TD-LTE系统物理层基本过程

第六章TD-LTE系统物理层基本过程6.1小区搜索与同步小区搜索过程是指UE获得与所在eNodeB的下行同步（包括时间同步和频率同步），检测到该小区物理层小区ID。UE基于上述信息，接收并读取该小区的广播信息，从而获取小区的系统信息以决定后续的UE操作，如小区重选、驻留、发起随机接入等操作。当UE完成与基站的下行同步后，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必须取得并保持与基站的上行同步。6.1.1配置同步信号在LTE系统中，小区同步主要是通过下行信道中传输的同步信号来实现的。下行同步信号分为主同步信号（PrimarySynchronousSignal,PSS）和辅同步信号（SecondarySynchronousSignal,SSS)。TD-LTE中，支持504个小区ID，并将所有的小区ID划分为168N(1)ID和辅个小区组，每个小区组内有504/168=3个小区ID。小区ID号由主同步序列编号N(2)ID共同决定，具体关系为NIcDell3NI(D2)N(1)。小区搜索的第一步是检测ID同步序列编号出PSS，在根据二者间的位置偏移检测SSS，进而利用上述关系式计算出小区ID。采用PSS和SSS两种同步信号能够加快小区搜索的速度。下面对两种同步信号做简单介绍。1)PSS序列为进行快速准确的小区搜索，PSS序列必须具备良好的相关性、频域平坦性、低复杂度[1]等性能，TD-LTE的PSS序列采用长度为63的频域Zadoff-Chu（ZC）序列。ZC序列广泛应用于LTE中，除了PSS，还包括随机接入前导和上行链路参考信号。ZC序列可以表示为aexp[j2qn(n1)/2nl]qNZC其中，a{1,...N1}是ZC序列的根指数，n{1,...N1},lN,l可以是任何整qZCZC数，为了简单在LTE中设置l=0。为了标识小区内ID，LTE系统中包含包含3个PSS序列，,分别对应不同的小区组内ID。被选择的3个ZC序列的根指数分别为M29,34,25。对于根指数为M，频率长度为63的序列可以表示为ZC63(n)exp[jMn(n1)],n0,1,...,62M63设置ZC序列的根指数是为了具有良好的周期自相关性和互相性。从UE的角度来看，选择的PSS根指数组合可以满足时域的根对称性，可以通过单相关器检测，使得复杂度降低。UE侧对PSS序列采用非相干检测。PSS采用长度为63的频域ZC序列，中间被打孔打掉的元素是为了避免直流载波，PSS序列到子载波的映射关系如图6-1所示。在LTE中，针对不同的系统带宽，同步信号均占据中央的1.25MHz（6个PRB）的位置。长度为63的ZC序列截去中间一个处于直流子载波上的符号后得到长度为62的序列，在频域上映射到带宽中心的62个子载波上。PSS两侧分别预留5个子载波提供干扰保护。PSS的频域分布如图所示。MMM数据5个保护子载波31个子载波DCMMMM31个子载波MM5个保护子载波数据MMM图6-1PSS序列映射2)SSS序列M序列由于具有适中的解码复杂度，且在频率选择性衰落信道中性能占优，最终被选定为辅同步码（SecondarySynchronizationCode，SSC）序列设计的基础。SSC序列由两个长度为31的m序列交叉映射得到。具体来说，首先由一个长度为31的m序列循环移位后得到一组m序列，从中选取2个m序列（称为SSC短码），将这两个SSC短码交错映射在整个SSCH上，得到一个长度为62的SSC序列。为了确定10ms定时获得无线帧同步，在一个无线帧内，前半帧两个SSC短码交叉映射方式与后半帧的交叉映射方式相反。同时，为了确保SSS检测的准确性，对两个SSC短码进行二次加扰。SSS序列映射过程如图6-2所示，每个SSS序列由频域上两个长度为31的BPSK调制辅助同步码交错构成，即SSC1和SSC2。