4G无线通信系统同步信道FSTD分集的设计与仿真

编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第41页 共41页目 录摘要3关键词3一、绪论4（一）研究背景4（二）概念4（三）原理及技术6二、分集技术7（一）分集技术的分类8（二）常用的分集方式10三、LTE物理层技术15（一）基本传输技术和多址技术 15（二）“宏分集”之争 17（三）帧结构和系统参数设计 17（四）其他物理层设计 19（四）空中接口协议结构和网络架构24四、802.16m系统SCH功能26（一）SCH结构26五、PA设计30（一）时间同步算法30（二）PA序列设计，序列特性32（三）PA序列检测，差分检测，整数频偏估计35（四）16m系统的PA序列设计36六、总结37参考文献39 摘要第四代无线通信系统4G与现有的无线通信系统相比，不但应提供更高的音声质量和更快比特速率的数据服务，而且必须能在不同类型环境下进行可靠工的作，如宏蜂窝、微蜂窝和微微蜂窝的环境，城市、城郊和农村，室内和室外等。随着技术的发展与应用，现有移动电话网中手机的通话质量还在进一步提高。数据通信速度的高速化的确是一个很大优点，它的最大数据传输速率达到100Mbit/s，简直是不可思议的事情。另外由于技术的先进性确保了成本投资的大大减少，未来的4G通信费用也要比2009年通信费用低。本文研究工作对4G移动通信系统的设计具有一定的参考价值。随着移动通信和无线因特网需求的不断增长，越来越需要更加先进的天线传输技术。高速无线通信系统设计的一个最直接的挑战就是克服无线信道带来的频率选择性衰落。MIMO技术作为4G通信系统的一项关键技术，在移动通信系统中得到越来越广泛地应用。本文结合空间分集在移动通信中的实际应用的具体需求，系统地研究了空间分集及其性能分析方法，针对其中空间分集合并技术的实用性问题，提出了发射分集方案。关键词无线通信系统 OFDM系统 MIMO的基本原理 分集技术 一、绪论（一）研究背景中国移动通信集团总公司总工程师李默芳说:“世界移动通信业务在过去20年间(或者30年间)增长了80多倍，而各种移动通信技术,例如2G，3G，WLAN等又以惊人的速度发展着，日新月异的通信技术不断提高人们的生活质量：从传统大功率的单独的基站系统到蜂窝移动系统，本地覆盖到区域覆盖的转换，到现在的全国覆盖，进一步并实现了国内甚至国际漫游，从提供话音业务到提供包括低速数据综合业务,典型例子就是视频通信,手机WAP网站，从模拟移动通信系统(AM,模拟电视)到数字移动通信系统(2G，3G，TD.LTE)正在商业化的3G技术和正在研究的下一代移动通信技术(TD.LTE)正在实现,或者已经实现了,即任何人在任何地方任何时间与其他任何人进行任何方式的通信。”在大多数环境中，天线分集是实际有效，并广泛应用于降低多径衰落效应的技术。在发射端和接收端同时增加天线，每一个发射天线发送一个独立信号，就形成天线分集通信系统多入多出（MIMO）通信系统。MIMO通信系统的核心思想是空时处理。在这个处理中时间和固定的空间中有多个分布天线的空间维数相匹配。关键特征是把传统无线传输的障碍，即多径效应，转变为有利于信道容量的能力，利用随机衰落和多径时延分布来增大传输速率。（二）概念1、4G移动通信网4G最大的数据传输速率超过100Mbit/s，这个速率是移动电话数据传输速率的1万倍，也是3G移动电话速率的50倍。4G手机可以提供高性能的汇流媒体内容，并通过ID应用程序成为个人身份鉴定设备。它也可以接受高分辨率的电影和电视节目，从而成为合并广播和通信的新基础设施中的一个纽带。此外，4G的无线即时连接等某些服务费用会比3G便宜。还有，4G有望集成不同模式的无线通信从无线局域网和蓝牙等室内网络、蜂窝信号、广播电视到卫星通信，移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准。4G通信技术并没有脱离以前的通信技术，而是以传统通信技术为基础，并利用了一些新的通信技术，来不断提高无线通信的网络效率和功能的。如果说3G能为人们提供一个高速传输的无线通信环境的话，那么4G通信会是一种超高速无线网络，一种不需要电缆的信息超级高速公路，这种新网络可使电话用户以无线及三维空间虚拟实境连线。4G通信技术并没有脱离以前的通信技术，而是以传统通信技术为基础，并利用了一些新的通信技术，来不断提高无线通信的网络效率和功能的。如果说3G能为人们提供一个高速传输的无线通信环境的话，那么4G通信会是一种超高速无线网络，一种不需要电缆的信息超级高速公路，这种新网络可使电话用户以无线及三维空间虚拟实境连线。 与传统的通信技术相比，4G通信技术最明显的优势在于通话质量及数据通信速度。然而，在通话品质方面，移动电话消费者还是能接受的。随着技术的发展与应用，现有移动电话网中手机的通话质量还在进一步提高。数据通信速度的高速化的确是一个很大优点，它的最大数据传输速率达到100Mbit/s，简直是不可思议的事情。另外由于技术的先进性确保了成本投资的大大减少，未来的4G通信费用也要比2009年通信费用低。 4G通信技术是继第三代以后的又一次无线通信技术演进，其开发更加具有明确的目标性：提高移动装置无线访问互联网的速度-据3G市场分三个阶段走的的发展计划，3G的多媒体服务在10年后进入第三个发展阶段，此时覆盖全球的3G网络已经基本建成，全球25%以上人口使用第三代移动通信系统。在发达国家，3G服务的普及率更超过60%，那么这时就需要有更新一代的系统来进一步提升服务质量。2、OFDM系统 正交多载波调制是一种高效的数据传输方式，通过串并变换将高速数据流分散到多个正交的子载波上传输。