李小文，穆朋飛

(重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶400065)

基于LTE-A系統(tǒng)下行雙碼字解調(diào)的算法設(shè)計(jì)

李小文，穆朋飛

(重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶400065)

為了進(jìn)一步提升下行通信的傳輸能力，提高有限資源的利用率，LTE-A系統(tǒng)在發(fā)送端給出采用專用導(dǎo)頻端口的8層數(shù)據(jù)的映射方案。在LTE-A系統(tǒng)使用雙碼字和8層映射的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種利用專用導(dǎo)頻信息對(duì)雙碼字?jǐn)?shù)據(jù)的解調(diào)算法，并通過仿真畫出了LTE-A利用此算法解調(diào)數(shù)據(jù)的誤碼率。仿真結(jié)果表明，在無線環(huán)境較優(yōu)時(shí)，利用此算法能夠很好地控制誤比特率(約為0.1)，并證實(shí)了利用該算法解調(diào)數(shù)據(jù)的可靠性和實(shí)用性。

LTE-A;專用導(dǎo)頻;雙碼字;設(shè)計(jì)算法

LTE-A系統(tǒng)(標(biāo)準(zhǔn)的4G技術(shù))作為L(zhǎng)TE系統(tǒng)的演進(jìn)，使用了更多的專用天線端口傳輸數(shù)據(jù)，以提高整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量和傳輸效率。傳統(tǒng)的LTE系統(tǒng)最多使用2個(gè)專用天線端口，即天線端口7和天線端口8［1］，傳輸數(shù)據(jù)量十分有限。對(duì)應(yīng)的專用數(shù)據(jù)解調(diào)方法也較為簡(jiǎn)單，使用LS算法、最小均方誤差算法［2］在接收端都可以準(zhǔn)確的恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。然而，LTE-A系統(tǒng)最多支持8個(gè)專用天線端口(端口7～14)，天線端口數(shù)目的增加必然會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)解調(diào)的復(fù)雜度增大。此外，由于無線信道的不確定性和復(fù)雜性，在接收端必然會(huì)導(dǎo)致8個(gè)專用天線端口的數(shù)據(jù)相互疊加，傳統(tǒng)的解調(diào)方法已經(jīng)不能準(zhǔn)確地恢復(fù)每個(gè)專用端口的原始數(shù)據(jù)。因此，需要設(shè)計(jì)一種合理的算法對(duì)經(jīng)過無線信道的數(shù)據(jù)解調(diào)，無失真地區(qū)分出各個(gè)端口的數(shù)據(jù)，保證通信的順利進(jìn)行，滿足現(xiàn)代通信高速率的要求。

1 LTE-A發(fā)送端鏈路

1.1 八天線下的LTE-A端口

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)端而言，當(dāng)LTE-A系統(tǒng)配置傳輸模式9時(shí)，下行發(fā)送采用雙碼字8個(gè)天線端口承載數(shù)據(jù)，第一個(gè)碼字映射4層，對(duì)應(yīng)天線端口7～10，第二個(gè)碼字同樣映射4層，對(duì)應(yīng)端口11～14，如圖1所示。

圖1 八天線端口分布圖

圖1為八天線端口的分布圖，每個(gè)天線和一個(gè)端口對(duì)應(yīng)，每個(gè)碼字用4個(gè)天線端口承載。雙碼字映射到天線端口需要跳過終端專用參考信號(hào)(UE-specific reference signals，UE-RS)，為了保證接收端能夠分辨出每個(gè)端口的數(shù)據(jù)，LTE-A系統(tǒng)的專用參考信號(hào)設(shè)計(jì)采用了碼分復(fù)用(CDM)和頻分復(fù)用(FDM)技術(shù)［3］，如圖2所示。

圖2 專用參考信號(hào)分布圖

圖2顯示了LTE-A系統(tǒng)普通下行子幀一個(gè)資源塊中所有天線端口專用參考信號(hào)的分布情況，每個(gè)方塊代表一個(gè)時(shí)頻資源。集合內(nèi)(集合1或集合2)的天線端口是利用CDM技術(shù)區(qū)分，賦予每個(gè)端口不同的正交碼，而集合之間采用FDM技術(shù)，不同集合(集合1和集合2間)占用不同的頻段，保證集合間、端口間都是可分辨的，進(jìn)而在接收端可以利用相應(yīng)的算法將每個(gè)端口分離。

