LTEA鏈路級仿真平臺開發(fā)和關鍵技術驗證

1、3.2仿真平臺總體設計鏈路級仿真的主要功能是建立鏈路級仿真平臺和評估關鍵技術，包括各類RTT算法和信道建模等，為系統(tǒng)級仿真提供物理層性能數(shù)據(jù)源。根據(jù)LTE/LTE-A下行鏈路級的技術特征和關鍵技術，對下行鏈路級仿真進行模塊化處理。模塊化處理既符合通信系統(tǒng)的一般規(guī)律，又利于仿真程序的調(diào)試與維護。本論文將LTE/LTE-A下行鏈路級仿真劃分為：流程控制、信道編譯碼、調(diào)制解調(diào)、MIMO-OFDM、信道模型、信道估計、AMC/HARQ機制共7個模塊。各模塊主要功能如下：流程控制模塊：主要進行仿真初始化、各模塊接口匹配、仿真結果統(tǒng)計等操作。信道編譯碼模塊：通過一定的編碼規(guī)則在信息碼元中加入盡可能少的監(jiān)督

2、碼元，并配合相應的譯碼準則，以最大程度地降低差錯率，提高鏈路傳輸?shù)目煽啃?。調(diào)制解調(diào)模塊：通過載波調(diào)制將基帶信號調(diào)制成為帶通型的頻帶信號，以使信號適應不同信道特性的載頻頻段上的傳輸；在接收端將頻帶信號解調(diào)成為基帶信號。MIMO-OFDM模塊：實現(xiàn)MIMO-OFDM發(fā)送和接收檢測，通過空間復用和分集增益，降低傳輸差錯率和提高鏈路吞吐率。信道模型：通過信道建模來模擬無線傳輸信道，使發(fā)送信號經(jīng)歷一定特性的衰落，主要包括信道建模和信號過信道兩部分。信道估計模塊：在接收端采用一定的信道估計算法，獲得接收信號中的訓練序列或?qū)ьl符號所攜帶的CSI,進行相干解調(diào)，并依據(jù)一定的碼本選擇準則向發(fā)送端反饋預編碼碼本索

3、引。AMC/HARQ機制模塊：AMC根據(jù)終端反饋的CSI進行調(diào)制編碼方式選擇，HARQ在接收端進行差錯控制和數(shù)據(jù)重傳，兩者結合起來提高信息傳輸?shù)目煽啃?。下行鏈路級仿真流程如圖3-1所示。仿真運行過程是：設定一組不同的信噪比，在每個信噪比條件下運行一定數(shù)目的TTI,每個信噪比下對所有TTI的誤包率進行統(tǒng)計。信噪比的取值遵循由低到高、等間隔的原則,基本覆蓋誤包率最大到最小的范圍；TTI數(shù)目的取值遵循仿真時間可承受的限度內(nèi)盡可能多的原則，以使統(tǒng)計結果具有相當可信度。3.3仿真平臺模塊化設計與實現(xiàn)3.3.1流程控制模塊流程控制模塊主要進行仿真初始化、各模塊接口匹配、仿真結果統(tǒng)計等操作。仿真初始化：除了

4、系統(tǒng)參數(shù)之外，還需要對天線數(shù)目、仿真場景、視距模式、信噪比點、抽樣點數(shù)、數(shù)據(jù)包大小、運行時長、最大誤包數(shù)目控制、隨機數(shù)種子、運行結果存儲變量等因素進行初始化設置。各模塊接口匹配：匹配各功能模塊之間的接口，包括輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)的名稱、類型和數(shù)目。結果統(tǒng)計：對鏈路級運行結果的各項數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和寫入等操作，例如差錯比特數(shù)，差錯包數(shù)、差錯包位置、誤碼率和誤包率等。3.3.2信道編譯碼模塊信道編譯碼的目的是為了保證通信系統(tǒng)的傳輸可靠性，克服信道中的噪聲和干擾，改善數(shù)字通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量。信道編碼根據(jù)一定的監(jiān)督規(guī)律在待發(fā)送的信息碼元中加入一定數(shù)量的監(jiān)督碼元，在接收端進行信道譯碼時利用這些監(jiān)督碼元與信息碼

