LTE-A系統(tǒng)擴展CP的參考信號設(shè)計

1、LTE-A系統(tǒng)擴展CP解調(diào)用參考信號設(shè)計摘要： 為了支持LTE-Advanced中更高階MIMO，LTE-A中定義了兩種新的下行導頻，其中包括用于PDSCH解調(diào)的參考信號（Demodulation Reference Signal，DMRS）。本文重點研究LTE-A系統(tǒng)擴展應用場景下行鏈路Rank 3-4的DMRS設(shè)計方案，根據(jù)給出的擴展CP參考信號設(shè)計原則和以確定的技術(shù)方案，提出可行性的Rank 3-4參考信號方案，并通過仿真比較不同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位于子幀邊緣的參考信號方案具有最優(yōu)的性能。關(guān)鍵詞：LTE-A；擴展CP；Rank 3-4；D

2、MRS；參考信號中圖分類號：TN929.533 文章編號：1. 引言隨著第四代移動通信系統(tǒng)標準化進程的開展，第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project， 3GPP）也于2008年3月正式立項開始針對先進的LTE（LTE-Advanced）的初步研究1。LTE-A是LTE-Advanced的簡稱，是LTE技術(shù)的后續(xù)演進，其目的是為滿足未來幾年內(nèi)無線通信市場的更高需求和更多應用，滿足和超過先進的國際移動通信（International Mobile Telecommunications Advanced，IMT-Advanced）的需求2，同時還要保持

3、對LTE較好的后向兼容性。因此，LTE-A增強技術(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和復用方法以支持更高階MIMO。LTE-A定義了兩種下行參考信號3：一種是用于PDSCH解調(diào)的參考信號（DMRS）；另一種是用于信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI）的參考信號（CSI-RS）。根據(jù)應用場景的不同（無線信道不同的時延擴展），LTE-A系統(tǒng)支持兩種CP的系統(tǒng)配置，即常規(guī)CP和擴展CP，它們的長度分別約為4.7和16.7。常規(guī)CP主要用于單播業(yè)務，而擴展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。擴展

4、CP性能優(yōu)化的重點應該放在低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?shù)男诺拉h(huán)境下，一些終端還是可能進行高秩傳輸?shù)摹８咧惹闆r主要用于具有足夠多的多徑信號和好CQI的場景，即當用戶位于大小區(qū)的中心，此時干擾足夠低，也就可以用于高秩傳輸。因此，擴展CP還應該支持高秩傳輸。在之前的研究4,5中，已經(jīng)確定了擴展CP的參考信號開銷，即在Rank 1-2情況下采用CDM的復用方式，在每個子幀中參考信號共占用16個RE；在rank 3-8情況下采用CDM+FDM的混合復用方式，在每個子幀中參考信號共占用32個RE。同時，針對Rank 1-2的DMRS

5、導頻圖樣設(shè)計也在參考文獻6,7,8中進行了詳盡的研究，基于不同參考信號圖樣的性能和分析，3GPP最終選定交錯結(jié)構(gòu)作為擴展CP Rank 1-2的DMRS圖樣9。但是，針對LTE-A系統(tǒng)Rank3-4擴展CP的具體DMRS方案還沒有確定10。本文著重對LTE-A系統(tǒng)擴展CP應用場景下行鏈路Rank 3-4的DMRS設(shè)計方案進行研究。首先給出了LTE-A系統(tǒng)擴展CP參考信號的設(shè)計原則，然后針對擴展CP的特點重點研究了Rank 3-4的DMRS設(shè)計方案，并通過仿真比較了不同DMRS圖樣的性能，最后給出結(jié)論。2. LTE-A系統(tǒng)擴展CP的參考信號設(shè)計原則常規(guī)CP主要用于單播業(yè)務，而擴展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。因為廣播業(yè)務的信道時延較大，為了限制信道時延在CP范圍內(nèi)，就需要增加CP的長度。擴展CP是專門為大時延彌散信道或者高頻率選擇性信道設(shè)計的，擴展CP有利于克服多徑干擾，可以支持大范圍覆蓋。由于擴展CP具有很不同于常規(guī)CP的特性，因此有必要針對擴展CP進行新的參考設(shè)計以滿足其特定的場景。針對擴展CP的特定應用場景，在進行擴展CP DMRS圖樣設(shè)計時需要考慮下面的設(shè)計原則：（1）DMRS開銷：在常規(guī)CP研究中就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不同的DMRS開銷對系統(tǒng)性能影響很大。在低秩情況下，采用比常規(guī)CP更高的DMRS開銷可以更好的對抗信道的高頻率選擇性，從而有效改善PDSCH性

