（通信与信息系统专业论文）基于tdd的lte系统同步研究.pdf

重庆邮电人学硕 ：论文 摘要 摘要 随着互联网的迅猛发展，手机终端用户对无线宽带数据业务的需求也不断增 加，尽管第三代移动通信技术( 3 g ) 能够提供m b p s 量级的传输速率，但与无线 宽带业务的发展需求相比还相差很远，仍不能满足未来用户的需求。3 g 的长期演 进计划( l o n gt e r me v o l u t o n ，l t e ) 则是在满足未来无线宽带业务需求的基础上提 出的。其核心的基于f f t i f f t 实现的正交频分复用( o f d m ) 可以有效克服频率 选择性衰落带来的载波干扰和码间干扰，并具有频谱利用率高、成本低等优点。 本文主要围绕采用时分双工( t d d ) 的l t e 系统的同步技术展开研究，基于 t d d l t e 系统分析了现有定时粗同步和精同步的算法，并针对其不足提出了改进 方案。本文的主要工作体现在： 1 ) 研究并仿真了利用p s c h 、s s c h 特殊功率窗特征的定时粗同步改进算法， 分析了其在不同干扰时的性能，并针对其在干扰环境下性能下降的问题提出了改 进方案。仿真结果表明改进方案能够很好地消除干扰对粗同步性能的影响。 2 ) 研究并仿真了基于主下行同步序列在一个f f t 解调窗的平均相关功率的自 适应单门限判决方案的性能。提出了加入基于下行主同步序列传输带宽特征的第 二判决门限的改进定时精同步方案，仿真结果表明在多径信道下，该方案的性能 优于自适应单门限判决方案。 3 ) 在采用变步长或采用多帧结果平均作为输出时，验证分析了两种改进方案 的性能，并优化了参数设定。 最后，给出了t d d l t e 系统定时粗同步和精同步方案的完整流程。 关键词：t d d l t e ，同步技术，定时偏差，时延估计 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r a c t ，t h er e q u i r e m e n to fi s i n c r e a s i n g t h o u g h t h e3 坩m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yc a l la c h i e v em b p sl e v e lr a t e ，i tf a i l t o m e e tt h ef u t u r eu s e r sr e q u i r e m e n t sc o m p a r e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fr a d i ow i d e - b a n d s e r v i c e s l t ei sp r o p o s e do nt h eb a s i so fs a t i s f y i n gr e q u i r e m e n to ft h ef u t u r ew i r e l e s s b r o a db a n ds e r v i c e t h eo f d mo nt h eb a s i so ff f t i f f tr e a l i z a t i o nc a nc o n q u e r c a r r i e ri n t e r f e r e n c ea n di c ib yf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g ，w i t hi t sa d v a n t a g eo fh i g h f r e q u e n c ys p e c t r u me f f i c i e n c ya n dl o wc o s t t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e so nt h es y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g yo ft d d l t e s y s t e m ，a n a l y z e st h ec u r r e n ts y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h ma n dp r o p o s e st h ei m p r o v e m e n t s c h e m eo nt h eb a s i so fc u r r e n ta l g o r i t h m t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa n d i n n o v a t i o n si nt h e d i s s e r t a t i o na l e ： 1 ) r e s e a r c h & s i m u l a t et h e r o u g hs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mw