（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）lteadvanced物理層仿真平臺設(shè)計與實現(xiàn).pdf

摘要 摘要 l t e a d v a n c e d 作為候選4 g 標(biāo)準(zhǔn)之一，引起了3 g p p 產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，是 當(dāng)前研究的熱點。l t e a d v a n c e d 標(biāo)準(zhǔn)化工作在2 0 0 9 年9 月已完成研究階段，目前 i t u r 開始進(jìn)行評估和一致性構(gòu)建。我國已經(jīng)積極參與到l t e a d v a n c e d 標(biāo)準(zhǔn)化相 關(guān)工作中。為了滿足l t e a d v a n c e d 標(biāo)準(zhǔn)化工作的研究需要，建立一個有效的仿真 系統(tǒng)平臺是首要任務(wù)。其次，l t e a d v a n c e d 標(biāo)準(zhǔn)化工作主要集中在物理層方面， 其中增強型m i m o 技術(shù)是尤為值得關(guān)注的研究重點。因此，本論文將基于以上提 到的兩點來開展工作。 首先，論文根據(jù)l t e a d v a n c e d 標(biāo)準(zhǔn)化工作需求，以i t u ri m t - a d v a n c e d 信 道模型為基礎(chǔ)設(shè)計了一個l t e a d v a n c e d 物理層仿真系統(tǒng)平臺，其包括了完整的系 統(tǒng)平臺設(shè)計及實現(xiàn)方法。 其次，論文針對l t e a d v a n c e d 中增強型m i m o 的需求，在r e l e a s e8l t e 發(fā) 射分集方案基礎(chǔ)上，從編碼、相關(guān)性和兼容性等角度出發(fā)考慮給出了l t e a d v a n c e d 的一種下行發(fā)射分集擴展方案。通過對該發(fā)射分集方案的理論分析與仿真結(jié)果對 比，從一個方面驗證了所設(shè)計仿真平臺的可行性?；诒痉抡嫫脚_，本文對 l t e a d v a n c e d 中基于m i m o 的分集技術(shù)和復(fù)用技術(shù)進(jìn)行了仿真評估。 最后，由于l t e a d v a n c e d 系統(tǒng)中增強型m i m o 的引入，使l t e a d v a n c e d 中 必須考慮額外參考信號的設(shè)計。論文根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料分析了l t e a d v a n c e d 中解 調(diào)參考信號的設(shè)計要求，綜合系統(tǒng)開銷、復(fù)雜度、兼容性以及性能等方面考慮給 出了一種相對簡單的下行解調(diào)參考信號設(shè)計方案，并進(jìn)行了仿真驗證。 關(guān)鍵字：l t e a d v a n c e dm i m o 發(fā)射分集參考信號 a b s t r a c t a b s t r a c t l t e - a d v a n c e d ，勰o n eo ft h ec a n d i d a t e4 gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d s ，h a s c a u s e dw i d e s p r e a da t t e n t i o ni n3 g p pi n d u s t r y i t sah o tr e s e a r c hc u r r e n t l y r 1 1 l er e s e a r c h p h a s eo fl t e a d v a n c e ds t a n d a r d i z a t i o nw o r kh a sb e e nc o m p l e t e di ns e p t e m b e r2 0 0 9 c u r r e n t l y , n u - rb e g i n st oe n t e ri n t h ep h a s eo fa s s e s s m e n ta n dc o n s i s t e n c y c o n s t r u c t i o n c h i n ah a sp a r t i c i p a t e di n t h er e l e v a n tw o r ko fs t a n d a r d i z a t i o np r o c e s s a c t i v e l y i no r d e rt om e e tt h en e e do fl t e - a d v a n c e ds t a n d a r d i z a t i o n ，t h ef i r s tt a s ki st h e e s t a b l i s h m e n to fas y s t e ms i m u l a t i o np l a t f o r m s e c o n d l y , t h es t a n d a r d i z a t i o np r o c e s so f l t e a d v a n c e dw a sm a i n l yc o n c e n t r a t e do nt h ep h y s i c a ll a y e r , e s p e c i a l l yo ne n h a n c e d m i m o t e c h n o l o g y , w h i c hi st h et o pp r i o r i t y b a s e do nt h ea b o v e - m e n t i o n e di s s u e s ，t h e m a i nc o n t r i b u