LTEA鏈路級(jí)仿真平臺(tái)開發(fā)和關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證

1、3.2仿真平臺(tái)總體設(shè)計(jì)鏈路級(jí)仿真的主要功能是建立鏈路級(jí)仿真平臺(tái)和評(píng)估關(guān)鍵技術(shù)，包括各類RTT算法和信道建模等，為系統(tǒng)級(jí)仿真提供物理層性能數(shù)據(jù)源。根據(jù)LTE/LTE-A下行鏈路級(jí)的技術(shù)特征和關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)下行鏈路級(jí)仿真進(jìn)行模塊化處理。模塊化處理既符合通信系統(tǒng)的一般規(guī)律，又利于仿真程序的調(diào)試與維護(hù)。本論文將LTE/LTE-A下行鏈路級(jí)仿真劃分為：流程控制、信道編譯碼、調(diào)制解調(diào)、MIMO-OFDM、信道模型、信道估計(jì)、AMC/HARQ機(jī)制共7個(gè)模塊。各模塊主要功能如下：流程控制模塊：主要進(jìn)行仿真初始化、各模塊接口匹配、仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)等操作。信道編譯碼模塊：通過(guò)一定的編碼規(guī)則在信息碼元中加入盡可能少的監(jiān)督

2、碼元，并配合相應(yīng)的譯碼準(zhǔn)則，以最大程度地降低差錯(cuò)率，提高鏈路傳輸?shù)目煽啃?。調(diào)制解調(diào)模塊：通過(guò)載波調(diào)制將基帶信號(hào)調(diào)制成為帶通型的頻帶信號(hào)，以使信號(hào)適應(yīng)不同信道特性的載頻頻段上的傳輸；在接收端將頻帶信號(hào)解調(diào)成為基帶信號(hào)。MIMO-OFDM模塊：實(shí)現(xiàn)MIMO-OFDM發(fā)送和接收檢測(cè)，通過(guò)空間復(fù)用和分集增益，降低傳輸差錯(cuò)率和提高鏈路吞吐率。信道模型：通過(guò)信道建模來(lái)模擬無(wú)線傳輸信道，使發(fā)送信號(hào)經(jīng)歷一定特性的衰落，主要包括信道建模和信號(hào)過(guò)信道兩部分。信道估計(jì)模塊：在接收端采用一定的信道估計(jì)算法，獲得接收信號(hào)中的訓(xùn)練序列或?qū)ьl符號(hào)所攜帶的CSI,進(jìn)行相干解調(diào)，并依據(jù)一定的碼本選擇準(zhǔn)則向發(fā)送端反饋預(yù)編碼碼本索

3、引。AMC/HARQ機(jī)制模塊：AMC根據(jù)終端反饋的CSI進(jìn)行調(diào)制編碼方式選擇，HARQ在接收端進(jìn)行差錯(cuò)控制和數(shù)據(jù)重傳，兩者結(jié)合起來(lái)提高信息傳輸?shù)目煽啃?。下行鏈路?jí)仿真流程如圖3-1所示。仿真運(yùn)行過(guò)程是：設(shè)定一組不同的信噪比，在每個(gè)信噪比條件下運(yùn)行一定數(shù)目的TTI,每個(gè)信噪比下對(duì)所有TTI的誤包率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。信噪比的取值遵循由低到高、等間隔的原則,基本覆蓋誤包率最大到最小的范圍；TTI數(shù)目的取值遵循仿真時(shí)間可承受的限度內(nèi)盡可能多的原則，以使統(tǒng)計(jì)結(jié)果具有相當(dāng)可信度。3.3仿真平臺(tái)模塊化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.3.1流程控制模塊流程控制模塊主要進(jìn)行仿真初始化、各模塊接口匹配、仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)等操作。仿真初始化：除了

