基于OFDM技术的演进型TD-SCDMA系统帧结构的研究分析

第三代移动通信系统最早1985年由 国际电信联盟（ITU）提出，当时称为未来公众陆地移动通信系统（FPLMTS），1996年更名为 IMT-2000（国际移动通信-2000），而后各国正式、非正式团体组织投入了巨大的人力、物力、财力参与标准的开发制定。在此过程中，我国提出了采用TDD（时分双工）双工模式的TD-SCDMA,并在对此无线传输技术（RTT）的开发和不断改进基础上与国际合作，完成了TD-SCDMA标准制定，成为第三代移动通信国际标准重要的组成部分。当前，TD-SCDMA产业联盟在不断地推动着TD-SCDMA技术向前发展，产业化局势日欲明朗，不断地吸引越来越多的国内外厂商的关注，正逐渐掀起TD-SCDMA技术研究的热潮。

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。

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

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation,多载波调制的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰 ICI .每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

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。

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 ?滋s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TD-SCDMA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。

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。

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 ?滋s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。

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。