畢業(yè)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)閱讀報(bào)告

1、 通信工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)閱讀報(bào)告題目：LTE系統(tǒng)的峰均比研究專業(yè)：通信工程 學(xué)號(hào)： 20111723學(xué)生姓名：陳婉迪指導(dǎo)教師姓名： 遲學(xué)芬指導(dǎo)教師職稱：教授日期：2015年 1 月 12 日通過閱讀36.211協(xié)議，我對(duì)LTE上行物理信道有的新的理解與認(rèn)識(shí)。具體從以下三個(gè)方面進(jìn)行總結(jié)。1 LTE系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)LTE系統(tǒng)上、下行鏈路都以無線幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳輸，每幀長度為10ms，共包含20個(gè)時(shí)隙即10個(gè)子幀，每一個(gè)時(shí)隙為0.5ms。因?yàn)長TE在數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)方面要求很高，要求單向延時(shí)小于5ms，所以LTE系統(tǒng)必須采用很小的的子幀長度（TTI）。TS36.211協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一個(gè)TTI為1ms。目前LT

2、E物理層共有兩種類型的幀結(jié)構(gòu)（Type1和Type2），其中Type1類型的幀結(jié)構(gòu)如圖1.1所示，主要適用于頻分雙工（FDD）。在FDD中，10個(gè)子幀既可以用于下行傳輸也可以用于上行傳輸，上、下行傳輸是按頻域進(jìn)行隔離的。對(duì)于Type2類型的幀結(jié)構(gòu)如圖1.2所示，僅適用于時(shí)分雙工（TDD）傳輸模式，其主要是由常規(guī)子幀和特殊子幀組成的。LTE TDD支持5ms和10ms的上、下行切換周期。如果LTE系統(tǒng)采用5ms為上、下行鏈路周期轉(zhuǎn)換點(diǎn)時(shí)，那么每幀的第一子幀和第六子幀僅用于下行傳輸，其他子幀既可以作為下行子幀進(jìn)行傳輸也可以作為上行子幀進(jìn)行傳輸，而特殊子幀則會(huì)存在前后兩個(gè)半幀中。如果上、下行鏈路的周

3、期轉(zhuǎn)換點(diǎn)采用10ms，那么特殊子幀就僅存在于第一幀的前半幀中。本文接下來的分析，只針對(duì)第一種類型的幀結(jié)構(gòu)。圖1.1 基于FDD的LT E幀結(jié)構(gòu)圖1.2 基于TDD的LT E幀結(jié)構(gòu)1.1 LTE系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)目前，OFDM技術(shù)已經(jīng)成為了LTE系統(tǒng)的核心技術(shù)，而SC-FDMA技術(shù)同樣也是LTE系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。SC-FDMA技術(shù)是一種使用單載波調(diào)制和頻域均衡的技術(shù)，與OFDMA具有相似的復(fù)雜度，但其擁有相對(duì)較低的PAPR，它們分別為LTE系統(tǒng)上行和下行鏈路的多址接入技術(shù)。LTE系統(tǒng)下行鏈路則采用OFDM技術(shù)，該技術(shù)大大的改善了LTE系統(tǒng)的性能，提高了系統(tǒng)的帶寬使用效率，并將高速的數(shù)據(jù)流分配到速度

4、較低的子載波上，大大的降低了系統(tǒng)的傳輸速度，但OFDM技術(shù)仍然存在著PAPR過高的問題。這一問題將會(huì)成為阻礙LTE系統(tǒng)發(fā)展的因素之一，同時(shí)也會(huì)限制OFDM技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用。對(duì)于LTE系統(tǒng)上行鏈路的SC-FDMA技術(shù)，它度PAPR更為敏感，而且較高的PAPR將會(huì)降低終端電池的壽命。因此，研究PAPR減小技術(shù)也是至關(guān)重要。本文會(huì)在后續(xù)章節(jié)繼續(xù)討論P(yáng)APR的減小技術(shù)。LTE系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)則是多天線技術(shù)構(gòu)成的信道即MIMO信道。LTE系統(tǒng)采用MIMO技術(shù)可以大幅度的改善了系統(tǒng)容量，這對(duì)LTE系統(tǒng)性能的提高起到了非常重要的作用。2.2 OFDM技術(shù)2.2.1 OFDM技術(shù)基本原理正交頻分復(fù)用（

