（通信与信息系统专业论文）3gpp长期演进链路层关键技术研究.pdf

北京邮电大学硕士学位论文 3 g p p 长期演进链路层关键技术研究 摘要 第三代移动通信系统( 3 g ) 最早由国际电信联盟( i n j ) 于1 9 8 5 年提 出，当时称为f p l m t s ( 未来公共陆地移动系统) ，后来由于i t u 预计 该系统在2 0 0 2 年左右投入商用而且该系统的一期主频段位于2 g h z 频段附近，所以将其正式命名为i m t 2 0 0 0 。在1 9 9 8 年底，由欧洲的 e s t i ，日本的a r i bt t c ，韩国的”a 以及美国的t i 合作发起了第 三代合作伙伴计划( 3 g p p ) 。至今为止，3 g p p 已经从r 9 9 版本发展到 r 5 版本。随着r 5 中h s d p a 的引入和w i m a x 等无线接入技术的出 现，3 g p p 意识到高速下行接入的巨大市场。因此，为了实现高数据 速率、低延时、包优化以及保证小区边缘性能的无线接入技术，在工 作计划中写入了长期演进( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 的研究框架，并提出 了未来在2 0 m h z 带宽上达到瞬时峰值下行1 0 0 m b p s 以及上行 5 0 m b p s 的目标。m c c d m a 凭借着良好的对抗多径衰落的性能以及 小区频率重用等优点，在长期演进的方案中占有一席之地。 本文将主要研究在h s d s c h 下行共享信道中使用m c c d m a 技 术，特别是针对h s d p a 中引入的多码传输模式，在接收端根据不同 北京邮电大学硕士学位论文 的调制方式与码道数目，对不同的码片合并方式性能进行了分析与仿 真，并提出了一种提高多码传输性能的方法。另外，由于多码传输需 要对系统消息有准确的接收，还对采用m c c d m a 技术单频组网后 导频信道的抗干扰能力进行了仿真。 本文首先简要介绍了3 g p p 组织的历史和发展现状，以及演进中 可能采用的m c c d m a 技术的特点，并对论文的主要工作和组织结 构做出了描述。随后给出了演进技术的验证平台的设计原则，在此基 础上将平台分为发射、信道、接收模块迸行介绍。第三章对m c c d m a 系统的发射与接收模型进行了数学描述，并对m c c d m a 多码传输 在各种码片合并方式下的性能作了分析，通过仿真平台得到了关于调 制方式、码道数与码片合并方式的组合模式，最后提出了一种新的改 进系统，使性能得到了提高。第四章详细介绍了m c c d m a 由于频 率复用特点而可能采用的单频组网技术，并对组网技术之一的加扰给 出了数学分析模型，通过仿真平台对小区边缘导频信道的误码率性能 进行了比较。最后对全文进行了总结后提出了未来工作的方向。 关键字3 g p p 长期演进多码传输m c c d m a 码片合并加扰 i i 北京邮电大学硕士学位论文 摘要 r e s e a r c ho nk e y t e c h n i q u e so f l i n kl a y e r3 g p pl t e a b s t r a c t t h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ( 3 g ) w a s f i r s ti n t r o d u c e db yi n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ( i t u ) a s f p l m t s ( f u t u r ep u b l i cl a n dm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s ) a n dl a t e r d e f i l l e da si m t - 2 0 0 0i n2 g h zb a n d i n1 9 9 8 ，s e v e r a lo r g a n i z a t i o n sf r o m e u r o p e ，j a p a n ，k o r e a na n du s ae s t a b l i s h e dt h et h i r dg e n e r a t i o n p a r t n e r s h i pp r o j e c t ( 3 g p p ) t oa c c e l e r a t et h e3 gp r o g r e s s u pt on o w ， s o m ei m p o r t a n tm i l e s t o n es t a n d a r d sh a v eb e e nr e l e a s e da sr 9 9 ，r 4a n d r 5 a st h eh i g u s p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ( h s d p a 、i si n t r o d u c e di n r 5 ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni sd r a w nt oh i g hs p e e dw i r e l e s sa c c e s s t e c h n o l o g i e s r e c e n t l y ，l o n gt e r me v o l u t i o nf o r3 ga i m e da ta c h i e v i n g 10 0 m b p sp e