SSS序列具有良好的频域特性，在PSS存在的情况下，SSS检测允许频偏至少为75kHz。时域上，由于扰码的影响，SSS序列的任何循环移位的互相性没有传统M序列好。从UE的角度看，SSS检测是在PSS检测之后完成的，因此假设信道已经检测出PSS序列。对于SSS序列检测，UE侧可以采用相干和非相干两种检测方法。3)PSS和SSS的位置和映射频域上，PSCH和SSCH均占据整个带宽中央的1.05MHz，即6个PRB。62个子载波均匀分布在DC两侧，剩余10个子载波作为SCH信道与其它数据/信令传输的保护间隔。MMM图6-2SSS序列映射10ms1ms5SSSPSS图6-3PSS和SSS的时域分布时域上，主同步信号与辅同步信号周期性传输，且二者位置偏移固定。如图6-3所示，主同步信号在每个无线帧的GwPTS的第三个符号上传输，辅同步信号在每个无线帧的第一个子帧的最后一个符号上传输。6.1.2时间同步检测[2]时间同步是小区搜索中的第一步，其基本原理是利用ZC序列的相关性获取PSS的位置，再利用盲检测算法确定CP类型，最后根据PSS与SSS的固定位置偏移确定SSS的位置，利用相干或非相干检测成功检测出SSS信号。具体步骤如下：1)PSS检测当UE处于初始接入状态时，首先在频域中央的1.05MHz内进行扫描，分别使用本地主同步序列（三个ZC序列）与接收信号的下行同步相关，根据峰值确认服务小区使用的3个PSS序列中的哪一个（对应于组内小区ID），以及PSS的位置。PSS检测可用于5ms定时。2)CP类型检测LTE中子帧采用常规CP和扩展CP两种CP类型，因此在确定了PSS位置后，SSS的位置仍然存在两种可能，需要UE采用盲检的方式识别，通常是利用PSS与SSS相关峰的距离进行判断。3)SS检测在确定了子帧的CP类型后，SSS与PSS的相对位置也就确定了。由于SSS的序列数量比较多（168个小区组），且采用两次加扰，因此，检测过程相对复杂。从实现的角度来看，SSS在已知PSS位置的情况下，可通过频域检测降低计算复杂度。SSS可确定无线帧同步（10ms定时）和小区组检测，与PSS确定的小区组内ID相结合，即可获取小区ID。6.1.3频率同步检测为了确保下行信号的正确接收，小区初步搜索过程中，在完成时间同步后，需要进行更精细化的频率同步，确保收发两端信号频偏的一致性。为了实现频率同步，可通过SSS序列、RS序列、CP等信号来进行载频估计，对频率偏移进行纠正。频率偏移是由收发设备的本地载频之间的偏差、信道的多普勒频率等所引起的。频率偏移一般包括子载波间隔的整数倍偏移和子载波间隔的小数倍偏移两种情况。对于子载波间隔的整数倍偏移，由于接收端的抽样点位置仍然是在载波的定点，并不会造成子载波间干扰，但是解调出来的信息符号的错误率是50%（无法正确接收）；而子载波间隔的小数倍频偏，由于收发抽样点不对齐，会破坏子载波之间的正交性，进而导致子载波间的干扰，影响信号的正确接收。小数倍频偏估计的具体算法有多种，目前大多数算法的原理基本相同，即在发送端发送两个已知序列或信号，如果存在频率偏移，那么经过信道后两个发送时间不同的信号之间会存在相位差，通过计算这个相位差就可以得到具体的频率偏移量；对于整数倍频偏，在频域上通过不同在不同整数倍子载波间隔上检测已知序列和接收信号的相关性来进行判断，相关性最强的子载波间隔为该整数倍偏移。6.1.4小区同步维持为了保证下行信令和数据的正确传输，在小区搜索完成后，UE侧需要对下行链路质量进行测量，确保正确接收下行信令和数据；同时，UE通过随机接入过程来实现与基站的上行同步，之后，基站不断对UE发送定时调整指令来维持上行同步。1)下行无线链路检测UE与服务小区同步后，会不断检测下行链路质量，并上报至高层以指示其处于同步/异步状态。在非DRX模式下，UE物理层在每个无线帧都对无线链路质量进行检测，并综合之前的信道质量与判决门限（Qout和Q），确定当前的信道状态。