TD-LTE符号间干扰和载波间干扰分析

张长青

【摘要】ISI和ICI是TD-LTE系统机制固有的干扰现象，也是TD-LTE系统必须消除和抑制的问题。通过对ISI和ICI产生机制及消除方法的定性分析与理论推导，可使广大工程技术人员对TD-LTE系统有全新的认识，为其管理、维护和优化TD-LTE系统提供帮助。

【关键词】TD-LTEISIICICP

中图分类号：TN929.53文献标识码：A文章编号：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系统的时域中，每个时隙包括有6至7个承载着数据和控制信息的OFDM符号，保护这些符号在时域串行时稳定传输的基础是各时隙同步定时的精准度，如果某种原因使其同步失调，就会使得前后相连的OFDM符号相互干扰，即在时域产生ISI（Inter-Symbol Interference，符号间干扰）。在TD-LTE系统的频域中，各子载波频谱相互重叠覆盖，使其彼此互不干扰的唯一保证是各子载波间的正交性；但这种正交性相当脆弱，任何频率偏移或其它因素都会造成正交性破坏，使得重叠覆盖的子载波间相互干扰，即在频域产生ICI（Inter-Carrier Interference，子载波间干扰）。

现实中TD-LTE系统的无线信道环境复杂多变，偏离理想特性，致使传输的信号在时域上波形时散，频域上线性失真。正确认识TD-LTE系统中ISI和ICI产生的原因及不同的物理过程，了解TD-LTE系统克服ISI和ICI采取的方法和技术，对管理、维护和优化TD-LTE系统会有较大的帮助。本文从定性及定量两方面详细分析了ISI和ICI的具体发生过程，阐明了它们是TD-LTE系统机制固有的且分别在时域和频域发生的完全不同的两个系统干扰因素，在分析TD-LTE系统解决ISI和ICI的基本方法和技术的同时，笔者还在解决IS和ICI某些技术的讨论中提出了部分见解。

2 ISI和ICI的定性分析

无线信道的复杂性往往致使发射信号经过多次反射、折射、绕射和散射后才能到达接收机，这些完全不同的传播路径产生完全不同的传输时延而形成的多径，使得经过多径的信号到达接收机后会发生混叠，出现某一径的前一OFDM符号与另一径的后一OFDM符号在同一时间到达接收机的混乱现象，这就是多径现象引起的时延扩展。这种时域展宽将会使前一符号的扩展影响到下一符号而产生ISI，且速率越高越严重。此外，无线信道是有限带宽信道，TD-LTE支持的传输信道包括1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz等，每个信道支持数量不等、带宽同为180kHz的子信道。理论证明，任何信号在有限带宽信道中传输时，在时域都会出现拖尾现象，若某一符号的拖尾在其它符号抽样处不为零时就会产生ISI。

虽然Weinstein和Ebert采用DFT进行OFDM调制解调解决了各子载波产生的同步问题，Peled和Ruiz使用CP（Cyclic Prefix，循环前缀）代替GI（Guard Interval，保护间隔）让各子载波调制信号在复杂传输信道中仍可保持正交性；但随着系统要求子载波数更多、载波频率更高、移动速度更快时，子载波间隔将变得更窄，OFDM系统的正交性会更脆弱，随时可能引起严重的ICI。尤其是某些固有的因素，如环境温度引起发射和接收本振频率漂移，就会使通信系统的载波频率和采样频率偏移，且载频越高偏移越大；单个多普勒频移所引起的ICI在效果上与载频偏移一样，但多普勒频展引起的ICI相当于多个不同多普勒偏移产生的ICI叠加，所以多径环境下多普勒频展产生的ICI非常复杂；相位噪声是指接收机本振信号相位与接收的载波信号相位间存在的随机相位差，该相位噪声是一种乘性噪声，在频域上的频谱与信号频谱相卷，仍可导致子载波频谱展宽而产生ICI。

在TD-LTE系统的上行核心技术SC-FDMA中，由于数据传送是逐符号通过多径信道传输，因此当信道最大多径时延很大时，系统将采用均衡技术消除ISI。在并行OFDM传输系统中，数据传送是由多信道并行经过多径信道，系统的最大多径时延远远小于OFDM符号长度，若加上GI，理论上不需要采用任何其它技术就可以忽略ISI。在TD-LTE系统的下行核心技术OFDMA中，由于其先将高速串行数据流变换成多个低速并行数据流，再用数字调制技术调制成OFDM符号流，最后映射到彼此相互正交的多个子载波上并行传输；因此在这种多载波调制的子信道中，各子载波衰落的消长互补，不仅能够有效地对抗移动通信中多径干扰的频率选择性衰落，还可以有效地对抗ICI。

3 ISI的定量分析

典型的OFDM系统如图1所示：

其中，Si(n)是第i个符号中第n个子载波上的复数数据；xi(k)是IFFT输出的第i个符号中第k个抽样值。若OFDM系统中的通信信道分为N个子载波，则IFFT变换后的抽样值为：

（1）

假设在信号中不加CP直接发送，在通过冲激响应矩阵为hi=[hi(k,0),hi(k,1),…,hi(k,L-1)]T的多径信道后，未经FFT变换的接收端的时域信号为：

（2）

其中，vi(k)为AWGN（Additive White Gaussian Noise，加性高斯白噪声）。当第i个OFDM符号的抽样值范围为0≤k≤L-1时，式（2）右边第一项是第i个OFDM符号通过多径信道冲激向量后的值，第二项是第（i-1）个OFDM符号通过多径信道冲激向量后的值，第三项是白噪声。显然，第二项中第i个OFDM符号受到第（i-1）个OFDM符号的影响正是ISI。