LTE系統(tǒng)上行信道估計(jì)算法研究與實(shí)現(xiàn)【大學(xué)畢業(yè)論文】

1、碩士學(xué)位論文-LTE系統(tǒng)上行信道估計(jì)算法研究與實(shí)現(xiàn) 西安電子科技大學(xué) 碩士學(xué)位論文 LTE系統(tǒng)上行信道估計(jì)算法研究與實(shí)現(xiàn) 姓名：趙彥 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士 專業(yè)：通信與信息系統(tǒng) 指導(dǎo)教師：任光亮 20090101 摘要 隨著用戶對(duì)各種多媒體業(yè)務(wù)需求的增加，3GPP提出了長(zhǎng)期演進(jìn)系統(tǒng) Long Term 信道估計(jì)則是保證LTE系統(tǒng)傳輸質(zhì)量，發(fā)揮其優(yōu)越性的關(guān)鍵，因此本文將重點(diǎn)圍 繞LTE系統(tǒng)的上行信道估計(jì)技術(shù)展開(kāi)研究。 本文根據(jù)最新LTE協(xié)議，重點(diǎn)研究了基于導(dǎo)頻的LTE系統(tǒng)上行信道估計(jì)算法。 衡和Turbo譯碼的迭代信道估計(jì)算法，并給出了系統(tǒng)仿真性能曲線。仿真表明，在 增加有限復(fù)雜度的條件下，Tur

2、bo譯碼迭代信道估計(jì)算法性能明顯優(yōu)于MIMO均 衡迭代信道估計(jì)算法，提高了信道估計(jì)值的精度，同時(shí)該算法能夠有效地跟蹤時(shí) 變信道，更適合應(yīng)用于高速場(chǎng)景。此外，本文從實(shí)現(xiàn)的角度介紹了LTE上行信道 估計(jì)模塊的算法實(shí)現(xiàn)流程，算法實(shí)現(xiàn)的DSP平臺(tái)，以及相關(guān)的DSP優(yōu)化，并給出 了優(yōu)化后的結(jié)果。 關(guān)鍵詞：第三代移動(dòng)長(zhǎng)期演進(jìn) 單載波頻分多址 信道估計(jì) MIMO均衡 Turbo譯碼 Abstract Wlththeincreaseofdemandonthemultimedia has its services，3GPP proposed term of is most LTE long evolution

3、LTE systemThesignificantimprovementsystem thatit channel novelair-interface exact employsmany techniquesAccordingly estimation isthe tothe transmission andensuresthe technologykey high performance ofthe thisthesisis intheresearchonthechannel supedoritysystemSo engaged estimation forLTE technologyup,

4、ink to latestLTE channel the According specification,thepilot?-symbol?aided estimation forLTE areresearchedinthis basic algorithmsuplink thesisFirstly,two and channelestimationiS introducedBasedonan cdtedons，LSMMSE，for ofthe iterativeMIMO channelestimation criterions，an improvement equalization anda

5、nimrativeturbo feedbackchannelestimation are algorithm decoding algorithm averificationoftheir simulationresultsare proposedAs performance，the givenThe simulationresultsshowthattheiterativeturbo estimationhas decoding algorithmhigher limited Can followtime-variant increase，and accuracy謝1complexity e

6、ffectively channelsIt the ismore iterativeMIMO outperforms equalization algorithm，and in the of applicablehighspeedenvironmentsMoreover,from perspective ofthechannelestimationmoduleinLTE is implementation，theprocess uplink wellasthe ofthe introduced，asDSP forthe platformimplementation,theoptimizatio

7、n results platform，andoptimization Keyword：LTE SC-FDMAChannelEstimation MIMO TurboDecode Equalizing 西安電子科技大學(xué) 學(xué)位論文創(chuàng)新性聲明 本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究 成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不 包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果；也不包含為獲得西安電子科技大學(xué)或 其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做 的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 申請(qǐng)學(xué)位論文與資料若有不實(shí)

8、之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。 本人簽名： 日期 西安電子科技大學(xué) 關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究 生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬西安電子科技大學(xué)。本人保證畢 業(yè)離校后，發(fā)表論文或使用論文工作成果時(shí)署名單位仍然為西安電子科技大學(xué)。 學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許查閱和借閱論文；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜?部或部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。 本人簽名：蛆 日期 新躲鵬 日期專睜掣? 第一章緒論 第一章緒論 Term LTE Long 入技術(shù)，采用OFDM技術(shù)和MIMO技術(shù)11作為其無(wú)線網(wǎng)絡(luò)演迸的唯一標(biāo)準(zhǔn)

