LTE-A系统扩展CP的参考信号设计

LTE-A系统扩展CP解调用参考信号设计摘要：为了支持LTE-Advanced中更高阶MIMO，LTE-A中定义了两种新的下行导频，其中包括用于PDSCH解调的参考信号（DemodulationReferenceSignal，DMRS）。本文重点研究LTE-A系统扩展应用场景下行链路Rank3-4的DMRS设计方案，根据给出的扩展CP参考信号设计原则和以确定的技术方案，提出可行性的Rank3-4参考信号方案，并通过仿真比较不同DMRS方案的MSE性能和BLER性能。仿真结果表明第三四层参考信号位于子帧边缘的参考信号方案具有最优的性能。关键词：LTE-A；扩展CP；Rank3-4；DMRS；参考信号中图分类号：TN929.533文章编号：1.引言随着第四代移动通信系统标准化进程的开展，第三代合作伙伴计划（3rdGenerationPartnershipProject，3GPP）也于2008年3月正式立项开始针对先进的LTE（LTE-Advanced）的初步研究[1]。LTE-A是LTE-Advanced的简称，是LTE技术的后续演进，其目的是为满足未来几年内无线通信市场的更高需求和更多应用，满足和超过先进的国际移动通信（InternationalMobileTelecommunications–Advanced，IMT-Advanced）的需求[2]，同时还要保持对LTE较好的后向兼容性。因此，LTE-A增强技术中包括下行更高阶MIMO[3]，最高支持8层数据传输，在LTE-A中就需要额外的参考信号和复用方法以支持更高阶MIMO。LTE-A定义了两种下行参考信号[3]：一种是用于PDSCH解调的参考信号（DMRS）；另一种是用于信道状态信息（ChannelStateInformation，CSI）的参考信号（CSI-RS）。根据应用场景的不同（无线信道不同的时延扩展），LTE-A系统支持两种CP的系统配置，即常规CP和扩展CP，它们的长度分别约为4.7μs和16.7μs。常规CP主要用于单播业务，而扩展CP方案用于支持LTE-A大范围小区覆盖和多小区广播业务。扩展CP性能优化的重点应该放在低rank（如rank1-2）情况。但是，ECP是小区专用行为，而不是终端专用行为，这也就意味着在适当的信道环境下，一些终端还是可能进行高秩传输的。高秩情况主要用于具有足够多的多径信号和好CQI的场景，即当用户位于大小区的中心，此时干扰足够低，也就可以用于高秩传输。因此，扩展CP还应该支持高秩传输。在之前的研究[4,5]中，已经确定了扩展CP的参考信号开销，即在Rank1-2情况下采用CDM的复用方式，在每个子帧中参考信号共占用16个RE；在rank3-8情况下采用CDM+FDM的混合复用方式，在每个子帧中参考信号共占用32个RE。同时，针对Rank1-2的DMRS导频图样设计也在参考文献[6,7,8]中进行了详尽的研究，基于不同参考信号图样的性能和分析，3GPP最终选定交错结构作为扩展CPRank1-2的DMRS图样[9]。但是，针对LTE-A系统Rank3-4扩展CP的具体DMRS方案还没有确定[10]。本文着重对LTE-A系统扩展CP应用场景下行链路Rank3-4的DMRS设计方案进行研究。首先给出了LTE-A系统扩展CP参考信号的设计原则，然后针对扩展CP的特点重点研究了Rank3-4的DMRS设计方案，并通过仿真比较了不同DMRS图样的性能，最后给出结论。2.LTE-A系统扩展CP的参考信号设计原则常规CP主要用于单播业务，而扩展CP方案用于支持LTE-A大范围小区覆盖和多小区广播业务。因为广播业务的信道时延较大，为了限制信道时延在CP范围内，就需要增加CP的长度。扩展CP是专门为大时延弥散信道或者高频率选择性信道设计的，扩展CP有利于克服多径干扰，可以支持大范围覆盖。由于扩展CP具有很不同于常规CP的特性，因此有必要针对扩展CP进行新的参考设计以满足其特定的场景。