以實務軟體定義無線電實現LTE下行鏈路收發機

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徐亦駿(Yi-Chun Hsu) 查詢紙本館藏

畢業系所

通訊工程學系

論文名稱

以實務軟體定義無線電實現LTE下行鏈路收發機
(Implementation of LTE Downlink Transceiver with a Realistic SDR Platform)

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摘要(中)

隨著無線通訊技術的發展，LTE(Long Term Evolution)在第四代行動通
訊扮演了十分重要的角色。在文中將會針對LTE下行鏈路系統做介紹，包括
其使用之正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技
術、下行鏈路的規格以及調變原理等。
而本篇論文以軟體定義無線電的方式，實現LTE下行鏈路的發射機
與接收機。透過搭載實務軟體定義無線電平台，可以實際即時的在特定的
頻段發射與接收在空中的訊號，也可以改變發射及接收增益來觀察訊號在
經過空氣後發生的變化，以及探討訊號的品質評斷系統優劣度等等。

摘要(英)

With the development of wireless communication technology,LTE(Long Term
Evolution) plays an important role in the fourth generation of mobile communication
technology.In this thesis,we introduce for the LTE downlink system,including the use
of OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) technology,specications and
downlink modulation principle,etc.
In this thesis,we used Software-dene-radio to achieve LTE downlink transmitter
and receiver.By the Software-dene-radio platform,we can immediatly transmit
and receive signal in the air on some particular band.Also we can change transmit
and receive gain to observe the transformation of the signal in the air, discussion
on the quality of the signal and system,etc.

關鍵字(中)

★ 軟體定義無線電
★ LTE
★ Downlink
★ OFDMA
★ 接收機
★ 發射機

關鍵字(英)

★ Sofeware-define-radio
★ LTE
★ Downlink
★ OFDMA
★ Receiver
★ Transmitter

論文目次

中文摘要.............................................................................................................. i
ABSTRACT ......................................................................................................... ii
謝誌...................................................................................................................... iii
目錄...................................................................................................................... iv
圖目錄.................................................................................................................. vii
表目錄.................................................................................................................. x
一、緒論.............................................................................................................. 1
1.1 研究動機與背景. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 章節簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
二、長期演進技術下行鏈路簡介...................................................................... 3
2.1 正交分頻多工系統介紹. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1 正交分頻多工調變原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.2 正交分頻多工調變數學模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.3 保護區間(Guard Interval) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 長期演進技術簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1 長期演進技術規格介紹. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.2 分頻與分時多工. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 長期演進技術下行鏈路系統簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3.1 長期演進技術下行通道種類. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3.2 長期演進技術下行訊號種類. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.3 長期演進技術下行傳輸規格. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
三、LTE下行鏈路傳送與接收........................................................................... 15
3.1 星座圖映射. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2 快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform) . . . . . . . . . . . . . 18
3.3 符元時序同步(Symbol Timing Synchrnization) . . . . . . . . . . 20
3.3.1 符元時序偏移討論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.2 符元時序同步原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.4 載波頻率同步(Carrier Frequency Synchronization) . . . . . . . . 22
3.4.1 載波頻率誤差之影響. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.4.2 載波頻率同步原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.5 子訊框同步(Subframe Synchronization) . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.5.1 主同步訊號. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.5.2 子訊框同步原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.6 通道估測(Channel Estimation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.6.1 直接決策通道估測. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.6.2 多項式模型化通道估測(Polynomial Model Based) . . . . . . . . 32
3.6.3 取樣後維持通道估測(Sample and Hold) . . . . . . . . . . . . . . 34
四、LTE下行鏈路發射機硬體實現................................................................... 35
4.1 星座圖映射器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2 參考訊號與主同步訊號置入器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3 子載波擺放器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.4 快速傅立葉轉換器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4.1 FFT與IFFT 關係. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.5 循環字首置入器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
五、LTE下行鏈路接收機硬體實現................................................................... 42
5.1 符元時序同步器(Symbol Timing Synchronizer) . . . . . . . . . . 43
5.1.1 延遲相關器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.1.2 峰值檢測器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.1.3 符元同步器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.2 載波頻率同步器(Carrier Synchronizer) . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.3 子訊框同步器(Subframe Synchronizer) . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.3.1 主同步訊號偵測器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.3.2 Zado-Chu序列相乘器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.3.3 主同步訊號交互相乘器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.3.4 主同步訊號峰值檢測器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.4 通道估測器(Channel Estimator)與等化器(Equalizer) . . . . . . . 52
5.4.1 參考訊號通道響應. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.4.2 Linear Interpolator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.4.3 通道等化器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.4.4 硬式決策破零等化器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.4.5 二次多項式模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.4.6 取樣後維持. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
六、實務呈現結果.............................................................................................. 60
6.1 軟體定義無線電. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.1.1 實務硬體設備. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.1.2 控制射頻模組AD9361 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.2 實務呈現結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.2.1 LTE下行鏈路合成報告書. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.2.2 發射機硬體實現結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.2.3 接收機硬體實現結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
七、結論.............................................................................................................. 69
參考文獻.............................................................................................................. 70

參考文獻

[1]3GPP Technical Specification 36.104. Base Station (BS) radio transmission and reception (Release 11).
[2]3GPP Technical Specification 36.211. Physical Channel and Modulation (Re- lease 11).
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[4]Yih-Min Chen, Hsin-Yin Wu, and Mong-Yo Lu. “Decision-directed polynomial model-based channel estimation for ofdm systems with scattered-pilots”. In ITS Telecommunications (ITST), 2012 12th International Conference on, pages 748–752. IEEE, 2012.
[5]Hyunsoo Cheon and Daesik Hong. “Effect of channel estimation error in ofdm- based WLAN”. IEEE Communications Letters, 6(5):190–192, 2002.
[6]Markus Dillinger, Kambiz Madani, and Nancy Alonistioti. Software defined radio: Architectures, systems and functions. John Wiley & Sons, 2005.
[7]Qi Wang, Christian Mehlfuhrer, Christian Mehlfu¨hrer, and Markus Rupp. “Car- rier frequency synchronization in the downlink of 3gpp LTE”. In 21st Annual IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Com- munications, pages 939–944. IEEE, 2010.
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[9]Xiumei Yang, Yong Xiong, Guoqing Jia, Weidong Fang, and Xiaoying Zheng. “Pss based time synchronization for 3gpp lte downlink receivers”. In Communi- cation Technology (ICCT), 2011 IEEE 13th International Conference on, pages 930–933. IEEE, 2011.
[10]Y Yang, W Che, N Yan, X Tan, and H Min. “Efficient implementation of primary synchronisation signal detection in 3gpp lte downlink”. Electronics letters, 46(5):1, 2010.

指導教授

陳逸民(Yih-Ming Chen)

審核日期

2016-10-13

推文