关于LTE设备到设备直通近距离服务的分析和应用

随着LTE Release 12 的发布，3GPP组织 面对着加强 LTE 规范以支持重要通讯系统所需功能的挑战。目前最需要制定的的两个标准：包括 LTE 设备到设备 (D2D) 直通近距离服务 (ProSe) 和适用于 LTE 的群组呼叫系统发起功能 (GCSE)。这两种功能一定程度上增加了该标准的复杂性，包括新信号类型，这些信号会影响手机功率放大器的性能和设计。

由于这些信号的峰均比 (PAPR) 高于标准 LTE 上行链路信号（例如 PUCCH、PUSCH 和 DMRS）的该值，因此设计功率放大器的公司应验证其产品是否仍然符合该标准，并且开发新的数字预失真 (DPD) 算法和包络跟踪 (ET) 的Shaping映射表。本文旨在探讨设备到设备通信的基本原理、新引进的同步信号及其特性，以及如何确保功率放大器在规范范围内仍然能正常工作。

LTE D2D PROSE 的工作原理

LTE D2D ProSe 旨在让邻近的设备能够检测到彼此并直接进行通信。为此，需要定义两种标准。第一，直接发现功能，可让设备根据网络侧的授权和配置，发布或监控相关信息。第二，直接通信功能，可让两台或以上设备建立群组通信。第二种功能仅针对非商业性公共安全应用。

在将以上两种功能集成到该标准的同时，3GPP（LTE/LTE-Advanced 下的标准组织）定义了三种不同的覆盖场景：“全部在网”：两台设备由一个 LTE 基站服务；“部分在网”：只有一台设备由基站服务，另一台则为“不在网”；“全部不在网”：两台设备均不在基站的范围内。这三种场景为直接发现和直接通信功能的实现带来了不同的挑战。

图 1 直接通信的同步流程图

第一个挑战是定义设备可以进行传输和接收的时间和使用的资源。3GPP 作出了一项根本性决定， LTE D2D ProSe尽可能复用当前的 LTE 上行链路结构。这意味着，底层空中接口方案为单载波频分复用 (SC-FDMA)，并且使用基于 FDD 系统的上行频率和 TD-LTE 的上行子帧进行传输和接收。

直接发现和直接通信功能的传输和接收资源池，分别由两个新引入的系统信息块 (SIB)（类型 18 和 19）进行广播。“不在网”的设备应使用存储在该设备中的 UICC 卡上或在设备上进行硬编码的相关参数。

LTE D2D PROSE 中的同步

对于所有场景（全在网、部分在网，或全部不在网）来说，通信的先决条件是传输设备和接收设备必须时间同步。在标准 LTE 中，同步操作通常基于同步信号建立，而该同步信号则嵌入到由 LTE 基站提供的下行链路信号中。为此，业界设计了两种信号：主要同步信号 (PSS) 和辅助同步信号 (SSS)。这些信号每 5 ms 传输一次，每 10 ms 无线帧传输两次。借助这些信号，设备实现了帧同步并识别出服务小区的物理小区号 (PCI)。该小区号用于确定参考信号的映射，从而使设备在时频上实现完全同步。

很显然，“全部不在网”场景中并不涉及任何基站。因此，不存在能够与设备同步的信号。在这种情况下，其中一台设备应承担基站的角色，为其他设备提供同步信号。此外，在“全在网”场景，尤其是“部分在网”场景中，设备有必要传输同步信号，即便该设备已在覆盖范围内。因此，3GPP 定义了一种分步（Step by step）方法，在这种方法中，设备需要确定是否要传输新定义的同步信号，称为 sidelink 同步信号(SLSS)。图 1 展示了直接通信功能的相关流程图。对于直接发现功能，设备仅会传输 SLSS。

设备与网络建立的是被动 (RRC_IDLE) 连接还是主动 (RRC_CONNECTED) 连接将起到决定性作用。在后一种情况下，网络将通过发送信令消息来通知设备开始传输 SLSS 和新引入的物理 sidelink 广播信道 (PSBCH)。在空闲模式下，设备应先对下行链路参考信号（参考信号接收功率，RSRP）执行质量测量，以确定设备自身是否属于“在网”状态。如果测量结果超出一定的阈值，则表明该设备使用的是基站提供的同步信号。否则，该设备应开始传输 SLSS 和 PSBCH。该阈值可进行配置并通过系统信息提供给设备。

