搜索
毕业设计(论文)英文翻译学院通信与信息工程学院专业及班级姓名学号指导教师日期2013年4月12日LTE系统中PUSCH关键技术的研究与实现摘要新一代宽带无线移动通信网属于《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中确立的十六个重大科技专项之一，其中的一项主要内容是窝移动通信系统的后续演进，包括通常所说的LTE技术、HSPA技术、4G等，代表了通信技术发展的主要方向。本文结合在实验室参与的科研项目，对LTE．TDD系统中物理上行共享信道(PUSCH)进行了研究，在对单载波频分多址技术(SC．FDMA)进行理论分析的基础上，重点研究了其发送端的转换预编码及接收端的频域均衡技术，详细说明了相关功能模块在FPGA中的实现过程，并提出了LTE物理层基带开发平台方案。PUSCH信道中的转换预编码可看成是34种混合基DFT运算。宽带系统中的高DFT吞吐率是至关重要的，尤其是在DFT被多路数据通道共享时。转换预编码中的每个DFT可分解为基数分别为2、3和5的短DFT。众所周知，如果变换的规模可以分解为较少基本数量，DFT就可以有效执行，基本数越少，实现起来越简单。在研究几种常规DFT算法的基础上，提出一种转换预编码实现方案，并在ISE软件上验证通过。频率选择性衰落无线信道中，符号间干扰(ISI)必然存在。因为频域均衡比时域均衡有更低的计算复杂度，所以在PUSCH接收端减小ISI的低复杂方法是采用频域均衡。对几种频域均衡算法在LTE建议的三种信道模型中进行了仿真比较，判决反馈均衡(DFE)比线性均衡有更好的性能。选择性能和复杂度都满足要求的MMSE残余误差消除均衡算法进行实现，该算法实现过程要用到解转换预编码模块，两者紧密联系。最后提出了LTE物理层基带开发平台中DSP和FPGA功能模块划分方案，对FPGA中与数据传输与存储的主要模块，如AHB总线、存储器控制器以及McBSP的实现，进行了重点研究，最后对平台方案进行了优化，这为后续基带开发工作打下了坚实的基础。关键词：长期演进，物理上行共享信道，转换预编码，频域均衡第一章绪论1．1LIE通信系统国内外发展现状在过去的三十年时间里，蜂窝移动电话已经从实验室试验板阶段发展到世界上最流行的消费类电子产品。在发达国家，尽管有线电话已有一百多年的发展历史，手机的数量已经于若干年前就超过了有线电话的数量，而且两者的差距越拉越大。但对于许多在发展中国家的人们来说，移动手机通信是他们所经历的唯一的电话通信形式。移动通信目前被公认为有其自己的技术领域，也是包括电话和无线电在内的计算机、电子、加密和信号处理等众多领域里进行技术创新的推动力。虽然技术在持续发展以及商业系统经常进行一些新的改进，但是某些重大进展却能标志着从一代技术到另一代的过渡。20世纪80年代初推出了第一代系统，其特点是模拟语音传输。在20世纪90年代发展起来的第二代系统，采用了数字语音传输技术。重要的是，第二代系统引进了先进的安全和网络技术，用户可以发起和接听全球范围内的电话通信。早在第二代通信系统在市场出现以前，蜂窝通信研究团队就已将注意力转向第三代通信(3G)技术，把焦点放在其具有高比特使用率，高频谱效率以及语音电话和数据业务并存的特征上来。1985年，国际电信联盟(ITU)发起未来公共陆地电信系统(PLTS)的研究。十五年后，国际电信联盟出台了一系列建议，批准五种技术为第三代移动通信系统的基本技术。2008年，移动运营公司部署了三种技术，即WCDMA、CDMA2000和TD．SCDMA。同时，业界除了期待3G以外，也把目光转向了把SC．FDMA作为从手机到基站的主要候选方案的无线传输技术“长期演进(LTE)上来。3G标准于2007年最终确立之后，伴随着滚滚而来的移动宽带化浪潮，全球移动通信业关注的目光瞬间聚集在分别以LTE、UMB和802．16m为方向的3G下一步演进路线之争上。路线的成败，决定了不同阵营的市场地位，决定了最终的产业格局。