i t hp s c ha n d s s c hs p e c i a lp o w e rc h a r a c t e r a n a l y z ei t sp e r f o r m a n c eu n d e rd i f f e r e n ti n t e r f e r e n c e a n dp r o p o s eas c h e m et or e s o l v et h ep r o b l e mo fd e t e r i o r a t i n gp e r f o r m a n c ec a u s e db y i m e r f e r e n c e t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e st h e s c h e m ec o u l de l i m i n a t et h e i n t e r f e r e n c et or o u g hs y n c h r o n i z a t i o n 2 1r e s e a r c h & s i m u l a t et h ep e r f o r m a n c eo fa v e r a g ec o r r e l a t e dp o w e ra d a p t i v e t h r e s h o l da l g o r i t h mi naf f td e m o d u l a t i o nw i n d o wb a s e d o nm a i nd o 、v nl i n l ( s y n c h r o n i z a t i o ns e q u e n c e s p r o p o s ei m p r o v e da c c u r a t es y n c h r o n i z a t i o ns c h e m ea d d e d b ys e c o n dju d g m e n ts t r a t e g yo nt h eb a s i so ft r a n s m i tb a n do fp r i m a r ys y n c h r o n i z a t i o n s i g n a l t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e st h ep r o p o s e ds c h e m ep e r f o r mb e t t e rt h a nt h e o r i g i n a ls c h e m e 3 ) v e r i f ya n da n a l y z e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h et w oi m p r o v e ds c h e m ea tt h e b a c k g r o u n do fi n t e r f e r e n c ew h e ns t e p v a r i a b l eo ra v e r a g eo fm u l t if r a m er e s u i t s a 】e u s e da so u t p u t ，t h e no p t i m i z e dt h ep a r a m e t e r s e t t i n g s a tl a s t ，p r o p o s et h ew h o l e r o u g h & a c c u r a t es y n c h r o n i z a t i o ns c h e m ei nt h e t d d l t es y s t e m k e y w o r d s ：t d d - l t e ，s y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g y , t i m eo f f s e t ，t i m ed e l a ye s t i m a t i o n n 重庆邮电大学硕：论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 移动通信是当今通信领域最为活跃和发展最为迅速的领域之一。自从1 9 8 1 年 以第一代频分多址( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，f d m a ) 技术为基础的模 拟通信系统建立并使用以来，蜂窝移动通信市场的发展和需求大大超出了人们的 预测。在短短几年时间内，模拟蜂窝系统就面临阻塞概率增加，呼叫中断率增高， 蜂窝系统的干扰增大的压力。蜂窝系统迫切需要增容。但由于模拟蜂窝系统本身 的缺陷，系统的容量远不能满足用户需求。1 9 9 2 ，以时分多址( t i m ed i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ，t d m a ) 技术为基础的第二代数字蜂窝移动通信系统( 如欧洲的 g s m ，美国的d a m p s ，日本的j d c ) 相继投入了使用。