7、能。但更高的開銷會降低數(shù)據(jù)速率。（2）一致性：目前常規(guī)CP的DMRS圖案已經(jīng)優(yōu)先于擴展CP設(shè)計完成。因此，應該盡可能中用常規(guī)CP的DM-RS設(shè)計原則，如最大兩個CDM組，F(xiàn)DM+CDM等。（3）應用場景：擴展CP性能優(yōu)化的重點應該放在低Rank（如Rank1-2）這種情況。但同時擴展CP還應該支持高秩傳輸。擴展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?shù)男诺拉h(huán)境下，一些終端還是可能進行高秩傳輸?shù)摹Ｒ虼?，擴展CP的DM-RS 圖樣設(shè)計需要支持所有rank。（4）DwPTS設(shè)計：DwPTS具有不同的長度，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的復雜度，應該使DwPT

8、S的設(shè)計復雜度盡可能低。而且，在TDD模式下，一個無線幀內(nèi)的DwPTS比率會隨著不同的TDD配置而變化，這也就意味著DwPTS對整個系統(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DwPTS和常規(guī)子幀支持同樣的最大層數(shù)。在進行DwPTS設(shè)計時性能和復雜度的折中需要考慮進去。（5）Rank獨立性：為了平衡不同層傳輸?shù)乃栝_銷，需要研究秩獨立的圖樣。（6）兼容性：在進行擴展CP設(shè)計時，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，擴展CP 的DM-RS還需要與Rel-10的CSI-RS兼容。3

9、. 擴展CP Rank3-4的參考信號設(shè)計在LTE-A系統(tǒng)中，針對擴展CP Rank 3-4的參考信號設(shè)計主要涉及兩個問題：一是低復雜度高性能信道估計算法的設(shè)計，二是導頻圖樣的選擇。接下來主要針對這兩個方面進行研究。3.1 信道估計算法圖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物理層的基帶信號過程包括信道編碼、加擾、調(diào)制、層映射、預編碼、參考符號設(shè)計以及資源映射和OFDM信號生成的過程。在接收端進行相反的操作過程。數(shù)據(jù)的相干檢測和譯碼都需要預先知道收發(fā)天線間的信道信息，因

10、此信道估計成為LTE-A系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。對于LTE-A系統(tǒng)的二維時頻信道估計，二維維納濾波是最小均方誤差意義上的最佳線性估計器。當給定接收數(shù)據(jù)和發(fā)送的導頻符號，導頻子載波處的信道頻率響應用LS算法估計可得： (1)假設(shè)是一個維納濾波器，共有個抽頭?，F(xiàn)在希望設(shè)計該濾波器，使其輸出逼近期望輸出，為真實的信道頻域響應。采用最小均方誤差（MMSE）的準則 (2)設(shè)計最優(yōu)濾波器。由可得最優(yōu)濾波器為： (3)式中是數(shù)據(jù)與導頻子載波間的互相關(guān)矩陣，其中表示第個數(shù)據(jù)子載波和第個導頻子載波間的相關(guān)系數(shù)。是導頻子載波間的自相關(guān)矩陣，且其中元素表示第個和第個導頻子載波間的相關(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擴展CP Rank3-4的參考信號設(shè)計本節(jié)重點對LTE-A系統(tǒng)擴展CP應用場景下行鏈路Rank 3-4的DMRS設(shè)計方案進行研究。首先以LTE-A系統(tǒng)的一個子幀為單位，根據(jù)參考信號開銷和后向兼容性要求，得到滿足條件的所有的參考信號圖樣，采用二維維納濾波信道估計算法獲得的信道和實際產(chǎn)生信道的最小MSE結(jié)果得到最優(yōu)的參考信號圖樣，并通過BLER曲線進行確認。首先，根據(jù)參考信號開銷、參考信號復用方式和后向兼容性確定設(shè)計準則，擴展CP Rank 3-4參考信號設(shè)計需要考慮如下問題：（1）在Rank 3-4情況下，每層的參考信號在每個子幀中占用16個RE，所有層