4、系統(tǒng)參數(shù)之外，還需要對(duì)天線數(shù)目、仿真場(chǎng)景、視距模式、信噪比點(diǎn)、抽樣點(diǎn)數(shù)、數(shù)據(jù)包大小、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、最大誤包數(shù)目控制、隨機(jī)數(shù)種子、運(yùn)行結(jié)果存儲(chǔ)變量等因素進(jìn)行初始化設(shè)置。各模塊接口匹配：匹配各功能模塊之間的接口，包括輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)的名稱、類型和數(shù)目。結(jié)果統(tǒng)計(jì)：對(duì)鏈路級(jí)運(yùn)行結(jié)果的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和寫入等操作，例如差錯(cuò)比特?cái)?shù)，差錯(cuò)包數(shù)、差錯(cuò)包位置、誤碼率和誤包率等。3.3.2信道編譯碼模塊信道編譯碼的目的是為了保證通信系統(tǒng)的傳輸可靠性，克服信道中的噪聲和干擾，改善數(shù)字通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量。信道編碼根據(jù)一定的監(jiān)督規(guī)律在待發(fā)送的信息碼元中加入一定數(shù)量的監(jiān)督碼元，在接收端進(jìn)行信道譯碼時(shí)利用這些監(jiān)督碼元與信息碼

5、元之間的監(jiān)督規(guī)律發(fā)現(xiàn)和糾詎差錯(cuò)，以提高信息碼元的傳輸可靠性。待發(fā)送的碼元稱為信息碼元，加入的冗余碼元稱為監(jiān)督碼元，或檢驗(yàn)碼元。從本質(zhì)上講，信道編解碼就是要以最少的監(jiān)督碼元為代價(jià)，換取最大程度的傳輸可靠性的提高。LTE系統(tǒng)信道可以劃分為物理信道、傳輸信道和邏輯信道，其中物理信道直接在無(wú)線信道中發(fā)射，負(fù)責(zé)信道編碼、HARQ處理、自適應(yīng)調(diào)制、多天線處理及時(shí)頻資源映射等功能,并且需要完成傳輸信道到物理信道的映射。而下行物理信道又可劃分為物理廣播信道(PBCH)、物理下行共享信道(PDSCH)、物理多播信道(PMCH)、物理下行控制信道(PDCCH)、物理控制格式指示信道(PCFICH)和物理HARQ指

6、示信道(PHICH)。LTE系統(tǒng)要求支持遠(yuǎn)高于3G系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率和系統(tǒng)帶寬，因此負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢硐滦泄蚕硇诺绖t需要更適合寬帶高速傳輸?shù)男诺谰幋a，而其他諸如廣播信道、多播信道和控制信道等數(shù)據(jù)速率較低的信道仍采用以前的編碼方式。在R8中，LTE仍在R6的基礎(chǔ)上采用兩種信道編碼方式，Turbo碼和卷積碼，分別應(yīng)用于共享信道和其他信道。Turbo碼在R6的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列改造，使用了無(wú)沖突的內(nèi)交織器。在LTE-A標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中，還有一種被廣泛關(guān)注的信道編碼，低密度奇偶校驗(yàn)碼(LDPC)。由于其譯碼器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可利用較少的資源獲得極高的系統(tǒng)吞吐量，而且比Turbo碼性能更加優(yōu)良，代替Turbo碼的呼聲

7、一度很高。但是，在LTE的技術(shù)研發(fā)中，加入內(nèi)交織器等改造使Turbo碼性能大大提高，縮小了與LDPC的性能差距，并且基本滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)募m錯(cuò)要求，因此，各技術(shù)陣營(yíng)并不打算放棄Turbo這一大家熟悉且經(jīng)過(guò)改良的信道編碼技術(shù)。在最近的LTE-A提案中，Turbo得到了保留，LDPC的提案還未被采納。也就是說(shuō)，在信道編碼方案上，LTE-A與LTE保持一致。卷積碼的具體設(shè)計(jì)是(3，1，6)，碼率為1/3，約束長(zhǎng)度為7。編碼器結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。圖3-2卷積碼編碼器結(jié)枸昭Turbo碼的具體設(shè)計(jì)是含內(nèi)交織器的、1/3碼率。編碼器結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。A-iTurtocodeimwhal編碼模塊接口：輸入?yún)?/p>

