毕业设计文献阅读报告概要

通信工程学院

毕业设计文献阅读报告题目：LTE系统的峰均比研究

专业：通信工程

学号：20111723

学生姓名：陈婉迪

指导教师姓名：迟学芬

指导教师职称：教授

日期：2015年 1 月12 日

通过阅读36.211协议，我对LTE上行物理信道有的新的理解与认识。具体从以下三个方面进行总结。

1 LTE系统帧结构

LTE系统上、下行链路都以无线帧结构进行传输，每帧长度为10ms，共包含20个时隙即10个子帧，每一个时隙为0.5ms。因为LTE在数据传输延时方面要求很高，要求单向延时小于5ms，所以LTE系统必须采用很小的的子帧长度（TTI）。TS36.211协议标准规定了一个TTI为1ms。

目前LTE物理层共有两种类型的帧结构（Type1和Type2），其中Type1类型的帧结构如图1.1所示，主要适用于频分双工（FDD）。在FDD中，10个子帧既可以用于下行传输也可以用于上行传输，上、下行传输是按频域进行隔离的。对于Type2类型的帧结构如图1.2所示，仅适用于时分双工（TDD）传输模式，其主要是由常规子帧和特殊子帧组成的。LTE TDD支持5ms和10ms的上、下行切换周期。如果LTE系统采用5ms为上、下行链路周期转换点时，那么每帧的第一子帧和第六子帧仅用于下行传输，其他子帧既可以作为下行子帧进行传输也可以作为上行子帧进行传输，而特殊子帧则会存在前后两个半帧中。如果上、下行链路的周期转换点采用10ms，那么特殊子帧就仅存在于第一帧的前半帧中。本文接下来的分析，只针对第一种类型的帧结构。

One slot

………………

#0#1#2#3#18#19

One subframe

图1.1 基于FDD的LT E帧结构

第四章LTE上行物理信道峰均比性能分析

Subframe#0Subframe#2Subframe#3Subframe#4Subframe#5

Subframe#7Subframe#8Subframe#8 One half-frame

One

slot

One

subframe

DwPTS GP UpPTS DwPTS GP UpPTS

One radio frame,

图1.2 基于TDD的LT E帧结构

1.1 LTE系统的关键技术

目前，OFDM技术已经成为了LTE系统的核心技术，而SC-FDMA技术同样也是LTE 系统的关键技术之一。SC-FDMA技术是一种使用单载波调制和频域均衡的技术，与OFDMA具有相似的复杂度，但其拥有相对较低的PAPR，它们分别为LTE系统上行和下行链路的多址接入技术。LTE系统下行链路则采用OFDM技术，该技术大大的改善了LTE 系统的性能，提高了系统的带宽使用效率，并将高速的数据流分配到速度较低的子载波上，大大的降低了系统的传输速度，但OFDM技术仍然存在着PAPR过高的问题。这一问题将会成为阻碍LTE系统发展的因素之一，同时也会限制OFDM技术在其他领域的应用。对于LTE系统上行链路的SC-FDMA技术，它度PAPR更为敏感，而且较高的PAPR将会降低终端电池的寿命。因此，研究PAPR减小技术也是至关重要。本文会在后续章节继续讨论PAPR的减小技术。

LTE系统的另一个关键技术则是多天线技术构成的信道即MIMO信道。LTE系统采用MIMO技术可以大幅度的改善了系统容量，这对LTE系统性能的提高起到了非常重要的作用。

2.2 OFDM技术

2.2.1 OFDM技术基本原理

正交频分复用（OFDM）技术已经成为了LTE系统的核心技术，并在多个领域内使用，它与传统的多信道传输方案有所不同，主要是OFDM技术没有为每一个子载波提供独立的滤波器和振荡器，而另一方面则是它能够更好的提高带宽利用率，并保证了子载波之间相互正交。要想进一步改善LTE系统的性能，清楚其核心技术及OFDM技术的基本原理是非常重要的。

