TD-LTE中OFDM下行無(wú)線鏈路仿真分析

黎　鵬，丁洪偉，王　涌，郭　嘉，楊俊東，楊鯉銘

(1.云南大學(xué) 信息學(xué)院，昆明　650091； 2.云南省廣播電視局 科技處，昆明　650031)

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·計(jì)算機(jī)科學(xué)與實(shí)驗(yàn)·

TD-LTE中OFDM下行無(wú)線鏈路仿真分析

黎鵬1，丁洪偉1，王涌2，郭嘉2，楊俊東1，楊鯉銘1

(1.云南大學(xué) 信息學(xué)院，昆明650091； 2.云南省廣播電視局 科技處，昆明650031)

LTE的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)有了巨大的變革。文中分析研究了LTE的關(guān)鍵技術(shù)——OFDM，通過(guò)分析MIMO技術(shù)及Alamouti空時(shí)編碼方式后，對(duì)OFDM與MIMO技術(shù)做了仿真，最后將之結(jié)合給出MIMO-OFDM系統(tǒng)的仿真。還介紹了下行無(wú)線鏈路的基本情況，給出PDSCH無(wú)線信道仿真，并進(jìn)行相關(guān)的分析。這些關(guān)鍵技術(shù)在很大程度上決定了LTE的系統(tǒng)性能。

仿真；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；通信系統(tǒng)；無(wú)線信道

LTE是3GPP定義的一個(gè)寬帶移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，通常被稱為4G，多址傳輸技術(shù)是無(wú)線通信的基礎(chǔ)，TD-LTE的下行接入技術(shù)正交頻分多址(OFDMA)，通過(guò)給不同用戶分配不同子載波，可為更多用戶提供正交頻分復(fù)用(OFDM)方式的多址接入。一方面，由于用戶間信道衰落的獨(dú)立性，可利用聯(lián)合子載波分配帶來(lái)的多用戶分集增益提高系統(tǒng)性能，達(dá)到較高的服務(wù)質(zhì)量(QoS)；另一方面，把高速數(shù)據(jù)流分散到多個(gè)正交子載波上傳輸，使符號(hào)周期加長(zhǎng)且大于多徑時(shí)延，從而能有效地對(duì)抗多徑衰落，繼而最大限度地消除符號(hào)干擾(ISI)，并且它利用信號(hào)的時(shí)頻正交性，使得頻譜利用率得以大幅提高[1]。

1　OFDM原理

在頻域上，非零子載波的頻譜可以看作是脈沖寬度為T的矩形脈沖頻譜與一組位于各個(gè)子載波頻率上函數(shù)的δ卷積。一個(gè)OFDM符號(hào)4個(gè)移位的頻譜相加如圖1所示[2]。

圖1　OFDM符號(hào)中4個(gè)子載波的頻譜

2　OFDM關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

2.1OFDM的循環(huán)前綴[3]

為了消除由于多徑所造成的載波間干擾(ICI)，OFDM符號(hào)需要在其保護(hù)間隔內(nèi)填入循環(huán)前綴信號(hào)。加入空白保護(hù)和循環(huán)前綴保護(hù)兩種間隔的OFDM系統(tǒng)誤比特率性能如圖2所示，圖中參數(shù)設(shè)置為:FFT點(diǎn)數(shù)為64，子載波個(gè)數(shù)為52，加入循環(huán)前綴為16位，數(shù)據(jù)碼元的調(diào)制方式為16-QAM。最大多徑時(shí)延為8個(gè)樣值，多普勒頻移為100 Hz。

圖2　16-QAM循環(huán)前綴對(duì)系統(tǒng)性能的影響

從圖2仿真結(jié)果可看出，加入循環(huán)前綴的系統(tǒng)性能明顯優(yōu)于加入空白保護(hù)間隔的系統(tǒng)性能。加入保護(hù)間隔，消除了ISI，系統(tǒng)的性能大為提高；而用循環(huán)前綴代替空白保護(hù)間隔，保證了各個(gè)子信道間的正交性，大大減小了ICI，使系統(tǒng)性能進(jìn)一步提高，可以很好地滿足無(wú)線通信的基本需要。

