北京郵電大學世紀學院畢業(yè)設計(論文)題目LTE系統(tǒng)物理層發(fā)射鏈路的仿真實現(xiàn)學生姓名王羅力學號06080202所在系（院）通信與信息工程專業(yè)名稱電子信息工程年級06指導教師鄭鳳職稱講師2010年6月3日北京郵電大學世紀學院畢業(yè)設計（論文）誠信聲明本人聲明所呈交的畢業(yè)設計（論文），題目《LTE系統(tǒng)物理層發(fā)射鏈路的仿真實現(xiàn)》是本人在指導教師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，除了文中特別加以標注和致謝中所羅列的內容以外，畢業(yè)設計（論文）中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京郵電大學或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。申請學位論文與資料若有不實之處，本人承擔一切相關責任。本人簽名：日期：畢業(yè)設計（論文）使用權的說明本人完全了解北京郵電大學世紀學院有關保管、使用論文的規(guī)定，其中包括：①學校有權保管、并向有關部門送交學位論文的原件與復印件；②學?？梢圆捎糜坝　⒖s印或其它復制手段復制并保存論文；③學?？稍试S論文被查閱或借閱；④學?？梢詫W術交流為目的，復制贈送和交換學位論文；⑤學?？梢怨紝W位論文的全部或部分內容。本人簽名：日期：指導教師簽名：日期：北京郵電大學世紀學院畢業(yè)設計（論文）題目LTE系統(tǒng)物理層發(fā)射鏈路仿真實現(xiàn)摘要LTE(LongTermEvolution)是3GPP長期演進項目，兼容目前的3G通信系統(tǒng)并對3G演進。它具有高傳輸速率、高傳輸質量和高移動性的特性。3GPP在工作計劃中寫入了長期演進(LongTerm．Evolution)的研究框架，并提出了未來在20MHz帶寬上達到瞬時峰值下行100Mbps以及上行50Mbps的目標。本文介紹了LTE物理層上下行鏈路的基本結構及其采用的關鍵技術，并使用Matlab對系統(tǒng)物理層發(fā)射鏈路進行了仿真，對于LTE的研究有重要的意義，并將加速LTE的商用化進程。在復雜的移動信道環(huán)境中，為了達到這些特性，信道估計是不可缺少的一環(huán)。而多入多出(MIMO)技術能夠突破無線頻率資源限制，大幅度地提高無線通信系統(tǒng)的頻偏效率，也被作為LTE的一項核心技術來提高系統(tǒng)傳輸率。論文首先介紹LTE系統(tǒng)物理層的基本概念，對LTE下行基帶處理流程各模塊進行了深入研究。其次，研究了LTE下行基于導頻的信道估計技術，詳細分析了LS信道估計算法、MMSE信道估計算法、。然后，研究了LTE下行鏈路基帶信號的處理流程，對MRC接收分集技術和SFTD發(fā)射分集技術進行了深入研究和系統(tǒng)仿真。最后，結合考慮仿真結果和硬件實現(xiàn)復雜度，給出LTE下行鏈路發(fā)射端與接收端基帶處理的實現(xiàn)方案、LTE下行鏈路信道估計器的實現(xiàn)方案以及LTE下行鏈路發(fā)射端Matlab實現(xiàn)方案。關鍵詞長期演進，物理層，正交頻分復用，離散傅立葉變換擴頻的正交頻分多址Title：LTE系統(tǒng)物理層發(fā)射鏈路仿真實現(xiàn)ABSTRACTTheLTE(LongTermEvolution)schemewasproposedby3GPP，whichiscompatiblewithcurrent3Gtelecommunicationssystem．ChannelestimationplaysaquiteimportantroleintheLTEsystemwhichrequireshighdatarate，highqualityandhighmobility.LongTermEvolutionaimedatachieving100Mbpspeakratein20MHzbandwidthand50Mbpsinuplinkalecarriedoutin3GPE.Thisintroducethephysicallayerstructureofup-downlinkandkeytechnologyofLTE,simulatethesystembyMatlab.ItisveryimportantfortheresearchofLTEandalsoacceleratingthecommercialprocessofLTE. AllofabovekeytechnologiesforLTEdownlinkareinvestigatedinthisthesis．Firstly，thebasicknowledgeofPhysicalLayerinLTEsystemisintroduced．Wemainlyinvestigatethebasebandprocess，includingcyclicredundancycheck，tailbitingconvolutionalcoding，scrambling，ratematching，modulation，layermappingandprecoding．Then，aLTEdownlinkbasebandprocessimplementationschemeisproposed，whichisrealizedonMatlabplatform．