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文 献 综 述 一、概述 1.移动通信发展概览 当今社会处在一个移动数据革命的时代，随着智能移动终端市场大规模兴起和扩展，人们对移动通信的需求已从最初的声音通话，延伸到网络社交、音视频流媒体等密集数据量的移动服务，推动移动通信经历了1G到4G的发展，并已经开始推动下一代无线移动通信的标准化。下图简要展示了近20年来无线通信标准的演进过程。
图1.1 20年以来无线通信标准的演进 第一代通信系统是模拟制式的蜂窝移动通信系统，仅提供语音服务。2G标准的主要任务是提供移动通话与声音应用，系统主要基于电路交换数据通信技术。第二代数字移动通信系统最早出现在1990年之前，欧洲的GSM（Global System for Mobile Communication，全球移动通信系统）和北美的IS-54是第一批2G标准，均基于时分多址（time division multiple access，TDMA）技术。以GSM标准为例，其系统可支持超过13kbit/s的声音服务和超过9.6kbit/s的数据服务[1]。3GPP（Third Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）由最初管理欧洲移动通信标准的技术标准化组织发展成为全球技术标准化组织，负责3G移动系统及后继移动系统的技术规范构 |
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建。1997年起3GPP开启标准化ITU IMT-2000（International Telecommunication Union International Mobile Telecommunication）项目。ITU-2000（国际移动电信2000）是ITU发布的关于移动系统设计要求的第一个建议，包括一系列针对无线接口规范的目标和要求[2]。该项目致力于实现将基于2G TDMA的GSM技术向基于CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）技术的3G宽带技术转化，并在2001年完成标准化，即3GPP协议第4个发布版本。第5个发布版本引入更短子帧的快速规划和16QAM（Quadrature amplitude Modulation，正交幅度调制）调制方案。发布版本7加入HSPA（High-Speed Packet Access，高速组接入），升级为HSPA ，并首次使用2x2 MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）、64QAM调制、HARQ（Hybrid Automatic Repeat Request，混合自动重传请求）、turbo编码等技术。随着版本的更新，峰值通信速率不断提高。随后，IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，电气电子工程师协会）推进无线本地网络（Wireless Local Area Network, WLAN）的标准化工作，随着Wifi协议系列和WiMax协议的推出，IEEE构建了正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）的空口技术，带来巨大优势，迫使3GPP开始LTE协议的标准化以达到与之相当的性能。 2.LTE简介 3GPP于2008年发布第8版本，标志着LTE标准的正式形成，并且是目前最为成熟的LTE标准之一，提供近300Mbit/s的峰值速率。发布版本8在2009年12月演进为第9版，2010年12月更新为第10版，也即LTE-Advanced标准，吸收了载波聚合、增强型下行链路MIMO/上行链路MIMO和分程传递等技术，其进步体现在更高的谱效率和峰值数据速率，最高可达1Gbit/s，被ITU认可并作为IMT-Advanced技术。本研究课题主要以更为成熟的LTE标准为研究内容。LTE系统的目标包括系统容量和覆盖扩展、高峰值数据传输率、低延迟、低成本、支持多天线、带宽可变、无缝兼容现有设备等，其中移动数据通信速率的实质性提升是LTE标准的主要任务。 在理论策略上，参考文献[3]表明，数据速率永远受限于可接收到的信号功率（即接收信号信噪功率比）。比增加整体功率更好的办法是使用多路天线，即在LTE标准中引入的MIMO技术，这是LTE标准的核心技术之一，其贡献在于提高总数据速率和提升通信链路可靠性。应用于LTE标准的MIMO算法分为接收合并、发送分集、波束形成和空分复用四类[1]。接收分集是指在接收端使用多路天线。发送分集的方法基于波束形成，使用多路 |
