LTE-A系統(tǒng)擴(kuò)展CP的參考信號(hào)設(shè)計(jì)

1、LTE-A系統(tǒng)擴(kuò)展CP解調(diào)用參考信號(hào)設(shè)計(jì)摘要： 為了支持LTE-Advanced中更高階MIMO，LTE-A中定義了兩種新的下行導(dǎo)頻，其中包括用于PDSCH解調(diào)的參考信號(hào)（Demodulation Reference Signal，DMRS）。本文重點(diǎn)研究LTE-A系統(tǒng)擴(kuò)展應(yīng)用場(chǎng)景下行鏈路Rank 3-4的DMRS設(shè)計(jì)方案，根據(jù)給出的擴(kuò)展CP參考信號(hào)設(shè)計(jì)原則和以確定的技術(shù)方案，提出可行性的Rank 3-4參考信號(hào)方案，并通過(guò)仿真比較不同DMRS方案的MSE性能和BLER性能。仿真結(jié)果表明第三四層參考信號(hào)位于子幀邊緣的參考信號(hào)方案具有最優(yōu)的性能。關(guān)鍵詞：LTE-A；擴(kuò)展CP；Rank 3-4；D

2、MRS；參考信號(hào)中圖分類號(hào)：TN929.533 文章編號(hào)：1. 引言隨著第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的開(kāi)展，第三代合作伙伴計(jì)劃（3rd Generation Partnership Project， 3GPP）也于2008年3月正式立項(xiàng)開(kāi)始針對(duì)先進(jìn)的LTE（LTE-Advanced）的初步研究1。LTE-A是LTE-Advanced的簡(jiǎn)稱，是LTE技術(shù)的后續(xù)演進(jìn)，其目的是為滿足未來(lái)幾年內(nèi)無(wú)線通信市場(chǎng)的更高需求和更多應(yīng)用，滿足和超過(guò)先進(jìn)的國(guó)際移動(dòng)通信（International Mobile Telecommunications Advanced，IMT-Advanced）的需求2，同時(shí)還要保持

3、對(duì)LTE較好的后向兼容性。因此，LTE-A增強(qiáng)技術(shù)中包括下行更高階MIMO3，最高支持8層數(shù)據(jù)傳輸，在LTE-A中就需要額外的參考信號(hào)和復(fù)用方法以支持更高階MIMO。LTE-A定義了兩種下行參考信號(hào)3：一種是用于PDSCH解調(diào)的參考信號(hào)（DMRS）；另一種是用于信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI）的參考信號(hào)（CSI-RS）。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同（無(wú)線信道不同的時(shí)延擴(kuò)展），LTE-A系統(tǒng)支持兩種CP的系統(tǒng)配置，即常規(guī)CP和擴(kuò)展CP，它們的長(zhǎng)度分別約為4.7和16.7。常規(guī)CP主要用于單播業(yè)務(wù)，而擴(kuò)展CP方案用于支持LTE-A大范圍小區(qū)覆蓋和多小區(qū)廣播業(yè)務(wù)。擴(kuò)展

4、CP性能優(yōu)化的重點(diǎn)應(yīng)該放在低rank（如rank1-2）情況。但是，ECP是小區(qū)專用行為，而不是終端專用行為，這也就意味著在適當(dāng)?shù)男诺拉h(huán)境下，一些終端還是可能進(jìn)行高秩傳輸?shù)?。高秩情況主要用于具有足夠多的多徑信號(hào)和好CQI的場(chǎng)景，即當(dāng)用戶位于大小區(qū)的中心，此時(shí)干擾足夠低，也就可以用于高秩傳輸。因此，擴(kuò)展CP還應(yīng)該支持高秩傳輸。在之前的研究4,5中，已經(jīng)確定了擴(kuò)展CP的參考信號(hào)開(kāi)銷，即在Rank 1-2情況下采用CDM的復(fù)用方式，在每個(gè)子幀中參考信號(hào)共占用16個(gè)RE；在rank 3-8情況下采用CDM+FDM的混合復(fù)用方式，在每個(gè)子幀中參考信號(hào)共占用32個(gè)RE。同時(shí)，針對(duì)Rank 1-2的DMRS