9、。它改 善了小區(qū)邊緣用戶的性能，提高了小區(qū)容量和降低了系統(tǒng)延遲。 11LTE技術(shù)背景 3G技術(shù)的出現(xiàn)給移動(dòng)通信帶來(lái)了巨大的影響，它使上網(wǎng)沖浪、聯(lián)網(wǎng)游戲、遠(yuǎn) 程辦公等擺脫了場(chǎng)地和環(huán)境的束縛，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的無(wú)所不在。但人們的需 求并沒(méi)有就此停滯，在這種需求的推動(dòng)下，3GPP提出了新的挑戰(zhàn)，那就是在2007 大的挑戰(zhàn)，也就是說(shuō)必須在兩年之內(nèi)設(shè)計(jì)出750倍于當(dāng)前系統(tǒng)傳輸速率的新技 術(shù)，并且具有很好的向下兼容性，以保護(hù)現(xiàn)有的投資，這一新的系統(tǒng)被稱作E3G Term 或LTE LongEvolution 。 LTE是關(guān)于UTRA和UTRAN的演進(jìn)，是對(duì)包括核心網(wǎng)在內(nèi)的全網(wǎng)演進(jìn)。它 包含了無(wú)線接口和無(wú)線

10、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)部分。LTE的兩個(gè)核心目標(biāo)：一方面提高吞吐量 和頻譜利用率；另一方面是降低運(yùn)營(yíng)成本。空中接口物理層技術(shù)依舊是無(wú)線通信 系統(tǒng)的基礎(chǔ)與標(biāo)志，LTE系統(tǒng)物理層上行傳輸采用峰均比較低的單載波方案 SCFDMA技術(shù)，下行傳輸采用先進(jìn)成熟的OFDMA技術(shù)。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面，正在 考慮簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以減少網(wǎng)絡(luò)層次，降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延和呼叫建立時(shí)間，滿足 實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的需要。LTE的主要目標(biāo)包括： 1 峰值速率：在20MHz的頻譜帶寬條件下，能夠使下行峰值速率達(dá)100Mbps， 上行峰值速率達(dá)到50Mbps。 2 系統(tǒng)時(shí)延：用戶面延g 單向 小于5ms，控制平面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)遷 移時(shí)間小于50ms，從駐

11、留狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時(shí)間小于lOOms。 R6 3 用戶吞吐量：下行平均用戶吞吐量達(dá)到3GPPHSDPA的34倍，上行平 均用戶吞吐量達(dá)到3GPPR6的增強(qiáng)型上行鏈路的23倍。 4 頻譜效率：下行頻譜效率達(dá)到R6HSDPA的34倍，上行頻譜效率達(dá)到增強(qiáng) 型上行鏈路的23倍。 5 覆蓋范圍：能夠支持lOOkm半徑的小區(qū)。 6 帶寬配置：支持成對(duì)或非成對(duì)頻譜分配，可靈活配置125MHz、25MHz、 5MHz、10MHz、15MHz、20MHz的多種帶寬。 7 成本：盡可能降低用戶和運(yùn)營(yíng)商的成本。 2 LTE系統(tǒng)上行信道估計(jì)算法研究與實(shí)現(xiàn) 從中可以看出，其目標(biāo)與3G相比已經(jīng)有了很大提高。主要體現(xiàn)

12、在高數(shù)據(jù)速率、 分組傳送、靈活帶寬和向下兼容性。此外，3GPP對(duì)演進(jìn)型系統(tǒng)從系統(tǒng)性能要求、 網(wǎng)絡(luò)的部署場(chǎng)景、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、業(yè)務(wù)支持能力以及與現(xiàn)有各個(gè)系統(tǒng)的演進(jìn)和互通關(guān) 系等方面進(jìn)行了詳細(xì)的討論。下圖給出了3GPPLTE項(xiàng)目發(fā)展時(shí)間表。 RAN#299月l923 RAN#273月9一11 日，東京 日，塔林 日，中國(guó) 通過(guò)工作計(jì)劃 修訂工作計(jì)劃 修訂工作計(jì)劃 通過(guò)TR框架 通過(guò)RAN和CN的功 課題的假設(shè)條件 信 道結(jié)構(gòu)，MIMO，信 第一階段需求 能劃分一包括RAN 和CN的研究路線 2005年 T 2006年 6 3月I4月I5月l6月I7月I8月f9月110月111月112月I1月l2月l3月

