LTE中下行物理共享信道实现技术的分析与设计
摘 要
2012年1月，LTE 由国际电信联盟被确定成为4G标准，PDSCH作为LTE下行物理信道中最为重要的信道之一，主要包括信源编码、Turbo编码、加扰技术、速率匹配、基带调制、层映射和预编码等重要部分。本文主要对LTE中PDSCH信道的实现进行分析与设计，并给出基于Matlab2014a/Simulink的实现方案。
本文首先介绍下LTE的发展历程，以及LTE的技术指标，网络框架结构，以及LTE里重要的技术OFDM和MIMO技术。然后再对PDSCH的信道传输帧结构，以及传输信道，物理信道，逻辑信道之间的映射进行分析。之后着重分析PDSCH的各个模块的原理。
文章在最后将使用Simulink对PDSCH的各个模块进行仿真设计，使得能更清晰明了的了解到PDSCH的具体实现效果。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:LTE；PDSCH；OFDM；MIMO；Simulink;
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 III
第一章 绪论 1
1.1 LTE的发展历史 1
1.2 LTE的技术指标 2
1.3 LTE网络架构 2
1.4 LTE物理层重要技术 4
1.4.1 OFDM 4
1.4.2 多天线技术 5
1.5 本文主要内容 5
第二章LTE下行链路物理层简介 7
2.1无线帧结构 7
2.2 传输资源结构 8
2.3 下行链路信道 9
2.4 本章小结 15
第三章PDSCH信道技术分析 16
3.1 信道编码 16
3.1.1 CRC/24A编码 17
3.1.2 Turbo编码 18
3.1.3 速率匹配 23
3.1.4 码块级联 24
3.2 PDSCH发送端 24
3.2.1加扰 25
3.2.2调制 25
3.2.3层映射 25
3.2.4 预编码 26
3.2.5 RE映射 26
3.2.6 OFDM调制 28
3.3 MIMO信道 30
3.4 PDSCH接收端 33
3.5本章小结 36
第四章 基于Simulink的PDSCH信道设计 37
4.1 PDSCH信道各模块设计 37
4.1.1信道编码部分 39
4.1.2 PDSCH发送部分 39
4.1.3 PDSCH接收部分 40
4.1.4信道译码部分 41
4.1.5 误码率、收发频谱显示部分 41
4.2 调试与结果 42
4.3 本章小结 50
第五章 总结和展望 51
参考文献 52
致谢 54
主要缩略词 55
外文文献 58
外文文献中文翻译 65
第一章 绪论
随着移动通信的不断发展，经历了第一代模拟通信系统（例如美国的AMPS，欧洲部分用到的TACS，以及北欧用到的NMT）到第二代数字通信系统（如GSM、 IS-95CDMA 、GPRS、EDGE）再到第三代移动通信系统（如CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA），数据传输速率不断提升，用户体验也越来越好。然后移动通信的发展脚步并没有停下，人们期待更快更稳的数据传输速率，使之可以在高速移动的环境下也能有较好的用户体验。有句话形容各代移动通信的体验很是经典。“2G看TXT、3G看JPG、4G看AVI”现在第四代移动通信已经在中国发展的如火如荼了，中国移动，中国联通，中国电信也都相应的拿到了4G牌照，标志着4G正式开始商用，人们也享受到了LTE给之带来的巨大便利。作为通信专业的学生，我有必要对LTE进行一定的了解。尤其对最常用到的PDSCH信道做重点研究。
1.1 LTE的发展历史
LTE最先由NTT DoCoMo在2004年在日本提出，并于2005年开始正式被广泛研究[1]。
2007年3月，LTE/系统架构演进测试联盟正式进入大家视线。作为一个全球合作的产品供应商，LTE/系统架构演进测试联盟致力于测试和促进LTE，它作为世界上一个新的标准而迅速普及。
2008年12月LTE标准达成定案。
2009年12月14日， TeliaSonera在挪威的奥斯陆和瑞典的斯德哥尔摩两个城市提供数据连接服务，但是这项服务必须使用上网卡才能完成相应功能，但这标志着世界上首张商用LTE网络正式开通，
2011年，北美运营商开始了LTE商用。
由于高通放弃研发UMB系统，使得原打算升级网络到CDMA的演进版本UMB均宣布将升级至LTE网络，这些全球CDMA运营商主要有美国的Verizon无线、SprintNextel和MetroPCS、韩国的SK电讯、日本的AU电信、加拿大的Bell 移动和Telus移动、中国的中国电信，而也有另外一些国家如俄罗斯与韩国宣布升级至WiMAX。
LTE的下一代网络也称为真正的4G网络（LTE Advanced）[1]，这一标准在2011年3月定稿，并且开始在2013年推出提供数据连接服务。
1.2 LTE的技术指标
(1) 显著提高峰值速率和峰值频谱效率，LTE系统支持在 20MHz 带宽内使得上行峰值速率为 50Mbit/s、下行峰值速率为 100 Mbit/s，其相应的频谱效率分别为上行 2.5bit/s/Hz和下行5bit/s/Hz；
(2) 提高小区吞吐量和频谱效率，特别是提高小区边缘比特速率；