Secondly，westudytheLTEdownlinkchannelestimationandinterpolationtechnology，andthenanalyzetheLSchannelestimation，MMSEchannelestimationalgorithm，aschemefordesigningtheLTEdownlinkchannelestimatorispresented，whichisalsoimplementedonMatlabplatform．Finally,theLTEdownlinktransmitdiversitytechniquesisresearched．WeinvestigatetheMRCreceivediversitytechniqueandSFTDtransmitdiversitytechnique，andthensimulatethemintheMatlabplatform．Accordingtothesimulationconclusion，aschemeforLTEtransmitdiversityindownlinkisputforward，whichisalsoimplementedontheMatlabplatform．KeywordsLTEPHYOFDMDFT-SOFDMAPHY目錄前言 11.通信網(wǎng)LTE基本概念 21.1移動通信的發(fā)展 21.2LTE簡介 21.2.1LTE的工作計劃 21.2.2LTE的主要技術特征 31.2.3LTE的網(wǎng)絡結構 31.2.4LTE的協(xié)議架構 41.2.5LTE的核心技術 51.3論文研究內容及組織結構 62.無線信道特性及LTE物理層概述 72.1無線信道的特性簡介 72.1.1.時延擴展 82.1.2相干帶寬 82.1.3多普勒頻移 92.1.4相干時間 92.2LTE物理層基本概念 102.2.1LTE幀結構 102.2.2LTE下行時隙結構和物理資源 122.2.4LTE下行物理資源分配 143.下行基帶信號的產(chǎn)生流程 173.1下行物理信道基帶信號處理流程 173.2系統(tǒng)設計 173.2.1信道編碼 183.2.2調制/解調 193.2.3插入導頻 193.3本章小結 204.搭建LTE系統(tǒng)物理層發(fā)射鏈路 204.1主要仿真模塊的說明 204.1.1

系統(tǒng)參數(shù)設置 204.1.2導頻序列的產(chǎn)生 204.1.3導頻的映射圖樣及資源粒子映射 214.1.4OFDM的原理 234.1.5信道估計 264.2LTE下行控制信道發(fā)射端實現(xiàn)方案 274.2.1完整仿真模型 274.2.2簡化了的LTE鏈路級仿真模型 28全文總結 29致謝 31參考文獻 32附錄1（縮略語） 34附錄2（部分程序代碼） 36前言當今社會已經(jīng)進入了一個信息化的社會，沒有信息的傳遞和交流，人們就無法適應現(xiàn)代化的快節(jié)奏生活和工作。目前，移動通信已經(jīng)從模擬通信發(fā)展到了數(shù)字通信階段，從窄帶通信發(fā)展到了寬帶通信，并且朝著個人通信這一更高階段發(fā)展。人們期望隨時隨地、及時可靠、不受時空限制地進行信息交流，提高工作效率和經(jīng)濟效益[1]。近期伴隨著WIMAX的崛起，3GPP也開始了UMTS技術的長期演進（LTE，LongTermEvolution）項目。這項受人矚目的技術被稱為“演進型3G”（E3G，Evolved3G）。但只要對這項技術稍作了解，就會發(fā)現(xiàn)，這種以OFDM為核心的技術，與其說是3G技術的“演進”（Evolution），不如說是“革命”（Revolution），它和3GPP2空中接口演進（AIE）、WIMAX以及最新出現(xiàn)的IEEE802.20MBFDD/MBTDD等技術，由于已經(jīng)具有某些“4G”特征，甚至可以被看作“準4G”技術。目前已經(jīng)確定了上下行信道的基本傳輸技術，上行SC（單載波）-FDMA，下行采用OFDM技術。隨著通信系統(tǒng)的規(guī)模和復雜度不斷增加，傳統(tǒng)的設計方法已經(jīng)不能適應發(fā)展的需要，通信系統(tǒng)的模擬仿真技術越來越受到重視．傳統(tǒng)的通信仿真技術主要分為手工分析與電路試驗兩種，可以得到與真實環(huán)境十分接近的結果，但耗時長，方法比較繁雜．而通信系統(tǒng)的計算機模擬仿真技術是介于上述兩種方法的一種系統(tǒng)設計方法．它可以讓用戶在很短的時間內建立整個通信系統(tǒng)模型，并對其進行模擬仿真，本文使用Matlab語言建立了LTE上下行鏈路的基本仿真平臺。1.通信網(wǎng)LTE基本概念1.1移動通信的發(fā)展移動通信綜合利用了有線、無線的傳輸方式，為人們提供了一種快速便捷的通訊手段。由于電子技術，尤其是半導體、集成電路及計算機技術的發(fā)展，以及市場的推動，使物美價廉、輕便可靠、性能優(yōu)越的移動通信設備成為可能?，F(xiàn)代移動通信發(fā)展至今，主要走過了三代，而后三代正處于緊張的研制階段[2]。縱觀移動通信的發(fā)展史，第一代通信系統(tǒng)是模擬制式的蜂窩移動通信系統(tǒng)，時間是二十世紀七十年代中期至八十年代中期，僅提供語音服務，不能傳輸數(shù)據(jù)；第二代通信系統(tǒng)是數(shù)字通信系統(tǒng)，時間是從八十年代中期開始，數(shù)據(jù)傳輸速率也只有9.6kbit/s，最高可達32kbit/s；第三代移動通信系統(tǒng)最早由國際電信聯(lián)盟(ITU)于1985年提出，該系統(tǒng)工作在2000MHz頻段，最高業(yè)務速率可達2Mbit/s。