西安科技大学研究生考试试卷研究生姓名___杨彩云班级___通信一班考试科目___通信信号处理考试日期_______ ________课程学时_______ _______开（闭）卷__开卷___ __LTE物理下行共享信道（PDSCH）估计的研究与仿真一、前言LTE是3GPP组织为WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000三种3G移动通信标准制定的长期演进，旨在增加系统的频谱利用率、提高数据的传输率和降低系统的传输延时。

LTE标准综合了OFDM、MIMO等先进的天线传输技术，支持最大20MHz的系统带宽、超过200Mbit／s的峰值速率和仅为1毫秒的传输时间间隔，是移动通信领域的一项重大革新，已成为移动通信产业界关注的焦点。

因此现阶段针对LTE系统的研究具有重大的意义。

LTE系统特点及关键技术：在LTE中，1、下行主要采用了多载波的多址接入方式OFDMA，上行采用了单载波的频分多址接入技术SC-FDMA。

OFDMA是对多载波OFDM的扩展，可使得用户资源的分配非常灵活，利于多址接入。

这样的优点包括：可以在不改变系统的全局参数的情况下通过对子载波的分配来随意调整用户的频谱带宽；调制系统带宽时对系统的其他部分影响不大，方便系统的设计；利于软频率复用和小区间的干扰消除。

OFDM把系统带宽分为多个窄带子载波，并使其两两正交，每一个子载波都是一个独立的子信道。

其优点主要包括：利于对抗时间弥散无线信道，由于子载波带宽很窄，于是符号周期较长，符号间干扰较小；由于子载波频宽较小，与高宽带的CDMA系统相比较均衡更加易于实现并可得到较好效果，可简化接收机的设计；在抗频率选择性衰落性方面可通过放弃使用衰落较严重的子载波来实现。

但由于OFDM的峰均比PAPR值较高，需要线性放大区间较大且线性度较好的放大器来实现，因此发射机部分成本较高。

因此在用户端考虑到降低设备成本，在上行系统中采用SC．FDMA的方式来显著降低PAPR，利于移动终端发射机的设计和推广。

使用多天线技术MIMO，可以把空域作为一个新的信道复用资源，在理论上在信道允许的情况下可实现频谱效率随系统发射和接收天线中的最小数目呈线性增长。

但在实际系统中由于收到许多工程技术方面的限制，频率利用率的提高并没有理论上的显著。

在LTE中发射天线和接收天线可配置为1、2、4根，支持传输分集、空间复用等方式以获得传输增益，增加频谱利用率。

高峰值传送输率是LTE下行链路需要解决的主要问题。

为了实现系统下行100Mbps峰值速率的目标，LTE是完全的面向分组交换的多业务系统，不采用面向连接的电路交换协议。

在3G原有的QPSK、16QAM基础上，LTE系统增加了64QAM高阶调制并采用成熟的Turbo信道编码。

对于OFDM信号而言，每个子载波之间都是独立的，出现频率选择性衰落的频带所携带的信息将无法探测而造成误码。

另一个严重影响信号接收的就是多普勒频移，对于OFDM信号而言，子载波的频带都较窄，而且对于频偏特别敏感，严重影响信号的接收和判决。

因此对于移动通信，信道估计是必不可少的部分，非常具有研究意义。

在LTE系统中还采用了MIMO天线技术，每根接收天线都要接收来自于发送天线的信号。

因此相比于传统的单入单出系统而言，信号的状况复杂了许多了，对于每根接收天线而言，需要估计的是多根发射天线与该天线之间的信道响应，而各接收天线的估计值都将对信号的均衡造成很大的影响。

因此在LTE系统中信道估计就显得更加重要。

二、信道估计1、LTE信道模型LTE 下行系统的多径衰落传输信道模型从应用于“IMT-2000”的ITU 信道模型扩展而来，包括低时延的扩展步行A(Extended Pedestriall Amodel ，EPA)，中时延的扩展车载A(Extended Vehieular Amodel ，EVA)和高时延的扩展典型城市(Extended Typical Urban model ，ETU)三种。

扩展信道模型也确定应用在低、中、高多普勒频移中，及5Hz ，70Hz ，和300Hz ，在载波中心频率为2GHz 时分别对应的基站和用户端的相对移动速度为3km ／h 、38krn ／h 和162km ／h 。

在LTE 的下行链路中，根据协议规定的信道类型，可以得到如下图所示的仿真方案。

其中K 为信道的多径数，对应于LTE 信道模型中的抽头数。

S(t)为发送端发送的信号，在LTE 中为OFDM 复用后生成的信号。

信道的冲激响应用),()(t h k τ表示，其功率谱满足协议规定的抽头功率分布，延时则为抽头延时，且相互之间独立。

n(t)为路径上的高斯白噪声，信道为Rayleigh 衰落信道，接收端接收到的信号为多径信号和噪声信号的混合信号。

LTE 多径信道模型由上述多径信道模型可知，接收端到的多径信号的叠加信号e(t)为：∑=+=K k k t n t e t e 1)()()()(2、信道估计算法由于在下行导频的设计上采用的是FDMA 和TDMA ，且各天线之间的导频在频率资源上不重复，因此可以采用OFDM 的估计算法来对LTE 的下行信道进行估计。

OFDM的信道模型可由下式表示：y=XFg+n其中X 为对角元索为导频序列的矩阵，g 为信道冲激响应，n 为高斯白噪声向量，y为接收序列向量，F 为DFT 矩阵。

⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=----)1)(1(0)1()1(000N N N N N N N N W W W W F其中N nkj nk N e N W π21-=,由此可知Fg 为信道的频域响应。