OFDM技术的基本原理就是将高速串行的比特流通过串并转换分散到多个低速正交

的子载波上进行并行传输，所以可以大幅度的降低系统的数据传输速率。数据流在经过多径衰落信道时，会导致子载波出现时延扩展现象，那么子载波在每个OFDM 符号周期内不在正交，所以在OFDM 符号之间插入保护间隔并在保护间隔内插入循环前缀是非常重要的。图2.1给出了由IFFT/FFT 实现OFDM 传输的结构简图。

编码器

串并转换

信道和噪声

积分器

并串

转换

解码器

IFFT

FFT

...

图2.1 OFDM 传输方案简图

2.2.2 OFDM 技术的基带实现原理

讨论了OFDM 系统的基本原理之后，我们现在来研究一下OFDM 技术的实现过程。OFDM 系统在实际应用中是通过离散的数字基带信号实现的，其主要是通过IFFT 变换和FFT 变换来实现数字信号的时频域切换。图2.2给出了OFDM 系统在发送端和接收端的数字实现原理框图。

QAM 解码器

串并变换N-点IFFT

加CP

D/A

并串变换

QAM 编码器

并串变换N-点FFT

去CP

串并变换

A/D

...

输出比特序列

...

图2.2 采用IFFT/FFT 的OFDM 系统的发射端和接收端原理框图

从图中可以清楚的看到采用OFDM 技术的基带实现过程，首先OFDM 发射端将数据通过QPSK/16QAM/64QAM 等方式进行调制，然后将调制后的序列进行串并转换得到了N 个并行的数据流，而后每N 个比特流经过串并转换后在通过不同的子载波进行调制。我们

让[]l X k 表示第k 个子载波上的第l 个发送符号，0,1,2,l =???∞，0,1,2,1k N =???,-。由于经过了串并转换，N 个数据符号的传输时间将会被扩展为S NT ，它就等价于一个OFDM 符号的周期sym T ，即sym T =S NT 。我们让(),t l k

ψ代第k 个子载波上的第l 个OFDM 信号：

()2,0,0

j πf t T sym k e t T t sym l k ???

?????????- <≤ψ= (2-1)

在时间上是连续的通频带信号和基带信号可以分别表示式（2-2）和式（2-3）：

()[]()11Re ,00N x t X k t l l l k T l k sym ??∞-??????

=ψ∑∑????????==????

(2-2)

和

()[]2100

j πf t lT N k sym x t X k e l l

l k ??- ?∞-??=∑∑== (2-3)

在时刻t lT

nT sym

=+，T T N s sym =/，/k sym f k T =，对式（2-3）中的时间上是连续的

OFDM 基带信号进行L 倍插值，那么我们就可以得到对应的离散的时间域的OFDM 符号：

[][]1

2/0,0,1,,1N j πkn N l l k x n X k e n N -===???-∑ (2-4)

可以证明式(2-4)是QPSK 或QAM 数据符号[]{}1

0N l k X k -= 的N 点IDFT ，并且利用IFFT 算法可以进行有效的计算。

在接收端则是通过FFT 算法将接收到的OFDM 信号进行还原。 2.2.3 PAPR 的定义及计算

考虑到复数据序列{a[n]}的脉冲幅度调制（PAM ）基带信号为式（2-5）：

()[]()

s t a n g t kT s k

=-∑ (2-5)

其中g(t)为发射脉冲，S T 为符号周期。图2.6显示了对应于式(2-5)的PAM 发射机，其中通频带正交调制器的输出为

(

)()()()}

2c j πf t I Q s t s t js t e =+ (2-6)

其中，()I s t 和()Q s t 分别表示PAM 复基带信号()s t 的同相和正交分量，即()I Q s t s s =+。

峰均比(PAPR)是复基带信号()s t 的最大峰值功率和平均功率的比值，式(2-7)为PAPR 的表达式：

()()