其主要思想是：在频域内将给定的数据信号转换成并行的低速子数据流，再在各个子载波上进行调制，并且各子载波相互正交，并行传输。3、 无线通信系统无线通信系统（Wireless Communication System）：也称为无线电通信系统，是由发送设备、接收设备、无线信道三大部分组成的，利用无线电磁波，以实现信息和数据传输的系统。它根据工作频段或传输手段分类, 可以分为中波通信、 短波通信、 超短波通信、 微波通信和卫星通信等。4、MATLAB语言MATLAB是由美国mathworks 公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、 科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、 工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案， 并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran ）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平6。 MATLAB和Mathematica、Maple、MathCAD 并称为四大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB 可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现 算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。（三）原理及技术1、OFDM原理在OFDM系统中，一方面各个子载波的符号速率大幅下降，相应的符号持续时间变大，从而减少符号间干扰的影响，有较强的抗时延扩展能力；另一方面信号的并行传输分散了瑞利衰落引起的突发性错误，提高了系统的抗突发错误的能力。由于OFDM 各子载波相互正交，因此允许子载波的频谱互相重叠，充分利用有限的频谱资源,大大提高频谱利用率。由于每个子信道上的信号带宽都小于信道的相干带宽，因此每个子信道可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间的干扰（ISI）。同时在OFDM 系统中，普遍采用循环前缀（CP）作为保护间隔从而可以避免由多径带来的信道间干扰（ICI ）。另外，由于OFDM系统中各个子信道相互正交，这样可以避免子载波之间的相互干扰。在理想情况下，接收端可以利用子载波间的正交性互不干扰地对各子载波进行解调。因此OFDM能够很好地适应无线通信中的多径环境。在OFDM符号前加入保护间隔，只要保护间隔大于信道的时延扩展，则可以完全消除符号间干扰。在接收端，经过无线信道后的OFDM信号各子信道间保持了原有的正交性，信道干扰的影响简化为一个复传输常数与一个子信道传输的信号相乘，因此，对信号进行均衡变得很简单。2、 MIMO的基本原理MIMO系统的基本原理是采用空时编码方式将用户的串行码流通过编码、调制、加权和映射等方式分成多路并行的数据子流，并分别由多个天线同时、同频发送，接收端用多个天线进行接收，并利用估计出的信道传输特性与发送子码流间一定的编码关系对多路信号进行空间域和时间域上的处理，从而分离出发送子码流，得到发送的原信号。MIMO技术本质上是利用多天线同时发送和接收而形成的多个并行的独立数据子流来提高系统的信道容量和抗衰落能力。因此，数据子流的独立性和数据在各天线间分配方式是影响系统性能的关键因素。独立数据子流的数目，由天线链路问的衰落相关性决定，因此在MIMO系统中，天线链路间的衰落相关性成为影响MIMO系统的性能的关键因素之一。3、 分集技术的基本原理在无线移动通信中广泛使用了分集技术来减少多径衰落的影响，并且在不增加发射功率或牺牲带宽的前提下提高传输的可靠性。分集技术在接收端需要发射信号的多个样本信号，每个样本信号反映相同的信息，但是在衰落统计特性上具有较小的相关性。分集的基本思想是：如果利用信号的两个或多个独立样本，那么这些样本将以不相关的模式衰落，采用合理方式合并这些样值可以大大降低衰落的影响，相应地也就能够提高传输的可靠性。分集技术包括2个方面：一是分散传输，使接收机能够获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；二是集中处理，即把接收机收到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响。因此，要获得分集效果最重要的条件是各个信号之间应该是“不相关”的。二、分集技术分集的基本原理是通过多个信道（时间、频率或者空间）接收到承载相同信息的多个副本，由于多个信道的传输特性不同，信号多个副本的衰落就不会相同。接收机使用多个副本包含的信息能比较正确的恢复出原发送信号。如果不采用分集技术，在噪声受限的条件下，发射机必须要发送较高的功率，才能保证信道情况较差时链路正常连接。在移动无线环境中，由于手持终端的电池容量非常有限，所以反向链路中所能获得的功率也非常有限，而采用分集方法可以降低发射功率，这在移动通信中非常重要。 为了定量的衡量分集的改善程度，常用标称改善效果，分集改善效果指采用分集技术与不采用分集技术两者相比对减衰落影响得到的效果。分集改善效果用分集增益和分集改善度这两个指标来描述。分集增益（DiversityGain）是指在某一累积时间百分比内，分集接收与单一接收时的收信电平差。这一电平差越大，分集增益越高，说明分集改善效果越好。积累时间百分比越小，分集增益越高。