LTE-A系统的信道估计和导频设计研究
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硕士学位论文
LTE-A系统的信道估计和导频设计研究
Research on channel estimation and pilot design in LTE-A system
作者：孙乐
导师：杨维
北京交通大学
2021年5月
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，提供阅览服务,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。
LTE是关于全球地面无线接入（Universal Terrestrial Radio Access，UTRA）和全球地面无线接入网（Universal Terrestrial Radio Access，UTRAN）的演进，是对包括核心网在内的全网演进。它包含了无线接口和无线网络结构部分。LTE的核心目标就是要提供更高的数据速率和频谱利用率同时降低开发和资源配置的成本。空中接口物理层技术依旧是无线通信系统的基础与标志，LTE系统物理层上行传输采用峰均比较低的单载波频分复用（Single Carrier-Frequency Division Multiple Access，SC-FDMA）技术，下行传输采用先进成熟的正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）技术。在网络结构方面，LTE取消了UMTS标准长期采用的无线网络控制器节点，代之以全新的扁平结构，以减少网络层次，降低数据传输时延和呼叫建立时间，满足实时业务的需要。
KEYWORDS：LTE；LTE-A；channel estimation；pilot；reference signal
CLASSNO：TN929.533
1
1.1
随着无线通信的高速发展，第三代合作伙伴计划（3rdGeneration Partnership Project，3GPP）也开始了通用移动通信系统（Universal Mobile Telecommunications Systems，UMTS）技术的长期演进（Long Term Evolution，LTE）项目。与其说是3G技术的“演进”，不如说是“革命”。它和超宽带（Ultra Wideband，UWB）、全球微波接入互操作（World interoperability for Microwave Access，WiMAX）等技术，由于已经具有某些第4代通信技术的特征，甚至可以称之为“准4G”技术[1]。同时，随着第四代移动通信系统标准化进程的开展，3GPP也于2008年3月正式立项开始针对先进的LTE（LTE-Advanced）的初步研究。LTE和LTE-Advanced作为一个即将被广泛应用的通信标准，势必会成为通信产业界关注的焦点。
本文还研究了LTE-A系统常规CP的参考信号设计。根据常规CP的参考信号设计原则，对现有的常规CP参考信号设计方案进行分析，并通过仿真评估验证了现有的参考信号设计方案的优越性。仿真结果表明常规CP的DMRS采用CDM+FDM的混合复用方式可以在满足兼容性和开销的同时提供更好的性能。
本文最后对LTE-A系统扩展CP的参考信号进行设计，重点研究了参考信号开销设计、Rank 1-2的DMRS设计、Rank 3-4的DMRS设计、Rank 5-8的DMRS设计以及和DMRS设计相关的层映射分析。基于已有设计原则和结论，提出了一种参考信号设计方法，仿真结果表明所设计的最优Rank 3-4参考信号图样具有最优的误码率性能。
（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）
学位论文作者签名：导Fra Baidu bibliotek签名：
签字日期：年月日签字日期：年月日
中图分类号：TN929.533
UDC：621.39
学校代码：10004
密级：
北京交通大学
硕士学位论文
LTE-A系统的信道估计和导频设计研究
Research on channel estimation and pilot design in LTE-A system
作者姓名：孙乐学号：08120180
导师姓名：杨维职称：教授
学位类别：工学学位级别：硕士
学科专业：通信与信息系统研究方向：无线宽带通信与
个人通信
北京交通大学
2021年5月
致谢
本论文的工作是在我的导师杨维教授的悉心指导下完成的，杨维教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来杨维老师对我的关心和指导。
This paperstillstudiesthereference signal design of thenormalCP for theLTE-A system.According tothedesign principlesof normalCP,the existingRS patterns ofthe normalCPareanalyzed andthe superiorityof the existing patterns areverified by simulation assessment.Simulation results show thatCDM pattern not onlysatisfythecompatibilityand overhead requiresbut also can obtain better channel estimation performance.