a kr a t ei n2 0 m h zb a n dd o w n l i n ki sc a r r i e do u ti n3 g p p m u l t i c a r r i e rt e c h n i q u e sc a r lc o m b a th o s t i l ef r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g e n c o u n t e r e di nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s t h er o b u s t n e s sa g a i n s tf r e q u e n c y s e l e c t i v e f a d i n g i s v e r ya t t r a c t i v e ，e s p e c i a l l y f o r h i g h - s p e e d d a t a l l i 北京邮电大学硕士学位论文摘要 t r a n s m i s s i o n b yc o m b i n i n go f d mw i t hc d m a ，w ec a nh a v e s y n e r g i s t i ce f f e c t s ，s u c ha se n h a n c e m e n to fr o b u s t n e s sa g a i n s tm u l t i - p a t h f a d i n ga n dh i 曲s c a i a b i l i t yi np o s s i b l ed a t at r a n s m i s s i o nr a t e a sar e s u l t ， m c c d m ah a s b e c o m eo n eo ft h ep o t e n t i a lc a n d i d a t e sf o rl i n kl a y e r 3 g p p l t e i nt h i s p a p e r ，w e w i l lf o c u so nt h em c - c d m am u l t i c o d e t r a n s m i s s i o ni nh s d s c hi n t r o d u c e di nh s d p a a c c o r d i n gt od i f f e r e n t m o d u l a t i o ns c h e m e sa n dn u m b e ro fc o d e c h a n n e l s ，s e v e r a lc h i p c o m b i n i n gs c h e m e s a r es t u d i e da n dan e wm e t h o di s p r o p o s e d f o r i m p r o v i n g t h ep e r f o r m a n c eo fm u l t i c o d et r a n s m i s s i o n 。s i n c et h e m u l t i c o d et r a n s m i s s i o nn e e dt oe s t i m a t et h ec h a n n e lw i t ha c c u r a c y ，b e r p e r f o r m a n c eo f m c - - c d m ap i l o tc h a n n e li nm u l t i - c e l ls c e n a r i of o rs i n g l e f r e q u e n c yn e t w o r k i ss i m u l a t e da sw e l l i nt h i sp a p e r ，f i r s t ，ab r i e fi n t r o d u c t i o no f3 g p pa n do v e r v i e wo f m c - c d m a t e c h n i q u ei sp r e s e n t e d b a s e do nt h a t ，as i m u l a t i o np l a t f o r m f o rv e r i f y i n gt h e3 g p pl t et e c h n i q u e si sd e s i g n e da n di n t r o d u c e da s t r a n s m i t t e rm o d u l e ，c h a n n e lm o d u l ea n dr e c e i v e rm o d u l e c h a p t e r3 s h o w ss o m ea n a l y s i so fb e rp e r f o r m a n c eo fs e v e r a lk e yc h i pc o m b i n g s c h e m e sa n d d i s c u s s e st h e i r a d v a n t a g e s ，d i s a d v a n t a g e s a n d i m p l e m e n t a t i o ns c e n a r i o s an e wm u l t i - c o d et r a n s m i s s i o ns c h e m ei sa l s o p r o p o s e di nt h i sc h