13、l4月l5月l RAN#301 1月3012 月2日，馬耳他 RAN#325月316月 RAN#285月3031 修訂工作計(jì)劃 2日 日，魁北克 RAN結(jié)構(gòu)的演進(jìn) 通過(guò)TR概念 修訂工作計(jì)劃 無(wú)線接口協(xié)議結(jié)構(gòu) TR向工作課題轉(zhuǎn) 通過(guò)TR需求 狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)移 移的準(zhǔn)備 未來(lái)演進(jìn)路線需求 物理層 多址接入， 創(chuàng)建工作課題和制 宏分集是否必要， 定時(shí)間表 RF，測(cè)量 圖113GPPLTE研究項(xiàng)目發(fā)展時(shí)間表 12信道估計(jì)研究現(xiàn)狀 由于無(wú)線通信的不可靠性主要是由無(wú)線衰落信道的時(shí)變性和多徑傳播引起 的，因此，如何有效地對(duì)抗無(wú)線信道的這些傳輸缺陷是實(shí)現(xiàn)未來(lái)高速無(wú)線通信的 關(guān)鍵12。在LTE系統(tǒng)中，存在例如：

14、同步技術(shù)、信道估計(jì)、峰均比、編碼以及分 集技術(shù)等諸多領(lǐng)域。本論文的主要研究是LTE系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)之一信道估計(jì) 技術(shù)。 信道估計(jì)是無(wú)線傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，在接收端進(jìn)行的均衡、檢測(cè)、信 道質(zhì)量測(cè)量和軟譯碼等處理都需要信道估計(jì)中給出的信道傳輸系數(shù)。這些信道傳 輸系數(shù)的估計(jì)精度直接決定了系統(tǒng)接收機(jī)的性能。為了獲得高精度和低復(fù)雜度的 實(shí)用信道估計(jì)方法，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量的研究，提出了大量信道估計(jì)方法【3114151。 已提出的方法大體上可以分為兩類，一類是盲信道估計(jì)方法，另一類是在已有系 統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)用最廣泛的方法數(shù)據(jù)輔助的信道估計(jì)方法。盲估計(jì)不需要訓(xùn)練 序列，但需要利用數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕y(tǒng)計(jì)信息，相比基于數(shù)

15、據(jù)輔助的信道估計(jì)算法雖然 節(jié)省了帶寬，但算法運(yùn)算量太大，靈活性很差，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中應(yīng)用受限。數(shù)據(jù)輔 助的信道估計(jì)方法中常用的算法有最小二乘估計(jì) LS 【6】、最小均方誤差準(zhǔn)則 第一章緒論 MMSE 【7】18J和最大似然估計(jì) ML 準(zhǔn)則19】等算法。 目前一些關(guān)于信道估計(jì)的算法大多是在低速場(chǎng)景下研究的，低速場(chǎng)景下信道 變化較為緩慢，傳統(tǒng)的算法大多能夠較好地對(duì)抗慢衰落信道。但對(duì)于高速場(chǎng)景下， 由于信道時(shí)變性較強(qiáng)，傳統(tǒng)的算法不能夠有效地對(duì)抗信道的快衰落特性，因此， 如何提高信道估計(jì)在高速場(chǎng)景下的精度，是本文研究的出發(fā)點(diǎn)。 在一般的通信系統(tǒng)中，信道估計(jì)、均衡以及譯碼都是相對(duì)獨(dú)立的處理單元， 先進(jìn)行信道

16、補(bǔ)償即信道估計(jì)，然后對(duì)補(bǔ)償后的接收信號(hào)做均衡，之后再進(jìn)行譯碼。 目前，隨著MIMO均衡技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以及有著良好性能的Turbo碼的出現(xiàn)， 使我們能更充分地將信道估計(jì)、均衡、譯碼結(jié)合考慮。特別地，由于Turbo碼自身 的迭代譯碼結(jié)構(gòu)，使其具有很好的對(duì)抗衰落信道的特性，如果能夠?qū)⑵涞g碼 的思想應(yīng)用到信道估計(jì)中，從理論上講應(yīng)該有助于我們提高信道估計(jì)的精度。這 為我們進(jìn)一步研究高速場(chǎng)景下信道估計(jì)算法提供了很好的思路。 13本論文研究主要工作及內(nèi)容安排 本文在前期項(xiàng)目研究的基礎(chǔ)上，專門針對(duì)基于導(dǎo)頻的LTE系統(tǒng)的上行信道估 計(jì)算法方面做了深入的研究，改進(jìn)的算法解決了高速場(chǎng)景下信道估計(jì)性能不理想 的