{

}

max (

1)0PAPR s t dB l t og E s =（） (2-7)

通过定义波峰因数

（CF ），可以按照幅度形式描述上面的功率特性，具体表达如式(2-8)：通频带：CF =

基带：CF = (2-8)

映射器

发射滤波器

正交调制器

BPF

HPA

输入

图2.6 PAM 发射机

2.2.4 OFDM 峰均比的概率分布

如果N 点IFFT 的输入信号相互独立并且幅度是有限的时候，时域复OFDM 信号s(t)的幅度服是从瑞丽分布的，而其虚部和实部则都渐进服从高斯分布。令{}n Z 表示复采样(){}1

0/N s n s nT N -=的幅度。假设s(t)的平均功率等于1，那么{}n Z 就是独立同分布的随机变量，概率密度函数（PDF ）为:

()22

222,0,1,,1n z

z σZ z f z e

ze n N σ

--===?? ?- (2-9) 其中，{}2221E Z σ==。那么max Z 就相当于CF 。令max Z 表示CF ，即

max 0,1,1max n N n Z Z =???-=。max Z 的互补累计分布函数(CDF)为

()()

()()()(

)

max 2

max 0111Z N N

z F z P Z z P Z z P Z z P Z z e

--=<=

,0,1,2,n

n Z P Z z f

x dx

n <==???,N -1?。为了得到CF 超过Z 的概率，这里考

虑使用互补累计分布函数(CCDF):

()()

()

()(

)

max max 1111amx amx Z Z N

z F z P Z z P Z z F z e

-=>=-≤=- =-- (2-11)

式(2-10)和式(2-11)是在假设N 个采样相互独立且N 足够大的情况下得到的，实际应用时上式是不成立的。由于很难得到过采样信号准确的CCDF ，因此使用简化的CCDF ：

()(

)

z Z F z e α-=- (2-12)

2.2.5过采样的基本原理

式(2-7)中的PAPR 的计算是针对连续信号的基带信号定义的。因为c f 通常远大于1/T ，所以符号周期为T 的连续时间基带OFDM 信号和相应的载波频率为c f 的通频带信号()s t 具有相同的峰均比。然而，离散时间基带信号()s n 和连续时间基带信号()s t 的峰均比是不可能相等的。实际上()s n 的峰均比要小于()s t 的峰均比，因为离散的基带信号是取不到连续基带信号的所有的峰值的。所以我们必须通过硬件测量方式才能得出连续时间基带信号的峰均比（PAPR ）。在实际应用中，可以对()s t 进行L 倍插值（过采样），那么就可以使得()s n 和()s t 具有相同的峰均比。

图2.7显示了L 倍插值器的框图。在()s n 之间插入L-1个零。得到输出[]w m ：

[][]/,0,,2,0

s m N m L L w m ?=±±???

?=??? (2-13)

实际上是利用一个低通滤波器（LPF ）由[]w m 构建L 倍插值的()s n 。对于脉冲响应

为[]h m 的LPF ，经L 倍插值的输出[]y m 可以表示为

[][][]k y m h k w m k ∞

=-∞

-∑ (2-14)

LPF

上采样

抗镜像滤波器

图2.7 过采样因子为L 时的插值器的原理框图

在OFDM 系统中，IFFT 输出信号()s n 经过采样的表达式为：

[][]12/0

.,0,1,1LN j πm f L k s m S K e

m NL -??N

=''=

=???-∑ (2-15)

其中

[][],0/2,/20

S k k N NL N k NL

S k ?≤<-<

?? (2-16)

对应于L 倍的插值信号，我们对PAPR 进行了重新的定义，其表达式为

[][]

{

}

0,1,2

max m NL

s m PAPR E s m =???'=

' (2-17)

