4G无线通信系统同步信道FSTD分集的设计与仿真要点

目录
摘要 (2)
关键词 (2)
一、绪论 (3)
（一）研究背景 (3)
（二）概念 (3)
（三）原理及技术 (5)
二、分集技术 (6)
（一）分集技术的分类 (7)
（二）常用的分集方式 (9)
三、LTE物理层技术 (14)
（一）基本传输技术和多址技术 (14)
（二）“宏分集”之争 (16)
（三）帧结构和系统参数设计 (16)
（四）其他物理层设计 (18)
（四）空中接口协议结构和网络架构 (23)
四、802.16m系统SCH功能 (25)
（一）SCH结构 (25)
五、PA设计 (29)
（一）时间同步算法 (29)
（二）PA序列设计，序列特性 (31)
（三）PA序列检测，差分检测，整数频偏估计 (34)
（四）16m系统的PA序列设计 (35)
六、总结 (36)
参考文献 (38)
摘要
第四代无线通信系统——4 G 与现有的无线通信系统相比，不但应提供更高的音声质量和更快比特速率的数据服务，而且必须能在不同类型环境下进行可靠工的作，如宏蜂窝、微蜂窝和微微蜂窝的环境，城市、城郊和农村，室内和室外等。

随着技术的发展与应用，现有移动电话网中手机的通话质量还在进一步提高。

数据通信速度的高速化的确是一个很大优点，它的最大数据传输速率达到
100Mbit/s，简直是不可思议的事情。

另外由于技术的先进性确保了成本投资的大大减少，未来的4G通信费用也要比2009年通信费用低。

本文研究工作对4G移动通信系统的设计具有一定的参考价值。

随着移动通信和无线因特网需求的不断增长，越来越需要更加先进的天线传输技术。

高速无线通信系统设计的一个最直接的挑战就是克服无线信道带来的频率选择性衰落。

MIMO技术作为4G通信系统的一项关键技术，在移动通信系统中得到越来越广泛地应用。

本文结合空间分集在移动通信中的实际应用的具体需求，系统地研究了空间分集及其性能分析方法，针对其中空间分集合并技术的实用性问题，提出了发射分集方案。

关键词
无线通信系统OFDM系统MIMO的基本原理分集技术
一、绪论
（一）研究背景
中国移动通信集团总公司总工程师李默芳说:“世界移动通信业务在过去20年间(或者30年间)增长了80多倍，而各种移动通信技术,例如2G，3G，WLAN 等又以惊人的速度发展着，日新月异的通信技术不断提高人们的生活质量：从传统大功率的单独的基站系统到蜂窝移动系统，本地覆盖到区域覆盖的转换，到现在的全国覆盖，进一步并实现了国内甚至国际漫游，从提供话音业务到提供包括低速数据综合业务,典型例子就是视频通信,手机WAP网站，从模拟移动通信系统(AM,模拟电视)到数字移动通信系统(2G，3G，TD.LTE)……正在商业化的3G技术和正在研究的下一代移动通信技术(TD.LTE)正在实现,或者已经实现了,即任何人在任何地方任何时间与其他任何人进行任何方式的通信。

”
在大多数环境中，天线分集是实际有效，并广泛应用于降低多径衰落效应的技术。

在发射端和接收端同时增加天线，每一个发射天线发送一个独立信号，就形成天线分集通信系统——多入多出（MIMO）通信系统。

MIMO通信系统的核心思想是空时处理。

在这个处理中时间和固定的空间中有多个分布天线的空间维数相匹配。

关键特征是把传统无线传输的障碍，即多径效应，转变为有利于信道容量的能力，利用随机衰落和多径时延分布来增大传输速率。

（二）概念
1、4G移动通信网
4G最大的数据传输速率超过100Mbit/s，这个速率是移动电话数据传输速率的1万倍，也是3G移动电话速率的50倍。

4G手机可以提供高性能的汇流媒体内容，并通过ID应用程序成为个人身份鉴定设备。

它也可以接受高分辨率的电影和电视节目，从而成为合并广播和通信的新基础设施中的一个纽带。

此外，4G 的无线即时连接等某些服务费用会比3G便宜。

还有，4G有望集成不同模式的无线通信－－从无线局域网和蓝牙等室内网络、蜂窝信号、广播电视到卫星通信，移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准。