一般的OFDM 的信道估计结构如下图所示，其中去循环前缀CP 和FFT 部分为解OFDM 复用，使信道估计在频域进行。

0x 到1-N x 为信号发送端输入的导频序列，0ˆh 到1ˆ-N h 为估计出的信道频域响应。

一般信道估计结构因此，信道估计可表示为：y FX FQF g F HH H ==ˆˆ 其中根据不同的规则设定矩阵Q 即可得到不同的估计算法。

三、仿真平台总体设计1、系统仿真链路系统仿真主要包括LTE 下行共享物理信道的发送端、接收端以及无线信道。

其框图如图所示：系统仿真链路其中，发送端负责用户数据的生成、调制、层映射与预编码、导频序列的产生、物理资源映射、OFDM 复用；信道部分是对无线传输信道的模拟；接收端包括解OFDM 复用、接收导频序列的提取、通过信道估计模块进行信道估计、将估计出来的信道冲击响应对接收到的数据进行信道均衡、解调、将解调后的数据与发送的数据进行比较，统计误码率。

2、仿真条件仿真的相关参数如下，包括无线信道的模型、调制、系统带宽、发送和接收链路级仿真的主要功能是建立链路级仿真平台和评估关键技术，包括各类RTT 算法和信道建模等，为系统级仿真提供物理层性能数据源。

本次仿真将LTE 下行链路级仿真划分为：流程控制、信道编译码、调制解调、MIMO-OFDM 、信道模型、信道估计共6个模块。

各模块主要功能如下：（1）流程控制模块：主要进行仿真初始化、各模块接口匹配、仿真结果统计等操作。

（2）信道编译码模块：通过一定的编码规则在信息码元中加入尽可能少的监督码元，并配合相应的译码准则，以最大程度地降低差错率，提高链路传输的可靠性。

LTE 系统要求支持远高于3G 系统的数据速率和系统带宽，因此负责数据传输的物理下行共享信道则需要更适合宽带高速传输的信道编码，如Turbo码和卷积码。

编码模块接口：输入参数为数据块、交织矩阵、码率；输出参数为编码后的信息序列。

译码模块接口：输入参数为QAM 解调后的信息序列、码率；输出参数为译码后的信息序列（3）调制解调模块：通过载波调制将基带信号调制成为带通型的频带信号，以使信号适应不同信道特性的载频频段上的传输；在接收端将频带信号解调成为基带信号。

在3G 系统中，都是采用QPSK 及其改进调制方式。

LTE 系统的数字调制采用了更先进的正交幅度调制(QAM)，由两个正交载波的多电平振幅键控信号叠加而成，两个之路的多电平幅度序列是相互独立的。

t w t g a t w t g a t S c T is c T ic Q AM sin )(cos )()(-= i=1,2,…M,s T t ≤≤0MQAM信号调制框图MQAM信号的调制过程如图所示。

MQAM也可以看做是联合控制正弦载波的幅度及相位的数字调制方式。

在R8中，LTE确定支持4/16/64三种不同阶数的QAM 调制。

调制模块接口：输入参数为信道编码后的基带信号；输出参数为调制信号。

解调模块接口：输入参数为检测输出信号；输出参数为解调信号。

（4）MIMO-OFDM模块：实现MIMO-OFDM发送和接收检测，通过空间复用和分集增益，降低传输差错率和提高链路吞吐率。

MIMO技术在发送端和接收端分别使用多个发送天线和接收天线，利用收发之间空间信道的传播特性来提高数据速率、减少误码率，达到改善无线传输质量的目的。

MIMO技术主要可以带来两方面的性能增益：一方面，MIMO通过给接收机提供信号的多个独立衰落副本，使得所有信号成分同时经历深度衰落的概率大大变小，可以提高无线链路的可靠性，对抗信道衰落，这就是空间分集增益；另一方面，多径衰落提高了通信系统可以利用的自由度，各个收发天线对构成了多个并行的空间信道，若这些子信道之间路径衰落是独立的，发送不同的数据流，数据传输速率自然就会提高，这就是空间复用增益。

MIMO系统结构如图所示，传输数据经过多天线预编码形成个发送子流，(k=0，1，……)。

这个子流由个天线发送出去，在接收端由个接收天线接收并进行检测解码。

为了同时支持高速数据业务，又能够较好地克服因多径效应引起的时延扩展，LTE系统采用了OFDM技术。

OFDM技术的基本原理是将高速数据流分成多路并行的低速数据流，在多个相互正交的子载波上同时进行传输。

一方面，采用多载波传输，可以支持高速数据速率；另一方面，对于低速并行的子载波而言，由于符号周期展宽，使得时延扩展相对变小，从而消除或减弱码问干扰。

因此，OFDM 是一项既能保证高速数据业务，又能对抗频率选择性衰落的传输技术。

OFDM采用IFFT/FFT算法，大大降低了实现复杂度。

此外，在OFDM符号中加入循环前缀(CP)可以更好地消除码间干扰。

下行OFDM的发送和接收实现方式如图所示：OFDM系统基本模型OFDM调制模块接口：输入参数为预编码后的待发送信号；输出参数为OFDM 调制信号。

OFDM解调模块接口：输入参数为接收机的接收信号；输出参数为OFDM解调信号。

可见，MIMO技术可以将多径效应的负面影响转变为有利因素，利用多径传播特性来提高链路可靠性或系统容量；而OFDM正是对抗频率选择性衰落的良好技术，因此，MIMO和OFDM相结合可以对系统性能带来巨大提高。