1.2 八天線下的數(shù)據(jù)處理

發(fā)射端的兩個(gè)數(shù)據(jù)流(雙碼字)經(jīng)過各自獨(dú)立的CRC(循環(huán)校驗(yàn)碼)添加、信道編碼、加擾、調(diào)制之后要和3個(gè)天線端口對(duì)應(yīng)，因此需要對(duì)兩個(gè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行層映射，兩個(gè)碼字均分為4層。其中一個(gè)碼字每層的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下

式中:x(k)(i)表示每層的數(shù)據(jù)，k代表層號(hào);d表示原始的數(shù)據(jù)流;i表示數(shù)據(jù)編號(hào)。兩個(gè)碼字經(jīng)過層映射后形成了一個(gè)8行的矩陣，將每行的數(shù)據(jù)矩陣映射到天線端口7到天線端口14中，并和每個(gè)端口專用導(dǎo)頻構(gòu)成一個(gè)8行矩陣，X=［x(0)(i)，x(1)(i)，x(2)(i)，x(3)(i)，x(4)(i)，x(5)(i)，x(6)(i)，x(7)(i)］T。為了讓天線端口和實(shí)際的物理天線對(duì)應(yīng)，使接收端更好地濾波，需要對(duì)端口進(jìn)行預(yù)編碼處理。由于使用專用導(dǎo)頻，因此導(dǎo)頻要和數(shù)據(jù)一起進(jìn)行預(yù)編碼。預(yù)編碼矩陣可以從碼本中［4］查出，也可以是基于非碼本的。

對(duì)于雙碼字8根發(fā)送天線的情況，預(yù)編碼矩陣W的維數(shù)是8×8，預(yù)編碼后形成的矩陣為Y=［y(0)(i)，y(1)(i)，y(2)(i)，y(3)(i)，y(4)(i)，y(5)(i)，y(6)(i)，y(7)(i)］T，預(yù)編碼矩陣和兩個(gè)數(shù)據(jù)流相乘具體表示為Y=W×X= W×［x(0)(i)，x(1)(i)，x(2)(i)，x(3)(i)，x(4)(i)，x(5)(i)，x(6)(i)，x(7)(i)］T。經(jīng)過預(yù)編碼后每個(gè)天線上都映射了數(shù)據(jù)，最后對(duì)各個(gè)天線端口數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉反變換，添加循環(huán)前綴(Cyclic Prefix，CP)，再上變頻發(fā)送出去。

2 雙碼字解調(diào)算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 信道的矩陣表示

通過物理天線發(fā)出的雙碼字?jǐn)?shù)據(jù)流，占用了一定的頻率和時(shí)間。假設(shè)無線信道的矩陣表示是H，由于發(fā)送端是采用8×8的矩陣維數(shù)，H的維數(shù)也是8×8。假設(shè)噪聲的矩陣表示是N，接收端經(jīng)過下變頻、去CP和傅里葉變換，接收到信號(hào)R的表達(dá)式為

由于是加性噪聲，噪聲和信號(hào)保持正交性。在信噪比較高的情況下，噪聲N的影響并不顯著。因此可以近似的令M=H×W作為信道的矩陣表示，維數(shù)為8×8，如式(3)所示。

接收端要準(zhǔn)確的解調(diào)出8個(gè)專用端口的數(shù)據(jù)，就要估計(jì)出信道的矩陣表示M。由于下行采用雙碼字，產(chǎn)生了8×8維矩陣，導(dǎo)致在接收端的解調(diào)具有一定困難。

2.2 解調(diào)算法的設(shè)計(jì)原理

由于外界環(huán)境的干擾，導(dǎo)致無線信道特征十分復(fù)雜，必須用一些特定的參考信號(hào)對(duì)信道矩陣進(jìn)行相應(yīng)的估計(jì)，進(jìn)而解調(diào)數(shù)據(jù)。

前文提到的專用導(dǎo)頻，就是用來實(shí)現(xiàn)該算法的重要元素。八天線端口數(shù)據(jù)經(jīng)過無線信道后，由接收天線一起接收，其中每一根接收天線將會(huì)接收到來自8根發(fā)送天線疊加的信息。專用導(dǎo)頻也將會(huì)重疊到每一個(gè)接收天線，如圖3所示。