雖然第三代移動通信系統(tǒng)可以提供很高的傳輸速率，但是為了滿足未來十年對于移動通信的技術要求，同時適應新技術和移動通信理念的變革，3GPP(ThirdGenerationPartnershipProject)啟動了關于3G演進系統(tǒng)LTE(LongTermEvolution)的研究與標準化工作，作為后三代(B3G)移動通信系統(tǒng)[3]。1.2LTE簡介LTE是3G的演進，它改進并增強了3G的空中接入技術，采用OFDM技術和MIMO技術作為其無線網(wǎng)絡演進的唯一標準。在20MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100Mbit/s與上行50Mbit/s的峰值速率。下面將對LTE的工作計劃、主要技術特征、網(wǎng)絡結構、協(xié)議架構以及LTE的核心技術進行簡要的介紹。1.2.13GPP對LTE項E1的工作大體分為兩個時間段：SI(StudyItem)階段和LTE下行鏈路關鍵技術的研究與實現(xiàn)WI(WorkItem)階段。2005年3月到2006年6月為SI階段，完成3GPPLTE的可行性研究報告。2006年6月到2007年6月為WI階段[4]，完成核心技術的規(guī)范工作。在2007年中期完成LTE相關標準制定(3GPPR7)，預計在2008年或2009年推出商用產(chǎn)品。就目前的進展來看，發(fā)展比計劃有所滯后，但經(jīng)過3GPP組織的努力，LTE的系統(tǒng)框架大部分已經(jīng)完成[5、6]。1.2.2LTE的主要技術特征3GPP從“系統(tǒng)性能要求”、“網(wǎng)絡的部署場景”、“網(wǎng)絡架構”、“業(yè)務支持能力”等方面對LTE進行了詳細的描述。與3G相比，LTE具有高數(shù)據(jù)速率、分組傳送、延遲降低、廣域覆蓋和向下兼容等技術優(yōu)勢，具體技術特征如下：1.通信速率有了提高，下行峰值速率可達l00Mbps、上行可達50Mbps。2.提高了頻譜效率，下行鏈路5(bit/s)/Hz(3-4倍于R6HSDPA)；上行鏈路2.5(bit/s)/Hz(2-3倍于R6HSUPA)。3.以分組域業(yè)務為主要目標，系統(tǒng)在整體架構上將基于分組交換。4.QoS保證，通過系統(tǒng)設計和嚴格的QoS機制，保證實時業(yè)務的服務質量。5.系統(tǒng)部署靈活，能夠支持1.25MHz.20MHz間的多種系統(tǒng)帶寬，并支持“paired”和“unpaired”的頻譜分配。保證了將來在系統(tǒng)部署上的靈活性。6.降低無線網(wǎng)絡時延：子幀長度lms，解決了向下兼容的問題并降低了網(wǎng)絡時延，時延可滿足用戶面U.plan<5ms、控制面C.plan<100ms。7.增加了小區(qū)邊界比特速率，在保持目前基站位置不變的情況下增加小區(qū)邊界比特速率。如MBMS(多媒體廣播和組播業(yè)務)在小區(qū)邊界可提供lbit/s/Hz的數(shù)據(jù)速率。8.強調向下兼容，支持已有的3G系統(tǒng)和非3GPP規(guī)范系統(tǒng)的協(xié)同運作。在LTE中，還規(guī)范了一些其他的要求，如與配置相關的要求、E.UTRAN架構和移植要求、無線資源管理要求、復雜性要求、成本相關要求以及業(yè)務相關要求等[7-9]。1.2.3LTE采用由NodeB構成的單層結構，這種結構有利于簡化網(wǎng)絡和減小延遲，實現(xiàn)了低時延，低復雜度和低成本的要求。與傳統(tǒng)的3GPP接入網(wǎng)相比，LTE減少了RNC節(jié)點。名義上LTE是對3G的演進，但事實上它對3GPP的整個體系架構作了革命性的變革，逐步趨近于典型的IP寬帶網(wǎng)結構。3GPP初步確定LTE的架構如圖（1-1）所示，也叫演進型UTRAN結構(E.UTRAN)。圖（1-1）LTE總體架構接入網(wǎng)主要由演進型：NodeB(eNB)和MME/S.GW(MobilityManagementEntity/ServingGateway)兩部分構成。eNB和eNB之間由X2接E1連接，eNB與MMS/S.GW之間通過S1連接。eNB不僅具有原來NodeB的功能外，還能完成原來RNC的大部分功能，包括物理層、MAC層、RRC、調度、接入控制、承載控制和接入移動性管理等[10-12]。1.2.4LTE的協(xié)議架構LTE無線接口包括層一(Layer1)，層二(Layer2)和層三(Layer3)，層一就是物理層，主要由3GPPTS36.200系列協(xié)議描述，層二和層三由3GPPTS36。300系列協(xié)議描述。它們之間的關系如圖（1-2）所示。圖（1-2）物理層相關無線接口協(xié)議架構圖（1-2）描述了E.UTRA物理層相關無線接口協(xié)議架構，物理層接入到層二的MAC(MediumAccessContr01)子層和層三的RRC(RadioResourceContr01)層。圖中不同層/子層之間的圓圈是SAPs(ServiceAccessPoints)。物理層給MAC層提供傳輸信道，MAC層提供不同的邏輯信道給層二的RLC(RadioLinkContr01)子層。1.2.5LTE主要用到兩個核心技術，一是OFDM技術，另一個是MIMO技術。OFDM是一種特殊的多載波調制技術，它利用載波間的正交性進一步提高頻譜利用率，且可以抗窄帶干擾和多徑衰落[13]。