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一种适用于宽带无线移动通信系统下行链路的TDS-OFDM发送方法

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维普资讯 http://www.cqvip.com 一种适用于宽带无线移动通信系统下行链路的 TDS.0FDM发送方法 夏亮。粟欣。许希斌。王京 (清华大学 北京100084) 本文将主要介绍宽带无线城域网系统(BRadio)中下行链路的TDS.OFDM(时域同步正交频分复 用)发送方法。TDS.OFDM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。 TDS.OFDM技术已经在地面数字多媒体/电视广播(DMB-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、 OFDM符号组成、子载波分配方案进行了改进,使TDS.OFDM能够适用于宽带无线移动通信系 统.满足其需求。 1 引言 802.16系列[1 12】。在Intel、Motorola等国外大型企业的极力 支持下,其发展势头非常强劲。符合IEEE 802.16d标准的 随着现代信息技术的飞速发展.电信网、计算机网和 芯片已经有厂商的产品支持,开始进入量产和大规模商用 广播电视网都在寻找更大的发展空间,趋向于相互渗透 阶段。目前,国际上的各种宽带无线城域网标准并不统一, 和相互融合,正逐步形成“三网合一”的局面。即.现有的 国内的宽带无线城域网标准研究已经起步.如信息产业部 电信网、计算机网和广播电视网相互融合,逐渐形成一 标准化研究所正在牵头制定宽带无线城域网国家标准,中 个统一的网络系统,由全数字化的网络基础设施来支持 国通信标准化协会也在组织研究基于IEEE 802.16的行业 包括数据、语音、视频在内的多种业务并存的宽带多媒 标准。 体通信。“三网合一”当前的主要难点是接入网问题.现 在此情况下,清华大学在研究多年宽带数字广播和无 阶段,宽带无线城域网已经成为解决“三网合一”中接入 线移动通信技术的基础上,面向高速移动、高速数据、低成 网问题的有效手段之一,其研究工作已经成为宽带无线 本和低价格的市场需求,提出了具有完全自主知识产权的 移动领域的热点。 清华宽带无线城域网系统——BRadio(bwadband radio)。 当前,宽带无线城域网的国际流行技术标准是IEEE 该系统下行采用TDS.0FDM(itme domain synchronization. orthogonal frequency division mulitplexing.时域同步正交频 国家“863”科技计划基金资助项目(No.2007AA01Z289) 分复用),该技术已经成为中国国家标准的数字电视广播 维普资讯 http://www.cqvip.com

专题:B3G技术 用户I 子载波 ■ FT 分配 ——● 组 帧 PNP/ ̄J卜+ 接收天线 接收端 图1 物理层下行链路的基本框架 的无线多媒体传输技术【3 I;上行采用SC.FDE(single 经过下变频和匹配滤波后。进行PN序列与数据部分的分 carrier-frequency domain equalizali0n)技术,即已经在国内公 离。利用PN序列进行相位校正、载波恢复以及符号和载 安、消防、武警等单位得到广泛使用的专用宽带无线接入 波的同步恢复.并利用PN序列与导频进行信道估计以及 系统技术。二者结合构成了全双工、低成本、高性能的宽带 信道均衡,之后再进行解调、解交织、解码、解扰,最终获得 无线城域网系统——BRadi0。 业务数据流。 BRadio的核心是移动宽带无线接入技术。具有蜂窝移 物理层下行链路的基本结构如图1所示。 动通信网络的特征.可为用户提供在超过125 km/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 3 TDS.OFDM符号 对移动宽带数据传输的需求。该技术可用于5 GHz以下频 OFDM符号是OFDM系统中的一个基本单元.为了最 段的宽带无线接入场合。其小区覆盖范围可达30 km。可 大限度地消除符号间干扰.在每个OFDM符号之间要插入 以在“最后一公里”宽带接入领域替代传统的Cable 保护间隔.该保护间隔的长度一般要大于无线信道的最大 Modem、DSL和T1/E1,并提供30~l00 Mbit/s(10 MHz带 时延扩展.这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号 宽)的信息速率。 造成干扰。另外,为了消除由于多径传播造成的子信道间 本文将从以下几个方面描述BRadio系统中所采用的 干扰(ICI)。一种简单有效的方法是对OFDM符号进行循 适用于宽带无线移动通信系统下行链路的TDS.0FDM发 环扩展.用扩展符号来填充保护间隔.用来填充保护间隔 送方法:下行链路基本结构、0FDM符号、下行帧结构、载 的扩展符号称为循环前缀(CP)。