一种新型TD-SCDMA帧结构参数设计方法

韩计海,吴炳洋

（东南大学 移动通信国家重点实验室,江苏 南京 210019）

一种新型TD-SCDMA帧结构参数设计方法

韩计海,吴炳洋

（东南大学 移动通信国家重点实验室,江苏 南京 210019）

提出一种新型的基于正交频分复用 （OFDM）技术的TD-SCDMA系统帧结构参数设计方法，其既能与已有3G系统共存，又具有更高的系统容量和频谱利用率。

OFDM技术；TD-SCDMA系统；FFT运算；系统帧结构

在TD-SCDMA系统中，为了保证数据在无线链路上的可靠传输，物理层首先需要对来自媒体接入层（MAC层）和高层的数据流进行编码和调制，然后经过物理信道映射之后，对其进行扩频和扰码处理。扩频处理是采用具有码片速率的数字序列与信道数据相乘（直积），扩展了信号的带宽，将具有比特速率的数据流扩成具有码片速率的数据流。扰码处理是用一组数字序列与扩频后的数据相乘（点乘），并没有改变数据的传输速率。扩频的目的是扩展带宽，扰码的目的是区分用户[1]。

1 常规时隙中用户数据的处理

1.1 数据调制

TD-SCDMA系统的物理信道是将一个突发在所分配的无线帧的特定时隙发射。无线帧的分配可以是连续的，即每一帧的相应时隙都分配给某物理信道；也可以是不连续的，即将部分无线帧中的相应时隙分配给该物理信道。TD-SCDMA系统突发结构如图1所示，一个突发由两个数据部分、一个训练序列和保护间隔组成。一个突发的持续时间是一个时隙，在这里仅讨论单个突发数据域部分的调制方式。两个数据域分别位于训练序列两侧。通过物理信道映射的数据比特流在进行扩频处理之前，先要经过数据调制，即把连续的几个比特映射为一个复数值符号。

图1 TD-SCDMA系统突发结构

在TD-SCDMA系统中，通常采用QPSK数据调制方式,但是对于2 Mb/s的数据增值业务，则采用8PSK调制方式。在进行星座图映射时，为了减少接收机中相邻点间的误码率，采用 Gray码对其进行编码。比特序列经星座图映射后，输出的符号序列可以表示为：

式中，KCode是每个时隙编码用户的个数，Nk是用户 k的每个数据域符号数，它与扩频因子 Q有关。数据块在训练序列（midamble）之前发送,数据块在训练序列（midamble）之后发送。

1.2 扩频

为了降低多码传输时的峰均值比，对于每个信道化码，都有一个相关的相位系数∈,p∈{0,…，kQk-1}，其中 Qk是扩频因子。乘法算子通常在扩频之前（也可以是扩频之后）与经过复制映射的数据符号相乘。因而通常也叫做相位加权因子。

1.3 扰码

加扰前可以通过级联 Qmax/Qk个扩频数据来实现长度的匹配。训练序列部分是不经过扩频和加扰过程的[2]。

1.4 串/并变换与OFDM调制

用户k的数据经过扩频和扰码后首先要进行分组（串并变换）以构成OFDM符号块。用户特定的扩频码和小区特定的扰码的组合可以看做是一个用户和小区特有的扩频码[3]：s（k）=sp（k），其中

将经过扩频和扰码以后得到的码片进行串/并变换，然后映射到不同的子载波上，经 OFDM调制后传送出去。OFDM采用的子载波数N要根据码片序列和子载波间的匹配准则来确定。如图2所示，该组码片序列经过OFDM调制所发送的基带信号为：

即OFDM调制可以通过将串/并变换后的数据执行N点的IFFT变换来有效地实现。

图2 发射端基带部分示意图

为了克服符号间干扰（ISI）的影响，在 IFFT变换后要添加一个大于信道最大时延的循环前缀（CP）作为保护间隔，以保证接收端可以分离出不受ISI影响的信号部分，实现无 ISI的信号传输。

1.5 OFDM解调和检测

接收端执行与发射端相逆的过程，对接收到的信号进行符号定时同步、串并变换和去除CP，然后根据估计出的频率偏移进行频率校正，并执行N点的FFT变换，以实现OFDM解调。同时采用一定的信道估计算法估算出OFDM各个子载波上的信道系数。可以用带有midamble码的OFDM符号作为导频符号来执行信道估计。然后对OFDM解调后的信号执行单用户或多用户检测，以判决出发送的数据。基带接收机结构如图3所示。