OFDM的基本思想就是將串行的數(shù)據(jù)并行地調制在多個正交的子載波上，這樣可降低每個子載波的碼元速率，增大碼元的符號周期，提高系統(tǒng)的抗衰落和干擾的能力，同時由于每個子載波的正交性，頻譜的利用率大大提高。目前，OFDM技術都可以通過FFT技術實現(xiàn)，所以系統(tǒng)實現(xiàn)結構簡單。但是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(tǒng)中的非線性敏感[14]。3GPP組織決定對LTE系統(tǒng)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SC.FDMA技術。OFDM技術是LTE系統(tǒng)的技術基礎與主要特點，OFDM系統(tǒng)參數(shù)設定對整個系統(tǒng)的性能會產(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給出了兩種載波間隔，分為為l5kHz和7.5kHz。當傳輸信道中出現(xiàn)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(CyclicPrefix)[15、16]的長度決定了OFDM系統(tǒng)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(tǒng)的開銷也會相應增加，導致數(shù)據(jù)傳輸能力下降。為了達到小區(qū)半徑100km的覆蓋要求，LTE系統(tǒng)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(jù)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(tǒng)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SC.FDMA的峰均比。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(xiàn)該目標，在3G原有的QPSK[18]、16QAM的基礎上，LTE系統(tǒng)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(xiàn)，另一種采用咬尾卷積編碼，實現(xiàn)也較簡單。1.3論文研究內容及組織結構在本科期間，我跟蹤學習了3GPP協(xié)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：1、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。2、根據(jù)LTE下行鏈路物理層協(xié)議，利用MATLAB軟件仿真實現(xiàn)LTE系統(tǒng)物理層發(fā)射鏈路，主要模塊包括信道編碼、插入導頻以及數(shù)據(jù)成幀、調制、插入CP以及OFDM調制。主要評估的參數(shù)是在不同信噪比條件下的誤碼率。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(xiàn)，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(wǎng)絡結構、協(xié)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(tǒng)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(tǒng)基于導頻的信道估計器，介紹了LTE下行導頻的產(chǎn)生與插入和基于導頻的信道估計器的相關算法。根據(jù)協(xié)議編寫信道編碼、插入導頻、插入數(shù)據(jù)、調制等模塊的代碼。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)射端基帶處理實現(xiàn)方案，并且以下行控制信道的基帶處理為例給出實現(xiàn)結果；同時給出了LTE下行鏈路接收端基帶處理實現(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。2.無線信道特性及LTE物理層概述2.1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(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(shù)。假設發(fā)送信號為一理想脈沖信號，即：s（t）=δ（t）式（2-1）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為r（t）=δ（t-τ）式（2-2）式中n為第徑的復衰減因子，τ為第i徑的時延，L表示多徑數(shù)目。2.1.1.時延擴展由式(2-2)所示：單一脈沖經(jīng)過信道傳輸后可以收到多個脈沖，且脈沖個數(shù)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(xiàn)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(shù)。2.1.2相干帶寬與時域參數(shù)τmax相對應，相干帶寬.