8、數(shù)為數(shù)據(jù)塊、交織矩陣、碼率；輸出參數(shù)為編碼后的信息序列。譯碼模塊接口：輸入?yún)?shù)為QAM解調(diào)后的信息序列、碼率；輸出參數(shù)為譯碼后的信息序列。3.3.3調(diào)制解調(diào)模塊從信號(hào)空間觀點(diǎn)來(lái)看，數(shù)字調(diào)制的本質(zhì)是從信道編碼后的漢明空間到調(diào)制后的歐式空間的映射或變換。數(shù)字調(diào)制的基本原理是利用數(shù)字基帶信號(hào)去控制正弦型載波的某參量，可分為控制幅度參量的振幅鍵控(ASK)、控制頻率參量的頻率鍵控(FSK)和控制相位參量的相位鍵控(PSK)三種類型。在2G系統(tǒng)中，GSM采用GMSK(高斯型MSK)調(diào)制，IS-95采用QPSK調(diào)制；在3G系統(tǒng)中，都是采用QPSK及其改進(jìn)調(diào)制方式。LTE系統(tǒng)的數(shù)字調(diào)制采用了更先進(jìn)的正交幅度

9、調(diào)制(QAM),由兩個(gè)正交載波的多電平振幅鍵控信號(hào)疊加而成，兩個(gè)之路的多電平幅度序列是相互獨(dú)立的。Sgtf(r)=%g衛(wèi))氣1gr(f)sin叩i1,厶，M,0玄rTt式(34)CDS叩sintitj圖孑4MQAM信號(hào)調(diào)制框圖岡MQAM信號(hào)的調(diào)制過(guò)程如圖3.4所示。MQAM也可以看做是聯(lián)合控制正弦載波的幅度及相位的數(shù)字調(diào)制方式。在R8中，LTE確定支持4/16/64三種不同階數(shù)的QAM調(diào)制，R9中LTE-A也未對(duì)數(shù)字調(diào)制方式做進(jìn)一步更新，沿用LTE標(biāo)準(zhǔn)。本論文為了節(jié)省仿真時(shí)間，采用4QAM為主要參考調(diào)制方式。調(diào)制模塊接口：輸入?yún)?shù)為信道編碼后的基帶信號(hào)；輸出參數(shù)為調(diào)制信號(hào)。解調(diào)模塊接口：輸入?yún)?/p>

10、數(shù)為檢測(cè)輸出信號(hào)；輸出參數(shù)為解調(diào)信號(hào)。3.3.4MIMO-OFDM模塊MIMO技術(shù)在發(fā)送端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)送天線和接收天線，利用收發(fā)之間空間信道的傳播特性來(lái)提高數(shù)據(jù)速率、減少誤碼率，達(dá)到改善無(wú)線傳輸質(zhì)量的目的。MIMO技術(shù)主要可以帶來(lái)兩方面的性能增益：一方面，MIMO通過(guò)給接收機(jī)提供信號(hào)的多個(gè)獨(dú)立衰落副本，使得所有信號(hào)成分同時(shí)經(jīng)歷深度衰落的概率大大變小，可以提高無(wú)線鏈路的可靠性，對(duì)抗信道衰落，這就是空間分集增益；另一方面，多徑衰落提高了通信系統(tǒng)可以利用的自由度，各個(gè)收發(fā)天線對(duì)構(gòu)成了多個(gè)并行的空間信道，若這些子信道之間路徑衰落是獨(dú)立的，發(fā)送不同的數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)傳輸速率自然就會(huì)提高，這就是空間

11、復(fù)用增益。預(yù)編碼預(yù)解碼圖3-5M1M0系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，(k=0，1，如圖3.5所示，傳輸數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)多天線預(yù)編碼形成丁個(gè)發(fā)送子流八)。這個(gè)子流由”丁個(gè)天線發(fā)送出去，在接收端由冃個(gè)接收天線接收并進(jìn)行檢測(cè)解碼。為了同時(shí)支持高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，又能夠較好地克服因多徑效應(yīng)引起的時(shí)延擴(kuò)展，LTE系統(tǒng)采用了OFDM技術(shù)。OFDM技術(shù)的基本原理是將高速數(shù)據(jù)流分成多路并行的低速數(shù)據(jù)流，在多個(gè)相互正交的子載波上同時(shí)進(jìn)行傳輸。一方面，采用多載波傳輸，可以支持高速數(shù)據(jù)速率；另一方面，對(duì)于低速并行的子載波而言，由于符號(hào)周期展寬，使得時(shí)延擴(kuò)展相對(duì)變小，從而消除或減弱碼問(wèn)干擾。因此，OFDM是一項(xiàng)既能保證高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，又能對(duì)抗頻率選擇性

