TD—LTE系統導頻模式技術研究

導頻是TD-LTE系統估計衰落失真信息的重要參考信號，也是提高系統通信質量的重要保證。通過簡要介紹TD-LTE系統導頻的插入方式、信號類型和選擇條件，結合具體分析TD-LTE系統上下行鏈路的導頻圖案，為全面認識TD-LTE系統提供了幫助。

TD-LTE 導頻 梳狀分布 塊狀分布 星狀分布

中圖分類號：TN929.53 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1010（2014）-06-0044-06

1 概述

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用）技術具有抗多徑干擾和頻譜利用率高等優點，但也存在因信道衰落產生幅度衰減、相位偏移和頻率畸變等嚴重影響通信質量的問題，要解決這些問題就必需對信道進行估計。TD-LTE系統采用的信道估計技術是有導頻輔助信道估計，該技術的特點是在發送端的信號中的某些由系統指定的位置處插入一些接收端已知的專用信號序列，接收端以這些插入的信號序列受到信道傳輸衰落影響的程度為參考藍本，根據某些算法來估計整個通信信道的情況，使系統采用相關措施來補償這些衰落，達到提高系統通信質量的目的。

由于移動通信的移動性，使得無線信道的強度、速度、方位、多徑、反射、衍射、繞射都是動態變化的，具有很大的隨機性和時變性，極易導致接收信號的幅度、相位和頻率失真，又因為TD-LTE系統的上行采用的是SC-FDMA（Single-Carrier Frequency Division Multiple Access，單載波頻分多址）技術、下行采用的是OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交頻分多址）技術，具有多種功能不同的物理信道，支持多天線和定位技術等特點。為了使上下行發送的數據經過無線信道后能被正確接收，TD-LTE系統不僅要用動態信道估計來動態跟蹤信道響應的實時變化，還使用了多種導頻模式、多種導頻插入圖案。

TD-LTE系統在上行鏈路中，根據終端功耗和成本要求等特點，針對終端與基站是簡單的點對點關系，采用的導頻是簡單、單一及實現相對容易的導頻圖案；在下行鏈路中，針對基站與終端是一點對多點的復雜關系，采用的導頻是復雜、多變、技術性更強及具有時域頻域二維方向上靈活可調的導頻圖案。本文介紹了導頻插入過程和導頻類型，描述了導頻插入條件和導頻信號類型，分析了上下行鏈路的導頻圖案，使得對TD-LTE導頻系統有一個比較清晰的了解。

2 導頻碼插入簡介

2.1 導頻插入過程

TD-LTE系統導頻插入位置如圖1所示。比特數據流經編碼交織、基帶調制后形成OFDM符號流（每個OFDM符號中包含的比特數由基帶調制模式決定），然后插入OFDM符號形式的導頻碼。插入過程中系統以資源塊為單位，按照相關規定，在時域上（假設只考慮時域）先將一定數目的數據OFDM符號按序映射到資源塊中的資源單元上，再映射1個導頻OFDM符號到該數據OFDM符號后的資源單元上，如此往返交替將數據OFDM符號和導頻OFDM符號有序地重新組合成新的OFDM符號流，再完成子載波映射。新的OFDM符號流經過IFFT（Inverse Fast Fourier Transform，快速傅里葉逆變換）后又插入CP（Cyclic Prefix，循環前綴），再經過失真無線信道傳輸到接收端。

圖1 TD-LTE系統導頻插入與抽出位置

接收端先除去CP（CP的作用是防止無線信道的符號間干擾ISI和載波間干擾ICI，經過無線信道后已完成職能）后再經FFT變換，在子載波解映射的同時在系統規定的位置抽出導頻碼供系統作為信道估計參考，由于導頻碼是已知的，通過信號檢測系統可比較估計出導頻碼經過無線信道后的幅度、相位、頻率的失真情況，做出相應補償，并使這些補償措施直接應用到該導頻碼所管轄的數據OFDM符號上，直到新的導頻碼再次到來，這種循環往復的操作最終可以達到修正信道失真、恢復原始發送信號的目的。最后，經過基帶解調和解碼解交織，系統恢復發送端發送的數據比特流。