而欧洲的g s m ( g l o b a ls y s t e m f o rm o b i l e ) 系统由于其优越的性能，夺取了大部分的蜂窝网络的市场份额。1 9 9 2 年，美国的q u a l c o m m ( 高通) 公司向美国c t l a ( 蜂窝通信工业协会) 提出 了码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 数字蜂窝通信系统的建议 和标准，该建议与1 9 9 3 年被c t l a 和t l a ( 通信工业协会) 批准为中期标准i s 9 5 。 1 9 9 6 年c d m a 系统投入运营，c d m a 技术因其固有的抗多径衰落的特点，并且 具有软切换、系统容量大、可以运用如语言激活、分集接收等先进的技术优点， 使得c d m a 系统在移动通信领域的应用备受青睐。i s 9 5 在中国、韩国、北美等 国家和地区投入使用，取得良好的用户反映川。 目前移动通信技术正处于由第二代的巅峰向第三代( 3 g ) 过渡的时期。由我 国大唐电信于2 0 0 0 年5 月提出的t d s c d m a 标准，已经被i t u ( 国际电信联盟) 正式采纳为i m t 2 0 0 0 ( 国际移动电信2 0 0 0 系统) 的标准之一，并凭借其在智能天 线、接力切换等方面的独特优势，与c d m a 2 0 0 0 ，w c d m a 两大标准一起成为了 i m t 2 0 0 0 的三大主流标准。 但是随着i n t e m e t 的迅猛发展，用户对宽带数据业务的需求也不断增长，尽管 3 g 技术能提供m b p s 量级的传输速率，但与宽带业务的发展需求相比还相差甚远， 远远不能满足未来用户的需求。从3 g 技术丌始商用开始，国际上已经丌始了对下 一代移动通信技术( b e y o n d3 g ，b 3 g ) 的研究。 2 0 0 4 年1 1 月在加拿大多伦多3 g p p 召开了第三代移动通信的长期演进计划 ( l o n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) 专题会议，正式拉开了第三代移动通信向更高的频谱 利用率、更大的传输速率吞吐量、更好的性能和更低的业务成本方向长期演进序 幕【2 1 。 自l t e 项目启动以来，3 g p p 以频繁的会议全力推进l t e 的研究工作，仅半 蕈庆邮电人学硕十论文 第一章绪论 年就完成了需求的制定。2 0 0 6 年6 年，3 g p pr a n ( 无线接入网) t s g 已经开始 了l t e 工作阶段( w i ) ，但由于研究阶段( s i ) 上有个别遗留问题还没有解决， s i 延长至9 月才结束。目前，已于2 0 0 7 年1 2 月完成l t e 标准的制定，并于2 0 0 8 年3 月完成了标准的第二版，优化了系统设计。最终，l t e 预计2 0 1 0 年左右可以 商用。虽然工作进度略滞后于原计划，但通过不断的研究与改进，一个初步的l t e 系统已经逐渐展示在我们眼前。 1 2l t e 的核心技术 l t e 项目启动之初，为了能够在3 g 的长期演进计划标准的竞赛中取得领先地 位和技术先机，各个公司和研究机构都纷纷提出了自己的技术方案。有竞争力的 候选方案共有6 种：上行f d d s c f d m a ( 单载波频分复用多址) 和下行 f d d o f d m a ( f 交频分复用多址) 的方案、上下行都为f d d o f d m a 的方案、 上下行都为f d d m c w c d m a ( 多载波w c d m a ) 的方案、上下行都为 m c t d s c d m a ( 多载波t d s c d m a ) 的方案、上下行都为t d d o f d m a 的方 案、上行t d d s c f d m a 和下行t d d o f d m a 的方案。按照双工方式来区分， t d dj | 5 时分复用) 和f d d ( 频分复用) 的方案各有三种；而在多址方式的选择上， 6 种方案种有4 个方案都选择了基于o f d m 技术的多址方案o f d m a 。最终经过 长时问的讨论和博弈，3 g p p 确定了以o f d m 为核心技术的上行s c o f d m a ，下 行为o f d m a ，双工方式t d d 和f d d 可选的融合方梨引。 而早在3 g p p 选择o f d m 技术作为核心技术之前，o f d m l 3 j 已经被多种有线和 无线接入标准采纳。1 9 9 5 年，欧洲电信标准协会( e t s i ) 制定了数字音频广播( d a b ) 标准f 引，这是第一个使用o f d m 的标准。接着在1 9 9 7 年，基于o f d m 技术的数 字视频地面广播( d v b t ) 标准也出现，并在欧美国家得到了迅速的发展，业务普及 率已经非常高。