TD-LTE中OFDM下行无线链路仿真分析

黎　鹏，丁洪伟，王　涌，郭　嘉，杨俊东，杨鲤铭

(1.云南大学 信息学院，昆明　650091； 2.云南省广播电视局 科技处，昆明　650031)



·计算机科学与实验·

TD-LTE中OFDM下行无线链路仿真分析

黎鹏1，丁洪伟1，王涌2，郭嘉2，杨俊东1，杨鲤铭1

(1.云南大学 信息学院，昆明650091； 2.云南省广播电视局 科技处，昆明650031)

LTE的系统结构与传统通信系统有了巨大的变革。文中分析研究了LTE的关键技术——OFDM，通过分析MIMO技术及Alamouti空时编码方式后，对OFDM与MIMO技术做了仿真，最后将之结合给出MIMO-OFDM系统的仿真。还介绍了下行无线链路的基本情况，给出PDSCH无线信道仿真，并进行相关的分析。这些关键技术在很大程度上决定了LTE的系统性能。

仿真；系统结构；通信系统；无线信道

LTE是3GPP定义的一个宽带移动通信网络标准，通常被称为4G，多址传输技术是无线通信的基础，TD-LTE的下行接入技术正交频分多址(OFDMA)，通过给不同用户分配不同子载波，可为更多用户提供正交频分复用(OFDM)方式的多址接入。一方面，由于用户间信道衰落的独立性，可利用联合子载波分配带来的多用户分集增益提高系统性能，达到较高的服务质量(QoS)；另一方面，把高速数据流分散到多个正交子载波上传输，使符号周期加长且大于多径时延，从而能有效地对抗多径衰落，继而最大限度地消除符号干扰(ISI)，并且它利用信号的时频正交性，使得频谱利用率得以大幅提高[1]。

1　OFDM原理

在频域上，非零子载波的频谱可以看作是脉冲宽度为T的矩形脉冲频谱与一组位于各个子载波频率上函数的δ卷积。一个OFDM符号4个移位的频谱相加如图1所示[2]。

图1　OFDM符号中4个子载波的频谱

2　OFDM关键技术问题

2.1OFDM的循环前缀[3]

为了消除由于多径所造成的载波间干扰(ICI)，OFDM符号需要在其保护间隔内填入循环前缀信号。加入空白保护和循环前缀保护两种间隔的OFDM系统误比特率性能如图2所示，图中参数设置为:FFT点数为64，子载波个数为52，加入循环前缀为16位，数据码元的调制方式为16-QAM。最大多径时延为8个样值，多普勒频移为100 Hz。

图2　16-QAM循环前缀对系统性能的影响

从图2仿真结果可看出，加入循环前缀的系统性能明显优于加入空白保护间隔的系统性能。加入保护间隔，消除了ISI，系统的性能大为提高；而用循环前缀代替空白保护间隔，保证了各个子信道间的正交性，大大减小了ICI，使系统性能进一步提高，可以很好地满足无线通信的基本需要。

2.2OFDM峰均功率比

由于一般的发信机功率放大器都不是线性的，而且其动态范围有限，所以当系统输出的信号变化范围较大时，会产生非线性失真，产生谐波，造成较明显的频谱扩展干扰以及带内信号畸变，导致整个系统性能下降。在单载波系统中，这一问题尚不明显，但是，在OFDM这种多载波系统中，由于每个符号是由多个独立的经过调制的子载波信号叠加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率(Peak Power)，假如这N个信号恰好均以峰值点相加时，该峰值功率将是平均功率的N倍。峰均比(PAPR)较大的MIMO-OFDM信号极易进入功率放大器的非线性区域，导致信号产生非线性失真，造成明显的频谱扩展干扰以及带内信号畸变，导致整个系统性能严重下降，高峰均比已成为MIMO-OFDM 的一个主要技术阻碍。

SLM选择性映射法是抑制高PAPR的一种最优算法[4]，设有128个子载波，采用QPSK调制，随机相位序列个数M分别为1、2、4、8、16、32，IFFT采用4倍过采样，随机产生215=32 768个OFDM符号序列，互补累积分布函数(CCDF)对如图3所示。

从图3中可以看出，当随机相位序列个数M=8时，PAPR超过8 dB的概率小于10-5，M=32时，PAPR超过7 dB的概率小于10-5。说明SLM方法对PAPR有很好的抑制效果。当然其代价也是明显的：首先，系统要额外计算M-1路信号，增加了开销；其次，随机相位信息要通过某种方式传到接收方，也会降低系统的有效性；再次，随机相位信息一旦出错将会对解调带来很大的影响，在一定程度上降低了系统的可靠性。

3　MIMO-OFDM技术及其仿真

OFDM技术把频率选择性深衰落信道转变成平衰落信道，而MIMO技术在不增加带宽的条件下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。研究表明，在衰落信道环境下，OFDM系统非常适合使用MIMO技术来提高容量，MIMO-OFDM采用Alamouti编码，被视为下一代高速无线局域网的核心技术[5]。