5、導(dǎo)頻圖樣設(shè)計(jì)也在參考文獻(xiàn)6,7,8中進(jìn)行了詳盡的研究，基于不同參考信號(hào)圖樣的性能和分析，3GPP最終選定交錯(cuò)結(jié)構(gòu)作為擴(kuò)展CP Rank 1-2的DMRS圖樣9。但是，針對(duì)LTE-A系統(tǒng)Rank3-4擴(kuò)展CP的具體DMRS方案還沒(méi)有確定10。本文著重對(duì)LTE-A系統(tǒng)擴(kuò)展CP應(yīng)用場(chǎng)景下行鏈路Rank 3-4的DMRS設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究。首先給出了LTE-A系統(tǒng)擴(kuò)展CP參考信號(hào)的設(shè)計(jì)原則，然后針對(duì)擴(kuò)展CP的特點(diǎn)重點(diǎn)研究了Rank 3-4的DMRS設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)仿真比較了不同DMRS圖樣的性能，最后給出結(jié)論。2. LTE-A系統(tǒng)擴(kuò)展CP的參考信號(hào)設(shè)計(jì)原則常規(guī)CP主要用于單播業(yè)務(wù)，而擴(kuò)展CP方案用于支持

6、LTE-A大范圍小區(qū)覆蓋和多小區(qū)廣播業(yè)務(wù)。因?yàn)閺V播業(yè)務(wù)的信道時(shí)延較大，為了限制信道時(shí)延在CP范圍內(nèi)，就需要增加CP的長(zhǎng)度。擴(kuò)展CP是專門為大時(shí)延彌散信道或者高頻率選擇性信道設(shè)計(jì)的，擴(kuò)展CP有利于克服多徑干擾，可以支持大范圍覆蓋。由于擴(kuò)展CP具有很不同于常規(guī)CP的特性，因此有必要針對(duì)擴(kuò)展CP進(jìn)行新的參考設(shè)計(jì)以滿足其特定的場(chǎng)景。針對(duì)擴(kuò)展CP的特定應(yīng)用場(chǎng)景，在進(jìn)行擴(kuò)展CP DMRS圖樣設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮下面的設(shè)計(jì)原則：（1）DMRS開(kāi)銷：在常規(guī)CP研究中就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不同的DMRS開(kāi)銷對(duì)系統(tǒng)性能影響很大。在低秩情況下，采用比常規(guī)CP更高的DMRS開(kāi)銷可以更好的對(duì)抗信道的高頻率選擇性，從而有效改善PDSCH性

7、能。但更高的開(kāi)銷會(huì)降低數(shù)據(jù)速率。（2）一致性：目前常規(guī)CP的DMRS圖案已經(jīng)優(yōu)先于擴(kuò)展CP設(shè)計(jì)完成。因此，應(yīng)該盡可能中用常規(guī)CP的DM-RS設(shè)計(jì)原則，如最大兩個(gè)CDM組，F(xiàn)DM+CDM等。（3）應(yīng)用場(chǎng)景：擴(kuò)展CP性能優(yōu)化的重點(diǎn)應(yīng)該放在低Rank（如Rank1-2）這種情況。但同時(shí)擴(kuò)展CP還應(yīng)該支持高秩傳輸。擴(kuò)展CP是小區(qū)專用行為，而不是終端專用行為，這也就意味著在適當(dāng)?shù)男诺拉h(huán)境下，一些終端還是可能進(jìn)行高秩傳輸?shù)?。因此，擴(kuò)展CP的DM-RS 圖樣設(shè)計(jì)需要支持所有rank。（4）DwPTS設(shè)計(jì)：DwPTS具有不同的長(zhǎng)度，這主要取決于下行鏈路和上行鏈路的配置情況。為了降低UE的復(fù)雜度，應(yīng)該使DwPT

8、S的設(shè)計(jì)復(fù)雜度盡可能低。而且，在TDD模式下，一個(gè)無(wú)線幀內(nèi)的DwPTS比率會(huì)隨著不同的TDD配置而變化，這也就意味著DwPTS對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能影響是不同的。因此，所有的DwPTS配置情況需采用統(tǒng)一的圖樣，同時(shí)DwPTS和常規(guī)子幀支持同樣的最大層數(shù)。在進(jìn)行DwPTS設(shè)計(jì)時(shí)性能和復(fù)雜度的折中需要考慮進(jìn)去。（5）Rank獨(dú)立性：為了平衡不同層傳輸?shù)乃栝_(kāi)銷，需要研究秩獨(dú)立的圖樣。（6）兼容性：在進(jìn)行擴(kuò)展CP設(shè)計(jì)時(shí)，需要把LTE Rel-8的影響降低到最小，這也就意味著DM-RS的放置位置要避免與RS CRS、控制信道產(chǎn)生沖突。與此同時(shí)，擴(kuò)展CP 的DM-RS還需要與Rel-10的CSI-RS兼容。3