2.2OFDM峰均功率比

由于一般的發(fā)信機(jī)功率放大器都不是線性的，而且其動(dòng)態(tài)范圍有限，所以當(dāng)系統(tǒng)輸出的信號(hào)變化范圍較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生非線性失真，產(chǎn)生諧波，造成較明顯的頻譜擴(kuò)展干擾以及帶內(nèi)信號(hào)畸變，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)性能下降。在單載波系統(tǒng)中，這一問(wèn)題尚不明顯，但是，在OFDM這種多載波系統(tǒng)中，由于每個(gè)符號(hào)是由多個(gè)獨(dú)立的經(jīng)過(guò)調(diào)制的子載波信號(hào)疊加而成的，這樣的合成信號(hào)就有可能產(chǎn)生比較大的峰值功率(Peak Power)，假如這N個(gè)信號(hào)恰好均以峰值點(diǎn)相加時(shí)，該峰值功率將是平均功率的N倍。峰均比(PAPR)較大的MIMO-OFDM信號(hào)極易進(jìn)入功率放大器的非線性區(qū)域，導(dǎo)致信號(hào)產(chǎn)生非線性失真，造成明顯的頻譜擴(kuò)展干擾以及帶內(nèi)信號(hào)畸變，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)性能嚴(yán)重下降，高峰均比已成為MIMO-OFDM 的一個(gè)主要技術(shù)阻礙。

SLM選擇性映射法是抑制高PAPR的一種最優(yōu)算法[4]，設(shè)有128個(gè)子載波，采用QPSK調(diào)制，隨機(jī)相位序列個(gè)數(shù)M分別為1、2、4、8、16、32，IFFT采用4倍過(guò)采樣，隨機(jī)產(chǎn)生215=32 768個(gè)OFDM符號(hào)序列，互補(bǔ)累積分布函數(shù)(CCDF)對(duì)如圖3所示。

從圖3中可以看出，當(dāng)隨機(jī)相位序列個(gè)數(shù)M=8時(shí)，PAPR超過(guò)8 dB的概率小于10-5，M=32時(shí)，PAPR超過(guò)7 dB的概率小于10-5。說(shuō)明SLM方法對(duì)PAPR有很好的抑制效果。當(dāng)然其代價(jià)也是明顯的：首先，系統(tǒng)要額外計(jì)算M-1路信號(hào)，增加了開銷；其次，隨機(jī)相位信息要通過(guò)某種方式傳到接收方，也會(huì)降低系統(tǒng)的有效性；再次，隨機(jī)相位信息一旦出錯(cuò)將會(huì)對(duì)解調(diào)帶來(lái)很大的影響，在一定程度上降低了系統(tǒng)的可靠性。

3　MIMO-OFDM技術(shù)及其仿真

OFDM技術(shù)把頻率選擇性深衰落信道轉(zhuǎn)變成平衰落信道，而MIMO技術(shù)在不增加帶寬的條件下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。研究表明，在衰落信道環(huán)境下，OFDM系統(tǒng)非常適合使用MIMO技術(shù)來(lái)提高容量，MIMO-OFDM采用Alamouti編碼，被視為下一代高速無(wú)線局域網(wǎng)的核心技術(shù)[5]。

Alamouti空時(shí)分組碼，是一種利用信號(hào)正交性的發(fā)送分集方法，在接收端可實(shí)現(xiàn)線性解碼，是一種簡(jiǎn)單發(fā)射分級(jí)方法，尤其適用于雙發(fā)射天線。采用Alamouti方案，信道為瑞利衰落信道，發(fā)射天線數(shù)為2，接收天線數(shù)分別為1和2(以對(duì)比其性能)，信噪比范圍為0～20dB，調(diào)制方式采用QPSK調(diào)制，仿真符號(hào)數(shù)為100 000，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4　Alamouti方案在瑞利信道下的性能

由圖4可以看出，與未采用發(fā)射分集的系統(tǒng)相比，采用Alamouti方案的系統(tǒng)性能大幅度的提高。同時(shí)，雙接收天線系統(tǒng)性能要比單接收天線性能更好；在低信噪比時(shí)，雙接收天線系統(tǒng)的性能甚至要優(yōu)于AWGN信道下的性能。這是因?yàn)殡p接收天線系統(tǒng)不僅存在發(fā)射分集，而且存在接收分集，取得了2×2天線系統(tǒng)下的最大分集度4。仿真后我們可以看到2發(fā)2收方案分別比2發(fā)1收方案和未分集方案分別多出5 dB和9 dB的增益。

4　下行鏈路PDSCH的仿真模型

PDSCH是LTE承載主要數(shù)據(jù)的下行鏈路信道，其傳輸包括“調(diào)度信息”和“數(shù)據(jù)信息”兩部分。在下行數(shù)據(jù)接收的過(guò)程中，終端對(duì)子幀中的 PDSCH所承載的調(diào)度信息進(jìn)行檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)屬于自己的調(diào)度信息，那么終端將根據(jù)該調(diào)度信息的指示(包括資源位置、編碼調(diào)制方式等)，解調(diào)接收當(dāng)前子幀中屬于自己的 PDSCH 數(shù)據(jù)信息。

