淺析TD-LTE系統應用的物理信號

張長青　　中國移動通信集團湖南有限公司岳陽分公司高級工程師

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發展策略

淺析TD-LTE系統應用的物理信號

張長青中國移動通信集團湖南有限公司岳陽分公司高級工程師

摘要：TD-LTE系統是一個復雜的通信系統，為了保證用戶的話務和數據通信，系統定義了物理信道、導頻、同步信號、隔離信號等物理信號，其中物理信道是系統為用戶通信信息所為，后者則是保證前者通信的原因。表面上這些物理信號非常復雜，但分門別類之后，就會使人們對TD-LTE系統有更清晰的認識。

關鍵詞：物理信道；導頻；同步信號；隔離信號

1　引言

TD-LTE系統在無線接口協議棧中既定義了物理層、鏈路層和網絡層等基礎層，還定義了應用層等高層。在物理層中又定義了在高層可以看見的、表示相關物理信號的上下行物理信道。為了維持系統在無線傳輸過程中各類物理信道的正常傳輸，系統還在物理層定義了在高層看不見（這些信息不會出現在高層，僅在低層傳輸）、專門用于承載、僅與物理過程有關，是系統功能必需的導頻（參考信號）和同步信號。為了降低TDD系統上下行子幀干擾和OFDM符號間干擾，系統在底層還定義了保護間隔GP和循環前綴CP等隔離信號。

顯然，物理信道、導頻、同步信號和隔離信號，幾乎是TD-LTE系統中應用的全部物理信號。其中，移動用戶通信的話務和數據，包括專用用戶的通信數據等，以及與這些信息相關的用戶信令、系統控制信息等都包含在物理信道中，它們是系統通信中的主要信息；導頻、同步信號和隔離信號等是維持系統正常工作，確保用戶通信信息正常進行的輔助信號，這些輔助信號雖然同樣占用系統的時頻空資源，降低系統的通信效率，但它們是系統必不可少的物理信號。所以，有必要了解這些物理信號的基本特性。

TD-LTE系統將物理信道、導頻、同步信號和隔離信號等物理信號按照系統要求映射到某個端口號對應的資源塊所指定的資源單元上，完成系統多種信息的正常傳輸。雖然這些物理信號在物理底層工作時，是以幀結構比特流方式傳輸，但它們上升到抽象信息時卻有許多不同，有些是系統上下行同時具備，有些僅為系統上行或下行才具備，有些是特殊類信號，有些僅僅是時域的空格而已，為了區別它們，系統才將其歸類為物理信道、導頻、同步信號和隔離信號。下面按類分析這些工作在物理層的物理信號。

2　TD-LTE系統的物理信道

TD-LTE系統定義的物理信道分為下行鏈路中傳輸的6個子信道和上行鏈路中傳輸的3個子信道，前者是物理下行共享信道PDSCH、物理下行控制信道PDCCH、物理廣播信道PBCH、物理多播信道PMCH、物理控制格式指示信道PCFICH和物理HARQ指示信道PHICH，后者是物理上行共享信道PUSCH、物理上行控制信道PUCCH和物理隨機接入信道PRACH。這9個物理信道承載的數據比特流可能是不同的用戶數據或不同的系統信息，在系統承載資源中也擁有各自的配置位置和識別方法，其中：

（1）物理上行控制信道PUCCH：承載上行控制信息、授權資源調度請求、來自用戶的無線測量報告和無線傳輸中的確認或非確認信令等。TD-LTE系統中設計了多種PUCCH格式，以用于傳輸不同類型的控制信令。資源塊映射中PUCCH位于工作頻段的邊緣子載波，即時域占用一個OFDM符號，頻域占用整個系統帶寬。

（2）物理上行共享信道PUSCH：承載上行用戶數據、用戶信令和控制信息，既可以傳輸用戶數據也可以傳輸系統控制信息，包括CQIand/orPMI、HARQ-ACK 和RI秩信息。但PUSCH主要用于上行數據的調度，是上行數據的主要承載信道。資源塊映射中PUSCH為動態分配，但不會與PUCCH同時傳輸。

（3）物理隨機接入信道PRACH：承載初始接入請求、空閑狀態轉換到連接狀態的信令，是為了完成網絡隨機接入相關過程定義的信道，因為隨機接入是UE請求與網絡通信前的必需過程。資源塊映射中PRACH的時域位置由信令決定每個無線幀的子幀1或3，頻域位置占用6個資源塊共1.08MHz帶寬。

