一種新型TD-SCDMA幀結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法

韓計(jì)海,吳炳洋

（東南大學(xué) 移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210019）

一種新型TD-SCDMA幀結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法

韓計(jì)海,吳炳洋

（東南大學(xué) 移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210019）

提出一種新型的基于正交頻分復(fù)用 （OFDM）技術(shù)的TD-SCDMA系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，其既能與已有3G系統(tǒng)共存，又具有更高的系統(tǒng)容量和頻譜利用率。

OFDM技術(shù)；TD-SCDMA系統(tǒng)；FFT運(yùn)算；系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)

在TD-SCDMA系統(tǒng)中，為了保證數(shù)據(jù)在無(wú)線鏈路上的可靠傳輸，物理層首先需要對(duì)來(lái)自媒體接入層（MAC層）和高層的數(shù)據(jù)流進(jìn)行編碼和調(diào)制，然后經(jīng)過(guò)物理信道映射之后，對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)頻和擾碼處理。擴(kuò)頻處理是采用具有碼片速率的數(shù)字序列與信道數(shù)據(jù)相乘（直積），擴(kuò)展了信號(hào)的帶寬，將具有比特速率的數(shù)據(jù)流擴(kuò)成具有碼片速率的數(shù)據(jù)流。擾碼處理是用一組數(shù)字序列與擴(kuò)頻后的數(shù)據(jù)相乘（點(diǎn)乘），并沒(méi)有改變數(shù)據(jù)的傳輸速率。擴(kuò)頻的目的是擴(kuò)展帶寬，擾碼的目的是區(qū)分用戶[1]。

1 常規(guī)時(shí)隙中用戶數(shù)據(jù)的處理

1.1 數(shù)據(jù)調(diào)制

TD-SCDMA系統(tǒng)的物理信道是將一個(gè)突發(fā)在所分配的無(wú)線幀的特定時(shí)隙發(fā)射。無(wú)線幀的分配可以是連續(xù)的，即每一幀的相應(yīng)時(shí)隙都分配給某物理信道；也可以是不連續(xù)的，即將部分無(wú)線幀中的相應(yīng)時(shí)隙分配給該物理信道。TD-SCDMA系統(tǒng)突發(fā)結(jié)構(gòu)如圖1所示，一個(gè)突發(fā)由兩個(gè)數(shù)據(jù)部分、一個(gè)訓(xùn)練序列和保護(hù)間隔組成。一個(gè)突發(fā)的持續(xù)時(shí)間是一個(gè)時(shí)隙，在這里僅討論單個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)域部分的調(diào)制方式。兩個(gè)數(shù)據(jù)域分別位于訓(xùn)練序列兩側(cè)。通過(guò)物理信道映射的數(shù)據(jù)比特流在進(jìn)行擴(kuò)頻處理之前，先要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)調(diào)制，即把連續(xù)的幾個(gè)比特映射為一個(gè)復(fù)數(shù)值符號(hào)。

圖1 TD-SCDMA系統(tǒng)突發(fā)結(jié)構(gòu)

在TD-SCDMA系統(tǒng)中，通常采用QPSK數(shù)據(jù)調(diào)制方式,但是對(duì)于2 Mb/s的數(shù)據(jù)增值業(yè)務(wù)，則采用8PSK調(diào)制方式。在進(jìn)行星座圖映射時(shí)，為了減少接收機(jī)中相鄰點(diǎn)間的誤碼率，采用 Gray碼對(duì)其進(jìn)行編碼。比特序列經(jīng)星座圖映射后，輸出的符號(hào)序列可以表示為：

式中，KCode是每個(gè)時(shí)隙編碼用戶的個(gè)數(shù)，Nk是用戶 k的每個(gè)數(shù)據(jù)域符號(hào)數(shù)，它與擴(kuò)頻因子 Q有關(guān)。數(shù)據(jù)塊在訓(xùn)練序列（midamble）之前發(fā)送,數(shù)據(jù)塊在訓(xùn)練序列（midamble）之后發(fā)送。

1.2 擴(kuò)頻

為了降低多碼傳輸時(shí)的峰均值比，對(duì)于每個(gè)信道化碼，都有一個(gè)相關(guān)的相位系數(shù)∈,p∈{0,…，kQk-1}，其中 Qk是擴(kuò)頻因子。乘法算子通常在擴(kuò)頻之前（也可以是擴(kuò)頻之后）與經(jīng)過(guò)復(fù)制映射的數(shù)據(jù)符號(hào)相乘。因而通常也叫做相位加權(quán)因子。

1.3 擾碼

加擾前可以通過(guò)級(jí)聯(lián) Qmax/Qk個(gè)擴(kuò)頻數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度的匹配。訓(xùn)練序列部分是不經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻和加擾過(guò)程的[2]。