5、元之間的監(jiān)督規(guī)律發(fā)現(xiàn)和糾詎差錯，以提高信息碼元的傳輸可靠性。待發(fā)送的碼元稱為信息碼元，加入的冗余碼元稱為監(jiān)督碼元，或檢驗碼元。從本質(zhì)上講，信道編解碼就是要以最少的監(jiān)督碼元為代價，換取最大程度的傳輸可靠性的提高。LTE系統(tǒng)信道可以劃分為物理信道、傳輸信道和邏輯信道，其中物理信道直接在無線信道中發(fā)射，負責信道編碼、HARQ處理、自適應調(diào)制、多天線處理及時頻資源映射等功能,并且需要完成傳輸信道到物理信道的映射。而下行物理信道又可劃分為物理廣播信道(PBCH)、物理下行共享信道(PDSCH)、物理多播信道(PMCH)、物理下行控制信道(PDCCH)、物理控制格式指示信道(PCFICH)和物理HARQ指

6、示信道(PHICH)。LTE系統(tǒng)要求支持遠高于3G系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率和系統(tǒng)帶寬，因此負責數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢硐滦泄蚕硇诺绖t需要更適合寬帶高速傳輸?shù)男诺谰幋a，而其他諸如廣播信道、多播信道和控制信道等數(shù)據(jù)速率較低的信道仍采用以前的編碼方式。在R8中，LTE仍在R6的基礎上采用兩種信道編碼方式，Turbo碼和卷積碼，分別應用于共享信道和其他信道。Turbo碼在R6的基礎上進行了一系列改造，使用了無沖突的內(nèi)交織器。在LTE-A標準化過程中，還有一種被廣泛關注的信道編碼，低密度奇偶校驗碼(LDPC)。由于其譯碼器結構簡單，可利用較少的資源獲得極高的系統(tǒng)吞吐量，而且比Turbo碼性能更加優(yōu)良，代替Turbo碼的呼聲

7、一度很高。但是，在LTE的技術研發(fā)中，加入內(nèi)交織器等改造使Turbo碼性能大大提高，縮小了與LDPC的性能差距，并且基本滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)募m錯要求，因此，各技術陣營并不打算放棄Turbo這一大家熟悉且經(jīng)過改良的信道編碼技術。在最近的LTE-A提案中，Turbo得到了保留，LDPC的提案還未被采納。也就是說，在信道編碼方案上，LTE-A與LTE保持一致。卷積碼的具體設計是(3，1，6)，碼率為1/3，約束長度為7。編碼器結構如圖3-2所示。圖3-2卷積碼編碼器結枸昭Turbo碼的具體設計是含內(nèi)交織器的、1/3碼率。編碼器結構如圖3-3所示。A-iTurtocodeimwhal編碼模塊接口：輸入?yún)?/p>

8、數(shù)為數(shù)據(jù)塊、交織矩陣、碼率；輸出參數(shù)為編碼后的信息序列。譯碼模塊接口：輸入?yún)?shù)為QAM解調(diào)后的信息序列、碼率；輸出參數(shù)為譯碼后的信息序列。3.3.3調(diào)制解調(diào)模塊從信號空間觀點來看，數(shù)字調(diào)制的本質(zhì)是從信道編碼后的漢明空間到調(diào)制后的歐式空間的映射或變換。數(shù)字調(diào)制的基本原理是利用數(shù)字基帶信號去控制正弦型載波的某參量，可分為控制幅度參量的振幅鍵控(ASK)、控制頻率參量的頻率鍵控(FSK)和控制相位參量的相位鍵控(PSK)三種類型。在2G系統(tǒng)中，GSM采用GMSK(高斯型MSK)調(diào)制，IS-95采用QPSK調(diào)制；在3G系統(tǒng)中，都是采用QPSK及其改進調(diào)制方式。LTE系統(tǒng)的數(shù)字調(diào)制采用了更先進的正交幅度

9、調(diào)制(QAM),由兩個正交載波的多電平振幅鍵控信號疊加而成，兩個之路的多電平幅度序列是相互獨立的。Sgtf(r)=%g衛(wèi))氣1gr(f)sin叩i1,厶，M,0玄rTt式(34)CDS叩sintitj圖孑4MQAM信號調(diào)制框圖岡MQAM信號的調(diào)制過程如圖3.4所示。MQAM也可以看做是聯(lián)合控制正弦載波的幅度及相位的數(shù)字調(diào)制方式。在R8中，LTE確定支持4/16/64三種不同階數(shù)的QAM調(diào)制，R9中LTE-A也未對數(shù)字調(diào)制方式做進一步更新，沿用LTE標準。本論文為了節(jié)省仿真時間，采用4QAM為主要參考調(diào)制方式。調(diào)制模塊接口：輸入?yún)?shù)為信道編碼后的基帶信號；輸出參數(shù)為調(diào)制信號。解調(diào)模塊接口：輸入?yún)?/p>