（4）物理下行控制信道PDCCH：承載下行控制信息DCI，如上行調度信令、下行數據傳輸指示、公共控制信息等，指出尋呼消息在資源塊中的位置。資源塊映射中PDCCH的時域位置在普通子幀的1～3個OFDM符號、特殊子幀的1～2個OFDM符號處，頻域位置至少占用1個CCE中的432個子載波。值得注意的是，與其他控制信道的資源映射以REG為基本單位不同的是，PDCCH資源映射的基本單位是控制信道單元CCE。

（5）物理下行共享信道PDSCH：承載下行用戶數據、用戶信令、尋呼消息和系統信息等，包括沒有在PBCH上傳輸的系統廣播信息及尋呼信息等，可應用于特殊時隙DwPTS上。資源塊映射時由系統動態分配，且一個用戶至少占用1個資源塊對，映射位置可以在下行信道除了控制區域及RS外的全部REG。

（6）物理廣播信道PBCH：承載由主信息塊MIB來傳輸的用于初始接入的參數，為保證PBCH的接收性能，PBCH承載信息量只有24比特，是接入系統必需的系統參數，包括下行系統帶寬、小區HARQ指示信道配置、系統幀號SFN、基站天線數量和PHICH在資源塊中的位置等少量信息。資源塊映射時，時域位置是每個無線幀的子幀0的第2個時隙前的4個OFDM符號，頻域占用系統6個資源塊的1.08MHz帶寬。

（7）物理多播信道PMCH：承載可以將同一業務源發出的數據同時發給多個接收MBMS的多播多媒體下行數據信息。MBMS既可以擴展移動通信網絡中的業務種類，還能通過承載和資源共享降低網絡運營成本。TD-LTE采用的MBSFN技術，可以在相同時間和頻率資源上實現MBMS。資源塊映射時，時域只在MBSFN子幀上的MBSFN區域傳送，頻域則占用系統帶寬。

（8）物理控制格式指示信道FCFICH：承載一個子幀中用于PDCCH傳輸的OFDM符號數量和位置信息，可引導UE去讀PDCCH信息、攜帶CFI信息、指示PDCCH占用的符號數量。資源塊映中，時域占用4個資源組REG的4個OFDM符號，頻域占用每個子載波的第1個OFDM符號。

（9）物理HARQ指示信道PHICH：承載對于終端上行數據的ACK/NACK反饋信息，因為在UE發送上行PDSCH數據后，基站是通過PHICH向UE發送HARQ的ACK/NACK消息。資源塊映中，時域占用每個子幀的第1或第3個OFDM符號，且由系統參數配置，頻域占用3個資源組的12個連續子載波。

總之，在TD-LTE系統的半幀或無線幀中，通過上行子幀傳輸的上行物理信道，是終端向基站傳輸的物理信號，這些信息主要是終端申請系統提交的鑒權、開始通信的資源調度請求、提交終端所處無線環境的質量報告、承載終端上行發送的數據和信令，以及終端初始接入或空閑轉連接的請求等，信息量相對較少，只需要3種不同的物理信道表述；而通過下行子幀傳輸的下行物理信道，是基站向終端傳送的物理信息，這些信息主要是下行控制信息、用戶下行數據和信令、用戶尋呼消息和系統消息、終端接入必需的（帶寬、天線數量和小區ID）廣播信息、MBMS多播信息和一些專門的控制信息，信息量相對較大，需要6種不同的物理信道表述。

3　TD-LTE系統的導頻

在移動通信系統中，為了有效地檢測經過無線信道傳輸的信號并能解調，需要用相關檢測或盲檢測獲取信道信息，其中相關檢測是當前無線通信的主要技術，該方式在發送端發送預先約定已知序列，接收端通過對已知序列進行測量獲取信道信息，這些已知序列也叫導頻序列或參考信號。TD-LTE系統采用的是相關檢測方式，基站與終端同步后，所有物理層信道都依賴相關檢測，對應的導頻設計則是物理層的關鍵技術。導頻設計時需要針對應用場景和支持的天線端口數，從導頻資源開銷和性能兩方面綜合考慮設計具體的復用方式和圖樣。

導頻序列也以資源單元為單位，在資源塊中插入導頻資源單元的方式有梳狀、塊狀和星狀3種，這3種方式各有優劣。在時域快速變化的信道中，梳狀分布因導頻分布的連續性，能夠很好地跟蹤不同符號下信道狀態的變化，信道變化越快該優勢越明顯；在頻域頻率選擇性衰落信道中，因子載波變化較快，塊狀分布因頻域子載波選擇的連續性要明顯優于梳狀分布；星狀分布因時域頻域的離散性，可以通過調整子載波間隔和OFDM符號間隔來適應頻率選擇性衰落信道和時間選擇性衰落信道，因而要優于梳狀和塊狀分布。