5、OFDM）技術(shù)已經(jīng)成為了LTE系統(tǒng)的核心技術(shù)，并在多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)使用，它與傳統(tǒng)的多信道傳輸方案有所不同，主要是OFDM技術(shù)沒有為每一個(gè)子載波提供獨(dú)立的濾波器和振蕩器，而另一方面則是它能夠更好的提高帶寬利用率，并保證了子載波之間相互正交。要想進(jìn)一步改善LTE系統(tǒng)的性能，清楚其核心技術(shù)及OFDM技術(shù)的基本原理是非常重要的。OFDM技術(shù)的基本原理就是將高速串行的比特流通過串并轉(zhuǎn)換分散到多個(gè)低速正交的子載波上進(jìn)行并行傳輸，所以可以大幅度的降低系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。數(shù)據(jù)流在經(jīng)過多徑衰落信道時(shí)，會(huì)導(dǎo)致子載波出現(xiàn)時(shí)延擴(kuò)展現(xiàn)象，那么子載波在每個(gè)OFDM符號(hào)周期內(nèi)不在正交，所以在OFDM符號(hào)之間插入保護(hù)間隔并在保護(hù)間

6、隔內(nèi)插入循環(huán)前綴是非常重要的。圖2.1給出了由IFFT/FFT實(shí)現(xiàn)OFDM傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)簡圖。2.2.2 OFDM技術(shù)的基帶實(shí)現(xiàn)原理 討論了OFDM系統(tǒng)的基本原理之后，我們現(xiàn)在來研究一下OFDM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程。OFDM系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中是通過離散的數(shù)字基帶信號(hào)實(shí)現(xiàn)的，其主要是通過IFFT變換和FFT變換來實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的時(shí)頻域切換。圖2.2給出了OFDM系統(tǒng)在發(fā)送端和接收端的數(shù)字實(shí)現(xiàn)原理框圖。圖2.2 采用IFFT/FFT的OFDM系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端原理框圖從圖中可以清楚的看到采用OFDM技術(shù)的基帶實(shí)現(xiàn)過程，首先OFDM發(fā)射端將數(shù)據(jù)通過QPSK/16QAM/64QAM等方式進(jìn)行調(diào)制，然后將調(diào)制后的序

7、列進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換得到了N個(gè)并行的數(shù)據(jù)流，而后每N個(gè)比特流經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后在通過不同的子載波進(jìn)行調(diào)制。我們讓表示第k個(gè)子載波上的第l個(gè)發(fā)送符號(hào)，。由于經(jīng)過了串并轉(zhuǎn)換，N個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)的傳輸時(shí)間將會(huì)被擴(kuò)展為，它就等價(jià)于一個(gè)OFDM符號(hào)的周期，即=。我們讓代第k 個(gè)子載波上的第l個(gè)OFDM信號(hào)： (2-1)在時(shí)間上是連續(xù)的通頻帶信號(hào)和基帶信號(hào)可以分別表示式（2-2）和式（2-3）： (2-2)和 (2-3)在時(shí)刻，對(duì)式（2-3）中的時(shí)間上是連續(xù)的OFDM基帶信號(hào)進(jìn)行L倍插值，那么我們就可以得到對(duì)應(yīng)的離散的時(shí)間域的OFDM符號(hào)： (2-4)可以證明式(2-4)是QPSK或QAM數(shù)據(jù)符號(hào) 的N點(diǎn)IDFT，并且利