17、缺點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上介紹了實(shí)際應(yīng)用中LTE上行信道估計(jì)算法采用DSP平臺(tái)實(shí) 現(xiàn)的流程，DSP的相關(guān)優(yōu)化，完成了相關(guān)代碼優(yōu)化工作，最后給出了優(yōu)化結(jié)果。 本論文內(nèi)容章節(jié)安排如下： 第一章緒論。本章介紹了LTE技術(shù)背景以及信道估計(jì)研究發(fā)展現(xiàn)狀。 第二章LTE系統(tǒng)與關(guān)鍵技術(shù)。介紹了LTE幀結(jié)構(gòu)，LTE發(fā)射機(jī)原理，以及現(xiàn)有的 LTE上下行采用的關(guān)鍵技術(shù)等。 第三章LTE系統(tǒng)上行信道估計(jì)算法。介紹了導(dǎo)頻的選擇和分類，對(duì)傳統(tǒng)的LS準(zhǔn) 的改進(jìn)的LTE系統(tǒng)迭代信道估計(jì)算法研究，并給出不同調(diào)制以及不同多普勒頻移 下的性能曲線仿真，根據(jù)仿真曲線得出了相應(yīng)的結(jié)論。 第四章基于DSP的LTE系統(tǒng)信道估計(jì)算法實(shí)現(xiàn)。介紹了實(shí)

18、際應(yīng)用的LTE系統(tǒng)上 行信道估計(jì)的實(shí)現(xiàn)流程，算法DSP實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，以及DSP相關(guān)優(yōu)化，最后給出了信 道估計(jì)模塊的優(yōu)化結(jié)果。 第五章結(jié)束語(yǔ)。對(duì)本論文研究工作做了總結(jié)，并對(duì)后續(xù)如何在該領(lǐng)域深入研究進(jìn) 行了探討。 第二章LTE系統(tǒng)與關(guān)鍵技術(shù) 第二章LTE系統(tǒng)與關(guān)鍵技術(shù) 21 LTE系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)與導(dǎo)頻 3G技術(shù)主要是針對(duì)當(dāng)前不斷增長(zhǎng)的語(yǔ)音業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)的，它考慮了對(duì)語(yǔ)音業(yè)務(wù)的 良好支持，兼顧了低速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。但由于技術(shù)限制和對(duì)未來(lái)業(yè)務(wù)的預(yù)測(cè)，3G 技術(shù)并不能全面支持高速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，也不能對(duì)時(shí)延低，速率高的流媒體業(yè)務(wù)提 供良好的支持。而將4G的技術(shù)提前引入現(xiàn)有的3G系統(tǒng)，利用4G技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的 3G系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，

19、就成為現(xiàn)有條件下最理想的選擇。LTE的研究工作主要集中在 物理層、空中接口協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)三個(gè)方面，本節(jié)將對(duì)LTE系統(tǒng)物理層方面作以 簡(jiǎn)單介紹。 211幀結(jié)構(gòu) 目前的LTE物理層技術(shù)研究主要針對(duì)頻分雙工 FDD 和時(shí)分雙工 TDD 兩種雙工模式。LTE協(xié)議【ll】舊分別給出FDD，TDD兩種雙工方式下的幀結(jié)構(gòu)，本 課題是基于FDD雙工方式，所以這里僅介紹FDD方式下的幀結(jié)構(gòu)。 如圖21所示，該類型幀結(jié)構(gòu)適用于全雙工FDD和半雙工FDD模式。每個(gè)無(wú) 111s，編 線幀長(zhǎng)霉 307200T。 10Ills，包含20個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙長(zhǎng) 15360互 05 號(hào)019。定義一個(gè)子幀包含2個(gè)連續(xù)的時(shí)隙，子幀

20、i包含第2f和第 2i+1 時(shí)隙。對(duì) 于FDD，在每一個(gè)10ms的間隔內(nèi)，有10個(gè)子幀可被用作下行傳輸，也有10個(gè) 子幀可被用作上行傳輸，上行傳輸和下行傳輸在頻率上是錯(cuò)開(kāi)的；在半雙工FDD 中，LIE不能同時(shí)進(jìn)行傳輸和接收，但是在全雙工FDD中則可以同時(shí)進(jìn)行傳輸與 接收。 一個(gè)無(wú)線幀乃 307200xT, 10res 個(gè)時(shí)隧rD， 15360xT， o5ms +一。 臣三工三日一臣叵 一個(gè)子幀 圖21FDD幀結(jié)構(gòu) 6 LTE系統(tǒng)上行信道估計(jì)算法研究與實(shí)現(xiàn) 212參考信號(hào)設(shè)計(jì) l、上行參考符號(hào)設(shè)計(jì) 計(jì)和信道質(zhì)量 CQI 估計(jì)。根據(jù)LTE協(xié)議】，對(duì)于上行鏈路一個(gè)子幀中導(dǎo)頻符 號(hào)與用戶數(shù)據(jù)符號(hào)共有1

