TD-LTE符號間干擾和載波間干擾分析

張長青

【摘要】ISI和ICI是TD-LTE系統機制固有的干擾現象，也是TD-LTE系統必須消除和抑制的問題。通過對ISI和ICI產生機制及消除方法的定性分析與理論推導，可使廣大工程技術人員對TD-LTE系統有全新的認識，為其管理、維護和優化TD-LTE系統提供幫助。

【關鍵詞】TD-LTEISIICICP

中圖分類號：TN929.53文獻標識碼：A文章編號：1006-1010(2014)-08-0031-05

Analysis of TD-LTE Inter-Symbol Interference and Inter-Carrier Interference

ZHANG Chang-qing

(China Mobile Group Hunan Co., Ltd., Yueyang Branch, Yueyang 414000, China)

[Abstract] ISI (Inter-Symbol Interference) and ICI (Inter-Carrier Interference) are the inherent interference phenomena of TD-LTE system mechanism and have to be removed and restrained. By the qualitative analysis and theoretical derivation for the generation mechanism and removingmethod of ISI and ICI, the generalengineering and technical personnel will have a new understanding to the TD-LTE system, which will help to manage, maintain and optimize TD-LTE system.

[Key words]TD-LTEISIICICP

1 概述

在TD-LTE系統的時域中，每個時隙包括有6至7個承載著數據和控制信息的OFDM符號，保護這些符號在時域串行時穩定傳輸的基礎是各時隙同步定時的精準度，如果某種原因使其同步失調，就會使得前后相連的OFDM符號相互干擾，即在時域產生ISI（Inter-Symbol Interference，符號間干擾）。在TD-LTE系統的頻域中，各子載波頻譜相互重疊覆蓋，使其彼此互不干擾的唯一保證是各子載波間的正交性；但這種正交性相當脆弱，任何頻率偏移或其它因素都會造成正交性破壞，使得重疊覆蓋的子載波間相互干擾，即在頻域產生ICI（Inter-Carrier Interference，子載波間干擾）。

現實中TD-LTE系統的無線信道環境復雜多變，偏離理想特性，致使傳輸的信號在時域上波形時散，頻域上線性失真。正確認識TD-LTE系統中ISI和ICI產生的原因及不同的物理過程，了解TD-LTE系統克服ISI和ICI采取的方法和技術，對管理、維護和優化TD-LTE系統會有較大的幫助。本文從定性及定量兩方面詳細分析了ISI和ICI的具體發生過程，闡明了它們是TD-LTE系統機制固有的且分別在時域和頻域發生的完全不同的兩個系統干擾因素，在分析TD-LTE系統解決ISI和ICI的基本方法和技術的同時，筆者還在解決IS和ICI某些技術的討論中提出了部分見解。

2 ISI和ICI的定性分析

無線信道的復雜性往往致使發射信號經過多次反射、折射、繞射和散射后才能到達接收機，這些完全不同的傳播路徑產生完全不同的傳輸時延而形成的多徑，使得經過多徑的信號到達接收機后會發生混疊，出現某一徑的前一OFDM符號與另一徑的后一OFDM符號在同一時間到達接收機的混亂現象，這就是多徑現象引起的時延擴展。這種時域展寬將會使前一符號的擴展影響到下一符號而產生ISI，且速率越高越嚴重。此外，無線信道是有限帶寬信道，TD-LTE支持的傳輸信道包括1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz等，每個信道支持數量不等、帶寬同為180kHz的子信道。理論證明，任何信號在有限帶寬信道中傳輸時，在時域都會出現拖尾現象，若某一符號的拖尾在其它符號抽樣處不為零時就會產生ISI。

雖然Weinstein和Ebert采用DFT進行OFDM調制解調解決了各子載波產生的同步問題，Peled和Ruiz使用CP（Cyclic Prefix，循環前綴）代替GI（Guard Interval，保護間隔）讓各子載波調制信號在復雜傳輸信道中仍可保持正交性；但隨著系統要求子載波數更多、載波頻率更高、移動速度更快時，子載波間隔將變得更窄，OFDM系統的正交性會更脆弱，隨時可能引起嚴重的ICI。尤其是某些固有的因素，如環境溫度引起發射和接收本振頻率漂移，就會使通信系統的載波頻率和采樣頻率偏移，且載頻越高偏移越大；單個多普勒頻移所引起的ICI在效果上與載頻偏移一樣，但多普勒頻展引起的ICI相當于多個不同多普勒偏移產生的ICI疊加，所以多徑環境下多普勒頻展產生的ICI非常復雜；相位噪聲是指接收機本振信號相位與接收的載波信號相位間存在的隨機相位差，該相位噪聲是一種乘性噪聲，在頻域上的頻譜與信號頻譜相卷，仍可導致子載波頻譜展寬而產生ICI。

在TD-LTE系統的上行核心技術SC-FDMA中，由于數據傳送是逐符號通過多徑信道傳輸，因此當信道最大多徑時延很大時，系統將采用均衡技術消除ISI。在并行OFDM傳輸系統中，數據傳送是由多信道并行經過多徑信道，系統的最大多徑時延遠遠小于OFDM符號長度，若加上GI，理論上不需要采用任何其它技術就可以忽略ISI。在TD-LTE系統的下行核心技術OFDMA中，由于其先將高速串行數據流變換成多個低速并行數據流，再用數字調制技術調制成OFDM符號流，最后映射到彼此相互正交的多個子載波上并行傳輸；因此在這種多載波調制的子信道中，各子載波衰落的消長互補，不僅能夠有效地對抗移動通信中多徑干擾的頻率選擇性衰落，還可以有效地對抗ICI。

3 ISI的定量分析

典型的OFDM系統如圖1所示：

其中，Si(n)是第i個符號中第n個子載波上的復數數據；xi(k)是IFFT輸出的第i個符號中第k個抽樣值。若OFDM系統中的通信信道分為N個子載波，則IFFT變換后的抽樣值為：

（1）

假設在信號中不加CP直接發送，在通過沖激響應矩陣為hi=[hi(k,0),hi(k,1),…,hi(k,L-1)]T的多徑信道后，未經FFT變換的接收端的時域信號為：

（2）

其中，vi(k)為AWGN（Additive White Gaussian Noise，加性高斯白噪聲）。當第i個OFDM符號的抽樣值范圍為0≤k≤L-1時，式（2）右邊第一項是第i個OFDM符號通過多徑信道沖激向量后的值，第二項是第（i-1）個OFDM符號通過多徑信道沖激向量后的值，第三項是白噪聲。顯然，第二項中第i個OFDM符號受到第（i-1）個OFDM符號的影響正是ISI。