4G通信技术并没有脱离以前的通信技术，而是以传统通信技术为基础，并利用了一些新的通信技术，来不
断提高无线通信的网络效率和功能的。

如果说3G能为人们提供一个高速传输的无线通信环境的话，那么4G通信会是一种超高速无线网络，一种不需要电缆的信息超级高速公路，这种新网络可使电话用户以无线及三维空间虚拟实境连线。

4G通信技术并没有脱离以前的通信技术，而是以传统通信技术为基础，并利用了一些新的通信技术，来不断提高无线通信的网络效率和功能的。

如果说3G能为人们提供一个高速传输的无线通信环境的话，那么4G通信会是一种超高速无线网络，一种不需要电缆的信息超级高速公路，这种新网络可使电话用户以无线及三维空间虚拟实境连线。

与传统的通信技术相比，4G通信技术最明显的优势在于通话质量及数据通信速度。

然而，在通话品质方面，移动电话消费者还是能接受的。

随着技术的发展与应用，现有移动电话网中手机的通话质量还在进一步提高。

数据通信速度的高速化的确是一个很大优点，它的最大数据传输速率达到100Mbit/s，简直是不可思议的事情。

另外由于技术的先进性确保了成本投资的大大减少，未来的4G通信费用也要比2009年通信费用低。

4G通信技术是继第三代以后的又一次无线通信技术演进，其开发更加具有明确的目标性：提高移动装置无线访问互联网的速度--据3G市场分三个阶段走的的发展计划，3G的多媒体服务在10年后进入第三个发展阶段，此时覆盖全球的3G网络已经基本建成，全球25%以上人口使用第三代移动通信系统。

在发达国家，3G服务的普及率更超过60%，那么这时就需要有更新一代的系统来进一步提升服务质量。

2、OFDM系统
正交多载波调制是一种高效的数据传输方式，通过串并变换将高速数据流分散到多个正交的子载波上传输。

其主要思想是：在频域内将给定的数据信号转换成并行的低速子数据流，再在各个子载波上进行调制，并且各子载波相互正交，并行传输。

3、无线通信系统
无线通信系统（Wireless Communication System）：也称为无线电通信系统，是由发送设备、接收设备、无线信道三大部分组成的，利用无线电磁波，以实现信息和数据传输的系统。

它根据工作频段或传输手段分类, 可以分为中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和卫星通信等。

4、MATLAB语言
MATLAB是由美国mathworks 公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。

它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran ）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平[6]。

MATLAB和Mathematica、Maple、MathCAD 并称为四大数学软件。

它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。

MATLAB 可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

（三）原理及技术
1、OFDM原理
在OFDM系统中，一方面各个子载波的符号速率大幅下降，相应的符号持续时间变大，从而减少符号间干扰的影响，有较强的抗时延扩展能力；另一方面信号的并行传输分散了瑞利衰落引起的突发性错误，提高了系统的抗突发错误的能力。

由于OFDM 各子载波相互正交，因此允许子载波的频谱互相重叠，充分利用有限的频谱资源,大大提高频谱利用率。

由于每个子信道上的信号带宽都小于信道的相干带宽，因此每个子信道可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间的干扰（ISI）。

同时在OFDM 系统中，普遍采用循环前缀（CP）作为保护间隔从而可以避免由多径带来的信道间干扰（ICI ）。

另外，由于OFDM系统中各
个子信道相互正交，这样可以避免子载波之间的相互干扰。

在理想情况下，接收端可以利用子载波间的正交性互不干扰地对各子载波进行解调。

因此OFDM能够很好地适应无线通信中的多径环境。

在OFDM符号前加入保护间隔，只要保护间隔大于信道的时延扩展，则可以完全消除符号间干扰。

在接收端，经过无线信道后的OFDM信号各子信道间保持了原有的正交性，信道干扰的影响简化为一个复传输常数与一个子信道传输的信号相乘，因此，对信号进行均衡变得很简单。

2、MIMO的基本原理
MIMO系统的基本原理是采用空时编码方式将用户的串行码流通过编码、调制、加权和映射等方式分成多路并行的数据子流，并分别由多个天线同时、同频发送，接收端用多个天线进行接收，并利用估计出的信道传输特性与发送子码流间一定的编码关系对多路信号进行空间域和时间域上的处理，从而分离出发送子码流，得到发送的原信号。

