蔣 青,魏 珊

(重慶郵電大學移動通信技術重慶市重點實驗室,重慶400065)

LTE系統(tǒng)中一種改進的天線端口數(shù)檢測算法*

蔣 青,魏 珊**

(重慶郵電大學移動通信技術重慶市重點實驗室,重慶400065)

在長期演進(LTE)系統(tǒng)中,發(fā)送天線端口數(shù)通過循環(huán)冗余校驗掩碼的方式隱含于物理廣播信道(PBCH)中,終端在解讀PBCH信道獲取主信息塊(MIB)的同時,需要正確檢測PBCH采用的發(fā)送天線端口數(shù)。傳統(tǒng)的檢測方法嘗試分別用1、2、4等3種發(fā)射天線數(shù)進行PBCH譯碼,直至正確譯碼為止,譯碼復雜度非常高?；诖?提出一種改進的天線端口數(shù)估計算法,提取各天線端口傳輸?shù)男^(qū)參考信號序列做相關,通過相關值與相關系數(shù)門限值的比較直接快速獲取基站的實際天線端口數(shù)。仿真結果表明:該算法相較于傳統(tǒng)檢測算法和功率檢測算法在時間復雜度上分別提升了4個數(shù)量級和3倍;在信噪比高于0 dB時,所提檢測算法較功率檢測算法有4～6 dB的增益。

LTE系統(tǒng);天線端口數(shù)檢測;物理廣播信道;參考信號

1 引 言

為了應對移動通信與寬帶無線接入技術融合的趨勢,提高數(shù)據(jù)傳輸速率,3GPP啟動了通用移動通信系統(tǒng)技術的長期演進(Long Term Evolution,LTE)項目。LTE系統(tǒng)具有靈活配置帶寬、峰值速率高、傳輸時延短等重要特點[1]。物理廣播信道(Physical Broadcast Channel,PBCH)解碼是用戶終端(User E-quipment,UE)的一個重要步驟,UE在小區(qū)初始搜索過程中建立與小區(qū)的時頻同步后,需要PBCH獲取小區(qū)的基本公共信息,如下行帶寬、系統(tǒng)幀號等[2]。在LTE系統(tǒng)中,PBCH可以通過單、兩、四天線端口進行發(fā)射[3-4]。天線端口數(shù)信息隱含于PBCH的循環(huán)冗余校驗(Cyclic Redundancy Check, CRC)的掩碼信息里[5],在正確檢測PBCH信道前無法從其CRC的掩碼中得到天線端口數(shù)的信息。傳統(tǒng)的盲檢測算法(以下稱算法1)可能最大經(jīng)歷3次完整的譯碼過程才能完成譯碼,具有很大的計算量。陳發(fā)堂等人[5-6]提出了利用天線端口小區(qū)參考信號的功率來進行天線端口數(shù)估計(以下稱算法2),但是該算法只能在信噪比較大的情況適用,在信噪比較小時,算法性能急劇下降,不能適用于低信噪比環(huán)境。文獻[7]給出了一種利用接收端參考信號序列與本地參考信號序列進行相關和空頻碼塊(Space Frequency Block Code,SFBC)相結合的檢測算法,該算法不僅需要提取接收端參考信號序列還需要產(chǎn)生本地參考信號序列,算法復雜度較高。

針對上述問題,本文提出一種低復雜度且抗噪聲性能更強的天線端口估計算法。該算法根據(jù)參考信號的產(chǎn)生原理,利用不同天線端口上參考信號具有重復性的特點,通過提取各天線端口的參考信號序列做相關運算,比較相關值與仿真預設的相關系數(shù)門限值的大小,即可快速獲得當前基站使用的天線端口數(shù)。

2 小區(qū)參考信號

2.1 小區(qū)參考信號的產(chǎn)生

小區(qū)專用參考信號(Cell Reference Signal,CRS)將在支持非多播/組播單頻網(wǎng)絡(Multimedia Broadcast multicastserviceSingleFrequencyNetwork, MBSFN)傳輸?shù)男^(qū)中的所有下行子幀中傳輸。當子幀用于 MBSFN傳輸時,僅一個子幀的前兩個OFDM符號用于小區(qū)專用參考信號的傳輸。小區(qū)專用參考信號在天線端口0～3中的一個或多個端口上傳輸。小區(qū)專用參考信號僅適用于子載波間隔Δf=15 kHz的情況。參考信號序列rl,ns(m)的產(chǎn)生表達式為

式中:m=0,1,…,2NmRBax,DL-1;ns是一個無線幀中的時隙序號;l是一個時隙中的OFDM符號序號;偽隨機序列c(n)由長度為31的Gold序列產(chǎn)生。長度為MPN的輸出序列c(n)(c=0,1,…,MPN-1)定義為

式中:NC=1 600;第一個m序列初始化為x1(0)=1, x1(n)=0,n=1,2,…,30;第二個 m序列在每個OFDM符號起始處初始化,初始值為

式中:NcIDell為小區(qū)號;NCP的取值與CP類型有關,其值為

由cinit可知在小區(qū)特定參考信號的生成過程中, Gold序列的初始值會隨著時隙號ns和OFDM符號序號l取值的不同而發(fā)生變化。但是,由cinit的表達式可知,不同天線端口在相同的符號上的初始值是相同的,即所產(chǎn)生的Gold序列是相同的,所以相應的參考信號序列rl,ns也應是相同的。