关键词：LTE；LTE-A；信道估计；导频；参考信号
分类号：TN929.533
ABSTRACT
ABSTRACT:In the next generation mobile communication system, the data coherent detection and soft decoding needto knowthechannel coefficientswhich aregivenbythe channel estimation.Thechannelestimation accuracyofchannel coefficient directly determines the system receiver performance,sothechannel estimationandpilot designhas been one of thekey technologiesin theLTE and LTE-A system.
1.1.1
3G技术的出现给移动通信带来了巨大的影响，它使移动电视、远程办公和医疗、网际游戏等摆脱了场地和环境的束缚，实现了真正意义上的无所不在。但人们的需求并没有就此停滞，在这种需求的推动下，3GPP提出了新的挑战，早在2004年就启动了LTE和系统架构演进（System Architecture Evolution，SAE）两大研究与标准化工作。经过6年多紧张而高效的工作，LTE标准应该说已经成熟。LTE引入了正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDM）和多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）等新兴无线技术，使空中接口传输能力达到100Mbit/s以上，采用扁平化网络结构和全因特网协议（Internet Protocol，IP）系统结构使传输延时更短和更适合承载数据业务，3GPP LTE已经被公认为是能在21世纪支撑世界电信工作的新一代移动通信系统。
另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。
中文摘要
摘要：在下一代移动通信系统中，数据的相干检测和软译码等处理都需要预先知道信道估计中给出的信道传输系数，这些信道估计传输系数的估计精度直接决定了系统接收机的性能，因此信道估计和导频设计成为LTE和LTE-A系统的关键技术之一。
本文首先研究了一种适合LTE的改进型Jakes信道仿真模型，提出了LTE系统信道仿真流程图。并以此为基础构建了LTE系统的时频二维信道估计，比较不同信道估计算法的性能。本文还提出了一种基于OFDM技术的LTE系统中导频信号的设计方法。该方法根据最大多径时延和最大多普勒频移来确定导频符号的时域和频域间隔，利用穷举法得到满足条件的所有的导频图案，采用二维维纳滤波估计算法获得的信道和实际产生信道的最小MSE结果得到最优的导频图案并通过BER曲线进行确认。仿真结果表明应用所设计的最优导频图样的系统与应用原始LTE导频图样相比具有更好的误码率(Bit Error Rate, BER)性能，证明了此方法的正确性和高效性。
This paper studies animproved Jakeschannel simulation modeland proposesthe channel simulation flow chartfor LTE.Thena time-frequency two-dimensionalchannel estimationofLTE systemis builtandtheperformances of the different channel estimation algorithms arecompared. Futhermore, a novel method for the optimal pilot design is propsed. Firstly, the spacings in the time and frequedncy domain between two pilot symbols are determined according to the largest multi-path delay and the maximum Doppler frequency shift, respectively.Thenthe exhaustive search method is used to list all possible pilot patterns. Finally,theMSEbetween the estimated channel and actual channel are calculated in order to obtaining the minimum one which corresponds to the optimal pilot pattern. Simulation results show that thesystem BERperformance oftheoptimal pilot pattern is better than that of the original one in LTE systemand prove the proposed algorithm iscorrect and efficient.
许昌龙博士和冯锡生教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向许昌龙博士和冯锡生教授表示衷心的谢意。
杨维教授、许昌龙博士、冯锡生教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。
在实验室工作及撰写论文期间，阳振华、刘姗、余绪梅等同学对我论文的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。
This paper finallythereference signal design of theextendedCP for theLTE-A, such astheRSoverheaddesign, DMRS designofRank 1-2, DMRS designof Rank 3-4, DMRSdesign ofRank 5-8 and layer mapping analysis.Andbased on above all,a LTE-Advanced exhaustive reference signal system designis proposed,Simulation results show thatthe optimal pilotproposed bythenewexhaustivedesign methods can get the best performance.