1.4 串/并變換與OFDM調(diào)制

用戶k的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻和擾碼后首先要進(jìn)行分組（串并變換）以構(gòu)成OFDM符號(hào)塊。用戶特定的擴(kuò)頻碼和小區(qū)特定的擾碼的組合可以看做是一個(gè)用戶和小區(qū)特有的擴(kuò)頻碼[3]：s（k）=sp（k），其中

將經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻和擾碼以后得到的碼片進(jìn)行串/并變換，然后映射到不同的子載波上，經(jīng) OFDM調(diào)制后傳送出去。OFDM采用的子載波數(shù)N要根據(jù)碼片序列和子載波間的匹配準(zhǔn)則來(lái)確定。如圖2所示，該組碼片序列經(jīng)過(guò)OFDM調(diào)制所發(fā)送的基帶信號(hào)為：

即OFDM調(diào)制可以通過(guò)將串/并變換后的數(shù)據(jù)執(zhí)行N點(diǎn)的IFFT變換來(lái)有效地實(shí)現(xiàn)。

圖2 發(fā)射端基帶部分示意圖

為了克服符號(hào)間干擾（ISI）的影響，在 IFFT變換后要添加一個(gè)大于信道最大時(shí)延的循環(huán)前綴（CP）作為保護(hù)間隔，以保證接收端可以分離出不受ISI影響的信號(hào)部分，實(shí)現(xiàn)無(wú) ISI的信號(hào)傳輸。

1.5 OFDM解調(diào)和檢測(cè)

接收端執(zhí)行與發(fā)射端相逆的過(guò)程，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行符號(hào)定時(shí)同步、串并變換和去除CP，然后根據(jù)估計(jì)出的頻率偏移進(jìn)行頻率校正，并執(zhí)行N點(diǎn)的FFT變換，以實(shí)現(xiàn)OFDM解調(diào)。同時(shí)采用一定的信道估計(jì)算法估算出OFDM各個(gè)子載波上的信道系數(shù)。可以用帶有midamble碼的OFDM符號(hào)作為導(dǎo)頻符號(hào)來(lái)執(zhí)行信道估計(jì)。然后對(duì)OFDM解調(diào)后的信號(hào)執(zhí)行單用戶或多用戶檢測(cè)，以判決出發(fā)送的數(shù)據(jù)?；鶐Ы邮諜C(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基帶接收機(jī)結(jié)構(gòu)

2 TD-SCDMA幀結(jié)構(gòu)中OFDM參數(shù)設(shè)計(jì)

TD-SCDMA系統(tǒng)的物理信道采用四層結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)幀、無(wú)線幀、子幀和時(shí)隙/碼。時(shí)隙用于在時(shí)域上區(qū)分不同的信號(hào),具有TDMA特性。一個(gè)無(wú)線幀的長(zhǎng)度為10 ms，分成兩個(gè) 5 ms的子幀，每個(gè)子幀又分成長(zhǎng)度為 675 μs的 7個(gè)常規(guī)時(shí)隙和 3個(gè)特殊時(shí)隙：DwPTS（下行導(dǎo)頻時(shí)隙）、GP（保護(hù)間隔）、UpPTS（上行導(dǎo)頻時(shí)隙）。在7個(gè)常規(guī)時(shí)隙中，TS0總是分配給下行鏈路，而TS1總是分配給上行鏈路。上行時(shí)隙和下行時(shí)隙之間由轉(zhuǎn)換點(diǎn)分開。在TDSCDMA系統(tǒng)中，每個(gè)5 ms的子幀中有兩個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)，轉(zhuǎn)換點(diǎn)的位置取決于小區(qū)上行時(shí)隙和下行時(shí)隙個(gè)數(shù)的配置。通過(guò)靈活地配置上下行時(shí)隙的個(gè)數(shù)，使TD-SCDMA適應(yīng)于上下行對(duì)稱及非對(duì)稱的業(yè)務(wù)[4]。

由于OFDM技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，國(guó)際上許多公司和科研團(tuán)體都把它作為增強(qiáng)3G系統(tǒng)性能特別是TD-SCDMA系統(tǒng)性能的方案之一。由CATT、RITT、ZTE、Huawei、TD-tech等共同提出的一種針對(duì) TDD LCR系統(tǒng)的增強(qiáng)和演進(jìn)方案?jìng)涫苋藗冴P(guān)注[5]。這種基于E-UTRA TDD系統(tǒng)的下行鏈路OFDM信道參數(shù)如表1所示。

表1 基于TDD系統(tǒng)的下行鏈路OFDM參數(shù)

從表1中可以看出：根據(jù)不同的傳輸速率需要，可以使用長(zhǎng)、短兩種不同保護(hù)間隔；1個(gè) 675 μs的時(shí)隙可以支持9個(gè)使用短保護(hù)間隔的OFDM符號(hào)，或者8個(gè)使用長(zhǎng)保護(hù)間隔的OFDM符號(hào)；按照3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)計(jì)劃的要求，系統(tǒng)應(yīng)該具有盡可能大的吞吐量和良好的性能。但是通過(guò)對(duì)該組幀結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)容量還有很大的提高余地。