t i o n sa n di n n o v a t i o n si nt h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , f o rt h er e q u i r e m e n to fl t e - a d v a n c e ds t a n d a r d i z a t i o np r o c e s s ，as y s t e r n s i m u l a t i o np l a t f o r mh a sb e e nd e s i g n e db a s e do nt h en u - ri m t - a d v a n c e dc h a n n e l m o d e l ，w h i c hi n c l u d e st h ed e t a i ld e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d s e c o n d l y , t om e e tt h er e q u i r e m e n to ft h ee n h a n c e dm i m o i nl t e - a d v a n c e d ，a l t e - a d v a n c e dd o w n l i n kt r a n s m i s s i o nd i v e r s i t ye x t e n d e dp r o g r a m ，b a s e d o n t r a n s m i s s i o nd i v e r s i t ys c h e m e so f r e l e a s e 一8l t e ，h a sb e e ng i v e nc o n s i d e r i n gf r o mt h e e n c o d i n g ，r e l e v a n c e ，c o m p a t i b i l i t ye t c a s p e c t s i na d d i t i o n , t h i st h e s i st e s t sa n dv e r i f i e s t h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g n e ds y s t e ms i m u l a t i o np l a t f o r mt h r o u g hc o m p a r i n gt h et h e o r y a n a l y s i sw i t ht h e s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ep r o p o s e dt r a n s m i s s i o nd i v e r s i t ys c h e m e b a s e do nt h i ss i m u l a t i o np l a t f o r m ，t h et r a n s m i s s i o nd i v e r s i t yt e c h n o l o g ya n d m u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g yi nl t e a d v a n c e dh a v eb e e ne s t i m a t e ds y s t e m a t i c a l l y i nt h ee n d ，t h ei n t r o d u c t i o no fe n h a n c e dm i m oi nl t e a d v a n c e ds y s t e mh a s g i v e nr i s et ot h ed e s i g no ft h ea d d i t i o n a lr e f e r e n c es i g n a l s f o rt h er e q u i r e m e n to f t h e d e m o d u l a t i o nr e f e r e n c es i g n a l so fl t e a d v a n c e db a s e do nr e l e v a n tl i t e r a t u r ea n a l y s i s ， as i m p l em e t h o do ft h ed o w n l i n kr e f e r e n c es i g n a l sd e s i g nh a sb e e ng i v e n ，c o n s i d e r i n g t h eo v e r h e a d ，c o m p l e x i t y , c o m p a t i b i l i t ya n dp e r f o r m a n c et o g e t h e r k e y w o r d s ：l t e a d v a n c e d ，m i m o ，t r a n s m i s s i o nd i v e r s i t y , r e f e r e n c es i g n a l i i i 插圖索引 插圖索引 圖2 1 物理層下行發(fā)送端的基本框圖6 圖2 2 物理層下行接收端的基本框圖6 圖2 3 系統(tǒng)仿真流程8 圖2 4 加擾模塊實現(xiàn)流程9 圖2 5 調(diào)制模塊實現(xiàn)流程1 0 圖2 6q p s k 實現(xiàn)流程1 0 圖2 7 一對二串并變換映射實現(xiàn)流程1 2 圖2 8 空間復(fù)用層映射實現(xiàn)流程1 2 圖2 9 預(yù)編碼實現(xiàn)流程1 2 圖2 1 04 天線端口時空間復(fù)用的編碼碼本矩陣計算1 3 圖2 1 l 統(tǒng)一的資源元映射方法流程1 4 圖2 1 2 偽隨機序列實現(xiàn)流程。