a p t e ra n ds h o w ss i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n tf o rt h eb e r p e r f o r m a n c ew h e nt h en u m b e ro fc o d ec h a n n e l si n c r e a s e s c h a p t e r4 北京邮电大学硕士学位论文摘要 p r e s e n t s t h e s c r a m b l i n gt e c h n i q u e s f o rm c c d m an e t w o r kw i t h f r e q u e n c yr e u s ef a c t o re q u a lt oo n ea n ds h o w st h es i m u l a t i o nr e s u l to ft h e p e r f o r m a n c eo fp i l o tc h a n n e la tt h ee d g eo ft h ec e l lw h e r em u l t i c e l l i n t e r f e r e n c er i s e ss h a r p l y f i n a l l y ，c h a p t e r5p r e s e n t st h ec o n c l u s i o no f t h i sp a p e ra n ds o m et o p i c sr e l a t e dt om u l t i - c a r r i e rt e c h n i q u e sf o r f u t u r e r e s e a r c h k e yw o r d s3 g p pl t e m c c d m a m u l t i c o d et r a n s m i s s i o n c h i pc o m b i n i n g s c r a m b l i n g v 北京邮电大学硕士学位论文目录 4 2 频域加扰与时域加扰 4 3 本章小结一 第五章总结与展望一4 8 参考文献 图表目录 图1 1 u i t s 网络模型 图1 2 用户信息到w c d m a 信号的处理过程一 图1 33 g p pr 4 核心网节点 图1 4 r 5 版本引入的h s d p a 多码传输示意图 图1 - 53 g p p 长期演进示意图 图1 - 6 o f d m 子载波示意图 图3 - 1 图3 - 2 图3 - 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 2 一 2 一 3 一3 一 4 5 l t e 下行链路仿真流程7 1 2 和i 3 卷积码编码器结构8 一 交织器原理，9 q v s k 1 6 q a m 交织器结构一9 一 q p s k 星座映射图 1 6 q a m 星座映射表一1 0 码片交织示意图一1 2 o f d m 成帧模块示意图1 2 o f d m 解帧示意图( 从右往左处理) 一1 5 码片解交织示意图1 5 下行均衡示意图1 6 一 解扩示意图一1 7 2 d 平面上两点间的距离1 7 最小距离判决原则接收机结构图1 8 一 q p s k 1 6 q a m 解交织器结构1 8 一 m c c d m a 仿真平台a w g n 信道性能一1 9 ( a ) d s - c d m a 发射机( b ) 发射信号功率谱一2 3 - d s ，c d m al 径r i t k e 接收机。2 4 ( a ) m c c d m a 发射机( b ) m c c d m a 发射信号频谱一2 6 一 m c c d m a 接收机 q p s k o r c 误码率曲线 1 6 q a mo r c 误码率曲线 q p s k 等增益合并误码率曲线 v i i 3 0 一 3 2 一 2 3 4 5 6 7 8 9 m 眩h m二二二冬二玉二冬二二二二玉图图图图图图图图图图图图图图图图 北京邮电大学硕士学位论文 目录 1 6 p s ke g c 误码率曲线 1 6 p s ke g c 与1 6 q a mo r c q p s km r c 误码率曲线 e b n o = 1 0 d bq p s k 均衡方式性能曲线 e b n o = 1 0 d b1 6 q a m 均衡性能曲线 预均衡多码传输系统示意图 ，一3 2 一 3 3 ， ，3 4 一 。，。，。3 4 预均衡多码传输模型 m c c d m a1 6 q a m 预o r c 均衡误码率曲线 m c c d m aq p s k 预o r c 均衡误码率曲线 图4 1 3 g p pl t e 帧结构 图4 2周期3 2 的p n 序列自相关函数一 图4 3频域加扰o f d m 发射接收机 图4 - 4时域加扰o f d m 发射接收机 图4 5多小区干扰仿真模型 图4 6小区边缘导频信道误码率频时域加扰性能曲线 v f 3 5 一 3 6 一3 8 3 9 一3 9 一 4 l 一 ，4 2 ，4 3 一 ，4 4 ，一4 5 + 4 6 0 ，m n ! b h m 拍孓孓孓孓孓孓孓弘 图图图图图图图图图 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：盏q日期： 丝丛：三：2 至 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 兰1 21 ：至：三篁 日期：边5 ：2 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 13 g p p 的发展 第一章绪论 第三代移动通信系统( 3 g ) 最早由国际电信联盟( i t u ) 于1 9 8 5 年提出，当 时称为f p l m t s ( 未来公共陆地移动系统) ，后来由于i t u 预计该系统在2 0 0 2 年 左右投入商用而且该系统的一期主频段位于2 g h z 频段附近，所以将其正式命名 为i m t 2 0 0 0 。