从目前的市场表现来看，不同路线之间已经明显拉开了差距，UMB的沉默不语、802．16m的悲观情绪与LTE的高歌猛进形成了鲜明的对比。在此基础之上，则是后3(3时代以“LTE”为主的新产业格局的悄然形成f11。LTE大幅度提高了网络容量以及系统吞吐率，使得单用户的带宽有保障，扁平化架构可以进一步压缩传输时延，大大提升客户的业务体验。LTE让运营商可以将固定网络上的业务迁移到移动网络中来，促进固定移动融合，为运营商吸引更多用户和业务量。LTE吸引了国内外众多设备厂商的广泛参与。国外某网站给出了评估结果，下表根据各设备商提交的数据列出了其商用合同数目以及与其签订合同的运营商。1．2可编程逻辑器件的发展现状现场可编程门阵列(FPGA)是在PAL、GAL等可编程器件的基础上进一步发展的产物。FPGA作为现今最流行的可编程逻辑器件，应用场合有下面几类：1)逻辑接口领域，即传统领域；2)算法设计，如通信信号处理，图像处理等；3)片上可编程系统(SoPC)，控制领域。FPGA是当今数字系统设计的主要硬件平台，其主要特点就是完全由用户通过软件进行配置和编程，从而完成某种特定的功能，且可以反复擦写。在修改和升级FPGA时，不需额外地改变PCB电路板，只是在计算机上修改和更新程序，使硬件设计工作成为软件开发工作，缩短了系统设计的周期，提高了实现的灵活性并降低了成本，因此获得了广大硬件工程师的青睐，形成了巨大的PLD产业规模.由于FPGA是一种通用逻辑器件，采用更先进的工艺来提高性能、降低成本和功耗是其不二法门。1．3论文研究背景及现状未来的几年内3GPPLTE都是研究的热点，因此本文选择LTE作为研究的大方向。由于频谱资源是无线通信中最宝贵的资源，TDD双工方式相比于FDD能有效提高频谱利用率，所以本文主要研究LTE．TDD模式。在LTE中，上行链路方案在多载波方案(OFDMA)和单载波方案(SC．FDMA)中抉择。居民区或商业区中的宽带无线接入系统处于一个不利的无线传输环境，其中的多径延迟影响的比特数可能超过数十甚至数百个。OFDM是一种被认可的对抗多径效应的多载波解决方案。尽管OFDM已成为多种宽带通信标准中物理层的选择，但它也有很多不足：较高的峰均比(PAPR)，对放大器非线性特性不适应，以及对载波频偏的高度敏感。SC．FDMA跟OFDM有相似的性能，总体复杂度也差不多。其优点是PAPR低，意味着功率放大器需要更小的线性范围。因此，单载波系统可以用相对更便宜的功率放大器。这点很重要，功率放大器是消费类宽带无线收发机中最昂贵的器件之一。经过多方讨论，由于多载波方案的高PAPR问题，而采用单载波作为上行链路方案。最终决定选择集中式的DFToS．OFDM技术作为SC．FDMA的具体实现方式。统PUSCH中转换预编码等关键技术的实现提供了良好的解决方案。LTE系统中SC—FDMA是一种单载波的调制技术，而且接收端FFT和IFFT模块存在使得频域均衡技术成为一种必然选择。常用的时域均衡算法，如最小均方误差(MMSE)均衡算法，判决反馈均衡(DFE)，自适应均衡算法和Turbo均衡算法，都有其对应的频域均衡算法。这些频域均衡算法在性能和复杂度方面有较大的差异，而两者的折中将是最适合LTE上行接收端的频域均衡算法。与仅采用DSP处理器的传统应用相比，DSP和FPGA混合开发平台能够将系统性能提升一个数量级以上。FPGA协处理器具有硬件结构可重构的特点，适合算法结构固定运算量大的前端数字信号处理，可以大量卸载这些功能，释放DSP带宽以处理其他功能，使得FPGA在数字信号处理领域显示出自己特有的优势。这非常适合高速数字通信以及视频图像处理等对DSP性能要求越来越高的新兴应用。本文对PUSCH信道中两个关键模块(转换预编码和频域均衡)进行了重点研究，并提出了硬件平台实现方案，不仅对相关内容的后续研究工作有一定帮助作用，同时可以为其它信道、其它系统的实现提供参考。1．4本文组织结构第一章：描述了LTE通信系统国内外发展现状，说明了论文研究背景及现状，最后概括论文的结构安排。