图3 基带接收机结构

2 TD-SCDMA帧结构中OFDM参数设计

TD-SCDMA系统的物理信道采用四层结构：系统帧、无线帧、子帧和时隙/码。时隙用于在时域上区分不同的信号,具有TDMA特性。一个无线帧的长度为10 ms，分成两个 5 ms的子帧，每个子帧又分成长度为 675 μs的 7个常规时隙和 3个特殊时隙：DwPTS（下行导频时隙）、GP（保护间隔）、UpPTS（上行导频时隙）。在7个常规时隙中，TS0总是分配给下行链路，而TS1总是分配给上行链路。上行时隙和下行时隙之间由转换点分开。在TDSCDMA系统中，每个5 ms的子帧中有两个转换点，转换点的位置取决于小区上行时隙和下行时隙个数的配置。通过灵活地配置上下行时隙的个数，使TD-SCDMA适应于上下行对称及非对称的业务[4]。

由于OFDM技术的诸多优点，国际上许多公司和科研团体都把它作为增强3G系统性能特别是TD-SCDMA系统性能的方案之一。由CATT、RITT、ZTE、Huawei、TD-tech等共同提出的一种针对 TDD LCR系统的增强和演进方案备受人们关注[5]。这种基于E-UTRA TDD系统的下行链路OFDM信道参数如表1所示。

表1 基于TDD系统的下行链路OFDM参数

从表1中可以看出：根据不同的传输速率需要，可以使用长、短两种不同保护间隔；1个 675 μs的时隙可以支持9个使用短保护间隔的OFDM符号，或者8个使用长保护间隔的OFDM符号；按照3GPP长期演进计划的要求，系统应该具有尽可能大的吞吐量和良好的性能。但是通过对该组帧结构参数的分析可以发现，系统容量还有很大的提高余地。

根据 OFDM的性质可知，当传输带宽固定时，通过减少子载波间的间隔，增加子载波数，能够提高系统的容量。设计新OFDM符号参数时，传输带宽、时隙间隔和抽样频率与协议中相同，通过改变FFT点数及子载波数来达到提高系统容量的目的。可从硬件实现的角度考虑，一般选择FFT点数为2的整数次方。这里以短保护间隔类型为例[5]。

（3）当取 N=512时，可以计算出另一组 OFDM参数，见表2。

对于表2中的各种参数，可以估算其系统容量，见表3。

从表3中可以看到，子载波数增加时，子载波之间的间隔减少，频谱利用率更高而且系统的容量有了明显的提高（相同调制方式和编码速率下）。

3 仿真性能

通过仿真说明所设计参数的性能。信道模型采用“case3”信道，其中速度 120 km/h，最大多径时延约为 4个抽样时间间隔，小于保护间隔的长度。仿真曲线见图4。

从图4中可以看到，N=256的性能略好于N=128的性能，这是因为 N=256时的保护间隔时间（35.4 μs）大于N=128时的保护间隔时间（7.29 μs），且新参数的引入使系统容量有了很大的提高。

但是，N增加，计算复杂度就会变大，并且在消除符号间干扰和信道间干扰方面也带来了一定的麻烦，在实际的设计过程中选择 N=128或N=256。以短保护间隔为例进行性能仿真时，N=256的性能略好于N=128的性能，但是以长保护间隔为例进行性能仿真时，N=256的性能略差于 N=128的性能,因为对于长保护间隔而言，N=256时子载波间隔相对较窄，受到多普勒频移的影响较大，但其较长的保护间隔又可以改善一定性能。

随着OFDM技术的成熟应用,其已成为Long Term Evolution（LTE）的关键技术之一，在B3G和4G的发展过程中将起到至关重要的作用。本文提出了一种基于OFDM技术的演进型TD-SCDMA系统帧结构，与以前提出的参数相比具有更大的系统容量，能够作为向LTE过渡的备选帧结构参数之一。TD-SCDMA和OFDM技术结合起来的方案具有其独特的优点，可以有效地对抗多径干扰。

表2 基于TDD系统的下行链路OFDM新参数

表3 下行链路系统容量

[1]苏鹏程.一种TD-SCDMA系统兼容OFDM技术的方法.中国：CN 1694441A,2005.11.9

[2]李世鹤.TD-SCDMA第三代移动通信系统标准.北京：人民邮电出版社,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移动通信系统.北京：机械工业出版社，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]张荣涛，谢显中.TD-SCDMA长期演进方案中帧结构参数的改进.电子技术应用,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）

韩计海，男，1985年生，硕士研究生，主要研究方向：多载波通信及数字信号处理技术。

吴炳洋，男，1970年生，博士，副研究员，主要研究方向：多载波通信，多天线技术及无线资源管理。