浅析TD-LTE系统应用的物理信号

张长青　　中国移动通信集团湖南有限公司岳阳分公司高级工程师



发展策略

浅析TD-LTE系统应用的物理信号

张长青中国移动通信集团湖南有限公司岳阳分公司高级工程师

摘要：TD-LTE系统是一个复杂的通信系统，为了保证用户的话务和数据通信，系统定义了物理信道、导频、同步信号、隔离信号等物理信号，其中物理信道是系统为用户通信信息所为，后者则是保证前者通信的原因。表面上这些物理信号非常复杂，但分门别类之后，就会使人们对TD-LTE系统有更清晰的认识。

关键词：物理信道；导频；同步信号；隔离信号

1　引言

TD-LTE系统在无线接口协议栈中既定义了物理层、链路层和网络层等基础层，还定义了应用层等高层。在物理层中又定义了在高层可以看见的、表示相关物理信号的上下行物理信道。为了维持系统在无线传输过程中各类物理信道的正常传输，系统还在物理层定义了在高层看不见（这些信息不会出现在高层，仅在低层传输）、专门用于承载、仅与物理过程有关，是系统功能必需的导频（参考信号）和同步信号。为了降低TDD系统上下行子帧干扰和OFDM符号间干扰，系统在底层还定义了保护间隔GP和循环前缀CP等隔离信号。

显然，物理信道、导频、同步信号和隔离信号，几乎是TD-LTE系统中应用的全部物理信号。其中，移动用户通信的话务和数据，包括专用用户的通信数据等，以及与这些信息相关的用户信令、系统控制信息等都包含在物理信道中，它们是系统通信中的主要信息；导频、同步信号和隔离信号等是维持系统正常工作，确保用户通信信息正常进行的辅助信号，这些辅助信号虽然同样占用系统的时频空资源，降低系统的通信效率，但它们是系统必不可少的物理信号。所以，有必要了解这些物理信号的基本特性。

TD-LTE系统将物理信道、导频、同步信号和隔离信号等物理信号按照系统要求映射到某个端口号对应的资源块所指定的资源单元上，完成系统多种信息的正常传输。虽然这些物理信号在物理底层工作时，是以帧结构比特流方式传输，但它们上升到抽象信息时却有许多不同，有些是系统上下行同时具备，有些仅为系统上行或下行才具备，有些是特殊类信号，有些仅仅是时域的空格而已，为了区别它们，系统才将其归类为物理信道、导频、同步信号和隔离信号。下面按类分析这些工作在物理层的物理信号。

2　TD-LTE系统的物理信道

TD-LTE系统定义的物理信道分为下行链路中传输的6个子信道和上行链路中传输的3个子信道，前者是物理下行共享信道PDSCH、物理下行控制信道PDCCH、物理广播信道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和物理随机接入信道PRACH。这9个物理信道承载的数据比特流可能是不同的用户数据或不同的系统信息，在系统承载资源中也拥有各自的配置位置和识别方法，其中：

（1）物理上行控制信道PUCCH：承载上行控制信息、授权资源调度请求、来自用户的无线测量报告和无线传输中的确认或非确认信令等。TD-LTE系统中设计了多种PUCCH格式，以用于传输不同类型的控制信令。资源块映射中PUCCH位于工作频段的边缘子载波，即时域占用一个OFDM符号，频域占用整个系统带宽。

（2）物理上行共享信道PUSCH：承载上行用户数据、用户信令和控制信息，既可以传输用户数据也可以传输系统控制信息，包括CQIand/orPMI、HARQ-ACK 和RI秩信息。但PUSCH主要用于上行数据的调度，是上行数据的主要承载信道。资源块映射中PUSCH为动态分配，但不会与PUCCH同时传输。

（3）物理随机接入信道PRACH：承载初始接入请求、空闲状态转换到连接状态的信令，是为了完成网络随机接入相关过程定义的信道，因为随机接入是UE请求与网络通信前的必需过程。资源块映射中PRACH的时域位置由信令决定每个无线帧的子帧1或3，频域位置占用6个资源块共1.08MHz带宽。

