接影響 到整個通信系統(tǒng)的性能【5 j 。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第3 頁 信道估計的實質(zhì)就是對發(fā)送端與接收端之間的信道頻率響應(yīng)進行估計，接收機可以 通過信道估計的處理得到無線信道完整的沖激響應(yīng)，在信道均衡時信道估計也常被用來 降低符號間的干擾，在接收端，最大似然檢測和分集技術(shù)都需要通過相應(yīng)的信道估計技 術(shù)來降低接收錯誤率，實現(xiàn)最佳的信號接收【6 j 。 關(guān)于傳統(tǒng)的基于o f d m 的信道估計方法，目前已經(jīng)有很多經(jīng)典的算法和研究方案。 很多文獻中均對傳統(tǒng)的信道估計方法有了較深入的研究，一般來說將信道估計的方法分 為這么幾類：一類是基于導(dǎo)頻的信道估計算法見利用接收端已知的參考信號的響應(yīng)值 來對整個信道進行估計，這類方法應(yīng)用比較廣泛，但是傳輸導(dǎo)頻符號會造成傳輸速率降 低，帶寬利用率低，這類方法中按照參考信號結(jié)構(gòu)的不同又可分為基于塊狀導(dǎo)頻的估計 算法和基于梳狀導(dǎo)頻【8 】的估計算法，以及本文將要采用的基于散列二維分布的導(dǎo)頻結(jié)構(gòu) 的估計算法。一類是盲信道估計算法【9 】，這類算法通常需要事先知道信道相關(guān)的先驗信 息和統(tǒng)計特性，通過這些信息預(yù)估計出信道響應(yīng)值，因為不需要利用導(dǎo)頻參考信號，帶 寬利用率比較高，但是這類算法的計算復(fù)雜度一般都很高，在實時性要求很高的l t e 系 統(tǒng)中有一定的實用限制。 而具體到算法本身，很多文獻也提出了各種不同類型的算法，常用的基于導(dǎo)頻符號 的信道估計算法有針對時域和頻域的最小二乘算法【i o 】，基于最小均方誤差準則的m m s e 算法【n 1 及其改進的l m m s e 算法，同時還有基于d f t 的變換域信道估計算法1 1 2 】和基于 特征值分解的信道估計算法【1 3 】；而盲信道估計算法有基于子空間的盲估計算法【1 4 】，還有 基于最小均方l m s 算法【1 5 】，遞歸r l s 算法【16 】等自適應(yīng)方案的信道估計方法，同時對于 需要引入虛擬子載波【1 刀的o f d m 系統(tǒng)，還有相應(yīng)的信道估計研究，有利用最小二乘估計 來替換虛擬載波的邊緣處的部分載波置換的方法【l 引，采用邊緣重置方法轉(zhuǎn)移不連續(xù)的信 道響應(yīng)造成的干擾【1 9 1 ，對空載波處進行迭代d c t 處理的估計算法【2 0 】等。 1 3 本文主要工作和章節(jié)安排 本文首先介紹了l t e 的背景知識及其相關(guān)的標準，描述了其中關(guān)鍵的物理層技術(shù)和 多輸入多輸出的天線技術(shù)；通過對無線信道相關(guān)特性和參數(shù)的描述，簡單介紹了本文所 采用的空間信道基本模型；通過分析和對比普通導(dǎo)頻插入模型，對基于l t e 系統(tǒng)下行鏈 路的導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)，主要是小區(qū)參考信號的結(jié)構(gòu)作了簡單介紹。對常用o f d m 信道估計算法 作了簡單介紹和推導(dǎo)，對虛載波的引入及其產(chǎn)生的影響作了簡單闡述和仿真分析。 在通過仿真對比并選取合適的加窗方案后，給出了一種基于小波分解的優(yōu)化算法進 行信道估計，然后同傳統(tǒng)的信道估計算法進行了性能比較，同時進一步給出一種以離散 余弦變換取代d f t 運算的優(yōu)化估計方法，將信號轉(zhuǎn)換至變換域進行降噪處理，并同之前 提到的信道估計算法進行仿真比較。 最后將給出的信道估計算法引入到多天線系統(tǒng)中，采用2 發(fā)2 收空頻編碼模式 ( s f b c ) 進行仿真，進一步驗證算法在l t e 下行系統(tǒng)中的可行性。