12、的參考信號通過CDM+FDM的混合復用方式共占用32個RE。在進行設(shè)計時，還需要以常規(guī)CP的設(shè)計方法作為參考。（2）高Rank 的RS圖樣必須是對低rank的擴展圖樣，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Rank 1-2 DMRS圖樣的擴展，即在保持Rank 1-2 參考信號位置不變的情況下，在其他位置放置層3或?qū)?的參考信號。其次，確定所有滿足條件的參考信號圖樣。為了實現(xiàn)對Rank 1-2的后向兼容性，擴展CP Rank 3-4的參考信號設(shè)計需要以Rank 1-2的參考信號圖樣為單位，如圖2。圖2 擴展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通過在時域兩個連續(xù)RE上應用OCC實現(xiàn)CDM復用。為了保持與常規(guī)CP設(shè)計原則的一致性，第3層和第4層的DM-RS也在時域兩個連續(xù)RE上應用OCC實現(xiàn)CDM復用，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FDM方式進行復用的。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圖樣。即在第5和第6個OFDM符號上，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OFDM符號上，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。通過排列組合，總共可以得到四種導頻圖樣，如圖3所示。 圖3 擴展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)重點對LTE-A系統(tǒng)擴展CP的下行參考信號設(shè)計方案進行評估驗證。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終端移動速度3km/h，120km/h信道估計方式2D-Wiener為了評估這四種參考信號圖樣的性能，我們選擇具有高頻率選擇性的信道來進行評估，而ETU和VB信道模型被一致認為是最能反映擴展CP應用場景的信道模

16、型。但是由于VB信道模型的最后兩徑時延超出了CP長度，這一點會很大的限制性能改善程度。因此，需要對VB信道模型進行修正，即去掉最后兩徑，這樣修正的VB信道的最大時延擴散就小于CP長度了。即在仿真時采用ETU信道和修正的VB信道，如表2所示。由于Rank3-4主要應用于中低速環(huán)境，因此選擇3km/h和60km/h作為移動終端的典型速度。表2 仿真的信道模型Table 2 Channel model for simulation多徑支路號ETU信道MVB信道多普勒頻譜相對時延/ns平均功率/dB相對時延/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，無論是在ETU信道還是MVB信道，當終端移動速度為60km/h時，四種DMRS圖樣的MSE性能幾乎一樣，這主要是由于在高速移動環(huán)境下CDM復用碼正交性遭到破壞，成為影響信道估計的主要因素。從圖4和圖5中可以看出，當終端移動速度為3km/h時，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覆蓋了整個子幀的邊緣，即在第1個子載波和第12個子載波，因此可以獲得更好的性能；而Option 2在子載波11和12都沒有三四層DMRS，因此不能很好的估計出子幀邊緣的信道參數(shù)；Option 1和Option 3的三四層DMRS在子幀邊緣分別沒有覆蓋第1個和第12個子載波，具有對等的效果，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)計的針

19、對擴展CP Rank3-4的最優(yōu)參考信號圖樣。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，進一步對上述四種DMRS圖樣的BLER性能驗證。由于修正的VB信道更能反映擴展CP的應用場景，因此只對修正的VB信道進行仿真性能驗證。圖8和圖9分別是M

21、VB信道下、終端移動速度3km/h和60km/h、擴展CP應用場景下Rank 4不同DMRS圖樣的BLER性能比較。從圖8中可以看出，當終端的移動速度為3km/h時，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，當終端的移動速度為60km/h時，四種參考信號圖樣的性能相似。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頻設(shè)計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)擴展CP下行參考信號的設(shè)計原則，并針對LTE-A系統(tǒng)信道估計算法進行了研究。本文重點根據(jù)設(shè)計原則和3GPP對擴展CP參考信號設(shè)計已確定的技術(shù)方案，提出具有可行性的四種Rank 3-

23、4參考信號方案，并通過仿真比較不同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位于子幀邊緣的參考信號方案具有最優(yōu)的性能?？傊?，擴展CP參考信號方案對LTE-A系統(tǒng)性能有很大影響，擴展CP Rank 5-8的參考信號設(shè)計、參考信號功率增加和物理資源塊綁定都是未來研究的目標。參考文獻1 3GPP. TS 36.815 VFurther Advancements for E-UTRA; LTE-Advanced feasibility studies in RAN WG4(這個參考文獻還有點問題。待定)2 3GPP. TS 36.913 V.9.0.0. Requrements for futhre advancements for