[王勇 魏珊]
一种新的TD-LTE系统干扰方案设计与实现*
[王勇魏珊]
摘要针对传统TD-LTE系统干扰方案的不足之处,给出了一种结合TD-LTE系统特性的干扰方案。首先,结合TD-LTE下行参考信号和上行解调参考信号的特点,提出了一种快速检测TD-LTE系统上下行子帧配置的算法。然后,针对TD-LTE系统下行数据资源映射特点,设计了一种TD-LTE系统干扰方案。算法仿真和实际干扰测试结果表明,文中给出的干扰方案与传统方案相比,降低了干扰信号功率,减少了干扰信号发射时间,并具有良好的干扰性能。
关键词:TD-LTE系统 上下行子帧配置 资源映射 干扰设计
王勇
男,重庆邮电大学重庆市移动通信技术重点实验室,硕士研究生,研究方向为个人通信、信号检测与估计。
魏珊
女,重庆邮电大学重庆市移动通信技术重点实验室,硕士研究生,研究方向为信号检测与估计。
LTE全称long term evolution,作为3G向4G过渡的重要技术,在推动4G网络不断发展发挥着重要作用。随着中国移动在香港商用第一个TD-LTE网络至今,TDLTE已然成为移动互联网不可或缺的接入技术。
手机干扰器,也称手机屏蔽器、会议信息保密机等。目前市面上出现的各种手机干扰器,其主要功能就是让手机无法正常使用。关于2/3G手机干扰技术的研究已经相对成熟,主要包括上/下行信号干扰、噪声干扰、全频段扫描干扰、基于伪基站的干扰等方式。但是针对4G手机的干扰方法比较少。目前市面上的产品主要采用扫频信号干扰的方法[1],即干扰设备在某一频段内对各频道作周期性扫描,对该频段内所有敌方电磁信号逐一进行干扰。干扰的基本原理是发射大功率的噪声信号,使得手机端接收信号信噪比急剧下降,致使手机无法获取基站信息,从而无法与基站通信,达到手机屏蔽的效果。比如深圳市恒兴电子有限公司提供的“移动4G信号联通沃4G干扰器”,可以对移动、电信、联通的各个频段LTE信号进行干扰。
不难发现,扫频干扰的最大优点是:原理简单,非常容易实现。但也存在一个明显的缺点:由于干扰信号要将移动终端的信噪比下降到一个无法通信的门限,故发射的干扰信号必须具有比较大的功率。另外,由于 TD-LTE为时分系统,不间断的发射干扰信号不仅干扰手机接收基站信号,而且也干扰基站接收手机发送的上行信号,对运营商网络造成影响。此外,由于TD-LTE系加密鉴权安全性增强等原因,利用伪基站原理实现手机屏蔽器的难度将会大大增加。
对此,本文首先提出了一种快速的TD-LTE系统上下行子帧配置检测算法,无需解析基站消息,即可获取当前基站的上下行子帧配置信息;接着,本文提出了一种针对TD-LTE系统的干扰方案,该方案结合LTE信号特点,能够以较低发射功率和较短的发射时间,实现对TD-LTE系统的干扰。经过仿真和实际测试,该方案能以较低的信号发射功率实现对TD-LTE手机终端的干扰屏蔽。
TD-LTE无线帧的长度为10ms,包含10个子帧,每个子帧的长度为1ms[2-4]。每个子帧中时域上分为两个时隙,时隙按照常规CP(Cyclic Prefix)和扩展CP分为7或者6个OFDM符号,频域采用OFDM将多载波进行组合传输,频域子载波间隔为15KHz[5]。子帧中的资源映如图1。
TD-LTE系统子帧中包含物理广播信道 (PBCH)、物理控制格式指示信道(PCFICH)、物理混合自动重传指示信道(PHICH)、物理下行控制信道(PDCCH)以及物理下行共享信道(PDSCH)等物理信道的数据[2-4]。PBCH信道包含小区MIB(Master Information Block)。通过正确解析PDCCH信道,能获取SIB1(System Information Block 1)信息,紧接着才能获取SIB2等系统信息。PDCCH一般在下行子帧的前1-3个OFDM符号上传输,而具体占用符号数由PCFICH信道包含的CFI(Control Format Indicator)值决定。另外,其余的时频资源用于传输PDSCH数据。
图1 TD-LTE资源映射
TD-LTE采用时分方式通信,即基站与移动终端分别在不同的时间上发送数据,TD-LTE基站会根据当前范围内上下行的数据需求来灵活配置上行/下行子帧,即上下行子帧配置。TD-LTE系统为适应不同的应用场景,设计了7种不同的上下行子帧配置方式[6],用于满足各种不同的上下行速率情况。
2.1传统检测算法流程