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第4 頁 本文的主要章節(jié)結(jié)構(gòu)安排： 第一章首先概述了無線通信系統(tǒng)的演進歷史以及目前l(fā) t e 技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對進行 信道估計的目的和意義及其研究的現(xiàn)狀做了簡單的介紹。 第二章首先對l t e 系統(tǒng)的物理層協(xié)議和o f d m 中采用的基本技術(shù)進行簡單的介紹， 然后簡述了通信系統(tǒng)中無線傳播信道的基本特性和常見衰落模型，最后對本文仿真使用 空間信道的模型及相關(guān)參數(shù)進行了簡要的介紹。 第三章首先介紹了l t e 下行鏈路的參考信號模型，對文中將要采用的導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)進行 了簡單描述，接著對傳統(tǒng)的基于參考信號的信道估計方法和常用的數(shù)據(jù)插值算法做了簡 單的介紹，并通過對引入虛載波的處理，對常見參考信號位置的信道估計性能進行了仿 真分析。 第四章首先介紹了小波變換的概念，對已有研究中小波分解細節(jié)分量和噪聲之間的 數(shù)學(xué)關(guān)系進行了簡單推導(dǎo)，然后對常見的經(jīng)驗加窗方法進行了仿真對比從而選取合適的 方案應(yīng)用，最后針對傳統(tǒng)的d f t 估計算法給出基于小波分解的優(yōu)化估計算法，在單天線 和2 發(fā)2 收多天線系統(tǒng)下分別進行了仿真分析。 第五章首先將傳統(tǒng)d c t 算法引入虛載波處理后應(yīng)用到l t e 下行信道估計中，將其 同傳統(tǒng)d f t 算法進行了性能仿真比較，然后嘗試引入一種基于離散余弦變換聯(lián)合小波分 解的信道估計算法，并將其同基于小波分解的優(yōu)化算法進行了仿真分析和性能對比，最 后采用s f b c 編碼2 發(fā)2 收的天線模型對給出的信道估計方案進行仿真驗證與分析。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第5 頁 第2 章l t e 系統(tǒng)下行常用技術(shù)和無線信道特性 l t e 系統(tǒng)下行鏈路采用正交頻分多址接入方案( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e a e c e s s ，o f d m a ) ，上行鏈路則采用的是單載波頻分多址接入方案( s i n g l ec a r d e r f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，s c f d m a ) ，這些多址方案的使用保證了傳輸?shù)挠?戶數(shù)據(jù)間的正交性，降低了系統(tǒng)間的干擾。通過對網(wǎng)絡(luò)的擴展性的改善，減少網(wǎng)元的數(shù) 量，最大程度的降低時延來增強系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的容量。在下行鏈路方案中，2 0 m h z 的帶寬下 采用2 發(fā)2 收的多入多出天線( m u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 技術(shù)，提供的用 戶數(shù)據(jù)速率峰值最高可達1 5 0 m b i t s ，如果采用4 發(fā)4 收的天線收發(fā)技術(shù)，用戶數(shù)據(jù)傳 輸速率最高可達3 0 0 m b i t s 【3 】。通常下行的物理信道【2 l j 被分為以下幾種類型：物理下 行共享信道p d s c h ，物理廣播信道p b c h ，物理多播信道p m c h ，物理控制格式指示信 道p c f i c h ，物理下行控制信道p d c c h ，和物理a r q 信道p h i c h 等，而本文的研究就 是基于p d s c h 信道，這是l t e 系統(tǒng)下行信道主要的數(shù)據(jù)傳輸承載媒介瞄j 。 