（4）物理下行控制信道PDCCH：承载下行控制信息DCI，如上行调度信令、下行数据传输指示、公共控制信息等，指出寻呼消息在资源块中的位置。资源块映射中PDCCH的时域位置在普通子帧的1～3个OFDM符号、特殊子帧的1～2个OFDM符号处，频域位置至少占用1个CCE中的432个子载波。值得注意的是，与其他控制信道的资源映射以REG为基本单位不同的是，PDCCH资源映射的基本单位是控制信道单元CCE。

（5）物理下行共享信道PDSCH：承载下行用户数据、用户信令、寻呼消息和系统信息等，包括没有在PBCH上传输的系统广播信息及寻呼信息等，可应用于特殊时隙DwPTS上。资源块映射时由系统动态分配，且一个用户至少占用1个资源块对，映射位置可以在下行信道除了控制区域及RS外的全部REG。

（6）物理广播信道PBCH：承载由主信息块MIB来传输的用于初始接入的参数，为保证PBCH的接收性能，PBCH承载信息量只有24比特，是接入系统必需的系统参数，包括下行系统带宽、小区HARQ指示信道配置、系统帧号SFN、基站天线数量和PHICH在资源块中的位置等少量信息。资源块映射时，时域位置是每个无线帧的子帧0的第2个时隙前的4个OFDM符号，频域占用系统6个资源块的1.08MHz带宽。

（7）物理多播信道PMCH：承载可以将同一业务源发出的数据同时发给多个接收MBMS的多播多媒体下行数据信息。MBMS既可以扩展移动通信网络中的业务种类，还能通过承载和资源共享降低网络运营成本。TD-LTE采用的MBSFN技术，可以在相同时间和频率资源上实现MBMS。资源块映射时，时域只在MBSFN子帧上的MBSFN区域传送，频域则占用系统带宽。

（8）物理控制格式指示信道FCFICH：承载一个子帧中用于PDCCH传输的OFDM符号数量和位置信息，可引导UE去读PDCCH信息、携带CFI信息、指示PDCCH占用的符号数量。资源块映中，时域占用4个资源组REG的4个OFDM符号，频域占用每个子载波的第1个OFDM符号。

（9）物理HARQ指示信道PHICH：承载对于终端上行数据的ACK/NACK反馈信息，因为在UE发送上行PDSCH数据后，基站是通过PHICH向UE发送HARQ的ACK/NACK消息。资源块映中，时域占用每个子帧的第1或第3个OFDM符号，且由系统参数配置，频域占用3个资源组的12个连续子载波。

总之，在TD-LTE系统的半帧或无线帧中，通过上行子帧传输的上行物理信道，是终端向基站传输的物理信号，这些信息主要是终端申请系统提交的鉴权、开始通信的资源调度请求、提交终端所处无线环境的质量报告、承载终端上行发送的数据和信令，以及终端初始接入或空闲转连接的请求等，信息量相对较少，只需要3种不同的物理信道表述；而通过下行子帧传输的下行物理信道，是基站向终端传送的物理信息，这些信息主要是下行控制信息、用户下行数据和信令、用户寻呼消息和系统消息、终端接入必需的（带宽、天线数量和小区ID）广播信息、MBMS多播信息和一些专门的控制信息，信息量相对较大，需要6种不同的物理信道表述。

3　TD-LTE系统的导频

在移动通信系统中，为了有效地检测经过无线信道传输的信号并能解调，需要用相关检测或盲检测获取信道信息，其中相关检测是当前无线通信的主要技术，该方式在发送端发送预先约定已知序列，接收端通过对已知序列进行测量获取信道信息，这些已知序列也叫导频序列或参考信号。TD-LTE系统采用的是相关检测方式，基站与终端同步后，所有物理层信道都依赖相关检测，对应的导频设计则是物理层的关键技术。导频设计时需要针对应用场景和支持的天线端口数，从导频资源开销和性能两方面综合考虑设计具体的复用方式和图样。

导频序列也以资源单元为单位，在资源块中插入导频资源单元的方式有梳状、块状和星状3种，这3种方式各有优劣。在时域快速变化的信道中，梳状分布因导频分布的连续性，能够很好地跟踪不同符号下信道状态的变化，信道变化越快该优势越明显；在频域频率选择性衰落信道中，因子载波变化较快，块状分布因频域子载波选择的连续性要明显优于梳状分布；星状分布因时域频域的离散性，可以通过调整子载波间隔和OFDM符号间隔来适应频率选择性衰落信道和时间选择性衰落信道，因而要优于梳状和块状分布。

