TD―LTE系统导频模式技术研究

导频是TD-LTE系统估计衰落失真信息的重要参考信号，也是提高系统通信质量的重要保证。通过简要介绍TD-LTE系统导频的插入方式、信号类型和选择条件，结合具体分析TD-LTE系统上下行链路的导频图案，为全面认识TD-LTE系统提供了帮助。

TD-LTE 导频 梳状分布 块状分布 星状分布

中图分类号：TN929.53 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2014）-06-0044-06

1 概述

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）技术具有抗多径干扰和频谱利用率高等优点，但也存在因信道衰落产生幅度衰减、相位偏移和频率畸变等严重影响通信质量的问题，要解决这些问题就必需对信道进行估计。TD-LTE系统采用的信道估计技术是有导频辅助信道估计，该技术的特点是在发送端的信号中的某些由系统指定的位置处插入一些接收端已知的专用信号序列，接收端以这些插入的信号序列受到信道传输衰落影响的程度为参考蓝本，根据某些算法来估计整个通信信道的情况，使系统采用相关措施来补偿这些衰落，达到提高系统通信质量的目的。

由于移动通信的移动性，使得无线信道的强度、速度、方位、多径、反射、衍射、绕射都是动态变化的，具有很大的随机性和时变性，极易导致接收信号的幅度、相位和频率失真，又因为TD-LTE系统的上行采用的是SC-FDMA（Single-Carrier Frequency Division Multiple Access，单载波频分多址）技术、下行采用的是OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址）技术，具有多种功能不同的物理信道，支持多天线和定位技术等特点。为了使上下行发送的数据经过无线信道后能被正确接收，TD-LTE系统不仅要用动态信道估计来动态跟踪信道响应的实时变化，还使用了多种导频模式、多种导频插入图案。

TD-LTE系统在上行链路中，根据终端功耗和成本要求等特点，针对终端与基站是简单的点对点关系，采用的导频是简单、单一及实现相对容易的导频图案；在下行链路中，针对基站与终端是一点对多点的复杂关系，采用的导频是复杂、多变、技术性更强及具有时域频域二维方向上灵活可调的导频图案。本文介绍了导频插入过程和导频类型，描述了导频插入条件和导频信号类型，分析了上下行链路的导频图案，使得对TD-LTE导频系统有一个比较清晰的了解。

2 导频码插入简介

2.1 导频插入过程

TD-LTE系统导频插入位置如图1所示。比特数据流经编码交织、基带调制后形成OFDM符号流（每个OFDM符号中包含的比特数由基带调制模式决定），然后插入OFDM符号形式的导频码。插入过程中系统以资源块为单位，按照相关规定，在时域上（假设只考虑时域）先将一定数目的数据OFDM符号按序映射到资源块中的资源单元上，再映射1个导频OFDM符号到该数据OFDM符号后的资源单元上，如此往返交替将数据OFDM符号和导频OFDM符号有序地重新组合成新的OFDM符号流，再完成子载波映射。新的OFDM符号流经过IFFT（Inverse Fast Fourier Transform，快速傅里叶逆变换）后又插入CP（Cyclic Prefix，循环前缀），再经过失真无线信道传输到接收端。

图1 TD-LTE系统导频插入与抽出位置

接收端先除去CP（CP的作用是防止无线信道的符号间干扰ISI和载波间干扰ICI，经过无线信道后已完成职能）后再经FFT变换，在子载波解映射的同时在系统规定的位置抽出导频码供系统作为信道估计参考，由于导频码是已知的，通过信号检测系统可比较估计出导频码经过无线信道后的幅度、相位、频率的失真情况，做出相应补偿，并使这些补偿措施直接应用到该导频码所管辖的数据OFDM符号上，直到新的导频码再次到来，这种循环往复的操作最终可以达到修正信道失真、恢复原始发送信号的目的。最后，经过基带解调和解码解交织，系统恢复发送端发送的数据比特流。

2.2 导频插入方式分类

导频辅助信道估计常用方法有两种：基于导频信道的估计和基于导频符号的估计。前者在系统中设置专用导频信道来发送导频信号；后者在发送端的信号中的某些位置插入一些接收端已知的符号或序列，接收端以这些插入信号或序列受到传输衰落影响的程度为参考，利用某些算法来估计整个信道衰落的情况。TD-LTE系统采用的就是后者――基于导频符号的估计方式。

基于导频符号的插入是以资源单元RE为单位，将特定导频信息序列按照规定映射到资源块RB指定位置的资源单元中，其他资源单元则映射数据。这种将导频码映射到资源块中的方式一般可分为三种：梳状分布、块状分布和星状分布。如图2所示，每个小块为一个资源单元，整个矩形是一个常规CP下的资源块，淡红色资源单元为导频OFDM符号映射，淡蓝色资源单元为数据OFDM符号映射。