2.2 導頻插入方式分類

導頻輔助信道估計常用方法有兩種：基于導頻信道的估計和基于導頻符號的估計。前者在系統中設置專用導頻信道來發送導頻信號；后者在發送端的信號中的某些位置插入一些接收端已知的符號或序列，接收端以這些插入信號或序列受到傳輸衰落影響的程度為參考，利用某些算法來估計整個信道衰落的情況。TD-LTE系統采用的就是后者——基于導頻符號的估計方式。

基于導頻符號的插入是以資源單元RE為單位，將特定導頻信息序列按照規定映射到資源塊RB指定位置的資源單元中，其他資源單元則映射數據。這種將導頻碼映射到資源塊中的方式一般可分為三種：梳狀分布、塊狀分布和星狀分布。如圖2所示，每個小塊為一個資源單元，整個矩形是一個常規CP下的資源塊，淡紅色資源單元為導頻OFDM符號映射，淡藍色資源單元為數據OFDM符號映射。

圖2 導頻分布方式

梳狀分布是在每個OFDM符號中使用一些子載波作為導頻，系統根據這些導頻的信道信息算出所有子載波的信道修正信息，導頻符號以一定頻率間隔周期發送，所有OFDM符號中都含有導頻符號，信道估計時只需頻域插值；塊狀分布是將某些OFDM符號全部作為導頻信號，系統根據導頻OFDM符號估計信道信息，并作為后面OFDM符號信道修正的參考，導頻符號以一定時間間隔周期發送，所有子載波都用來發送導頻符號，信道估計時只需時域插值；星狀分布是在某些OFDM符號上使用一些子載波作為導頻，以一定時間間隔和一定頻率間隔發送導頻符號，導頻符號在時域和頻域都不是連續分布的，信道估計時需要時域頻域二維插值。

事實上，這三種導頻分布方式在不同信道環境下有明顯的區別。在時域快速變化信道中，梳狀分布因導頻分布的連續性，能夠較好地跟蹤不同符號下信道狀態的變化，信道變化越快該優勢越明顯，所以要優于塊狀分布和星狀分布；在頻域頻率選擇性衰落信道中，由于子載波變化較快，而塊狀分布因頻域子載波選擇的連續性要明顯優于梳狀分布；星狀分布因時域頻域的離散性，可以通過調整子載波間隔和OFDM符號間隔來適應頻率選擇性衰落信道及時間選擇性衰落信道，所以要優于梳狀分布和塊狀分布。TD-LTE系統正是根據它們的優劣關系，在上行鏈路使用梳狀分布和塊狀分布、在下行鏈路使用星狀分布。endprint

3 導頻選擇要求及信號類型

3.1 導頻選擇要求

在TD-LTE系統中，梳狀分布和塊狀分布僅應用在上行鏈路的兩個導頻參考信號上，導頻在時域和頻域上的選擇幾乎沒有多少變化。然而應用于下行鏈路中的星狀分布，因下行鏈路上多天線應用帶來的復雜性，不僅使下行鏈路應用的導頻參考信號多樣，而且還使得下行鏈路應用的星狀分布導頻插入方式也變得十分復雜，使導頻的選擇成為基于導頻信道估計的重要基礎，這就要求必須了解TD-LTE系統的導頻選擇條件。

實踐證明，導頻的選擇不僅在時域上跟最小相干時間（與最大多普勒頻移有關）相關、在頻域上跟信道的最小相干帶寬（與最大多徑時延有關）相關，還與選擇的信道估計算法有重要關聯，同時要兼顧用作導頻的系統資源單元的額外開銷，考慮在時域和頻域導頻的插入位置能使信道估計跟上信道頻率響應函數變化的要求。因此，導頻的選擇其實就是導頻的數量和導頻在時域頻域的插入位置的選擇。

3.2 TD-LTE導頻信號類型

TD-LTE系統物理層信道類型較多，信號解調方式和要求存在明顯差異。TD-LTE系統引入了多天線、定位等多項新技術，這些新技術對信道信息需求也有所不同。為了既能綜合考慮TD-LTE物理層信道的需求和結構特征，又能盡量滿足相關新技術的要求，在TD-LTE系統的導頻信號設計中，專門定義了七種導頻功能不同的導頻RS（Reference Signals，參考信號），如表1所示。