9、. 擴(kuò)展CP Rank3-4的參考信號(hào)設(shè)計(jì)在LTE-A系統(tǒng)中，針對(duì)擴(kuò)展CP Rank 3-4的參考信號(hào)設(shè)計(jì)主要涉及兩個(gè)問(wèn)題：一是低復(fù)雜度高性能信道估計(jì)算法的設(shè)計(jì)，二是導(dǎo)頻圖樣的選擇。接下來(lái)主要針對(duì)這兩個(gè)方面進(jìn)行研究。3.1 信道估計(jì)算法圖1 LTE-A系統(tǒng)的基帶系統(tǒng)模型Fig.1 Baseband model of LTE-A system首先構(gòu)建LTE-A系統(tǒng)的基帶系統(tǒng)模型，如圖1所示。LTE-A物理層的基帶信號(hào)過(guò)程包括信道編碼、加擾、調(diào)制、層映射、預(yù)編碼、參考符號(hào)設(shè)計(jì)以及資源映射和OFDM信號(hào)生成的過(guò)程。在接收端進(jìn)行相反的操作過(guò)程。數(shù)據(jù)的相干檢測(cè)和譯碼都需要預(yù)先知道收發(fā)天線間的信道信息，因

10、此信道估計(jì)成為L(zhǎng)TE-A系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。對(duì)于LTE-A系統(tǒng)的二維時(shí)頻信道估計(jì)，二維維納濾波是最小均方誤差意義上的最佳線性估計(jì)器。當(dāng)給定接收數(shù)據(jù)和發(fā)送的導(dǎo)頻符號(hào)，導(dǎo)頻子載波處的信道頻率響應(yīng)用LS算法估計(jì)可得： (1)假設(shè)是一個(gè)維納濾波器，共有個(gè)抽頭?，F(xiàn)在希望設(shè)計(jì)該濾波器，使其輸出逼近期望輸出，為真實(shí)的信道頻域響應(yīng)。采用最小均方誤差（MMSE）的準(zhǔn)則 (2)設(shè)計(jì)最優(yōu)濾波器。由可得最優(yōu)濾波器為： (3)式中是數(shù)據(jù)與導(dǎo)頻子載波間的互相關(guān)矩陣，其中表示第個(gè)數(shù)據(jù)子載波和第個(gè)導(dǎo)頻子載波間的相關(guān)系數(shù)。是導(dǎo)頻子載波間的自相關(guān)矩陣，且其中元素表示第個(gè)和第個(gè)導(dǎo)頻子載波間的相關(guān)系數(shù)。最優(yōu)維納濾波的輸出結(jié)果為： (

11、4)式中，是AWGN信道的噪聲方差。3.2擴(kuò)展CP Rank3-4的參考信號(hào)設(shè)計(jì)本節(jié)重點(diǎn)對(duì)LTE-A系統(tǒng)擴(kuò)展CP應(yīng)用場(chǎng)景下行鏈路Rank 3-4的DMRS設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究。首先以LTE-A系統(tǒng)的一個(gè)子幀為單位，根據(jù)參考信號(hào)開(kāi)銷和后向兼容性要求，得到滿足條件的所有的參考信號(hào)圖樣，采用二維維納濾波信道估計(jì)算法獲得的信道和實(shí)際產(chǎn)生信道的最小MSE結(jié)果得到最優(yōu)的參考信號(hào)圖樣，并通過(guò)BLER曲線進(jìn)行確認(rèn)。首先，根據(jù)參考信號(hào)開(kāi)銷、參考信號(hào)復(fù)用方式和后向兼容性確定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，擴(kuò)展CP Rank 3-4參考信號(hào)設(shè)計(jì)需要考慮如下問(wèn)題：（1）在Rank 3-4情況下，每層的參考信號(hào)在每個(gè)子幀中占用16個(gè)RE，所有層

12、的參考信號(hào)通過(guò)CDM+FDM的混合復(fù)用方式共占用32個(gè)RE。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，還需要以常規(guī)CP的設(shè)計(jì)方法作為參考。（2）高Rank 的RS圖樣必須是對(duì)低rank的擴(kuò)展圖樣，這樣才能找到一種符合所有rank的統(tǒng)一的信道估計(jì)器，從而控制小區(qū)內(nèi)干擾。因此，Rank 3-4的DMRS圖樣必須是對(duì)Rank 1-2 DMRS圖樣的擴(kuò)展，即在保持Rank 1-2 參考信號(hào)位置不變的情況下，在其他位置放置層3或?qū)?的參考信號(hào)。其次，確定所有滿足條件的參考信號(hào)圖樣。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)Rank 1-2的后向兼容性，擴(kuò)展CP Rank 3-4的參考信號(hào)設(shè)計(jì)需要以Rank 1-2的參考信號(hào)圖樣為單位，如圖2。圖2 擴(kuò)展CP Ra