LTE-A系统的信道估计和导频设计研究
Research on channel estimation and pilot design in LTE-A system
作者：孙乐
导师：杨维
北京交通大学
2021年5月
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，提供阅览服务,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。
LTE是关于全球地面无线接入（Universal Terrestrial Radio Access，UTRA）和全球地面无线接入网（Universal Terrestrial Radio Access，UTRAN）的演进，是对包括核心网在内的全网演进。它包含了无线接口和无线网络结构部分。LTE的核心目标就是要提供更高的数据速率和频谱利用率同时降低开发和资源配置的成本。空中接口物理层技术依旧是无线通信系统的基础与标志，LTE系统物理层上行传输采用峰均比较低的单载波频分复用（Single Carrier-Frequency Division Multiple Access，SC-FDMA）技术，下行传输采用先进成熟的正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）技术。在网络结构方面，LTE取消了UMTS标准长期采用的无线网络控制器节点，代之以全新的扁平结构，以减少网络层次，降低数据传输时延和呼叫建立时间，满足实时业务的需要。
KEYWORDS：LTE；LTE-A；channel estimation；pilot；reference signal
CLASSNO：TN929.533
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1.1
随着无线通信的高速发展，第三代合作伙伴计划（3rdGeneration Partnership Project，3GPP）也开始了通用移动通信系统（Universal Mobile Telecommunications Systems，UMTS）技术的长期演进（Long Term Evolution，LTE）项目。与其说是3G技术的“演进”，不如说是“革命”。它和超宽带（Ultra Wideband，UWB）、全球微波接入互操作（World interoperability for Microwave Access，WiMAX）等技术，由于已经具有某些第4代通信技术的特征，甚至可以称之为“准4G”技术[1]。同时，随着第四代移动通信系统标准化进程的开展，3GPP也于2008年3月正式立项开始针对先进的LTE（LTE-Advanced）的初步研究。LTE和LTE-Advanced作为一个即将被广泛应用的通信标准，势必会成为通信产业界关注的焦点。
本文还研究了LTE-A系统常规CP的参考信号设计。根据常规CP的参考信号设计原则，对现有的常规CP参考信号设计方案进行分析，并通过仿真评估验证了现有的参考信号设计方案的优越性。仿真结果表明常规CP的DMRS采用CDM+FDM的混合复用方式可以在满足兼容性和开销的同时提供更好的性能。
本文最后对LTE-A系统扩展CP的参考信号进行设计，重点研究了参考信号开销设计、Rank 1-2的DMRS设计、Rank 3-4的DMRS设计、Rank 5-8的DMRS设计以及和DMRS设计相关的层映射分析。基于已有设计原则和结论，提出了一种参考信号设计方法，仿真结果表明所设计的最优Rank 3-4参考信号图样具有最优的误码率性能。
（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）
学位论文作者签名：导Fra Baidu bibliotek签名：
签字日期：年月日签字日期：年月日
中图分类号：TN929.533
UDC：621.39
学校代码：10004
密级：
北京交通大学
硕士学位论文
LTE-A系统的信道估计和导频设计研究
Research on channel estimation and pilot design in LTE-A system
作者姓名：孙乐学号：08120180
导师姓名：杨维职称：教授
学位类别：工学学位级别：硕士
学科专业：通信与信息系统研究方向：无线宽带通信与
个人通信
北京交通大学
2021年5月
致谢
本论文的工作是在我的导师杨维教授的悉心指导下完成的，杨维教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来杨维老师对我的关心和指导。
This paperstillstudiesthereference signal design of thenormalCP for theLTE-A system.According tothedesign principlesof normalCP,the existingRS patterns ofthe normalCPareanalyzed andthe superiorityof the existing patterns areverified by simulation assessment.Simulation results show thatCDM pattern not onlysatisfythecompatibilityand overhead requiresbut also can obtain better channel estimation performance.