12、衰落的傳輸技術(shù)。OFDM采用IFFT/FFT算法，大大降低了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。此外，在OFDM符號(hào)中加入循環(huán)前綴(CP)可以更好地消除碼間干擾?？梢?，MIMO技術(shù)可以將多徑效應(yīng)的負(fù)面影響轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣蛩?，利用多徑傳播特性?lái)提高鏈路可靠性或系統(tǒng)容量；而OFDM正是對(duì)抗頻率選擇性衰落的良好技術(shù)，因此，MIMO和OFDM相結(jié)合可以對(duì)系統(tǒng)性能帶來(lái)巨大提高。LTE系統(tǒng)支持FDD和TDD兩種雙工方式。本論文主要針對(duì)LTEFDD系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行仿真評(píng)估。LTE下行鏈路在MIMO支持2X2的基本配置，考慮最大支持4天線發(fā)送；LTE-A在此基礎(chǔ)上升級(jí)到支持4X4的基本配置，并考慮8端口天線發(fā)送。多天線發(fā)送信號(hào)會(huì)在接收端產(chǎn)生時(shí)

13、間上和頻率上相互重疊的多路接收信號(hào)，因此需要在解調(diào)、譯碼和判決之前對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。信號(hào)檢測(cè)的目的是恢復(fù)各個(gè)發(fā)送天線的發(fā)送信號(hào)，而信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確度將直接影響通信系統(tǒng)的整體性能。信號(hào)檢測(cè)算法主要有三類：線性檢測(cè)算法、非線性檢測(cè)算法和最優(yōu)檢測(cè)算法。線性檢測(cè)算法主要包括迫零(ZF)檢測(cè)算法和最小均方誤差(MMSE)檢測(cè)算法；非線性算法主要包括串行干擾消除(SIC)檢測(cè)算法、并行干擾消除(PIC)檢測(cè)算法和Turbo迭代檢測(cè)算法等；最優(yōu)檢測(cè)算法主要是指最大似然(ML)檢測(cè)算法，但ML算法的復(fù)雜度隨著天線數(shù)目及調(diào)制階數(shù)的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)，不易工程實(shí)現(xiàn)。本論文的仿真主要采用基本的MMSE算法。OFDM調(diào)制

14、模塊接口：輸入?yún)?shù)為預(yù)編碼后的待發(fā)送信號(hào)；輸出參數(shù)為OFDM調(diào)制信號(hào)。OFDM解調(diào)模塊接口：輸入?yún)?shù)為接收機(jī)的接收信號(hào)；輸出參數(shù)為OFDM解調(diào)信號(hào)。信道模型MIMO系統(tǒng)的技術(shù)研究和性能評(píng)估需要相應(yīng)的MIMO信道模型，來(lái)模擬實(shí)際的傳播環(huán)境。R8中并未明確提及所采用的參考信道模型，而在R9中針對(duì)LTE-A對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景的優(yōu)化，明確了采用ITU提出的IMT-Advanced信道模型作為研究和評(píng)估的參考信道模型。IMT-Advanced信道模型用于IMT-A無(wú)線空中接口的技術(shù)評(píng)估，在不同的測(cè)試場(chǎng)景下模擬實(shí)際的傳播環(huán)境。模型定義了室內(nèi)熱點(diǎn)(Indoor-Hotspot)、市區(qū)微小區(qū)(Urban-Micro)