是頻域上與時延擴展相干的重要參數(shù)，是表征多徑信道特性的一個重要參數(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(shù)來表示，即：=1/τmax式（2-3）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波形產(chǎn)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(shù)。此時，接收信號中包含經(jīng)歷了不同衰減和時延的多徑波形的疊加，因而，產(chǎn)生接收信號的失真。頻率選擇性衰落引起數(shù)字信號傳輸出現(xiàn)ISI。反之，如果多徑信道的相干帶寬大于發(fā)送信號的相干帶寬，則接收信號經(jīng)歷平坦性衰落過程。因此，是頻域上表征信道頻率選擇性的重要概念。2.1.3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(xiàn)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：式（2-4）其中為接收端檢測到的發(fā)射機頻率的變化量，是發(fā)射機的載頻，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，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-~+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，用來表示。如果所傳送的基帶信號的帶寬遠大于，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。2.1.4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(shù)，而從時域角度分析，與多普勒頻移相干的是信道相干時間。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，它是信道沖擊響應維持不變的時間間隔的統(tǒng)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(chǎn)生多普勒頻移(頻率色散)；信道參數(shù)和信號參數(shù)共同決定信號可能經(jīng)歷四種不同類型的衰落。故我們在研究各種無線通信系統(tǒng)時要考慮各種衰落帶來的影響。2.2LTE物理層基本概念2.2.1LTE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(Type1)和適用于TDD模式的類型2(Type2)。幀結構類型1的結構如圖（2-1）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。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（2-1）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。圖（2-2）LTE幀結構類型2幀結構類型2的結構如圖（2-2）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0.5ms。特殊子幀由下行導頻時隙(DownlinkPilotTimeSlot,DwPTS)[20]、保護時隙(GuardPeriod,GP)[21]和上行導頻時隙(UplinkPilotTimeSlot,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（2-3）所列的配置0、1、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（2-3）所示，其中D表示用于下行傳輸?shù)淖訋琔表示用于上行傳輸?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2、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。圖（2-3）LTETDD模式上下行子幀切換點配置。2.2.2LTE下行時隙結構和物理資源如圖（2-4）所示，LTEFDD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0.5ms。一個時隙中傳輸?shù)男盘柨梢杂靡粋€資源柵格(ResourceGrid)[23]來描述，其大小為個子載波和個OFDM符號，如圖(2-3)所示。的大小取決于小區(qū)中的下行傳輸帶寬配置，并且滿足：期中=6，并且=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(ResourceElement,RE)，它也是下行傳輸使用的最小資源單元，用唯一的序號來進行定義，其中，分別為頻域和時域序號。對應的一個復數(shù)。圖（2-4）資源柵格(ResourceGrid)圖（2-4）資源網(wǎng)格由圖（2-4）可知，一個資源網(wǎng)格由頻域索引坐標上個子載波和時域索引坐標上個OFDM符號交錯分割而成。其中，是RB個數(shù)，它由下行傳輸帶寬決定。為每RB分配的子載波個數(shù)，它的大小由子載波間隔決定，其值為。而系統(tǒng)給每RB分配的物理帶寬為180kHz，則當子載波為15hz時。=l80kHz/15kHz=12。