( a ) 總體流程，( b ) 生成毛( 聊) 流程，( c ) 生 成x 2 ( m ) ，( d ) 整數(shù)化為二進(jìn)制序列函數(shù)流程1 5 圖2 1 3 小區(qū)參考信號產(chǎn)生實現(xiàn)流程1 6 圖2 1 4 參考信號映射實現(xiàn)流程1 7 圖2 1 5l m i s r e f e r s i g n a l p o s t i o n 的實現(xiàn)流程1 8 圖2 1 6o f d m 調(diào)制輸入數(shù)據(jù)組織2 0 圖2 1 7 一幀數(shù)據(jù)的o f d m 調(diào)制實現(xiàn)流程2 0 圖2 1 8 一幀中各o f d m 的c p 長度計算流程2 1 圖2 1 9 單個o f d m 調(diào)制模塊系統(tǒng)框圖2 1 圖2 2 0 單個o f d m 調(diào)制流程2 l 圖2 2 1o f d m 調(diào)制輸入數(shù)據(jù)重新排序的實現(xiàn)流程2 2 圖2 2 2 循環(huán)前綴示意圖2 2 圖2 2 3 附循環(huán)前綴操作流程2 2 圖2 2 4o f d m 解調(diào)模塊系統(tǒng)框圖2 3 圖2 2 5 以幀為單位的o f d m 解調(diào)實現(xiàn)流程2 3 圖2 2 6 單個o f d m 解調(diào)實現(xiàn)流程2 4 圖2 2 7 去c p 操作實現(xiàn)流程2 4 圖2 2 8 符號逆重組操作實現(xiàn)流程2 4 圖2 2 9 信道估計模塊總體流程2 5 圖2 3 0 資源元逆映射實現(xiàn)流程2 6 圖2 3 l 信道模型建立過程2 8 圖2 3 2 信道系數(shù)生成過程2 8 圖2 3 3 信道模塊總體流程2 8 圖2 3 4 信道系數(shù)生成流程2 9 圖2 3 5 信道場景選擇處理通用結(jié)構(gòu)2 9 圖2 3 6 信道作用數(shù)據(jù)過程流程3 0 圖3 1 基于m i m o - o f d m 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收發(fā)示意圖3 5 圖3 2 碼字解碼流程3 6 圖3 3 發(fā)射分集性能比較3 7 i 重慶郵電大學(xué)碩士論文 圖3 4 發(fā)射分集在u m in l o s 場景中不同速度下的性能比較3 8 圖3 5 發(fā)射分集在u m il o s 場景中不同速度下的性能比較3 9 圖3 6 發(fā)射分集在u m an l o s 場景中不同速度下的性能比較3 9 圖3 7 發(fā)射分集在u m al o s 場景中不同速度下的性能比較4 0 圖3 8 發(fā)射分集在r m an l o s 場景中不同速度下的性能比較4 0 圖3 9 發(fā)射分集在r m al o s 場景中不同速度下的性能比較4 1 圖3 1 0 發(fā)射分集在u m in l o s 與l o s 場景下的性能比較4 1 圖3 1 l 發(fā)射分集在u m an l o s 與l o s 場景下的性能比較4 2 圖3 1 2 發(fā)射分集在r m an l o s 與l o s 場景下的性能比較4 2 圖3 1 3 發(fā)射分集在i n hn l o s 與l o s 場景下的性能比較4 3 圖3 1 4 發(fā)射分集在各種n l o s 場景下的性能比較4 3 圖3 1 5 空間復(fù)用在u m in l o s 場景中不同接收機不同速度下的性能比較4 4 圖3 1 6 空間復(fù)用在u m il o s 場景中不同接收機不同速度下的性能比較4 5 圖3 1 7 空間復(fù)用在u m an l o s 場景中不同接收機不同速度下的性能比較4 5 圖3 1 8 空間復(fù)用在u m al o s 場景中不同接收機不同速度下的性能比較4 6 圖3 1 9 空間復(fù)用在r m an l o s 場景中不同接收機不同速度下的性能比較4 6 圖3 2 0 空間復(fù)用在r m al o s 場景中不同接收機不同速度下的性能比較4 7 圖3 2 1 空間復(fù)用在u m in l o s 與l o s 場景下的性能比較4 7 圖3 2 2 空間復(fù)用在l i m an l o s 與l o s 場景下的性能比較4 8 圖3 2 3 空間復(fù)用在r m an l o s 與l o s 場景下的性能比較4 8 圖3 2 4 空間復(fù)用在i n hn l o s 與l o s 場景下的性能比較4 9 圖3 2 5 空間復(fù)用在各種場景中的性能比較4 9 圖3 2 6 空間復(fù)用i n hn l o s 場景下不同復(fù)用率的性能比較5 0 圖3 2 7 空間復(fù)用i n hn l o s 場景下不同調(diào)制的性能比較5 1 圖3 2 8 空間復(fù)用i n hn l o s 場景下不同碼本的性能比較5 1 圖4 1 下行參考信號在一個資源塊一個子幀中的資源元映射5 6 圖4 2i n hl o s 場景下不同參考信號設(shè)計方案的性能比較5 8 圖4 3i n hn l o s 場景下不同參考信號設(shè)計方案的性能比較5 9 v i 主要符號對照表 復(fù)數(shù)的共軛 表示x 的估計值 黑體大寫字母表示矩陣 矩陣的逆 矩陣的偽逆 矩陣的復(fù)共軛轉(zhuǎn)置 一個時隙中第，個o f d m 符號在第p 端口上的基帶信號 對于天線端口p ，資源元( 七，) 上的值 下行鏈路資源塊數(shù)目 一個資源塊中子載波數(shù)目 i x 一 + j 日 ，j ) u。石舅x盯擴州柑惜 英文縮寫表 x i 第一章緒論 1 1 研究背景 第一章緒論 在l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ，長期演進(jìn)技術(shù)) 標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，l t e a d v a n c e d 的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程引起了3 g p p 產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，是當(dāng)前研究的熱點。