在有线宽带接入方面，o f d m 其实早已经进入了我们的生活，不 过它换了一个名称离散多音调制( d m t ) ，它成为a d s l l 5 j ( 非对称高比特率 数字用户线技术) 标准的物理层技术，可以在1 m h z 带宽内提供高达8 m b p s 的数 据传输速率。我们现在所使用有线宽带技术基本都是基于d m t 技术的a d s l 。 作为全球公认的局域网权威，电气与电子工程师协会( i e e e ) 8 0 2 工作组建立的 标准在过去二十年内在局域网领域独领风骚。这些协议包括了8 0 2 3e t h e m e t 协议、 8 0 2 5t o k e nr i n g 协议、8 0 2 3 z1 0 0 b a s e t 快速以太网协议。在1 9 9 7 年，经过了7 年的工作以后，i e e e 发布了8 0 2 1 l 协议，这也是在无线局域网领域内的第一个国 际上被认可的协议。1 9 9 9 年9 月又批准8 0 2 1 i b ( w i f i ) 和8 0 2 “a 两个新标准， 其中8 0 2 1 1 a 是o f d m 技术第一次真正的应用于分组数据通信中，其目标是提供 2 蕈庆邮电人学硕f j 论文 第一章绪论 6 m b p s 到5 4 m b p s 数据速率。此后，e t s i b a r n 以及m m a c 也纷纷采用o f d m 作为其物理层的标准。 2 0 0 2 年4 月，i e e e 推出了耗时2 年之久的8 0 2 1 6 ( w i m a x ) 标准。最初版 本发布后又陆续成立了几个工作组，负责对标准进行修订和补充。与8 0 2 1 l w l a n 解决用户“最后1 0 0 m ”的通信需求不同，8 0 2 1 6 在移动性和覆盖范围上都比8 0 2 1 l 有所增强，可以提供更广范围的高速数据接入，主要解决“最后l k m ”的通信需 求。8 0 2 1 6 根据使用频段的不同，定义了三种不同的物理层技术：单载波( q p s k 、 1 6 q a m 、6 4 q a m 、2 5 6 q a m 调制，频域均衡) 、o f d m ( 2 5 6 点) 、o f d m a ( 2 0 4 8 点) 。 其中，1 0 6 6 g h z 固定无线接入系统主要采用单载波调制技术，而对于2 11 g h z 频段的系统，主要采用o f d m 和o f d m a 技术。数据速率在2 0 m h z 带宽内可达 1 0 0 m b p s 。较低的工作频率，以及o f d m 固有的能有效对抗多径，使得非视距通 信成为可能。也正是为了应对w i m a x 对在无线通信领域所带来的挑战，3 g p p 才 会频繁地召开会议推动l y e 项目的发展。 1 3l t e 的研究现状 l t e 系统分为两种双工模式：t d d 模式和f d d 模式。在i e e e8 0 2 1 1 b 和i e e e 8 0 2 1 6 系列标准中，基于f d d 的o f d m a 技术已经得到了实际的应用，因此在目 前的研究中，针对i e e e8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1 6 系统的研究更岁6 j l7 j 瞵j ，其研究结果对 f d d l t e 系统也具有很大的参考价值。而针对基于t d d 的l t e 系统研究处于刚 刚起步阶段，考虑o f d m 技术本身的固有特点以及t d d l t e 系统的关键技术， 我们仍然可以找出一些关键的研究方向： 1 、同步技术：对于任何通信系统来说，如何取得同步都是首先需要解决的问 题。而定时同步作为同步的第一步，其性能将会影响后续的整个同步过程。挖掘 系统固有的特征，设计简洁的同步方案，快速而准确的取得定时同步；分析实际 应用中可能出现的干扰并设计抗干扰的方案。而由于o f d m 技术利用了子载波的 正交性提高了频谱利用率，同时也使得o f d m 系统对频偏较为敏感【9 j 【1 0 j 【l jj ，频率 同步对t d d l t e 系统也很重要。 2 、信道估计均衡技术：对于任何通信系统，信道估计估计和均衡技术一直都 是研究热点。而t d d l t e 将m i m 0 ( 多天线) 技术【l 列作为了关键技术，在使用m i m o 技术的情况下，无线信道的环境将更为复杂。 3 、信道编码技术：t d d l t e 系统考虑的主要是t u r b o 码，但如果能够获得明 显的增益也将考虑l d p c t l 3 儿1 4 j 码。而l d p c 码一直是近来研究的热门课题。 4 、链路自适应技术l l5 】：上行和下行链路自适应，包括自适应编码和调制 重庆邮电人学硕十论文 第一章绪论 ( a m c ) 、传输带宽自适应及上行发送功率自适应。 1 4 论文研究内容 对于蜂窝移动通信系统来说，当u e ( 用户终端) 开机后，首先需要搜寻周边 小区，然后选择合适的小区注册。u e 只有在注册到合适的小区后，才能够获取该 小区及相邻小区的更详细的信息，以便发起其他的物理层过程。通常把开机搜索 到登陆到合适的小区的过程定义为小区初始搜索过程( i n i t i a lc e l ls e a r c h ，i c s ) 。 