隨著LTE Release 12 的發(fā)布，3GPP組織 面對著加強 LTE 規(guī)范以支持重要通訊系統(tǒng)所需功能的挑戰(zhàn)。目前最需要制定的的兩個標準：包括 LTE 設備到設備 (D2D) 直通近距離服務 (ProSe) 和適用于 LTE 的群組呼叫系統(tǒng)發(fā)起功能 (GCSE)。這兩種功能一定程度上增加了該標準的復雜性，包括新信號類型，這些信號會影響手機功率放大器的性能和設計。

由于這些信號的峰均比 (PAPR) 高于標準 LTE 上行鏈路信號（例如 PUCCH、PUSCH 和 DMRS）的該值，因此設計功率放大器的公司應驗證其產(chǎn)品是否仍然符合該標準，并且開發(fā)新的數(shù)字預失真 (DPD) 算法和包絡跟蹤 (ET) 的Shaping映射表。本文旨在探討設備到設備通信的基本原理、新引進的同步信號及其特性，以及如何確保功率放大器在規(guī)范范圍內(nèi)仍然能正常工作。

LTE D2D PROSE 的工作原理

LTE D2D ProSe 旨在讓鄰近的設備能夠檢測到彼此并直接進行通信。為此，需要定義兩種標準。第一，直接發(fā)現(xiàn)功能，可讓設備根據(jù)網(wǎng)絡側(cè)的授權(quán)和配置，發(fā)布或監(jiān)控相關(guān)信息。第二，直接通信功能，可讓兩臺或以上設備建立群組通信。第二種功能僅針對非商業(yè)性公共安全應用。

在將以上兩種功能集成到該標準的同時，3GPP（LTE/LTE-Advanced 下的標準組織）定義了三種不同的覆蓋場景：“全部在網(wǎng)”：兩臺設備由一個 LTE 基站服務；“部分在網(wǎng)”：只有一臺設備由基站服務，另一臺則為“不在網(wǎng)”；“全部不在網(wǎng)”：兩臺設備均不在基站的范圍內(nèi)。這三種場景為直接發(fā)現(xiàn)和直接通信功能的實現(xiàn)帶來了不同的挑戰(zhàn)。

圖 1 直接通信的同步流程圖

第一個挑戰(zhàn)是定義設備可以進行傳輸和接收的時間和使用的資源。3GPP 作出了一項根本性決定， LTE D2D ProSe盡可能復用當前的 LTE 上行鏈路結(jié)構(gòu)。這意味著，底層空中接口方案為單載波頻分復用 (SC-FDMA)，并且使用基于 FDD 系統(tǒng)的上行頻率和 TD-LTE 的上行子幀進行傳輸和接收。

直接發(fā)現(xiàn)和直接通信功能的傳輸和接收資源池，分別由兩個新引入的系統(tǒng)信息塊 (SIB)（類型 18 和 19）進行廣播?！安辉诰W(wǎng)”的設備應使用存儲在該設備中的 UICC 卡上或在設備上進行硬編碼的相關(guān)參數(shù)。

LTE D2D PROSE 中的同步

對于所有場景（全在網(wǎng)、部分在網(wǎng)，或全部不在網(wǎng)）來說，通信的先決條件是傳輸設備和接收設備必須時間同步。在標準 LTE 中，同步操作通?；谕叫盘柦?，而該同步信號則嵌入到由 LTE 基站提供的下行鏈路信號中。為此，業(yè)界設計了兩種信號：主要同步信號 (PSS) 和輔助同步信號 (SSS)。這些信號每 5 ms 傳輸一次，每 10 ms 無線幀傳輸兩次。借助這些信號，設備實現(xiàn)了幀同步并識別出服務小區(qū)的物理小區(qū)號 (PCI)。該小區(qū)號用于確定參考信號的映射，從而使設備在時頻上實現(xiàn)完全同步。

很顯然，“全部不在網(wǎng)”場景中并不涉及任何基站。因此，不存在能夠與設備同步的信號。在這種情況下，其中一臺設備應承擔基站的角色，為其他設備提供同步信號。此外，在“全在網(wǎng)”場景，尤其是“部分在網(wǎng)”場景中，設備有必要傳輸同步信號，即便該設備已在覆蓋范圍內(nèi)。因此，3GPP 定義了一種分步（Step by step）方法，在這種方法中，設備需要確定是否要傳輸新定義的同步信號，稱為 sidelink 同步信號(SLSS)。圖 1 展示了直接通信功能的相關(guān)流程圖。對于直接發(fā)現(xiàn)功能，設備僅會傳輸 SLSS。