针对扩展CP的特定应用场景，在进行扩展CPDMRS图样设计时需要考虑下面的设计原则：（1）DMRS开销：在常规CP研究中就已经发现不同的DMRS开销对系统性能影响很大。在低秩情况下，采用比常规CP更高的DMRS开销可以更好的对抗信道的高频率选择性，从而有效改善PDSCH性能。但更高的开销会降低数据速率。（2）一致性：目前常规CP的DMRS图案已经优先于扩展CP设计完成。因此，应该尽可能中用常规CP的DM-RS设计原则，如最大两个CDM组，FDM+CDM等。（3）应用场景：扩展CP性能优化的重点应该放在低Rank（如Rank1-2）这种情况。但同时扩展CP还应该支持高秩传输。扩展CP是小区专用行为，而不是终端专用行为，这也就意味着在适当的信道环境下，一些终端还是可能进行高秩传输的。因此，扩展CP的DM-RS图样设计需要支持所有rank。（4）DwPTS设计：DwPTS具有不同的长度，这主要取决于下行链路和上行链路的配置情况。为了降低UE的复杂度，应该使DwPTS的设计复杂度尽可能低。而且，在TDD模式下，一个无线帧内的DwPTS比率会随着不同的TDD配置而变化，这也就意味着DwPTS对整个系统的性能影响是不同的。因此，所有的DwPTS配置情况需采用统一的图样，同时DwPTS和常规子帧支持同样的最大层数。在进行DwPTS设计时性能和复杂度的折中需要考虑进去。（5）Rank独立性：为了平衡不同层传输的所需开销，需要研究秩独立的图样。（6）兼容性：在进行扩展CP设计时，需要把LTERel-8的影响降低到最小，这也就意味着DM-RS的放置位置要避免与RSCRS、控制信道产生冲突。与此同时，扩展CP的DM-RS还需要与Rel-10的CSI-RS兼容。3.扩展CPRank3-4的参考信号设计在LTE-A系统中，针对扩展CPRank3-4的参考信号设计主要涉及两个问题：一是低复杂度高性能信道估计算法的设计，二是导频图样的选择。接下来主要针对这两个方面进行研究。3.1信道估计算法加扰加扰调制调制层映射预编码资源映射OFDM信号生成OFDM信号生成信道编码信道编码码字层天线端口DMRS设计OFDM信号生成OFDM信号生成DMRS序列生成图1LTE-A系统的基带系统模型Fig.1BasebandmodelofLTE-Asystem首先构建LTE-A系统的基带系统模型，如图1所示。LTE-A物理层的基带信号过程包括信道编码、加扰、调制、层映射、预编码、参考符号设计以及资源映射和OFDM信号生成的过程。在接收端进行相反的操作过程。数据的相干检测和译码都需要预先知道收发天线间的信道信息，因此信道估计成为LTE-A系统的关键技术之一。对于LTE-A系统的二维时频信道估计，二维维纳滤波是最小均方误差意义上的最佳线性估计器。当给定接收数据和发送的导频符号，导频子载波处的信道频率响应用LS算法估计可得：LS-1HXy(1)假设011[,,,]Nw是一个维纳滤波器，共有N个抽头。现在希望设计该滤波器，使其输出逼近期望输出H，H为真实的信道频域响应。采用最小均方误差（MMSE）的准则2min()minHLSJnH-wH(2)设计最优滤波器。由()/0HJnw可得最优滤波器为：1optpphpw=RR(3)式中hpR是数据与导频子载波间的互相关矩阵，其中,[]hpijR表示第i个数据子载波和第j个导频子载波间的相关系数。ppR是导频子载波间的自相关矩阵，且其中元素,[]ppijR表示第i个和第j个导频子载波间的相关系数。最优维纳滤波的输出结果为：121optLShpppLSH=wHR(R+I)H(4)式中，2是AWGN信道的噪声方差。3.2扩展CPRank3-4的参考信号设计本节重点对LTE-A系统扩展CP应用场景下行链路Rank3-4的DMRS设计方案进行研究。首先以LTE-A系统的一个子帧为单位，根据参考信号开销和后向兼容性要求，得到满足条件的所有的参考信号图样，采用二维维纳滤波信道估计算法获得的信道和实际产生信道的最小MSE结果得到最优的参考信号图样，并通过BLER曲线进行确认。