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聚焦发送功率指向接收端，可以呈指数增加接收信号功率从而提高数据传输速率。这两种方式超过一定值时，增加数率会造成饱和，替代方案是空分复用技术，在收发端同时使用多路天线。空分复用包括开环和闭环空分复用。LTE已确定可采用的天线数为1，2或4，MIMO的天线个数基本配置为2times;2，4times;4等。，LTE-Advanced协议扩展到使用最多8径天线。 传输速率也与传输带宽相关，更高速率需要更高带宽。与带宽有关的重要研究挑战是无线信道的多径衰落效应。如参考文献[1]所述，多径衰落是传输信号在到达接收端前由于通过不同路径造成不同版本传播的现象，这些信号叠加导致变化的信号功率特点和时延或相移。为保证性能需降低数据速率或用信道平衡技术。但对于更宽的带宽，平衡器会非常复杂。为克服该问题，可使用多载波传输方案，将宽带信号处理成多路窄带正交信号的和，LTE标准中使用的OFDM传输即为此类方案的一种。如发布版本6[4]描述，LTE选择OFDM为基本传输方案，针对多径衰减可靠性高，频谱效率高，配置复杂度低，可支持可变传输带宽和频率选择这样的高级功能，可支持MIMO传输和干扰协调。当两个子载波频率间隔足够小时，OFDM传送方案可将一个频率选择性信道表现为多个窄带平坦衰落子信道的集合，这样就可以发送已知数据和参考信号评估信道频率响应，良好的接收端信号估计使得使用低复杂度的均衡器成为可能。考虑到OFDM有瞬态发送功率大范围波动的缺点，会产生较大的功耗，所以LTE标准在上行链路中引入SC-FDM传输。 LTE的另一个核心技术是Turbo编码，并被作为信道编码机制唯一方案。Turbo编码是卷积码的进化，文献[5]表明卷积码应用于所有传统通信标准并带来很好的相邻容量性能。Turbo编码器属于并行卷积信道编码算法[5]，由两个卷积编码器并联，并由交织器交割。译码器是编码器的反向操作，使用两个后验概率（A posterior probability, APP）和两个交织环构成反馈环。其精度及计算复杂度与迭代次数相关。为了解决一定迭代次数后Turbo译码计算过于复杂的问题，引入了循环冗余检查（Cyclic Redundancy Code，CRC）来检查Turbo编码器的输入，此时解码器可以在编码质量达到要求时实现早期终止机制，可以有效减少Turbo解码器的计算复杂度，并且保证性能要求。 二、LTE物理层简介 1.LTE时频域资源 1）帧结构 |
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LTE中包含下行传输和上行传输，下行传输可以理解为由基站发送，用户接收的传输，上行传输可以理解为用户发送，基站接收的传输。从时域角度看，上下行传输都被组织成 10 ms的系统帧（system frame，或称为无线帧：radio frame）。LTE系统包含两种类型的帧结构[6]，分别对应于FDD-LTE和TDD-LTE。帧结构类型1适用于FDD，如下图所示，上下行数据在不同频率内传输，使用成对频谱，支持全双工和半双工。FDD下，每个系统帧长达 10 ms，由 10个子帧（subframe）组成，每个子帧包含2个连续的0.5 ms 的时隙（slot）。对于 FDD而言，上下行传输是通过频域区分开的，因此，在每一个10 ms内，各有10个子帧（20个时隙）可用于上行传输和下行传输。
图2.1 帧结构类型1（FDD） 帧结构类型2适用于TDD，如下图所示，上下行数据在同一频率内传输，使用非成对频谱，上下行传输通过时域区分开。TDD下，每个系统帧长达 10 ms，由2个长达5ms的半帧（half-frame）组成。每个半帧由5个长1ms的子达帧组成。TDD中的子帧包括正常子帧和特殊子帧。TDD下的正常子帧结构与FDD下的子帧结构相同。特殊子帧包含3个域：DwPTS、GP和 UpPTS，这 3个域的时长相加等于1ms。
图2.2帧结构类型2（TDD） 对于FDD和TDD而言，系统帧的编号范围为0-1023，一个系统帧内的子帧编号范围为0-9，一个系统帧内的slot编号范围为0-19，一个slot由多个符号（symbol）组成，每个 |