21、4個(gè)，記作013。其中第四個(gè)符號(hào)和第十一個(gè)符號(hào)為導(dǎo)頻 信號(hào) 。 ：圜一導(dǎo)頻 一個(gè)子幀 圖22LTE上行子幀時(shí)隙結(jié)構(gòu) 假定一個(gè)用戶占用12個(gè)子載波，則其時(shí)頻結(jié)構(gòu)如圖23所示： _l II 羞 F 簟 一 l 圖23LTE時(shí)頻二維結(jié)構(gòu)示意圖 其中深色為導(dǎo)頻數(shù)據(jù)，其余的是用戶數(shù)據(jù)。對(duì)接收到的導(dǎo)頻先進(jìn)行導(dǎo)頻點(diǎn)處 信道估計(jì)，然后對(duì)得到的導(dǎo)頻子載波上的信道傳輸系數(shù)進(jìn)行降噪濾波、時(shí)域插值， 從而得到數(shù)據(jù)子載波上的信道估計(jì)值。由于LTE系統(tǒng)上行塊狀導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)，且各子 載波上的導(dǎo)頻參考序列由ZC Zadoff-Chu 序列產(chǎn)生，故其相鄰子載波導(dǎo)頻位置 處的參考序列相互正交。 2、下行參考符號(hào)設(shè)計(jì) LTE系統(tǒng)利用導(dǎo)

22、頻進(jìn)行信道估計(jì)，LTE下行采用短CP的導(dǎo)頻結(jié)構(gòu) 沒(méi)有特別 說(shuō)明均默認(rèn)為短CP的幀結(jié)構(gòu) ，導(dǎo)頻子載波用于傳輸導(dǎo)頻信息；數(shù)據(jù)子載波用于 傳輸數(shù)據(jù)；其中有一個(gè)直流偏置DC子載波位置，不傳任何數(shù)據(jù)。時(shí)域上每個(gè)時(shí)隙 包含7個(gè)OFDM符號(hào)，其中兩個(gè)符號(hào)放置導(dǎo)頻 第一個(gè)和倒數(shù)第三個(gè) ；從頻域看， 第二章LTE系統(tǒng)與關(guān)鍵技術(shù) 7 每個(gè)符號(hào)從左保護(hù)邊帶后 保護(hù)邊帶不傳任何信息 的第二個(gè)子載波開(kāi)始，每6 個(gè)子載波放置一個(gè)導(dǎo)頻，兩個(gè)導(dǎo)頻子載波之間有5個(gè)子載波，倒數(shù)第三個(gè)符號(hào)從 左保護(hù)邊帶后第五個(gè)子載波開(kāi)始，每6個(gè)子載波放置一個(gè)導(dǎo)頻，兩個(gè)導(dǎo)頻子載波 之間有5個(gè)子載波。第一個(gè)符號(hào)上的導(dǎo)頻子載波位置與倒數(shù)第三個(gè)符號(hào)上的導(dǎo)

23、頻 子載波位置正好交叉錯(cuò)開(kāi)。另外，由于DC 直流偏置 子載波不傳輸任何信息， 導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)的放置在碰到DC都后移一個(gè)子載波，即DC兩邊的兩個(gè)導(dǎo)頻之間有6 個(gè)子載波。 22LTE上行關(guān)鍵技術(shù) SCFDMA叫做單載波頻分多址【121，是相對(duì)于OFDMA提出的一種多址方案。 由于OFDM的時(shí)域信號(hào)是若干平行隨機(jī)信號(hào)之和，因而容易導(dǎo)致高峰均比。而基 站端的功率限制相對(duì)較小，可以采用較為昂貴的功率放大器，所以在下行鏈路中， 高峰均比不會(huì)帶來(lái)太大的問(wèn)題。然而，在上行鏈路中，由于用戶終端的功率放大 器要求低成本，并且電池的容量有限，因而高PAPR會(huì)將降低UE的功率利用率， 減小上行的有效覆蓋【l引。為避免OF

24、DM上述缺點(diǎn)，因此LTE系統(tǒng)上行鏈路選擇采 用峰均比比較低的單載波調(diào)制技術(shù)，即：SCFDMA技術(shù)。 221發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu) LTE系統(tǒng)上行基帶發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)框圖： 圖24LTE系統(tǒng)上行基帶發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)圖 上述框圖簡(jiǎn)單描述了上行鏈路基帶發(fā)射的過(guò)程，有幾點(diǎn)作以下說(shuō)明： 1 信道復(fù)用指各種信道和信號(hào)在時(shí)域和頻域上的復(fù)用，sounding在第一個(gè)符號(hào)， LTE系統(tǒng)上行信道估計(jì)算法研究與實(shí)現(xiàn) 任何用戶發(fā)送sounding時(shí)，第一個(gè)符號(hào)不發(fā)送數(shù)據(jù)，否則第一個(gè)符號(hào)發(fā)送數(shù)據(jù)。 2 參考信號(hào)包括用于物理上行共享信道和物理上行控制信道解調(diào)的參考信號(hào)與 sounding的參考信號(hào)。 3 除RACH信道的SCFDMA符號(hào)生成不同