仿真時(shí)，設(shè)定為瑞利衰落信道，發(fā)射天線為2，接收天線為1，每幀符號(hào)數(shù)為7，F(xiàn)FT采樣點(diǎn)為204 8，采用QPSK進(jìn)行調(diào)制。天線間距為4λ時(shí)，用戶不同移動(dòng)速率下PDSCH的仿真結(jié)果，如圖5所示。

圖5　PDSCH信道仿真(天線間隔4λ)

從圖5可以清晰看出，移動(dòng)速率增大，系統(tǒng)誤碼率也隨著增大。30 m/s速率下的系統(tǒng)性能與50 m/s速率下的系統(tǒng)性能在低信噪比時(shí)對(duì)系統(tǒng)性能影響差不多，隨著信噪比增大到15 dB時(shí)，兩者才有明顯的分別；速率為3 m/s的系統(tǒng)性能與其余二者相比一直有明顯的優(yōu)勢(shì)。在17 dB時(shí)，3 m/s的系統(tǒng)誤碼率已經(jīng)下降到10-4，而30 m/s與50 m/s誤碼率下降到10-4時(shí)，信噪比分別是20 dB與23 dB。同時(shí)也能看出，在移動(dòng)速度大于30 m/s后，系統(tǒng)誤碼率下降趨勢(shì)已變緩，在高速移動(dòng)的情況下，信噪比增大對(duì)降低系統(tǒng)誤碼率的影響已經(jīng)不如在低速移動(dòng)情況下明顯了。這也從側(cè)面證明了現(xiàn)實(shí)生活中，高速列車上手機(jī)上網(wǎng)速度要變慢很多。

4　結(jié)束語(yǔ)

LTE的空中接口技術(shù)有了很大的變革，OFDMA已成為TD-LTE系統(tǒng)區(qū)分不同用戶的下行接入方式中的最佳多址接入技術(shù)。引入OFDM、MIMO等關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)調(diào)度算法后，LTE系統(tǒng)的頻率利用率很高，系統(tǒng)容量更大，可以說(shuō)，滿足了移動(dòng)業(yè)務(wù)飛速增長(zhǎng)的需求。

[1]胡興軍.4G將掀開人類生活全新的一頁(yè)[J].有線電視技術(shù)，2007，14(9):52-56.

[2]鄭有強(qiáng)，徐兆吉.TD-LTE 業(yè)務(wù)承載能力及應(yīng)用分析[J].移動(dòng)通信，2010(5):54-57.

[3]李小文，徐志文，張崢.TD-LTE系統(tǒng)DRX機(jī)制的分析與設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38(3)：44-46.

[4]劉成德，龐偉正，王東輝，等.信號(hào)畸變SLM算法降低OFDM系統(tǒng)PAPR[J].應(yīng)用科技，2007，34(6):15-17.

[5]王東明，高西奇，尤肖虎，等.寬帶MIMO-OFDM系統(tǒng)信道估計(jì)算法研究[J].電子學(xué)報(bào)，2005，33(7):1254-1257.

Analysis of OFDM Wireless Downlink Simulation on TD-LTE

LI Peng1，DING Hongwei1，WANG Yong2，GUO Jia2，YANG Jundong1，YANG Liming1

(1.School of Information，Yunnan University，Kunming 650091，China;2.Department of Science and Technology，Radio and Television Bureau of Yunnan Province，Kunming 650031，China)

There is a great change both in the structure of TD-LTE and the traditional communication system.In this paper，we have analysised the key technology of LTE—OFDM.Through analysising of MIMO technology and Alamouti space-time coding mode，the OFDM and MIMO technology is simulated，and finally the simulation of the MIMO-OFDM system is got.Then we have introduced the basic of the downlink wireless link of LTE， the PDSCH wireless channel simulation and the analyses of the technology were showed.These key technologies determine the system performance of LTE.

OFDM; MIMO-OFDM; PDSCH; simulation

2015-01-06；修改日期: 2015-07-04

國(guó)家自然科學(xué)基金(6146053)；云南省教育廳基金(2014Y021)。

黎鵬(1981-)，男，研究生，實(shí)驗(yàn)師，主要從事通信與信息系統(tǒng)方面的研究。

TP391.9；TN919.72

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.017