而為下行1個子載波每時隙發(fā)送的OFDM符號數(shù)，該數(shù)由循環(huán)前綴(CyclicPrefix，CP)[24]的型決定，循環(huán)前綴有兩種類型，一種是普通CP類型，另一種是增強CP類型。2.2.4LTE下行物理資源分配LTE下行鏈路主要包括如下幾種信道[25]的處理：物理下行業(yè)務信道(PDSCH)[26]、物理多播信道(PMCH)[27]、物理廣播信道(PBCH)[28]、物理控制格式指示信道(PCFICH)[29]、物理HARQ指示信道(PHICH)[30]、物理下行控制信道(PDCCH)[31]以及主/輔同步信道(P/S.SCH)[32]。本文將上述信道分為業(yè)務信道、控制信道、同步信道三類，其中PDSCH是業(yè)務信道，P/S.SCH為同步信道，剩下的PBCH、PCFICH、PHICH以及PDCCH統(tǒng)屬于控制信道。LTE下行發(fā)送的數(shù)據(jù)有：同步信號、公共導頻、廣播信息、控制格式指示信息、HARQ指示信息、控制信息和業(yè)務數(shù)據(jù)。這些信息分別通過如下信道承載：P/S.SCH、PBCH、PCFICH、PHICH、PDCCH以及PDSCH。下面將詳細介紹這些物理信道承載的各種信號，以及它們在物理資源網(wǎng)格中所要映射的位置。下面給出一個子幀里各信號的資源分配圖，如圖（2-5）所示，該圖給出了各種信號的具體資源分配情況。這罩假設導頻移位為0、映射為4天線口、傳輸帶寬為20MHz，normalCP情況。圖（2-5）一個子幀的物理資源分配以圖（2-5）為例，下面分別介紹下行各種信號及它們的物理資源分配情況：1.參考信號(導頻)：圖中藍色R字母部分所示，不同天線口在1TTI或1子幀內發(fā)射的導頻符號數(shù)可以是8個(P=0，1)，也可以是4個(P=2，3)。如果是8個，其有效發(fā)射時間位于每時隙首個和倒數(shù)第三個OFDM符號處；如果是4個，其有效發(fā)射時間只在每時隙的第二個OFDM符號處?？梢姴煌炀€口導頻數(shù)目是不同的，但是為了統(tǒng)一，在資源網(wǎng)格中各天線口為導頻預留的資源位置是一樣的，故對于天線端口為2和3時，映射后剩余的藍色R資源元，協(xié)議36.211中規(guī)定要保留且承載內容置0。2.主同步信號：圖中P字母部分。在1TTI或1子幀內的長度為62。其發(fā)射時位于每無線幀的第0Slot(第0子幀)內和第10Slot(第6子幀)內的最后一個OFDM符號處。圖（2-5）中標記了P的REs表示有效承載(總計62x2=124REs)，同樣顏色但標記為木的REs(總計5×2=10Res)，3.輔同步信號：圖中S字母部分。在1TTI或1子幀內的長度為62。其發(fā)射時間位于每無線幀的第0Slot(第0子幀)內和第10Slot(第6子幀)內的倒數(shù)第二個OFDM符號處。上圖中標記了S的REs表示有效承載(總計62×2=124REs)，同樣顏色但標記為*的REs(總計5×2=10REs)，在協(xié)議36.2ll中規(guī)定不能用于承載輔同步信號，卻沒明確指出可以放置其他何種信號。3.廣播信號：即小區(qū)廣播信息，由信道PBCH來承載，圖中B字母部分，只在每個無線幀的第1個子幀(編號為子幀O)內發(fā)射。其余子幀時，其資源位置則用于其他信號(如：業(yè)務信號)的發(fā)射。4.下行控制信道的信號：下行控制信道包括PDCCH、PCFICH和PHICH，在資源網(wǎng)格圖（2-5）中如C字母部分。其中：信道PCFICH是用來承載發(fā)射1個子幀中PDCCH信號所占用的具體OFDM符號數(shù)信息(1，2或3)的，它只在每子幀的第一個OFDM符號處發(fā)射：信道PHICH是用來承載HARQ的ACK/NACK信息，映射到相同資源元的多個PHICH復值符號構成一PHICH組，在映射前會累加，累加后的符號只會在每子幀的第一個或前三個OFDM符號處發(fā)射，發(fā)射持續(xù)符號數(shù)由高層決定和配置。而信道PDCCH則是用來承載調度分配和其他控制信息，可以在一個子幀發(fā)射多個PDCCH信號，所有復值信號在資源元映射前已連續(xù)4個一組進行了分組，然后映射時也是逐組映射至4個頻域相鄰的REs構成的資源元組REG中，且發(fā)射時問限定在每時隙前三個OFDM符號內。6.業(yè)務信號：圖中沒有字母部分，指非MBSFN傳輸?shù)男盘?，由下行共享信?PDSCH)承載，去掉以上所有信號占用資源元后剩下的REs均可承載業(yè)務信號。3.下行基帶信號的產(chǎn)生流程3.1下行物理信道基帶信號處理流程下行物理信道的基帶信號處理，如圖（3-1）所示：圖（3-1）下行物理信道基帶信號處理流程下行物理信道的基帶信號處理可以分為如下幾步：（1）對將在一個物理信道上傳輸?shù)拿恳粋€碼字中的編碼比特進行加擾；（2）對加擾后的比特進行調制，產(chǎn)生復值調制符號；（3）將復制調制符號映射到一個或者多個傳輸層；（4）將每層上的幅值符號進行預編碼，用于天線端口上的傳輸；（5）將每一個天線端口上的復值調制符號映射到資源粒子上；（6）為每一個天線端口產(chǎn)生復制的時域OFDM符號。3.2系統(tǒng)設計在系統(tǒng)設計上采用了模塊化的系統(tǒng)結構，便于進行系統(tǒng)調試和擴展。LTE下行系統(tǒng)構成。如圖（3-2）所示。圖（3-2）LTE下行鏈路結構圖3.2.1信道編碼LTE確立的信道編碼方式以turbo碼為主，正在考慮LDPC碼，本系統(tǒng)提供了turbo碼的模塊，LDPC碼根據(jù)需要也可以加上。