TD-LTE系統的導頻序列在資源塊中，在上行鏈路多用梳狀或塊狀，在下行鏈路多用星狀，導頻序列插入數據流中的具體位置如圖1所示，發射端是在基帶調制后插入導頻，接收端是在基帶解調前抽出導頻，所以系統的導頻序列僅僅應用在基帶調制與解調之間。TD-LTE系統的導頻有應用于上行鏈路的上行解調導頻DMRS、上行探測導頻SRS，應用于下行鏈路的下行公共導頻CRS、UE專用導頻URS、多媒體廣播多播業務單頻網專用導頻MBSFN、下行狀態測量導頻CSIRS、定位導頻PRS，下面逐一分析這些導頻信號。

圖1　TD-LTE系統物理層傳輸過程

（1）上行解調導頻DMRS：包括上行共享信道PUSCH和上行控制信道PUCCH解調導頻兩種，分別用于PUSCH和PUCCH的數據解調，信號結構主要采用的是Zadoff-Chu（ZC）序列，因用途不同序列設計和資源映射存在差異。常規CP中的PUSCH解調導頻映射在每個時隙的第4個符號上。擴展CP中的PUSCH解調導頻映射在每個時隙的第3個符號上。PUCCH解調導頻的映射與PUCCH的格式有關。

（2）上行探測導頻SRS：用于上行信道質量測量，以支持頻率選擇性調度、功率控制和定時提前等功能，保證每個被調度用戶的信道狀態良好。在TD-LTE系統中，因TDD上下信道的對稱性，利用信道互易性系統可以同時得到下行信道質量。導頻的映射位置，若上行特殊時隙UpPTS中有兩個OFDM符號，則系統可以在這兩個OFDM符號上配置，也可以位于某個上行子幀的最后一個OFDM符號。

（3）下行公共導頻CRS：用于廣播信道、下行控制信道和下行共享信道的數據解調與傳輸、下行共享信道的信道質量測量等。由于CRS是小區內所有移動用戶使用的導頻，且覆蓋整個帶寬，所以又叫小區專用導頻。CRS信號結構是由一個長度為31的Gold序列組成的隨機序列，其資源單元在資源塊中的映射呈星形分布。CRS在時域的下行子幀、頻域的全帶寬和天線端口0～3中的一個或多個端口上發送。

（4）用戶專用導頻URS：用于下行共享信道的數據解調，只在采用傳輸模式7～9傳輸的資源塊上發送，并且與數據一起進行預編碼。URS只在發送業務數據的RB中發送，可以減少相鄰小區間干擾，節約能量，導頻端口數與MIMO傳輸并行數據流的數據相同，避免了公共導頻開銷過大。URS導頻在天線端口5用于支持模式7的單流波束賦形，在天線端口7～14用于支持模式8和9的雙流波束賦形。

（5）多媒體廣播多播業務單頻網專用導頻MBSFN：用于多播信道的數據解調。僅在多播信道天線端口4上發送。在TD-LTE中根據子幀發送業務的不同，分為常規子幀和MBSFN子幀，常規子幀用于單播業務的數據傳輸，MBSFN子幀用于多個小區的廣播和多播業務傳輸。由于MBSFN子幀包括子載波間隔為15和7.5kHz兩種配置，所以MBSFN導頻也包括這兩種形式，其中15kHz支持擴展CP。

（6）下行狀態測量導頻CSIRS：用于為終端提供下行共享信道的信道質量測量信息，用戶通過CSIRS可獲得信道質量信息。適用于傳輸模式9的信道測量，在天線端口15～22上全帶寬周期發送，是用戶專屬導頻，可測量整個帶寬的信道信息，不與數據一起作預處理。

（7）定位導頻PRS：用于系統對終端定位，只有系統配置成定位子幀的下行子幀中，并由天線端口6發送。

TD-LTE系統生成的導頻編碼結構是序列，不同的導頻對應的序列不同，且固定不變。發送端針對某信道插入某種導頻序列，經過無線信道后，接收端仍然用這種導頻序列來檢測，從而比較無線信道傳輸特征，為接收端調整針對某種信道的修正補償算法提供修正參數。導頻的主要服務對象是物理信道。