設備與網(wǎng)絡建立的是被動 (RRC_IDLE) 連接還是主動 (RRC_CONNECTED) 連接將起到?jīng)Q定性作用。在后一種情況下，網(wǎng)絡將通過發(fā)送信令消息來通知設備開始傳輸 SLSS 和新引入的物理 sidelink 廣播信道 (PSBCH)。在空閑模式下，設備應先對下行鏈路參考信號（參考信號接收功率，RSRP）執(zhí)行質(zhì)量測量，以確定設備自身是否屬于“在網(wǎng)”狀態(tài)。如果測量結(jié)果超出一定的閾值，則表明該設備使用的是基站提供的同步信號。否則，該設備應開始傳輸 SLSS 和 PSBCH。該閾值可進行配置并通過系統(tǒng)信息提供給設備。

當 RSRP 測量值低于設備上預先配置的另一個閾值時，終端會認為自己屬于“不在網(wǎng)”狀態(tài)并開始尋找其他設備發(fā)出的 SLSS。如果終端檢測到這些類型的信號，設備就必須執(zhí)行新定義的質(zhì)量測量，稱為 sidelink 參考信號接收功率(S-RSRP)測量。這些測量將在嵌入到同步子幀的解調(diào)參考信號 (DMRS) 上執(zhí)行（參見圖 2）。如果測量結(jié)果超出預先配置的上限值，終端將同步到該設備發(fā)出的 SLSS；否則，終端將變成所謂的“同步源”并開始自行傳輸 SLSS 和 PSBCH。

圖 2 針對常規(guī)循環(huán)前綴的直接通信的同步子幀

SLSS 和子幀映射的架構(gòu)

與下行鏈路同步信號架構(gòu)類似，SLSS 由兩個序列組成：主 sidelink 同步信號 (PSSS) 和輔助sidelink 同步信號 (SSSS)。后者與下行鏈路中使用的輔助同步信號相同。此外，PSSS 和下行鏈路中的 PSS 類似，基于恒幅零自相關(guān)碼 (CAZAC) 序列，尤其是Zadoff-Chu 序列。

但是，出于 LTE D2D ProSe 的目的，引入了兩個新的根指數(shù)（root Index）：26 和 37。因此，PSSS由兩個不同的序列定義，而傳統(tǒng) LTE 的下行鏈路中則有三個序列。與下行鏈路中的 PCI 類似，PSSS 和SSSS 用于定義所謂的 sidelink 標識(NSL 或 SLSSID),其范圍從 0 到 335?？赡艿?NSL 數(shù)字被劃分為兩組，其中 0 - 167 用于“在網(wǎng)”情況，而 168 - 335 用于“不在網(wǎng)”情況。在后一種情況中，使用根指數(shù) 37 來生成 PSSS；而在所有其他情況中，使用的是根指數(shù) 26。這樣，使用這些 SLSS 作為參考信號的設備可以同步其接收機，以確定信號發(fā)出設備（即同步源或參考 UE）自身是在在網(wǎng)還是不在網(wǎng)。

同樣地，在下行鏈路中，SLSS 被映射到載頻周圍的 6 個內(nèi)部資源塊RB中。與下行鏈路同步信號類似，SLSS 在 72 個可用子載波中占據(jù) 62 個。在常規(guī)循環(huán)前綴CP的情況中，PSSS 占據(jù) SC-FDMA 符號 #1 和 #2，而 SSSS 則映射到符號 #11 和 #12。符號 #3 和 #10 承載著上述解調(diào)參考信號 (DMRS)。最后一個符號則用作保護符號。而剩余的符號則由物理 sidelink 廣播信道使用。圖 2 直觀地展示了描述的子幀映射。

終端以子幀 0 和 5 傳輸 SLSS 和 PSBCH，由高層提供的SFN系統(tǒng)幀號 (SFN) 決定其在哪個無線幀（Radio Frame開始發(fā)送。SLSS 和 PSBCH 的周期為 40 ms，以節(jié)約電池電量。

這些新定義信號由相關(guān)設備發(fā)出、放大和傳輸，而這些設備會根據(jù)網(wǎng)絡發(fā)出的任務，或者根據(jù)圖 1 所示的流程圖傳輸這些信號。其中特別有趣的要數(shù) SSSS。由圖 3 所示的仿真結(jié)果來看， SSSS 的 峰均比PAPR 和立方度量 cubic m (CM) 會隨著潛在 sidelink 標識發(fā)生巨大變化。

信號峰均比挑戰(zhàn)

如圖 3 所示，在網(wǎng)和不在網(wǎng)場景中都存在 SSSS 的 PAPR 值超出 10.5dB 并且信號的 CM 值高達 13 dB 的情況。當 SC-FDMA 和SSS共存的時侯也是如此；SC-FDMA 的引入旨在克服多載波方案（例如 OFDM）的不利特性。高 PAPR 和 CM 值對組件制造商，尤其是手機功率放大器制造商來說是一個嚴峻的設計挑戰(zhàn)。

此時，3GPP 尚未確克服此挑戰(zhàn)的方法。目前只有兩種選擇：第一，將 SSSS 的功率回退最多 4 dB，同時以最大功率進行傳輸。該值正在 3GPP 的相關(guān)工作組 RAN 4 和 5 中進行討論。第二，限制 PAPR 和 CM 較高的可能值。