2 1l 1 r e 系統(tǒng)常用技術(shù) 2 1 1l t e 系統(tǒng)的物理層協(xié)議 l t e 接入網(wǎng)有3 個層次的協(xié)議結(jié)構(gòu)【l 】，物理層位于最下層，向上層傳輸數(shù)據(jù)服務(wù)， l t e 系統(tǒng)上行鏈路采用單載波頻分多址接入技術(shù)，下行鏈路采用基于循環(huán)前綴( c y c l i c p r e f i x ) 的多載波正交頻分多址接入技術(shù)。同時為了采用更加靈活的頻譜分配方式，支持 時分雙工( f d d ) 和頻分雙- 1 - ( t d d ) 兩種雙工方式。 l t e 系統(tǒng)使用無線幀來傳輸數(shù)據(jù)信號，1 個幀的長度為1 0 m s ，在圖2 1 所示的f d d 幀結(jié)構(gòu)中一個無線幀又可分為1 0 個lm s 的子幀( s u b f r a m e ) ，每個子幀又分為兩個長度 為0 5m s 的時隙( s l o t ) ，時間單位c 定義為z = 1 ( 1 5 0 0 0 x2 0 4 8 ) s ，這樣一個無線幀長 r r = 3 0 7 2 0 0 t =，而一幀又是由20個時隙組成，每個時隙長度為,10res r , 。= ； ，同時兩個相鄰的時隙又組成了一個子幀【2 l 】i o 1 5 3 6 0 r 0 5 m s 一個無線幀0 0 m s ) ! 一個時隙( 0 5 m s ) _ - 圖2 - 1f d d 幀結(jié)構(gòu)【2 1 】 在圖2 2 所示的t d d 幀結(jié)構(gòu)中，一個無線幀長也是1 0 m s ，它又被分為長度5 m s 的兩個半幀，每個半幀又可以分為5 個長為l m s 的子幀，每個子幀由兩個時隙組成，每 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第6 頁 個時隙長度為0 5 m s ，特別的，特殊子幀由u p p t s ，g p ，d w p t s 這3 個時隙組成，u p p t s 用于承載信道和導(dǎo)頻信息，發(fā)送上行信號：g p ( g u a r dp e r i o d ) 是時分雙工模式中進行 上下行切換的保護間隔；d w p t s 則被用于下行數(shù)據(jù)的傳輸。 一十無線幀長t f - - 3 0 7 2 0 0 t , = 1 0 m - * - 1 0 眥1 霉2 竺：im、_、-、。-、。、ij二一。-r 鬻挈2 嘲=、“- 一- - “、一。- 一 g - , i o子拋子i ! 3子蝴予蜘子幀7子幀b子幀9 ) 0 礎(chǔ)i t 子, = ii乞lf l ffifff 圖2 - 2t d d 幀結(jié)構(gòu)【2 1 】 、 l t e 系統(tǒng)中用于上下行資源傳輸?shù)淖钚挝环Q作資源粒子( r e s o u r c ee l e m e n t ) ，物 理資源塊( p h y s i c a lr e s o u r c eb l o c k ) 在l t e 系統(tǒng)中被定義為空中接口的資源分配的單位， 1 個資源塊是由若干個r e 組成，它的頻域帶寬1 8 0 k h z ，時間為一個時隙的長度0 5 m s ， 在時域方向上含有連續(xù)的7 個o f d m 符號，同時在頻域方向含有連續(xù)的1 2 個子載波。 l t e 系統(tǒng)就是根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)子載波數(shù)目的不同，從而映射出物理資源塊數(shù)目也不同，實 現(xiàn)不同的系統(tǒng)帶寬，如表2 1 給出的l t e 系統(tǒng)在不同帶寬下的具體參數(shù)： 表2 1l t e 系統(tǒng)參數(shù)瞄】 系統(tǒng)帶寬( m h z ) 1 4351 01 52 0 f f t 點數(shù)1 2 82 5 65 1 21 0 2 4 1 5 3 6 2 0 4 8 有效子載波數(shù) 7 21 8 03 0 06 0 09 0 01 2 0 0 虛擬子載波數(shù) 5 57 52 1 14 2 36 3 58 4 7 采樣頻率( m n z ) 1 9 