25、外，其它信道信號(hào)的生成都一樣。 222 SCFDMA上行鏈路傳輸 4。， 了功放的效率和增加了小區(qū)的覆蓋面積，這是選擇SCFDMA作為L(zhǎng)TE上行多址 方案的重要原因。上行傳輸方案采用帶循環(huán)前綴CP的SCFDMA，使用DFT獲得 頻域信號(hào)，然后插入零符號(hào)進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展信號(hào)再通過(guò)IFFT。這個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)寫為 它將傳輸帶寬分為正交的子載波集合，并將不同的子載波集合分配給不同的用戶， 實(shí)現(xiàn)傳輸帶寬可以靈活地在多用戶之間共享，同時(shí)由于信號(hào)在頻域的正交性，避 免了系統(tǒng)中用戶間的多址干擾f151。其原理如圖25所示。 彳 比特流 由 星座IX 1山 7馬 輸入比特流f并 映射廣一 M點(diǎn)_2一 N點(diǎn) 加循環(huán) 并串

26、 1轉(zhuǎn) fM 冊(cè)盯 轉(zhuǎn)換 Dflr 前綴 換 器 器 行批特流 腳 星座lx M?l，11 r 映射I M-! 圖25DFT-S?OFDM原理圖 對(duì)DFT-SOFDM來(lái)說(shuō)，首先對(duì)M個(gè)調(diào)制符號(hào)的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行了M點(diǎn)的DFT， 然后DFT將調(diào)制符號(hào)變換到頻域上，映射到可用的子載波上，再進(jìn)行N N M 點(diǎn)IFFT變換，接著進(jìn)行加循環(huán)前綴和并串變換。在一個(gè)SCFDMA信號(hào)中，每一 個(gè)子載波承載了所有發(fā)送調(diào)制符號(hào)的信息，這是因?yàn)檩斎氲臄?shù)據(jù)流被DFT變換映 射到了所有的可用子載波上。不同的是，在OFDMA信號(hào)中每個(gè)子載波只承載了 特定調(diào)制符號(hào)的信息。子載波映射決定了哪一部分頻譜資源被用來(lái)傳輸上行數(shù)據(jù)， 而其他

27、部分則被插入若干個(gè)零值。通常頻譜資源的映射方式有兩種方式【14】：一種 是集中式映射，即DFT的輸出映射到連續(xù)的子載波上；另一個(gè)是分布式映射，即 第二章LTE系統(tǒng)與關(guān)鍵技術(shù) 9 DFT的輸出映射到離散的子載波上，如圖26所示。對(duì)于不同用戶而言，相對(duì)于前 者，分布式映射可以獲得額外的頻率分集，但其缺點(diǎn)在于對(duì)頻率偏移以及高多普 勒現(xiàn)象更加敏感。 ToIFFT FromD - 卜 圖26集中式和分布式子載波映射示意圖 在LTE上行鏈路中，由于傳輸信號(hào)受到信道的影響，導(dǎo)致接收到的信號(hào)在相位 和幅度上產(chǎn)生畸變，其中產(chǎn)生畸變的主要的原因是無(wú)線信道中的多徑衰落和多譜 勒頻移。接收端一般采用差分解調(diào)和非差分解

28、調(diào) 相干檢測(cè) 這兩種方法來(lái)消除 這類影響。如果采用差分檢測(cè)則是不需要信道估計(jì)的，而且可以降低系統(tǒng)的復(fù)雜 性和導(dǎo)頻的數(shù)量，但是要求信道有較高的信噪比。而大多數(shù)的無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)頻 偏比較敏感，接收機(jī)一般采用相干檢測(cè)。相干檢測(cè)是通過(guò)信道均衡技術(shù)消除信道 干擾，需要信道估計(jì)，性能良好的信道估計(jì)是提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。特別地，在 高速移動(dòng)的通信系統(tǒng)中，無(wú)線信道的時(shí)變特性非常突出，即使相鄰的信息符號(hào)所 對(duì)應(yīng)的信道特性都會(huì)有所變化，所以如何有效地跟蹤時(shí)變信道，對(duì)時(shí)變信道進(jìn)行 準(zhǔn)確的信道估計(jì)在LTE系統(tǒng)中顯得尤為重要。 23LTE下行關(guān)鍵技術(shù) 231 OFDMA概述 傳統(tǒng)的正交頻分復(fù)用 OFDM 06】技術(shù)基本