in在DRX模式下，一个DRX周期内，UE物理层至少进行一次无线链路质量测量，并综合之前的信道质量与判决门限（Qout和Q），确定当前的信道状态。inUE将链路质量与判决门限（Qout和Q）进行比较来判定自身处于同步/失步状态。当测in量的无线链路质量比门限值Q还差时，UE物理层向高层上报当前UE处于失步状态；当测out量的无线链路质量好于Q时，UE物理层向高层上报当前UE处于同步状态。in2)上行同步维持。为了保证UE能够与基站保持同步，需要对UE的定时时刻进行调整。基站通过检测UE上发的参考信号，确定UE是否与基站保持同步，如果存在同步偏差，则基站将下发一个定时调整指令指示UE需要进行定时同步点的调整。UE一旦接收到eNodeB的定时提前命令，将会调整自身用于PUCCH/PUSCH/SRS传输的上行定时（16T的整数倍）。S对于随机接入响应的定时，基站使用11bit的定时指令T,其中T0,1,2,...1282，AA单位为16T。UE侧接收到定时指令T后，计算定时提前量N，N单位为T，SATATAS调整自身随机接入定时。其中，NT16。TAA在其他情况下，基站使用6bit的定时指令T,T0,1,2,...63。UE侧接收到定时AA指令T后，根据当前的定时量NA,old计算新的定时提前NTA,newA。NTA,newNA,old(T31)16，这里调整量NTA,newA可以为正，也可以为负，分别代表UE的定时需要提前或者延时。6.2随机接入6.2.1随机接入过程随机接入是UE与网络之间建立无线链路的必经过程，通过随机接入，UE与基站取得上行同步。只有在随机接入过程完成后，eNodeB和UE才可能进行常规的数据传输和接收。UE可以通过随机接入过程实现两个基本功能：取得与eNodeB之间的上行同步；申请上行资源。按随机接入前UE是否与eNodeB获得同步，随机接入过程可分为同步随机接入和异步随机接入。当UE已经和eNodeB取得上行同步时，UE的随机接入过程称为同步随机接入。当UE尚未和eNodeB取得同步时，UE的随机接入过程称为异步随机接入。由于在进行异步随机接入时，UE尚未取得精确的上行同步，因此异步随机接入区别于同步随机接入的一个主要特点就是eNodeB需要估计、调整UE的上行传输定时。在LTE早期的研究阶段，还准备采用同步随机接入，但随着后期研究的深入，最终没有定义单独的同步随机接入过程。本节对随机接入过程的介绍主要指异步随机接入。在以下6种场景下UE需要进行随机接入：RRC_IDLE状态下的初始接入；RRC连接重建；切换；RRC_CONNECTED状态下有下行数据到达，但上行处于失步状态；RRC_CONNECTED状态下有上行数据发送，但上行处于失步状态，或者没有用于SR的PUCCH资源；RRC_CONNECTED状态下的UE辅助定位。LTE支持两种模式的随机接入：竞争性随机接入和非竞争性随机接入。在竞争性随机接入过程中，UE随机的选择随机接入前导码，这可能导致多个UE使用同一个随机接入前导码而导致随机接入冲突，为此需要增加后续的随机接入竞争解决流程。场景（1）~（5）均可以使用竞争性随机接入模式。在非竞争性随机接入过程中，eNodeB为每个需要随机接入的UE分配一个唯一的随机接入前导码，避免了不同UE在接入过程中产生冲突，因而可以快速的完成随机接入。而非竞争性随机接入模式只能用于场景（2）、（3）和（6）。若某种场景同时支持两种随机接入模式，则eNodeB会优先选择非竞争性随机接入，只有在非竞争性随机接入资源不够分配时，才指示UE发起竞争随机接入。下面将详细介绍两种随机接入模式。1.竞争性随机接入UE的物理层的随机接入过程由高层触发。对于RRC连接建立、RRC连接重建和上行数据到达的情景，随机接入由UE自主触发，eNodeB没有任何先验信息；对于切换和下行数据到达场景，UE根据eNodeB指示发起随机接入。初始物理随机接入过程之前，UE的物理层从高层接收用于随机接入的高层请求信息。高层请求中包含可使用的前导序号、前导传输功率（