l t e a d v a n c e d 標(biāo)準(zhǔn)化工作主要集中在物理層方面，其中基于多輸入多輸出的發(fā)射與接收技術(shù)是 尤為值得關(guān)注的研究重點。 3 g p p 產(chǎn)業(yè)界在經(jīng)過了幾年全力以赴的l t e 技術(shù)研發(fā)后，已經(jīng)具有相當(dāng)明顯的 4 g 技術(shù)特征，只要在其基礎(chǔ)上作適當(dāng)增強，就可以滿足i m t - a d v a n c e d 的需求。 出于這種考慮，l t e a d v a n c e d 一定會作為在l t e 基礎(chǔ)上的平滑演進(jìn)。基于這樣一 種定位，l t e a d v a n c e d 系統(tǒng)應(yīng)自然的支持原l t e 的全部功能，并支持與l t e 的前 后向兼容性，即r l e a s e 8l t e 的終端可以接入未來的l t e a d v a n c e d 系統(tǒng)， l t e a d v a n c e d 終端也可以接入r l e a s e 8l t e 系統(tǒng)。目前，在l t e 中所支持的m i m o 技術(shù)，下行方向上可以配置2 根或者4 根發(fā)射天線，以及2 根或者4 根接收天線， 允許最大4 個流的多層傳輸。相對于l t e 而言，l t e a d v a n c e d 對多項系統(tǒng)指標(biāo)提 出了更高的要求，其中主要表現(xiàn)在兼容性、特定場景優(yōu)化、峰值速率與頻譜效率 等方面 1 】。為了達(dá)到峰值頻譜效率要求，l t e a d v a n c e d 系統(tǒng)考慮了更高階的天線 配置，即在下行方向上支持8 根發(fā)射天線以及8 根接收天線。 l t e a d v a n c e d 中關(guān)于下行增強型m i m o 的討論引發(fā)了一個問題，即是否為支 持下行8 天線端口傳輸?shù)挠脩艚K端( u t ) 定義一種具體的8 t x 發(fā)射分集( 8 t x d ) 方案。一些公司指出8 - t x d 方案不太可能帶來增益，因此有待于在實踐中驗證 2 ，3 ， 4 】。文獻(xiàn)【5 】中給出了幾種8 t x 發(fā)射分集方案，文獻(xiàn) 6 中對r e l e a s e 一8l t e 中的4 - t x 發(fā)射分集及文獻(xiàn) 5 】中給出的8 t x 發(fā)射分集方案進(jìn)行了仿真對比，并指出在 l t e a d v a n c e d 中引入8 t x 發(fā)射分集方案具有合理性與必要性。在文獻(xiàn) 5 】的基礎(chǔ) 上，文獻(xiàn) 7 中通過引入d f t 和r e g r o u p i n g 模塊來提高系統(tǒng)性能。另外，文獻(xiàn) 8 】 通過引入預(yù)編碼矩陣來實現(xiàn)由4 t x 分集到8 t x 分集的擴展。實際上，【6 , 7 ，8 都是 基于s f b c + f s t d 的8 一t x 發(fā)射分集方案。然而，文獻(xiàn) 6 ， 7 】， 8 都存在復(fù)雜度，兼 容性以及性能等方面的問題。 空間復(fù)用也是增強型m i m o 的重要方面，可以提供很高的頻譜效率?？臻g復(fù) 用的頇編碼m i m o 技術(shù)，可以有效的實現(xiàn)空間復(fù)用，文獻(xiàn)【9 】對基于碼本的預(yù)編碼 m i m o 及其接收技術(shù)進(jìn)行了論述。當(dāng)發(fā)送端可以得到可靠的信道信息時，可以通 重慶郵電大學(xué)碩士論文 過線性預(yù)編碼來實現(xiàn)空間復(fù)用。線性預(yù)編碼需要完整的信道狀態(tài)信息 1 0 ，1 1 、一階 統(tǒng)計信息 1 2 ，1 3 或二階統(tǒng)計信息 1 4 1 9 。這些信息的獲取在f d d 系統(tǒng)中是很難實 現(xiàn)的，而通過提供預(yù)先設(shè)計好的預(yù)編碼碼本集，在接收端根據(jù)所測量到的信道狀 態(tài)信息并根據(jù)一定的選擇算法選擇出合適的預(yù)編碼碼本，然后把相應(yīng)碼本的索引 反饋到發(fā)送端，可以極大地減少系統(tǒng)的反饋信息?；诖?，大量的預(yù)編碼碼本設(shè) 計方法 2 0 2 7 被提出。 2 8 】中給出了l t e a d v a n c e d 中8 t x 傳輸?shù)拇a本要求和設(shè)計 準(zhǔn)則，【2 9 中對系統(tǒng)中碼本個數(shù)的選取進(jìn)行了測試，【3 0 ，3 1 】中分別具體給出了8 t x 傳輸?shù)拇a本設(shè)計方法。文獻(xiàn) 3 2 ，3 3 ，3 4 ，3 5 給出了具體的8 t xm i m o 碼本設(shè)計。 高階m i m o 的引入，也必將引起參考信號的改變。目前，已經(jīng)有許多文獻(xiàn)針 對l t e a d v a n c e d 中參考信號( r s ) 的設(shè)計進(jìn)行了考慮 3 6 ，3 7 ，3 8 。但這些文獻(xiàn)中 都存在著系統(tǒng)開銷、復(fù)雜度、兼容性以及性能等方面的問題。 在信道方面，3 g p p 首先在t r 2 5 9 9 6 中提出s c m 信道模型 3 9 】，但隨著l t e 的演進(jìn)以及l(fā) t e a d v a n c e d 的提出，載波頻率與系統(tǒng)帶寬有了更高的要求，s c m 模 型不再滿足技術(shù)評估的要求?；诖?