29、思想是把高速率的信源信息流變 換成N路低速率的并行數(shù)據(jù)流，然后用N個(gè)相互正交的載波進(jìn)行調(diào)制，將N路調(diào) 制后的信號(hào)相加即得發(fā)射信號(hào)。由于每個(gè)子信道中的符號(hào)周期會(huì)相對(duì)增加，因此 可以減小無(wú)線信道的多徑時(shí)延擴(kuò)展所產(chǎn)生的時(shí)間彌散性。通過(guò)插入循環(huán)前綴，滿 足一定條件就可最大限度地消除由多徑引起的符號(hào)間干擾，提高了抗多徑衰落方 面的性能。 lO LTE系統(tǒng)上行信道估計(jì)算法研究與實(shí)現(xiàn) OFDMA技術(shù)【l7J是為了將OFDM技術(shù)從定點(diǎn)接取無(wú)線系統(tǒng)擴(kuò)展為具有行動(dòng)能 力的真正蜂巢式系統(tǒng)而開(kāi)發(fā)的。其底層技術(shù)是相同的，更多靈活性是通過(guò)系統(tǒng)工 作定義所實(shí)現(xiàn)。在LTE下行鏈路中，協(xié)議采用基于傳統(tǒng)OFDM技術(shù)的OFDMA技

30、 術(shù)，它是將OFDM和FDMA技術(shù)結(jié)合形成的最常見(jiàn)的OFDM多址技術(shù)，它分為 成若干子信道，每個(gè)子信道包括若干子載波，分配給一個(gè)用戶 也可以一個(gè)用戶 占用多個(gè)子信道 。與OFDM不同的是，OFDMA允許多個(gè)用戶同時(shí)在可用的帶寬 上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè)用戶分配一塊特定的時(shí)頻資源塊。OFDMA方案可以看做將 總資源 時(shí)間，帶寬 在頻率上進(jìn)行分割。從而實(shí)現(xiàn)多用戶接入，是一種以頻率 來(lái)區(qū)分用戶的多址接入方式。 232 OFDMA下行鏈路傳輸 l、下行的資源分配 下行的資源分配單位為資源塊，當(dāng)子載波間隔為15KHz時(shí)，一個(gè)物理資源塊 在頻域上包括12個(gè)子載波，當(dāng)子載波間隔為75KHz時(shí)包括24個(gè)子載波。在

31、時(shí)域 上包括碟6個(gè)OFDM符號(hào)，這里雌6指的是每個(gè)時(shí)隙的OFDM符號(hào)個(gè)數(shù)。資源 塊的大小對(duì)于所有帶寬都是相等的，資源塊數(shù)目取決于帶寬大小【111。 下行一個(gè)時(shí)隙 I J L 翻 一個(gè)資源塊中 -7 載波的個(gè)數(shù) 1 r I I I I I I l 下行OFDM符號(hào) 圖27LTE下行資源結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)要求的數(shù)據(jù)速率，每個(gè)用戶在每隔lms的傳輸間隔內(nèi)被分配一個(gè)或多個(gè) 資源塊，資源調(diào)度由eNodeB來(lái)做。用戶數(shù)據(jù)在物理下行共享信道 PDSCH 上 第二章LTE系統(tǒng)與關(guān)鍵技術(shù) 進(jìn)行傳輸，控制信息在物理下行控制信道上傳輸 PDCCH ，用來(lái)傳輸對(duì)各個(gè)用戶 的調(diào)度信息。 2、下行共享信道的信號(hào)生成過(guò)程： 圖2

32、8下行共享信道信號(hào)生成過(guò)程 CRC 循環(huán)冗余校驗(yàn) 用于對(duì)傳輸塊進(jìn)行檢錯(cuò)，數(shù)據(jù)共享信道中其長(zhǎng)度為24； 分段是由于其編碼的信息比特太長(zhǎng)，超過(guò)了編碼器的要求，故需要分成幾段進(jìn)行 編碼；速率匹配是在Turbo碼或卷積碼的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，以適應(yīng)LTE高 數(shù)據(jù)速率的需要：LTE系統(tǒng)中信道編碼大多采用的是Turbo碼；相對(duì)于前面的分段 編碼而言，級(jí)聯(lián)就是把分段并編碼完成的碼塊再連接起來(lái)；信道交織目的是為了 把突發(fā)錯(cuò)誤隨機(jī)化，最后產(chǎn)生基帶信號(hào)【18】。 24本章小結(jié) 本章主要介紹了LTE系統(tǒng)物理層相關(guān)概念，根據(jù)目前LTE協(xié)議的規(guī)定，重點(diǎn) 介紹了本課題基于FDD的幀結(jié)構(gòu)類型。介紹了上下行參考符號(hào)，重點(diǎn)介