分集增益一般表示为分贝。 分集改善度是指在某一相对的收信电平时，单一接收与分集接收的衰落累积时间百分比之比。 分集阶数（diversityorder）是指独立的支路衰落数，若每对接收天线间的衰落都独立，则： 分集阶数=分集天线数Nt*接收天线数Nr（3.1） 分集阶数越多，可以获得的最大分集增益越大，对系统性能改善越多。 在多径信道下分集阶数还会增加，即： 分集阶数=分集天线数Nt*接收天线数Nr*信道多径数（3.2）（一）分集技术的分类 无线信道中的衰落根据产生原因和特性大体上分为两类：大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度衰落，主要是由于建筑物,大山,各种阻碍物体对信号的阻挡造成的，形成了有的地方信号到达不了,形成阴影,因此也叫作阴影衰落，一般情况下服从正态分布。而小尺度衰落，也就是上文提到的多径衰落，一般情况下服从瑞利分布。在移动通信系统中主要有两类分集方式:宏分集和微分集。宏分集主要用于蜂窝通信系统，也叫做“多基站分集”，这是一种减少大尺度衰落的分集技术，起做法是把多个基站设置在不同的地理位置上（如蜂窝小区的对角上），并使其在不同的方向上，这些基站同时和小区内的一个移动台进行通信（选用其中信号最好的一个基站进行通信）。显然，只要在各个方向上的信号传播不是同时受到阴影衰落，这种方法就能保持通信不会中断。 微分集是一种减小多径衰落的分集技术，在各种无线通信系统中都经常实使用，理论和实践都表明，在空间、频率、极化、角度及时间方面分离的无线信号，都呈现相互独立的衰落特性。微分集技术包括以下几种主要方式。1、 空间分集 空间分集也称为阵列天线分集，即将同一个信号通过不同的天线发射，或由不同的天线接收从不同途径到达的同一信号。天线分集能够实现的关键是阵元间距足够大以保证发送及接收的信号经空间传播后能演变成历经不同路径、不同时延、相互独立的多个信号到达接收端。空间分集是本文研究的重点。2、 频率分集 由于频率间隔大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落可以认为是不相关的， 因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息， 以实现频率分集。 根据相关带宽的定义， 即 （3.3） 式中，为延时扩展。例如，市区中=3s,Bc约为53kHz，这样频率分集需要用两部以上的发射机(频率相隔53 kHz以上)同时发送同一信号， 并用两部以上的独立接收机来接收信号。它不仅使设备复杂，而且在频谱利用方面也很不经济。3、 角度分集 角度分集的做法是使电波通过几个不同路径， 并以不同角度到达接收端， 而接收端利用多个方向性尖锐的接收天线能分离出不同方向来的信号分量； 由于这些分量具有互相独立的衰落特性， 因而可以实现角度分集并获得抗衰落的效果。4、 极化分集 在移动环境下,两副在同一地点,极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出不相关的衰落特性。利用这一特点,在收发端分别装上垂直极化天线和水平极化天线,就可以得到2 路衰落特性不相关的信号。所谓定向双极化天线就是把垂直极化和水平极化两副接收天线集成到一个物理实体中，通过极化分集接收来达到空间分集接收的效果，所以极化分集实际上是空间分集的特殊情况,其分集支路只有2 路。5、 时间分集 小尺度衰落除了具有空间和频率独立性之外， 还具有时间独立性， 即同一信号在不同的时间区间多次重发， 只要各次发送的时间间隔足够大， 那么各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的， 接收机将重复收到的同一信号进行合并， 就能减小衰落的影响。时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号。 此外， 时间分集也有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的信号衰落现象。由于它的衰落速率与移动台的运动速度及工作波长有关， 因而为了使重复传输的数字信号具有独立的特性， 必须保证数字信号的重发时间间隔满足以下关系： （3.4） 式中，fm为衰落频率，v为车速，为工作波长。 若移动台处于静止状态，即v=0，由式(3.4)可知，要求T为无穷大，表明此时时间分集的得益将丧失。换句话说， 时间分集对静止状态的移动台无助于减小此种衰落。（二）常用的分集方式TSTD分集方式（时间切换发射分集），以一个OFDM符号为周期进行天线切换的，获得空间增益。FSTD分集方式是在频率上的天线间切换，空间增益。CDD分集数据流首先经过信道编码，调制，进行IFFT变换，得到时域的数据后，进行不同的循环延迟后产生多路数据，并在不同天线发送，从而获得频率增益和空间增益。以上三种适合于不需要知道天线数目或无法知道天线数时的情况，如同步信道的分集设计。PSD分集数据经过信道编码和调制后，分别进行不同的相位旋转得到不同版本的信号信息，在分别进行IFFT之后，将各个版本的信号在不同天线发射。由于对时域的循环延迟等效于频域的线性相位旋转，可以认为CDD为PSD线性相位旋转情况下的一种时域的实现方式。PVS分集是通过类似不同权值实现分集的，类似于一种波束成型方法，PVS分集是通过不同权值的切换实现分集的。其实质是通过不同的加权矢量（波束方向），获得不同质量的空间信号样本，从而获得空间分集增益。1、空间分集技术基本原理我们知道在移动通信中，空间略有变动就可能出现较大的场强变化。