基于OFDM技術(shù)的演進(jìn)型TD-SCDMA系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)的研究分析

第三代移動通信系統(tǒng)最早1985年由 國際電信聯(lián)盟（ITU）提出，當(dāng)時(shí)稱為未來公眾陸地移動通信系統(tǒng)（FPLMTS），1996年更名為 IMT-2000（國際移動通信-2000），而后各國正式、非正式團(tuán)體組織投入了巨大的人力、物力、財(cái)力參與標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)制定。在此過程中，我國提出了采用TDD（時(shí)分雙工）雙工模式的TD-SCDMA,并在對此無線傳輸技術(shù)（RTT）的開發(fā)和不斷改進(jìn)基礎(chǔ)上與國際合作，完成了TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)制定，成為第三代移動通信國際標(biāo)準(zhǔn)重要的組成部分。當(dāng)前，TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在不斷地推動著TD-SCDMA技術(shù)向前發(fā)展，產(chǎn)業(yè)化局勢日欲明朗，不斷地吸引越來越多的國內(nèi)外廠商的關(guān)注，正逐漸掀起TD-SCDMA技術(shù)研究的熱潮。

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)在所分配的無線幀的特定時(shí)隙發(fā)射。無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。

為了克服符號間干擾（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影響的信號部分，實(shí)現(xiàn)無ISI的信號傳輸。

1.5 OFDM解調(diào)和檢測

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交頻分復(fù)用技術(shù)，實(shí)際上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation,多載波調(diào)制的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾 ICI .每個(gè)子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個(gè)子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。

接收端執(zhí)行與發(fā)射端相逆的過程，對接收到的信號進(jìn)行符號定時(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)?？梢杂脦в衜idamble碼的OFDM符號作為導(dǎo)頻符號來執(zhí)行信道估計(jì)。然后對OFDM解調(diào)后的信號執(zhí)行單用戶或多用戶檢測，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。

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，具有TDMA特性。一個(gè)無線幀的長度為10 ms,分成兩個(gè)5 ms的子幀，每個(gè)子幀又分成長度為675 ?滋s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TD-SCDMA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)于上下行對稱及非對稱的業(yè)務(wù)。

由于OFDM技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，國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TDD LCR系統(tǒng)的增強(qiáng)和演進(jìn)方案備受人們關(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。

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、短兩種不同保護(hù)間隔；1個(gè)675 ?滋s的時(shí)隙可以支持9個(gè)使用短保護(hù)間隔的OFDM符號，或者8個(gè)使用長保護(hù)間隔的OFDM符號；按照3GPP長期演進(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。但是通過對該組幀結(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，通過改變FFT點(diǎn)數(shù)及子載波數(shù)來達(dá)到提高系統(tǒng)容量的目的?？蓮?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1751/" target="_blank">硬件實(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。

對于表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

通過仿真說明所設(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)镹=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)雜度就會變大，并且在消除符號間干擾和信道間干擾方面也帶來了一定的麻煩，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中選擇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τ陂L保護(hù)間隔而言，N=256時(shí)子載波間隔相對較窄，受到多普勒頻移的影響較大，但其較長的保護(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Long Term Evolution（LTE）的關(guān)鍵技術(shù)之一，在B3G和4G的發(fā)展過程中將起到至關(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)合起來的方案具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，可以有效地對抗多徑干擾。