TD-LTE物理層過程實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

通信技術(shù)作為第三代工業(yè)革命、甚至第四代工業(yè)革命的 核心基礎(chǔ)，掌握著信息社會(huì)的命脈，是國家信息戰(zhàn)略的發(fā)展重 點(diǎn)。通信技術(shù)不斷更新，就需要大量掌握新技術(shù)的高素質(zhì)人才。 特別是由我國主導(dǎo)的TD-LTE技術(shù)發(fā)展迅猛，隨著4G牌照 的發(fā)放和虛擬運(yùn)營商掛牌，我國信息產(chǎn)業(yè)將迎來新一輪，TD- LTE 通信人才需求的將迅速增長。但是，目前高素質(zhì)專業(yè)人 才嚴(yán)重匱乏，主要是高校課程設(shè)置存在重理論輕實(shí)踐的問題, 基本停留在基本理論一一基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，造成高校畢 業(yè)生不適應(yīng)市場實(shí)際應(yīng)用要求，形成畢業(yè)生找工作難、用人單 位找人難的兩難局面。這就要求科學(xué)把握人才培養(yǎng)和市場需 求,創(chuàng)新培養(yǎng)方式，建立、建全實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)既懂理論, 又懂技術(shù)的高素質(zhì)專業(yè)人才。

本文針對當(dāng)前高校通信專業(yè)學(xué)生缺乏直接和專業(yè)技術(shù)相 關(guān)的實(shí)踐教學(xué)問題，基于Android平臺(tái)，以TD-LTE物理層 過程為理論基礎(chǔ)，開發(fā)設(shè)計(jì)了 TD-LTE物理層過程實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)， 并成功應(yīng)用于高年級畢業(yè)生的通信系統(tǒng)綜合實(shí)踐，運(yùn)用較少時(shí) 間迅速提升學(xué)生的專業(yè)技能。

1 TD-LTE物理層過程

1.1同步過程

小區(qū)捜索是UE接入目標(biāo)小區(qū)的第一步，完成下行時(shí)頻 同步，并檢測物理層小區(qū)標(biāo)識(shí)，接收小區(qū)廣播信息，檢測系 統(tǒng)信息，根據(jù)系統(tǒng)信息完成后續(xù)操作。

TD-LTE系統(tǒng)，下行同步信號分為主同步信號(PSS)和

收稿日期:2014-03-11

基金項(xiàng)目:2013國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃(1302) 輔同步信號(SSS)[1,2]。PSS固定配置在子幀1和子幀6的第 三個(gè)OFDM符號，SSS固定配置在子幀0和子幀5的最后一 個(gè)OFDM符號，根據(jù)PSS和SSS的相對位置，可以檢測CP 類型。采用主輔同步信號能夠保證終端能準(zhǔn)確、快速完成小 區(qū)捜索。小區(qū)捜索的基本過程如下[3]:

UE掃描系統(tǒng)中心頻帶1.08 MHz帶寬，檢測主同步 信號(PSS)，獲取5 ms定時(shí)、小區(qū)組內(nèi)ID、粗頻調(diào)整等；

檢測輔同步信號(SSS)，獲得10 ms定時(shí)、小區(qū)組 內(nèi)ID、CP類型、精頻同步等；

讀取廣播信息。

1.2隨機(jī)接入過程

物理層隨機(jī)接入實(shí)現(xiàn)終端上行同步，完成隨機(jī)接入，UE 才能與基站進(jìn)行正常的信息交互，才能完成資源請求、數(shù)據(jù) 傳輸?shù)群罄m(xù)操作。

物理層隨機(jī)接入過程包括隨機(jī)接入前導(dǎo)序列(Preamble) 的發(fā)送及隨機(jī)接入響應(yīng)。其他隨機(jī)接入消息屬于高層調(diào)度范 圍，不包括在物理層過程中。物理層隨機(jī)接入過程為[4]:

高層觸發(fā)物理層隨機(jī)接入。高層信息包括前導(dǎo)序列號、 目標(biāo)接收功率、隨機(jī)接入無線網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)標(biāo)識(shí)(RA-RNTI)、物 理層隨機(jī)接入信道資源等。前導(dǎo)序列的發(fā)送功率由UE等級的 最大可配置功率及UE估計(jì)的下行鏈路衰減信息決定；

按照前導(dǎo)序列號，在前導(dǎo)序列集合中選擇前導(dǎo)序列；

在配置的物理層信道資源上，按照指定功率，傳輸 前導(dǎo)序列；

在高層配置的時(shí)間窗內(nèi)，UE檢測RA-RNTI標(biāo)識(shí)的 下行控制信道。如果檢測到下行控制信道信息，將對應(yīng)下行物

理共享信道信息傳輸給高層，高層解析出響應(yīng)信息，給物理層 下發(fā)上行共享信道授權(quán)信息，完成隨機(jī)接入。如果沒有檢測到 下行控制信道信息，退出隨機(jī)接入。