8、用IFFT算法可以進(jìn)行有效的計(jì)算。在接收端則是通過FFT算法將接收到的OFDM信號(hào)進(jìn)行還原。 2.2.3 PAPR的定義及計(jì)算考慮到復(fù)數(shù)據(jù)序列an的脈沖幅度調(diào)制（PAM）基帶信號(hào)為式（2-5）： (2-5) 其中g(shù)(t)為發(fā)射脈沖，為符號(hào)周期。圖2.6顯示了對(duì)應(yīng)于式(2-5)的PAM發(fā)射機(jī)，其中通頻帶正交調(diào)制器的輸出為 (2-6) 其中，和分別表示PAM復(fù)基帶信號(hào)的同相和正交分量，即。峰均比(PAPR)是復(fù)基帶信號(hào)的最大峰值功率和平均功率的比值，式(2-7)為PAPR的表達(dá)式： (2-7) 通過定義波峰因數(shù)（CF），可以按照幅度形式描述上面的功率特性，具體表達(dá)如式(2-8)： 通頻帶： 基帶：

9、 (2-8) 圖2.6 PAM發(fā)射機(jī)2.2.4 OFDM峰均比的概率分布如果N點(diǎn)IFFT的輸入信號(hào)相互獨(dú)立并且幅度是有限的時(shí)候，時(shí)域復(fù)OFDM信號(hào)s(t)的幅度服是從瑞麗分布的，而其虛部和實(shí)部則都漸進(jìn)服從高斯分布。令表示復(fù)采樣的幅度。假設(shè)s(t)的平均功率等于1，那么就是獨(dú)立同分布的隨機(jī)變量，概率密度函數(shù)（PDF）為: (2-9) 其中，。那么就相當(dāng)于CF。令表示CF，即。的互補(bǔ)累計(jì)分布函數(shù)(CDF)為 (2-10) 其中，。為了得到CF超過Z的概率，這里考慮使用互補(bǔ)累計(jì)分布函數(shù)(CCDF): (2-11) 式(2-10)和式(2-11)是在假設(shè)N個(gè)采樣相互獨(dú)立且N足夠大的情況下得到的，實(shí)際應(yīng)

10、用時(shí)上式是不成立的。由于很難得到過采樣信號(hào)準(zhǔn)確的CCDF，因此使用簡化的CCDF： (2-12)2.2.5過采樣的基本原理式(2-7)中的PAPR的計(jì)算是針對(duì)連續(xù)信號(hào)的基帶信號(hào)定義的。因?yàn)橥ǔ＿h(yuǎn)大于1/，所以符號(hào)周期為T的連續(xù)時(shí)間基帶OFDM信號(hào)和相應(yīng)的載波頻率為的通頻帶信號(hào)具有相同的峰均比。然而，離散時(shí)間基帶信號(hào)和連續(xù)時(shí)間基帶信號(hào)的峰均比是不可能相等的。實(shí)際上的峰均比要小于的峰均比，因?yàn)殡x散的基帶信號(hào)是取不到連續(xù)基帶信號(hào)的所有的峰值的。所以我們必須通過硬件測(cè)量方式才能得出連續(xù)時(shí)間基帶信號(hào)的峰均比（PAPR）。在實(shí)際應(yīng)用中，可以對(duì)進(jìn)行L倍插值（過采樣），那么就可以使得和具有相同的峰均比。圖2.