当使用多个接收信道时，它们受到的衰落影响是不相关的，且二者在同一时刻经受深衰落谷点影响的可能性也很小，因此这一设想引出了利用多副发送天线、多副接收天线的方案，独立地接收同一信号，再合并输出，衰落的程度能被大大地减小，即空间分集。 空间分集技术的依据在于快衰落的空间独立性，即在任意两个不同的位置上接收同一个信号，只要两个位置的距离大到一定程度，则两处所收信号的衰落是不相关的。为此，空间分集的接收机至少需要两副相隔距离为d的天线，间隔距离d与工作波长、地物及天线高度有关，在移动信道中，通常取： 市区 郊区 在满足上市的条件下，两信号的衰落相关性已很弱；d越大，相关性就越弱。分集有两重含义：一是分散传输，使接收端能获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；二是集中处理，即接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并(包括选择与组合)以降低衰落的影响。 空间分集分为空间分集发送和空间分集接收两个系统。图3.1是空间分集技术原理示意图。空间分集发送和空间分集接收都能获得分集增益，从而提高通信系统的性能。2、分集接收技术 分集接收的基本原理接收端收到M(M2)个分集信号后,如何利用这些信号以减小衰落的影响,这就是合并的问题。信号合并的目的就是要使它的信噪比有所改善,因此对合并器的性能分析是环绕其输出信噪比进行的。一般使用的是线性合并器,把输入的M个独立 衰落信号相加后合并输出。假设M个输入信号电压为、则合并器的输出电压r(t)为: +=（3.7）式中, k a为第k个信号的加权系数。选择不同的加权系数,就可以构成不同的合并方式。常用的有选择式合并（SC）、最大比值合并（MRC）、等 增益合并（EGC）三种方式。1）选择式合并(SC) 选择式合并（SC）是指检测所有分集支路的信号,以选择其中信噪比最高的那一个支路的信号作为合并器的输出。由式（3.7）可见,在选择式合并器中,加权系数只有一项为1 ,其余均为0。 图3.3为二重分集选择式合并的示意图。两个支路的中频信号分别经过解调然后作信噪比比较,选择其中有较高信噪合并比的支路接到接收机的共用部分。选择式合并方法简单、实现容易。 但是,由于未被选择的支路信号丢弃, 因此抗衰 落效果差。2）最大比值合并（MRC） 最大比值合(MRC)并是一种最佳合并方式，其方框图如图 3 . 4 所示。 为了书写简 便， 每一支路信号包络用表示。 每一支路的加权系数与信号包络成正比而与噪声功率成反比， 即 （3.8） 由此可得最大比值合并器输出的信号包络为 = （3 . 9） 式中， 下标R表征最大比值合并方式。3）等增益合并（EGC） 等增益合并(EGC)无需对信号加权,各支路的信号是等增益相加的,其方框图如图3.5所示。等增益合并方式实现比较简单，其性能接近于最大比值合并。等增益合并器输出的信号包络为 = （3.10） 式中,下标E表征等增益合并。4、 TSTD 分集方式TSTD的分集方式的实现框图如下图所示：下图中的时间分集是OFDM系统中以一个OFDM符号为周期进行天线切换的。在实际应用中，其切换周期可以进行调整。如在一个OFDM符号内或以多个OFDM符号为间隔进行切换。在多天线业务信道传输的时，采用该模式可以降低导频开销，因为同一时刻仅仅有一个天线传输数据，只需要设计一个天线的导频图样即可，所以天线可以使用同样的导频图样。 Figure 2-1: TSTD transmit diversityTSTD 实质获得的是空间分集增益，其具有实现简单，对UE透明；可扩展到任意天线的特点，但不具备空时编码增益。5、FSTD 分集方式：FSTD分集方式是在频率上的天线间切换。FSTD的分集方案如图2-2所示Figure2-2: FSTD transmit diversityTSTD和FSTD分集方式结合可以产生为FSTD+TSTD分集方式，如下图所示。 Figure 2-3: FSTD+TSTD transmit diversity (special case for PVS)同TSTD类似，只能获得空间增益，具有容易扩展到任意天线的特点。因此其性能与TSTD的分集方式也较为接近。三、LTE物理层技术 LTE的研究工作主要集中在物理层、空中接口协议和网络架构几个方面，其中网络架构方面的工作和4GPP系统架构演进（SAE）项目密切相关。本文将对这几个方面的重大技术决定和进展做一简单的介绍。 （一）基本传输技术和多址技术 基本传输技术和多址技术是无线通信技术的基础。4GPP成员在讨论多址技术方案时，主要分成两个阵营：多数公司认为OFDMFDMA技术与CDMA技术相比，可以取得更高的频谱效率；而少数公司认为OFDM系统和CDMA系统性能相当，出于后向兼容的考虑，应该沿用CDMA技术。持前一种看法的公司全部支持在下行采用OFDM技术，但在上行多址技术的选择上又分为两种观点：大部分厂商因为对OFDM的上行峰平比PAPR（将影响手持终端的功放成本和电池寿命）有顾虑，主张采用具有较低PAPR的单载波技术；另一些公司（主要是积极参与WiMAX标准化的公司）建议在上行也采用OFDM技术，并用一些增强技术解决PAPR的问题。经过激烈的讨论和艰苦的融合，4GPP最终选择了大多数公司支持的方案，即下行OFDM；上行SC（单载波）-FDMA。 上行SC-FDMA信号可以用“频域”和“时域”两种方法生成，频域生成方法又称为DFT扩展OFDM（DFTS-OFDM）；时域生成方法又称为交织FDMA（IFDMA）。采用哪种生成方法目前尚未确定，但大部分公司支持采用DFT-S-OFDM技术（如图1所示）。