隨著LTE Release 12 的發布，3GPP組織 面對著加強 LTE 規范以支持重要通訊系統所需功能的挑戰。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 的群組呼叫系統發起功能 (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品是否仍然符合該標準，并且開發新的數字預失真 (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范范圍內仍然能正常工作。

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，直接發現功能，可讓設備根據網絡側的授權和配置，發布或監控相關信息。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”：兩臺設備由一個 LTE 基站服務；“部分在網”：只有一臺設備由基站服務，另一臺則為“不在網”；“全部不在網”：兩臺設備均不在基站的范圍內。這三種場景為直接發現和直接通信功能的實現帶來了不同的挑戰。

圖 1 直接通信的同步流程圖

第一個挑戰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 上行鏈路結構。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 系統的上行頻率和 TD-LTE 的上行子幀進行傳輸和接收。

直接發現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信息塊 (SIB)（類型 18 和 19）進行廣播。“不在網”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參數。

LTE D2D PROSE 中的同步

對于所有場景（全在網、部分在網，或全部不在網）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，同步操作通常基于同步信號建立，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，設備實現了幀同步并識別出服務小區的物理小區號 (PCI)。該小區號用于確定參考信號的映射，從而使設備在時頻上實現完全同步。

很顯然，“全部不在網”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”場景，尤其是“部分在網”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。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流程圖。對于直接發現功能，設備僅會傳輸 SLSS。

設備與網絡建立的是被動 (RRC_IDLE) 連接還是主動 (RRC_CONNECTED) 連接將起到決定性作用。在后一種情況下，網絡將通過發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）執行質量測量，以確定設備自身是否屬于“在網”狀態。如果測量結果超出一定的閾值，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”狀態并開始尋找其他設備發出的 SLSS。如果終端檢測到這些類型的信號，設備就必須執行新定義的質量測量，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參考信號 (DMRS) 上執行（參見圖 2）。如果測量結果超出預先配置的上限值，終端將同步到該設備發出的 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 針對常規循環前綴的直接通信的同步子幀

SLSS 和子幀映射的架構

與下行鏈路同步信號架構類似，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（root Index）：26 和 37。因此，PSSS由兩個不同的序列定義，而傳統 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。可能的 NSL 數字被劃分為兩組，其中 0 - 167 用于“在網”情況，而 168 - 335 用于“不在網”情況。在后一種情況中，使用根指數 37 來生成 PSSS；而在所有其他情況中，使用的是根指數 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，以確定信號發出設備（即同步源或參考 UE）自身是在在網還是不在網。

同樣地，在下行鏈路中，SLSS 被映射到載頻周圍的 6 個內部資源塊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 62 個。在常規循環前綴CP的情況中，PSSS 占據 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系統幀號 (SFN) 決定其在哪個無線幀（Radio Frame開始發送。SLSS 和 PSBCH 的周期為 40 ms，以節約電池電量。

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

信號峰均比挑戰

如圖 3 所示，在網和不在網場景中都存在 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。

此時，3GPP 尚未確克服此挑戰的方法。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、直接發現和/或直接通信功能的相應網絡運營商決定。根據覆蓋狀態（在網或不在網），標識池可能會作為廣播系統信息的一部分提供給設備。此時，運營商會對所選的 SLSSID 產生影響。但是，不在網狀態中會存在不同的情況。這關系到終端是否會同步到發出 SLSS 且在覆蓋范圍內的設備，或者相關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，設計工程師已經開始驗證目前開發的 DPD 模型和 ET 算法是否仍然適用于現有產品或開發中產品上的這些信號。現代手機和平板電腦中的功放模塊逐步引入了DPD和ET技術，用以延長電池壽命并降低功耗。

這兩種技術同樣適用于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。根據測量的失真和參數設置，信號分析儀的功率放大器測量軟件將計算傳回到信號發生器的預失真模型。信號發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（直接發現、直接通信）和群組通信。這些功能，尤其是不在網場景下的直接通信功能，需要一組充當同步源的手機，定期傳輸的新同步信號。由于這些信號的 PAPR 和 CM 值高于如今通用的 LTE 上行鏈路信號的相關值，因此它們對手機功率放大器提出了新的挑戰功率放大器設計工程師需要驗證和確認當前和未來的產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。