根據(jù) OFDM的性質(zhì)可知，當(dāng)傳輸帶寬固定時(shí)，通過(guò)減少子載波間的間隔，增加子載波數(shù)，能夠提高系統(tǒng)的容量。設(shè)計(jì)新OFDM符號(hào)參數(shù)時(shí)，傳輸帶寬、時(shí)隙間隔和抽樣頻率與協(xié)議中相同，通過(guò)改變FFT點(diǎn)數(shù)及子載波數(shù)來(lái)達(dá)到提高系統(tǒng)容量的目的?？蓮挠布?shí)現(xiàn)的角度考慮，一般選擇FFT點(diǎn)數(shù)為2的整數(shù)次方。這里以短保護(hù)間隔類型為例[5]。

（3）當(dāng)取 N=512時(shí)，可以計(jì)算出另一組 OFDM參數(shù)，見表2。

對(duì)于表2中的各種參數(shù)，可以估算其系統(tǒng)容量，見表3。

從表3中可以看到，子載波數(shù)增加時(shí)，子載波之間的間隔減少，頻譜利用率更高而且系統(tǒng)的容量有了明顯的提高（相同調(diào)制方式和編碼速率下）。

3 仿真性能

通過(guò)仿真說(shuō)明所設(shè)計(jì)參數(shù)的性能。信道模型采用“case3”信道，其中速度 120 km/h，最大多徑時(shí)延約為 4個(gè)抽樣時(shí)間間隔，小于保護(hù)間隔的長(zhǎng)度。仿真曲線見圖4。

從圖4中可以看到，N=256的性能略好于N=128的性能，這是因?yàn)?N=256時(shí)的保護(hù)間隔時(shí)間（35.4 μs）大于N=128時(shí)的保護(hù)間隔時(shí)間（7.29 μs），且新參數(shù)的引入使系統(tǒng)容量有了很大的提高。

但是，N增加，計(jì)算復(fù)雜度就會(huì)變大，并且在消除符號(hào)間干擾和信道間干擾方面也帶來(lái)了一定的麻煩，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇 N=128或N=256。以短保護(hù)間隔為例進(jìn)行性能仿真時(shí)，N=256的性能略好于N=128的性能，但是以長(zhǎng)保護(hù)間隔為例進(jìn)行性能仿真時(shí)，N=256的性能略差于 N=128的性能,因?yàn)閷?duì)于長(zhǎng)保護(hù)間隔而言，N=256時(shí)子載波間隔相對(duì)較窄，受到多普勒頻移的影響較大，但其較長(zhǎng)的保護(hù)間隔又可以改善一定性能。

隨著OFDM技術(shù)的成熟應(yīng)用,其已成為L(zhǎng)ong Term Evolution（LTE）的關(guān)鍵技術(shù)之一，在B3G和4G的發(fā)展過(guò)程中將起到至關(guān)重要的作用。本文提出了一種基于OFDM技術(shù)的演進(jìn)型TD-SCDMA系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)，與以前提出的參數(shù)相比具有更大的系統(tǒng)容量，能夠作為向LTE過(guò)渡的備選幀結(jié)構(gòu)參數(shù)之一。TD-SCDMA和OFDM技術(shù)結(jié)合起來(lái)的方案具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，可以有效地對(duì)抗多徑干擾。

表2 基于TDD系統(tǒng)的下行鏈路OFDM新參數(shù)

表3 下行鏈路系統(tǒng)容量

[1]蘇鵬程.一種TD-SCDMA系統(tǒng)兼容OFDM技術(shù)的方法.中國(guó)：CN 1694441A,2005.11.9

[2]李世鶴.TD-SCDMA第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn).北京：人民郵電出版社,2003.

[3]25223-610 3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network;Spreading and modulation（TDD）

[4]彭木根，王文博.TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[5]R1-051241,CATT,RITT,ZTE,Huawei,TD-tech.Numerology and frame structure of EUTRA TDD based on OFDMA and text proposal for TR 25.814.San Diego,USA:October, 2005.

[6]張榮濤，謝顯中.TD-SCDMA長(zhǎng)期演進(jìn)方案中幀結(jié)構(gòu)參數(shù)的改進(jìn).電子技術(shù)應(yīng)用,2006,32（10）:130-132.

A new method of frame structure designing in TD-SCDMA

HAN Ji Hai, WU Bing Yang
（National Mobile Communications Research Laboratory Southeast University，Nanjing 210019,China）

In the paper,a new method of frame structure designing in TD-SCDMA based on OFDM is introduced.It not only can meet with the existing 3G system,but also provide greater spectrum efficiency.

OFDM technology；TD-SCDMA system；FFT algorithm;system frame structure

TN929.533

B

0258-7998（2010）09-0130-03

2010-01-14）

韓計(jì)海，男，1985年生，碩士研究生，主要研究方向：多載波通信及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。

吳炳洋，男，1970年生，博士，副研究員，主要研究方向：多載波通信，多天線技術(shù)及無(wú)線資源管理。