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符号由循环前缀和可用的符号时间组成。一个slot包含的符号数取决于循环前缀的长度和子载波的间距。LTE中确定使用的循环前缀包括正常循环前缀（normal cyclic prefix，normal CP）和扩展循环前缀（extended cyclic prefix，extended CP），子载波间距包括15kHz和7.5kHz。 2）物理资源 LTE系统中的物理资源[6]被分配到物理资源网格中传输，即在每个slot中传输的信号由一个资源网格描述。资源网格在x轴方向为时间，基本单位是与时间相关的OFDM符号（上行是SC-FDM），在y轴方向为频率，基本单位是子载波。一个资源网格是由个下行物理资源块(Physical Resource Block，记为RB)组成，每个RB由个资源元素(resource element，记为RE)构成，RE是资源网的基本单位。在一个slot中资源元素由索引对(k，l)唯一定义，其中k和l分别为频域和时域的索引。如下图所示为普通循环前缀的LTE下行链路资源网格。
个符号 个资源元素 个子载波 图2.3 下行时频资源网格 |
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3）LTE下行物力资源分配 LTE下行链路主要包括如下几种信道的处理：物理下行业务信道(Physical Downlink Share Channel，PDSCH)、物理多播信道(Physical broadcast channel，PMCH)、物理广播信道(Physical Broadcast Channel，PBCH)、物理控制格式指示信道(Physical control format indicator channel，PCFICH)、物理HARQ指示信道(Physical hybrid—ARQ indicator channel，PHICH)、物理下行控制信道 (Physical downlink control channel，PDCCH)以及主/辅同步信道(P／S-SCH)。LTE下行发送的数据有：同步信号、公共导频、广播信息、控制格式指示信息、HARQ指示信息、控制信息和业务数据。这些信息分别通过 P／S-SCH、PBCH、PCFICH、PHICH、PDCCH以及PDSCH信道承载。它们在物理资源网格中所要映射的位置如下图所示。
图2.4 导频移位为0，映射为4天线口，传输带宽20MHz，normal CP时物理资源分配 |
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2.LTE下行链路处理流程简介 下图中按横向的时间顺序展示了下行传输的总流程。LTE下行链路主要包括 PDSCH、PMCH、PBCH、 PCFICH、PHICH、PDCCH以及P／S-SCH等物理信道的处理。其中PDSCH是业务信道，P／S-SCH为同步信道， PBCH、PCFICH、PHICH以及PDCCH属于控制信道。
图2.5 下行流程 若将下行链路总结为层次结构，可以看到下行链路传输使用的物理信道上层还有传输信道和逻辑信道，其层架构如下图所示。
图2.6 LTE无线接入网络的层架构 |
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LTE下行物理信道中大部分信道用于传统的单播模式传输，少量用于组播模式传输。单播模式下三者的映射关系如下图所示。
图2.7 LTE下行链路中逻辑信道、传输信道和物理信道间的映射 本研究主要关注传输层和物理层的下行链路数据处理，基带信号处理链可归纳为DLSCH和PDSCH的组合，其传输模型可概括如下图，
图2.8 下行链路DLSCH和PDSCH的信号处理链 步骤包括添加传输块CRC，分割码块并添加码块CRC，1/3码率的Turbo编码，以要求的编码率进行速率匹配，链接码块生成码字，对每个码字位进行绕码并在物理信道发送，调制绕码位生成复调制符号，映射复调制符号到一个或多个传输层，在每个传输层上对复调制符号预编码用以在天线端口传输，映射复调制符号到每个天线端口的资源元素，在个天线端口上生成复时域OFDM信号等。下面逐个重点介绍相关内容。 |