，業(yè)界又提出了s c m e 4 0 ，w i n n e r 4 1 等 無線信道模型，文獻(xiàn) 4 2 】對s c m 、s c m e 和w i n n e r 信道模型進(jìn)行了詳細(xì)的分析 對比。在丹佛舉行的第2 0 次i t u r w p 8 f 會議上討論并通過了由愛立信、諾基亞 和西門子聯(lián)合提交的關(guān)于i m t - a d v a n c e dm i m o 信道模型【4 3 】。該信道模型是從 w i n n e r 信道模型發(fā)展而來，只是對應(yīng)用場景進(jìn)行了重新定義并對各個場景的參 數(shù)做了相應(yīng)的改動，其基本的建模方法沒有發(fā)生變化，采用的是基于幾何統(tǒng)計建 模方法。本論文將基于i m t - a d v a n e e d 信道模型來搭建l t e a d v a n c e d 物理層仿真 系統(tǒng)平臺。 在此需要特別說明的是本論文工作主要是針對l t e a d v a n c e d 的一些標(biāo)準(zhǔn)討 論，該工作是一個動態(tài)的，特別是一些關(guān)鍵技術(shù)還在不斷討論中。另外，由于仿 真平臺目前大多研究單位和公司不公開，從仿真平臺搭建的角度看，這方面的研 究現(xiàn)狀說明相對較少。 1 2 論文結(jié)構(gòu)安排 本文主要以l t e a d v a n c e d 的標(biāo)準(zhǔn)化工作作為背景，以研究標(biāo)準(zhǔn)、跟蹤標(biāo)準(zhǔn)和 提交標(biāo)準(zhǔn)提案為目的，對l t e a d v a n c e d 物理層關(guān)鍵技術(shù)展開了工作，具體主要工 作和相關(guān)內(nèi)容如下： 論文第二章針對l t e - a d v a n c e d 的標(biāo)準(zhǔn)化需求，以i t u - ri m t - a d v a n c e d 信道 模型為基礎(chǔ)設(shè)計了一個l t e a d v a n c e d 物理層仿真系統(tǒng)平臺。本章首先分析了 l t e - a d v a n c e d 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將本仿真系統(tǒng)平臺分成許多功能模 2 第一章緒論 塊來逐一實現(xiàn)，從而方便各功能模塊中不同算法或方案的替換和比較。針對每個 功能模塊本章都給出了詳細(xì)說明以及具體實現(xiàn)流程。 論文第三章簡要分析了現(xiàn)有m i m o 技術(shù)及l(fā) t e a d v a n c e d 系統(tǒng)中的增強型 m i m o 技術(shù)，并針對l t e 中的發(fā)射分集技術(shù)深入分析了增強型m i m o 的發(fā)射分集 技術(shù)且給出了一種擴展方案，通過對該發(fā)射分集方案的理論分析與仿真結(jié)果對比， 從一個方面測試了第二章所設(shè)計仿真系統(tǒng)平臺的可行性。另外，本章還以第二章 所搭建的仿真平臺為基礎(chǔ)系統(tǒng)地對l t e a d v a n c e d 中基于m i m o 的發(fā)射分集技術(shù) 和空間復(fù)用技術(shù)進(jìn)行了仿真評估。 論文第四章分析了l t e a d v a n c e d 中參考信號的設(shè)計要求，并給出了一種相對 簡單的下行解調(diào)參考信號設(shè)計方案。針對所給出的下行解調(diào)參考信號設(shè)計方案， 本章對系統(tǒng)開銷、復(fù)雜度、兼容性以及性能等方面進(jìn)行了理論分析，并給出仿真 結(jié)果進(jìn)行了驗證。 論文第五章對全文的工作進(jìn)行了總結(jié)，并根據(jù)現(xiàn)有研究思路及近期相關(guān)文獻(xiàn) 給出了后續(xù)工作的研究方向。 第二章l t e - a d v a n c e d 仿真設(shè)計與實現(xiàn) 第二章l t e - a d v a n c e d 仿真設(shè)計與實現(xiàn) l t e a d v a n c e d 是擬向國際電信聯(lián)盟無線部門( r r u r ) 提交的4 g 標(biāo)準(zhǔn)之一， 2 0 0 9 年9 月已完成研究階段( s i ，s t u d yr e m ) 。目前，i t u - r 開始進(jìn)行評估和一致 性構(gòu)建( c o n s e n s u sb u i l d i n g ) ，之后將進(jìn)入規(guī)范起草過程，當(dāng)這個過程于2 0 1 1 年 初結(jié)束時，l t e a d v a n c e d 工作階段( w i ，w o r ki t e m ) 也將基本完成。我國目前已 積極參與到l t e a d v a n c e d 標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)工作中。 為了滿足l t e a d v a n c e d 標(biāo)準(zhǔn)化工作以及無線通信系統(tǒng)理論研究的需要，搭建 起一套計算機仿真系統(tǒng)平臺無疑是極為重要的。一個好的仿真系統(tǒng)平臺，一方面 可以有效地對理論研究結(jié)果進(jìn)行仿真驗證，另一方面也可以大大縮短從理論研究 到系統(tǒng)實現(xiàn)之間的距離，從而加速從理論到實踐的轉(zhuǎn)化。 本章以r e l e a s e8l t e 為基礎(chǔ)，提供了一套完整的l t e a d v a n c e d 物理層仿真 系統(tǒng)平臺的設(shè)計方法?；谙惹發(fā) t e 工作，本論文根據(jù)l t e a d v a n c e d 標(biāo)準(zhǔn)化工作 的需要，在本仿真系統(tǒng)中給出了一些通用的設(shè)計模塊以滿足理論研究的靈活性， 從而方便理論研究中對算法的改進(jìn)與替換。