MIMO技术本质上是利用多天线同时发送和接收而形成的多个并行的独立数据子流来提高系统的信道容量和抗衰落能力。

因此，数据子流的独立性和数据在各天线间分配方式是影响系统性能的关键因素。

独立数据子流的数目，由天线链路问的衰落相关性决定，因此在MIMO系统中，天线链路间的衰落相关性成为影响MIMO系统的性能的关键因素之一。

3、分集技术的基本原理
在无线移动通信中广泛使用了分集技术来减少多径衰落的影响，并且在不增加发射功率或牺牲带宽的前提下提高传输的可靠性。

分集技术在接收端需要发射信号的多个样本信号，每个样本信号反映相同的信息，但是在衰落统计特性上具有较小的相关性。

分集的基本思想是：如果利用信号的两个或多个独立样本，那么这些样本将以不相关的模式衰落，采用合理方式合并这些样值可以大大降低衰落的影响，相应地也就能够提高传输的可靠性。

分集技术包括2个方面：一是分散传输，使接收机能够获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；二是集中处理，即把接收机收到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响。

因此，要获得分集效果最重要的条件是各个信号之间应该是“不相关”的。

二、分集技术
分集的基本原理是通过多个信道（时间、频率或者空间）接收到承载相同信息的多个副本，由于多个信道的传输特性不同，信号多个副本的衰落就不会相同。

接收机使用多个副本包含的信息能比较正确的恢复出原发送信号。

如果不采用分集技术，在噪声受限的条件下，发射机必须要发送较高的功率，才能保证信道情况较差时链路正常连接。

在移动无线环境中，由于手持终端的电池容量非常有限，所以反向链路中所能获得的功率也非常有限，而采用分集方法可以降低发射功率，这在移动通信中非常重要。

为了定量的衡量分集的改善程度，常用标称改善效果，分集改善效果指采用分集技术与不采用分集技术两者相比对减衰落影响得到的效果。

分集改善效果用分集增益和分集改善度这两个指标来描述。

分集增益（Diversity Gain）是指在某一累积时间百分比内，分集接收与单一接收时的收信电平差。

这一电平差越大，分集增益越高，说明分集改善效果越好。

积累时间百分比越小，分集增益越高。

分集增益一般表示为分贝。

分集改善度是指在某一相对的收信电平时，单一接收与分集接收的衰落累积时间百分比之比。

分集阶数（diversity order）是指独立的支路衰落数，若每对接收天线间的衰落都独立，则：
分集阶数=分集天线数Nt*接收天线数
Nr （3.1）
分集阶数越多，可以获得的最大分集增益越大，对系统性能改善越多。

在多径信道下分集阶数还会增加，即：
分集阶数=分集天线数Nt*接收天线数Nr*信道多径
数（3.2）
（一）分集技术的分类
无线信道中的衰落根据产生原因和特性大体上分为两类：大尺度衰落和小尺度衰落。

大尺度衰落，主要是由于建筑物,大山,各种阻碍物体对信号的阻挡造成的，形成了有的地方信号到达不了,形成阴影,因此也叫作阴影衰落，一般情况下服从正态分布。

而小尺度衰落，也就是上文提到的多径衰落，一般情况下服从瑞利分布。

在移动通信系统中主要有两类分集方式:宏分集和微分集。

宏分集主要用于蜂窝通信系统，也叫做“多基站分集”，这是一种减少大尺度衰落的分集技术，起做法是把多个基站设置在不同的地理位置上（如蜂窝小区的对角上），并使其在不同的方向上，这些基站同时和小区内的一个移动台进行通信（选用其中信号最好的一个基站进行通信）。

显然，只要在各个方向上的信号传播不是同时受到阴影衰落，这种方法就能保持通信不会中断。

微分集是一种减小多径衰落的分集技术，在各种无线通信系统中都经常实使用，理论和实践都表明，在空间、频率、极化、角度及时间方面分离的无线信号，都呈现相互独立的衰落特性。

微分集技术包括以下几种主要方式。

1、空间分集
空间分集也称为阵列天线分集，即将同一个信号通过不同的天线发射，或由不同的天线接收从不同途径到达的同一信号。

天线分集能够实现的关键是阵元间距足够大以保证发送及接收的信号经空间传播后能演变成历经不同路径、不同时延、相互独立的多个信号到达接收端。

空间分集是本文研究的重点。

2、频率分集
由于频率间隔大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落可以认为是不相关的， 因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息， 以实现频率分集。