TD-LTE系统的导频序列在资源块中，在上行链路多用梳状或块状，在下行链路多用星状，导频序列插入数据流中的具体位置如图1所示，发射端是在基带调制后插入导频，接收端是在基带解调前抽出导频，所以系统的导频序列仅仅应用在基带调制与解调之间。TD-LTE系统的导频有应用于上行链路的上行解调导频DMRS、上行探测导频SRS，应用于下行链路的下行公共导频CRS、UE专用导频URS、多媒体广播多播业务单频网专用导频MBSFN、下行状态测量导频CSIRS、定位导频PRS，下面逐一分析这些导频信号。

图1　TD-LTE系统物理层传输过程

（1）上行解调导频DMRS：包括上行共享信道PUSCH和上行控制信道PUCCH解调导频两种，分别用于PUSCH和PUCCH的数据解调，信号结构主要采用的是Zadoff-Chu（ZC）序列，因用途不同序列设计和资源映射存在差异。常规CP中的PUSCH解调导频映射在每个时隙的第4个符号上。扩展CP中的PUSCH解调导频映射在每个时隙的第3个符号上。PUCCH解调导频的映射与PUCCH的格式有关。

（2）上行探测导频SRS：用于上行信道质量测量，以支持频率选择性调度、功率控制和定时提前等功能，保证每个被调度用户的信道状态良好。在TD-LTE系统中，因TDD上下信道的对称性，利用信道互易性系统可以同时得到下行信道质量。导频的映射位置，若上行特殊时隙UpPTS中有两个OFDM符号，则系统可以在这两个OFDM符号上配置，也可以位于某个上行子帧的最后一个OFDM符号。

（3）下行公共导频CRS：用于广播信道、下行控制信道和下行共享信道的数据解调与传输、下行共享信道的信道质量测量等。由于CRS是小区内所有移动用户使用的导频，且覆盖整个带宽，所以又叫小区专用导频。CRS信号结构是由一个长度为31的Gold序列组成的随机序列，其资源单元在资源块中的映射呈星形分布。CRS在时域的下行子帧、频域的全带宽和天线端口0～3中的一个或多个端口上发送。

（4）用户专用导频URS：用于下行共享信道的数据解调，只在采用传输模式7～9传输的资源块上发送，并且与数据一起进行预编码。URS只在发送业务数据的RB中发送，可以减少相邻小区间干扰，节约能量，导频端口数与MIMO传输并行数据流的数据相同，避免了公共导频开销过大。URS导频在天线端口5用于支持模式7的单流波束赋形，在天线端口7～14用于支持模式8和9的双流波束赋形。

（5）多媒体广播多播业务单频网专用导频MBSFN：用于多播信道的数据解调。仅在多播信道天线端口4上发送。在TD-LTE中根据子帧发送业务的不同，分为常规子帧和MBSFN子帧，常规子帧用于单播业务的数据传输，MBSFN子帧用于多个小区的广播和多播业务传输。由于MBSFN子帧包括子载波间隔为15和7.5kHz两种配置，所以MBSFN导频也包括这两种形式，其中15kHz支持扩展CP。

（6）下行状态测量导频CSIRS：用于为终端提供下行共享信道的信道质量测量信息，用户通过CSIRS可获得信道质量信息。适用于传输模式9的信道测量，在天线端口15～22上全带宽周期发送，是用户专属导频，可测量整个带宽的信道信息，不与数据一起作预处理。

（7）定位导频PRS：用于系统对终端定位，只有系统配置成定位子帧的下行子帧中，并由天线端口6发送。

TD-LTE系统生成的导频编码结构是序列，不同的导频对应的序列不同，且固定不变。发送端针对某信道插入某种导频序列，经过无线信道后，接收端仍然用这种导频序列来检测，从而比较无线信道传输特征，为接收端调整针对某种信道的修正补偿算法提供修正参数。导频的主要服务对象是物理信道。