如r e l e a s e8l t e 中給出了天線配置最 高為4 i x 的參考信號映射方法，而在l t e a d v a n c e d 中，則要求支持的最高天線 配置為8 t x 。本文所給出的仿真平臺提供了一個通用的參考信號映射框架，對于 不同的參考信號設(shè)計，只需改動具體的參考信號生成與映射算法部分即可，從而 大大方便了理論研究。 本章主要工作如下： 1 ) 對r e l e a s e8 中l(wèi) t e 物理層關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并在其物理層系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提供了一種可實現(xiàn)的l t e a d v a n c e d 物理層接收端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)； 2 ) 以i t u - ri m t - a d v a n c e d 信道模型為基礎(chǔ)對l t e a d v a n c e d 物理層仿真系統(tǒng) 中所涉及的各功能模塊進(jìn)行了概要設(shè)計與詳細(xì)設(shè)計。 2 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是搭建整個仿真系統(tǒng)平臺及開展理論研究工作的基礎(chǔ)。本節(jié)將以 r e l e a s e 一8l t e 物理層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，給出一種可行的l t e - a d v a n c e d 物理層下 行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為發(fā)送端、接收端及信道三部分，下面將分別對其進(jìn) 行詳細(xì)闡述。 重慶郵電大學(xué)碩士論文 2 1 1 發(fā)送端 在實現(xiàn)l t e 到l t e a d v a n c e d 系統(tǒng)的擴展中，主要是引入了高階m i m o 。兩 者的總體系統(tǒng)框圖基本一致，因此我們采用了3 g p p 協(xié)議3 6 2 1 1 中給出的l t e 物 理層下行發(fā)送端的基本框架( 圖如2 1 ) 。 圖2 1 物理層下行發(fā)送端的基本框圖 在圖2 1 中，通過層映射與預(yù)編碼共同完成m i m o 的功能：層映射首先把要 傳輸?shù)拿恳淮a字的復(fù)值調(diào)制符號映射到一個或多個層，從而完成串并變換并控制 空間復(fù)用的復(fù)用率，然后通過預(yù)編碼來實現(xiàn)具體的m i m o 編碼操作。 2 1 2 接收端 與發(fā)射端的各個模塊相對應(yīng)，在接收端都有相應(yīng)的逆過程，另外還需要加入 如同步、信道估計等模塊。在3 g p p 協(xié)議中沒有給出具體的接收方案，本論文鑒于 移動終端體積、功耗與成本的限制，這里給出一種簡單可行的下行接收端系統(tǒng)框 圖( 如圖2 2 所示) 。 圖2 2 物理層下行接收端的基本框圖 在接收端接收的信號，首先送至o f d m 解調(diào)器中進(jìn)行o f d m 解調(diào)，然后進(jìn)行 信道估計并完成資源元逆映射操作，之后數(shù)據(jù)送至m i m o 接收機。m i m o 接收機 把預(yù)編碼的逆過程作為信道均衡器的組成部分進(jìn)行實現(xiàn)。m i m o 接收機的輸出數(shù) 據(jù)再通過逆層映射、解調(diào)、解擾等操作，從而恢復(fù)發(fā)射端的發(fā)射信號。 2 1 3 信道 信道性能的好壞決定著人們通信的質(zhì)量，因此要想在有限的頻率資源上盡可 6 第二章l t e a d v a n c e d 仿真設(shè)計與實現(xiàn) 能地高質(zhì)量、大容量傳輸有用的信息就要求研究人員十分清楚地了解信道的特性。 然后根據(jù)信道的特性采取一系列的抗干擾和抗衰落措施，來保證傳輸質(zhì)量和傳輸 容量等方面的要求。所以說，移動無線信道是一切移動通信技術(shù)的發(fā)源和最終歸 宿。 3 g p p 在t r 2 5 9 9 6 中提出的s c m 信道模型是為載頻2 g h z 、帶寬5 m h z 系統(tǒng) 設(shè)計的，它是一個隨機信道模型。其基本原理是利用統(tǒng)計方法得到信道特性，如 通過時延擴展、角度擴展等來獲得信道系數(shù)并通過在公式中引入天線間距來得到 信道之間的相關(guān)性。 隨著l t e 的演進(jìn)以及l(fā) t e a d v a n c e d 的提出，載波頻率與系統(tǒng)帶寬有了更高 的要求，從而s c m 模型不再滿足技術(shù)評估的要求，如l t e a d v a n c e d 中要求支持 系統(tǒng)帶寬達(dá)到1 0 0 m ，而s c m 最高只支持5 m 帶寬?；诖?，業(yè)界又提出了 s c m e 4 0 ，w i n n e r 4 1 等無線信道模型。s c m e 信道模型是s c m 信道模型的擴 展；w i n n e r 信道模型的原理以及建模方法同s c m e 一樣，所采用的是射線疊加 法，它利用信道在移動臺和基站周圍散射體組的統(tǒng)計特性，來模擬實際電磁波的 反射、折射等，從而實現(xiàn)對實際信道的模擬。 4 2 d p 對s c m 、s c m e 和w i n n e r 信道模型進(jìn)行了詳細(xì)的分析對比。 在丹佛舉行的第2 0 次i t u r w p 8 f 會議上討論并通過了由愛立信、諾基亞和 西門子聯(lián)合提交的關(guān)于i m t - a d v a n c e dm i m o 信道模型 4 3 】。該信道模型是從 w i n n e r 信道模型發(fā)展而來，只是對應(yīng)用場景進(jìn)行了重新定義并對各個場景的參 數(shù)做了相應(yīng)的改動，其基本的建模方法沒有發(fā)生變化，采用的是基于幾何統(tǒng)計建 模方法。