重庆邮电大学学报网络技术论文范文

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发布时间：2013-12-13 15:23:42 更新时间：2013-12-13 15:41:41

　　TD-LTE网络是一个具有自配置、自优化和自治愈的自组织智能网络，在小区切换技术、上下行技术和空中接口技术等方面，既具有LTE-FDD网络完全等同的优势，又有超越如LTE-FDD网络所不具备的优势。TD-LTE网络在传输信息时，充分利用了时域、频域和空域等数据承载资源，从而极大地提高了网络数据传输能力。

　　【摘要】TD-LTE网络数据由时间、频率等系统资源所承载，资源单元是承载网络数据最小的资源单位。首先从帧结构开始，深入浅出地阐述了TD-LTE系统承载网络数据的所有资源承载单位；然后分析了系统资源的分配原则和分配方式；最后在总结中提出了一些可行性建议，对TD-LTE系统的管理、维护和优化有一定的参考性。

　　【关键词】TD-LTE,RB,RE,资源分配

　　1概述

　　TD-LTE数据在物理层传输的具体内容是串行比特流，而串行数据传送的特点是按位顺序进行。根据通信原理，为保证比特流在系统中的正确传输并能被接收者识别，必须使用以帧为传输单位的串行通信方式。TD-LTE系统的帧结构是指无线帧结构，通过帧结构定义，系统可以约束数据的发送时间参数，从而保证系统收发数据的正确执行。

　　TD-LTE系统十分复杂，仅底层物理信道就可分为上下行，且上行主要有3条、下行有6条功能不同的物理信道。对于实时双向通信过程中的资源承载，仅用1个无线帧表示是远远不够的。事实上，TD-LTE的系统资源表述更注重于资源定义和分配，因此在无线帧的基础上还引入了子帧、资源块和资源单元等数据承载单位。显然，全面了解TD-LTE承载系统数据的时间、频率等资源以及它们的分配方法，不仅是认识TD-LTE系统的重要途径，也能为维护管理TD-LTE网络提供理论支撑。

　　2TD-LTE资源单位简介

　　TD-LTE系统的帧结构如图1所示。可以看出，物理层中传输的帧结构是由时长为10ms的无线帧组成，每个无线帧是由2个时长为5ms的半帧组成，每个半帧是由5个时长为1ms的子帧组成，每个子帧是由2个时长为0.5ms的时隙组成。或者可以说，每个无线帧包含10个子帧或20个时隙。由于TD-LTE系统的数据承载资源主要有时域、频域、空域甚至功率、小区等，所以从时隙开始，TD-LTE定义了每个时隙所包含的频域资源；从子帧对应的两个资源块开始，TD-LTE定义了多天线中各天线对应资源块的空域资源。

　　图1TD-LTE帧结构示意图

　　时域的1个时隙在频域对应着N个载波，N的大小由系统带宽决定，因系统可配置1.4/3/5/10/15/20MHz带宽，且定义每个载波带宽为180kHz，除去间隔，N可取6、15、25、50、75、100，加上最大边缘值110，N共有7个值。系统定义1个时隙和1个载波资源为1个RB（ResourceBlock，资源块）；一个时隙在时域还可分为M个OFDM符号，为了最大限度地消除符号间干扰，系统将每个符号后面部分复制到该符号前面，形成CP（CyclicPrefix，循环前缀），若取常规CP，则M=7，若取扩展CP，则M=6。1个载波在频域可分为12个子载波，每个子载波带宽为：180kHz/12=15kHz。系统定义1个符号和1个子载波的资源为1个RE（ResourceElement，资源单元）。

　　无线帧是TD-LTE系统在无线信道上传输数据的基本单位，即在信道上按位顺序传输的比特流是以10ms时长来约束数据位发送。由于是TDD，上下行工作在同一频率，帧结构需要同时给出上下行占用资源时间和位置信息。此外，一般帧结构表述是从基站、终端侧看，因传播时域影响，不同用户接收数据时，下行数据到达时刻和上行发送时间提前量不相同。为了保证信息上下行传输的完整性和正确性，每个无线帧至少包含1个下行传输、1个保护间隔和1个上行传输，保护间隔应位于两者之间，主要是防止下行信号对上行信号的干扰。