这种技术是在OFDM的IFFT调制之前对信号进行DFT扩展，系统发射的是时域信号，从而可以避免OFDM系统发送频域信号带来的PAPR问题。 图1DFT-S-OFDM发射机结构 （二）“宏分集”之争 是否采用宏分集技术，是LTE讨论中的又一个焦点。这个问题看似是物理层技术的取舍，实则影响到网络架构的选择，对LTE/SAE系统的发展方向有深远的影响。 4GPP内部在下行宏分集问题上的看法比较一致。由于存在难以解决的“同步问题”，各公司很早就明确，对单播（Unicast）业务不采用下行宏分集。只是在提供多小区广播（Broadcast）业务时，由于放松了对频谱效率的要求，可以通过采用较大的循环前缀（CP），解决小区之间的同步问题，从而使下行宏分集成为可能。 与下行相比，4GPP对上行宏分集的取舍却迟迟不决。宏分集的基础是软切换，这种CDMA系统的典型技术，在FDMA系统中却可能“弊大于利”。更重要的是，软切换需要一个“中心节点”（如UTRAN中的RNC）来进行控制，这和大多数公司推崇的网络“扁平化”、“分散化”网络结构背道而驰。经过仿真结果的比较、激烈的争论、甚至“示意性”的表决，4GPP最终决定LTE（至少在目前）不考虑宏分集技术。 （三）帧结构和系统参数设计 LTE在数据传输延迟方面的要求很高（单向延迟小于5ms），这一指标要求LTE系统必须采用很小的最小交织长度（TTI）。大多数公司主要出于对FDD系统的设计，建议采用0.5ms的子帧长度（1帧包含20个子帧）。但是一些研发TDD技术的4GPP成员注意到这种子帧长度和UMTS中现有的两种TDD技术的时隙长度不匹配。例如TD-SCDMA的时隙长度为0.675ms，如果LTE TDD系统的子帧长度为0.5ms，则新、老的系统的时隙无法对齐，使得TD-SCDMA系统和LTE TDD系统难以“临频共址”共存。在中国公司的坚持下，4GPP在这个问题上形成决议：基本的子帧长度为0.5ms，但在考虑和LCR-TDD（即TD-SCDMA）系统兼容时，可以采用0.675ms子帧长度。 OFDM和SC-FDMA（以DFT-S-OFDM为例）的子载波宽度选定为15kHz，这是一个相对适中的值，兼顾了系统效率和移动性，明显比WiMAX系统大。下行OFDM的CP长度有长短两种选择，分别为4.69ms（采用0.675ms子帧时为7.29ms）和16.67ms。短CP为基本选项，长CP可用于大范围小区或多小区广播。短CP情况下一个子帧包含7个（采用0.675ms子帧时为9个）OFDM符号；长CP情况下一个子帧包含6个（采用0.675ms子帧时为8个）OFDM符号。上行由于采用单载波技术，子帧结构和下行不同。DFT-S-OFDM的一个子帧包含6个（采用0.675ms子帧时为8个）“长块”和2个“短块”（如图2所示），长块主要用于传送数据，短块主要用于传送导频信号。 图2DFT-S-OFDM子帧结构 虽然为了支持实时业务，LTE的最小TTI长度仅为0.5ms，但系统可以动态的调整TTI，以便在支持其他业务时，避免由于不必要的IP包分割造成的额外的延迟和信令开销。 上、下行系统分别将频率资源分为若干资源单元（RU）和物理资源块（PRB），RU和PRB分别是上、下行资源的最小分配单位，大小同为25个子载波，即375kHz。下行用户的数据以虚拟资源块（VRB）的形式发送，VRB可以采用集中（Localized）或分散（Distributed）方式映射到PRB上。Localized方式即占用若干相邻的PRB，这种方式下，系统可以通过频域调度获得多用户增益。Distributed方式即占用若干分散的PRB，这种方式下，系统可以获得频率分集增益。上行RU可以分为Localized RU（LRU）和Distributed RU（DRU），LRU包含一组相邻的子载波，DRU包含一组分散的子载波。为了保持单载波信号格式，如果一个UE占用多个LRU，这些LRU必须相邻；如果占用多个DRU，所有子载波必须等间隔。 （四）其他物理层设计 1、参考符号（导频）设计 LTE目前确定了下行参考符号（即导频）设计。下行导频格式如图3所示，系统采用时分复用（TDM）的导频插入方式。每个子帧可以插入两个导频符号，第1和第2导频分别在第1和倒数第3个符号。导频的频域密度为6个子载波，第1和第2导频在频域上交错放置。采用MIMO时，须支持至少4个正交导频（以支持4天线发送），但对智能天线例外。在一个小区内，多天线之间主要采用频分复用（FDM）方式的正交导频。在不同的小区之间，正交导频在码域实现（CDM）。 图3OFDM导频结构 2、上行控制信道复用 LTE上行由于采用单载波技术，控制信道的复用不如OFDM灵活。上行控制信道用于传送两种信令：与数据相关的信令（AMC格式、HARQ信息等）和与数据无关的信令（RACH、COI、ACK/NACK、调度请求）。经过反复的讨论，4GPP决定只采用TDM方式复用控制信道，因为这种方式可以保持SC-FDMA的低PAPR特性。与数据相关的信令将和UE的数据复用在一个时频资源块中。 3、调制与编码 LTE下行主要采用QPSK、16QAM、64QAM三种调制方式。上行主要采用位移BPSK（/2-shift BPSK，用于进一步降低DFT-S-OFDM的PAPR）、QPSK、8PSK和16QAM。另一个正在考虑的降PAPR技术是频域滤波（Spectrum Shaping）。另外也已明确，Cubic Metric是比PAPR更准确的衡量对功放非线性影响的指标。在信道编码方面，LTE主要考虑Turbo码，但如果能获得明显的增益，也将考虑其他编码方式，如LDPC码。 4、调度 调度就是动态的将最适合的时频资源分配给某个用户，系统根据信道质量信息（CQI）的反馈、有待调度的数据量、UE能力等决定资源的分配，并通过控制信令通知用户。