一种新型TD-LTE信号源的研究与实现

袁达花，华惊宇，孟利民

(浙江工业大学通信网应用技术研究省重点实验室，浙江杭州310023)

0 引言

3GPP启动LTE项目的原因是移动通信与宽带无线接入技术的融合。TD-SCDMA在中国大规模的商用将促使TD-LTE成为一个被广泛应用的通信标准［1］。随着用户对移动网络和多媒体服务的需求不断增加，移动通信将向着更高速率、更大带宽的方向发展。以OFDMA为核心技术的TD-LTE技术规范，下行峰值速率达到100Mbit/s，上行峰值速率达到50Mbit/s，由于它已经具备某些“4G”特征，因而可以被看作“准4G”技术［2］。TD-LTE相关产品的研究和设计对信号源具有较高的要求，而市场上信号源价格昂贵，且存在一定局限性。本文提出了一种软硬结合，软件控制硬件的新型LTE信号源生成方法。此方法具有价格低廉、精确、可控性、可扩展性等优势，能够增加衰落信道和噪声等硬件信号源无法单独完成的功能。

1 系统简介

本研究新型信号源系统原理图如图1所示。整个信号源分为两部分:软件模块和硬件模块。图1中的软件模块使用安捷伦的ADS软件;硬件模块使用传统矢量信号发生器(安捷伦E4432B)，该发生器只有通过软件控制才可以产生特定标准的微波信号。软件模块控制硬件模块，生成所需的微波信号。整个信号源系统的设计过程为:首先在ADS软件里设计出TD-LTE信号，用MATLAB软件分析信号的正确性，验证通过后，IO接口把信号传输到传统矢量信号发生器使之产生出物理信号，进一步通过频谱分析仪来测试所产生物理信号的正确性。

图1 系统原理框图

2 软件设计和实现

2.1 信号帧结构

TD-LTE支持5ms与10ms的上下行子帧切换周期。本研究选取上下行子帧切换点配置1，即切换周期为5ms，在半帧0中，子帧0、4是用于下行传输的子帧，子帧2、3是用于上行

传输的子帧，子帧1是特殊子帧，半帧1的配置与半帧0相同。10个子帧长度均为1ms，在常规CP下，普通子帧包含的OFDM符号个数为14，循环前缀CP的总长度为1个OFDM符号长度。特殊子帧由3个特殊时隙(DwPTS、GP、UpPTS)组合而成，特殊子帧有9种配置，本研究选择特殊子帧长度配置1，即特殊子帧中DwPTS有9个OFDM符号，GP有4个OFDM符号，UpPTS有1个OFDM符号。主同步信号将被映射到子帧1与子帧6的第3个OFDM符号上，辅同步信号将被映射到子帧0与子帧5的第14个OFDM符号上［3－4］。TD-LTE帧结构如图2所示。

图2 TD-LTE帧结构

2.2 软件建模

LTE需求指标要求下行小区平均频谱效率为1.6～2.1bps/Hz/cell，上行小区平均频谱效率为0.66～1.0bps/Hz/cell。用户的使用习惯似乎表明，对宽带多媒体业务的需求主要来自于室内，有统计表明，未来80%～90%的系统吞吐量将发生在室内和热点游牧场景，室内、低速、热点可能将成为移动因特网时代更重要的应用场景［3］。基于上面的叙述，本研究假设在FTP传输协议下进行，选择下行频谱效率为2.1bps/Hz/cell，上行频谱效率为1.0bps/Hz/cell，下行传输速率一般为640kb/s，上行传输速率一般为400kb/s，单个用户进行下行操作时需要占用21个子载波，进行上行操作时需要占用27个子载波。另外设计一个控制模块，用来控制多个用户在一个OFDM符号里的分配位置，使得用户可以分配到任意载波位置上。3GPP选用单载波频分多址(SC-FDMA)技术作为LTE的上行传输技术，正交频分多址(OFDMA)技术作为LTE下行传输技术［5］。SC-FDMA和OFDMA发送信号模型框图如图3所示。在软件建模上首先设计出TD-LTE基带信号，再将基带信号通过衰弱信道模块和噪声模块生成仿真信号。系统电路框图如图4所示。