图2 导频分布方式

梳状分布是在每个OFDM符号中使用一些子载波作为导频，系统根据这些导频的信道信息算出所有子载波的信道修正信息，导频符号以一定频率间隔周期发送，所有OFDM符号中都含有导频符号，信道估计时只需频域插值；块状分布是将某些OFDM符号全部作为导频信号，系统根据导频OFDM符号估计信道信息，并作为后面OFDM符号信道修正的参考，导频符号以一定时间间隔周期发送，所有子载波都用来发送导频符号，信道估计时只需时域插值；星状分布是在某些OFDM符号上使用一些子载波作为导频，以一定时间间隔和一定频率间隔发送导频符号，导频符号在时域和频域都不是连续分布的，信道估计时需要时域频域二维插值。

事实上，这三种导频分布方式在不同信道环境下有明显的区别。在时域快速变化信道中，梳状分布因导频分布的连续性，能够较好地跟踪不同符号下信道状态的变化，信道变化越快该优势越明显，所以要优于块状分布和星状分布；在频域频率选择性衰落信道中，由于子载波变化较快，而块状分布因频域子载波选择的连续性要明显优于梳状分布；星状分布因时域频域的离散性，可以通过调整子载波间隔和OFDM符号间隔来适应频率选择性衰落信道及时间选择性衰落信道，所以要优于梳状分布和块状分布。TD-LTE系统正是根据它们的优劣关系，在上行链路使用梳状分布和块状分布、在下行链路使用星状分布。

3 导频选择要求及信号类型

3.1 导频选择要求

在TD-LTE系统中，梳状分布和块状分布仅应用在上行链路的两个导频参考信号上，导频在时域和频域上的选择几乎没有多少变化。然而应用于下行链路中的星状分布，因下行链路上多天线应用带来的复杂性，不仅使下行链路应用的导频参考信号多样，而且还使得下行链路应用的星状分布导频插入方式也变得十分复杂，使导频的选择成为基于导频信道估计的重要基础，这就要求必须了解TD-LTE系统的导频选择条件。

实践证明，导频的选择不仅在时域上跟最小相干时间（与最大多普勒频移有关）相关、在频域上跟信道的最小相干带宽（与最大多径时延有关）相关，还与选择的信道估计算法有重要关联，同时要兼顾用作导频的系统资源单元的额外开销，考虑在时域和频域导频的插入位置能使信道估计跟上信道频率响应函数变化的要求。因此，导频的选择其实就是导频的数量和导频在时域频域的插入位置的选择。

3.2 TD-LTE导频信号类型

TD-LTE系统物理层信道类型较多，信号解调方式和要求存在明显差异。TD-LTE系统引入了多天线、定位等多项新技术，这些新技术对信道信息需求也有所不同。为了既能综合考虑TD-LTE物理层信道的需求和结构特征，又能尽量满足相关新技术的要求，在TD-LTE系统的导频信号设计中，专门定义了七种导频功能不同的导频RS（Reference Signals，参考信号），如表1所示。

下行公共导频CRS又叫小区导频，是小区内所有UE（User Equipment，用户设备）都要使用的，该导频需要覆盖整个带宽。

4 TD-LTE导频图案分析

TD-LTE系统支持多天线技术，导频与各天线端口对应，不同天线端口上的导频相互正交。从发射端看，天线端口是一个逻辑概念，与物理天线并非一一对应，每个天线端口信号可由一个物理天线发射，也可由多个物理天线同时发送；从接收端看，每个天线端口是一个可检测的独立发射通道。因此，导频参考信号总是与天线端口号对应。

4.1 TD-LTE上行链路导频图案

在TD-LTE上行链路中，3GPP协议明确规定：使用在频域连续、时域离散的一维导频块状分布，以及在频域离散、时域连续的一维导频梳状分布。TD-LTE上行链路包括上行解调导频DMRS和上行探测导频SRS，其中DMRS包括PUSCH解调导频和PUCCH解调导频。根据不同用途，PUSCH导频和PUCCH导频在序列设计及资源映射上存在一定差异，且不同用户的PUSCH导频因调度在不同资源块上，可保证导频间的正交性。

一般情况下，在正常CP时，PUSCH导频映射在每个时隙（即1个资源块的时域长度）的第4个SC-FDMA符号的全部子载波上；在扩展CP时，PUSCH导频映射在每个时隙的第3个SC-FDMA符号的全部子载波上。频域不需插值，只需对时域导频子载波上信道估计值采用滤波降噪处理，可提高导频子载波信道估计值精度，与之对应的导频图案也非常简单，如图3所示：

