LTE系统物理层发射链路仿真实现 毕业设计论文.doc
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1、LTE系统物理层发射链路仿真实现摘要LTE(Long Term Evolution)是3GPP长期演进项目,兼容目前的3G通信系统并对3G演进。它具有高传输速率、高传输质量和高移动性的特性。3GPP在工作计划中写入了长期演进(LongTermEvolution)的研究框架,并提出了未来在20MHz带宽上达到瞬时峰值下行100Mbps以及上行50Mbps的目标。本文介绍了LTE物理层上下行链路的基本结构及其采用的关键技术,并使用Matlab对系统物理层发射链路进行了仿真,对于LTE的研究有重要的意义,并将加速LTE的商用化进程。在复杂的移动信道环境中,为了达到这些特性,信道估计是不可缺少的一环。
2、而多入多出(MIMO)技术能够突破无线频率资源限制,大幅度地提高无线通信系统的频偏效率,也被作为LTE的一项核心技术来提高系统传输率。论文首先介绍LTE系统物理层的基本概念,对LTE下行基带处理流程各模块进行了深入研究。其次,研究了LTE下行基于导频的信道估计技术,详细分析了LS信道估计算法、MMSE信道估计算法、。然后,研究了LTE下行链路基带信号的处理流程,对MRC接收分集技术和SFTD发射分集技术进行了深入研究和系统仿真。最后,结合考虑仿真结果和硬件实现复杂度,给出LTE下行链路发射端与接收端基带处理的实现方案、LTE下行链路信道估计器的实现方案以及LTE下行链路发射端Matlab实现方
3、案。关键词 长期演进,物理层,正交频分复用,离散傅立叶变换扩频的正交频分多址Title : LTE系统物理层发射链路仿真实现 ABSTRACT The LTE(Long Term Evolution)scheme was proposed by 3GPP,which is compatible with current 3G telecommunications systemChannel estimation plays a quite important role in the LTE system which requires high data rate,high quality an
4、d high mobility. Long Term Evolution aimed at achieving 100Mbps peak rate in 20MHz bandwidth and 50Mbps in uplink ale carried out in 3GPE. This introduce the physical layer structure of up-down link and key technology of LTE, simulate the system by Matlab. It is very important for the research of LT
5、E and also accelerating the commercial process of LTE.All of above key technologies for LTE downlink are investigated in this thesisFirstly,the basic knowledge of Physical Layer in LTE system is introducedWe mainly investigate the baseband process,including cyclic redundancy check,tail biting convol
6、utional coding,scrambling,rate matching,modulation,layer mapping and precodingThen,a LTE downlink baseband process implementation scheme is proposed,which is realized on Matlab platformSecondly,we study the LTE downlink channel estimation and interpolation technology,and then analyze the LS channel
7、estimation,MMSE channel estimation algorithm,a scheme for designing the LTE downlink channel estimator is presented,which is also implemented on Matlab platformFinally, the LTE downlink transmit diversity techniques is researchedWe investigate the MRC receive diversity technique and SFTD transmit di
8、versity technique,and then simulate them in the Matlab platformAccording to the simulation conclusion,a scheme for LTE transmit diversity in downlink is put forward,which is also implemented on the Matlab platformKeywords LTE PHY OFDM DFT-SOFDMA PHY目录前言11.通信网LTE基本概念21.1移动通信的发展21.2 LTE简介21.2.1 LTE的工作