第二章：研究LTE系统框架及特点，分析了SC．FDMA信号处理技术，总结了LTE系统中PUSCH的信号处理流程。第三章：对PUSCH发送端的转换预编码进行了分析，详细描述几种DFT算法，提出一种可行的转换预编码实现方案，在FPGA上实现，并对结果进行分析。第四章：对PUSCH接收端频域均衡算法进行仿真分析，并选出一种合适的算法在ISE软件实现，并对性能进行分析。第五章：提出LTE物理层硬件平台开发方案，并实现其中与PUSCH数据传输存储相关的总线及接口。第六章：总结全文，对本课题未来发展进行展望，并安排下一步工作。第二章LTE-TDD系统与上行关键技术在2004年12月召开的3GPPRAN第26次全会上，3GPP正式通过了关于UTRA长期演进(LTE)研究的立项。这种下行采用正交频分多址(OFDMA)方式，上行采用单载波频分多址(SO-FDMA)方式的技术，与其说是3G技术的演进，不如说是革命，它甚至可以被看做准4G技术。2．1LTE-TDD系统架构确定E．UTRAN架构的总体原则：1)一个物理网元可以包含多个逻辑节点；2)一个接口应该基于通过这个接口控制的实体逻辑模型来设计；3)当定义E．UTRAN接口时，应尽可能减少接口功能划分的选项数量；4)RRC连接的移动性完全由E—UTRAN控制；5)E．UTRAN和EPC的功能完全区分与传输功能；6)信令和数据传输网络的逻辑分割。LTE．TDD总体系统包括演进型核心网EPC(即MME／S—OW)和演进型接入网E—UTRAN。2.2SC-FDMA技术单载波频分多址(SC-FDMA技术)，是一种即将部署在未来的蜂窝移动通信系统的新的无线传输技术。SC．FDMA的发展是蜂窝技术迅速演进的代表之一。标准组织为有关各方提供一个平台来确立可以将各方提出的性能目标折中的技术。为了平衡这些利益冲突，该组织对所提方案进行一些指标的测量。这些指标通常包括系统谱效率，吞吐量以及移动便携设备中的延迟和功耗。SC．FDMA采用单载波调制、DFT预编码和频域均衡等技术，与OFDMA有相似的性能，而总体复杂度也相当。它相对于OFDMA的一个突出的优点是其优良的峰值功率特性。SC．FDMA替代OFDMA已引起广泛关注，尤其是在上行通信，从发射功率效率和制造成本方面考虑，较好的峰值功率特性大大有利于延长移动终端的使用寿命。SC—FDMA技术已经成为3GPPLTE上行链路多址接入方案。2.3PUSCH信号流程LTE．TDD定义的物理信道包括三种：物理上行共享信道(PUSCH)，物理上行控制信道(PUCCH)和物理随机接入信道(PRACH)。PUSCH信道携带上行数据信息和控制信息，它是SC—FDMA的一种具体应用，所以PUSCH信号流程框图跟前面介绍过的SC．FDMA流程图相似，下面以发送端与接收端分别说明。MAC层的数据经过UL．SCH传输信道，数据经过一系列的基本过程，即在传输块上添加CRC，码块分割及每个码块的CRC添加，信道编码，速率匹配，码块级联，码块级联之后的数据与编码之后的CQI信息进行复用，再将复用之后的比特流与编码之后的RI，ACK信息进行信道交织，交织之后的比特流进入物理信道PUSCH处理流程，即加扰、调制、传输预编码、资源粒子映射及SC．FDMA信号的产生。PUSCH可以采用三种调制方式，即QPSK，16QAM，64QAM。第三章PUSCH发送端转换预编由于传统OFDM技术的PAPR较高，实现上行链路用户的手持终端有一定的困难。OFDM本身也可以采用一系列降低PAPR的附加技术，如子载波预留和削波等。另一种方法是在发射机的IFFT处理前对信号进行预扩展处理，其中最典型的就是用离散傅立叶变换(DFT)进行扩展，这就是DFT-S．OFDM技术。LTE．TDD系统上行多址方案SC．FDMA就是采用DFT-S．OFDM来实现。因此，DFT处理器的性能决定了LTE．TDD系统.3．1需求分析及研究现状LTE中SC．FDMA的基带信号产生过程如