小区的初始搜索过程主要包括帧定时、符号定时、频偏估计、小区识别等过 程。小区搜索的最终目的是确定u e 所属的小区，要获得正确的小区识别信息需要 解决两大问题：一是如何快速地确定帧、符号的起始位置；二是如何调整由于收 发两端晶体振荡器差异和无线信道中多普勒频移共同引起的频率偏移。 由于l t e 系统是基于o f d m 调制的系统，所以其对同步误差有敏感性，小区 搜索方案需要具有良好的鲁棒性，同时要在尽可能短的时间内完成搜索，实现快 速同步，并且在计算开销上要尽可能的少，减少能量消耗，延长u e 的使用时间。 图1 1 ，给出了小区搜索的流程图。本文以3 g p p 的l t e 标准及l t e 标准讨论稿中 的参数为依据，主要研究内容为同步中的定时同步，包括粗同步和精同步两个步 骤。 图1 1 ，小区搜索流程图 论文安排： 第二章：对o f d m 的基本原理以及系统模型进行了较为详细的介绍，同时对 l t e 标准的及其与定时同步相关的内容也进行了介绍。 第三章：首先讨论了o f d m a 在定时偏差、载波频偏、采样偏差下的数学模 型，分别分析给出了在定时偏差、载频频偏、采样偏差下对t d d l t e 系统的影响。 4 重庆邮也人学顾f j 论文 第一章绪论 一然后介绍了两种经典的定时同步的算法，分析算法的在t d d l t e 系统中的应用方 式。 第四章：介绍了一种基于d w p t s 的特征功率窗粗同步方法，并将其改进后应 用在t d d l t e 系统中。分析了在实际应用中可能出现的干扰信号，通过仿真验证 了算法在有干扰时的性能。并在此基础上通过挖掘t d d l t e 系统帧结构的特点， 提出了新的辅助判决策略，通过仿真给出了新策略所需参数，并对其性能进行了 仿真验证。最后给出了完整的方案流程。 第五章：介绍了基于自适应相关门限的精同步算法，并通过仿真确定了其应 用于t d d l t e 系统中的参数。在此基础上提出了基于下行主同步信号传输带宽特 征的自适应相关双门限的判决方案，通过仿真验证了其性能。最后给出了完整的 方案流程。 蘑庆邮电人学硕 j 论文 第二章o f d m 系统模型与t d d l t e 系统介绍 第二章o f d m 系统模型与t d d l t e 系统介绍 2 1o f d m 系统模型 o f d m 输入信号是星座图上的复数( 如p s k ，q a m ) 。图2 1 给出了一个基 带、离散时间o f d m 系统模型。频域数据丘通过反离散傅立叶变换( i d f t ) 被 调制到n 个子载波上。经过i d f t 后，得到的时域数据的最后l 个抽样被拷贝到 输出数据前端作为循环前缀( c p ) ，从而构成了一个完整的o f d m 符号。 o f d m 符号通过无线信道后，在接收端，循环前缀首先被去除，然后接收数 据以通过离散傅立叶变换( d f t ) 进行解调【1 6 】【1 7 】。 臣蛰 图2 1o f d m 系统框图 在发送端，一个o f d m 信号由频率间隔为a f 的n 个子载波构成。因此， 系统总带宽b 被分成个等距离的子信道。所有的子载波在一个间隔长度为 z = 1 的时间内相互正交，第k 个子载波信号用函数；t ( ，) ，k = 1 ，n 一1 来描 述。 诽深易 仁z ， 既然系统带宽b 被分为n 个窄带子信道，所以o f d m 符号的持续时间e 就是 相同带宽的单载波传输系统的n 倍。对于一个给定的系统带宽，子载波个数的选 取要满足符号持续时间大于信道的最大延迟。子载波信号s k ( f ) 加上一个长度为z j 的循环商仃缀就的到信号： 咄归 2 孑够 并主譬爿 亿2 ， 循环前缀的作用时避免多径信道上产生i s i ( 符号间干扰) 。在接收端，删除 循环前缀而只估计时间间隔 0 ，正】。从这点看，循环前缀是纯粹的系统开销。整 个o f d m 组的持续时间是t = 瓦+ 疋 o f d m 传输技术的一个重要优势是可以明显降低由多径信道引起的i s i 。如果 6 重庆邮电人学硕 ：论文第二章o f d m 系统模型l t d d l t e 系统介绍 循环前缀z ；比无线信道最大延迟还大，那么就既不会产生i s i 也不影响子载波的 正交性。仅在循环自订缀内爿出现于先前已传信息的干扰，但在估算的时间间隔内， 多径信道仅仅改变子载波信号的幅度和相位。 每个子载波可以由复调制信号瓯。独立调制，这里下标n 表示时间间隔，而k 表示子载波在该o f d m 符号的序号。因而在符号持续时间r 内，第n 个o f d m 符 号可表示为： 1n 一1 ( ，) = 寺q ，t 唧( 卜门r ) ( 2 3 ) v vk = o 由所有o f d m 符号构成的时间连续信号是： “d2 赤善篆瓯，t ( t - n t ) 因此，每个子载波都采用矩形脉冲，由于采用矩形脉冲成形， 是s i n c 函数，例如，对于第k 个子载波： s ( f ) = t s i n c z c t ( f 一尼) 】 其中 ( 2 4 ) 子载波的频谱 ( 2 5 ) s i nc ( x ) ：s i n ( x ) x 孚载波虽然有频谱交叠，但是信号相互正交，调制符号q 。