1.3功率控制過程

功率控制用于補(bǔ)償信道衰落，確保信號以適合的功率到 達(dá)接收機(jī)。當(dāng)信道狀態(tài)條件較好時(shí)，發(fā)射端可以減小發(fā)送功 率，當(dāng)信道狀態(tài)條件較差時(shí)，發(fā)送端可以提高發(fā)送功率，使 接收端的信噪比維持在一個(gè)相對恒定的范圍內(nèi)，確保接收性 能。合理的功率控制方案可以降低發(fā)射機(jī)功耗，特別是終端 功耗，可以避免同小區(qū)用戶間干擾，提升傳輸性能和系統(tǒng)容量, 還可以降低小區(qū)間干擾。所以，TD-LTE系統(tǒng)，對上行信道進(jìn) 行功率控制具有重要意義，下行信道只進(jìn)行功率分配，保證 下行傳輸?shù)挠行裕?,5］。

上行功率控制的信道、信號包括共享信道、控制信道、 探測參考信號等。不同信道、信號的功控計(jì)算公式有所區(qū)別。 上行共享信道、控制信道功率控制調(diào)整上行共享、控制信道 的發(fā)射功率，補(bǔ)償路徑損耗、陰影衰落以及快衰落等的影響, 控制小區(qū)間干擾水平，降低同頻小區(qū)間干擾。上行參考信號發(fā) 射功率與上行共享信道相對應(yīng)，上行參考信號用于上行信道估 計(jì)、eNode B端相干檢測和解調(diào)、上行信道質(zhì)量測量等。

2實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由同步過程、隨機(jī)接入過程和功率控制過程三個(gè) 實(shí)驗(yàn)部分組成。每個(gè)實(shí)驗(yàn)按照協(xié)議的不同，分步驟演示對應(yīng) 物理層過程的實(shí)際工作流程。

同步過程包括檢測PSS、檢測SSS、精確時(shí)頻同步和接 收廣播信息四個(gè)步驟模塊。檢測PSS包括中心頻帶掃頻工作、 PSS檢測算法工作等。檢測SSS包括CP類型檢測、SSS檢 測算法工作等。精確時(shí)頻同步包括參考信號檢測、時(shí)頻估計(jì) 調(diào)整等。

隨機(jī)接入過程包括隨機(jī)接入觸發(fā)、接入前導(dǎo)選擇、隨機(jī) 接入響應(yīng)三個(gè)模塊。隨機(jī)接入觸發(fā)展示高層啟動(dòng)物理層工作 參數(shù)配置過程，接入前導(dǎo)選擇展示前導(dǎo)序列的索引及發(fā)射過 程，隨機(jī)接入響應(yīng)展示物理層向高層反饋目標(biāo)小區(qū)的回傳信息 過程。

功率控制分別展示了上行共享信道、上行控制信道、探測 參考信號的功率計(jì)算過程。上行共享信道展示不同情況下，該 信道各子幀符號的發(fā)射功率，上行控制信道根據(jù)不同小區(qū)選 擇確定其發(fā)射功率，探測參考信號展示該信號的發(fā)射功率確 定流程。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2.2系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于Android平臺(tái)設(shè)計(jì)，打破Android應(yīng)用設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)思路，將控件、動(dòng)畫、布局有機(jī)組織，結(jié)合TD-LTE物 理層過程相關(guān)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了類似游戲效果的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。將抽 象、復(fù)雜的技術(shù)理論、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，簡單、形象地展現(xiàn)給用戶, 特別是能引起學(xué)生學(xué)習(xí)通信知識(shí)興趣。

由系統(tǒng)主界面點(diǎn)擊開始按鈕，進(jìn)入如圖2所示的實(shí)驗(yàn)選 擇界面。圖3所示是其功能界面，頂部提示當(dāng)前操作步驟, 中間部分是當(dāng)前步驟的動(dòng)畫演示區(qū)，底部是操作步驟選擇及 退出實(shí)驗(yàn)操作按鈕。

3 結(jié) 語

本系統(tǒng)以TD-LTE物理層同步過程、隨機(jī)接入過程和功 率控制過程為技術(shù)內(nèi)容，基于Android平臺(tái)，將抽象的技術(shù) 理論、協(xié)議規(guī)范，形象的展示給使用者，實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)的移動(dòng)化, 提高了學(xué)習(xí)興趣，大大縮短了學(xué)習(xí)時(shí)間。

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