带中继节点的 LTE 仿真平台的设计

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1、精品论文带中继节点的 LTE 仿真平台的设计蒋于岸，李巍海，陈自强，俎云霄（北京邮电大学电子工程学院，北京 100876）5摘要：移动通信技术发展迅猛，LTE 已在世界范围内运行，它已成为国内外各大机构研究 的重点。目前不少研究机构都有自己的 LTE 仿真平台，而现在鲜有带中继节点的平台。本 文重点研究了带中继节点的仿真平台的设计。系统设定中继采用层二模式对接收信号进行解 码转发，同时平台中选择 type1 模式的中继进行实现，它对用户非透明，且基站负责中继和 用户的管理。此中继平台既有中继用户也有宏观用户，中继用户的接收来自直达链路和中继10链路，在接收时采用两条链路合并的方式，本文针对这种

2、合并接收，设计了一种改进的 LTE最大比合并算法。仿真结果显示，中继对系统性能优于无中继系统，影响中继系统的关键是 回程链路。关键词：中继；LTE；仿真平台；移动通信中图分类号：TN92515The design of LTE platform with relay nodesJiang Yuan, Li Weihai, Chen Ziqiang, Zu Yunxiao(School electronic and engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876)20Abstract:

3、Mobile communication technologies develop rapidly, and LTE has been running in some countries, it has become the focus of many research institutions around the world. Plenty of institutions have their LTE platforms, however, few are considering the relay nodes. This paperputs emphasis on the design

4、of simulation platform with relay nodes. The Relay nodes are of layer2 mode, will decode and forwarding receiving data. Also the Relay nodes are in type1 mode,25non-transparent to their users. Base station is responsible for the relay and users management. This relay platform has relay users and mac

5、ro users, the relay users receive signal from direct link andrelay link both. This paper raises an improved LTE maximal ratio combining algorithm to combine the two link signals. The simulation results show that the performance of system with relay is better than system without relay, and the key po

6、int of relay system is backhaul links.30Keywords: relay; LTE; simulation platform; mobile communication0引言移动通信在近几年的发展速度迅猛，世界范围内的无线用户已经超过互联网用户。3G技术已经在全世界范围内取得了卓有成效的成绩，然而其宣称的上下行链路分别达到3514.4Mbit/s 和 5.8Mbit/s 的速率，在大多数环境中是无法实现的。3G 系统没有足够的能力满 足更多交互式多媒体业务，如视频点播、视频会议等。3GPP 组织于 2004 年 12 月开始了第 三代移动通信长期演进（LT

7、E，Long Term Evolution）系统的标准化工作，至今已形成了完 善的 LTE 协议标准。2009 年 11 月 14 日，TeliaSonera 在斯德哥尔摩和奥斯陆首次运行 LTE 系统1，随后日本、韩国等国也大力推行 LTE，中国移动也展开了 6 个城市的 LTE 试点测40试工作。目前 LTE 已成为各大科研机构的研究重点，仿真平台也层出不穷，比较著名的有维也 纳工业大学基于 matlab 软件开发的仿真平台；意大利巴里理工大学 Giuseppe Piro 等人基于 linux 平台和 C+语言搭建的 LTE-Sim 开源仿真平台。国内各大高校也开发出各种 LTE 仿真基金

8、项目：北京市科技计划项目（Z111100066511007）作者简介：蒋于岸，（1986-），女，硕士研究生，移动通信。通信联系人：俎云霄，（1964-），女，教授，认知无线电，移动通信。E-mail: zuyx- 7 -平台，这些平台侧重点不同，各有优劣。由于中继技术将是下一代移动通信的关键技术之一，45上述仿真平台都没有实现中继节点，所以本文研究的重点是中继节点的设计与实现，平台运 用 matlab 软件编写。1中继节点的设计中继的主要作用是扩大小区的覆盖面积、提高系统容量。Relay 可以为小区中阴影衰落 严重的地区以及覆盖死角提供服务信号，同时如果中继站放置在原有小区覆盖范围内，如一5

9、0些热点地区和室内也可以起到提高系统容量的作用。在平台中，我们设计了一个如图 1 所示 的系统模型。模型中有一个基站（eNB），一个中继(RN)，一个中继用户(RN_UE)，多个宏 观用户(Macro_UE)。基站到中继的链路叫回程链路（Backhaul Link），信道状况好，误码率 低，稳定性高；中继到中继用户的链路叫接入链路（Access Link），由于用户在移动，以及 所处环境的变换，其信道状态多变；基站到中继用户的链路叫直达链路（Direct Link）,在环55境恶劣的情况下，其信道状况最差，这时候需要借助中继的帮助，来进行信号的传输。图 1 仿真平台系统模型本文所设计的平台模拟

10、的是 LTE 的线性链路通信过程。中继在接收基站传送的信号时，60相当于用户的角色；而在发送信号时，相当于基站的角色。目前，中继的分类有多种类型2， 本文选取的是 Type1，该类中继对用户来说是非透明的，并有自己独立的 Cell ID，并且该中 继是层二中继（L2 Relay3），即接收到来自基站的信号后，需要解码解调，校验正确后再 进行调制编码发送给用户。本平台中除了有中继链路以外还有直达链路，在终端接收的时候， 需要进行中继链路和直达链路的合并，合并后的信号比原有链路具有更低的误码率。在系统65中基站联合管理 UE 和 RN，反馈信息都交由基站处理。1.1 平台模块图 2 是平台模块图。