当 RSRP 测量值低于设备上预先配置的另一个阈值时，终端会认为自己属于“不在网”状态并开始寻找其他设备发出的 SLSS。如果终端检测到这些类型的信号，设备就必须执行新定义的质量测量，称为 sidelink 参考信号接收功率(S-RSRP)测量。这些测量将在嵌入到同步子帧的解调参考信号 (DMRS) 上执行（参见图 2）。如果测量结果超出预先配置的上限值，终端将同步到该设备发出的 SLSS；否则，终端将变成所谓的“同步源”并开始自行传输 SLSS 和 PSBCH。

图 2 针对常规循环前缀的直接通信的同步子帧

SLSS 和子帧映射的架构

与下行链路同步信号架构类似，SLSS 由两个序列组成：主 sidelink 同步信号 (PSSS) 和辅助sidelink 同步信号 (SSSS)。后者与下行链路中使用的辅助同步信号相同。此外，PSSS 和下行链路中的 PSS 类似，基于恒幅零自相关码 (CAZAC) 序列，尤其是Zadoff-Chu 序列。

但是，出于 LTE D2D ProSe 的目的，引入了两个新的根指数（root Index）：26 和 37。因此，PSSS由两个不同的序列定义，而传统 LTE 的下行链路中则有三个序列。与下行链路中的 PCI 类似，PSSS 和SSSS 用于定义所谓的 sidelink 标识(NSL 或 SLSSID),其范围从 0 到 335。可能的 NSL 数字被划分为两组，其中 0 - 167 用于“在网”情况，而 168 - 335 用于“不在网”情况。在后一种情况中，使用根指数 37 来生成 PSSS；而在所有其他情况中，使用的是根指数 26。这样，使用这些 SLSS 作为参考信号的设备可以同步其接收机，以确定信号发出设备（即同步源或参考 UE）自身是在在网还是不在网。

同样地，在下行链路中，SLSS 被映射到载频周围的 6 个内部资源块RB中。与下行链路同步信号类似，SLSS 在 72 个可用子载波中占据 62 个。在常规循环前缀CP的情况中，PSSS 占据 SC-FDMA 符号 #1 和 #2，而 SSSS 则映射到符号 #11 和 #12。符号 #3 和 #10 承载着上述解调参考信号 (DMRS)。最后一个符号则用作保护符号。而剩余的符号则由物理 sidelink 广播信道使用。图 2 直观地展示了描述的子帧映射。

终端以子帧 0 和 5 传输 SLSS 和 PSBCH，由高层提供的SFN系统帧号 (SFN) 决定其在哪个无线帧（Radio Frame开始发送。SLSS 和 PSBCH 的周期为 40 ms，以节约电池电量。

这些新定义信号由相关设备发出、放大和传输，而这些设备会根据网络发出的任务，或者根据图 1 所示的流程图传输这些信号。其中特别有趣的要数 SSSS。由图 3 所示的仿真结果来看， SSSS 的 峰均比PAPR 和立方度量 cubic m (CM) 会随着潜在 sidelink 标识发生巨大变化。

信号峰均比挑战

如图 3 所示，在网和不在网场景中都存在 SSSS 的 PAPR 值超出 10.5dB 并且信号的 CM 值高达 13 dB 的情况。当 SC-FDMA 和SSS共存的时侯也是如此；SC-FDMA 的引入旨在克服多载波方案（例如 OFDM）的不利特性。高 PAPR 和 CM 值对组件制造商，尤其是手机功率放大器制造商来说是一个严峻的设计挑战。

此时，3GPP 尚未确克服此挑战的方法。目前只有两种选择：第一，将 SSSS 的功率回退最多 4 dB，同时以最大功率进行传输。该值正在 3GPP 的相关工作组 RAN 4 和 5 中进行讨论。第二，限制 PAPR 和 CM 较高的可能值。

