TD-LTE物理层过程实训系统设计

引言

通信技术作为第三代工业革命、甚至第四代工业革命的 核心基础，掌握着信息社会的命脉，是国家信息战略的发展重 点。通信技术不断更新，就需要大量掌握新技术的高素质人才。 特别是由我国主导的TD-LTE技术发展迅猛，随着4G牌照 的发放和虚拟运营商挂牌，我国信息产业将迎来新一轮，TD- LTE 通信人才需求的将迅速增长。但是，目前高素质专业人 才严重匮乏，主要是高校课程设置存在重理论轻实践的问题, 基本停留在基本理论一一基础实验的教学模式，造成高校毕 业生不适应市场实际应用要求，形成毕业生找工作难、用人单 位找人难的两难局面。这就要求科学把握人才培养和市场需 求,创新培养方式，建立、建全实践性教学环节，培养既懂理论, 又懂技术的高素质专业人才。

本文针对当前高校通信专业学生缺乏直接和专业技术相 关的实践教学问题，基于Android平台，以TD-LTE物理层 过程为理论基础，开发设计了 TD-LTE物理层过程实训系统， 并成功应用于高年级毕业生的通信系统综合实践，运用较少时 间迅速提升学生的专业技能。

1 TD-LTE物理层过程

1.1同步过程

小区捜索是UE接入目标小区的第一步，完成下行时频 同步，并检测物理层小区标识，接收小区广播信息，检测系 统信息，根据系统信息完成后续操作。

TD-LTE系统，下行同步信号分为主同步信号(PSS)和

收稿日期:2014-03-11

基金项目:2013国家级大学生创新创业训练计划(1302) 辅同步信号(SSS)[1,2]。PSS固定配置在子帧1和子帧6的第 三个OFDM符号，SSS固定配置在子帧0和子帧5的最后一 个OFDM符号，根据PSS和SSS的相对位置，可以检测CP 类型。采用主辅同步信号能够保证终端能准确、快速完成小 区捜索。小区捜索的基本过程如下[3]:

UE扫描系统中心频带1.08 MHz带宽，检测主同步 信号(PSS)，获取5 ms定时、小区组内ID、粗频调整等；

检测辅同步信号(SSS)，获得10 ms定时、小区组 内ID、CP类型、精频同步等；

读取广播信息。

1.2随机接入过程

物理层随机接入实现终端上行同步，完成随机接入，UE 才能与基站进行正常的信息交互，才能完成资源请求、数据 传输等后续操作。

物理层随机接入过程包括随机接入前导序列(Preamble) 的发送及随机接入响应。其他随机接入消息属于高层调度范 围，不包括在物理层过程中。物理层随机接入过程为[4]:

高层触发物理层随机接入。高层信息包括前导序列号、 目标接收功率、随机接入无线网络临时标识(RA-RNTI)、物 理层随机接入信道资源等。前导序列的发送功率由UE等级的 最大可配置功率及UE估计的下行链路衰减信息决定；

按照前导序列号，在前导序列集合中选择前导序列；

在配置的物理层信道资源上，按照指定功率，传输 前导序列；

在高层配置的时间窗内，UE检测RA-RNTI标识的 下行控制信道。如果检测到下行控制信道信息，将对应下行物

理共享信道信息传输给高层，高层解析出响应信息，给物理层 下发上行共享信道授权信息，完成随机接入。如果没有检测到 下行控制信道信息，退出随机接入。

1.3功率控制过程

功率控制用于补偿信道衰落，确保信号以适合的功率到 达接收机。当信道状态条件较好时，发射端可以减小发送功 率，当信道状态条件较差时，发送端可以提高发送功率，使 接收端的信噪比维持在一个相对恒定的范围内，确保接收性 能。合理的功率控制方案可以降低发射机功耗，特别是终端 功耗，可以避免同小区用户间干扰，提升传输性能和系统容量, 还可以降低小区间干扰。所以，TD-LTE系统，对上行信道进 行功率控制具有重要意义，下行信道只进行功率分配，保证 下行传输的有效性［3,5］。

上行功率控制的信道、信号包括共享信道、控制信道、 探测参考信号等。不同信道、信号的功控计算公式有所区别。 上行共享信道、控制信道功率控制调整上行共享、控制信道 的发射功率，补偿路径损耗、阴影衰落以及快衰落等的影响, 控制小区间干扰水平，降低同频小区间干扰。上行参考信号发 射功率与上行共享信道相对应，上行参考信号用于上行信道估 计、eNode B端相干检测和解调、上行信道质量测量等。

2实训系统设计

2.1系统架构设计

本系统由同步过程、随机接入过程和功率控制过程三个 实验部分组成。每个实验按照协议的不同，分步骤演示对应 物理层过程的实际工作流程。

同步过程包括检测PSS、检测SSS、精确时频同步和接 收广播信息四个步骤模块。检测PSS包括中心频带扫频工作、 PSS检测算法工作等。检测SSS包括CP类型检测、SSS检 测算法工作等。精确时频同步包括参考信号检测、时频估计 调整等。

随机接入过程包括随机接入触发、接入前导选择、随机 接入响应三个模块。随机接入触发展示高层启动物理层工作 参数配置过程，接入前导选择展示前导序列的索引及发射过 程，随机接入响应展示物理层向高层反馈目标小区的回传信息 过程。

功率控制分别展示了上行共享信道、上行控制信道、探测 参考信号的功率计算过程。上行共享信道展示不同情况下，该 信道各子帧符号的发射功率，上行控制信道根据不同小区选 择确定其发射功率，探测参考信号展示该信号的发射功率确 定流程。系统架构如图1所示。

2.2系统功能模块设计

本系统基于Android平台设计，打破Android应用设计 传统思路，将控件、动画、布局有机组织，结合TD-LTE物 理层过程相关知识，实现了类似游戏效果的创新设计。将抽 象、复杂的技术理论、协议标准，简单、形象地展现给用户, 特别是能引起学生学习通信知识兴趣。

由系统主界面点击开始按钮，进入如图2所示的实验选 择界面。图3所示是其功能界面，顶部提示当前操作步骤, 中间部分是当前步骤的动画演示区，底部是操作步骤选择及 退出实验操作按钮。

3 结 语

本系统以TD-LTE物理层同步过程、随机接入过程和功 率控制过程为技术内容，基于Android平台，将抽象的技术 理论、协议规范，形象的展示给使用者，实现了学习的移动化, 提高了学习兴趣，大大缩短了学习时间。

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