　　每个无线帧又分为两个半帧，这种分法实际上是为了兼容TD-SCDMA系统，因为TD-SCDMA的每个时长为10ms的无线帧由2个时长为5ms的无线子帧组成，而每个无线子帧又由8个时隙组成。显然，TD-LTE和TD-SCDMA的无线帧在时长上相同，TD-LTE的半帧和TD-SCDMA的无线子帧在时长上也相同，所以由于帧结构方面的某些相同，方便了TD-LTE与TD-SCDMA的向下兼容。

　　子帧是系统在上下行链路上传输上下行数据时分配上下行资源的基本单位。由于1个子帧包含2个时隙，因此上下行子帧传输时都是以2个资源块为单位计算的。TD-LTE系统的子帧结构为系统支持5ms和10ms周期两大类的多种时隙比例配置提供了可能，使系统可以灵活地配置具体的上下行不对称资源，更好地支持不同业务类型，从而提高了系统资源的利用率。

　　资源块（RB）是系统为数据传输承载分配或调度时域频域资源时的基本单位，上下行资源块定义完全相同。由于资源块在时域上占用1个时隙，1个子帧至少包含2个资源块，且必须为偶数倍，所以资源块与子帧在应用方面对应，在系统中主要应用于描述物理信道到资源单元的映射。一般情况下，资源块（RB）又叫物理资源块（PRB），以区别虚拟资源块（VRB）。

　　资源单元（RE）是承载系统数据的最小单元。系统数据在物理层以二进制比特流传输，每个资源单元所承载的数据以比特位计算。如下行基带调制链路，输入串行比特流经串并变换成n路并行分组，经过基带调制，每组比特数为x（x值由调制方式决定，下行基带调制方式有QPSK、16QAM、64QAM三种，对应的x值分别为2、4、6），通过信号映射，将每组x比特状态映射成对应星座，再经IFFT变换得到由n个复数组成的矢量集，将该矢量集的实部通过并串转换和低通滤波器处理，可得OFDM符号。因此，每个资源单元所承载的比特数是x个。

　　3TD-LTE资源分配在TD-LTE系统中，无线资源主要包括时间、频率、功率、多天线、小区和用户等，涉及与无线资源分配相关的技术主要有资源分配、接入控制、负载均衡及干扰协调等。但因其下行寻址使用OFDMA技术、上行寻址使用SC-FDMA技术，时间和频率是系统主要控制的两类资源，且TD-LTE采用了多天线技术，多天线空域也成为其主要控制资源之一，所以研究系统资源分配主要是反映时域、频域的分配情况。

　　3.1资源块和资源单元分配原则

　　RB是TD-LTE系统中业务资源的基本单位，由12个连续子载波组成，带宽为180kHz，持续时间为1ms（1个子帧或2个时隙）。系统在每个子帧中的RB数与频点带宽相关，由于系统支持带宽有7种选择，所以每个子帧包含的RB数为6～110。TD-LTE系统分配RB或者确定RB映射顺序的原则是：先频域再时域，从第一个时隙开始，先在频域上排列，后在时域上排列。在RB映射中，先映射完slot0中的RB，再映射slot1中的RB；在RB对（RBpair）映射中，先映射slot0和slot1的第1个RB对，再映射slot0和slot1的第2个RB对，以此类推。

　　习惯用RE（k，l）为RE在时频域二维坐标系中定位（见图1）。其中，k为资源栅格中频域子载波序号（频域坐标，纵坐标）；l为资源栅格中时域OFDM符号序号（时域坐标，横坐标）。与习惯不同的是，每个RB中的RE分配方式是先以k递增索引，再以l递增索引的。另外需要说明的是，每个子载波是系统的一个数据传输信道，每个OFDM符号是每个数据传输信道中的一个调制波形，这个调制波形与系统的调制方式有关，如16QAM的调制波形或OFDM符号是由4个比特数组成的脉冲方波。

　　3.2上行传输资源分配

　　一般情况下，上行传输的总资源可以分为两个区域：一个是位于频域两侧的控制区域，用于承载物理上行控制信道PUCCH；另一个是位于频域中间的数据区域，用于承载物理上行共享信道PUSCH，既可传输数据，也可传输以PUSCH形式传输的控制信息。当然，这两个区域并无明确界限，有时基站也可以调度某UE使用控制区域的物理资源块（PRB）传输数据。上行共享信道PUSCH的信号处理流程可以概括为速率匹配后的PUSCH二进制数据比特，经过加扰、调制映射、变换预编码、资源单元映射，最后产生SC-FDMA符号，如图2所示：