调度实际上和链路自适应、HARO是密不可分的。LTE的调度可以灵活的在Localized和Distributed方式之间切换，并将考虑减小开销的方法。一种方法就是对话音业务一次性调度相对固定的资源（Persistent Scheduling）。 5、链路自适应 链路自适应的核心技术是自适应调制和编码（AMC）。LTE对AMC技术的争论主要集中在是否对一个用户的不同频率资源采用不同的AMC（RB-specific AMC）。理论上说，由于频率选择性衰落的影响，这样做可以比在所有频率资源上采用相同的AMC配置（RB-common AMC）取得更佳的性能。但大部分公司在仿真中发现这种方法带来的增益并不明显，反而会带来额外的信令开销，因此最终决定采用RB-common AMC。 6、HARQ LTE基本采用增量冗余（Incremental Redundancy）HARQ。另外，各公司还就是否采用异步HARQ或自适应HARQ展开了讨论。基本的HARQ，每次重传的时刻和所采用的发射参数（调制编码方式及资源分配等）都是预先定义好的。而异步HARQ则可以根据需要随时发起重传，自适应HARQ（即每次重传的发射参数）可以动态调整，因此异步HARQ和自适应HARQ与基本的HARQ相比可以取得一定增益，但需要额外的信令开销。 7、功率控制 由于不存在CDMA系统中的“用户间干扰”，LTE系统可以在每个子频带内分别进行“慢功控”。但如果对小区边缘用户进行完全的功控，可能导致小区间干扰问题。因此，目前正在考虑只对边缘用户“部分的”的补偿路损和阴影衰落，从而避免产生较强的小区干扰，这样可以获得更大的系统容量。 8、同步 除了考虑基本的UE和Node B之间的同步外，基于OFDM/FDMA的LTE系统还需要考虑两种特殊的同步。一种是上行同步（又称时间控制）。为了保证上行多用户之间的正交性，要求各用户的信号同时到达Node B，误差在CP以内。因此需要根据用户距Node B的位置远近调整它们的发射时间。 另一个问题是Node B之间的同步。与异步的WCDMA系统不同，保持Node B之间的正交性可以使基于OFDM/FDMA的LTE系统获得更好的性能。但4GPP系统不像4GPP2系统可以依靠外部时钟（如GPS）取得同步，因此需要采取别的方法。目前正在考虑的方法是：Node B借助小区内各UE的报告和相邻Node B作同步校准，以此类推，使全系统逐步和参考基站取得同步。 9、小区间干扰抑制 LTE提高小区边缘数据率的目标将通过小区间干扰抑制技术实现。目前正在考虑的方案包括干扰随机化、干扰协调、干扰消除和慢功控等。干扰随机化可能采用小区加扰或交织多址（IDMA）实现。但此方法的性能差强人意；干扰协调即在小区边缘采用小于1的频率复用，从而避免强干扰。这种方法的缺点是可用于小区边缘的频率资源有限，限制了小区边缘的峰值速率和系统容量；干扰消除即在接收机采用多用户检测消除相邻小区的干扰，这种方法的缺点是要求干扰源小区和被干扰小区 10、切换 在切换方面，除了系统内的切换，LTE也正在考虑不同频率和不同系统（如其他4GPP系统、WLAN系统等）之间的切换。 其他的物理层技术，如上行导频、小区搜索、随机接入、多播广播（MBMS）、层1和层2信令等，也正在讨论之中。 （四）空中接口协议结构和网络架构 传统的4GPP接入网UTRAN由Node B和RNC两层节点构成，但在考虑LTE技术时，大多数公司建议将RNC省去，采用由Node B构成的单层结构，因为这种结构有利于简化网络和减小延迟。但少数设备商和运营商建议保留原有的网络架构，只做局部修改。如果采用第一种（即“扁平”的）网络架构，则将对4GPP系统的整个体系架构产生深远的影响，实际上将逐步趋近于典型的IP宽带网结构。 在作出不采用宏分集的决定后，这个问题的焦点集中在上层ARQ（Outer ARQ）、无线资源控制（RRC）和小区间无线资源管理（Inter-cell RRM）功能块的位置上。如果上述功能可以在Node B完成，则可以采用只由Node B构成的“扁平”E-UTRAN结构；如果上述功能无法在Node B内完成，则必须保留所谓的“中心节点”（类似于RNC）来实现这些功能，也即需要采用两层结构的E-UTRAN。 最后，由于绝大多数公司支持前一种方案，初步确定了如图4所示的E-UTRAN结构。即接入网主要由演进型Node B（eNB）和接入网关（aGW）构成。aGW实际上是一个边界节点，如果将它看作核心网的一部分，则接入网主要由eNB一层构成。LTE的eNB除了具有原来Node B的功能外，还承担了原来RNC的大部分功能，包括物理层（包括HARQ）、MAC层（包括ARQ）、RRC、调度、无线接入许可、无线承载控制、接入移动性管理和Inter-cell RRM等。只是对小区间干扰协调、负载控制等功能，有些公司仍然坚持引入一个RRM Server进行集中式管理。采用这种集中式管理，还是采用完全分散的管理结构，尚未确定（如图4中的结构1和结构2），但已确定Node B和Node B之间将采用网格（Mesh）方式直接互连（如图中红线所示），这也是对原有UTRAN结构的重大修改。 在传输信道的设计方面，LTE的信道数量将比WCDMA系统有所减少。最大的变化是将取消专用信道，在上行和下行都采用共享信道（SCH）。下行还将保留广播信道（MCH）和寻呼信道（PCH）。是否保留专门的多播信道（MCH）和随机接入信道（RACH），还有待于进一步研究。原有的其他传输信道很可能将被取消。 图4E-UTRAN网络结构和协议结构 另外，空口协议功能和移动性管理概念也已部分确定。