下行公共導頻CRS又叫小區導頻，是小區內所有UE（User Equipment，用戶設備）都要使用的，該導頻需要覆蓋整個帶寬。

4 TD-LTE導頻圖案分析

TD-LTE系統支持多天線技術，導頻與各天線端口對應，不同天線端口上的導頻相互正交。從發射端看，天線端口是一個邏輯概念，與物理天線并非一一對應，每個天線端口信號可由一個物理天線發射，也可由多個物理天線同時發送；從接收端看，每個天線端口是一個可檢測的獨立發射通道。因此，導頻參考信號總是與天線端口號對應。

4.1 TD-LTE上行鏈路導頻圖案

在TD-LTE上行鏈路中，3GPP協議明確規定：使用在頻域連續、時域離散的一維導頻塊狀分布，以及在頻域離散、時域連續的一維導頻梳狀分布。TD-LTE上行鏈路包括上行解調導頻DMRS和上行探測導頻SRS，其中DMRS包括PUSCH解調導頻和PUCCH解調導頻。根據不同用途，PUSCH導頻和PUCCH導頻在序列設計及資源映射上存在一定差異，且不同用戶的PUSCH導頻因調度在不同資源塊上，可保證導頻間的正交性。

一般情況下，在正常CP時，PUSCH導頻映射在每個時隙（即1個資源塊的時域長度）的第4個SC-FDMA符號的全部子載波上；在擴展CP時，PUSCH導頻映射在每個時隙的第3個SC-FDMA符號的全部子載波上。頻域不需插值，只需對時域導頻子載波上信道估計值采用濾波降噪處理，可提高導頻子載波信道估計值精度，與之對應的導頻圖案也非常簡單，如圖3所示：

圖3 正常CP時TD-LTE上行導頻圖案

PUCCH導頻的映射與PUCCH的格式相關，在資源塊中與PUSCH一樣同為塊狀分布。而SRS導頻的映射與用戶無關，為梳狀分布，只在奇數子載波或偶數子載波對應的全部SC-FDMA符號上映射SRS導頻，或者說，在頻域上每隔1個子載波插入1個SRS導頻。顯然，由于時域的連續性，這種導頻分布方式不需在時域上插值運算，導頻信道估計相對簡單。

4.2 TD-LTE下行鏈路--導頻圖案

TD-LTE下行鏈路的導頻映射在資源塊上的導頻圖案，全部為在時域頻域同為離散的二維星狀分布，但不同的導頻有不同的映射方式。TD-LTE下行支持5個導頻：CRS在天線端口0—3中的1個或全部發送；MBSFN僅在支持多播信道的天線端口4上發送；URS配置在天線端口5、7、8或天線端口7、…、（v+6），v表示下行共享信道傳輸的層數，范圍為1—8；CSIRS在天線端口15—22上發送；PRS則由天線端口6發送。

此外，不同導頻在不同天線端口上發送，導頻圖案也不同；同樣導頻在不同天線端口上發送，導頻圖案也不同；正常CP和擴展CP時，同樣導頻在同一天線端口上的導頻圖案不同；在不同天線端口發送同樣導頻，執行的功能不同。下面將分析TD-LTE下行鏈路導頻圖案。

圖4所示為正常CP時公共導頻CRS在天線端口0—3上1個子幀的導頻映射圖案，該圖案是在綜合考慮了下行控制信道和廣播信道解調需求后的設計。由于下行控制信道位于每個子幀的前幾個OFDM符號中，每個子幀的第1個OFDM符號中插入導頻有助于下行控制信號盡早解調。又因天線端口2和端口3的導頻密度要低于天線端口0和端口1，這樣既可維持系統正常工作，又能減少系統的導頻資源開銷。

圖5所示為天線端口4上MBSFN導頻在1個子幀的映射圖案。由于MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service，多媒體廣播多播業務）業務要考慮支持較大小區半徑，相應的多徑時延更長，頻率選擇性更強，因此MBSFN導頻的頻域方案包括了載波間隔為15kHz和7.5kHz兩種，位于同一天線端口的導頻圖案也有兩種。

