1、LTE-A系統擴展CP解調用參考信號設計摘要： 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解調的參考信號（Demodulation Reference Signal，DMRS）。本文重點研究LTE-A系統擴展應用場景下行鏈路Rank 3-4的DMRS設計方案，根據給出的擴展CP參考信號設計原則和以確定的技術方案，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的性能。關鍵詞：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技術的后續演進，其目的是為滿足未來幾年內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增強技術中包括下行更高階MIMO3，最高支持8層數據傳輸，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解調的參考信號（DMRS）；另一種是用于信道狀態信息（Channel State Information，CSI）的參考信號（CSI-RS）。根據應用場景的不同（無線信道不同的時延擴展），LTE-A系統支持兩種CP的系統配置，即常規CP和擴展CP，它們的長度分別約為4.7和16.7。常規CP主要用于單播業務，而擴展CP方案用于支持LTE-A大范圍小區覆蓋和多小區廣播業務。擴展

4、CP性能優化的重點應該放在低rank（如rank1-2）情況。但是，ECP是小區專用行為，而不是終端專用行為，這也就意味著在適當的信道環境下，一些終端還是可能進行高秩傳輸的。高秩情況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最終選定交錯結構作為擴展CP Rank 1-2的DMRS圖樣9。但是，針對LTE-A系統Rank3-4擴展CP的具體DMRS方案還沒有確定10。本文著重對LTE-A系統擴展CP應用場景下行鏈路Rank 3-4的DMRS設計方案進行研究。首先給出了LTE-A系統擴展CP參考信號的設計原則，然后針對擴展CP的特點重點研究了Rank 3-4的DMRS設計方案，并通過仿真比較了不同DMRS圖樣的性能，最后給出結論。2. LTE-A系統擴展CP的參考信號設計原則常規CP主要用于單播業務，而擴展CP方案用于支持

6、LTE-A大范圍小區覆蓋和多小區廣播業務。因為廣播業務的信道時延較大，為了限制信道時延在CP范圍內，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CP的特性，因此有必要針對擴展CP進行新的參考設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圖樣設計時需要考慮下面的設計原則：（1）DMRS開銷：在常規CP研究中就已經發現不同的DMRS開銷對系統性能影響很大。在低秩情況下，采用比常規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據速率。（2）一致性：目前常規CP的DMRS圖案已經優先于擴展CP設計完成。因此，應該盡可能中用常規CP的DM-RS設計原則，如最大兩個CDM組，FDM+CDM等。（3）應用場景：擴展CP性能優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是小區專用行為，而不是終端專用行為，這也就意味著在適當的信道環境下，一些終端還是可能進行高秩傳輸的。因此，擴展CP的DM-RS 圖樣設計需要支持所有rank。（4）DwPTS設計：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的設計復雜度盡可能低。而且，在TDD模式下，一個無線幀內的DwPTS比率會隨著不同的TDD配置而變化，這也就意味著DwPTS對整個系統的性能影響是不同的。因此，所有的DwPTS配置情況需采用統一的圖樣，同時DwPTS和常規子幀支持同樣的最大層數。在進行DwPTS設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的所需開銷，需要研究秩獨立的圖樣。（6）兼容性：在進行擴展CP設計時，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的參考信號設計在LTE-A系統中，針對擴展CP Rank 3-4的參考信號設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系統的基帶系統模型Fig.1 Baseband model of LTE-A system首先構建LTE-A系統的基帶系統模型，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、調制、層映射、預編碼、參考符號設計以及資源映射和OFDM信號生成的過程。在接收端進行相反的操作過程。數據的相干檢測和譯碼都需要預先知道收發天線間的信道信息，因

10、此信道估計成為LTE-A系統的關鍵技術之一。對于LTE-A系統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。當給定接收數據和發送的導頻符號，導頻子載波處的信道頻率響應用LS算法估計可得： (1)假設是一個維納濾波器，共有個抽頭。現在希望設計該濾波器，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)設計最優濾波器。由可得最優濾波器為： (3)式中是數據與導頻子載波間的互相關矩陣，其中表示第個數據子載波和第個導頻子載波間的相關系數。是導頻子載波間的自相關矩陣，且其中元素表示第個和第個導頻子載波間的相關系數。最優維納濾波的輸出結果為： (

11、4)式中，是AWGN信道的噪聲方差。3.2擴展CP Rank3-4的參考信號設計本節重點對LTE-A系統擴展CP應用場景下行鏈路Rank 3-4的DMRS設計方案進行研究。首先以LTE-A系統的一個子幀為單位，根據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生信道的最小MSE結果得到最優的參考信號圖樣，并通過BLER曲線進行確認。首先，根據參考信號開銷、參考信號復用方式和后向兼容性確定設計準則，擴展CP Rank 3-4參考信號設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。在進行設計時，還需要以常規CP的設計方法作為參考。（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的統一的信道估計器，從而控制小區內干擾。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或層4的參考信號。其次，確定所有滿足條件的參考信號圖樣。為了實現對Rank 1-2的后向兼容性，擴展CP Rank 3-4的參考信號設計需要以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RE上應用OCC實現CDM復用。為了保持與常規CP設計原則的一致性，第3層和第4層的DM-RS也在時域兩個連續RE上應用OCC實現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重點對LTE-A系統擴展CP的下行參考信號設計方案進行評估驗證。根據LTE-A系統5MHz帶寬情況下的參數設置各模塊的仿真參數。系統的子載波總數為300

15、，采樣頻率為7.68MHz，資源塊數為25。調制方式為16QAM。具體的LTE-A系統仿真參數如表1所示。表1 擴展CP的仿真參數Table 1 Simulation parameters of the extended CP參數取值信道帶寬5MHz資源塊數25IFFT/FFT點數512載波頻率2GHz天線數4×4信道編碼Turbo碼調制方式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；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圖樣具有最優的MSE性能，即本文設計的針

19、對擴展CP Rank3-4的最優參考信號圖樣。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根據上述MSE的仿真結果，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性能結論一致。因此證明了所提出導頻設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. 結論 本文給出了LTE-A系統擴展CP下行參考信號的設計原則，并針對LTE-A系統信道估計算法進行了研究。本文重點根據設計原則和3GPP對擴展CP參考信號設計已確定的技術方案，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的性能。總之，擴展CP參考信號方案對LTE-A系統性能有很大影響，擴展CP Rank 5-8的參考信號設計、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