　　图2上行共享信道处理过程

　　设Mbit个二进制比特数据分别是b（0），b（1），…，b（Mbit-1）；加扰后变为Mbit个二进制数c（0），c（1），…，c（Mbit-1）；经过调制映射得到Msymb个复值符号d（0），d（1），…，d（Msymb-1），由于PUSCH支持QPSK/16QAM/64QAM三种调制方式，所以Msymb有三种小于Mbit的选择值。为得到上行单载波特性，将复值d（0），d（1），…，d（Msymb-1）分组为Msymb/MSCPUSCH，每组对应一个SC-FDMA符号，每组大小MSCPUSCH=MRBPUSCH×NSCRB，其中MRBPUSCH是用户PUSCH所调用的RB数，NSCRB是每个RB中的子载波数。而预编码过程可表示为：

　　（1）

　　其中，k=0，1，…，MSCPUSCH-1，l=0，1，…，Msymb/MSCPUSCH-1，而z（0），z（1），…，z（Msymb-1）即为预编码后的复数符号。其实该过程正是OFDM调制前的DFT，以达到上行单载波目的。

　　最后，将z（0），z（1），…，z（Msymb-1）乘以放大因子βPUSCH以调整发送功率PPUSCH，再映射至分配给PUSCH传输的物理资源块（PRB）中进行传输，而PRB中是从z（0）开始按先k增加、再l增加的原则，依次映射至资源单元RE（k，l）中的。

　　3.3下行传输资源分配

　　（1）虚拟资源块（VRB）

　　在TD-LTE上下行链路中的IFFT前，需要完成子载波映射，有集中式和分布式两种方式。集中式可将发送来的频域信号按原有顺序集中映射到IFFT的输入端，过程简单方便；分布式是均匀地映射到间隔为L的子载波上，中间子载波再插入（L-1）个“0”，实现的复杂度相对较高。由于上行位于终端侧，不仅设备成本和功耗要求硬件简单，同时面对的也只有一个基站，因此上行链路只能用集中式映射。而下行位于基站侧，不仅设备可支持较高的复杂度，同时面对的是多个终端，所以完全可以支持集中式和分布式两种映射方式，在多天线空域资源分配、分集技术应用以及多用户时，则用分布式子载波映射，如图3所示：

　　下行链路因面对众多终端，更多的采用分布式子载波映射，为此系统提出了虚拟资源块（VRB）与物理资源块（PRB）对应。VRB是逻辑概念，大小与PRB相同。在集中式映射中，VRB与PRB一一映射；在分布式映射中，1个VRB可以映射到多个PRB上。为了方便，可将1个子帧中的2个时隙上的1对VRB共用1个独立虚拟资源块号nVRB标识，这样在集中式虚拟资源块中，因VRB与PRB一一对应，所以有nVRB=nPRB，与上行传输资源分配没有区别。在分布式子载波映射方式中，VRB与PRB不能简单对应，分布式子载波映射实际上是以RB为单位，以一定RB数量为间隔值，将子载波映射到IFFT中。为此，系统将1个时隙中包含的所有载波数分为多个段，每段载波数有Ngap。若NDLRB表示系统的下行资源块数，则系统配置1.4/3/5/10/15/20MHz中任何一种带宽所包含的载波数都在6≤NDLRB≤110范围内。系统规定：在6≤NDLRB≤49范围内，只有1个间隔值Ngap=Ngap1，共有6个取值段；在50≤NDLRB≤110范围内，有2个间隔值Ngap1和Ngap2，且各有3个取值段，其VRB值由下行调度分配信息给出。VRB概念的引入，为下行子载波映射和下行系统资源分配提供了较为方便的分析方式。（2）下行物理信道一般处理过程

　　一般下行物理信道的基带信号处理过程如图4所示：

　　具体步骤如下：

　　1）对在物理信道上传输的每个码字中的编码比特加扰，目的是使传输比特随机化，一般采用一个伪随机序列与需要传输的比特进行模2加。设每个码字q的输入比特块为b（q）（0），…，b（q）（i），…，b（q）（-1），加扰序列为cq（0），…，cq（i），…，cq（-1），则加扰后生成的比特块，…，，…，等于：=