圖6所示為天線端口5上用戶專用導頻URS在1個子幀的映射圖案。URS在資源塊上與數據一起預編碼后發送。URS的優點包括：在發送業務數據的資源塊中發送導頻，可減少相鄰小區間干擾；在不發送數據的資源塊中不發送導頻，可有效節省能量；導頻端口數與MIMO（Multiple Input Multiple Output，多輸入多輸出）傳輸并行數據流的數據相同，可避免公共導頻開銷過大；導頻與數據采用相同預編碼方式發送，檢測無需知道預編碼信息，可提高信道估計的準確性。endprint

圖7（a）所示為下行測量導頻CSIRS在8天線系統中天線端口15、16、19、20、7、18、21、22在1個子幀的導頻圖案。CSIRS在天線端口15—22上發送，支持1、2、4、8多天線，分別對應15、15—16、15—18、15—22等天線端口。天線越多，發送CSIRS的端口也越多。正常CP子幀支持5種8天線端口導頻圖案、10種4天線端口導頻圖案、20種2天線端口導頻圖案、20種1天線端口導頻圖案；擴展CP子幀支持4種8天線端口導頻圖案、8種4天線端口導頻圖案、16種2天線端口導頻圖案、16種1天線端口導頻圖案。為了避免CSIRS與URS碰撞，系統還補充了一些無碰撞CSIRS圖案。

圖7（b）所示為天線端口6上定位導頻PRS在1個子幀的導頻圖案。在TD-LTE支持的OTDOA（Observed Time Difference of Arrival，下行到達時間觀測差定位）技術中，各基站發送輔助定位導頻PRS，終端通過測量多個小區發來的PRS確定當前地理位置后上報網絡。由于在天線端口6上發送，PRS只在子載波間隔為15kHz系統中定義，終端同時能檢測較多小區的定位導頻，處理增益較大，自相關性較好且無峰值，CRS和PRS可共同規劃，搜索復雜度低，在同步和準同步系統中性能良好。PRS只有在系統配置成定位子幀的下行子幀中發送。

圖7 CSIRS、PRS導頻圖案

5 總結

TD-LTE系統使用三種導頻類型，其中梳狀分布和塊狀分布僅應用于上行鏈路，導頻圖案簡單、單一，可以滿足終端功耗和成本要求低、結構要求簡單、成型要求方便的設計需求，滿足上行鏈路終端與基站點對點通信結構的特點；星狀分布不僅可以滿足下行鏈路導頻類型較多、導頻結構復雜的需求，也因為在OFDM系統中均勻分布的導頻可以使信道估計的均方誤差達到最小，所以在均勻導頻柵格結構中，星狀分布性能最優。

導頻不僅可以為估計信道衰落提供參考信號，達到提高信道誤碼率的目的，還能為正確識別不同物理信道提供參考依據，使復雜的通信過程在處理信息時變得更加簡單，尤其是在多天線系統中。導頻的應用為TD-LTE系統正確運行提供了有力支撐，因此務必要了解導頻的技術要素。

參考文獻：

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[2] 張長青. TD-LTE上下行技術分析及建議[J]. 移動通信， 2013（12）： 33-37.

[3] 耿桓，謝志遠. OFDM系統中于導頻信道估計插值算法分析[J]. 電力系統通信， 2005（9）： 10-13.

[4] 梁琳. LTE-TDD系統信道估計技術研究與實現[D]. 重慶： 重慶郵電大學， 2011.

[5] 王映民，孫韶輝，等. TD-LTE-Advanced移動通信系統設計[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2012.★endprint

圖7（a）所示為下行測量導頻CSIRS在8天線系統中天線端口15、16、19、20、7、18、21、22在1個子幀的導頻圖案。CSIRS在天線端口15—22上發送，支持1、2、4、8多天線，分別對應15、15—16、15—18、15—22等天線端口。天線越多，發送CSIRS的端口也越多。正常CP子幀支持5種8天線端口導頻圖案、10種4天線端口導頻圖案、20種2天線端口導頻圖案、20種1天線端口導頻圖案；擴展CP子幀支持4種8天線端口導頻圖案、8種4天線端口導頻圖案、16種2天線端口導頻圖案、16種1天線端口導頻圖案。為了避免CSIRS與URS碰撞，系統還補充了一些無碰撞CSIRS圖案。