Alamouti空时分组码，是一种利用信号正交性的发送分集方法，在接收端可实现线性解码，是一种简单发射分级方法，尤其适用于双发射天线。采用Alamouti方案，信道为瑞利衰落信道，发射天线数为2，接收天线数分别为1和2(以对比其性能)，信噪比范围为0～20dB，调制方式采用QPSK调制，仿真符号数为100 000，仿真结果如图4所示。

图4　Alamouti方案在瑞利信道下的性能

由图4可以看出，与未采用发射分集的系统相比，采用Alamouti方案的系统性能大幅度的提高。同时，双接收天线系统性能要比单接收天线性能更好；在低信噪比时，双接收天线系统的性能甚至要优于AWGN信道下的性能。这是因为双接收天线系统不仅存在发射分集，而且存在接收分集，取得了2×2天线系统下的最大分集度4。仿真后我们可以看到2发2收方案分别比2发1收方案和未分集方案分别多出5 dB和9 dB的增益。

4　下行链路PDSCH的仿真模型

PDSCH是LTE承载主要数据的下行链路信道，其传输包括“调度信息”和“数据信息”两部分。在下行数据接收的过程中，终端对子帧中的 PDSCH所承载的调度信息进行检测，如果发现属于自己的调度信息，那么终端将根据该调度信息的指示(包括资源位置、编码调制方式等)，解调接收当前子帧中属于自己的 PDSCH 数据信息。

仿真时，设定为瑞利衰落信道，发射天线为2，接收天线为1，每帧符号数为7，FFT采样点为204 8，采用QPSK进行调制。天线间距为4λ时，用户不同移动速率下PDSCH的仿真结果，如图5所示。

图5　PDSCH信道仿真(天线间隔4λ)

从图5可以清晰看出，移动速率增大，系统误码率也随着增大。30 m/s速率下的系统性能与50 m/s速率下的系统性能在低信噪比时对系统性能影响差不多，随着信噪比增大到15 dB时，两者才有明显的分别；速率为3 m/s的系统性能与其余二者相比一直有明显的优势。在17 dB时，3 m/s的系统误码率已经下降到10-4，而30 m/s与50 m/s误码率下降到10-4时，信噪比分别是20 dB与23 dB。同时也能看出，在移动速度大于30 m/s后，系统误码率下降趋势已变缓，在高速移动的情况下，信噪比增大对降低系统误码率的影响已经不如在低速移动情况下明显了。这也从侧面证明了现实生活中，高速列车上手机上网速度要变慢很多。

4　结束语

LTE的空中接口技术有了很大的变革，OFDMA已成为TD-LTE系统区分不同用户的下行接入方式中的最佳多址接入技术。引入OFDM、MIMO等关键技术及相关调度算法后，LTE系统的频率利用率很高，系统容量更大，可以说，满足了移动业务飞速增长的需求。

[1]胡兴军.4G将掀开人类生活全新的一页[J].有线电视技术，2007，14(9):52-56.

[2]郑有强，徐兆吉.TD-LTE 业务承载能力及应用分析[J].移动通信，2010(5):54-57.

[3]李小文，徐志文，张峥.TD-LTE系统DRX机制的分析与设计[J].电子技术应用，2012，38(3)：44-46.

[4]刘成德，庞伟正，王东辉，等.信号畸变SLM算法降低OFDM系统PAPR[J].应用科技，2007，34(6):15-17.

[5]王东明，高西奇，尤肖虎，等.宽带MIMO-OFDM系统信道估计算法研究[J].电子学报，2005，33(7):1254-1257.

Analysis of OFDM Wireless Downlink Simulation on TD-LTE

LI Peng1，DING Hongwei1，WANG Yong2，GUO Jia2，YANG Jundong1，YANG Liming1

(1.School of Information，Yunnan University，Kunming 650091，China;2.Department of Science and Technology，Radio and Television Bureau of Yunnan Province，Kunming 650031，China)

There is a great change both in the structure of TD-LTE and the traditional communication system.In this paper，we have analysised the key technology of LTE—OFDM.Through analysising of MIMO technology and Alamouti space-time coding mode，the OFDM and MIMO technology is simulated，and finally the simulation of the MIMO-OFDM system is got.Then we have introduced the basic of the downlink wireless link of LTE， the PDSCH wireless channel simulation and the analyses of the technology were showed.These key technologies determine the system performance of LTE.

OFDM; MIMO-OFDM; PDSCH; simulation

2015-01-06；修改日期: 2015-07-04

国家自然科学基金(6146053)；云南省教育厅基金(2014Y021)。

黎鹏(1981-)，男，研究生，实验师，主要从事通信与信息系统方面的研究。

TP391.9；TN919.72

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.017