i m t - 2 0 0 0 标准化分为核心网和无线接口两部分，i t u 最初的愿 望是制定一个统一的无线接口标准和一个公共的网络标准，但因种种原因无法实 现，所以i t u 提出了一个“家族概念”，核心网分别基于现有的第二代两大网 络即g s mm a p 和i s 4 1 核心网来实现。而无线接口部分形成多个无线技术标 准，正在不断融合和演进中。 i m t 2 0 0 0 c d m a d s 或称w c d m a 最早由欧洲和日本提出，其核心网基于 演进的g s m g p r s 网络技术，空中接口采用直扩d s 的宽带c d m a ，目前这 种方式得到欧洲、北美、亚太地区各g s m 运营商和日本韩国多数运营商的广泛 支持，是第三代移动通信最具竞争力的技术之一。在1 9 9 8 年底，由欧洲的e s t l ， 日本的a r i b t t c ，韩国的t t a 以及美国的t i 合作发起了第三代合作伙伴计划 ( 3 g p p ) i ”。3 g p p 旨在研究制定并推广基于g s m 核心网络的3 g 标准，即 w c d m a ，t d s c d m a ，e d g e 等，统称为通用陆地移动系统( u m t s ) 。中国无 线通信标准组( c w t s ) 于19 9 9 年加入3 g p p 。 3 g p p 技术的标准化工作十分规范，从1 9 9 9 年1 2 月开始每三个月更新一次。 到目前为止，为了适应对数据业务需求的不断增长，3 g p p 的标准已经从r 9 9 发 展到r 4 、r 5 版本。r 9 9 的网络示意图如图1 - 1 所示，包括了电路交换的c s 域 和包交换的p s 域。 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 0 + t = 芝反，( f z ) 告f ( 七) c ( k + i k “) p 。o k t 。- i t , - - c z ) r d s ( t ) d t ，i 1j i t t + r l 式( 3 1 2 ) 信息符号a j ( i ) 的决定就是依据上式中i q 两路的极性，定义判决的过程为： h i ( i ) = d e c r a s ( f ) 式( 3 1 3 ) 北京邮电大学硕士学位论文第三章3 g p p l t e 多码传输性能分析 3 2m c c d m a 系统模型 3 2 1m c c d m a 发射机 m c c d m a 简单来说可以看成是d s c d m a 加上o f d m 调制。m c c d m a 发射机用特定的扩频码对原始信号在频域上进行扩频，也就是说原始信号的一部 分，即扩频码的每个码片在不同的子载波上传输。对多载波来说，每个子载波上 保持平坦衰落是很重要的，所以如果原始符号速率太高，需要在频域扩频前先进 行串并转换。 m c c d m a 发射机的基本结构与o f d m 的相似，最大的区别就是m c c d m a 用不同的子载波传同一个符号，而o f d m 传不同的符号。图3 - 3 ( a ) 给出了第， 个码道的相干p s k 发射机结构。输入的信息序列首先串并转换成p 个并行序列 ( q 。( f ) ，吩，( f ) ，a j 严( f ) ) ，每个s p 的输出乘以长度为k c 篑a g n n d j ( m ) 。p 个 并行数据序列又转化为一个串行数据流，叠加上长扰码c ，( 所) 。最后，码片通过 p k u c 点i d f t 映射到p k m c 个子载波上，并在o f d m 符号间加上保护间隔g 来 消除多径引起的i s i 8 1 。等效复低通信号可以写成： + 田p lk l , c 一1 j 严( f ) = 0 ，( i ) d j ，p ( m ) c j ( p m + p + i p k m c ) x p = 0m = 0 一 p s ( f f 功e 7 2 ”“+ 9 m 式f 3 1 4 ) 巧= g + = p t 式( 3 1 5 ) a = 1 “f a g ) 式( 3 1 6 ) 以( 珊) 和c f l m ) 归一化为： 笠1 蜘) 1 2 = 1 m = o 式( 3 1 7 ) 式( 3 1 8 ) =m 嘭 枷 北京邮电大学硕士学位论文第三章3 g p pl t e 多码传输性能分析 巧是子载波上符号的长度，厂是子载波间隔，n ( f ) 矩形脉冲波形，定义 如下： 删= - 。a 掰o 幻 式( 3 - 3 3 ) 詹q 勘 蚓斓咖 其中, l 。g c ( f 功表示多码道干扰， k 。( f 功表示白噪声的影响。这种合并方式 本质上只纠正了相位的影响，也叫做相位均衡( p h a s ee q u a l i z a t i o n ) 。当，较大时， 多码道干扰j ( f 功可看作高斯分布，设方差为町2 ，白噪声( f 功方差为一，由 大数定理可得，笠1 i ：( f f ) i 服从方差为k w e ( i ：( 田) 1 2 ) 的瑞利分布，所以 嘭，( f ) 在q p s k 下的误比特率为1 0 1 * 厩 死= 赢e c 昏c 1 2 ， 不失一般性，令e (