模型中載波頻率指定在2 g h z 到6 g h z 頻段，對于農(nóng)村宏蜂窩場景，可使 用更低的頻率4 5 0 m h z 。本論文將基于i m t a d v a n c e d 信道模型來搭建仿真系統(tǒng)平 臺。 2 2 仿真系統(tǒng)概要設(shè)計 根據(jù)2 1 節(jié)分析的物理層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以相應(yīng)地得到具體的仿真流程如圖2 3 所示。整個仿真過程包括兩層循環(huán)，外層循環(huán)是針對信噪比s n r 的循環(huán)，內(nèi)層循 環(huán)對應(yīng)于每一次仿真迭代( 在本系統(tǒng)平臺中迭代次數(shù)就是幀數(shù)) ，在循環(huán)體內(nèi)部對 各s n r 取值時的b e r 性能進(jìn)行仿真。對于一次仿真迭代過程，首先產(chǎn)生二進(jìn)制信 源數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行擾碼、調(diào)制、m i m o 編碼、資源元及參考信號映射、o f d m 調(diào) 制操作，之后把已調(diào)信號送入衰落及加性噪聲信道。至此，發(fā)射過程也就完成了。 接下來是接收過程，即發(fā)射過程的逆過程。在接收過程中，信號首先通過o f d m 解調(diào)，再進(jìn)行信道估計及資源元逆映射操作，之后進(jìn)入m i m o 譯碼模塊進(jìn)行m i m o 重慶郵電大學(xué)碩士論文 譯碼，最后是解調(diào)與解擾。逆向操作完成之后，進(jìn)行b e r 的計算操作，并依次迭 代。l t e 物理層仿真系統(tǒng)平臺中參數(shù)及函數(shù)功能說明見附錄。 圖2 3 仿真流程 2 3 發(fā)送端各模塊設(shè)計與實現(xiàn) 在2 2 節(jié)中已給出了仿真系統(tǒng)的概要設(shè)計，在此基礎(chǔ)上，本節(jié)將給出各個子模 塊的詳細(xì)設(shè)計方法。在這里，需要說明的是：仿真系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計是一個非常復(fù) 雜的過程，本節(jié)只是對其最核心的部分進(jìn)行了闡述。 2 3 1 加擾模塊 對于每一個碼字g ，比特塊6 4 ( o ) ，b 9 ( 峨：- 1 ) ，在調(diào)制前應(yīng)先進(jìn)行加擾操 第二章l t e - a d v a n c e d 仿真設(shè)計與實現(xiàn) 作，從而得到一個擾碼后的比特塊：占a ( o ) ，6 ( g ( 刎一1 ) ，其加擾方法為： 6 寧o ) = ( b q ( f ) + ，( 訓(xùn)r o o d 2 式( 2 1 ) 其中蛾表示一個子幀中物理信道上傳輸?shù)拇a字g 的比特數(shù)，加擾序列c q ( i ) 由文獻(xiàn) 4 4 】的7 2 節(jié)給出。在一個子幀中最多可以傳輸兩個碼字，即q 0 , 1 。在傳 輸單個碼字的情況下，g 值為0 。加擾序列發(fā)生器在每一子幀開始時需要進(jìn)行初始 化，其初始化值q 而依賴于傳輸信道類型： 一： 2 1 4 + g ：曼饞2 j 2 9 + 礎(chǔ)f o rp dschc 式(22)mit 一1 l - , , 2 j 2 9 + 坩洲 f o r p m c h n 厶糾 這里n r n t i 對應(yīng)于u e 標(biāo)識，也確定為p d s c h 傳輸。根據(jù)以上對加擾操作的定 義，給出了其實現(xiàn)流程如圖2 4 ： 2 3 2 調(diào)制模塊 圖2 4 加擾模塊實現(xiàn)流程 r e l e a s e 一8 l t e 中主要定義了q p s k , 1 6 q a m ，6 4 q a m 三種調(diào)制方式，在 l t e a d v a n c e d 中，下行鏈路可能采用更高階的調(diào)制方式( 如2 5 6 q a m ) 。本小節(jié) 定義了通用統(tǒng)一的調(diào)制模塊，具體的調(diào)制方式可根據(jù)具體的仿真配置進(jìn)行選擇， 其實現(xiàn)流程如圖2 5 。 重慶郵電大學(xué)碩士論文 圖2 5 調(diào)制模塊實現(xiàn)流程 對于以上三種調(diào)制方式，其實現(xiàn)流程具有相似性，因此在這里本節(jié)只以q p s k 為例來說明各調(diào)制方式的實現(xiàn)方法。對于q p s k 調(diào)制，兩個連續(xù)數(shù)據(jù)比特 6 ( f ) ，b ( i + 1 ) 映射到復(fù)值調(diào)制符號x = i + j q ，其映射關(guān)系如表2 1 。 6 ( f ) ，b ( i + 1 ) ， q 0 0 、| 矗、| 壓 0 1 、| 壓o | 厄 1 0 - 、| 矗 、 壓 1 1 _ 、| 壓o | 壓 q p s k 具體實現(xiàn)流程設(shè)計圖如圖2 6 所示： 圖2 6q p s k 實現(xiàn)流程 l o 第二章l t e a d v a n c e d 仿真設(shè)計與實現(xiàn) 2 3 。3m im 0 編碼模塊 如2 1 節(jié)所述，在l t e 中層映射和預(yù)編碼共同完成m i m o 的功能：層映射首 先把要傳輸?shù)拿恳淮a字的復(fù)值調(diào)制符號映射到一個或多個層，從而完成串并變換 并控制空間復(fù)用的復(fù)用率，然后通過預(yù)編碼來實現(xiàn)具體的m i m o 編碼操作。在本 仿真系統(tǒng)中，分集情況下：由于不涉及到預(yù)編碼碼本，為簡便起見，我們將層 映射和預(yù)編碼放在一起進(jìn)行操作；空間復(fù)用情況下：m i m o 編碼模塊分為層映 射與預(yù)編碼兩部分。