(3) 扩大话音容量使得LTE语音容量为 Release6 版本的 2~4 倍；
(4) 系统需要同时考虑针对低速移动场景和高速移动场景的优化；
(5) LTE 需要集成一种广播模式，这种广播模式能够提供有效、高速率的多媒体广播/多播业务(MBMS)；
(6)系统不仅需要进一步减少用户平面延时，并且还要涉及优化无线接入网IP层的单向数据包延，在最佳条件下，无线接入网的延时要降低到5ms以内；
(7)系统能够保证从空闲状态切换到激活状态的过渡时间不大于 100ms；
(8)当系统处于5MHz的频谱分配下，每个小区至少支持 200 个激活状态的终端用户，在频谱分配更宽的条件下，则能够至少支持400 个终端用户。
1.3 LTE网络架构
LTE网络架构采用扁平化、IP化[2]。LTE具体网络架构如图1.1所示。
图1.1 LTE网络框架
E-UTRAN由eNode B构成，EPC由MME、S-GW、P-GW组成[14]。EPC和E-UTRAN构成EPS。
我们所关注的PDSCH位于eNode B的最底层的PHY层中，如图1.2所示。
图1.2 EPS功能划分
由图可知，eNode B的功能模块主要有小区间RRM、RB控制、连接移动性控制、eNode B测量配置和提供、无线准入控制、动态资源分配、无线资源控制、分组数据会聚协议、无线链路控制、媒体接入控制、物理层。MME在EPC中的功能是提供空闲模式处理、NAS安全性管理、EPS承载控制，S-GW的作用是移动性锚链，P-GW的作用是进行用户 IP地址的分配和分组过滤。
1.4 LTE物理层重要技术
1.4.1 OFDM
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)中文是正交频分复用[3]，实际上OFDM属于多载波调制的一种。它将信道分成几个相互正交的子信道，将高速数据串行信号转换成并行的低速子数据流之后再把每个低速子数据流调制到每个子信道上传输。在接收端，采用相关技术将正交的信号分离开，这样就可以大大减少各子信道间的干扰。各子信道信号的带宽小于信道的相干带宽，因此每个子信道可以被看作是一个平坦衰落信道，这可以消除码间干扰。每个子信道的带宽是信道带宽的一小部分，使得信道均衡变得相对容易一些。
OFDM是在向4G演进的过程中一项关键的技术，它结合了分集技术，时空编码，信道间干扰抑制以及智能天线等技术能够最大限度的提高了系统性能。在OFDM信号传输过程中，高速信息数据流首先经过串并变换，分配到几个速率较低的子信道中传输，这样就相对增加每个子信道中的符号周期，由此因无线信道多径时延扩展产生的时间弥散性对系统造成的码间干扰便可减少。另外引入保护间隔可以最大限度上消除由于多径传播而造成的符号间干扰，还可消除由多径传播产生的信道间干扰。
以前的频分复用系统中，把整个频谱带宽分隔成N个互不重叠的子频带，通常在频带间加保护带宽消除各个子频带间的相互干扰，但是在加了保护带宽后会造成系统的频谱利用率下降。这个缺点可以在OFDM系统中得到解决，OFDM采用N个正交重叠的子频带，因而在接收端即可不需要分离频谱就能接收信号。可以利用快速傅利叶变换实现信号的调制和解调是OFDM系统的一个主要优点。对于N点的IFFT运算需要进行 次复数乘法运算，采用常见的基于2的IFFT算法之后，复数乘法仅就降低到 ，使得运算的复杂度得以降低。
1.4.2 多天线技术
当无线电发送的信号受到反射时，就会产生多个信号。每一个信号都可以看做一个空间流。使用单输入单输出（SISO）的系统每次都只能发送或接收一个空间流。而多输入多输出（MIMO）系统能够允许多个天线同时发送和接收超过个空间流，并能够把发往或来自不同空间位置的信号区分开来。使用多天线系统可以最多同时传送 min(Nt,Nr)个并行数据流。同时如果在发送端或接收端采用多天线技术，可以很好的改善信道衰落，减小误码率。一般情况下，MIMO的分集增益可以达到发送天线数与接收天线数之积。
不管是在发送端还是在接收端，只要增大天线数量，信道的容量就会随之线性增大，也就是说利用MIMO信道可以极大的提高无线信道的容量，它可以在不增加系统带宽和天线发送功率的状况下，成倍地提高系统的频谱利用率。
使用MIMO技术不但可以明显扩大信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，减小误码率。两者使用不同的方法，前者使用MIMO信道提供的空间复用增益，而后者则是利用MIMO信道所提供的空间分集增益。实现空间复用增益的算法主要有一下几种。包括贝尔实验室的BLAST算法、迫零算法、最小均方差算法、最大似然算法。最大似然算法虽然具有很好的译码性能，但是它的复杂度比较大，而无线通信实时性要求相对较高，这样看来最大似然算法就不太适合了。迫零算法虽简单容易实现，但是它需要较高的信道信噪比。综合考虑性能和复杂度，最优的算法就是BLAST算法。这一算法实际上是使用的是迫零算法与干扰删除技术相结合得出的。
1.5 本文主要内容
本文主要对PDSCH信道做些基础研究，学习一些有关信道的一些技术，并且通过Simulink仿真进行设计比对。
第一章主要介绍有关LTE的相关历史、框架结构、关键技术等内容。
原文链接：http://www.jxszl.com/dzxx/txgc/1762.html