因為介紹Turbo碼的文章很多，在此本文不再具體介紹其基本原理，感興趣的讀者可以下面介紹Turbo碼的基本參數(shù)：碼率為1/2的系統(tǒng)循環(huán)卷積碼（RSC），Log-MAP算法，塊長1024，g=[07，05]。編碼之后要進行交織，交織主要是為了防止在傳輸過程中，發(fā)生用戶信息比特丟失的情況，不至于丟失某一個用戶所有的信息，而只是會丟失若干個用戶的部分信息。根據(jù)剩下的信息比特仍然可以恢復原始信息，也就是將丟失的比特分散，從而達到降低誤比特率的目的。OFDM系統(tǒng)中采用矩陣交織器，根據(jù)OFDM符號的大小，即Nc的大小，對編碼后的信息進行交織處理，分兩個步驟進行交換：第一步是將相鄰的信息比特分別映射到不相鄰的子載波上；第二步是保證相鄰編碼后的信息比特可選擇的映射到或多或少的一組比特中，從而使恢復的可能性降低。如果用k來代表第一步交織之前的比特，i代表第一步交織之后、第二步交織之前的信息比特，而用j代表第二步交織之后、調制之前的信息比特，則：步驟一可用式（3-1）表示：式（3-1）floor（.）表示向下取整。步驟二可用公式（3-2）表示式（3-2）其中s由下式?jīng)Q定：式（3-3）解交織則是相反的過程，假設用j表示解調之后、第一步解交織之前收到的信息比特，i表示第一步解交織之后，第二步解交織之前接受到的信息比特，k表示第二步之后的信息比特。則有：步驟一可由以下式子表示：式（3-4）其中s與前面定義一致，這與發(fā)端的步驟一剛好相反。步驟二由以下式子表示：式（3-5）這一步驟與發(fā)端的步驟二是相反的。注意16是可變的值，但Nc/16須是整數(shù)。3.2.2調制/解調LTE支持的調制方式有下行QPSK，16QAM，64QAM；上行位移BPSK，QPSK，8PSK，16QAM。調制之后是OFDM調制部分，采用IFFT實現(xiàn)，解調部分使用FFT實現(xiàn)。系統(tǒng)假設時鐘、符號和幀是完全同步的，沒有對同步誤差造成的影響進行討論。3.2.3插入導頻LTE目前確定了下行參考符號（即導頻）設計。系統(tǒng)采用時分復用（TDM）的導頻插入方式。每個子幀可以插入兩個導頻符號，第一導頻符號和第二導頻符號分別位于每個子幀的第一個和倒數(shù)第三個OFDM符號中，適用于TDD和FDD以及長cp和短cp的情況。導頻的頻域密度為6個子載波，第一和第二導頻在頻域上交錯放置。采用MIMO時，須支持至少4個正交導頻（以支持4天線發(fā)送），但對智能天線除外。在一個小區(qū)內，多天線之間主要采用頻分復用（FDM）方式的正交導頻。在不同的小區(qū)之間，正交導頻在碼域實現(xiàn)（CDM）。3.3本章小結本章首先介紹了無線信道的信道特性，主要介紹了LTE物理層的一些基本概念，主要包括LTE的系統(tǒng)幀結構、LTE下行時隙結構、物理資源以及物理資源的分配。有了這些LTE系統(tǒng)基礎知識，本章最后介紹了LTE下行發(fā)射端基帶處理過程，主要以下行控制信道PDCCH為例。介紹了LTE下行鏈路發(fā)射端PDCCH基帶處理的流程，分別對流程中的CRC校驗模塊、加擾模塊、信道編碼模塊、速率匹配模塊、調制模塊、層映射與預編碼模塊以及資源映射模塊進行了研究。4.搭建LTE系統(tǒng)物理層發(fā)射鏈路4.1主要仿真模塊的說明4.1.1

系統(tǒng)參數(shù)設置接收天線個數(shù)：2發(fā)2收RB數(shù)目(N_RB)=15；N_ID=0；信道類型：頻率選擇性多徑信道；信噪比：0：20；多普勒頻移：04.1.2導頻序列的產(chǎn)生導頻信號序列定義為：式（4-1）其中是一個無線幀中的時隙序號，l是一個時隙中的OFDM符號序號。偽隨機序列的定義是：式（4-2）式（4-3）式（4-4）其中，=1600，并且第一個m-序列將被初始化為：式（4-5）第二個m-序列的初始化由c(n)的初始化序列定義。在每一個OFDM符號的起始載頻處，都將用一個偽隨機序列初始化，它的定義是：式（4-6）其中表示小區(qū)ID，在本仿真程序中，設置為0。另外，的定義是：式（4-7）4.1.3導頻的映射圖樣及資源粒子映射參考信號序列，將按照下面的方式映射到復制調制符號上，作為時隙中天線端口p上的參考信號，即：其中：變量和定義了不同參考信號在頻域上的位置，其中：式（4-8）小區(qū)專有的頻域偏移為：式（4-9）在一個時隙中，在任何天線端口上用作傳輸參考信號的資源粒子(k,l)，不能在相同的時隙中其他天線端口上進行任何傳輸，并設置為0。導頻資源的映射圖樣：圖（4-1）導頻資源的映射圖樣4.1.4OFDM的調制一個OFDM符號包含多個經(jīng)過相移鍵控（PSK）或者正交幅度調制（QAM）的子載波。其中，表示子載波的個數(shù)，表示OFDM符號的持續(xù)時間（周期），是分配給每個子信道的數(shù)據(jù)符號，是第i個子載波的載波頻率，，則從t=0開始的OFDM符號可以表示為：式（4-10）通常采用等效基帶信號來描述OFDM的輸出信號：式（4-11）其中s(t)的實部和虛部分別對應于OFDM符號的同相和正交分量，在實際中可以分別與子載波的cos分量和sin分量相乘，構成最終的子信道信號和合成的OFDM符號。OFDM發(fā)射端和接收端得原理圖如下：圖（4-2）OFDM發(fā)射端原理圖圖（4-3）FDM接收端原理圖OFDM頻譜圖：圖（4-4）OFDM頻譜圖在接收端解調時，由于各子載波之間具有正交性，即：式（4-12）解調時只需乘上對應的子載波，然后在時間長度為T內進行積分就可求出相應的值。由于OFDM子載波之間滿足正交性，因此可以采用離散傅立葉變換(DFT)表示信號。