LTE系统物理层发射链路仿真实现

通信与电子工程学院通信102班姓名：陶清义LTE系统物理层发射链路仿真实现院系：通信与电子工程学院班级：通信102班姓名：陶清义学号：2010132108通信与电子工程学院通信102班姓名：陶清义I摘要LTE(LongTermEvolution)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(LongTerm．Evolution)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。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。关键词3G通信系统，LTE，无线通信通信与电子工程学院通信102班姓名：陶清义II目录摘要...........................................................I前言...........................................................IV第1章通信网LTE基本概念.......................................11.1移动通信的发展..........................................11.2LTE简介.................................................11.2.1LTE的工作计划.....................................11.2.2LTE的主要技术特征.................................21.2.3LTE的网络结构.....................................31.2.4LTE的协议架构.....................................31.2.5LTE的核心技术.....................................41.3论文研究内容及组织结构..................................5第2章无线信道特性及LTE物理层概述.............................62.1无线信道的特性简介......................................62.1.1时延扩展...........................................62.1.2相干带宽...........................................72.1.3多普勒频移.........................................72.1.4相干时间...........................................82.2LTE物理层基本概念.......................................82.2.1LTE帧结构.........................................82.2.2LTE下行时隙结构和物理资源........................102.2.4LTE下行物理资源分配..............................11第3章下行基带信号的产生流程..................................133.1下行物理信道基带信号处理流程...........................133.2系统设计...............................................143.2.1信道编码..........................................143.2.2调制/解调.........................................153.2.3插入导频..........................................15通信与电子工程学院通信102班姓名：陶清义III第4章搭建LTE系统物理层发射链路..............................164.1主要仿真模块的说明.....................................164.1.1系统参数设置.....................................164.1.2导频序列的产生....................................164.1.3导频的映射图样及资源粒子映射......................174.1.4信道估计..........................................214.2LTE下行控制信道发射端实现方案..........................214.2.1完整仿真模型......................................214.2.2简化了的LTE链路级仿真模型........................23总结............................................................24参考文献........................................................25通信与电子工程学院通信102班姓名：陶清义IV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，LongTermEvolution）项目。这项受人瞩目的技术被称为“演进型3G”（E3G，Evolved3G）。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IEEE802.20MBFDD/MBTDD等技术，由于已经具有某些“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。通信与电子工程学院通信102班姓名：陶清义1第1章通信网LTE基本概念1.1移动通信的发展移动通信综合利用了有线、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(ThirdGenerationPartnershipProject)启动了关于3G演进系统LTE(LongTermEvolution)的研究与标准化工作，作为后三代(B3G)移动通信系统[3]。1.2LTE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。1.2.1LTE的工作计划3GPP对LTE项E1的工作大体分为两个时间段：SI(StudyItem)阶段和LTE下行通信与电子工程学院通信102班姓名：陶清义2链路关键技术的研究与实现WI(WorkItem)阶段。2005年3月到2006年6月为SI阶段，完成3GPPLTE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(3GPPR7)，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R6HSDPA)；上行链路2.5(bit/s)/Hz(2-3倍于R6HSUPA)。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，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，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]。通信与电子工程学院通信102班姓名：陶清义31.2.3LTE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