四、802.16m系统SCH功能SCH符号是终端（MS）开机后搜索的第一个信道，它主要实现基本功能有：时间同步，频率同步，小区ID检测。上述三个基本功能是小区搜索的主要过程。小区搜索分为初始搜索和切换搜索。初始搜索是终端开机后的搜索过程，而切换搜索则是终端作切换目标小区的搜索过程。小区搜索的性能对后续数据的正确接收具有重要意义。（一）SCH结构 16m的 SCH最初提案中，SCH结构从大的方面分为分级（Hierarchy）和非分级结构（none-Hierarchy）。对于分级的SCH，SCH分为主同步P-SCH和辅S-SCH，由于P-SCH和S-SCH是LTE命名的，所以，后来，改为PA和SA。其中P-SCH信号只用于获得时间和频率同步，该信号对各小区是相同的，或只有少数几种选择。而S-SCH信号是对各小区不同的，携带小区ID或小区组ID。S-SCH设计选择有：如果S-SCH信号只携带小区组ID，则可用小区的公共参考符号获得具体的小区ID。如果没有S-SCH信号，也可以直接通过小区的公共参考信号获得完整的小区ID。对于不分等级的SCH信号，SCH信号对各小区是不同的（可能占用不同子载波），直接携带小区ID或小区组ID，所以，不分等级的SCH信号。不分级的SCH信号通常本身具有特殊的结构，如频域间隔插入，时域具有重复特性等，终端据此作符号时间同步。1、非分级结构及优劣典型的非分级结构是16e系统的 Preamble。图4.1. 1. 16e系统采用的Preamble时频结构图优点： 开销小，认为一个SCH符号可以解决同步和Cell ID检测，不必两个符号完成相同的功能； SCH的子载波采用隔一个映射方式，如下图所示，这样，在时域SCH符号具有时间对称性，即前半个符号与后半个符号相同（与序列没有关系），时间粗同步可以采用简单的信号处理算法，如：盲差分自相关算法（如Schmidl & Cox Algorithm）。图4.1. 2. 子载波采用隔一个映射方式时域结构图上述子载波映射方式在同步网络中，小区边缘因为时间重复特性保持，时间同步性能增强，如下图所示：图4.1. 3.同步网络时间重复特性保持示意图缺点： 由于16m具有超帧结构（16e系统没有），所以，如果采用非分级结构，无法实现超帧同步，即不知道那个SCH与超帧头相邻，因为20ms超帧中有相同的4个SCH符号，而只有一个超帧头。 设计限制较大，例如，由于一个符号要同时完成同步和Cell ID检测功能，所以，限制情形包括：1) SCH的子载波至少隔一个插入，可用子载波数就变成一半，序列长度减少，会带来序列性能降低，这点特别是在Cell ID数较多时尤为突出；2) 可用子载波数变少，还会限制不同扇区SCH的抗干扰设计，如采用频率复用因子FFR=3时，可用子载波为1/6，序列长度太短和Cell ID数量大的问题更突出；3) 时间同步算法只能采用自相关算法；4) Cell ID检测只能采用非相干检测，这样，序列检测性能在频选信道情形，性能不如相干检测；5) 非同步网络中，性能差。2、分级结构及优劣优点： 将同步功能和Cell ID携带功能分配到不同的SCH符号上，设计灵活性大，限制因素少，如，可以针对同步性能和 Cell ID检测性能分别优化； 时间同步算法能采用自相关算法和互相关算法，选择余地大； Cell ID由单独的SCH符号携带，序列映射方式选择余地大，如LTE中FFR=1，16m中FFR=3; 当P-SCH和S-SCH相邻时，可以采用相干检测，提高在频选信道情形序列检测性能。 对可变带宽,特别是SCH带宽可变支持要好，原因是P-SCH可以带宽固定，同时P-SCH可携带带宽信息，指导后续接入过程。缺点： 开销在某些情形要大于非分级结构。3、16m系统SCH结构图4.1. 4.为16m 系统P-SCH和S-SCH结构图。如图所示，PA（主同步信道）和SA（辅同步信道）分别在超帧周期（20毫秒）中发送一次，PA在16m超帧的第二个帧发送，三个SA 分别在超帧中的第1个16m单位帧、第3个16m单位帧以及第4个16m单位帧的第一个符号发送，其中，PA的带宽固定为5MHz。图4.1. 4. 16m 系统P-SCH和S-SCH结构图分级结构及优劣优点：1)将同步功能和Cell ID携带功能分配到不同的SCH符号上，设计灵活性大，限制因素少， 2)时间同步算法能采用自相关算法和互相关算法，选择余地大；3)Cell ID由单独的SCH符号携带，序列映射方式选择余地大 4)当P-SCH和S-SCH相邻时，可以采用相干检测，提高在频选信道情形序列检测性能。5)对可变带宽,特别是SCH带宽可变支持要好，原因是P-SCH可以带宽固定，同时P-SCH可携带带宽信息，指导后续接入过程。缺点：开销在某些情形要大于非分级结构。16m 系统P-SCH和S-SCH结构。PA（主先进式同步序列亦译作主同步信道）和SA（次先进式前导序列亦译作辅同步信道）分别在超帧周期（20毫秒）中发送一次，PA在16m超帧的第二个帧发送，三个SA 分别在超帧中的第1个16m单位帧、第3个16m单位帧以及第4个16m单位帧的第一个符号发送，第一个帧的SA-Preamble 又额外放置了超帧头(Superframe Header)。此种摆放方式让接收机可以先解PA-Preamble，抓到之后连续解三次SA-Preamble 保证一定的接收的正确率后再解超帧头。其中，PA的带宽固定为5MHz。五、PA设计（一）时间同步算法由于P-SCH主要作用是时间、频率同步，对于时间同步，OFDM系统的同步方法主要有自相关（auto-correlation，简称AC）和互相关方法(cross-correlation，简称CC)，AC方法是利用一个SCH符号前后两部分全同的特性，当前后两部分信号作互相关时，在时间同步位置互相关值出现峰值，依此达到同步目的，对CC方法，是利用本地产生的P-SCH时间序列与接收到的信号作自相关，在时间同步位置自相关值出现峰值，依此达到同步目的。