15、、市區(qū)宏小區(qū)(Urban-Macro)、郊外宏小區(qū)(Rural-Macro)四個(gè)測(cè)試場(chǎng)景，同時(shí)定義了視距(LOS)和非視距(NLOS)兩種模式。本論文的仿真選取了傳統(tǒng)的市區(qū)微小區(qū)作為主要的仿真場(chǎng)景，具體的IMT-Advanced信道建模及特性分析將作為下一章的一個(gè)重要內(nèi)容。信道模型接口：輸入?yún)?shù)為時(shí)域抽樣點(diǎn)數(shù)、應(yīng)用場(chǎng)景、視距模式、發(fā)送天線數(shù)、接收天線數(shù)、當(dāng)前運(yùn)行數(shù)據(jù)包標(biāo)記：輸出參數(shù)為快衰信道時(shí)域響應(yīng)、路徑時(shí)延、路徑數(shù)。信道估計(jì)模塊信道估計(jì)模塊主要是采用估計(jì)算法獲得CSI，進(jìn)行接收端的相干解調(diào)，并依據(jù)一定的碼本選擇準(zhǔn)則向發(fā)送端反饋預(yù)編碼碼本索引。為了充分體現(xiàn)其他模塊的不同參數(shù)、不同技術(shù)之間的性能

16、差異，而不引入信道估計(jì)算法的影響，在仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)中只采用基于訓(xùn)練序列的理想信道估計(jì)。而實(shí)際信道估計(jì)將作為下一章的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。信道估計(jì)模塊接口：輸入?yún)?shù)為接收機(jī)的接收信號(hào)、物理資源塊結(jié)構(gòu)圖樣；輸出參數(shù)為信道估值。AMC/HARQ模塊在自適應(yīng)調(diào)制編碼系統(tǒng)中，一方面，AMC根據(jù)信道質(zhì)量指示(CQI)動(dòng)態(tài)地選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制和編碼方式(MCS),能夠提供粗略的數(shù)據(jù)速率的選擇;另一方面,HARQ基于前向糾錯(cuò)(FEC)和自動(dòng)重傳請(qǐng)求(ARQ)等差錯(cuò)控制方法來(lái)提供精確的編碼速率調(diào)節(jié)，由于信號(hào)干擾噪聲比(SINR)值的不準(zhǔn)確性導(dǎo)致上行鏈路對(duì)于MCS的選擇不夠精確，所以更多地依賴HARQ技術(shù)來(lái)保證系統(tǒng)性能。L

17、TE中的AMC技術(shù)采用頻率統(tǒng)一AMC。AMC是基于CQI反饋實(shí)現(xiàn)的。CQI的測(cè)量過(guò)程是接收端根據(jù)信噪比測(cè)量值，找出HARQ第一次重傳能夠達(dá)到誤包率小于0.1的MCS，然后反饋相應(yīng)的CQI序號(hào)。AMC選擇周期為一個(gè)TTI。LTE中的HARQ技術(shù)采用增量冗余(IR)HARQ,即通過(guò)第一次傳輸發(fā)送信息比特和一部分冗余比特，而通過(guò)重傳發(fā)送額外的冗余比特，如果第一次傳輸沒(méi)有成功解碼，則可以通過(guò)重傳更多的冗余比特降低信道編碼率，從而實(shí)現(xiàn)更高的解碼成功率。如果加上重傳的冗余比特仍無(wú)法正確解碼，則進(jìn)行再次重傳。隨著重傳次數(shù)的增加，冗余比特不斷積累，信道編碼率不斷降低，從而可以獲得更好的解碼效果。下行HARQ采

18、用多個(gè)進(jìn)程的“停止-等待”(Stop-and-Wait)HARQ實(shí)現(xiàn)方式，即對(duì)于某一個(gè)HARQ進(jìn)程，在等到ACK/NACK反饋之前，此進(jìn)程暫時(shí)中止，待接收到ACK/NACK后，再根據(jù)是ACK還是NACK決定發(fā)送新的數(shù)據(jù)還是進(jìn)行舊數(shù)據(jù)的重傳。從重傳時(shí)序安排上，可以將HARQ分為同步和異步兩種方式。LTE下行采用異步HARQ技術(shù)，上行采用同步HARQ技術(shù)。異步和同步HARQ的主要區(qū)別在于，前者在初傳和重傳之間可以根據(jù)CQI改變MCS，而后者的初傳和重傳必須使用相同的MCS。此外，前者的重傳時(shí)間是可變的(但必須小于最小時(shí)間間隔)，而后者的重傳時(shí)間間隔是預(yù)定義的。在一個(gè)基于停等協(xié)議的HARO過(guò)程中，需要經(jīng)過(guò)一個(gè)環(huán)回時(shí)間(RTT)才能決定下一次傳輸時(shí)傳輸新數(shù)