23 8 47 6 81 5 3 62 3 0 43 0 7 2 資源塊數(shù)目 61 5 2 55 0 7 5 1 0 0 時隙 0 5 m s 子載波一個r b 內(nèi)循環(huán)前綴 間隔o f d m 個數(shù)長度 常規(guī)c p7 個 160 ( ，= 0 ) z x f = 1 5 k h z 1 4 4 ( ，= 1 ，2 ，6 ) 4 = 1 5k h z 6 個 5 1 2 q = q l , ，勻 擴展c p 鷺= 7 5k h z 5 個 1 0 2 4a = 0 ，1 ，2 ) 當l t e 系統(tǒng)帶寬為2 0 m h z 時，實際參與傳輸?shù)挠行ё虞d波只有1 2 0 0 ，而滿足f f t 運算的長度為2 0 4 8 點，此時在子載波間隔為1 5 k h z 時，信道的采樣頻率就是 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第7 頁 2 0 4 8 1 5 k h z = 3 0 7 2 m h z ，本文后面仿真所采用的參數(shù)都是基于信道帶寬為2 0 m h z ， 循環(huán)前綴( c p ) 的長度為1 4 4 ，傳輸?shù)馁Y源塊為1 0 0 ，采樣頻率為3 0 7 2 m h z 的條件下的。 2 1 2o f d m 技術(shù)的基本原理 圖2 3 是常用o f d m 系統(tǒng)基帶模型【6 】，發(fā)送端的數(shù)據(jù)在經(jīng)過信道編碼，交織和加擾 后，采用q a m 調(diào)制或者q p s k 調(diào)制后將得到的頻域信號進行串并轉(zhuǎn)換并且調(diào)制信號后 形成n 路子數(shù)據(jù)流并行傳輸，子數(shù)據(jù)流的速率是轉(zhuǎn)換調(diào)制前的1 ，這樣可以使符號周 期比信道的時延擴展大的多，提高了抗多徑衰落和干擾的能力，然后放置適當?shù)膮⒖夹?號后經(jīng)過i d f t 變換( 離散傅里葉逆變換) ，插入保護間隔后就可得到長度為n 的o f d m 符號，一般的，保護間隔的長度應(yīng)該大于最大多徑時延擴展的長度，以避免由多徑效應(yīng) 帶來的符號間的干擾，其中n 取值范圍( o 珂n 一1 ) 表示的是時域標號，k 取值范圍 ( 0 k n 1 ) 表示的是頻域標號1 4 j 。 假設(shè)發(fā)送信號s ( 忌) ( k = 0 ，1 ，一1 ) ，經(jīng)過離散傅立葉逆變換后生成信號s ( n ) ，s ( n ) 經(jīng)過信道到達接收端，接收到的o f d m 符號r ( n ) 可以表示為： 圖2 - 3o f d m 系統(tǒng)基帶模型 ，( 玎) = s ( 胛) 圓廳( 櫛) + w ( 刀) ( 2 - 1 ) 式中。表示的是進行卷積操作，廳( 珂) 是信道的沖激響應(yīng)，以= o ，1 ，三一1 。三表示信道 沖激響應(yīng)長度，w ( n ) 表示高斯白噪聲。在接收端，0 ) 經(jīng)過快速離散傅立葉變換得到的頻 域信號r ( j i ) 可以表示為1 1 2 j ： g ( k ) = s ( 七) 壩七) + 職七) ，( 七= 0 , 1 ，n 一1 ) ( 2 2 ) 式中表示一個o f d m 符號中頻域子載波數(shù)，h ( k ) 表示子載波索引k 處的信道頻 域響應(yīng)，w ( k ) 表示加性高斯白噪聲。傳統(tǒng)的基于o f d m 系統(tǒng)的信道估計就是要估計出 信道頻域響應(yīng)值h ( k ) ，而后通過信道估計來減弱信道間的干擾和影響，最終目的是為了 解調(diào)出較為準確的發(fā)送信息。 