9、计划21.2.2LTE的主要技术特征31.2.3 LTE的网络结构31.2.4 LTE的协议架构41.2.5 LTE的核心技术51.3论文研究内容及组织结构62.无线信道特性及LTE物理层概述72.1无线信道的特性简介72.1.1.时延扩展82.1.2相干带宽82.1.3多普勒频移92.1.4相干时间92.2 LTE物理层基本概念102.2.1 LTE帧结构102.2.2LTE下行时隙结构和物理资源122.2.4 LTE下行物理资源分配143.下行基带信号的产生流程173.1下行物理信道基带信号处理流程173.2系统设计173.2.1信道编码183.2.2调制/解调193.2.3插入导频193
10、.3本章小结204.搭建LTE系统物理层发射链路204.1主要仿真模块的说明204.1.1系统参数设置204.1.2导频序列的产生204.1.3导频的映射图样及资源粒子映射214.1.4 OFDM的原理234.1.5 信道估计264.2 LTE下行控制信道发射端实现方案274.2.1完整仿真模型274.2.2简化了的LTE链路级仿真模型28全文总结29致谢31参考文献32附录1(缩略语)34附录2(部分程序代码)3637前言当今社会已经进入了一个信息化的社会,没有信息的传递和交流,人们就无法适应现代化的快节奏生活和工作。目前,移动通信已经从模拟通信发展到了数字通信阶段,从窄带通信发展到了宽带通
11、信,并且朝着个人通信这一更高阶段发展。人们期望随时随地、及时可靠、不受时空限制地进行信息交流,提高工作效率和经济效益1。近期伴随着WIMAX的崛起,3GPP也开始了UMTS技术的长期演进(LTE,Long Term Evolution)项目。这项受人瞩目的技术被称为“演进型3G”(E3G,Evolved 3G)。但只要对这项技术稍作了解,就会发现,这种以OFDM为核心的技术,与其说是3G技术的“演进”(Evolution),不如说是“革命”(Revolution),它和3GPP2空中接口演进(AIE)、WIMAX以及最新出现的IEEE 802.20MBFDD/MBTDD等技术,由于已经具有某些
12、“4G”特征,甚至可以被看作“准4G”技术。目前已经确定了上下行信道的基本传输技术,上行SC(单载波)-FDMA,下行采用OFDM技术。 随着通信系统的规模和复杂度不断增加,传统的设计方法已经不能适应发展的需要,通信系统的模拟仿真技术越来越受到重视传统的通信仿真技术主要分为手工分析与电路试验两种,可以得到与真实环境十分接近的结果,但耗时长,方法比较繁杂而通信系统的计算机模拟仿真技术是介于上述两种方法的一种系统设计方法它可以让用户在很短的时间内建立整个通信系统模型,并对其进行模拟仿真,本文使用Matlab语言建立了LTE上下行链路的基本仿真平台。1.通信网LTE基本概念1.1移动通信的发展移动通
13、信综合利用了有线、无线的传输方式,为人们提供了一种快速便捷的通讯手段。由于电子技术,尤其是半导体、集成电路及计算机技术的发展,以及市场的推动,使物美价廉、轻便可靠、性能优越的移动通信设备成为可能。现代移动通信发展至今,主要走过了三代,而后三代正处于紧张的研制阶段2。纵观移动通信的发展史,第一代通信系统是模拟制式的蜂窝移动通信系统,时间是二十世纪七十年代中期至八十年代中期,仅提供语音服务,不能传输数据;第二代通信系统是数字通信系统,时间是从八十年代中期开始,数据传输速率也只有9.6kbit/s,最高可达32kbit/s;第三代移动通信系统最早由国际电信联盟(ITU)于1985年提出,该系统工作在
14、2000MHz频段,最高业务速率可达2Mbit/s。虽然第三代移动通信系统可以提供很高的传输速率,但是为了满足未来十年对于移动通信的技术要求,同时适应新技术和移动通信理念的变革,3GPP(Third GenerationPartnership Project)启动了关于3G演进系统LTE(Long Term Evolution)的研究与标准化工作,作为后三代(B3G)移动通信系统3。1.2 LTE简介LTE是3G的演进,它改进并增强了3G的空中接入技术,采用OFDM技术和MIMO技术作为其无线网络演进的唯一标准。在20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的峰值速
15、率。下面将对LTE的工作计划、主要技术特征、网络结构、协议架构以及LTE的核心技术进行简要的介绍。1.2.1 LTE的工作计划3GPP对LTE项E1的工作大体分为两个时间段:SI(Study Item)阶段和LTE下行链路关键技术的研究与实现WI(Work Item)阶段。2005年3月到2006年6月为SI阶段,完成3GPP LTE的可行性研究报告。2006年6月到2007年6月为WI阶段4,完成核心技术的规范工作。在2007年中期完成LTE相关标准制定(3GPP R7),预计在2008年或2009年推出商用产品。就目前的进展来看,发展比计划有所滞后,但经过3GPP组织的努力,LTE的系统框