33、紹了LTE 上行關(guān)鍵技術(shù)，即：Sc-_FDMA技術(shù)，包括發(fā)射機(jī)的原理，上行鏈路的傳輸方案： 傳輸介紹。為我們進(jìn)一步理解LTE的基本原理以及后續(xù)章節(jié)對(duì)LTE系統(tǒng)信道估計(jì) 技術(shù)的研究奠定了扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。 第三章LTE系統(tǒng)上行信道估計(jì)算法 第三章LTE系統(tǒng)上行信道估計(jì)算法 對(duì)于LTE系統(tǒng)上行鏈路而言，采用的是單載波SCFDMA技術(shù)和塊狀導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)。 因此，在eNodeB端在進(jìn)行信道估計(jì)的時(shí)候，只需要對(duì)估計(jì)出的信道響應(yīng)在時(shí)域進(jìn) 行平均或插值來(lái)獲得整個(gè)幀面的信道響應(yīng)值，而不需要對(duì)頻域進(jìn)行插值，因而實(shí) 現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單。但其弊端是對(duì)于高速場(chǎng)景下的信道估計(jì)精度不夠，這主要是由 于導(dǎo)頻排放模式所導(dǎo)致。如何就當(dāng)前

34、LTE上行鏈路在高速場(chǎng)景下和增加有限復(fù)雜度 的條件下，能夠有效的對(duì)抗信道的時(shí)變性，提高信道估計(jì)的準(zhǔn)確度，從而達(dá)到提 升整個(gè)系統(tǒng)性能的目的，這是本章研究的重點(diǎn)。 31信道估計(jì)算法 信道估計(jì)就是估計(jì)從發(fā)送天線到接收天線之間的無(wú)線信道的頻率響應(yīng)。它的 任務(wù)就是根據(jù)接收到的經(jīng)信道影響在幅度和相位上產(chǎn)生了畸變并疊加了高斯白噪 聲的接收序列來(lái)準(zhǔn)確識(shí)別出信道的時(shí)域或者頻域的傳輸特性，即：估計(jì)出每個(gè)子 載波上的頻率響應(yīng)。傳統(tǒng)信道估計(jì)準(zhǔn)則大致分為：最小平方準(zhǔn)則 LS ，最小均方誤 差準(zhǔn)N MMSE 等【19】【201。 目前關(guān)于信道估計(jì)的算法很多【2l】【24】，根據(jù)在時(shí)域還是頻域?qū)崿F(xiàn)，可以分為是 時(shí)域信道估計(jì)

35、算法和頻域信道估計(jì)算法兩大類；根據(jù)是否使用輔助數(shù)據(jù)又可以分 為導(dǎo)頻輔助的估計(jì)算法【25】【26】【2刀和盲估計(jì)算法【28291?；谧涌臻g和高階統(tǒng)計(jì)量等盲 估計(jì)算法，不需要發(fā)送訓(xùn)練序列從而提高了系統(tǒng)的頻譜效率。但為了進(jìn)行可靠估 計(jì)，接收端必須接收到足夠多的數(shù)據(jù)符號(hào)，因此產(chǎn)生很大運(yùn)算量和處理延時(shí)。由 于信道的時(shí)變特性，靈活性差等因素導(dǎo)致其在實(shí)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用中受到限制。導(dǎo)頻 輔助的估計(jì)算法通過(guò)在時(shí)域和頻域插入導(dǎo)頻，定期或不定期地發(fā)送一定的訓(xùn)練序 列來(lái)訓(xùn)練接收機(jī)的信道估計(jì)器。先對(duì)導(dǎo)頻位置進(jìn)行估計(jì)，再進(jìn)行插值處理得到全 部信道響應(yīng)值。對(duì)導(dǎo)頻子載波上的估計(jì)方法有最小平方估計(jì) LS 、最小均方誤差估 計(jì) MMSE 、最大似然估計(jì) MLE 等方法。插值方法中二維維納濾波器是最小均方 意義上的最佳濾波器【30】【3l】，它最大限度地抑制了ICI和高斯白噪聲，但缺點(diǎn)在于算 法復(fù)雜度過(guò)高和對(duì)存儲(chǔ)空間要求太高。對(duì)它的改進(jìn)算法有： 1 分離濾波器法，即 將二維濾波器分解成級(jí)聯(lián)的兩個(gè)一維濾波器。但復(fù)雜度仍然相對(duì)較高； 2 變換域 法。目前這種算法主要分為基于奇異值分解的估計(jì)算法【32】和基于離散傅里葉變換 DFT 的估計(jì)算法【331134】【351。對(duì)于輔助信息信道估計(jì)算法，雖然導(dǎo)頻占用了一定的信 息比特，造成帶寬和功率的損