10、數(shù)為檢測輸出信號；輸出參數(shù)為解調(diào)信號。3.3.4MIMO-OFDM模塊MIMO技術在發(fā)送端和接收端分別使用多個發(fā)送天線和接收天線，利用收發(fā)之間空間信道的傳播特性來提高數(shù)據(jù)速率、減少誤碼率，達到改善無線傳輸質(zhì)量的目的。MIMO技術主要可以帶來兩方面的性能增益：一方面，MIMO通過給接收機提供信號的多個獨立衰落副本，使得所有信號成分同時經(jīng)歷深度衰落的概率大大變小，可以提高無線鏈路的可靠性，對抗信道衰落，這就是空間分集增益；另一方面，多徑衰落提高了通信系統(tǒng)可以利用的自由度，各個收發(fā)天線對構成了多個并行的空間信道，若這些子信道之間路徑衰落是獨立的，發(fā)送不同的數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)傳輸速率自然就會提高，這就是空間

11、復用增益。預編碼預解碼圖3-5M1M0系統(tǒng)結構，(k=0，1，如圖3.5所示，傳輸數(shù)據(jù)經(jīng)過多天線預編碼形成丁個發(fā)送子流八)。這個子流由”丁個天線發(fā)送出去，在接收端由冃個接收天線接收并進行檢測解碼。為了同時支持高速數(shù)據(jù)業(yè)務，又能夠較好地克服因多徑效應引起的時延擴展，LTE系統(tǒng)采用了OFDM技術。OFDM技術的基本原理是將高速數(shù)據(jù)流分成多路并行的低速數(shù)據(jù)流，在多個相互正交的子載波上同時進行傳輸。一方面，采用多載波傳輸，可以支持高速數(shù)據(jù)速率；另一方面，對于低速并行的子載波而言，由于符號周期展寬，使得時延擴展相對變小，從而消除或減弱碼問干擾。因此，OFDM是一項既能保證高速數(shù)據(jù)業(yè)務，又能對抗頻率選擇性

12、衰落的傳輸技術。OFDM采用IFFT/FFT算法，大大降低了實現(xiàn)復雜度。此外，在OFDM符號中加入循環(huán)前綴(CP)可以更好地消除碼間干擾?？梢?，MIMO技術可以將多徑效應的負面影響轉變?yōu)橛欣蛩?，利用多徑傳播特性來提高鏈路可靠性或系統(tǒng)容量；而OFDM正是對抗頻率選擇性衰落的良好技術，因此，MIMO和OFDM相結合可以對系統(tǒng)性能帶來巨大提高。LTE系統(tǒng)支持FDD和TDD兩種雙工方式。本論文主要針對LTEFDD系統(tǒng)來進行仿真評估。LTE下行鏈路在MIMO支持2X2的基本配置，考慮最大支持4天線發(fā)送；LTE-A在此基礎上升級到支持4X4的基本配置，并考慮8端口天線發(fā)送。多天線發(fā)送信號會在接收端產(chǎn)生時

13、間上和頻率上相互重疊的多路接收信號，因此需要在解調(diào)、譯碼和判決之前對接收信號進行檢測。信號檢測的目的是恢復各個發(fā)送天線的發(fā)送信號，而信號檢測的準確度將直接影響通信系統(tǒng)的整體性能。信號檢測算法主要有三類：線性檢測算法、非線性檢測算法和最優(yōu)檢測算法。線性檢測算法主要包括迫零(ZF)檢測算法和最小均方誤差(MMSE)檢測算法；非線性算法主要包括串行干擾消除(SIC)檢測算法、并行干擾消除(PIC)檢測算法和Turbo迭代檢測算法等；最優(yōu)檢測算法主要是指最大似然(ML)檢測算法，但ML算法的復雜度隨著天線數(shù)目及調(diào)制階數(shù)的增加呈指數(shù)增長，不易工程實現(xiàn)。本論文的仿真主要采用基本的MMSE算法。OFDM調(diào)制

