一種新型TD-LTE信號(hào)源的研究與實(shí)現(xiàn)

袁達(dá)花，華驚宇，孟利民

(浙江工業(yè)大學(xué)通信網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)研究省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310023)

0 引言

3GPP啟動(dòng)LTE項(xiàng)目的原因是移動(dòng)通信與寬帶無(wú)線接入技術(shù)的融合。TD-SCDMA在中國(guó)大規(guī)模的商用將促使TD-LTE成為一個(gè)被廣泛應(yīng)用的通信標(biāo)準(zhǔn)［1］。隨著用戶對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和多媒體服務(wù)的需求不斷增加，移動(dòng)通信將向著更高速率、更大帶寬的方向發(fā)展。以O(shè)FDMA為核心技術(shù)的TD-LTE技術(shù)規(guī)范，下行峰值速率達(dá)到100Mbit/s，上行峰值速率達(dá)到50Mbit/s，由于它已經(jīng)具備某些“4G”特征，因而可以被看作“準(zhǔn)4G”技術(shù)［2］。TD-LTE相關(guān)產(chǎn)品的研究和設(shè)計(jì)對(duì)信號(hào)源具有較高的要求，而市場(chǎng)上信號(hào)源價(jià)格昂貴，且存在一定局限性。本文提出了一種軟硬結(jié)合，軟件控制硬件的新型LTE信號(hào)源生成方法。此方法具有價(jià)格低廉、精確、可控性、可擴(kuò)展性等優(yōu)勢(shì)，能夠增加衰落信道和噪聲等硬件信號(hào)源無(wú)法單獨(dú)完成的功能。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本研究新型信號(hào)源系統(tǒng)原理圖如圖1所示。整個(gè)信號(hào)源分為兩部分:軟件模塊和硬件模塊。圖1中的軟件模塊使用安捷倫的ADS軟件;硬件模塊使用傳統(tǒng)矢量信號(hào)發(fā)生器(安捷倫E4432B)，該發(fā)生器只有通過(guò)軟件控制才可以產(chǎn)生特定標(biāo)準(zhǔn)的微波信號(hào)。軟件模塊控制硬件模塊，生成所需的微波信號(hào)。整個(gè)信號(hào)源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程為:首先在ADS軟件里設(shè)計(jì)出TD-LTE信號(hào)，用MATLAB軟件分析信號(hào)的正確性，驗(yàn)證通過(guò)后，IO接口把信號(hào)傳輸?shù)絺鹘y(tǒng)矢量信號(hào)發(fā)生器使之產(chǎn)生出物理信號(hào)，進(jìn)一步通過(guò)頻譜分析儀來(lái)測(cè)試所產(chǎn)生物理信號(hào)的正確性。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

2.1 信號(hào)幀結(jié)構(gòu)

TD-LTE支持5ms與10ms的上下行子幀切換周期。本研究選取上下行子幀切換點(diǎn)配置1，即切換周期為5ms，在半幀0中，子幀0、4是用于下行傳輸?shù)淖訋?，子?、3是用于上行

傳輸?shù)淖訋?，子?是特殊子幀，半幀1的配置與半幀0相同。10個(gè)子幀長(zhǎng)度均為1ms，在常規(guī)CP下，普通子幀包含的OFDM符號(hào)個(gè)數(shù)為14，循環(huán)前綴CP的總長(zhǎng)度為1個(gè)OFDM符號(hào)長(zhǎng)度。特殊子幀由3個(gè)特殊時(shí)隙(DwPTS、GP、UpPTS)組合而成，特殊子幀有9種配置，本研究選擇特殊子幀長(zhǎng)度配置1，即特殊子幀中DwPTS有9個(gè)OFDM符號(hào)，GP有4個(gè)OFDM符號(hào)，UpPTS有1個(gè)OFDM符號(hào)。主同步信號(hào)將被映射到子幀1與子幀6的第3個(gè)OFDM符號(hào)上，輔同步信號(hào)將被映射到子幀0與子幀5的第14個(gè)OFDM符號(hào)上［3－4］。TD-LTE幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 TD-LTE幀結(jié)構(gòu)