图3 正常CP时TD-LTE上行导频图案

PUCCH导频的映射与PUCCH的格式相关，在资源块中与PUSCH一样同为块状分布。而SRS导频的映射与用户无关，为梳状分布，只在奇数子载波或偶数子载波对应的全部SC-FDMA符号上映射SRS导频，或者说，在频域上每隔1个子载波插入1个SRS导频。显然，由于时域的连续性，这种导频分布方式不需在时域上插值运算，导频信道估计相对简单。

4.2 TD-LTE下行链路--导频图案

TD-LTE下行链路的导频映射在资源块上的导频图案，全部为在时域频域同为离散的二维星状分布，但不同的导频有不同的映射方式。TD-LTE下行支持5个导频：CRS在天线端口0―3中的1个或全部发送；MBSFN仅在支持多播信道的天线端口4上发送；URS配置在天线端口5、7、8或天线端口7、…、（v+6），v表示下行共享信道传输的层数，范围为1―8；CSIRS在天线端口15―22上发送；PRS则由天线端口6发送。

此外，不同导频在不同天线端口上发送，导频图案也不同；同样导频在不同天线端口上发送，导频图案也不同；正常CP和扩展CP时，同样导频在同一天线端口上的导频图案不同；在不同天线端口发送同样导频，执行的功能不同。下面将分析TD-LTE下行链路导频图案。

图4所示为正常CP时公共导频CRS在天线端口0―3上1个子帧的导频映射图案，该图案是在综合考虑了下行控制信道和广播信道解调需求后的设计。由于下行控制信道位于每个子帧的前几个OFDM符号中，每个子帧的第1个OFDM符号中插入导频有助于下行控制信号尽早解调。又因天线端口2和端口3的导频密度要低于天线端口0和端口1，这样既可维持系统正常工作，又能减少系统的导频资源开销。

图5所示为天线端口4上MBSFN导频在1个子帧的映射图案。由于MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service，多媒体广播多播业务）业务要考虑支持较大小区半径，相应的多径时延更长，频率选择性更强，因此MBSFN导频的频域方案包括了载波间隔为15kHz和7.5kHz两种，位于同一天线端口的导频图案也有两种。

图6所示为天线端口5上用户专用导频URS在1个子帧的映射图案。URS在资源块上与数据一起预编码后发送。URS的优点包括：在发送业务数据的资源块中发送导频，可减少相邻小区间干扰；在不发送数据的资源块中不发送导频，可有效节省能量；导频端口数与MIMO（Multiple Input Multiple Output，多输入多输出）传输并行数据流的数据相同，可避免公共导频开销过大；导频与数据采用相同预编码方式发送，检测无需知道预编码信息，可提高信道估计的准确性。

图7（a）所示为下行测量导频CSIRS在8天线系统中天线端口15、16、19、20、7、18、21、22在1个子帧的导频图案。CSIRS在天线端口15―22上发送，支持1、2、4、8多天线，分别对应15、15―16、15―18、15―22等天线端口。天线越多，发送CSIRS的端口也越多。正常CP子帧支持5种8天线端口导频图案、10种4天线端口导频图案、20种2天线端口导频图案、20种1天线端口导频图案；扩展CP子帧支持4种8天线端口导频图案、8种4天线端口导频图案、16种2天线端口导频图案、16种1天线端口导频图案。为了避免CSIRS与URS碰撞，系统还补充了一些无碰撞CSIRS图案。

图7（b）所示为天线端口6上定位导频PRS在1个子帧的导频图案。在TD-LTE支持的OTDOA（Observed Time Difference of Arrival，下行到达时间观测差定位）技术中，各基站发送辅助定位导频PRS，终端通过测量多个小区发来的PRS确定当前地理位置后上报网络。由于在天线端口6上发送，PRS只在子载波间隔为15kHz系统中定义，终端同时能检测较多小区的定位导频，处理增益较大，自相关性较好且无峰值，CRS和PRS可共同规划，搜索复杂度低，在同步和准同步系统中性能良好。PRS只有在系统配置成定位子帧的下行子帧中发送。

图7 CSIRS、PRS导频图案

5 总结

TD-LTE系统使用三种导频类型，其中梳状分布和块状分布仅应用于上行链路，导频图案简单、单一，可以满足终端功耗和成本要求低、结构要求简单、成型要求方便的设计需求，满足上行链路终端与基站点对点通信结构的特点；星状分布不仅可以满足下行链路导频类型较多、导频结构复杂的需求，也因为在OFDM系统中均匀分布的导频可以使信道估计的均方误差达到最小，所以在均匀导频栅格结构中，星状分布性能最优。

导频不仅可以为估计信道衰落提供参考信号，达到提高信道误码率的目的，还能为正确识别不同物理信道提供参考依据，使复杂的通信过程在处理信息时变得更加简单，尤其是在多天线系统中。导频的应用为TD-LTE系统正确运行提供了有力支撑，因此务必要了解导频的技术要素。

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