可以通过相关技术 恢复： ( ) 2 弘) 劢 ( 2 6 ) = 瓦瓯， g 广半( 啪) s k ( t - n t ) ) 。 ( 2 7 ) 其中，( f ) 是( ，) 的共轭。在实际应用中，发射端的数字信号处理部分首先 产生离散的o f d m 信号& ( f ) ，因为o f d m 系统的带宽是b = n a f ，所以信号必 须在抽样时问间隔a t = 1 b = a f n 抽样。信号的抽样写作邑，i = 0 ，1 ，n 一1 ， 而且可以进行如下计算： 最，2 而1 荟i * - - i 瓯止枷州 ( 2 8 ) 上面等式实现了离散傅立叶逆变换( i d f t ) ，一般采用i f f t 实现。在i f f t 后， 应用进一步的信号处理来避免带外辐射。如果功率放大器限制了o f d m 信号的复 值峰值，则可z 日匕l - - , 引起子载波频谱的带外辐射和子载波的副瓣。 在接收端1 8 】，假定循环前缀长度砭的值大于信道最大多径延迟，并且首先考 虑一个时不变信道。这样，在接收机估计的时间间隔内，对所有传播路径的接收 7 重庆邮电大学硕l 论文 第_ 二章o f d m 系统模型与t d d - l t e 系统介绍 信号的贡献乘以各自复信道传播因子，加到原始的被调制的子载波信号上。这样， 子载波的正交性在无线信道的输出端得到了保证。对于一个时变信道，在相干时 i b j 比符号持续时间7 大时，上述假设也是一个很好的近似。因此采用式( 2 7 ) 的 相干技术可以把接收信号r ( t ) 分解为正交的子载波： 厂= b 广半( ( f ) 而) ( 2 9 ) 上j 。 接收机的相关可以等效地用离散傅立叶变换( d f t ) 或f f t 实现： r 广寺尸口州 ( 2 1 0 ) v vt = 0 其中，是接收信号( f ) 的第f 个抽样值，r 础是接收到的第忌个子载波的复 调制符号。 如果选取的符号持续时间丁比信道的相干时间小很多，那么在每个调制符号 。的持续时间内无线信道的传输函数h ( f ，t ) n - t 以认为是恒定的。无线信道的作用 仅仅是将每个子载波信号( f ) 乘上一个复传输因子以i = h ( k a f ，n t ) 。结果，接 收的调制符号尺。在f f t 变换之后为： 民，。= 以 最t + n o ，。 ( 2 1 1 ) 这里。是信道的加性噪声。这个等式显示了应用o f d m 传输技术最大的优 越性：既使最大时延大到在单载波系统罩足以导致非常严重的i s i 的情况，我们仍 可以保证每个被传输的调制符号仅被一个复传输因子和加性噪声所影响，不存在 i s i 的影响。 式( 2 1 1 ) 假定接收机实现了理想的同步，同步在o f d m 系统中是一个重要的问 题，因为时间和频率伺步误差将影响子载波的正交性从而极大地降低信噪比。式 ( 2 11 ) 没有考虑地另一个问题是放大器非线性引起的信号失真。o f d m 存在很大的 p a p r ，为了避免带外的干扰，功率放大器的输入需要很大的回退。例如，如果相 邻频带的干扰比o f d m 频带的能量密度谱低4 0 d b 以上，那么输入回退需要大于 7 5 d b 。 2 2t d d - l t e 系统介绍n 9 3 也田 t d d l t e 系统的主要性能在指标为：支持1 2 5 m h z 一2 0 m h z 带宽；峰值数据 率：上行5 0 m b p s ，下行1 0 0 m b p s 。频谱效率达到3 g p pr 6 的2 至4 倍；提高小区 边缘的比特率：用户面延迟( 单向) 小于5 m s ，控制面延迟小于l o o m s ；支持与 现有3 g p p 和非3 g p p 系统的互操作：支持增强型的广播多播业务；降低建网成 本，实现从r 6 的低成本演进：实现合理的终端复杂度、成本和耗电；支持增强 的i m s ( i p 多媒体子系统) 和核心网：追求后向兼容，但应该仔细考虑性能改进 8 重庆邮电大学硕士论文第二章o f d m 系统模型与t d d l t e 系统介绍 和向后兼容之间的平衡；取消c s ( 电路交换) 域，c s 域业务在p s ( 包交换) 域 实现，如采用v o l p ：对低速移动优化系统，同时支持高速移动；以尽可能相似 的技术同时支持成对和非成对频段；尽可能支持简单的临频共存。 2 2 1 帧结构 在2 0 0 7 年1 1 月完成的3 g p pt s 3 6 2 1 1v 8 1 0 ( l t e 正式标准) 中对t d d l t e 的系统帧结构进行了重新定义，与之前的讨论稿有了很大的不同。如图2 1 所示： 一个无线帧弓= 1 0 r e s 一个半帧疋= 5 m s 图2 2t d d l t e 系统帧结构 每个1 0 m s 的无线帧被均分为了2 个5 m s 的半帧( h a l f - f l a m e ) ，而每个半帧又 包括8 个长度为0 5 m s 的普通时隙和三个特殊时隙：d w p t s ，g p ，u p p t s ，而三 个特殊时隙的总时间长度为1 m s 。连续的2 个时隙力和2f + l 组成一个子帧，1 个无线帧共有1 0 个子帧，编号从子帧o 子帧9 ，l 号与6 号子帧其实就是3 个特 殊时隙的组合。 