首先，根据参考信号开销、参考信号复用方式和后向兼容性确定设计准则，扩展CPRank3-4参考信号设计需要考虑如下问题：（1）在Rank3-4情况下，每层的参考信号在每个子帧中占用16个RE，所有层的参考信号通过CDM+FDM的混合复用方式共占用32个RE。在进行设计时，还需要以常规CP的设计方法作为参考。（2）高Rank的RS图样必须是对低rank的扩展图样，这样才能找到一种符合所有rank的统一的信道估计器，从而控制小区内干扰。因此，Rank3-4的DMRS图样必须是对Rank1-2DMRS图样的扩展，即在保持Rank1-2参考信号位置不变的情况下，在其他位置放置层3或层4的参考信号。其次，确定所有满足条件的参考信号图样。为了实现对Rank1-2的后向兼容性，扩展CPRank3-4的参考信号设计需要以Rank1-2的参考信号图样为单位，如图2。timefrequencyDMRSCRS1234图2扩展CPRank3-4的DMRS图样可能位置分析图Fig.2ThepossiblelocationanalysischartforDMRSpatternsofRank3-4第1层和第2层的DM-RS通过在时域两个连续RE上应用OCC实现CDM复用。为了保持与常规CP设计原则的一致性，第3层和第4层的DM-RS也在时域两个连续RE上应用OCC实现CDM复用，而DM-RS的第3层和第4层和DM-RS的第1层和第2层则通过FDM方式进行复用的。第3层和第4层的DMRS位置还有很多选择，搜索所有满足条件的参考信号图样。即在第5和第6个OFDM符号上，第3层和第4层的DMRS共有2种可能位置，即位于左斜线参考信号的上方或下方，分别如图5-6中①和②所示位置；同理，在第11和第12个OFDM符号上，第3层和第4层的DMRS也共有2种可能位置，即位于左斜线参考信号的下方第一行或下方的第二行，分别如图5-6中③和④所示的位置。通过排列组合，总共可以得到四种导频图样，如图3所示。（a）Option1（b）Option2（d）Option4（c）Option3timefrequencytimefrequencytimefrequencytimefrequencyCRSCDMLayer1,2CDMLayer3,4123456789101211123456789101211123456789101211123456789101211图3扩展CPRank3-4的DMRS图样Fig.3DMRSpatternsofRank3-4forextendedCP4.性能仿真及分析本节重点对LTE-A系统扩展CP的下行参考信号设计方案进行评估验证。根据LTE-A系统5MHz带宽情况下的参数设置各模块的仿真参数。系统的子载波总数为300，采样频率为7.68MHz，资源块数为25。调制方式为16QAM。具体的LTE-A系统仿真参数如表1所示。表1扩展CP的仿真参数Table1SimulationparametersoftheextendedCP参数取值信道带宽5MHz资源块数25IFFT/FFT点数512载波频率2GHz天线数4×4信道编码Turbo码调制方式16QAM信道模型ETU，修正的VB终端移动速度3km/h，120km/h信道估计方式2D-Wiener为了评估这四种参考信号图样的性能，我们选择具有高频率选择性的信道来进行评估，而ETU和VB信道模型被一致认为是最能反映扩展CP应用场景的信道模型。但是由于VB信道模型的最后两径时延超出了CP长度，这一点会很大的限制性能改善程度。因此，需要对VB信道模型进行修正，即去掉最后两径，这样修正的VB信道的最大时延扩散就小于CP长度了。即在仿真时采用ETU信道和修正的VB信道，如表2所示。由于Rank3-4主要应用于中低速环境，因此选择3km/h和60km/h作为移动终端的典型速度。表