圖3 八天線下的發(fā)送接收?qǐng)D

圖3表示了一個(gè)接收天線端口接收八個(gè)發(fā)送天線端口數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)化圖，其中只描述了發(fā)送和接收一個(gè)OFDM符號(hào)部分頻率位置的情況。圖中帶有花紋的位置即為專用導(dǎo)頻的位置，空白處則為實(shí)際發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)頻位置，編號(hào)為“0”的資源即為不同集合端口之間同一頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的專用導(dǎo)頻位置，為避免干擾，應(yīng)留空。A，B，C，D，E，F(xiàn)處表示接收端接收到發(fā)送端疊加的專用導(dǎo)頻的位置。

信道估計(jì)需要首先估計(jì)出專用導(dǎo)頻位置的信道矩陣表示，通過導(dǎo)頻位置根據(jù)相應(yīng)的原理(如插值算法)推算出數(shù)據(jù)位置的信道矩陣，從而得出整個(gè)信道矩陣M。

設(shè)矩陣Wij是第j個(gè)天線發(fā)送，第i個(gè)天線接收的天線端口矩陣，不同于前文的空間信道矩陣M，Wij的維數(shù)與LTE-A系統(tǒng)的帶寬(時(shí)頻點(diǎn)數(shù)p)有關(guān)。記A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率位置為a，第k個(gè)發(fā)送天線端口對(duì)應(yīng)的專用導(dǎo)頻為rk，在信噪比較大的情況下，A點(diǎn)的導(dǎo)頻信號(hào)RA(a)如式(4)。其中，頻域接收的導(dǎo)頻信號(hào)來自8個(gè)發(fā)送端口和無線信道的乘積。

LTE-A系統(tǒng)有4個(gè)OFDM符號(hào)在相同天線端口的同一頻帶發(fā)送導(dǎo)頻信息，見圖2。同樣和A點(diǎn)類似，可以得出其他頻點(diǎn)a1，a2，a3在同一頻帶接收的疊加專用導(dǎo)頻信號(hào)如下

對(duì)于A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻帶，端口7，8，11，13(第1.1節(jié)中提到的集合1)對(duì)應(yīng)的導(dǎo)頻信號(hào)為0。式(4)、式(5)可以簡(jiǎn)化成

在式(6)中，頻點(diǎn)a，a1，a2，a3存在于同一頻帶，在LTE-A系統(tǒng)中一個(gè)子幀的持續(xù)時(shí)間很小，可以近似地認(rèn)為同一個(gè)天線端口同一頻帶的頻率響應(yīng)［5］是平坦的，如式(7)所示

專用導(dǎo)頻信號(hào)(式(8)等號(hào)左邊的矩陣元素)在不同集合內(nèi)是采用碼分復(fù)用技術(shù)正交，通過查端口正交表［6］可以得出

式中:數(shù)字矩陣即為查正交表得出的碼分復(fù)用正交矩陣;r(a)，r(a1)，r(a2)，r(a3)是對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)產(chǎn)生的歸一化的專用導(dǎo)頻信號(hào)，為已知參數(shù)。將式(7)、式(8)代入式(6)得出

通過解式(9)，可以得出在專用導(dǎo)頻位置即頻點(diǎn)a的頻率響應(yīng)W13(a)，W14(a)，W16(a)，W18(a)。利用同樣的方法，解出所有天線端口專用導(dǎo)頻位置的頻率響應(yīng)。最后，使用時(shí)域和頻域插值算法［7］將各個(gè)天線端口矩陣估計(jì)出來，如式(10)所示:

假設(shè)Dj(p)為第j個(gè)天線端口第p個(gè)頻點(diǎn)的發(fā)送數(shù)據(jù)，Ri(p)為第i個(gè)接收天線第p個(gè)頻點(diǎn)的接收數(shù)據(jù)。由天線的疊加性可得

根據(jù)式(11)，可最終推出在第p個(gè)頻點(diǎn)的信道矩陣M，完成對(duì)各個(gè)天線端口第p頻點(diǎn)的解調(diào)。信道矩陣M的表達(dá)式如下

通過上面設(shè)計(jì)的解調(diào)算法，可以算出每個(gè)頻點(diǎn)的信道矩陣M，根據(jù)信道矩陣即可較為準(zhǔn)確的恢復(fù)出8個(gè)天線發(fā)送的原始數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙碼字的正確解調(diào)。