圖7（b）所示為天線端口6上定位導頻PRS在1個子幀的導頻圖案。在TD-LTE支持的OTDOA（Observed Time Difference of Arrival，下行到達時間觀測差定位）技術中，各基站發送輔助定位導頻PRS，終端通過測量多個小區發來的PRS確定當前地理位置后上報網絡。由于在天線端口6上發送，PRS只在子載波間隔為15kHz系統中定義，終端同時能檢測較多小區的定位導頻，處理增益較大，自相關性較好且無峰值，CRS和PRS可共同規劃，搜索復雜度低，在同步和準同步系統中性能良好。PRS只有在系統配置成定位子幀的下行子幀中發送。

圖7 CSIRS、PRS導頻圖案

5 總結

TD-LTE系統使用三種導頻類型，其中梳狀分布和塊狀分布僅應用于上行鏈路，導頻圖案簡單、單一，可以滿足終端功耗和成本要求低、結構要求簡單、成型要求方便的設計需求，滿足上行鏈路終端與基站點對點通信結構的特點；星狀分布不僅可以滿足下行鏈路導頻類型較多、導頻結構復雜的需求，也因為在OFDM系統中均勻分布的導頻可以使信道估計的均方誤差達到最小，所以在均勻導頻柵格結構中，星狀分布性能最優。

導頻不僅可以為估計信道衰落提供參考信號，達到提高信道誤碼率的目的，還能為正確識別不同物理信道提供參考依據，使復雜的通信過程在處理信息時變得更加簡單，尤其是在多天線系統中。導頻的應用為TD-LTE系統正確運行提供了有力支撐，因此務必要了解導頻的技術要素。

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圖7（a）所示為下行測量導頻CSIRS在8天線系統中天線端口15、16、19、20、7、18、21、22在1個子幀的導頻圖案。CSIRS在天線端口15—22上發送，支持1、2、4、8多天線，分別對應15、15—16、15—18、15—22等天線端口。天線越多，發送CSIRS的端口也越多。正常CP子幀支持5種8天線端口導頻圖案、10種4天線端口導頻圖案、20種2天線端口導頻圖案、20種1天線端口導頻圖案；擴展CP子幀支持4種8天線端口導頻圖案、8種4天線端口導頻圖案、16種2天線端口導頻圖案、16種1天線端口導頻圖案。為了避免CSIRS與URS碰撞，系統還補充了一些無碰撞CSIRS圖案。

圖7（b）所示為天線端口6上定位導頻PRS在1個子幀的導頻圖案。在TD-LTE支持的OTDOA（Observed Time Difference of Arrival，下行到達時間觀測差定位）技術中，各基站發送輔助定位導頻PRS，終端通過測量多個小區發來的PRS確定當前地理位置后上報網絡。由于在天線端口6上發送，PRS只在子載波間隔為15kHz系統中定義，終端同時能檢測較多小區的定位導頻，處理增益較大，自相關性較好且無峰值，CRS和PRS可共同規劃，搜索復雜度低，在同步和準同步系統中性能良好。PRS只有在系統配置成定位子幀的下行子幀中發送。

圖7 CSIRS、PRS導頻圖案

5 總結

TD-LTE系統使用三種導頻類型，其中梳狀分布和塊狀分布僅應用于上行鏈路，導頻圖案簡單、單一，可以滿足終端功耗和成本要求低、結構要求簡單、成型要求方便的設計需求，滿足上行鏈路終端與基站點對點通信結構的特點；星狀分布不僅可以滿足下行鏈路導頻類型較多、導頻結構復雜的需求，也因為在OFDM系統中均勻分布的導頻可以使信道估計的均方誤差達到最小，所以在均勻導頻柵格結構中，星狀分布性能最優。

導頻不僅可以為估計信道衰落提供參考信號，達到提高信道誤碼率的目的，還能為正確識別不同物理信道提供參考依據，使復雜的通信過程在處理信息時變得更加簡單，尤其是在多天線系統中。導頻的應用為TD-LTE系統正確運行提供了有力支撐，因此務必要了解導頻的技術要素。

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