直接進行IDFT/DFT變換，算法復雜度為，計算量非常大，但如果采用IFFT/FFT來實現(xiàn)，則算法復雜度降低為，極大降低了OFDM系統(tǒng)的實現(xiàn)難度。在仿真中均采用IFFT/FFT來表示OFDM信號。另外，為了減弱多徑延遲造成的符號間干擾的影響，在OFDM符號的起始處插入循環(huán)前綴。4.1.5信道估計在OFDM技術中，信道估計算法最常用的就是導頻輔助的信道估計方法，它在發(fā)送端的數(shù)據(jù)流中插入一定數(shù)量的已知信號即導頻，在接受端利用接收到的信號和導頻信號估計處的信道沖激響應，并通過一定的內插方法，得到整個信道響應的估計值。常用的信道估計方法有：基于LS準則的線性插值算法；基于LMMSE準則的頻域維納濾波插值算法；基于LMMSE準則的時頻維納濾波插值算法；基于LMMSE的迭代濾波信道估計。本仿真采用了基于LS準則的線性內插算法作為信道估計的算法。4.2LTE下行控制信道發(fā)射端實現(xiàn)方案4.2.1完整仿真模型圖（4-4）完整仿真模型LTE下行物理層與控制信息相關的信道主要包括：PBCH、PCFICH、PDCCH和PHICH。通過上面的研究，我們清楚了各個物理信道承載的信號的資源分配情況，我們知道了同步信號、公共導頻、廣播信息位置是固定的，而控制格式指示信息的位置可以估算出，也相當于是固定的。一般來說，實現(xiàn)時先映射以上固定信息；再按照廣播信息規(guī)定的HARQ指示信息位置，映射HARQ指示信息；然后在相應的控制符號內剩余的RE上，映射控制信息；最后把業(yè)務信息映射到剩余的RE上。LTE下行物理層是每個子幀組一次，個子幀和第5個子幀有獨立的組幀方式。4.2.2簡化了的LTE鏈路級仿真模型圖（4-5）簡化了的LTE鏈路級仿真模型 如圖（4-6）所示，是為經(jīng)過LTE系統(tǒng)調制的誤碼率與信噪比直接的關系圖圖（4-6）誤碼率與信噪比關系圖如圖（4-7）所示，信道編碼采用turbo碼，調制采用16QAM的下行鏈路誤碼率仿真結果圖。其中turbo碼參數(shù)為2個成員的RSC編碼器，通過刪余使碼率為1/2，采用隨機交織器，分組長度為1024。圖（4-7）本仿真系統(tǒng)BER曲線全文總結隨著移動通信的迅速發(fā)展，人們對通信的要求也越來越高，為了滿足未來十年對于移動通信的技術要求，同時適應新技術和移動通信理念的變革，3GPP啟動了關于3G演進系統(tǒng)LTE的研究與標準化工作，作為后三代(B3G)移動通信系統(tǒng)。本文研究了LTE物理層相關知識，對LTE下行鏈路中的關鍵技術進行了研究和仿真，并且給出了實現(xiàn)方案和實現(xiàn)結果。論文工作總結如下：1.在論文的第一章介紹了LTE出現(xiàn)的背景，LTE的研究進展狀況，LTE的基本特征等。2.在論文的第二章簡述了LTE系統(tǒng)物理層基本概念，包括幀結構、時隙結構和物理資源分配等基礎知識，并研究了LTE下行鏈路基帶處理流程里各模塊的算法內容，為后續(xù)實現(xiàn)提供了理論基礎。3.在論文的第三章研究了LTE下行鏈路的信號處理流程為后續(xù)硬件實現(xiàn)提供實現(xiàn)依據(jù)。4.在論文的第四章應用前幾章的知識，進行模塊的配置，根據(jù)流程的圖解進行仿真平臺的搭建。5.本文的創(chuàng)新在于基于Matlab建模仿真了LTE物理層系統(tǒng)，提供了一個基本的平臺。對于LTE物理層的各種技術都可以在這個平臺上添加、實現(xiàn)，對研究LTE物理層技術將提供極大的幫助，并有助于推動LTE的進一步發(fā)展和盡快達到商用化目標。綜合起來，今后還可在以下幾個方面作進一步的研究：（1）本文涉及的LTE的相關知識，還有好多是有待最終確立為LTE標準的技術，今后還要繼續(xù)跟蹤3GPP的協(xié)議和會議，關注LTE最新技術的演進情況，獲取第一手的資料，理解未來無線通信的發(fā)展方向和新技術的應用LTE下行鏈路關鍵技術的研究與實現(xiàn)情況，做到學無止境。（2）本文討論了幾種信道估計內插算法，對二維線性內插和高斯內插進行了深入研究并仿真實現(xiàn)，由于維納濾波內插算法復雜度比較高，又考慮到是為了服務實現(xiàn)，故沒有對其進行深入研究。在下一步工作中，應該結合LTE系統(tǒng)對維納濾波算法進行更進一步的研究，將維納濾波算法的優(yōu)點發(fā)揮至ULTE系統(tǒng)信道估計中去?？傊S著通信需求的不斷增加，就需要研究更多的新的通信技術，今后還要繼續(xù)關注通信的發(fā)展，學習新技術。致謝當完成這篇論文的時候，四年充實的大學生活也即將結束。感謝通信與信息工程系的各位老師以及一直以來給予我熱心幫助的朋友們。作為一名世紀學院的學生，母校賦予我誠實、友善嚴謹、堅韌的治學態(tài)度。四年大學生活，為我提供了學科基礎知識素質兼修互長的優(yōu)良環(huán)境，讓我在全面掌握知識的同時注重專業(yè)技術理論聯(lián)系實際打下了堅實的基礎。特別感謝我的導師鄭鳳老師，感謝苗感恩父親母親，感謝他們在我23年成長歲月中所投入的心血，有父母的無私奉獻，理解包容，以生活的歷練指導我在人生路口確的選擇。他們不能為我的論文提出任何改進意見，但是卻以默默完成了論文以外的所有工作。感謝馮帆同學在我論文最困難的時候幫我解決了諸多難題。最后，向所有對本論文提出過寶貴意見的同行專家、老師、朋友表示深深的謝意！

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