2.3 性能仿真

根據(jù)設(shè)計(jì)算法，搭建出LTE-A系統(tǒng)的下行鏈路，仿真條件如表1所示。

在傳輸模式9的情況下，網(wǎng)絡(luò)端發(fā)送雙碼字并采用八天線端口，無線信道環(huán)境采用ETU(城市環(huán)境)、EVA (車輛環(huán)境)和EPA(步行環(huán)境)，利用設(shè)計(jì)出的算法進(jìn)行解調(diào)并使用軟球形譯碼方案，最終得到了信噪比和誤碼率之間的仿真圖，仿真結(jié)果如圖4。

表1 下行鏈路仿真條件

圖4 各環(huán)境的誤比特率仿真

如圖4所示，在不同的仿真環(huán)境下，信噪比小于0 dB時(shí)，噪聲影響顯著，利用設(shè)計(jì)出的算法誤比特率較高，約為0.5。在信噪比逐漸增加的情況下，誤比特率并沒有明顯的改善。信噪比大于0 dB時(shí)，系統(tǒng)的誤比特率隨信噪比的增加明顯降低，最終穩(wěn)定在0.1～0.2附近，基本滿足通信要求。信噪比越高，該解調(diào)算法越趨于穩(wěn)定。仿真結(jié)果表明在無線環(huán)境比較好時(shí)，采用該算法可以比較準(zhǔn)確的恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)，從而證實(shí)了該算法的適用性和可行性。

3 結(jié)論

本文從實(shí)際出發(fā)，闡述了LTE-A系統(tǒng)雙碼字的發(fā)送流程，根據(jù)接收端的端口疊加原理，提出了一種利用專用導(dǎo)頻信號(hào)對(duì)雙碼字八天線發(fā)送情況下解調(diào)算法的設(shè)計(jì)方案，通過仿真證明了其可行性和適用性。該解調(diào)方案在信號(hào)功率比噪聲功率大、環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的情況下性能較優(yōu)。目前該算法已經(jīng)應(yīng)用在LTE-A系統(tǒng)的搭建中，并在做進(jìn)一步的優(yōu)化。

［1］3GPP TS 36.211 v9.1.0，3rd generation partnership project;technical specification group radio access network;evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA);physical channels and modulation(release 9)［S］.2010.

［2］KHANM N I，ALAM M J.Noise reduction algorithm for LS channel estimation in OFDM system［J］.Computer and Information Technology，2012(12):310-315.

［3］CHAIMAN L，TAESANG Y，CLERCKX B，etal.Recent trend ofmultiuser MIMO in LTE-advanced［J］.IEEE Communications Magazine，2013，51(3):127-128.

［4］沈嘉，索士強(qiáng)，全海洋，等.3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

［5］ALGANSA，PEDERSEN K I，MOGENSEN P E.Experimental analysis of the joint statistical properties of azimuth spread，delay spread，and shadow fading［J］.IEEE Journal on Communications，2002，20(3):523-531.

［6］3GPP TS 36.211 v10.6.0，3rd generation partnership project;technical specification group radio access network;evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA);physical channels andmodulation(release 10)［S］.2012.

［7］高群毅，肖立民，周世東，等.OFDM系統(tǒng)中一種信道估計(jì)頻域插值算法［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，46(10):1715-1718.

Algorithm Design Based on Downlink Dual Codeword Demodulation for LTE-A System

LIXiaowen，MU Pengfei
(School of Communication and Information Engineering，Chongqing University of Postsand Telecommunications，Chongqing 400065，China)

In order to further increase the transmission capacity of the downlink communication，improve the utilization of limited resources，a8-layers datamapping scheme is given in LTE-A system which using the dedicated pilots in transmission-side.On the basis of dual codeword and 8-layers mapping in LTE-A system，a demodulation algorithm to dual code word with the information on the use of dedicated pilots is designed in this paper.What ismore，the simulation of bit error rate by using this demodulation algorithm is depicted.The system can control the bit error rate effectively (about0.1)when the wireless environment is better.As well the effectiveness and practicality of using the design algorithms to demodulate data is confirmed by the simulation results.

LTE-A;dedicated pilot;dual codeword;design algorithm

TN929.5

A

?? 薇

2014-04-04

【本文獻(xiàn)信息】李小文，穆朋飛.基于LTE-A系統(tǒng)下行雙碼字解調(diào)的算法設(shè)計(jì)［J］.電視技術(shù)，2014，38(23).

國家科技重大專項(xiàng)(2012ZX03001009-004)

李小文(1955—)，教授，碩士生導(dǎo)師，主研移動(dòng)通信、TD-LTE系統(tǒng)開發(fā)研究;

穆朋飛(1990—)，碩士研究生，主研TD-LTE物理層算法研究。