用向量的形式簡化表示式( 2 2 ) 可得到l l z j ： r = s h + w ( 2 - 3 ) 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第8 頁 式中加性高斯白噪聲用向量形來表示，s 表示的是一個對角矩陣，待發(fā)送的參考信 號位于矩陣的對角線上，可以表示為： s = d i a g s ( o ) s ( 1 ) s ( n 一1 ) ) ( 2 - 4 ) 足表示的是接收的參考信號向量： r = 【尺( 0 ) r o ) r ( n - 1 ) 1 1( 2 5 ) 日表示導(dǎo)頻位置的信道頻域響應(yīng)： h = 【日( o ) ( 1 ) h ( n 一1 ) 】1( 2 6 ) 已知矩形脈沖的頻譜是s i n c 函數(shù)，如果基帶采用矩形波，則o f d m 符號的頻譜特 性可被看成是在一定周期t 內(nèi)的s i n c 函數(shù)同函數(shù)艿的卷積，函數(shù)萬表示的是位于頻域上 不同的子載波所在的頻率上的沖激函數(shù)的集合，如圖2 _ 4 所示o f d m 調(diào)制后的頻譜特性， 縱軸表示歸一化的幅度，橫軸表示歸一化后的頻率，函數(shù)的零點在頻率方向上l 丁的整 數(shù)倍的位置取得【2 4 】，當子載波頻譜幅度取得最大值的時候，其他的頻譜幅度都為零，各 個子信道間避免了載波間的干擾。也就是當從各個頻譜重疊的子信道中提取信息時，不 存在其他子信道間的混疊干擾i 6 j 。 圖2 - 4 歸一化處理后o f d m 符號的頻譜結(jié)構(gòu)【6 】 l t e 系統(tǒng)在上行鏈路采用的是s c f d m a 多址方式，下行鏈路采用的是o f d m a 多 址方式，從具體實現(xiàn)上來說，兩者區(qū)別只是上行采用的技術(shù)在下行多址技術(shù)的基礎(chǔ)上預(yù) 先進行了d f t 預(yù)編碼的處理，本文對l t e 系統(tǒng)下行鏈路信道估計技術(shù)的研究就是以 o f d m 系統(tǒng)的模型為基礎(chǔ)的。 、 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第9 頁 2 1 3 循環(huán)前綴 o f d m 系統(tǒng)中一個關(guān)鍵的技術(shù)就是利用傅里葉變換后輸入數(shù)據(jù)循環(huán)移位仍可清晰 的分辨數(shù)據(jù)的特性，引入了循環(huán)前綴的概念。循環(huán)前綴就是把一個o f d m 符號尾部一定 長度的樣點進行復(fù)制后放置到這個符號的最前面形成保護間隔，但要注意的是這個循環(huán) 前綴( c p ) 的長度一般應(yīng)該大于無線通信信道的最大時延拓展，以保證不會造成符號間 的干擾，將多徑分量產(chǎn)生的影響降到最低，相鄰的幾個o f d m 符號復(fù)制插入保護間隔的 示意圖如圖2 5 所示1 6 j ： 尾部 被復(fù)制部 被復(fù)制 分 c pc p 部分 數(shù)據(jù)部分 符號m 1 符號m 符號m + 1 圖2 - 5 插入c p 后的o f d m 符號 如圖所示，假設(shè)符號的數(shù)據(jù)部分長為虬，符號尾部被復(fù)制為抽樣保護間隔的長度為 ，則此信號的總長度為+ m ，假設(shè)信道的最大多徑時延長度為，在接受端開 始抽樣的時刻 r 。應(yīng)該滿足【2 5 】： f 瑚x 工 印 ( 2 - 7 ) 此時，前一個符號的多徑分量的干擾就只存在于最大多徑時延擴展長度內(nèi)【6 】，但是 當多徑時延超過了保護間隔的長度時，子載波間的正交特性就遭到了破壞，多徑效應(yīng)造 成誤差的影響就比較大。在上面的總長度表示式中，可以看出當符號的數(shù)據(jù)部分m ，很大， 即子載波數(shù)目很大的時候，o f d m 符號的周期遠大于信號脈沖響應(yīng)的長度k 。，這時符 號間的干擾就很小，并且當保護間隔的長度大于信號脈沖響應(yīng)長度時，符號問干擾就幾 乎可以消除。同時，由于循環(huán)前綴的插入，對系統(tǒng)的信息傳輸速度和功耗都產(chǎn)生了影響， 一般要求保護間隔的長度要遠小于符號的周期，選擇適當長度的循環(huán)前綴，同時兼顧子 載波間的間隔不能太低，即保證了信息速率，也能避免頻偏和相位噪聲。 2 1 4 同步技術(shù) o f d m 系統(tǒng)中的同步通常包括幀檢測，載波頻偏校正以及采樣偏差和校正，同步技 術(shù)分為時間同步和頻率同步，時間同步是對時間偏移的估計和校正，通?？梢詮男诺拦?計的算法中提取有關(guān)時間偏移的信息，完成定時和修正。