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1）CRC校验 CRC即循环冗余检查，通过使用CRC检错器检错，接收器可以请求和重传，即自动请求重传功能。使用CRC校验主要与Turbo编码器有关。参考文献[1]中的仿真结果表明，Turbo解码时迭代次数越多，译码精度越好，但相应的计算复杂度大大上升，占用大部分仿真时间。为了保证性能并降低复杂度，对Turbo编码器输入添加CRC校验，当译码结果达到性能要求时提前终止译码，即早期终止机制，大幅降低了计算复杂度。它在大多数3G协议以及LTE标准中使用。LTE下行只要求支持16位和24位的CRC校验比特计算和附加，一般添加在传输块结尾，标准 TS36．212中规定了LTE下行控制信道CRC码的生成多项式为gCRCl6(D)=[D16 D12 D5 l]。 2）信道编码 除广播信道使用卷积码外，其余物理信道使用Turbo编码。Turbo码和迭代译码的概念由Berrou，Glavieux和Thitimajasimha引进，实现了接近香农极限性能，具体可见参考文献[8-13]。参考文献[14,15]对概率处理的原理进行了分析，并由Berrou在文献[16]中确认。Turbo编码是LTE定义的基本信道编码，也是LTE的核心技术之一。Turbo编码进化自卷积码，属于并行卷积信道编码算法[5]，其结构如下图所示[7]。
图2.9 Turbo编码器结构 Turbo编码器的输出为三个比特流，分别是系统比特、奇偶校验1和奇偶校验2比特流。 |
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Turbo编码器的输出为三个比特流，分别是系统比特、奇偶校验1和奇偶校验2比特流。Turbo编码器的网格结构可由以下两个多项式表示：
（2.1） 可见编码器的网格结构可用两个前馈和反馈多项式描述，各拥有13和15倍频程。每个卷积编码器由尾比特分隔，一般为4bit，所以若输入Kbit的比特流，则输出为3x（K 4）bit的比特流，因此Turbo编码器的码率略小于1/3。Turbo编码器中有一个交织器，LTE交织器由多项式序列构成，用于转换输入比特。其输出比特指数和输入比特之间的关系为： （2.2） LTE共支持188中K值长度，从40-6144，参考文献[6]表明了这些块长度和相应的 和常数。 接收端的Turbo译码器是编码器的反向操作。译码器使用两个后验概率译码器和两个交织器构成反馈环，交织器和网格结构均与编码器相同。不同之处在于译码器进行迭代运算来译码，并且其可计算复杂度与迭代次数直接相关。从文献[1]的分别执行1、3、5次迭代的仿真结果可以看出，随着迭代次数的增加，达到一定信噪比值时，错误率成量级下降。但是从仿真报告中看出，Turbo译码占据整个系统仿真时间的86%之多，这也是引入CRC校验的原因。 3）码率匹配 码率匹配是现代通信标准的一个重要特征，应用于适应性编码中，可帮助提高不同信道质量下的数据吞吐率。在低劣化信道中，用近似单位码率编码数据，减小发送前向纠错编码的比特数量。在高劣化信道，使用更小的码率并增加检错比特。Turbo编码的输出即为码率匹配的输入。针对1/3码率的Turbo编码，当所需码率低于1/3时，则重复编码器输出比特。当所需码率高于1/3时，则减少或移除部分编码器输出比特。移除编码基于交织方法，可维持高码率编码的hamming距离。码率匹配包括子块交织、奇偶校验比特隔行、比特裁剪、码率比特选择与传输等操作。首先码率匹配使用单矩形交织器进行子块交织，随后使用循环缓冲器完成剪裁或重复操作使码率符合要求，最后连接码组并发送至物理信道处理。 4）绕码 |
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绕码是在调制之前的步骤。在LTE下行链路中，信道编码操作生成的码字比特由比特级绕码序列绕码，其目的是避免相邻小区间的干扰，而绕码操作本身不会影响信道噪声灵敏度。因此相邻小区使用不同的绕码序列以保证干扰随机，且来自不同小区传输在解码之前被分开。为达到这些目标，各小区序列绕码的数据比特唯一，小区的绕码序列由物理小区识别生成。绕码包括两部分：伪随机序列生成和比特相乘。伪随机序列由长度31的Gold序列生成，两个序列的生成多项式如下：
（2.3） 第一个序列的初始值定义为长度31的单位冲击函数，第二个序列初始值取决于小区识别码、码字数量和子帧索引。第二步将输入比特和Gold多项式比特进行异或运算，即比特相乘，输出向量长度与输入码字长度一致。接收端去绕时使用相同的伪随机序列生成器。不同在于，当解调使用硬判决译码，去绕器输入为比特，则将输入比特和Gold序列异或，直接生成去绕输出。当解调使用软判决译码，去绕器输入信号为对数似然比，去绕为输入的对数似然比值与Gold序列比特变换系数值的乘积。 5）调制 LTE使用的调制方案包括QPSK（正交相移键控）、16QAM（正交幅度调制）和64QAM，三种调制方案的星座图分别如下所示。