IEEE 802.16标准采用的 波分配方案、主要参数选择、与其他系统的比较。 就是这种用CP填充保护间隔的方法。如图2所示。但由于 2下行链路的基本结构 CP中不含有独立的信息。OFDM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 下行链路(DL)发送端完成从业务数据流到宽带无线 有效数据传输效率下降。 信道传输信号的转换。输入数据码流经过扰码、信道编码、 TDS.OFDM技术是DMB.T系统中的核心技术.也适用 交织,然后进行星座映射,再进行子载波分配形成基本数 于宽带无线移动通信系统。TDS.0FDM符号的结构如图3 据块,基本数据块与系统信息组合后经过帧体数据处理 所示,由通过IFFr得到的OFDM波形和保护间隔两部分 (即IFVr(傅立叶反变换)),完成OFDM调制过程。然后将 IⅡT数据块加上PN(伪随机)序列组成一个OFDM符号, 多个OFDM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 图2 CP_0FDM符号结构 维普资讯 http://www.cqvip.com 组成,与IEEE组成,与IEEE 802.16标准中采用的CP-OFDM 在这方面PN序列没有进行过针对性的设计。而在宽带无 不同的是。它采用一段PN代替传统的CP来填充保护间 线移动通信系统中,由于帧结构的不同,不需要对每个 隔。这段PN序列既可以起到保护间隔的作用,又可以作为 OFDM符号做标记,所以在同一小区和扇区中的OFDM符 训练序列用于同步和信道估计。由于PN对接收端来讲是 号可采用相同的PN序列,同时对于宽带无线移动通信系 已知序列,其中含有与数据信息相独立的信息,所以在接 统,需要有区分小区和扇区的能力,不同小区或扇区之间 收端可以通过对PN和IFFr数据块的联合处理来分离保 的PN序列需要相互区别。 护间隔和数据块。同时获得同步信息和信道信息。 TDS.OFDM不需要在数据流中插入导频信号,所以与 4下行帧的结构 CP-OFDM相比有更高的频谱效率 一。 BRadio系统中上下行之间采用时分双工(TDD)模式, 一g 』b 个完整的通信帧由下行链路(DL)、上行链路(UL)和保 1 r 1 r 护间隔(DUG、UDG)组成,一帧的时长为5 Ills,其中上下行 PN FT 时长的比例可根据系统需求选择1:1、2:1等模式。通信帧 图3 TDS-OFDM符号结构 的下行链路由帧前导(pre-amble)和多个OFDM符号组成, 其中PN保护间隔的结构如图4所示。它由前同步、 OFDM符号的个数由上下行时长比例决定。上行帧结构不 PN序列和后同步3部分构成,前同步和后同步定义为PN 在本文中讨论。下行帧的结构如图5所示。 序列的循环扩展。起保护作用。PN序列采用BPSK调制,其 帧前导用于接收机的时频同步,也可用于信道估计。 信号平均功率要求是OFDM信号平均功率的2倍,以提高 信号的表示公式如下: Nb-| 接收端信道估计和同步的性能。保护间隔与数据块的比例 sb(t):}∑ e』 ( )可以支持1/4、1/8、1/16、1/32等多种模式。 0 i2州劬 0≤f≤ (1) 式中: l l ! 型 I 壁 I Ⅳb一前导信号的有用子载波数,为n 点数的1/2。 图4 PN保护间隔结构 )——承载二进制伪随机序列PNb(k)的BPSK调 在PN序列的设计上,用于宽带无线移动通信系统的 制信号。 TDS.OFDM与DMB-T中的有所不同。DMB.T中,每个 (△-,)厂_子载波间隔。 OFDM符号组成一个信号帧,每一帧采用不同的PN序列 对上述信号做一次重复,然后进行循环扩展,产生CP 作为帧标志,在广播系统中不需要区分多小区和多扇区, 用作帧前导的保护间隔,如图6所示。 子 载 波 偏 移 图5下行帧的结构 维普资讯 http://www.cqvip.com

专题:B3G技术 图6帧前导的格式 与TDS-OFDM符号中的PN序列选取类似,帧前导中 的PN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TDS.OFDM符号中,需要传输 帧控制信息(FCH)。具体过程是帧控制信息经过i/2速率 的信道编码、交织,映射到QPSK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FCH之 后根据需要映射DL.MAP、UL.MAP信息。 5载波分配方案 BRadio系统下行传输采用基于TDS-OFDM技术的 OFDM方案,本方案对TDS.OFDM符号中的子载波进行了 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OFDM符号在频域上有Ⅳ个子载波,其中用于传 输数据的子载波数为 个, ≤Ⅳ。M个子载波被分为£个 子信道,每个子信道含有l6或24个子载波。 根据数据子载波是否占用全部子载波,将OFDM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NUP(no usage of pilot) 符号,后者称之为UP(usage of pilot) ̄。 (1)NUP符号的子载波分配 NUP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l6个子载波,同一个子信道的l6个 子载波按顺序分配。表l列出了不同FFr点数下的NUP符 号结构参数。 (2)UP符号的子载波分配 UP符号由数据子载波和导频共同组成(gOM<N),首 表1 NUP符号的结构参数 表2 UP符号的结构参数 先分配出适当的导频,之后剩余的全部子载波都用作数据子 载波。数据子载波被划分成子信道,每个子信道包含24个子 载波,同一个子信道的24个子载波按顺序分配。在接收端 导频可用于验证或信道估计。 表2列出了不同FFTr点数下的UP符号结构参数。 5.2时隙和数据域 下行链路传输方案中时隙的结构需要时间和子信道 共同来决定,时隙是最小的数据分配单元,每个时隙含有 48个子载波(即调制符号)。 时隙根据上述OFDM符号的结构而定义: ・对于UP符号,方案一(UP1)——每个时隙由一个 OFDM符号中的两个子信道构成; ・对于UP符号,方案二(UP2)——每个时隙由两个相 邻OFDM符号中相同位置的各一个子信道构成; ・对于NUP符号,每个时隙由3个相邻OFDM符号中 相同位置的各1个子信道构成。 数据域是一组连续时隙的二维的分配,可以用矩形来 表示,如图7所示的4x3例子。 5.3数据映射 待传输的业务数据经过信道编码、交织、调制等处理 后,采用如下算法映射到数据域上。 ・将数据分成数据块,以适合时隙的长度。 ・每个时隙在子信道轴上都占用一个或两个子信道, 在时间轴上占用一个、两个或3个OFDM符号;对 L 频 e  ,时域 图7数据域示例 维普资讯 http://www.cqvip.com

工作频段 <6 GHz 48.5~862 MHz <5 GHZ 带宽(BIV) 1.25~20 MHz 8 MHz 1.25,2.5,5,10,20 MHz 符号速率( ) Floor(nxBIV/8 000)x8 000.其中rt∈ 7.56 MHz 0.945xB {8/7,86/75,144/125,316/275,57/50l F订点数 128、256、512、1 024、2 048 3 780 128,256、512、1 024 2 048 载波模式 含有虚拟子载波(即保护子载波) 无虚拟子载波 无虚拟子载波 保护间隔填充模式 CP填充 PN序列填充 PN序列填充 保护间隔占用比例 1/4、1/8、1/16、1/32 1/9、1/4 1/4 1/8 1/16 1/32 有无频域导频 有 无 支持有/无两种模式 带宽利用效率 较低 较高 较高 最小资源单元 子信道(24、48个子载波) 一个OFDM符号 时隙(48个子载波) 对多用户多小区的支持 支持 不支持 支持 对信道编码的支持 支持CC、CTC、BTC、LDPC多种编码 支持BCH+LDPC编码; 支持CC、cT℃、BTC、LDPC多种编码 方式;支持1/2、2/3、3/4、5/6等多种 支持2/5、3/5、4/5码率; 方式:支持1/2、2/3、3/4、5/6等多种码 码率;支持灵活多样的编码块大小 支持7 488已编码块长 率;支持灵活多样的编码块大小 双工模式 支持TDD、H-FDD和FDD 无 暂时支持TDD 于时隙映射.低序号的时隙占用低序号的子信道和 WiMAX系统又有所区别.表4列出了WiMAX、DMB-T与 低序号的OFDM符号。 BRadio这3种系统的部分异同。 ・继续映射。使时隙的序号增加,当到达一个数据域 通过表4的比较可以看出,经过针对宽带无线移动通信 的边界时,继续映射到下一个可用的时隙中。 系统的改进.与DMB-T系统相比,TDS.OFDM技术在BRadio 6主要参数选择 系统中可以支持更宽的工作频段、更大的带宽、更灵活的信道 编码方式,并能支持多用户多小区的场景。与WiMAX系统相 表3以1,8保护间隔模式为例.列举了部分TDS.OFDM 比,BRadio系统由于采用TDS.OFDM技术,其在频域上的导 参数。 频开销大大降低,从而提高了系统资源利用效率。 7与其他系统的比较 8 结语 本文提出的这种BRadio系统下行链路中所采用的 BRadio系统中下行链路的TDS.OFDM发送方法,是在 TDS.OFDM发送方法,来源于DMB-T系统但进行了改进, DMB.T传输系统核心技术的基础上,结合对已有的宽带移 使之适用于宽带无线移动通信系统。同时,它与现有的 动无线通信系统的研究.提出的一种新的适合宽带无线移 维普资讯 http://www.cqvip.com