已经证明，CC方法的性能优于AC方法，但算法复杂度较高。当P-SCH只作时间频率同步时，只需一个序列，所以，CC方法的复杂度可以接受，但当P-SCH携带Cell ID分组信息及其他控制信息时，序列个数可达十几个，此时，CC方法的复杂度过高，已经不能采用。1、AC算法AC算法很典型的算法是Schmidl & Cox Algorithm 1。其时间同步准则如下式所示：式中：是互相关部分，而是符号能量部分。上述准则的缺点是有一个峰值平台，使得同步精度不高。这个平台的宽度为CP长度（在16m情形，CP=64个采样点），如图a)所示:a)b)图5.1.1. AC算法相关峰为了消除这个平台，可采用滑动平均算法：采用滑动平均后效果如图b)所示。2、CC方法及各自优劣CC方法其时间同步准则如下式所示：式中：CC方法和AC方法的优缺点：AC算法 AC方法可以同时用于分级SCH和非分级SCH结构； AC方法适用于同步网络系统，在同步网络系统，由于小区边缘因为时间重复特性保持，时间同步性能增强； AC方法简单，特别是对超帧系统，因为超帧系统PA的重复周期长，MS需要在超帧周期作PA特征搜索，简单算法有利于MS降低搜索运算，减少功耗； 不足，某些情形需要精同步，因为AC算法的精度在CP数量级。 由于AC算法的差分运算，所以，对频偏不敏感。 CC算法 根据LTE仿真， CC算法性能优于AC算法，特别是异步网络系统； 无需粗同步，同步峰值尖锐； 对整数频偏较敏感，为此，必须采用部分相关算法，性能将会降低。 复杂度较高，当PA序列数大于1时，复杂度成为限制因素。（二）PA序列设计，序列特性由于PA序列主要用作时间同步和频率同步，以及PA上携带信息（对应于序列ID）的检测，所以，PA序列特性主要考虑以下几个方面：1） PAPR&Peak power 因为PA符号需要Power boost提高系统覆盖； PA符号的Power boost对AC时间同步算法很重要。2） Cross-correlation PA序列的互相关性决定了干扰情形序列ID的误检率和漏报率。3） Differential cross-correlation PA序列的差分互相关性决定了干扰情形序列ID的误检率和漏报率。适用于差分检测算法。4） Auto-correlation in frequency domain， PA序列频域自相关旁瓣越小，越有利于整数倍频偏情形序列ID的检测。5） Differential auto-correlation in frequency domain PA序列频域自相关旁瓣越小，越有利于整数倍频偏情形序列ID的检测。适用于差分检测算法。由于PA采用时域重复特性为2的结构，所以，PAPR和Peak power就非常重要。因为即使不同的序列，只要在频域采用间隔一个子载波插入的映射方式，就具有时域重复特性，而为了提高时间同步性能，提高PA符号的信噪比是非常有效的方法，特别是对噪声受限场景（大覆盖）。另外，通过仿真发现，对于16m的SCH结构，5MHz带宽+3个 SA符号，Cell ID检测性能的瓶颈在时间同步性能，所以，从提高时间同步性能的角度，需要PA序列的PAPR低，PA的power boost大。最终的power boost由峰值功率和PAPR决定，仿真假设确定16m PA序列的峰值功率不超过16e的峰值功率。1、PAPR的定义及计算PAPR的定义如下：对于第k个序列，其中x是时域信号，而且PAPR计算时须对x信号过采样，一般为4倍或8倍过采样。8倍过采样时PAPR、峰值功率和Power Boost计算步骤：1） 设x的频域信号为,其中 、是保护带，是有用子载波上承载的序列；2） 利用 ifftshift将有用子载波移到频域的两端，得；3） 在频域中间插入7倍长度的0，即，得，如长度为512，则为512x7个0，长度为512x8；4） 对作 IFFT，得，以PAPR公式计算。5） 峰值功率peak power=;6） Power Boost =10log10(16e峰值功率/16m峰值功率)。16e的PAPR和峰值功率如下图所示：图5.2.1.16e Preamble序列（114个）的PAPR和峰值功率（三）PA序列检测，差分检测，整数频偏估计PA序列检测方法有下述几种：1） 频域全序列相关；2） 频域分段序列相关；3） 差分相关；4） IFFT算法1、频域全序列相关算法顾名思义，此算法基于整个序列的相关运算，设PA频域接收的序列为X，本地序列为Yn，n=1,2,。，N，则序列ID检测就是寻找相关值最大的序列ID:频域全序列相关算法在下述情景失效：1） 时间同步误差较大时，此时，时间同步误差在频域表现为旋转相位，使得算法失效，即没有相关峰值出现；2） 频选信道，频选信道破坏了全序列的相关特性，同样表现为没有相关峰值出现。2、频域分段序列相关算法频域分段序列相关算法是为了克服频域全序列相关算法在同步误差大，以及频选信道性能变差甚至失效而采用的，具体做法是将整个序列分为几段，段内采用相干相关，段间采用非相干运算。即：其中和是接收序列X和本地序列Yn的K个序列分段。分段序列相关算法可以解决全序列相关算法存在的问题，但是，其性能与分块个数密切相关，需要根据信道优化。3、差分相关算法差分相关算法首先分别对PA频域接收的序列为X和本地序列为Yn分别做差分运算，即相邻序列元素作差分：。然后，对差分序列采用全相关运算。差分检测可以有效地消除同步误差和频选信道的影响