然而，3GPP 目前还无法预见。因此，这还是由使用 SLSSID 部署 LTE D2D ProSe、直接发现和/或直接通信功能的相应网络运营商决定。根据覆盖状态（在网或不在网），标识池可能会作为广播系统信息的一部分提供给设备。此时，运营商会对所选的 SLSSID 产生影响。但是，不在网状态中会存在不同的情况。这关系到终端是否会同步到发出 SLSS 且在覆盖范围内的设备，或者相关设备是否不会同步到另一个终端。

对于后一种情况，该设备会从适用于不在网的 SLSSID 集（168 到 335）中随机选择一个标识。这意味着终端可能选择一个 SLSSID，从而导致 SSSS 的 PAPR 和 CM 值较高。比方说，此类 SLSSID 可以是 288（与图 3 相比）。图 4 展示了 CCDF，用于确定包含所有相关信号（PSBCH、PSSS、DMRS 和 SSSS）的同步子帧的 PAPR，这些信号共同组成 SLSSID 288。此统计测量使用了信号分析仪。

PA 考虑因素

这些新信号向设计和制造现代手机和平板电脑组件，尤其是手机功率放大器的公司，提出了新的挑战性任务。这些公司需要使用充足的测试工具来测试和验证当前和未来的产品是否仍然能够满足该标准的要求（例如误差矢量幅度 (EVM)、邻道泄漏功率比 (ACLR) 或频谱发射模板(SEM)），并同时传输具备较高 PAPR 和 CM 的信号。

当 3GPP 还在讨论这组新信号的测量方法和测试容限时，设计工程师已经开始验证目前开发的 DPD 模型和 ET 算法是否仍然适用于现有产品或开发中产品上的这些信号。现代手机和平板电脑中的功放模块逐步引入了DPD和ET技术，用以延长电池寿命并降低功耗。

这两种技术同样适用于D2D设备。DPD 和 ET 测量方案的是信号分析仪和矢量信号发生器。该方案和所需的软件选件如图 5所示。

图 5 针对使用罗德与施瓦茨 SMW200A 矢量信号发生器（左）和 FSW 信号和频谱分析仪（右）的 DPD 和 ET 的测试设置

在此项方案中，信号发生器向所测试功率放大器的 RF 输入提供波形。该波形可以是由仪器上的 LTE选件发出的符合标准的 LTE 信号，也可以是由仿真软件工具计算的任意波形。信号发生器通过 LAN 连接到信号分析仪，从而将两种参考信号绑定在一起。要进行测量，信号分析仪需要得到参考的理想波形。为此，该方案通过 LAN 接口进行连接，这样，信号和频谱分析仪就可以从信号发生器中读取理想波形并将其作为参考波形存储在本地。

图 6 展示了一种任意波形信号经过功放以后，在信号分析仪的功率放大器测量软件中的各项测量结果，其SLSSID为288。图片的右下角展示了 AM/AM 和 AM/PM 曲线。这两种方法可用于表征功率放大器的非线性特性。

图 6 任意波形，其中该信号在 FSW-K18 功率放大器测量选项中表示 SLSSID = 288。右下方的显示器中展示了 AM/AM 和 AM/PM 变频。

随后，信号分析仪开始测量功率放大器的输出信号，将其与参考波形进行对比，并计算失真。根据测量的失真和参数设置，信号分析仪的功率放大器测量软件将计算传回到信号发生器的预失真模型。信号发生器将自动计算的预失真模型，加载到原始信号上，随后，信号分析仪将实时测量效果。

3GPP Release 12 的发布增添了一组功能，用于加强 LTE 以支持重要和应急通信的功能，例如直接模式（直接发现、直接通信）和群组通信。这些功能，尤其是不在网场景下的直接通信功能，需要一组充当同步源的手机，定期传输的新同步信号。由于这些信号的 PAPR 和 CM 值高于如今通用的 LTE 上行链路信号的相关值，因此它们对手机功率放大器提出了新的挑战功率放大器设计工程师需要验证和确认当前和未来的产品是否仍然满足标准要求，并且后期衍生的 DPD 和 ET 模型是否仍具功能性。