4　TD-LTE系统的同步信号

TD-LTE是TDD时分双工系统，必须保证基站与终端在通信过程中的严格同步。所谓小区搜索过程是指终端UE获得与基站eNodeB的下行同步，检测到该小区物理层的小区ID。也说是说，UE是通过接收并读取该小区的广播信息，从中获取小区的系统信息以决定小区重选、驻留和发起随机接入等后续操作的。当然，UE完成与基站的下行同步后，还需要不断检测服务小区的下行链路质量，确保UE能够正确接收下行广播和控制信息。同时，为了保证基站能够正确接收UE发送的数据，UE还必须取得并保持与基站的上行同步。

TD-LTE系统的小区同步是通过下行信道中的同步信号与之实现的，有主同步PSS和辅同步SSS两种，其实系统中仅有下行信道配置同步信号。时域中PSS 和SSS在帧结构中的位置如图2所示，PSS和SSS信号在时域中占用一个OFDM符号，其中PSS占用子帧1、6的第3个OFDM符号，SSS占用子帧0、5的最后1个（正常CP第7个）OFDM符号，且位置相对固定，与TDD系统的上下子帧配置和小区覆盖大小等因素无关。显然，主同步信号PSS位于特殊子帧中下行特殊时隙DwPTS内，辅同步信号SSS位于DwPTS之前。

TD-LTE系统支持504个小区ID，并将该小区ID划分为168个小区组，每组3个小区ID，系统利用小区ID帮助用户终端识别基站和小区。小区ID号由主同步序列和辅同步序列共同决定，若小区ID号为NCell、主同步序列为NPSS、辅同步序列为NSSS，则有NCell= NPSS+3NSSS。因终端进行小区搜索时的第一步是检测PSS，再根据二者间的位置偏移检测SSS，最后根据上述公式算出小区ID号，而终端的小区搜索过程是获取基站下行同步并检测小区ID，所以采用PSS和SSS两种同步信号能够加快小区搜索的速度。

图2　TD-LTE系统物理层帧结构

（1）主同步信号PSS：为了快速准确地搜索小区，PSS序列必须具备良好的相关性、频域平坦性、低复杂度等性能。TD-LTE系统的PSS序列采用长度为63的频域Zadoff-Chu序列，为了标识小区ID，系统中包含了3个PSS序列，分别对应不同小区组内的小区ID，一般情况下这正好对应于每个基站下的3个小区。由于ZC序列具有良好的周期自相关性和互相关性，从UE来看选择PSS根指数组合可以满足时域的根对称性，从而可以用单相关器检测，使得复杂度明显降低。

（2）辅同步信号SSS：辅同步序列SSS有168个，正好对应168个基站，采用M序列，信号由两个长度为31 的M序列交叉级联得到长度为62的序列组成。在一个无线帧内，前半帧中辅同步信号的交叉级联方式与后半帧中辅同步信号的交叉级联方式正好相反。为了提高不同小区间同步信号的辨识度，辅同步信号SSS使用两组扰码进行加扰，因为经过两次加扰后的辅同步信号具有更好的相关性，能够保证在正确检测到主同步信号后，更加准确地检测出辅同步信号。

在TD-LTE系统中，频域针对不同的系统带宽时，同步信号均占据中央6个资源块的1.08MHz的位置；时域则固定在特殊时隙DwPTS之中和之前。同步信号的使用是为了保证系统的时间同步和频率同步，其中时间同步是使用本地同步序列和接收信号进行同步相关，进而获取期望的峰值，根据峰值判断出同步信号的位置。时间同步完成后再进行频率同步，以确保收发两端信号频偏一致性，为此可通过辅同步序列、导频序列、CP等信号进行频偏估计，对频率偏移进行纠正，实现系统的频率同步。

5　TD-LTE系统的隔离信号

除了物理信道、导频信号和同步信号，在TD-LTE系统中还有保护间隔GP和循环前缀CP等的隔离信号，它们的主要作用是抵抗上下行子帧间干扰和OFDM符号间干扰，隔离上下行子帧和OFDM符号。如图3所示，GP是子帧隔离信号，CP是OFDM符号隔离信号，但它们不承载任何信息，只有抗干扰和隔离作用，所以人们一般不把它们叫信号，但它们确实是TD-LTE系统中占用有效信号资源的必不可少的另类信号。

