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1、电信科学2 0 0 7年第9期一种适用于宽带无线移动通信系统下行链路的 T D S - O F D M发送方法*夏亮, 粟欣, 许希斌, 王京( 清华大学北京1 0 0 0 8 4)摘 要3 9专题:B 3 G技术1引言随着现代信息技术的飞速发展, 电信网、 计算机网和广播电视网都在寻找更大的发展空间,趋向于相互渗透和相互融合, 正逐步形成“ 三网合一” 的局面。即, 现有的电信网、计算机网和广播电视网相互融合,逐渐形成一个统一的网络系统,由全数字化的网络基础设施来支持包括数据、语音、视频在内的多种业务并存的宽带多媒体通信。“ 三网合一” 当前的主要难点是接入网问题, 现阶段, 宽带无线城域网
2、已经成为解决“ 三网合一” 中接入网问题的有效手段之一,其研究工作已经成为宽带无线移动领域的热点。当前,宽带无线城域网的国际流行技术标准是I E E E8 0 2 . 1 6系列 1,2 。在I n t e l、M o t o r o l a等国外大型企业的极力支持下, 其发展势头非常强劲。符合I E E E8 0 2 . 1 6 d标准的芯片已经有厂商的产品支持, 开始进入量产和大规模商用阶段。目前, 国际上的各种宽带无线城域网标准并不统一,国内的宽带无线城域网标准研究已经起步, 如信息产业部标准化研究所正在牵头制定宽带无线城域网国家标准, 中国通信标准化协会也在组织研究基于I E E E8
3、 0 2 . 1 6的行业标准。在此情况下, 清华大学在研究多年宽带数字广播和无线移动通信技术的基础上, 面向高速移动、 高速数据、 低成本和低价格的市场需求, 提出了具有完全自主知识产权的清华宽带无线城域网系统B R a d i o(b r o a d b a n dr a d i o) 。该系统下行采用T D S - O F D M(t i m ed o m a i ns y n c h r o n i z a t i o n -o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g,时域同步正
4、交频分复用) ,该技术已经成为中国国家标准的数字电视广播本文将主要介绍宽带无线城域网系统(B R a d i o) 中下行链路的T D S - O F D M( 时域同步正交频分复用) 发送方法。T D S - O F D M是针对宽带无线传输信道设计的一种多载波调制方式, 既适用于具有多径干扰和多普勒频移的地面数字电视广播传输信道,也适用于其他宽带数字传输系统。T D S - O F D M技术已经在地面数字多媒体/电视广播(D M B - T) 传输系统中得到了应用, 在此基础上,本文结合对已有的宽带无线移动通信系统的研究,对宽带无线移动通信系统的帧结构、O F D M符号组成、 子载波分
5、配方案进行了改进, 使T D S - O F D M能够适用于宽带无线移动通信系统, 满足其需求。关键词时域同步正交频分复用; 宽带无线移动通信系统; 宽带无线接入; 下行链路*国家“8 6 3” 科技计划基金资助项目(N o . 2 0 0 7 A A 0 1 Z 2 8 9)专题:B 3 G技术的 无 线 多 媒 体 传 输 技 术 3,4 ;上 行 采 用S C - F D E(s i n g l ec a r r i e r - f r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n) 技术, 即已经在国内公安、 消防、 武警等单位得到广
6、泛使用的专用宽带无线接入系统技术。 二者结合构成了全双工、 低成本、 高性能的宽带无线城域网系统B R a d i o。B R a d i o的核心是移动宽带无线接入技术, 具有蜂窝移动通信网络的特征,可为用户提供在超过1 2 5k m / h的典型移动速度下的宽带无线接入业务, 最大限度地满足用户对移动宽带数据传输的需求。 该技术可用于5G H z以下频段的宽带无线接入场合,其小区覆盖范围可达3 0k m, 可以 在 “ 最 后 一 公 里 ”宽 带 接 入 领 域 替 代 传 统 的C a b l eM o d e m、D S L和T 1 / E 1,并提供3 0 1 0 0M b i t
7、 / s(1 0M H z带宽) 的信息速率。本文将从以下几个方面描述B R a d i o系统中所采用的适用于宽带无线移动通信系统下行链路的T D S - O F D M发送方法: 下行链路基本结构、O F D M符号、 下行帧结构、 载波分配方案、 主要参数选择、 与其他系统的比较。2下行链路的基本结构下行链路(D L) 发送端完成从业务数据流到宽带无线信道传输信号的转换。 输入数据码流经过扰码、 信道编码、交织, 然后进行星座映射, 再进行子载波分配形成基本数据块,基本数据块与系统信息组合后经过帧体数据处理( 即I F F T( 傅立叶反变换) ) , 完成O F D M调制过程。然后将
8、I F F T数据块加上P N( 伪随机) 序列组成一个O F D M符号,多个O F D M符号组成一个信号帧, 再经过基带处理后形成输出信号。该信号经变频形成射频信号。下行接收端为发送端的逆过程。接收天线收到的信号经过下变频和匹配滤波后, 进行P N序列与数据部分的分离, 利用P N序列进行相位校正、 载波恢复以及符号和载波的同步恢复, 并利用P N序列与导频进行信道估计以及信道均衡, 之后再进行解调、 解交织、 解码、 解扰, 最终获得业务数据流。物理层下行链路的基本结构如图1所示。3 T D S - O F D M符号O F D M符号是O F D M系统中的一个基本单元, 为了最大限