11、7顯示了L倍插值器的框圖。在之間插入L-1個(gè)零。得到輸出： (2-13) 實(shí)際上是利用一個(gè)低通濾波器（LPF）由構(gòu)建L倍插值的。對(duì)于脈沖響應(yīng)為的LPF，經(jīng)L倍插值的輸出可以表示為 (2-14) 圖2.7 過采樣因子為L時(shí)的插值器的原理框圖在OFDM系統(tǒng)中，IFFT輸出信號(hào)經(jīng)過采樣的表達(dá)式為： (2-15) 其中 (2-16) 對(duì)應(yīng)于L倍的插值信號(hào)，我們對(duì)PAPR進(jìn)行了重新的定義，其表達(dá)式為 (2-17) 2.2.6峰均比過高帶來的問題 峰均比過高對(duì)SC-FDMA系統(tǒng)和OFDMA系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響，同時(shí)要求收、發(fā)兩端功率放大器的線性范圍增大。因?yàn)槠胀ǖ墓β史糯笃饕话愣际欠蔷€性的，如果PAPR過高

12、，那么就會(huì)使得信號(hào)在輸出端產(chǎn)生非線性失真。如圖2.8顯示了高功率放大器(HPA)的輸入和輸出特性曲線。如果最大的輸入功率給定，那么相應(yīng)的最大輸出功率將會(huì)被限定為。為了能夠使功率放大器工作在線性區(qū)域，那么輸入功率就必去回退。我們可以采用輸入回退(IBO)或者輸出回退(OBO)來描述非線性區(qū)域： (2-18) 由于輸入的幅度較大，從而會(huì)進(jìn)入到HPA的非線性區(qū)域內(nèi)，這會(huì)引起帶外輻射和較大的帶內(nèi)失真。與此同時(shí)，這對(duì)通信的傳輸質(zhì)量造成了很大的影響，并且會(huì)降低系統(tǒng)的整體性能。圖2.8 HPA的輸入-輸出特性曲線3 SC-FDMA的基本原理圖3.1給出了SC-FDMA系統(tǒng)和OFDM系統(tǒng)的發(fā)射端原理框圖，從圖

13、中可以看出，SC-FDMA系統(tǒng)又名為DFT擴(kuò)展OFDM（DFT-S-OFDM）的原因是它與OFDM具有相似的結(jié)構(gòu)，它就是在OFDM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加上了一個(gè)預(yù)編碼模塊即混合基DFT模塊。SC-FDMA系統(tǒng)的基本原理與OFDM系統(tǒng)具有相似之處，它就是在OFDM調(diào)制之前對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行了預(yù)編碼處理得到頻域信號(hào)，然后對(duì)其進(jìn)行插零處理，擴(kuò)展之后的信號(hào)在通過IFFT處理將其轉(zhuǎn)換為時(shí)域信號(hào)。DFT-S-OFDM系統(tǒng)的每個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)符號(hào)是同一時(shí)刻所有子載波上數(shù)據(jù)符號(hào)的線性合并，這樣可以保證每個(gè)SC-FDMA符號(hào)周期內(nèi)，所有的子載波都攜帶每一數(shù)據(jù)符號(hào)的分量。與此同時(shí)，上行用戶之間能夠在頻域上正交圖3.1 基帶信

14、號(hào)發(fā)射的模型3.1子載波映射類型對(duì)于SC-FDMA系統(tǒng)，PAPR減小的效果還依賴于為每位用戶分配子載波的方式。因此，在分析SC-FDMA系統(tǒng)的PAPR性能之前，首先介紹一下用戶分配子載波的方式。圖 3.2給出了兩種分配方式：分布式（DFDMA）和集中式(LFDMA)。其中DFDMA在整個(gè)可以使用的頻帶內(nèi)分配M點(diǎn)的DFT輸出，與此同時(shí)讓剩下的N-M個(gè)子載波全部填零；LFDMA則是將經(jīng)過DFT輸出的數(shù)據(jù)分配給M個(gè)連續(xù)的子載波,剩余子載波同樣是用零填充；若是以N/M=S的距離等間隔分配經(jīng)過DFT變換的輸出數(shù)據(jù)時(shí)，DFDMA將被命名為交織FDMA（IFDMA），其中S被稱為DFT擴(kuò)頻因子。 圖3.2 SC-FDMA系統(tǒng)的子載波分配方式（DFDMA和LFDMA）示意圖 圖3.3給出了三個(gè)用戶終