2.2 軟件建模

LTE需求指標(biāo)要求下行小區(qū)平均頻譜效率為1.6～2.1bps/Hz/cell，上行小區(qū)平均頻譜效率為0.66～1.0bps/Hz/cell。用戶的使用習(xí)慣似乎表明，對(duì)寬帶多媒體業(yè)務(wù)的需求主要來(lái)自于室內(nèi)，有統(tǒng)計(jì)表明，未來(lái)80%～90%的系統(tǒng)吞吐量將發(fā)生在室內(nèi)和熱點(diǎn)游牧場(chǎng)景，室內(nèi)、低速、熱點(diǎn)可能將成為移動(dòng)因特網(wǎng)時(shí)代更重要的應(yīng)用場(chǎng)景［3］?；谏厦娴臄⑹?，本研究假設(shè)在FTP傳輸協(xié)議下進(jìn)行，選擇下行頻譜效率為2.1bps/Hz/cell，上行頻譜效率為1.0bps/Hz/cell，下行傳輸速率一般為640kb/s，上行傳輸速率一般為400kb/s，單個(gè)用戶進(jìn)行下行操作時(shí)需要占用21個(gè)子載波，進(jìn)行上行操作時(shí)需要占用27個(gè)子載波。另外設(shè)計(jì)一個(gè)控制模塊，用來(lái)控制多個(gè)用戶在一個(gè)OFDM符號(hào)里的分配位置，使得用戶可以分配到任意載波位置上。3GPP選用單載波頻分多址(SC-FDMA)技術(shù)作為L(zhǎng)TE的上行傳輸技術(shù)，正交頻分多址(OFDMA)技術(shù)作為L(zhǎng)TE下行傳輸技術(shù)［5］。SC-FDMA和OFDMA發(fā)送信號(hào)模型框圖如圖3所示。在軟件建模上首先設(shè)計(jì)出TD-LTE基帶信號(hào)，再將基帶信號(hào)通過(guò)衰弱信道模塊和噪聲模塊生成仿真信號(hào)。系統(tǒng)電路框圖如圖4所示。

圖3 SC-FDMA和OFDMA發(fā)送信號(hào)模型框圖

圖4 TD-LTE系統(tǒng)電路框圖

2.3MATLAB仿真檢驗(yàn)正確性

對(duì)子幀模塊輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制后，通過(guò)成型濾波器，最后傳輸?shù)組ATLAB模塊對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，以確保ADS生成的信號(hào)和所設(shè)計(jì)的信號(hào)一致。

一幀理想TD－LTE信號(hào)波形如圖5所示，信號(hào)的長(zhǎng)度為307 200個(gè)碼元，子幀0、4、5、9設(shè)置為下行子幀，子幀2、3、7、8設(shè)置為上行子幀，子幀1、6是特殊子幀，主同步信號(hào)與輔同步信號(hào)均選擇第0組。圖5中可見(jiàn)兩個(gè)相同的半幀，每個(gè)半幀可見(jiàn)5個(gè)相同寬度的波段，就是子幀0至子幀4以及子幀5至子幀9，這與TD－LTE子幀切換點(diǎn)配置1的結(jié)構(gòu)相符。為了使判斷更精確，可以對(duì)照特殊子幀GP的位置是否與理論位置一致，并且驗(yàn)證仿真主同步信號(hào)與第0組主同步信號(hào)的誤差絕對(duì)值是否在誤差范圍內(nèi)。

在半幀0中，GP的理論位置在50 497～59 264碼元，將采集到的數(shù)據(jù)的GP位置放大觀察，由于碼元個(gè)數(shù)比較多，為了能清晰地看出GP的位置，GP的起始位置與結(jié)束位置如圖6、7所示，由圖6、7可見(jiàn)仿真信號(hào)GP位置與理論GP位置一致。主同步信號(hào)是Zadoff-Chu序列，在實(shí)際建模中，對(duì)主同步信號(hào)序列進(jìn)行無(wú)符號(hào)位的8bit量化，轉(zhuǎn)化成hex格式后放入ASCII文本文件中，再用ADS的ROM模塊進(jìn)行讀取，ROM模塊的輸出精度設(shè)置為2.8。用MATLAB將主同步信號(hào)仿真值和理論值進(jìn)行誤差對(duì)比，主同步信號(hào)仿真與理論的誤差絕對(duì)值如圖8所示，由于誤差在10－2以內(nèi)，可以表明誤差很小。輔同步信號(hào)是二進(jìn)制序列，建模時(shí)直接采用理論值。這樣就進(jìn)一步驗(yàn)證了信號(hào)的正確性。