然而，3GPP 目前還無法預見。因此，這還是由使用 SLSSID 部署 LTE D2D ProSe、直接發(fā)現(xiàn)和/或直接通信功能的相應網(wǎng)絡運營商決定。根據(jù)覆蓋狀態(tài)（在網(wǎng)或不在網(wǎng)），標識池可能會作為廣播系統(tǒng)信息的一部分提供給設備。此時，運營商會對所選的 SLSSID 產(chǎn)生影響。但是，不在網(wǎng)狀態(tài)中會存在不同的情況。這關(guān)系到終端是否會同步到發(fā)出 SLSS 且在覆蓋范圍內(nèi)的設備，或者相關(guān)設備是否不會同步到另一個終端。

對于后一種情況，該設備會從適用于不在網(wǎng)的 SLSSID 集（168 到 335）中隨機選擇一個標識。這意味著終端可能選擇一個 SLSSID，從而導致 SSSS 的 PAPR 和 CM 值較高。比方說，此類 SLSSID 可以是 288（與圖 3 相比）。圖 4 展示了 CCDF，用于確定包含所有相關(guān)信號（PSBCH、PSSS、DMRS 和 SSSS）的同步子幀的 PAPR，這些信號共同組成 SLSSID 288。此統(tǒng)計測量使用了信號分析儀。

PA 考慮因素

這些新信號向設計和制造現(xiàn)代手機和平板電腦組件，尤其是手機功率放大器的公司，提出了新的挑戰(zhàn)性任務。這些公司需要使用充足的測試工具來測試和驗證當前和未來的產(chǎn)品是否仍然能夠滿足該標準的要求（例如誤差矢量幅度 (EVM)、鄰道泄漏功率比 (ACLR) 或頻譜發(fā)射模板(SEM)），并同時傳輸具備較高 PAPR 和 CM 的信號。

當 3GPP 還在討論這組新信號的測量方法和測試容限時，設計工程師已經(jīng)開始驗證目前開發(fā)的 DPD 模型和 ET 算法是否仍然適用于現(xiàn)有產(chǎn)品或開發(fā)中產(chǎn)品上的這些信號?，F(xiàn)代手機和平板電腦中的功放模塊逐步引入了DPD和ET技術(shù)，用以延長電池壽命并降低功耗。

這兩種技術(shù)同樣適用于D2D設備。DPD 和 ET 測量方案的是信號分析儀和矢量信號發(fā)生器。該方案和所需的軟件選件如圖 5所示。

圖 5 針對使用羅德與施瓦茨 SMW200A 矢量信號發(fā)生器（左）和 FSW 信號和頻譜分析儀（右）的 DPD 和 ET 的測試設置

在此項方案中，信號發(fā)生器向所測試功率放大器的 RF 輸入提供波形。該波形可以是由儀器上的 LTE選件發(fā)出的符合標準的 LTE 信號，也可以是由仿真軟件工具計算的任意波形。信號發(fā)生器通過 LAN 連接到信號分析儀，從而將兩種參考信號綁定在一起。要進行測量，信號分析儀需要得到參考的理想波形。為此，該方案通過 LAN 接口進行連接，這樣，信號和頻譜分析儀就可以從信號發(fā)生器中讀取理想波形并將其作為參考波形存儲在本地。

圖 6 展示了一種任意波形信號經(jīng)過功放以后，在信號分析儀的功率放大器測量軟件中的各項測量結(jié)果，其SLSSID為288。圖片的右下角展示了 AM/AM 和 AM/PM 曲線。這兩種方法可用于表征功率放大器的非線性特性。

圖 6 任意波形，其中該信號在 FSW-K18 功率放大器測量選項中表示 SLSSID = 288。右下方的顯示器中展示了 AM/AM 和 AM/PM 變頻。

隨后，信號分析儀開始測量功率放大器的輸出信號，將其與參考波形進行對比，并計算失真。根據(jù)測量的失真和參數(shù)設置，信號分析儀的功率放大器測量軟件將計算傳回到信號發(fā)生器的預失真模型。信號發(fā)生器將自動計算的預失真模型，加載到原始信號上，隨后，信號分析儀將實時測量效果。

3GPP Release 12 的發(fā)布增添了一組功能，用于加強 LTE 以支持重要和應急通信的功能，例如直接模式（直接發(fā)現(xiàn)、直接通信）和群組通信。這些功能，尤其是不在網(wǎng)場景下的直接通信功能，需要一組充當同步源的手機，定期傳輸?shù)男峦叫盘枴Ｓ捎谶@些信號的 PAPR 和 CM 值高于如今通用的 LTE 上行鏈路信號的相關(guān)值，因此它們對手機功率放大器提出了新的挑戰(zhàn)功率放大器設計工程師需要驗證和確認當前和未來的產(chǎn)品是否仍然滿足標準要求，并且后期衍生的 DPD 和 ET 模型是否仍具功能性。