16、架大部分已经完成5、6。1.2.2LTE的主要技术特征3GPP从“系统性能要求”、“网络的部署场景”、“网络架构”、“业务支持能力”等方面对LTE进行了详细的描述。与3G相比,LTE具有高数据速率、分组传送、延迟降低、广域覆盖和向下兼容等技术优势,具体技术特征如下:1.通信速率有了提高,下行峰值速率可达l00Mbps、上行可达50Mbps。2.提高了频谱效率,下行链路5(bit/s)/Hz(3-4倍于R6 HSDPA);上行链路2.5(bit/s)/Hz (2-3倍于R6 HSUPA)。3.以分组域业务为主要目标,系统在整体架构上将基于分组交换。4.QoS保证,通过系统设计和严格的QoS机制,
17、保证实时业务的服务质量。5. 系统部署灵活,能够支持1.25MHz.20MHz间的多种系统带宽,并支持“paired”和 “unpaired”的频谱分配。保证了将来在系统部署上的灵活性。6. 降低无线网络时延:子帧长度lms,解决了向下兼容的问题并降低了网络时延, 时 延可满足用户面U.plan5ms、控制面C.plan100ms。7.增加了小区边界比特速率,在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界比特速 率。如MBMS(多媒体广播和组播业务)在小区边界可提供lbit/s/Hz的数据速率。8.强调向下兼容,支持已有的3G系统和非3GPP规范系统的协同运作。在LTE中, 还规范了一些其他的要求
18、,如与配置相关的要求、E.UTRAN架构和移植要求、无线资源管理要求、复杂性要求、成本相关要求以及业务相关要求等7-9。1.2.3 LTE的网络结构LTE采用由NodeB构成的单层结构,这种结构有利于简化网络和减小延迟,实现了低时延,低复杂度和低成本的要求。与传统的3GPP接入网相比,LTE减少了RNC节点。名义上LTE是对3G的演进,但事实上它对3GPP的整个体系架构作了革命性的变革,逐步趋近于典型的IP宽带网结构。3GPP初步确定LTE的架构如图(1-1)所示,也叫演进型UTRAN结构(E.UTRAN)。 图(1-1)LTE总体架构接入网主要由演进型:NodeB(eNB)和MME/S.GW
19、(MobilityManagementEntity/ServingGateway) 两部分构成。eNB和eNB之间由X2接E1连接,eNB与MMS/S.GW之间通过S1连接。eNB不仅具有原来NodeB的功能外,还能完成原来RNC的大部分功能,包括物理层、MAC层、RRC、调度、接入控制、承载控制和接入移动性管理等10-12。1.2.4 LTE的协议架构LTE无线接口包括层一(Layer 1),层二(Layer 2)和层三(Layer 3),层一就是物理层,主要由3GPP TS 36.200系列协议描述,层二和层三由3GPP TS 36。300系列协议描述。它们之间的关系如图(1-2)所示。图
20、(1-2)物理层相关无线接口协议架构图(1-2)描述了E.UTRA物理层相关无线接口协议架构,物理层接入到层二的MAC (MediumAccess Contr01)子层和层三的RRC(Radio Resource Contr01)层。图中不同层/子层之间的圆圈是SAPs(Service Access Points)。物理层给MAC层提供传输信道,MAC层提供不同的逻辑信道给层二的RLC(Radio Link Contr01)子层。1.2.5 LTE的核心技术LTE主要用到两个核心技术,一是OFDM技术,另一个是MIMO技术。OFDM是一种特殊的多载波调制技术,它利用载波间的正交性进一步提高频谱
21、利用率,且可以抗窄带干扰和多径衰落13。OFDM的基本思想就是将串行的数据并行地调制在多个正交的子载波上,这样可降低每个子载波的码元速率,增大码元的符号周期,提高系统的抗衰落和干扰的能力,同时由于每个子载波的正交性,频谱的利用率大大提高。目前,OFDM技术都可以通过FFT技术实现,所以系统实现结构简单。但是OFDM技术也存在一定的缺陷,首先对频率偏移敏感,对同步技术的要求较高,其次,OFDM信号的峰均比大,对系统中的非线性敏感14。3GPP组织决定对LTE系统物理层下行传输方案采用先进成熟的OFDMA技术,对于上行传输考虑到OFDM较高的峰均比会增加终端的功放成本和功率消耗,限制终端的使用时间
22、,决定采用峰均比比较低的单载波方案SC.FDMA技术。OFDM技术是LTE系统的技术基础与主要特点,OFDM系统参数设定对整个系统的性能会产生决定性的影响,其中载波间隔又是OFDM系统的基本参数,目前,3GPP给出了两种载波间隔,分为为l5kHz和7.5kHz。当传输信道中出现多径传播时,接收子载波间的正交性就会被破坏,使得每个子载波上的前后传输符号间以及各个子载波间发生相互干扰。为了解决这个问题,在每个OFDM符号前插入保护间隔,即循坏前缀,它是由OFDM符号进行周期扩展得到的。循环前缀Cp (Cyclic Prefix)15、16的长度决定了OFDM系统的抗多径衰落能力和覆盖能力。长CP利
23、于克服多径干扰,支持大范围覆盖,但是系统的开销也会相应增加,导致数据传输能力下降。为了达到小区半径100km的覆盖要求,LTE系统采用长短两套循环前缀方案,也即是普通CP和增强型CP两种方案。根据具体场景进行选择CP,一般普通CP方案为基本选择,增强型CP方案用于支持LTE大范围小区覆盖和多小区广播业务。LTE系统按照双工方式可以分为两种:FDD和TDD17。LTE上行主要关注的首要问题是峰均比的问题,目前主要考虑采用位移BPSK和频域滤波两种方案进一步降低上行SC.FDMA的峰均比。LTE下行链路要求传输速率可达100Mbps,故高峰值传输速率是LTE下行链路需要解决的主要问题。为了实现该目
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