13、nk3-4的 DMRS 圖樣可能位置分析圖Fig.2 The possible location analysis chart for DMRS patterns of Rank 3-4第1層和第2層的DM-RS通過(guò)在時(shí)域兩個(gè)連續(xù)RE上應(yīng)用OCC實(shí)現(xiàn)CDM復(fù)用。為了保持與常規(guī)CP設(shè)計(jì)原則的一致性，第3層和第4層的DM-RS也在時(shí)域兩個(gè)連續(xù)RE上應(yīng)用OCC實(shí)現(xiàn)CDM復(fù)用，而DM-RS的第3層和第4層和DM-RS的第1層和第2層則通過(guò)FDM方式進(jìn)行復(fù)用的。第3層和第4層的DMRS位置還有很多選擇，搜索所有滿足條件的參考信號(hào)圖樣。即在第5和第6個(gè)OFDM符號(hào)上，第3層和第4層的DMRS共有2種可能位

14、置，即位于左斜線參考信號(hào)的上方或下方，分別如圖5-6中和所示位置；同理，在第11和第12個(gè)OFDM符號(hào)上，第3層和第4層的DMRS也共有2種可能位置，即位于左斜線參考信號(hào)的下方第一行或下方的第二行，分別如圖5-6中和所示的位置。通過(guò)排列組合，總共可以得到四種導(dǎo)頻圖樣，如圖3所示。 圖3 擴(kuò)展CP Rank3-4的 DMRS 圖樣Fig.3 DMRS patterns of Rank 3-4 for extended CP4. 性能仿真及分析本節(jié)重點(diǎn)對(duì)LTE-A系統(tǒng)擴(kuò)展CP的下行參考信號(hào)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估驗(yàn)證。根據(jù)LTE-A系統(tǒng)5MHz帶寬情況下的參數(shù)設(shè)置各模塊的仿真參數(shù)。系統(tǒng)的子載波總數(shù)為300

15、，采樣頻率為7.68MHz，資源塊數(shù)為25。調(diào)制方式為16QAM。具體的LTE-A系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。表1 擴(kuò)展CP的仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters of the extended CP參數(shù)取值信道帶寬5MHz資源塊數(shù)25IFFT/FFT點(diǎn)數(shù)512載波頻率2GHz天線數(shù)4×4信道編碼Turbo碼調(diào)制方式16QAM信道模型ETU，修正的VB終端移動(dòng)速度3km/h，120km/h信道估計(jì)方式2D-Wiener為了評(píng)估這四種參考信號(hào)圖樣的性能，我們選擇具有高頻率選擇性的信道來(lái)進(jìn)行評(píng)估，而ETU和VB信道模型被一致認(rèn)為是最能反映擴(kuò)展CP應(yīng)用場(chǎng)景的信道模

16、型。但是由于VB信道模型的最后兩徑時(shí)延超出了CP長(zhǎng)度，這一點(diǎn)會(huì)很大的限制性能改善程度。因此，需要對(duì)VB信道模型進(jìn)行修正，即去掉最后兩徑，這樣修正的VB信道的最大時(shí)延擴(kuò)散就小于CP長(zhǎng)度了。即在仿真時(shí)采用ETU信道和修正的VB信道，如表2所示。由于Rank3-4主要應(yīng)用于中低速環(huán)境，因此選擇3km/h和60km/h作為移動(dòng)終端的典型速度。表2 仿真的信道模型Table 2 Channel model for simulation多徑支路號(hào)ETU信道MVB信道多普勒頻譜相對(duì)時(shí)延/ns平均功率/dB相對(duì)時(shí)延/ns平均功率/dB10-1.00-2.5Classic250-1.03000Classic31

17、20-1.08900-12.8Classic42000.012900-10.0Classic52300.0Classic65000.0Classic71600-3.0Classic82300-5.0Classic95000-7.0Classic圖4到圖7是圖3四種DMRS圖樣的MSE性能比較圖。從圖4到圖7中可以看出，無(wú)論是在ETU信道還是MVB信道，當(dāng)終端移動(dòng)速度為60km/h時(shí)，四種DMRS圖樣的MSE性能幾乎一樣，這主要是由于在高速移動(dòng)環(huán)境下CDM復(fù)用碼正交性遭到破壞，成為影響信道估計(jì)的主要因素。從圖4和圖5中可以看出，當(dāng)終端移動(dòng)速度為3km/h時(shí)，Option 4的性能最好，Optio