专题:B3G技术 动通信系统下行链路发送方法。它能够满足宽带无线移动 通信系统的需求,同时比常见的OFDM系统有更高的频谱 利用效率。 or combined ffixed and mobile operation in lieensed bands—and corrigendum 1.2005 3清华大学.地面数字多媒体,电视广播系统.专利号: 00123597.4,200l 参考文献 1 IEEE Std 802.16・2004.IEEE standard for local and metropolitan area networks・part 16:air interface for fixed broadband wireless access systems,2004 4 GB 20600.2006.数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编 码和调制.2006 5 Ziwei Zhen ̄Zhixing Yang.Cutoff rate and outage probability performance between DVB—T and DMB・T systems under multipath 2 IEEE Std 802.16e・2005.IEEE Std 802.16—2004/Corl・2005.IEEE standard for local and metropolitan area networks-part 16:air interfaee for fixed and mobile broadband wireless access channels.In:PIMRC’2003.Beijing,China,Sept 2O03 6 Zhiyu Yang Lang Tong Lin Yang Outge probabiality comparison of CP.0FDMandTDS・0FDMforbreadeastchannels.InGLOBEC0M’02. Taipei,China,Nov 2002 systems—amendment 2:physical and medium access control layers TDS—OFDM Transmission Method Used in BRadio Downlink Xia Liang,Su Xin,Xu Xibin,Wang Jing (Tsing Hua University,Beijing 100084,China) Abstract e paper presents a TDS一0FDM (time domain synchronization orthogonal frequency division multiplexing) transmission method used in BRadio downlink.TDS・0FDM.which is designed for broadband wireless transmission channel wih tboth time selective and frequency selective characteristics,has been applied in terrestiral digital muhimedia/TV broadcasting (DMB.T)trnsmissiaon system.Based on DMB.T and other broadband mobile wireless communication systems we have researched,we improve the system scheme on frame structure,0FDM symbol and subcarrier allocations to make TDS・0FDM suitable for broadband mobile wireless communication system. Key words TDS・0FDM,BRadio,broadband wireless access,downlink (收稿日期:2007—08—02) 业 业 业 ・简讯・ 吉时利中国举办30知名学府 大学生知识竞赛 新兴测量需求解决方案领袖企业美国吉时利(Keithley) 仪器公司日前宣布,启动“Keithley全国大学生电测量知识竞 赛”。本次知识竞赛旨在创立一个长期可持续性发展的学术 交流平台,与全国范围电子工程相关专业在校大学生,分享 作为该项计划的首盘大菜,吉时利针对学院教育侧重 理论,学生实践相对缺乏的背景,以“实用性”为内容策划 核心纲领,覆盖先进的电测量技术、测量仪器和测量应用 3大主要领域,包括低电平直流和脉冲测量、射频测量,开 关系统、数据采集、并行参数测试,半导体测量,纳米测量 等丰富内容。 本次竞赛将于2007年9月正式全面启动.预计超过 30所知名学府、总计1 500名大学生参与。整个知识竞赛 活动将历时3个月,吉时利公司提供交流互动平台。并首 覆盖广泛领域的测试与测量科技知识。本项计划基于吉时利 长期一致的人才战略机制与计划。在致力于测试与测量科技 的研究与应用过程中,寻求与发掘更多具备天赋的中国本土 度在线发布公司所属知识产权技术及产品资料,以供同学 们在线查阅,并与吉时利技术专家交流互动,此番模式在 国内可堪首创。 电子人才,共同为吉时利中国用户带去科学理念,创造科技 知识。制造和传播领先和值得信赖的产品。 

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