图2.10（a） QPSK星座图
图 2.10（b） 16QAM星座图 |
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图2.10（c） 64QAM星座图 星座图中每一个不同的位置表示不同的调制符号，因此QPSK情况下需要2bit编码一个符号，16QAM需要4bit编码一个符号，64QAM需要6bit编码一个符号，可见使用更高阶的调制方案会带来更高的数据吞吐率。但是星座图中也表明，高阶的调制方案符号更为密集，所以需要更高的信噪比条件。所以以上几种方案根据信道条件不同在适应性调制中使用，即信噪比SNR较高时，可以使用高阶调制方案64QAM，此时增加了信号的吞吐量。当信道噪声水平增加时，需要使用码间隔离性更好的调制方案如QPSK，此时信号吞吐量减少。 6）MIMO（层映射预编码） 理论上，通信链路提升数据速率最好的途径是对给定发射功率情况下提升整体接收功率[20],而有效提升接收功率的方法是在收发端扩增天线，此类技术即多天线技术或MIMO技术。目前有大量研究MIMO技术的文献和相关算法成果，LTE标准定义的MIMO操作为层映射和预编码，使用的MIMO算法可细分为发射分集，接收合并，波束赋形和空分复用四种。在发射分集中，冗余信息在每个子载波不同的天线上发射。此模式主要用于提高通信链路稳健性，对数据速率没有改善作用。在此模式下，层映射和预编码在一个编码内完成，发射分集编码器将调制符号分为两个一组并将其分配到不同发射天线。LTE定义了2x2 SFBC和4x4 两种发射分集方案，两种方案均提供全速编码，性能通过分集提高。接收合并是指在接收端合并不同情况的发射信号以提高性能，可使用最大比合并和选择式合并两种方法[21]。最大比合并是指合并多路接收信号得到发射信号的最大似然估计，选择式合并使用最高信噪比的接收信号进行发射信号估计。空分复用是指在不同天线上传输非冗余信息，这种模式可以在给定通信链路上随着发射天线数量的增加成比例提高数据速率。但是由于发射信号缺乏冗余性，空分复用易出现秩不足的问题，因此LTE标准引入包括采 |
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用基于秩估计的自适应预编码和层映射在内的各种机制，改善信道劣化情况下的稳健性。 7）资源映射 资源元素映射过程实质是生成指向资源网格矩阵的索引并将多种信息类型放置于网格的过程。 8）OFDM调制 移动信道传播信号通常会带来信号功率的衰减，一般包括大尺度衰落和小尺度衰落两大类。其中小尺度衰落包括多径衰落和时间色散。多径衰落可以是平坦性，也可以是频率选择性衰落。当带宽大于延时扩散的倒数时，信道频率响应就会导致多径衰落。而OFDM的重要特性之一就是其能有效对应多径衰落。另一方面，当高速率数据流在串行发送时会遇到符号周期远小于信道时延扩展的问题，则会产生符号间干扰。这些问题可以通过均衡器解决，但是随着数据速率的提高和带宽的增加，均衡器变得越加复杂，因此引入OFDM调制技术成为一种必要的需求。OFDM系统中，在资源网格上生成OFDM符号时，首先将高速率数据进行串并转换调制成多路并行子载波，这降低了数据速率，使得符号周期远大于信道时延扩展。若OFDM符号传输期间，时变信道冲击响应视为不变，则接收机只需低复杂的均衡处理即可。串并转换后对多路子载波独立调制形成复向量，即每个子载波可用不同方式调制（QPSK，16QAM，64QAM）。由于信道频率选择性，某些子载波传输数据率可高于其他子载波。复向量再通过IFFT运算得到一组复时域采样点。生成OFDM信号的另一操作是在每个OFDM符号起始位置插入保护域消除多径传播引起码间串扰的残余影响，即添加循环前缀CP，添加CP是将IFFT输出信号最后的数位采样点复制并附加到起始处。选择的CP长度必须远大于所在信道冲击响应的最大时延，当时延较大时，考虑采用扩展CP。 三、总结 本开题报告在阅读一定数量的文献资料基础上，首先大致介绍了移动通信发展历程并简要概述了LTE标准的内容，随后介绍了与LTE相关的基本物理概念，包括帧结构、资源网格等，考虑到本次研究课题目的为搭建符合LTE标准的传输链路，所以在开题报告中简要介绍了LTE下行链路处理的流程并给出原理框图，分步介绍了框图中的各项内容，对LTE下行链路有了一个大致的把握。 四、参考文献 |
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