11、系统配置模块，进行网络元件、系统环境的初始化。信道模块，用 户建立各个传输信道模型。中继模块又细分为接收、信息处理和发送模块。宏观用户模块和 中继用户模块有差异，中继用户多了中继链路的接收部分，并有合并算法这个模块。平台中70还提供了结果分析的模块，分析系统性能。图 2 传输仿真模块及平台框架1.2 传输流程75本文重点介绍中继系统的下行传输流程，如图 3 所示，传输分两个 TTI 进行。A.第一个TTI的传输第一个 TTI 时工作的链路是直达链路和回程链路。1）直达链路第一个 TTI 直达链路的传输与回程链路的传输是同时进行的。首先，eNB 配置发送，80并判断上次是否正确接收。如果是 NA

12、CK，表示发送失败，则 eNB 重传上次发送的数据； 反之，如果接收到的是 ACK 信息，就产生新的数据进行发送。当 RN_UE 接收到信息后， 如果 RN_UE 正确接收直达链路传送的信息，则发送 ACK 信息给 eNB, 告知正确接收；如 果 UE 错误接收直达链路信息，暂不发送反馈信息，而是存储 MIMO 信号和信道估计矩阵， 为第二个 TTI 的合并做准备。852）回程链路： 回程链路的发送即是eNB给中继发送信息。同样，eNB先判断接收到的反馈信息中上次传输 是否正确接收，并做相应处理。如正确接收，则发送信号给RN。RN接收到信息后，进行解 码解调，再进行CRC校验。当接收错误时，按

13、照中继用户的反馈形式发送NACK给eNB，反馈回程链路信息。而正确接收，则不发TTI1 传输实体eNB，RN，UE初始话90送反馈信息。B.第二个TTI的传输第二个 TTI 的传输是在中继接收正确 eNB 信号的前提下进行的中继接入链路的传输。951）中继发送：图 3 . 中继用户下行传输流程100105首先，RN 在第二个 TTI 获取 eNB 控制信息中的编码调制信息和调度信息，然后对回程链路译码的数据做进行再调制、再 Tubor 编码，然后发送数据。然后将信号发送给中继用RN_UE。2）中继用户接收：i.信号合并RN_UE 由于接收了直达链路和中继链路两路信号，所以最终需要采用最大比合并

14、MIMO 信号。经查阅文献4，信号的合并普遍存在于 MIMO 解调之前位置。 合并传输模型如图 4 所示，由于 MIMO 天线中，每根传输的信号不同，因此不能将多天线信号合并为一路信号，所以，需要合并对应的天线端口。s11s12nr1nr2yr1yr2s1Ts11s12nrRnd1nd 2yrRyd1yd2s1Tn dR ydT图 4 中继用户合并接收模型110115120125参照合并模型，根据最大信噪比合并的思想，设计了针对 LTE MIMO 传输的改进 LTE最大比合并算法。-首先针对每一根天线建立 2 输入合并的信号模型 1；-将模型 1 转变为等噪声功率下的合并模型 2；-根据合并模

15、型 2 采用最大比合并思想计算合并向量；-利用合并向量得到合并的信号和等价信道传输模型。ii.合并后数据处理 在合并之后，将合并信号和合并的等价信道矩阵输入球形软输出解调部分做软解调。解调以后，进行解扰，译码，校验计算传输结果。并将中继链路的反馈信息传递给中继，中继将反 馈信息反馈给基站，完成本次的信号传输。2仿真结果A. 有无中继的结果对比本文设定中继用户 SNR 基准值-15:10,中继回程链路基准为0:25,有无中继误码率对比如图 5 所示，在回程链路情况良好的情况下，中继用户接收误码率明显降低。图 5 中继与非中继误码率对比B. 有无中继合并的结果对比本文设定中继用户直达链路 SNR

16、基准值-15:10,中继回程链路基准为0:25,有无中继合并误码率对比如图 6，有合并算法优于非合并接收。130图 6 合并算法下用户误码率对比C. 中继链路和回程链路用户接收的影响。本文设定中继用户直达链路 SNR 基准值-15:10,中继回程链路基准为0:25,中继和回程链路变化误码率对比如 37，可以看出中继链路对用户接收影响更明显。135140145图 7 回程链路中继链路误码率影响图中曲线包括在基准 SNR 下回程链路较高，中继链路较高，中继链路较低。可以发现 中继链路对用户接收影响更明显，但回程链路的信道是传输误码率的瓶颈，回程链路的好坏 直接决定了误码率的上限。3结论本文主要描述

17、了带中继的 LTE 仿真平台的主要设计思想，仿真结果验证了中继节点对 系统误码率有了较大的改善。本平台采用中继链路和直达链路合并的方法，仿真结果证明， 接收端合并算法的加入有利于中继用户的成功接收。同时，平台仿真结果还表明，回程链路 是中继系统中设计的重点，对系统性能影响最大。参考文献 (References)1501551 3GPP TR 36.814 Further advancements for E-UTRA physical layer aspects for Evolved Universal TerrestrialRadio Access (E-UTRA)OL, 2010,192

18、0.2 3GPP R1-082391, Discussion on the various types of Relays. Panasonic, 3GPP TSG RAN WG1 Meeting#54OL, 2008， 1014.3 Ian F.Akyildiz, David M.Gutierrez-Estevez, Elias Chavarria Reyes, The evolution to 4G celluar system: LTE-AdvancedJ, Physical Communication,2010，10（3）： 217244.4 Titus K.Y.Lo, IEEE Trans. Commun.J, 1999,3（10）：14581461.