2.2.6峰均比过高带来的问题

峰均比过高对SC-FDMA 系统和OFDMA 系统产生很大的影响，同时要求收、发两

端功率放大器的线性范围增大。因为普通的功率放大器一般都是非线性的，如果PAPR 过高，那么就会使得信号在输出端产生非线性失真。如图2.8显示了高功率放大器(HPA)的

输入和输出特性曲线。如果最大的输入功率max

in P 给定，那么相应的最大输出功率将会被限定为max out P 。为了能够使功率放大器工作在线性区域，那么输入功率就必去回退。我们可以

采用输入回退(IBO)或者输出回退(OBO)来描述非线性区域：

max max 1010

10log ,10log in out

in out

P P IBO OBO P P == (2-18) 由于输入的幅度较大，从而会进入到HPA 的非线性区域内，这会引起带外辐射和较

大的带内失真。与此同时，这对通信的传输质量造成了很大的影响，并且会降低系统的整体性能。

图2.8 HPA 的输入-输出特性曲线

3 SC-FDMA 的基本原理

图3.1给出了SC-FDMA 系统和OFDM 系统的发射端原理框图，从图中可以看出，SC-FDMA 系统又名为DFT 扩展OFDM （DFT-S-OFDM ）的原因是它与OFDM 具有相似的结构，它就是在OFDM 系统的基础上加上了一个预编码模块即混合基DFT 模块。

SC-FDMA 系统的基本原理与OFDM 系统具有相似之处，它就是在OFDM 调制之前对时域信号进行了预编码处理得到频域信号，然后对其进行插零处理，扩展之后的信号在通过IFFT 处理将其转换为时域信号。DFT-S-OFDM 系统的每个子载波上的数据符号是同一时刻所有子载波上数据符号的线性合并，这样可以保证每个SC-FDMA 符号周期内，所有的子载波都携带每一数据符号的分量。与此同时，上行用户之间能够在频域上正交

QAM

调

制

串

并

转

换

预编码

（M点

DFT）

子

载

波

映

射

N点的

IFFT

加

循

环

前

缀

并

串

转

换

脉

冲

成

型

（R

）

QAM

调

制

串

并

转

换

子

载

波

映

射

N点的

IFFT

加

循

环

前

缀

并

串

转

换

脉冲成

型

（FIR

）二进制输

...

......

...

(a)SC-FDMA

(b)OFDMA

图3.1 基带信号发射的模型

3.1子载波映射类型

对于SC-FDMA系统，PAPR减小的效果还依赖于为每位用户分配子载波的方式。因此，在分析SC-FDMA系统的PAPR性能之前，首先介绍一下用户分配子载波的方式。图 3.2给出了两种分配方式：分布式（DFDMA）和集中式(LFDMA)。其中DFDMA在整个可以使用的频带内分配M点的DFT输出，与此同时让剩下的N-M个子载波全部填零；LFDMA则是将经过DFT输出的数据分配给M个连续的子载波,剩余子载波同样是用零填充；若是以N/M=S的距离等间隔分配经过DFT变换的输出数据时，DFDMA将被命名为交织FDMA （IFDMA），其中S被称为DFT扩频因子。

…

零

…

零

DFDMA LFDMA

图3.2 SC-FDMA系统的子载波分配方式（DFDMA和LFDMA）示意图

图3.3给出了三个用户终端分配子载波的示意图。在该图中设置N=12，M=4，S=3，通过该图我们可以更好的理解上述几种子载波分配方式。图3.4则给出了一个在DFDMA 、LFDMA 和IFDMA 中DFT 扩频的例子（N=12，M=4，S=3）。图中示意了经过4点DFT 的数据和12点的IFFT 的的子载波分配及映射的关系。

频率

集中式终端1终端2

终端

图3.3 三个用户终端子载波分配的示意图：N=12，M=4，S=3

图3.4 在IFDMA 、DFDMA 和LFDMA 中DFT 扩频的例子：N=12，M=4，S=3