子帧o 和5 只能用于下行传输。又两种切切换周期可以供我们选择，一种是 5 m s ，一种是1 0 m s ： 在5 m s 的切换模式下，子帧2 和7 只能用于上行传输。 在1 0 m s 的切换模式下，1 个无线帧只有一个切换点，其位置在子帧l 的位置， 同时子帧6 将不再包含三个特殊时隙，而是只包含d w p t s 这一种特殊时隙，并且 其持续时间为1 m s 。子帧2 只能用于上行传输，子帧7 、8 、9 保留其进行下行传输。 2 2 2 下行链路0 f d m a o f d m a 是l t e 下行链路的多址方式，它将传输带宽化分为相互正交的子载波 集，通过将不同的子载波集分配给不同的用户，可用带宽资源被灵活地在不同移 动终端之i 日j 共享，从而避免了不同用户问的多址干扰。 9 重庆邮电人学硕j 沦文第_ 二章o f d m 系统模型与t d d l e e 系统介绍 图2 2 为o f d m a 的示意图，如图所示，白色以及不同阴影的时频栅格代表不 同的子载波集，他们在频率上是正交的。o f d m a 方案可以看做将总资源( 时间， 带宽) 在频率上进行分割，从而实现多用户接入，是一种以频率来区分用户的多 址接入方式，它与传统的f d m a 多址方式的不同之处在于不同用户之间不再需要 保护带宽。 图2 2 ( a ) 表示的是一种连续的子载波分配方案，即每个用户的子载波集由频域 上相邻的若干子载波构成。在这种分配方式下，每个用户占用一段连续的频段， 可以根据这段频段上信道的特点，自适应调整用户的发射方案，包括调制方式、 编码方式等，以获得最优的性能。 图2 4 ( b ) 表示的是一种离散的子载波分配方案，假设在系统中共有m l 个子 载波，分配给m 个用户，则每个用户由l 个子载波。这种子载波分配方案首先以 等间隔方式选取l 个间隔最大的子载波并将其分配给用户1 ，然后将这个等间隔的 子载波集在频域中移位m 1 个子载波，移位后所形成的新的子载波集被分配给第 m 个用户。在给每个用户分配的子载波集中，子载波之间具有最大的不相关性， 这样可以获得更好的分集效果，且使信令开销最小。 口用户i囫用户2 ( a ) 唧用户3 ( b ) 图2 3t d d l t e 下行链路o f d m a 子载波分配示意图 o f d m a 方案将所有载波的确定子集分配给每个用户，这种子载波分配可以是 固定的，也可以采取自适应方式。t d d l t e 采用的是自适应分配方案，其进行时 间和带宽资源分配应具有高度适应性，具体体现在考虑频率选择性无线信道的特 性，同时也要满足用户对不同的或可变的数据速率的要求。这种适应性可由恰当 选择每个用户相关的子载波得到满足。每个用户经历不同无线信道干扰，可以通 过只将具有高信噪比的“好子载波分配给用户来保证传输的可靠性，而且特定 用户的子信道数目可以依据要求的数据速率进行变化。 1 0 重庆邮电人学硕l j 论文 第二章o f d m 系统模型与t d d l t e 系统介绍 2 2 3 下行链路时隙结构与物理资源元素 在l t e 下行链路中，最小的时间和频率单元是一个资源元素。如下图所示： 一个下行时隙瓦如， _ 资源元素 = 删0 f d m 符号 图2 4 下行资源示意图 发送信号的在每个时隙都是用一组n r d b l 硭个子载波和硪b 个o f d m 符号来 描述的，其中憾表示下行带宽配置，| v 笋表示频域的资源块大小，单位是子载 波的个数，n s d y l 。一个下行时隙所包含的o f d m 符号数。资源格的结构如图所示。 惜的数量是由下行传输的带宽来决定的，取值在6 黯1 1 0 之间。 盛的值的由传输带宽所决定。一个时隙所包含的o f d m 符号的数目是由c p 的长短和子载波的间隔来决定的，其配置见表2 1 。 表2 1 物理资源参数表 配置参数每资源块所包含的子载波数每时隙包含o f d m 符号数 短c p= 15 k h z 1 27 长c p = 1 5 k h z 1 26 一个资源块是由时间方向的连续i v 叫d 。l 。个o f d m 符号和频率方向的连续v 譬个 子载波来表示的， 糟值由传输带宽所决定。一个资源块包含器。磬个资源 重庆邮i 乜人学顾i ：论义第- 二章o f d m 系统模型与t d d l t e 系统介绍 元素，每个资源块的i 日j 隔在时问方向上是一个时隙，频率方向上是1 8 0k h z 。 每一个资源元素都是在时隙中的位置都有唯一的标识 ，) ，其中 k = o ，黠幢b l ( 频率方向) ，= o ，。d ，m lb - 1 ( 时间方向) 每一个资源元素的 值都是一个复值口k ( 川, l ，在不可能混淆的情况和只有一根天线的情况下p 可以不用 标识。 2 2 4 下行同步信号 1 ) 下行主同步信号 在t d d l t e 中，总共有5 0 4 个的小区i d ，这5 0 4 个i d 分为了16 8 组，每一 组拥有3 个小区i d 。