TD-LTE上下行子帧配置信息包含于SIB1,移动终端通常只有在获取到SIB1信息后才能获知该信息。传统解析SIB1信息的算法流程如图2[7]。获取到基站MIB信?息后,对PCFICH解码,获取CFI值。另外,由于PHICH的复用信息与上下行子帧配置相关,故此时只能通过遍历mi值,不断尝试对PDCCH解析。当CRC校验通过时,再根据下行控制信息对PDSCH解析。由于系统的下行最大HARQ(HybridAutomatic Repeat reQuest)进程数N也与上下行子帧的配置相关,故需要盲检测。
最终,当mi和N值均盲检成功时,才能获取SIB1信息,提取当前基站的上下行子帧配置信息。
2.2上下行子帧配置快速检测算法
在所有的上下行子帧配置中,子帧0和子帧5固定为下行子帧,子帧1固定为特殊子帧,子帧2固定为上行子帧,其余子帧可根据基站的应用场景进行灵活配置以满足需求[2]。
图2 SIB1系统信息解析流程
在TD-LTE的上行子帧中传输物理随机接入信道(PRACH)、物理上行控制信道(PUCCH)及物理上行共享信道(PUSCH)等信道信息。而PRACH与PUCCH所占用的资源较少,主要传输PUSCH数据信息。
PUSCH信道所在资源中映射有梳状格式的两个符号解调参考信号序列,其长度由基站分配的上行资源决定,即与用户使用的资源相关。而下行子帧中使用的参考信号序列是由基站的小区号、子帧号、时域符号等参数决定[8],即:
其中,伪随机序列c的初始值由系统帧号、时隙号、小区号以及CP类型等参数进行确定[2]。
初始获取MIB信息之后,即可根据参考信号的生成规则,在本地产生相应的参考信号序列副本r',并计算本地副本序列与接收参考信号序列之间的相关性系数cor。与参考门限对比corthrd,如果相关值大于门限则判决为下行子帧,如果低于门限则判定为上行子帧。
根据下行子帧配置信息表可知,无论何种上下行子帧配置,子帧0固定为下行子帧。提取接收数据子帧0中的参考信号序列与本地产生的参考信号序列相关,得到相关系数cor0。以cor0乘以因子p得到corthrd ,即取值范围0.7~0.85。
另外,由于子帧1和子帧5具有固定用途,子帧2固定为上行子帧,子帧6为下行子帧或特殊子帧。故完成对子帧3、4、7、8和9的检测,即完成上下行子帧配置信息检测。
本文在上下行子帧配置为2,带宽为20MHz,小区号为1,天线端口数为1,CP为常规类型,信噪比的取值范围为-20dB到10dB,仿真次数为1000次。仿真结果相同,其中一组结果如图3:
图3 子帧相关性检测
从图3中可以看到,相关性随着信噪比的增加而逐渐提高,以子帧3为例,在信噪比为-5dB时,本地副本与接收序列的相关值为0.3035,而信噪比增加到3dB时,参考信号序列的相关值已达到0.9289,高于判定门限。由于仿真数据中上下行子帧配置为2,子帧7对应为上行子帧,故其与本地产生的参考信号相关值较低,低于检测门限。另外,实际检测的TD-LTE基站信噪比通常在10dB以上,故算法的性能能够满足实际需求。
由2.1节所述可知,上下行子帧配置信息可以确定PHICH复用等信息。因此,可以将SIB1系统解析简化为如图4流程。
3.1干扰方式
TD-LTE系统能够根据实际需求,灵活的配置系统带宽,最大支持20MHz。根据下行各个物理信道资源映射的规则和信息解析流程可知,PDCCH包含的下行控制信息对PDSCH解析获取下行公共信息和专有信息起着至关重要的作用。
PDCCH占用OFDM符号数由CFI值决定,CFI包含于PCFICH中。除1.4MHz带宽外,PDCCH占用OFDM符号数取值范围1~3,占用剩余未使用的RE(Resource Element)。此外,PCFICH数据分散映射在整个系统带宽内。
综上所述特性,针对TD-LTE选取如下干扰方式:时域仅干扰每个子帧前两个OFDM符号;频域仅干扰当前系统带宽的1/2。
图4 优化后的SIB1信息解析流程
3.2干扰仿真
在带宽为20MHz,CFI为3的条件下针对不同的信噪比以及不同的干扰方式进行仿真。
对前两个OFDM符号进行干扰,干扰方式采用发送连续10MHz的干扰信号和间隔发送10MHz的干扰信号。连续的10MHz干扰信号分为三种情况:低频率10MHz,中心10MHz及高频率10MHz。间隔干扰对频域的1200个子载波进行步长为1的等间隔干扰。