18、n 2的性能最差，Option 1和Option 3具有相似的性能。這主要是由于第一層和第二層的DMRS已經(jīng)位于固定位置，影響信道估計(jì)的主要因素成為第三層和第四層的DMRS位置；Option 4中的三四層DMRS覆蓋了整個(gè)子幀的邊緣，即在第1個(gè)子載波和第12個(gè)子載波，因此可以獲得更好的性能；而Option 2在子載波11和12都沒(méi)有三四層DMRS，因此不能很好的估計(jì)出子幀邊緣的信道參數(shù)；Option 1和Option 3的三四層DMRS在子幀邊緣分別沒(méi)有覆蓋第1個(gè)和第12個(gè)子載波，具有對(duì)等的效果，因此兩者的性能相似。因此，圖3的Option 4 DMRS圖樣具有最優(yōu)的MSE性能，即本文設(shè)計(jì)的針

19、對(duì)擴(kuò)展CP Rank3-4的最優(yōu)參考信號(hào)圖樣。圖4 ETU信道3km/h下Rank 4不同DMRS圖樣的MSE性能比較Fig.4 MSE performance comparison of the different DMRS pattern for Rank 4, ETU, 3km/h圖5 MVB信道3km/h下Rank 4不同DMRS圖樣的MSE性能比較Fig.5 MSE performance comparison of the different DMRS pattern for Rank 4, MVB, 3km/h圖6 ETU信道60km/h下Rank 4不同DMRS圖樣的MSE性能

20、比較Fig.6 MSE performance comparison of the different DMRS pattern for Rank 4, ETU, 60km/h圖7 MVB信道60km/h下Rank 4不同DMRS圖樣的MSE性能比較Fig.7 MSE performance comparison of the different DMRS pattern for Rank 4, MVB, 60km/h根據(jù)上述MSE的仿真結(jié)果，進(jìn)一步對(duì)上述四種DMRS圖樣的BLER性能驗(yàn)證。由于修正的VB信道更能反映擴(kuò)展CP的應(yīng)用場(chǎng)景，因此只對(duì)修正的VB信道進(jìn)行仿真性能驗(yàn)證。圖8和圖9分別是M

21、VB信道下、終端移動(dòng)速度3km/h和60km/h、擴(kuò)展CP應(yīng)用場(chǎng)景下Rank 4不同DMRS圖樣的BLER性能比較。從圖8中可以看出，當(dāng)終端的移動(dòng)速度為3km/h時(shí)，Option 4的BLER性能最好，Option 2的BLER性能最差，Option 1和Option 3的BLER性能居中。從圖9中可以看出，當(dāng)終端的移動(dòng)速度為60km/h時(shí)，四種參考信號(hào)圖樣的性能相似。綜上所述，四種DMRS圖樣的BLER性能差別與上述MSE性能結(jié)論一致。因此證明了所提出導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方法的正確性和有效性。圖8 MVB信道3km/h下Rank 4不同DMRS圖樣的BLER性能比較Fig.8 BLER performa

22、nce comparison of the different DMRS pattern for Rank 4, MVB, 3km/h圖9 MVB信道60km/h下Rank 4不同DMRS圖樣的BLER性能比較Fig.9 BLER performance comparison of the different DMRS pattern for Rank 4, MVB, 60km/h5. 結(jié)論 本文給出了LTE-A系統(tǒng)擴(kuò)展CP下行參考信號(hào)的設(shè)計(jì)原則，并針對(duì)LTE-A系統(tǒng)信道估計(jì)算法進(jìn)行了研究。本文重點(diǎn)根據(jù)設(shè)計(jì)原則和3GPP對(duì)擴(kuò)展CP參考信號(hào)設(shè)計(jì)已確定的技術(shù)方案，提出具有可行性的四種Rank 3-

23、4參考信號(hào)方案，并通過(guò)仿真比較不同DMRS方案的MSE性能和BLER性能。仿真結(jié)果表明第三四層參考信號(hào)位于子幀邊緣的參考信號(hào)方案具有最優(yōu)的性能?？傊?，擴(kuò)展CP參考信號(hào)方案對(duì)LTE-A系統(tǒng)性能有很大影響，擴(kuò)展CP Rank 5-8的參考信號(hào)設(shè)計(jì)、參考信號(hào)功率增加和物理資源塊綁定都是未來(lái)研究的目標(biāo)。參考文獻(xiàn)1 3GPP. TS 36.815 VFurther Advancements for E-UTRA; LTE-Advanced feasibility studies in RAN WG4(這個(gè)參考文獻(xiàn)還有點(diǎn)問(wèn)題。待定)2 3GPP. TS 36.913 V.9.0.0. Requrements for futhre advancements for