14、模塊接口：輸入?yún)?shù)為預編碼后的待發(fā)送信號；輸出參數(shù)為OFDM調(diào)制信號。OFDM解調(diào)模塊接口：輸入?yún)?shù)為接收機的接收信號；輸出參數(shù)為OFDM解調(diào)信號。信道模型MIMO系統(tǒng)的技術研究和性能評估需要相應的MIMO信道模型，來模擬實際的傳播環(huán)境。R8中并未明確提及所采用的參考信道模型，而在R9中針對LTE-A對應用場景的優(yōu)化，明確了采用ITU提出的IMT-Advanced信道模型作為研究和評估的參考信道模型。IMT-Advanced信道模型用于IMT-A無線空中接口的技術評估，在不同的測試場景下模擬實際的傳播環(huán)境。模型定義了室內(nèi)熱點(Indoor-Hotspot)、市區(qū)微小區(qū)(Urban-Micro)

15、、市區(qū)宏小區(qū)(Urban-Macro)、郊外宏小區(qū)(Rural-Macro)四個測試場景，同時定義了視距(LOS)和非視距(NLOS)兩種模式。本論文的仿真選取了傳統(tǒng)的市區(qū)微小區(qū)作為主要的仿真場景，具體的IMT-Advanced信道建模及特性分析將作為下一章的一個重要內(nèi)容。信道模型接口：輸入?yún)?shù)為時域抽樣點數(shù)、應用場景、視距模式、發(fā)送天線數(shù)、接收天線數(shù)、當前運行數(shù)據(jù)包標記：輸出參數(shù)為快衰信道時域響應、路徑時延、路徑數(shù)。信道估計模塊信道估計模塊主要是采用估計算法獲得CSI，進行接收端的相干解調(diào)，并依據(jù)一定的碼本選擇準則向發(fā)送端反饋預編碼碼本索引。為了充分體現(xiàn)其他模塊的不同參數(shù)、不同技術之間的性能

16、差異，而不引入信道估計算法的影響，在仿真系統(tǒng)設計中只采用基于訓練序列的理想信道估計。而實際信道估計將作為下一章的一個重要研究內(nèi)容。信道估計模塊接口：輸入?yún)?shù)為接收機的接收信號、物理資源塊結構圖樣；輸出參數(shù)為信道估值。AMC/HARQ模塊在自適應調(diào)制編碼系統(tǒng)中，一方面，AMC根據(jù)信道質(zhì)量指示(CQI)動態(tài)地選擇適當?shù)恼{(diào)制和編碼方式(MCS),能夠提供粗略的數(shù)據(jù)速率的選擇;另一方面,HARQ基于前向糾錯(FEC)和自動重傳請求(ARQ)等差錯控制方法來提供精確的編碼速率調(diào)節(jié)，由于信號干擾噪聲比(SINR)值的不準確性導致上行鏈路對于MCS的選擇不夠精確，所以更多地依賴HARQ技術來保證系統(tǒng)性能。L

17、TE中的AMC技術采用頻率統(tǒng)一AMC。AMC是基于CQI反饋實現(xiàn)的。CQI的測量過程是接收端根據(jù)信噪比測量值，找出HARQ第一次重傳能夠達到誤包率小于0.1的MCS，然后反饋相應的CQI序號。AMC選擇周期為一個TTI。LTE中的HARQ技術采用增量冗余(IR)HARQ,即通過第一次傳輸發(fā)送信息比特和一部分冗余比特，而通過重傳發(fā)送額外的冗余比特，如果第一次傳輸沒有成功解碼，則可以通過重傳更多的冗余比特降低信道編碼率，從而實現(xiàn)更高的解碼成功率。如果加上重傳的冗余比特仍無法正確解碼，則進行再次重傳。隨著重傳次數(shù)的增加，冗余比特不斷積累，信道編碼率不斷降低，從而可以獲得更好的解碼效果。下行HARQ采

18、用多個進程的“停止-等待”(Stop-and-Wait)HARQ實現(xiàn)方式，即對于某一個HARQ進程，在等到ACK/NACK反饋之前，此進程暫時中止，待接收到ACK/NACK后，再根據(jù)是ACK還是NACK決定發(fā)送新的數(shù)據(jù)還是進行舊數(shù)據(jù)的重傳。從重傳時序安排上，可以將HARQ分為同步和異步兩種方式。LTE下行采用異步HARQ技術，上行采用同步HARQ技術。異步和同步HARQ的主要區(qū)別在于，前者在初傳和重傳之間可以根據(jù)CQI改變MCS，而后者的初傳和重傳必須使用相同的MCS。此外，前者的重傳時間是可變的(但必須小于最小時間間隔)，而后者的重傳時間間隔是預定義的。在一個基于停等協(xié)議的HARO過程中，需要經(jīng)過一個環(huán)回時間(RTT)才能決定下一次傳輸時傳輸新數(shù)