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基于系统级仿真的LTE关键技术研究

王笑一  
【摘要】:LTE(俗称为3.9G)是3GPP通用陆地无线接入体系(UTRAN)的长期演进系统。采用下行OFDM和上行SC-FDMA的多址方案作为其物理层多址方案,通过改进和增强3G的空中接口,改善了小区边缘用户的性能,提高了小区容量并降低了系统延迟。作为3G向4G演进的主流技术,LTE已经在一些国家成功商用。在LTE的基础之上,为了满足IMT-Advanced技术征集的需要,3GPP开始了LTE-A的标准化工作。LTE-A是LTE的平滑过渡,它引入包括协作通信、载波聚合、异构网络、接力传输和多天线增强等关键技术用以进一步优化传输速率和提供更加灵活的组网方式。本文主要研究了其中的协作通信技术和多天线增强技术里的参考符号设计部分。 协作通信是指多基站协调信号的发送与接收。已有研究成果表明,协作通信在理论上可以大幅度提高信号传输质量。但这一结论在实际应用环境中是否成立还需要进一步验证,而目前国内外通信界针对这方面工作的研究并不全面。本文针对协作通信在LTE系统里实际应用中的若干环节进行了建模,并在完备的系统级仿真器中验证实现。研究结论表明:协作通信对非理想环境比较敏感,一些非理想因素都会导致协作通信性能下降。要在实际环境中应用协作通信还需要解决一些问题。 本文有以下三个主要研究成果: (1)搭建完备高效的系统级仿真平台作为研究基础工具,对影响无线系统数据传输吞吐量的各环节进行抽象建模,并对部分已有系统模型进行改进。在搭建仿真平台的过程中,首先改进了Wrap Around模型,提出基于计算机搜索的无缝仿真区域生成方法。该方法可针对给定的仿真区域大小自动生成满足无缝覆盖条件的仿真区域形状。其次,对RLC协议层的发送端和接收端进行数学分析,并建立通用RLP数学模型,即利用数学闭式描述RLC重传对系统性能的影响,这一模型的建立大幅度简化了系统级仿真的运算量,缩短了仿真时间。最后,通过分析LTE上行反馈信道的分配方式,提出了空闲率分析模型,并给出反馈信道分配优化算法。该方法可在信令开销与反馈信道空闲率之间获取最优平衡,从而减少系统总开销。本仿真平台覆盖LTE系统的主要环节,保证了仿真的完备性;并通过与已知仿真结果相比较,保证了仿真的正确性。 (2)针对协作通信的两大主要技术(协作波束赋型和联合处理),分别设计了具有后向兼容性的调度器结构以及低复杂度的调度算法。该结构的优势在于其保持基站调度器硬件结构基本不变,从而保证了对已有投资最大限度的保护。其中,设计了基于长期信噪比最大化原则的协作集选取准则,并比较了多种协作集方案,得出同站协作能够服务大部分用户的结论并作为后续研究的主要方向。此外,本文为两种协作通信技术分别设计了基本的系统模型,其优点是能够同时在理想或非理想环境下真实反映协作通信系统性能增益。 (3)本文最后研究了非理想环境的实际系统中,影响协作通信性能的若干因素。首先,针对邻小区信道估计误差问题,深入研究了CSI-RS技术,建议muting频率复用因子取值为3,从而简化系统复杂度。以此为基础,设计了更为简洁的muting信令方案,该方案比较传统方案可减少一半以上的信令开销。再次,通过研究X2接口延时,本文仿真得出保证协作通信正常工作的延时上限为20毫秒;这一结果从而证明目前的X2接口性能无法满足异站协作的需求。最后本文分析了非理想信道反馈对协作通信系统性能的影响并得出结论:在非理想反馈条件下,由于信道信息误差较大,协作通信因此无法为系统带来明显的性能增益。 综合以上所有研究结果,本文向3GPP提出关于协作通信技术研究的若干建议:虽然协作通信技术在理想条件下得到的理论增益较大,但在非理想环境下的实际系统性能增益却并不明显;因此,未来的研究工作应集中于实际系统环境中协作通信的可行性研究,而不应过早开始制定写作通信的相关标准。3GPP采纳了该建议将协作通信的标准化工作推迟至2011年。


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