　　[b（q）（i）+cq（i）]mod2。其中，是1个子帧中传输在物理信道上的码字q中的比特数，由于1个子帧最多可传2个码字，则q∈{0，1}，若只传1个码字，则q=0。

　　2）对于每个码字q的加扰比特块，…，

　　，…，进行QPSK/16QAM/64QAM基带调制后，生成复值调制符号块d（q）（0），…，d（q）（i），…，

　　d（q）（-1）。

　　3）根据信道和业务状态，下行传输最多可支持两个码字传输。TD-LTE将可独立进行速率控制的码字与系统所能支持的并行数据层这两个概念分离了，虽然系统最多只能控制两个码字的速率，但传输的层数却可以设定为1、2、3、4等多层，因此需要定义从码字到层的映射关系，这就是层映射。若设基带调制后生成的复值调制符号块为d（q）（0），…，d（q）（i），…，d（q）（-1），将其映射到层x（i）=[x（0）（i）…x（v-1）（i）]T，其中i=0，1，…，-1，v是层数，是每层的调制符号数。对于单天线口上的传输，由于是单层，即v=1，所以层映射与复值调制符号块一一对应：x（0）（i）=d（0）（i），其中=；对于空间复用多天线口上的传输，层数v不大于用于物理信道传输的天线端口数，1个码字映射到2层仅用于天线端口数为4的情况；发射分集仅传输1个码字，层数v等于物理信道传输的天线端口数。

　　4）TD-LTE中的MIMO预处理功能主要定义在预编码模块中。对于单端口传输，预编码的作用是一个简单的一对一映射；对于发射分集，预编码模块实现SFBC或FSTD/SFBC发射分集；对于开环空复用，预编码模块实现了层之间的数据混合、CDD传输以及盲预编码功能；对于闭环空间复用与MU-MIMO，预编码模块实现了基于码本的预编码；对于基于专用导频的传输，预编码只完成层到运用导频端口的一对一映射，实际的波束赋形功能通过天线端口到物理天线的映射模块实现。

　　5）资源单元（RE）映射：对于物理信道传输使用的每个天线端口，复数符号块y（p）（0），…，y（p）（-1）将以y（p）（0）开始，按照以下规则映射到资源单元RE（k，l）：

　　映射的物理资源块（PRB）与分配的虚拟资源块（VRB）相对应；

　　映射的RE位置不用于PBCH、同步信号或参考信号的传输；

　　不映射到PDCCH所处的OFDM符号上。

　　4总结

　　从帧结构来看，TD-LTE上下行链路没有多大区别；若从系统资源块分配来看，TD-LTE上下行链路有极大的不同。上行链路因是终端对基站的传输，终端系统设计不仅简单，而且是一对一的传输概念，系统资源分配简单直观、便于理解；下行链路因是基站对终端的传输，基站的多天线端口、空间复用和发射分集等技术应用，使得系统资源分配变得相当复杂。这说明在TD-LTE系统管理、维护和优化时，不能简单地将上下行链路视为对称系统，更应重视下行链路的管理与维护。

　　对于上行链路，系统固定为集中式资源分配方式；对于下行链路，基站侧可以根据环境选择资源分配方式。其中，集中式可为用户分配连续子载波或资源块，适用于低速移动用户，通过选择质量较好的子载波来提高系统资源的利用率和用户峰值速率，从业务角度讲，该方式比较适用主动数据量大、突发特征明显的非实时业务，缺点是需要调度器获取比较详细的CQI信息；分布式可为用户分配离散子载波或资源块，适合于用户信道条件变化剧烈、很难采用集中式资源分配的高速移动用户，从业务角度讲，该方式比较适用如VoIP一类的突发特征不明显业务，可以减少信令开销，这也是笔者在管理、维护和优化时需要关注的资源分配问题。

　　参考文献：

　　[1]张长青.TD-LTE自组织网络SON技术分析和建议[J].移动通信，2012（22）：54-59.

　　[2]张长青.TD-LTE小区切换技术分析和建议[J].移动通信，2013（2）：45-52.

　　[3]张长青.TD-LTE上下行技术分析及建议[J].移动通信，2013（12）：33-37.