不同信噪比下,PCFICH解析结果如图5。从图中可以看出,间隔干扰在低信噪比时具有更低的PCFICH检测成功率。PCFICH所传输的CFI取值为0~3(实际基站使用值为0~2),移动终端对PCFICH解析时,通常采用计算三种CFI取值的最大似然来进行CFI判决。故在低信噪比时,CFI仍有近1/3的检测成功率。
图5 PCFICH检测成功率
PDCCH解析结果统计如图6、7。
图6 PDCCH检测成功率
图7 PDCCH检测成功率(SNR -10~-3)
图7是在-10dB到-3dB时对图6的结果局部统计。在信噪比低于-10dB的时候,4种干扰方式都能够成功的对PDCCH解码进行干扰,但是在信噪比在-10dB到-3dB范围内时间隔干扰方式下PDCCH检测成功次数仍低于其它3种干扰方式。间隔干扰方式在信噪比为-6dB时能成功干扰PDCCH检测,其他3种干扰方式则至少需要在-8dB时才能成功干扰PDCCH。间隔干扰方式较其余三种干扰方式有2-4 dB的改进。
3.3干扰流程设计
根据前文所述TD-LTE的帧结构和资源映射特点,本文提出一种针对TD-LTE下行子帧控制信息的干扰方案,干扰方式如3.1所述,干扰流程如图8:
图8 干扰流程
整个干扰流程分为初始化阶段和工作阶段。
初始化阶段:首先,通过扫频获取当前环境中TDLTE各个频点信息。针对每一个频点,通过小区同步和MIB解析,获取小区号Cell-ID、带宽信息、系统帧号和CP类型;利用上下行子帧配置快速检测算法,检测各个频点配置信息。
工作阶段:根据获取的各频点带宽信息,构造干扰信号;针对各频点的配置信息,在下行子帧时刻发送干扰信号。
4.1实际测试
测试平台选用实验室自主研发的软件无线电平台,包括射频、中频和基带部分,如图9。测试手机为联想A788T,测试时处于室内。
通过扫频获取到当前室内环境存在三个小区,中心频点分别为:2330MHz、2585MHz和2605MHz,对应小区号:64514、15363和9731,带宽均为20MHz。根据中国移动TD-LTE频段配置可知,手机当前驻留在2330MHz频段。
查看手机当前的移动网络信息,如图10(左图),当前小区号64514,与扫频获取2330MHz频段一致。
启动逐频点干扰后,手机切换到室外频段2605MHz,小区号9731。随后,手机信号强度逐步下降。最终,手机丢失4G信号,切换到3G网络,如图10(右图)。
4.2结论
与传统扫频式全频段干扰方式相比,本文提出的基于TD-LTE帧结构和资源映射特性的干扰方案,在上下行子帧数量相同时,仅干扰下行子帧的前两个OFDM符号,干扰时间降低到1/14(常规CP)或1/12(扩展CP);而频域仅干扰1/2当前基站配置带宽,大大降低了干扰成本,具有环保特点。此外,此干扰方案不会干扰移动终端发往基站的上行信号,不影响运营商网络,且具有良好的干扰性能。
图10 干扰测试
图9 测试平台
在重要特殊场合,通过干扰实现对移动终端通信的管理和控制,具有一定的实用意义。
本文通过对TD-LTE系统帧结构的研究,提出了一种快速获取系统上下行子帧配置的算法,简化了SIB信息的解析流程,加速了移动终端扫描基站的过程。接着,本文根据TD-LTE系统各个物理信道资源映射的特点,改进了传统的干扰方式,并结合上下行子帧配置检测算法,设计了一种新的针对TD-LTE系统的干扰方案。通过算法仿真和实际测试,验证了检测算法和干扰方案的可行性,具有一定的工程应用价值,并已成功运用于实际项目。
参考文献
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7李小文, 贾海峰. 一种LTE系统中减少PDCCH盲检次数的方法[J]. 电子技术应用, 2012, 38(4): 87-89
8肖寒春, 于俊杰. LTE-A物理层下行参考信号的研究[J]. 数字技术与应用, 2014, (1): 73-74
DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.01.010
基金项目:国家自然科学基金(61301126),重庆市基础与前沿研究计划项目(cstc2013jcyjA40041),重庆市基础与前沿研究计划项目(cstc2013jcyjA40032).重庆邮电大学博士启动基金(A2012-33)
收稿日期:(2015-12-02)