而頻率同步可以避免子載波間 的正交性遭到破壞，減小載波間的干擾，在迸行f f t 解調(diào)前必須估計出載波頻偏加以修 正，在實際的工程實踐中，整數(shù)頻偏和分數(shù)頻偏因為特性不同，通常被分開進行估計和 校正，對無線移動通信系統(tǒng)來說，無線信號是在時變信道傳輸?shù)?，由于多普勒頻移，發(fā) 置一i 墨宣誓薯置皇置葺薯置皇嗣宣重置薯皇置- 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 0 頁 送端和接收端之間也會存在頻偏，相位噪聲等因素，子載波間的正交性往往都會被破壞， 影響系統(tǒng)的性能，頻率同步的重要性由此可見瞄6 j 。 常用的同步方案主要基于循環(huán)前綴和參考信號的技術(shù)方案，由于o f d m 系統(tǒng)中時域 信道保護間隔由循環(huán)前綴來實現(xiàn)，而循環(huán)前綴中包含了可以用來定時同步的信息，可以 加以利用，但是這種方法只能估計出分數(shù)頻偏，精度有限；而基于參考信號的同步方案 可以分為訓(xùn)練符號和導(dǎo)頻的方案，其本質(zhì)是相似的都是利用在特定的子載波處的參考信 號進行時域和頻域的同步校正，本文在仿真時就假設(shè)是理想同步以簡化仿真的復(fù)雜度。 2 1 5 多輸入多輸出天線技術(shù) l t e 系統(tǒng)的一個關(guān)鍵技術(shù)就是采用多輸入多輸出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 的 智能天線技術(shù)，簡單的說就是發(fā)射端和接收端使用多根天線進行收發(fā)通信，m i m o 的核 心是將空域采樣的兩端信號，合成為多路并行傳輸?shù)牡臄?shù)據(jù)，擴大了信道的容量，并且 可以采用分集技術(shù)來減輕多徑傳播的影響，保障通信的質(zhì)量，降低誤碼率，當發(fā)射機和 接受機兩端都是采用多天線的陣列系統(tǒng)時，就可以增加系統(tǒng)的吞吐量【2 7 】，對提高頻譜效 率和優(yōu)化無線通信系統(tǒng)信號傳輸性能發(fā)揮了很大的作用。目前，3 g p p 長期演進方案l t e 系統(tǒng)已經(jīng)采用了多用戶和多小區(qū)的多入多出天線技術(shù)。點對點的m i m o 無線技術(shù)目前已 經(jīng)比較成熟，但隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展和用戶需求的不斷提高，高性能的無線通信方 式就顯得越來越重要，采用m i m o 天線系統(tǒng)的原理如圖2 6 所示： 圖2 石采用m i m o 天線發(fā)射接收原理f 2 】 在完成調(diào)制和相關(guān)映射后，基帶會進行相關(guān)的m i m o 處理，l t e 物理層支持多種不 同的m i m o 方案，通過實現(xiàn)層映射和預(yù)編碼從而生成需要發(fā)送的o f d m 信號的【1 1 。假 設(shè)m i m o 天線經(jīng)歷的信道是平坦衰落信道，發(fā)送天線數(shù)為n ，和接收天線數(shù)為n ，將 信道用矩陣形式表示# 3 2 8 1 ： h = 曩。向： 。k - k ： 矗f 紅 h n r n l 如果用表示接收信道，則m i m o 系統(tǒng)的信號模型就可以表示成【2 8 l ： ( 2 8 ) 叉一 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第11 頁 m ： y n t 啊m ： h n r n | 毛 ： x n + m ： n n ( 2 9 ) 其中，囊，表示的是當忽略時刻n 時第i 根發(fā)送天線到第，根接收天線的信道沖激響應(yīng)。 數(shù)據(jù)流經(jīng)過相應(yīng)的編碼和復(fù)用技術(shù)處理后形成，路并行傳輸?shù)男畔⒘?，通過發(fā)送 端的相對應(yīng)的天線發(fā)射出去，經(jīng)空間傳播后被，個天線接收，在接收端再通過信號處 理等技術(shù)將接收到的信息流解碼，