4　TD-LTE系統的同步信號

TD-LTE是TDD時分雙工系統，必須保證基站與終端在通信過程中的嚴格同步。所謂小區搜索過程是指終端UE獲得與基站eNodeB的下行同步，檢測到該小區物理層的小區ID。也說是說，UE是通過接收并讀取該小區的廣播信息，從中獲取小區的系統信息以決定小區重選、駐留和發起隨機接入等后續操作的。當然，UE完成與基站的下行同步后，還需要不斷檢測服務小區的下行鏈路質量，確保UE能夠正確接收下行廣播和控制信息。同時，為了保證基站能夠正確接收UE發送的數據，UE還必須取得并保持與基站的上行同步。

TD-LTE系統的小區同步是通過下行信道中的同步信號與之實現的，有主同步PSS和輔同步SSS兩種，其實系統中僅有下行信道配置同步信號。時域中PSS 和SSS在幀結構中的位置如圖2所示，PSS和SSS信號在時域中占用一個OFDM符號，其中PSS占用子幀1、6的第3個OFDM符號，SSS占用子幀0、5的最后1個（正常CP第7個）OFDM符號，且位置相對固定，與TDD系統的上下子幀配置和小區覆蓋大小等因素無關。顯然，主同步信號PSS位于特殊子幀中下行特殊時隙DwPTS內，輔同步信號SSS位于DwPTS之前。

TD-LTE系統支持504個小區ID，并將該小區ID劃分為168個小區組，每組3個小區ID，系統利用小區ID幫助用戶終端識別基站和小區。小區ID號由主同步序列和輔同步序列共同決定，若小區ID號為NCell、主同步序列為NPSS、輔同步序列為NSSS，則有NCell= NPSS+3NSSS。因終端進行小區搜索時的第一步是檢測PSS，再根據二者間的位置偏移檢測SSS，最后根據上述公式算出小區ID號，而終端的小區搜索過程是獲取基站下行同步并檢測小區ID，所以采用PSS和SSS兩種同步信號能夠加快小區搜索的速度。

圖2　TD-LTE系統物理層幀結構

（1）主同步信號PSS：為了快速準確地搜索小區，PSS序列必須具備良好的相關性、頻域平坦性、低復雜度等性能。TD-LTE系統的PSS序列采用長度為63的頻域Zadoff-Chu序列，為了標識小區ID，系統中包含了3個PSS序列，分別對應不同小區組內的小區ID，一般情況下這正好對應于每個基站下的3個小區。由于ZC序列具有良好的周期自相關性和互相關性，從UE來看選擇PSS根指數組合可以滿足時域的根對稱性，從而可以用單相關器檢測，使得復雜度明顯降低。

（2）輔同步信號SSS：輔同步序列SSS有168個，正好對應168個基站，采用M序列，信號由兩個長度為31 的M序列交叉級聯得到長度為62的序列組成。在一個無線幀內，前半幀中輔同步信號的交叉級聯方式與后半幀中輔同步信號的交叉級聯方式正好相反。為了提高不同小區間同步信號的辨識度，輔同步信號SSS使用兩組擾碼進行加擾，因為經過兩次加擾后的輔同步信號具有更好的相關性，能夠保證在正確檢測到主同步信號后，更加準確地檢測出輔同步信號。

在TD-LTE系統中，頻域針對不同的系統帶寬時，同步信號均占據中央6個資源塊的1.08MHz的位置；時域則固定在特殊時隙DwPTS之中和之前。同步信號的使用是為了保證系統的時間同步和頻率同步，其中時間同步是使用本地同步序列和接收信號進行同步相關，進而獲取期望的峰值，根據峰值判斷出同步信號的位置。時間同步完成后再進行頻率同步，以確保收發兩端信號頻偏一致性，為此可通過輔同步序列、導頻序列、CP等信號進行頻偏估計，對頻率偏移進行糾正，實現系統的頻率同步。

5　TD-LTE系統的隔離信號

除了物理信道、導頻信號和同步信號，在TD-LTE系統中還有保護間隔GP和循環前綴CP等的隔離信號，它們的主要作用是抵抗上下行子幀間干擾和OFDM符號間干擾，隔離上下行子幀和OFDM符號。如圖3所示，GP是子幀隔離信號，CP是OFDM符號隔離信號，但它們不承載任何信息，只有抗干擾和隔離作用，所以人們一般不把它們叫信號，但它們確實是TD-LTE系統中占用有效信號資源的必不可少的另類信號。