9、度地消除符号间干扰, 在每个O F D M符号之间要插入保护间隔, 该保护间隔的长度一般要大于无线信道的最大时延扩展, 这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。另外, 为了消除由于多径传播造成的子信道间干扰(I C I) , 一种简单有效的方法是对O F D M符号进行循环扩展, 用扩展符号来填充保护间隔, 用来填充保护间隔的扩展符号称为循环前缀(C P) 。I E E E8 0 2 . 1 6标准采用的就是这种用C P填充保护间隔的方法, 如图2所示。 但由于C P中不含有独立的信息,O F D M系统需要添加额外的导频信息用于接收端的同步和信道估计, 这样会使得系统的有效数据传输
10、效率下降。T D S - O F D M技术是D M B - T系统中的核心技术, 也适用于宽带无线移动通信系统。T D S - O F D M符号的结构如图3所示,由通过I F F T得到的O F D M波形和保护间隔两部分图1物理层下行链路的基本框架图2 C P - O F D M符号结构4 0电信科学2 0 0 7年第9期组成, 与I E E E组成, 与I E E E8 0 2 . 1 6标准中采用的C P - O F D M不同的是,它采用一段P N代替传统的C P来填充保护间隔。 这段P N序列既可以起到保护间隔的作用, 又可以作为训练序列用于同步和信道估计。由于P N对接收端来讲
11、是已知序列, 其中含有与数据信息相独立的信息, 所以在接收端可以通过对P N和I F F T数据块的联合处理来分离保护 间 隔 和 数 据 块 , 同 时 获 得 同 步 信 息 和 信 道 信 息 。T D S - O F D M不 需 要 在 数 据 流 中 插 入 导 频 信 号,所 以 与C P - O F D M相比有更高的频谱效率 5,6 。其中P N保护间隔的结构如图4所示。它由前同步、P N序列和后同步3部分构成, 前同步和后同步定义为P N序列的循环扩展, 起保护作用。P N序列采用B P S K调制, 其信号平均功率要求是O F D M信号平均功率的2倍, 以提高接收端信道
12、估计和同步的性能。 保护间隔与数据块的比例(Tg/ Tb) 可以支持1 / 4、1 / 8、1 / 1 6、1 / 3 2等多种模式。在P N序列的设计上,用于宽带无线移动通信系统的T D S - O F D M与D M B - T中 的 有 所 不 同 。D M B - T中 ,每 个O F D M符号组成一个信号帧,每一帧采用不同的P N序列作为帧标志,在广播系统中不需要区分多小区和多扇区,在这方面P N序列没有进行过针对性的设计。而在宽带无线移动通信系统中,由于帧结构的不同,不需要对每个O F D M符号做标记, 所以在同一小区和扇区中的O F D M符号可采用相同的P N序列,同时对于
13、宽带无线移动通信系统, 需要有区分小区和扇区的能力, 不同小区或扇区之间的P N序列需要相互区别。4下行帧的结构B R a d i o系统中上下行之间采用时分双工(T D D) 模式,一个完整的通信帧由下行链路(D L) 、 上行链路(U L) 和保护间隔(D U G、U D G) 组成, 一帧的时长为5m s, 其中上下行时长的比例可根据系统需求选择1 1、2 1等模式。通信帧的下行链路由帧前导(p r e - a m b l e) 和多个O F D M符号组成,O F D M符号的个数由上下行时长比例决定。上行帧结构不在本文中讨论, 下行帧的结构如图5所示。帧前导用于接收机的时频同步,也可
14、用于信道估计。信号的表示公式如下:Sb( t ) =1NbNb- 1i =0!Xb( i ) ej 2 i ( f )bt0 t Tb(1)式中:Nb前导信号的有用子载波数, 为F F T点数的1 / 2。Xb( i )承载二进制伪随机序列P Nb( k )的B P S K调制信号。( f )b子载波间隔。对上述信号做一次重复, 然后进行循环扩展, 产生C P用作帧前导的保护间隔, 如图6所示。图3 T D S - O F D M符号结构图4 P N保护间隔结构图5下行帧的结构4 1专题:B 3 G技术图6帧前导的格式与T D S - O F D M符号中的P N序列选取类似,帧前导中的P N
15、序列的设计上要考虑小区搜索和识别的需要。在帧前导之后的第一个T D S - O F D M符号中, 需要传输帧控制信息(F C H) 。具体过程是帧控制信息经过1 / 2速率的信道编码、 交织, 映射到Q P S K符号, 并经过重复或扩频调制( 扩频因子/重复次数取决于所传输的帧控制信息的具体比特数目) , 然后映射到子信道的子载波中。 传输F C H之后根据需要映射D L - M A P、U L - M A P信息。5载波分配方案B R a d i o系 统 下 行 传 输 采 用 基 于T D S - O F D M技 术 的O F D M方案,本方案对T D S - O F D M符号
16、中的子载波进行了子信道、 时隙、 数据域的定义和划分, 并对载波分配方法进行了描述。该方案可以灵活地适应不同业务的传输速率需求, 并支持灵活多样的信道编码速率。5 . 1子信道每个O F D M符号在频域上有N个子载波, 其中用于传输数据的子载波数为M个,MN。M个子载波被分为L个子信道, 每个子信道含有1 6或2 4个子载波。根据数据子载波是否占用全部子载波, 将O F D M符号定义为两种结构:一种为全部子载波均用作数据传输, 其中不含有频域导频;一种为部分子载波用于数据传输, 其余子载波用于插入导频。前者称为N U P(n ou s a g eo f p i l o t)符号, 后者称之为U P(u s a g eo f p i l o t) 符号。(1)N U P符号的子载波分配N U P符号的全部子载波都用作数据子载波( 即M= N) ,其中每个子信道包含1 6个子载波,同一个子信道的1 6个子载波按顺序分配。 表1列出了不同F F T点数下的N U P符号结构参数。(2)U P符号的子载波分配U P符号由数