图3 SC-FDMA和OFDMA发送信号模型框图

图4 TD-LTE系统电路框图

2.3MATLAB仿真检验正确性

对子帧模块输出的数据进行调制后，通过成型滤波器，最后传输到MATLAB模块对采集的信号进行测试，以确保ADS生成的信号和所设计的信号一致。

一帧理想TD－LTE信号波形如图5所示，信号的长度为307 200个码元，子帧0、4、5、9设置为下行子帧，子帧2、3、7、8设置为上行子帧，子帧1、6是特殊子帧，主同步信号与辅同步信号均选择第0组。图5中可见两个相同的半帧，每个半帧可见5个相同宽度的波段，就是子帧0至子帧4以及子帧5至子帧9，这与TD－LTE子帧切换点配置1的结构相符。为了使判断更精确，可以对照特殊子帧GP的位置是否与理论位置一致，并且验证仿真主同步信号与第0组主同步信号的误差绝对值是否在误差范围内。

在半帧0中，GP的理论位置在50 497～59 264码元，将采集到的数据的GP位置放大观察，由于码元个数比较多，为了能清晰地看出GP的位置，GP的起始位置与结束位置如图6、7所示，由图6、7可见仿真信号GP位置与理论GP位置一致。主同步信号是Zadoff-Chu序列，在实际建模中，对主同步信号序列进行无符号位的8bit量化，转化成hex格式后放入ASCII文本文件中，再用ADS的ROM模块进行读取，ROM模块的输出精度设置为2.8。用MATLAB将主同步信号仿真值和理论值进行误差对比，主同步信号仿真与理论的误差绝对值如图8所示，由于误差在10－2以内，可以表明误差很小。辅同步信号是二进制序列，建模时直接采用理论值。这样就进一步验证了信号的正确性。

图5 一帧理想信号

图6 GP的起始位置

图7 GP的结束位置

图8 主同步信号仿真与理论的误差绝对值

在此基础上在ADS中将理想信号叠加信道和噪声并用Matlab进行测试，信道选择extended_Pedestrian_A 模式，信道时延为{0，30，70，90，110，190，410}ns，信道增益系数为{0.0，－ 1.0，－2.0，－3.0，－8.0，－17.2，－20.8}dB，速度为步行速度，信噪比设置为3dB，4个参量可以根据实际环境设置。如图9所示，从左至右分别为叠加了信道和噪声的LTE信号、经过信道未叠加噪声的LTE信号、噪声。从波形上看，噪声和信号波形的形状一样;计算三者的平均功率，分别为0.680 4mW、0.456 8mW、0.224 7mW，可见噪声功率是未叠加噪声的LTE信号功率的一半，两者相加为叠加了噪声的LTE信号功率，这与3dB信噪比的设定是相符的。

3 软件控制硬件的实现

将ADS软件里设计产生的仿真信号，通过IO接口传输到矢量信号发生器即可生成物理信号，再通过频谱分析仪即可测试物理信号的正确性。在ADS软件里使用443XB模块连接控制安捷伦公司的E4432B矢量信号发生器，把生成的信号数据传输到矢量信号发生器中。

矢量信号发生器测试到的TD-LTE信号如图10所示，通过观察信号载频和频谱带宽来判断信号是否正确。在频域上，可以看到中心频率是2.3GHz，X轴Span为300MHz，每格为30MHz，波形振幅下降到3dB时X轴上的跨度近似于1格，频谱带宽大致是30.72MHz，与TD-LTE信号的载频、传输速率相吻合。

图9 辅同步信号点对点比较图

图10 频谱分析仪测试的TD-LTE信号

4 结束语

本信号源利用ADS强大的无线电路的建模能力，采用灵活的软件控制硬件生成信号的方式设计而成，在得到标准的TD-LTE信号的同时，还加入噪声和衰落信道模块来模拟真实传输环境，且具有价格低廉、稳定、可控性等优势。本文通过Matlab仿真和频谱分析验证了此信号源设计的正确性。该信号源已通过调试，可以作为实用的TD-LTE信号源使用。

［1］ 丁海宝.TDLTE标准及关键技术研究［D］.南京:南京邮电大学，2010.

［2］ 靳进.TDLTE通信协议的研究与仿真［D］.北京:北京邮电大学，2009.

［3］ 沈嘉，索士强，全海洋，等.3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计［M］.北京:人民邮电出版社，2008:46－65.

［4］ 汪丁鼎，龚追飞.TD-SCDMA 的长期演进—TD－LTE［J］.移动通信，2008，(1):33 －38.

［5］ Wuweiming，Lijunyi，Guyonghao.Research of key Technologies in TD-LTE System［C］.Barcelona:Global Mobile Congress 2009，2009:1 －5.