根据相关带宽的定义， 即 ∆
=π21c B （3.3） 式中，Δ为延时扩展。

例如，市区中Δ=3μs,Bc 约为53kHz ，这样频率分集需要用两部以上的发射机(频率相隔53 kHz 以上)同时发送同一信号， 并用两部以上的独立接收机来接收信号。

它不仅使设备复杂，而且在频谱利用方面也很不经济。

3、角度分集
角度分集的做法是使电波通过几个不同路径， 并以不同角度到达接收端， 而接收端利用多个方向性尖锐的接收天线能分离出不同方向来的信号分量； 由于这些分量具有互相独立的衰落特性， 因而可以实现角度分集并获得抗衰落的效果。

4、极化分集
在移动环境下,两副在同一地点,极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出不相关的衰落特性。

利用这一特点,在收发端分别装上垂直极化天线和水平极化天线,就可以得到2 路衰落特性不相关的信号。

所谓定向双极化天线就是把垂直极化和水平极化两副接收天线集成到一个物理实体中，通过极化分集接收来达到空间分集接收的效果，所以极化分集实际上是空间分集的特殊情况,其分集支路只有2 路。

5、时间分集
小尺度衰落除了具有空间和频率独立性之外， 还具有时间独立性， 即同一信号在不同的时间区间多次重发， 只要各次发送的时间间隔足够大， 那么各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的， 接收机将重复收到的同一信号进行合并， 就能减小衰落的影响。

时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号。

此外， 时间分集也有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的信号衰落现象。

由于它的衰落速率与移动台的运动速度及工作波长有关， 因而为了使重复传输的数字信号具有独立的特性， 必须保证数字信号的重发时间间隔满足以下关系：
()
λv f T m 2121=≥∆ （3.4） 式中，fm 为衰落频率，v 为车速，λ为工作波长。

若移动台处于静止状态，即v=0，由式(3.4)可知，要求ΔT 为无穷大，表明此时时间分集的得益将丧失。

换句话说， 时间分集对静止状态的移动台无助于减小此种衰落。

（二）常用的分集方式
TSTD 分集方式（时间切换发射分集），以一个OFDM 符号为周期进行天线切换的，获得空间增益。

FSTD 分集方式是在频率上的天线间切换，空间增益。

CDD 分集数据流首先经过信道编码，调制，进行IFFT 变换，得到时域的数据后，进行不同的循环延迟后产生多路数据，并在不同天线发送，从而获得频率增益和空间增益。

以上三种适合于不需要知道天线数目或无法知道天线数时的情况，如同步信道的分集设计。

PSD 分集数据经过信道编码和调制后，分别进行不同的相位旋转得到不同版本的信号信息，在分别进行IFFT 之后，将各个版本的信号在不同天线发射。

由于对时域的循环延迟等效于频域的线性相位旋转，可以认为CDD 为PSD 线性相位旋转情况下的一种时域的实现方式。

PVS 分集是通过类似不同权值实现分集的，类似于一种波束成型方法，PVS 分集是通过不同权值的切换实现分集的。

其实质是通过不同的加权矢量（波束方向），获得不同质量的空间信号样本，从而获得空间分集增益。

1、空间分集技术基本原理
我们知道在移动通信中，空间略有变动就可能出现较大的场强变化。

当使用多个接收信道时，它们受到的衰落影响是不相关的，且二者在同一时刻经受深衰落谷点影响的可能性也很小，因此这一设想引出了利用多副发送天线、多副接收天线的方案，独立地接收同一信号，再合并输出，衰落的程度能被大大地减小，即空间分集。

空间分集技术的依据在于快衰落的空间独立性， 即在任意两个不同的位置上接收同一个信号， 只要两个位置的距离大到一定程度， 则两处所收信号的衰落是不相关的。

为此， 空间分集的接收机至少需要两副相隔距离为d 的天线， 间隔距离d 与工作波长、地物及天线高度有关，在移动信道中，
通常取：
市区 λ5.0=d
郊区 λ8.0=d
在满足上市的条件下，两信号的衰落相关性已很弱；d 越大，相关性就越弱。

分集有两重含义： 一是分散传输， 使接收端能获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号； 二是集中处理， 即接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并(包括选择与组合)以降低衰落的影响。