实际的小区i d 的组成为：掣= 3 n ：f f + 罐，其中出的范 围为o 1 6 7 ，也就是1 6 8 组小区i d 中的一个，代表了小区所在的组：景的范围 为o 2 ，代表了在这个组中的小区序号；盎n 表示物理层小区i d 根据l t e 的标准，在d w p t s 时隙，每一帧都由下行同步码以能覆盖全小区的 功率在发送，下行同步码采用的是频域的周期互相关函数最大幅度的下界为， 其中为序列的长度的z a d o f f c h u 序列：+ f一，竺! 竺12 引旷 p ，二( 疗篡删一0 ，1 ，3 0 le 。 6 3 ，2 = 3 1 ，3 2 ，6 l 其中序列的序号“参见下表： 表2 2 z a d o f f c h u 序列参数设置 n 序列参数u 02 5 l 2 9 23 4 下行主同步序列是按照式2 1 2 映射到s u b f r a m e l 、6 的第三个o f d m 符号的 资源元素口而其他位置保留并不发送任何信号。 r d l r r b a ，= d ( 门) ，k = 刀一31 + 三譬，= 2 ，z = o ，6 1 ( 2 1 2 ) 么 下行主同步信号的功能是用于初始接入时的时问和频率同步。原理是利用其 良好的自相关性，将接收信号与本地序列的共轭进行相关。有时域和频域两种方 式可以选择。将序列通过f f t 变化后得到时域的序列，考察其相关性。 通过仿真表明，t d d l t e 的下行主同步序列无论在时域还是频域都有良好的 自相关性。 1 2 重庆邮电人学硕l ：论文第二章o f d m 系统模型与t d d l t e 系统介绍 捶 研 k 霹 皿 ， h 世 肇 啊 k 嘤 皿 焉= 世 1 5 1 0 5 0 0 i - i 时峨自l 相燕性i l 弋 - 殳 o1 0 扣q 。5 0 序列福矫移位原越 图2 5 时域z a d o f f c h u 序列的自相关函数 颇晤自捆，皇艘 - - _ _ - - k 一 01 0 3 04 0 5 0 序列钷雪f 移位再越 图2 6 频域z a d o f f c h u 序列的自相关函数 1 3 6 5 4 3 2 重庆邮电大学硕上论文 第一二章o f d m 系统模型与t d d l t e 系统介绍 2 ) 下行次同步信号 用于下行次同步信号的序列d ( 0 ) ，d ( 6 1 ) 是由两个长度为3 l 的2 值序列组成。 该序列由下行主同步序列给出的扰码序列加扰。 2 个长度为31 的序列的组合方式在s u b f f a m e o 和s u b f r a m e 5 是不同的，也就 使下行次同步序列在这2 个位置有了区别，组合方式如下： 掷班髂：测舢i n s u b f r a m e 0 他 崛川，= 臀：滚搭引n n s s u 曲b 仔f r a m e ； 其中0 厅3 0 ，参数和m l 是由拶得来： m o = m m o d 3 1 = ( m o + m , 3 1 j + 1 ) m o d 3 1 ( 2 1 4 ) 聊= 础州州) 2 一i 掣i ，g ，= 【啪0 j 序列( t o o ) ( 疗) 和s p ( 刀) 由同一个m 序列j ( ，z ) 的不同循环移位产生： s ：”“( 以) = ；( ( 疗+ 聊。) m o d31 ) ( 2 1 5 ) s 一( 门) = j ( ( 刀+ m 1 ) m o d 3 1 ) 其中j ( f ) = 1 2 x ( i ) ，0 i 3 0 ，定义为： r ( i + 5 ) = ( x ( f + 2 ) + x ( f ) ) m o d 2 ，0 i 2 5 ( 2 1 6 ) 初始值x ( o ) = 0 ，x ( 1 ) = 0 ，x ( 2 ) = 0 ，x ( 3 ) = 0 ，x ( 4 ) = 1 。 两个扰码序列c o ( n ) 和c l ( 疗) 取决于下行主同步信号，由m 序列a ( n ) 的不同循环 移位产生： c o ( ，2 ) = 5 ( ( 疗+ 椎) r o o d 3 1 ) ( 2 1 7 ) c l ( 刀) = o ( ( 甩+ 苫+ 3 ) m o d 3 1 ) 其中怒 o ，1 ，2 ) ，序列仁( f ) = 1 - 2 x ( i ) ，o i 3 0 ，定义为： x ( i + 5 ) = ( x ( f + 3 ) + x ( i ) ) m o d 2 ，0 is 2 5 ( 2 1 8 ) 初始值x ( o ) = 0 ，x ( 1 ) = 0 ，x ( 2 ) = 0 ，x ( 3 ) = 0 ，x ( 4 ) = 1 。 扰码序列2 1 m o ) ( 刀) 和z ( 盯) 由m 序列乞( 胛) 的不同循环移位产生： z ：m o ) ( 门) = 三( ( 门+ ( m om o d 8 ) ) m o d 3 1 ) z m 1 ) ( ，z ) = 三( ( 玎+ ( m im o d 8 ) ) m o d 3 1 ) ( 2 1 9 ) 其中和m 由式得来，三( f ) = 1 2 x ( i ) ，0 i 3 0 ，定义为： x ( f + 5 ) = ( x c + 4 ) + x c + 2 ) + x ( f + 1 ) + x ( t ) ) m o d 2 ，0 丁2 5 ( 2 2