关键词：LTE；LTE-A；信道估计；导频；参考信号
分类号：TN929.533
ABSTRACT
ABSTRACT:In the next generation mobile communication system, the data coherent detection and soft decoding needto knowthechannel coefficientswhich aregivenbythe channel estimation.Thechannelestimation accuracyofchannel coefficient directly determines the system receiver performance,sothechannel estimationandpilot designhas been one of thekey technologiesin theLTE and LTE-A system.
1.1.1
3G技术的出现给移动通信带来了巨大的影响，它使移动电视、远程办公和医疗、网际游戏等摆脱了场地和环境的束缚，实现了真正意义上的无所不在。但人们的需求并没有就此停滞，在这种需求的推动下，3GPP提出了新的挑战，早在2004年就启动了LTE和系统架构演进（System Architecture Evolution，SAE）两大研究与标准化工作。经过6年多紧张而高效的工作，LTE标准应该说已经成熟。LTE引入了正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDM）和多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）等新兴无线技术，使空中接口传输能力达到100Mbit/s以上，采用扁平化网络结构和全因特网协议（Internet Protocol，IP）系统结构使传输延时更短和更适合承载数据业务，3GPP LTE已经被公认为是能在21世纪支撑世界电信工作的新一代移动通信系统。
另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。
中文摘要
摘要：在下一代移动通信系统中，数据的相干检测和软译码等处理都需要预先知道信道估计中给出的信道传输系数，这些信道估计传输系数的估计精度直接决定了系统接收机的性能，因此信道估计和导频设计成为LTE和LTE-A系统的关键技术之一。
本文首先研究了一种适合LTE的改进型Jakes信道仿真模型，提出了LTE系统信道仿真流程图。并以此为基础构建了LTE系统的时频二维信道估计，比较不同信道估计算法的性能。本文还提出了一种基于OFDM技术的LTE系统中导频信号的设计方法。该方法根据最大多径时延和最大多普勒频移来确定导频符号的时域和频域间隔，利用穷举法得到满足条件的所有的导频图案，采用二维维纳滤波估计算法获得的信道和实际产生信道的最小MSE结果得到最优的导频图案并通过BER曲线进行确认。仿真结果表明应用所设计的最优导频图样的系统与应用原始LTE导频图样相比具有更好的误码率(Bit Error Rate, BER)性能，证明了此方法的正确性和高效性。
This paper studies animproved Jakeschannel simulation modeland proposesthe channel simulation flow chartfor LTE.Thena time-frequency two-dimensionalchannel estimationofLTE systemis builtandtheperformances of the different channel estimation algorithms arecompared. Futhermore, a novel method for the optimal pilot design is propsed. Firstly, the spacings in the time and frequedncy domain between two pilot symbols are determined according to the largest multi-path delay and the maximum Doppler frequency shift, respectively.Thenthe exhaustive search method is used to list all possible pilot patterns. Finally,theMSEbetween the estimated channel and actual channel are calculated in order to obtaining the minimum one which corresponds to the optimal pilot pattern. Simulation results show that thesystem BERperformance oftheoptimal pilot pattern is better than that of the original one in LTE systemand prove the proposed algorithm iscorrect and efficient.
许昌龙博士和冯锡生教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向许昌龙博士和冯锡生教授表示衷心的谢意。
杨维教授、许昌龙博士、冯锡生教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。
在实验室工作及撰写论文期间，阳振华、刘姗、余绪梅等同学对我论文的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。
This paper finallythereference signal design of theextendedCP for theLTE-A, such astheRSoverheaddesign, DMRS designofRank 1-2, DMRS designof Rank 3-4, DMRSdesign ofRank 5-8 and layer mapping analysis.Andbased on above all,a LTE-Advanced exhaustive reference signal system designis proposed,Simulation results show thatthe optimal pilotproposed bythenewexhaustivedesign methods can get the best performance.