由于分集情況比較簡單，因此在這里只以空間復(fù)用為例來進(jìn) 行分析。 l t e 中空間復(fù)用的層映射操作可以歸為如下兩種情況： 1 ) 一對一映射 2 ) 一對二串并變換映射 本小節(jié)以一對二串并變換層映射為例，給出其實現(xiàn)流程如圖2 7 ?；谝陨蟽?種串并變換映射方法，可以設(shè)計出具體空間復(fù)用層映射流程如圖2 8 0r e l e a s e 一8 l t e 中又進(jìn)一步把空間復(fù)用預(yù)編碼分為兩類，即無c d d 預(yù)編碼和具有大延遲c d d 預(yù)編碼，其定義如下： 無循環(huán)延遲分集( c d d ) 時，空間復(fù)用預(yù)編碼操作可定義為 ly ( f ) iiz 0 ( 州 i ； i = w ( 0 i ； l 式( 2 3 ) iy f p - o ( i ) lix 忙d “) i 其中w ( i ) 是p x v 階的預(yù)編碼矩陣，且f = o ，l ，m 一1 ，m = m 咖l a y e r 。 大延遲c d d 情況下，空間復(fù)用預(yù)編碼操作可按照下式進(jìn)行，即： iy ( f ) il 工( f ) i i ； f - w ( i ) d ( i ) u i ； l 式( 2 4 ) i y ( 圳lz 忙d ( f ) i 其中w ( i ) 是p x u 階的預(yù)編碼矩陣，且f = o ，1 ，m 一l ，肘= 肘篙。o x o 階對角矩陣d ( i ) 支持c d d 。 各編碼矩陣在3 g p p3 6 2 1 1 協(xié)議中的相關(guān)章節(jié)中已給出。在已經(jīng)給出預(yù)編碼編 碼矩陣的前提下，可以有統(tǒng)一的預(yù)編碼過程如圖2 9 。編碼過程中涉及到的d 、u 矩陣可直接根據(jù)層數(shù)目u 查詢，而4 天線端口時形需要根據(jù)協(xié)議中給出的數(shù)據(jù)進(jìn) 一步產(chǎn)生，4 天線端口時編碼碼本矩陣形計算方法如圖2 1 0 。 這里只給出了r e l e a s e 8l t e 中已經(jīng)定義的層映射與預(yù)編碼方法，基于此方法， 可以把預(yù)編碼擴展到l t e a d v a n c e d 系統(tǒng)，即8 t x 天線配置情況下。 重慶郵電大學(xué)碩士論文 圖2 7 一對二串并變換映射實現(xiàn)流程 圖2 8 空間復(fù)用層映射實現(xiàn)流程 圖2 9 預(yù)編碼實現(xiàn)流程 1 2 第二章l t e a d v a n c e d 仿真設(shè)計與實現(xiàn) s w i t c hn m n l a y e r jijj l c a s e1c a s e2c a s e3c a s e 4 i 工上上l i w ；w 2 ( ：，1 ) s w i t c hi n d e x s w i t c hi n d e xs w i t c hi n d e x l 竄審審竄審審竄竄竄 圖2 1 04 天線端口時空間復(fù)用的編碼碼本矩陣計算 2 3 4 資源元映射模塊 對于物理信道傳輸使用的每一個天線端口，復(fù)值符號j ，( p ( o ) ，y ( p ) ( m s 印y m b 一1 ) 將 從) ，( p ( o ) 映射到用于傳輸虛擬資源塊上的資源元g ，) ，向天線端口p 上沒有其他用 途的資源元任，) 上映射。映射原則：從一個子幀中的第一個時隙開始，按照每一個 維度的增序進(jìn)行，優(yōu)先考慮維度七，然后考慮維度，。 各物理信道信號在幀結(jié)構(gòu)上都具有特定的組織形式，為了方便處理，本仿真 系統(tǒng)采用一種統(tǒng)一的資源元映射方法，基于此方法能有效地完成系統(tǒng)的仿真工作， 同時也簡化了各物理層信號的資源元映射操作，有利于仿真實現(xiàn)及性能比較。此 通用資源元映射方法流程如圖2 1 1 。 重慶郵電大學(xué)碩士論文 圖2 1 l 統(tǒng)一的資源元映射方法流程 2 3 5 參考信號映射模塊 信道估計和信道質(zhì)量信息測量對高階m i m o 的相關(guān)性能具有直接的影響，而 參考信號是實現(xiàn)信道估計和信道質(zhì)量信息測量的關(guān)鍵。r e l e a s e8l t e 中給出了最 高天線配置為4 - t x 的參考信號映射方法，在l t e a d v a n c e d 中，要求支持最高達(dá) 到8 一t x 的天線配置。這里給出了參考信號映射的一個通用框架，對于不同的參考 信號設(shè)計方案，只需改動其中極小部分，就可以實現(xiàn)新的參考信號映射與提取， 從而大大方便了理論研究。論文第4 章講詳細(xì)介紹l t e a d v a n c e d 下行參考信號的 設(shè)計。 參考信號映射模塊包括參考信號產(chǎn)生與參考信號映射兩部分，下面將一一進(jìn) 行闡述。 1 4 第二章l t e - a d v a n c e d 仿真設(shè)計與實現(xiàn) 小區(qū)參考信號的生成是建立在偽隨機序列產(chǎn)生的基礎(chǔ)上的，在r e l e a s e 一8l t e 中對參考信號的定義如下： 由一個長度為3 1 的g o l d 序列和長度為m p n 的偽隨機序列生成序列c ( 刀) ( 其中 n = o ，1 ，m 州一1 ) 為 c ( ，痧= ( 五( 玎+ c ) + 而( 行+ c ) ) r o o d 2 毛( 肘3 1 ) ：( 五( 肘3 ) + 五( 力) 刪2 式( 2 5 ) x z ( n + 3 1 ) = ( x 2 ( n + 3 ) + x 2 ( n + 2 ) + x 2 ( n + 1 ) + x z ( n ) ) m o d 2 其中c = 1 6 0 0 ，第一個m 一序列應(yīng)初始化為五( 0 ) = 1 ，五q ) = o ，n =