圖5 一幀理想信號(hào)

圖6 GP的起始位置

圖7 GP的結(jié)束位置

圖8 主同步信號(hào)仿真與理論的誤差絕對(duì)值

在此基礎(chǔ)上在ADS中將理想信號(hào)疊加信道和噪聲并用Matlab進(jìn)行測(cè)試，信道選擇extended_Pedestrian_A 模式，信道時(shí)延為{0，30，70，90，110，190，410}ns，信道增益系數(shù)為{0.0，－ 1.0，－2.0，－3.0，－8.0，－17.2，－20.8}dB，速度為步行速度，信噪比設(shè)置為3dB，4個(gè)參量可以根據(jù)實(shí)際環(huán)境設(shè)置。如圖9所示，從左至右分別為疊加了信道和噪聲的LTE信號(hào)、經(jīng)過(guò)信道未疊加噪聲的LTE信號(hào)、噪聲。從波形上看，噪聲和信號(hào)波形的形狀一樣;計(jì)算三者的平均功率，分別為0.680 4mW、0.456 8mW、0.224 7mW，可見(jiàn)噪聲功率是未疊加噪聲的LTE信號(hào)功率的一半，兩者相加為疊加了噪聲的LTE信號(hào)功率，這與3dB信噪比的設(shè)定是相符的。

3 軟件控制硬件的實(shí)現(xiàn)

將ADS軟件里設(shè)計(jì)產(chǎn)生的仿真信號(hào)，通過(guò)IO接口傳輸?shù)绞噶啃盘?hào)發(fā)生器即可生成物理信號(hào)，再通過(guò)頻譜分析儀即可測(cè)試物理信號(hào)的正確性。在ADS軟件里使用443XB模塊連接控制安捷倫公司的E4432B矢量信號(hào)發(fā)生器，把生成的信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞噶啃盘?hào)發(fā)生器中。

矢量信號(hào)發(fā)生器測(cè)試到的TD-LTE信號(hào)如圖10所示，通過(guò)觀察信號(hào)載頻和頻譜帶寬來(lái)判斷信號(hào)是否正確。在頻域上，可以看到中心頻率是2.3GHz，X軸Span為300MHz，每格為30MHz，波形振幅下降到3dB時(shí)X軸上的跨度近似于1格，頻譜帶寬大致是30.72MHz，與TD-LTE信號(hào)的載頻、傳輸速率相吻合。

圖9 輔同步信號(hào)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)比較圖

圖10 頻譜分析儀測(cè)試的TD-LTE信號(hào)

4 結(jié)束語(yǔ)

本信號(hào)源利用ADS強(qiáng)大的無(wú)線電路的建模能力，采用靈活的軟件控制硬件生成信號(hào)的方式設(shè)計(jì)而成，在得到標(biāo)準(zhǔn)的TD-LTE信號(hào)的同時(shí)，還加入噪聲和衰落信道模塊來(lái)模擬真實(shí)傳輸環(huán)境，且具有價(jià)格低廉、穩(wěn)定、可控性等優(yōu)勢(shì)。本文通過(guò)Matlab仿真和頻譜分析驗(yàn)證了此信號(hào)源設(shè)計(jì)的正確性。該信號(hào)源已通過(guò)調(diào)試，可以作為實(shí)用的TD-LTE信號(hào)源使用。

［1］ 丁海寶.TDLTE標(biāo)準(zhǔn)及關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.南京:南京郵電大學(xué)，2010.

［2］ 靳進(jìn).TDLTE通信協(xié)議的研究與仿真［D］.北京:北京郵電大學(xué)，2009.

［3］ 沈嘉，索士強(qiáng)，全海洋，等.3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:人民郵電出版社，2008:46－65.

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