（1）保護間隔GP：TD-LTE是TDD系統，上下行為同一工作頻率，只能通過幀結構定義來約束數據的發送時間參數，以此保證接收數據的正確執行，所以幀結構需要同時給出上下行占用資源的時間和位置的信息。TD-LTE系統的無線幀由下行子幀群、保護間隔GP和上行子幀群3個部分組成，其中GP位于下行轉上行時刻，主要作用是隔離上下行子幀和保護下行信號對上行信號的干擾。保護間隔GP是應用在每個無線幀中占用時域資源的無效信號，大小是由維護工程師根據無線環境情況專門設置的。

圖3A所示為基站的1個無線幀在用戶UE1和UE2處的情況。因為UE1距基站較近，傳輸時延Tp1較小，UE2距基上較遠，傳輸時延Tp2較大，為了保證不同用戶到達基站的數據保持同步，UE1和UE2在發送上行數據時的時間提前量也應為Tp1和Tp2，隨著用戶與基站間距離越來越大，傳輸時延也會增加，最后可能出現GP被提前量“吃掉”的情況，如用戶UE3距基站更遠，則會出現下行子幀與上行子幀重疊。也就是說，下行信號還沒有完全接收就要發送上行信號。所以，GP越大越好，但會損失傳輸效率。

（2）循環前綴CP：多徑效應會使完全不同的傳播路徑產生完全不同的傳輸時延，使得經過多徑的信號到達接收機后發生混疊，出現某一徑的前一OFDM符號與另一徑的后一OFDM符號在同一時間到達接收機，這就是多徑效應的時延擴展，這種時域展寬會使前一OFDM符號的擴展影響到下一OFDM符號而產生符號間干擾ISI。如圖3B所示，一個OFDM符號后部信號被復制并放在該OFDM符號的最前端，因為這種方式類似于一個具有循環卷積特征的信號，在信號的多徑時延不大于CP長度時可有效減小ISI。

圖3　保護間隔GP和循環前綴CP結構

在TD-LTE系統中，CP的作用是分離相鄰的OFDM符號，從而提高系統的抗ISI和時間偏差能力。CP信號在每個OFDM符號前面添加，發送端添加CP的位置是在IFFT變換形成OFDM符號之后，接收端除去CP的位置則是在FFT變換之前（見圖1），所以CP僅生成在IFFT和FFT之間。CP的作用主要是針對無線信道中的多徑效應。CP信號在時域的長度，根據系統設置有正常CP和擴展CP的兩種，正常CP時每個資源塊RB中的OFDM符號數為7，擴展CP時每個資源塊RB中的OFDM符號數為6。

6　結束語

在TD-LTE系統中，通信的物理信號不僅有用戶的互通話務通信和上傳下載數據，還有用戶執行的相關指令，如網上交易、手機銀行等執行信令，這些都是與用戶直接關聯的物理信號。為了保證用戶通信的數據和信令的正常進行，系統還定義了有許多輔助通信的物理信號，導頻、同步、隔離信號等都是這類與用戶通信信息間接關聯的物理信號。

上下行物理信道是與用戶直接關聯的物理信號，基本上貫穿系統的基礎層到應用層，主要承載用戶數據、用戶信令、系統控制信息、系統請求信令、廣播信息、多播業務數據，及相關系統測量和指示信息等。

導頻信號是物理信道傳輸中的識別信號，是專為物理信道服務的，可幫助系統識別物理信道，主要執行物理信道的數據解調、質量測量和終端的定位等工作。

主輔同步信號主要為系統提供時間和頻率同步，時間同步在前，頻率同步在后。之所以采用主輔兩種同步信號，是因為這兩種信號相互影響、相得益彰，可以加快終端對小區搜索的速度。

GP信號實際上是系統在時域預留的一段時間空格，并非真正的信號，不像CP是OFDM符號的復制部分，但GP和CP都具有時域隔離和抗干擾作用。GP是基站信號的有效工作半徑。

物理信道承載的信號貫穿整個通信系統，是系統高層可見的物理信號。導頻、同步、隔離信號只工作在系統的物理層，僅為系統低層可見，它們的存在更多的是因為無線信道通信的原因。

參考文獻

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收稿日期：（2016-04-08）

The analysis of TD-LTE system application's physics signal

ZHANGChangqing

Abstract：The TD-LTE system is a complicated communication system，for promising the voice and data transmit，the system defines a physical channel and reference signal，synchronous signal，separate signal，physical channel is defined for user's communication information，the latter promises the reason that the former communication.Superficial these physical signals are very complicated，after classifying，will make us understanding more clearly TD-LTE system.

Key words：physics channel；reference；signal；synchronization signal；separate signal