空间分集分为空间分集发送和空间分集接收两个系统。

图 3.1 是空间分集技术原理示意图。

空间分集发送和空间分集接收都能获得分集增益，从而提高通信系统的性能。

2、分集接收技术
分集接收的基本原理接收端收到M(M ≥2)个分集信号后,如何利用这些信号以减小衰落的影响,这就是合并的问题。

信号合并的目的就是要使它的信噪比有所改善,因此对合并器的性能分析是环绕其输出信噪比进行的。

一般使用的是线性合并器, 把输入的M 个独立 衰落信号相加后合并输出。

假设M 个输入信号电压为()t r 1、()t r 2、····()t r M 则合并器 的
输出电压r(t)为: ()()()()()t r a t r a t r a t r a t r k M k k M M ∑==
+++=12211....... （3.7）
式中, k a 为第k 个信号的加权系数。

选择不同的加权系数,就可以构成不同的合并方式。

常用的有选择式合并（SC）、最大比值合并（MRC）、等增益合并（EGC）三种方式。

1）选择式合并(SC)
选择式合并（SC）是指检测所有分集支路的信号,以选择其中信噪比最高的那一个支路的信号作为合并器的输出。

由式（3.7）可见,在选择式合并器中,加权系数只有一项为1 ,其余均为0。

图3.3为二重分集选择式合并的示意图。

两个支路的中频信号分别经过解调然后作信噪比比较,选择其中有较高信噪合并比的支路接到接收机的共用部分。

选择式合并方法简单、实现容易。

但是,由于未被选择的支路信号丢弃, 因此抗衰落效果差。

2）最大比值合并（MRC）
最大比值合(MRC)并是一种最佳合并方式，其方框图如图 3 . 4 所示。

为了书写简 便， 每一支路信号包络()t r k 用k r 表示。

每一支路的加权系数k a 与信号包络k r 成正比而与噪声功率k N 成反比， 即
K
k k N r a = （3.8） 由此可得最大比值合并器输出的信号包络为
∑∑====M
K K k M k k k k N r r a r 121 （3 . 9）
式中， 下标R 表征最大比值合并方式。

3）等增益合并（EGC ）
等增益合并(EGC)无需对信号加权,各支路的信号是等增益相加的,其方框图如图3.5所示。

等增益合并方式实现比较简单，其性能接近于最大比值合并。

等增益合并器输出的信号包络为 ∑==
M k k E r r 1
（3.10）
式中,下标E 表征等增益合并。

4、 TSTD 分集方式
TSTD 的分集方式的实现框图如下图所示：
下图中的时间分集是OFDM 系统中以一个OFDM 符号为周期进行天线切换的。

在实际应用中，其切换周期可以进行调整。

如在一个OFDM 符号内或以多个OFDM 符号为间隔进行切换。

在多天线业务信道传输的时，采用该模式可以降低导频开销，因为同一时刻仅仅有一个天线传输数据，只需要设计一个天线的导频图样即可，所以天线可以使用同样的导频图样。

OFDM #1
Tx 1 OFDM#2
OFDM#3 Tx 2 Data tone Null tone
freq time Figure 2-1: TSTD transmit diversity
TSTD 实质获得的是空间分集增益，其具有实现简单，对UE 透明；可扩展到任意天线的特点，但不具备空时编码增益。

5、FSTD 分集方式：
FSTD 分集方式是在频率上的天线间切换。

FSTD 的分集方案如图2-2所示
OFDM#1
Tx 1 OFDM#2
OFDM#3 Tx 2 data tone Null tone
freq time Figure 2-2: FSTD transmit diversity
TSTD 和FSTD 分集方式结合可以产生为FSTD+TSTD 分集方式，如下图所示。

OFDM #1
Tx 1 OFDM#2
OFDM#3 Tx 2
Data tone for Tx 1
Null tone
freq time Data tone for Tx 2 Figure 2-3: FSTD+TSTD transmit diversity (special case for PVS)
同TSTD 类似，只能获得空间增益，具有容易扩展到任意天线的特点。

因此其性能与TSTD 的分集方式也较为接近。

三、LTE 物理层技术
LTE 的研究工作主要集中在物理层、空中接口协议和网络架构几个方面，其中网络架构方面的工作和4GPP 系统架构演进（SAE ）项目密切相关。

本文将对这几个方面的重大技术决定和进展做一简单的介绍。

（一）基本传输技术和多址技术
基本传输技术和多址技术是无线通信技术的基础。

4GPP 成员在讨论多址技术方案时，主要分成两个阵营：多数公司认为OFDM ／FDMA 技术与CDMA 技术相比，可以取得更高的频谱效率；而少。