（1）保护间隔GP：TD-LTE是TDD系统，上下行为同一工作频率，只能通过帧结构定义来约束数据的发送时间参数，以此保证接收数据的正确执行，所以帧结构需要同时给出上下行占用资源的时间和位置的信息。TD-LTE系统的无线帧由下行子帧群、保护间隔GP和上行子帧群3个部分组成，其中GP位于下行转上行时刻，主要作用是隔离上下行子帧和保护下行信号对上行信号的干扰。保护间隔GP是应用在每个无线帧中占用时域资源的无效信号，大小是由维护工程师根据无线环境情况专门设置的。

图3A所示为基站的1个无线帧在用户UE1和UE2处的情况。因为UE1距基站较近，传输时延Tp1较小，UE2距基上较远，传输时延Tp2较大，为了保证不同用户到达基站的数据保持同步，UE1和UE2在发送上行数据时的时间提前量也应为Tp1和Tp2，随着用户与基站间距离越来越大，传输时延也会增加，最后可能出现GP被提前量“吃掉”的情况，如用户UE3距基站更远，则会出现下行子帧与上行子帧重叠。也就是说，下行信号还没有完全接收就要发送上行信号。所以，GP越大越好，但会损失传输效率。

（2）循环前缀CP：多径效应会使完全不同的传播路径产生完全不同的传输时延，使得经过多径的信号到达接收机后发生混叠，出现某一径的前一OFDM符号与另一径的后一OFDM符号在同一时间到达接收机，这就是多径效应的时延扩展，这种时域展宽会使前一OFDM符号的扩展影响到下一OFDM符号而产生符号间干扰ISI。如图3B所示，一个OFDM符号后部信号被复制并放在该OFDM符号的最前端，因为这种方式类似于一个具有循环卷积特征的信号，在信号的多径时延不大于CP长度时可有效减小ISI。

图3　保护间隔GP和循环前缀CP结构

在TD-LTE系统中，CP的作用是分离相邻的OFDM符号，从而提高系统的抗ISI和时间偏差能力。CP信号在每个OFDM符号前面添加，发送端添加CP的位置是在IFFT变换形成OFDM符号之后，接收端除去CP的位置则是在FFT变换之前（见图1），所以CP仅生成在IFFT和FFT之间。CP的作用主要是针对无线信道中的多径效应。CP信号在时域的长度，根据系统设置有正常CP和扩展CP的两种，正常CP时每个资源块RB中的OFDM符号数为7，扩展CP时每个资源块RB中的OFDM符号数为6。

6　结束语

在TD-LTE系统中，通信的物理信号不仅有用户的互通话务通信和上传下载数据，还有用户执行的相关指令，如网上交易、手机银行等执行信令，这些都是与用户直接关联的物理信号。为了保证用户通信的数据和信令的正常进行，系统还定义了有许多辅助通信的物理信号，导频、同步、隔离信号等都是这类与用户通信信息间接关联的物理信号。

上下行物理信道是与用户直接关联的物理信号，基本上贯穿系统的基础层到应用层，主要承载用户数据、用户信令、系统控制信息、系统请求信令、广播信息、多播业务数据，及相关系统测量和指示信息等。

导频信号是物理信道传输中的识别信号，是专为物理信道服务的，可帮助系统识别物理信道，主要执行物理信道的数据解调、质量测量和终端的定位等工作。

主辅同步信号主要为系统提供时间和频率同步，时间同步在前，频率同步在后。之所以采用主辅两种同步信号，是因为这两种信号相互影响、相得益彰，可以加快终端对小区搜索的速度。

GP信号实际上是系统在时域预留的一段时间空格，并非真正的信号，不像CP是OFDM符号的复制部分，但GP和CP都具有时域隔离和抗干扰作用。GP是基站信号的有效工作半径。

物理信道承载的信号贯穿整个通信系统，是系统高层可见的物理信号。导频、同步、隔离信号只工作在系统的物理层，仅为系统低层可见，它们的存在更多的是因为无线信道通信的原因。

参考文献

［1］张长青.TD-LTE承载资源与物理信道分析［J］.邮电设计技术，2014（10）：21-25.

［2］王映民，孙韶辉.TD-LTE-Advanced移动通信系统设计［M］.北京：人民邮电出版社，2012（2）.

［3］张长青.TD-LTE系统导频模式技术研究［J］.移动通信，2014（6）：40-49.

［4］高峰，高泽华.TD-LTE技术标准与实践［M］.北京：人民邮电出版社，2011（11）.

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