2.2 小區(qū)參考信號的映射

參考信號序列rl,ns(m)在天線口p,時隙ns處映射為復數(shù)調制符號α(k,pl),以公式(5)的映射規(guī)則進行資源粒子(Resource Element,RE)映射:

式中:k和l表示的頻域索引和時域索引如式(6)和式(7)所示:

式(5)中m的取值范圍為0,1,…,2·NDRLB-1, NDL為小區(qū)的系統(tǒng)帶寬,可由PBCH解碼得知。式(5)中的m′由式(8)計算得到:

式中:Nmax,DLRB在LTE系統(tǒng)中固定為110,且對PBCH而言,PBCH占用的頻域資源為小區(qū)頻帶中心的72個子載波,一個資源塊包含12個子載波,因此, PBCH的固定為6。

變量v和vshift定義參考信號在頻域中的映射位置,v值給定如下:

小區(qū)專有頻率偏移vshift可由小區(qū)號NcellID計算得到:

在任何時隙中,用于傳輸某一天線端口參考信號序列的映射位置不能用于傳輸其他天線端口的任何數(shù)據(jù),只能作為預留資源。

圖1給出了按照上述定義的常規(guī)CP時用于參考信號序列傳輸?shù)馁Y源單元示意圖,其中,Rp表示在p天線端口上用于傳輸參考信號序列的資源單元;P=0,1是指用于單天線或兩天線端口的OFDM符號;P=2,3是4天線端口時天線端口2和3所使用的時域符號,在兩天線端口時并不會使用該符號傳輸參考信號序列。

圖1 下行參考信號映射(常規(guī)CP)Fig.1 The mapping of downlink reference signal(conventional CP)

3 天線端口數(shù)估計

算法1的基本流程如圖2所示,由于需要進行完整的PBCH解碼流程才能判斷出天線端口數(shù),復雜度很高,不具有對比性,因此,本節(jié)將算法2與本文提出的算法進行理論分析并仿真對比。對于LTE下行基帶接收信號,用戶終端首先進行小區(qū)搜索,從中可以獲得無線幀的起始位置及CP類型等重要參數(shù),且仿真前已對接收信號進行頻偏校正。本節(jié)主要介紹算法2及本文算法的原理及實現(xiàn)流程。

圖2　傳統(tǒng)檢測算法解碼流程Fig.2 Flow chart of the conventional detection algorithm

3.1 基于功率的天線端口檢測算法(算法2)

該檢測算法利用PBCH資源內按照4天線端口進行預留,從而根據(jù)信號與噪聲的功率來進行天線端口數(shù)檢測。該檢測算法首先利用PBCH所在時隙的輔同步序列(Secondary Synchronization Sequence, SSS)和其保護空載波的功率比值得到近似信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)。SSS由偽隨機碼構成,SSS占用時頻物理資源分布在時域子幀0中的最后一個OFDM符號,頻域頻帶中心的62個子載波,SSS在頻域上預留有10個子載波的保護間隔。在接收時可認為SSS所在頻域為SSS的有效信號,而保護間隔中傳輸?shù)臑樵肼曅盘?即可計算得到相應的SNR。然后根據(jù)得到的SNR確定一個功率比門限值為ρ·SNR,ρ為取值為0～1的相關系數(shù),通常取值0.8或0.75。分別計算提取到的4個參考信號序列r0(s)、r1(s)、r2(s)和r3(s)的功率P0CRS、P1CRS、P2CRS和 P3CRS,然后利用天線端口0對應的小區(qū)參考信號的功率與天線端口2、3對應的小區(qū)參考信號的功率作比值,如下式所示:

由于參考信號的資源位置始終會被預留出來,如式(11)中,當端口2和3上不傳送參考信號時即所傳為噪聲,得出的比值就會很大反之較小,該比值與上述功率比門限值比較,如果小于功率比門限值,則檢測出天線端口數(shù)為4,否則利用天線端口0對應的小區(qū)參考信號的功率與天線端口1對應的小區(qū)參考信號的功率作比值,如下式所示:

用該比值與上述功率比門限值比較,如果小于功率比門限值,則檢測出天線端口為2,否則檢測出天線端口為1,從而完成天線端口數(shù)的檢測。

3.2 基于相關的天線端口檢測算法(本文算法)

針對傳統(tǒng)PBCH天線端口估計算法及功率估計算法存在的缺陷,本文利用不同天線端口的CRS序列具有的重復性,提出一種基于不同天線端口CRS重復特性的天線端口估計算法,該算法不但能夠有效降低運算復雜度,而且在低信噪比情況下也能有較高的檢測成功率。

通過上文對下行小區(qū)參考信號的產(chǎn)生和資源映射的分析,小區(qū)參考信號序列由偽隨機(Pseudo Noise,PN)序列產(chǎn)生,PN序列的長度由LTE系統(tǒng)支持的最大資源塊數(shù)(Resource Block,RB)確定,且偽隨機序列的初始值由時隙號等參數(shù)按照式(3)確定。

對比公式可知在PBCH映射的時頻資源內各天線端口除了時域符號可能不同外,其余的3個參數(shù)均相同。以兩端口為例,在PBCH所占的時頻資源中端口0和端口1對應的偽隨機序列構造參數(shù)均相同。所以,端口0和端口1具有相同的小區(qū)參考信號序列。

由2.2節(jié)中小區(qū)參考信號序列的映射可知,參考信號在端口0和端口1的頻域映射位置由v和vshift確定,根據(jù)式(9)可知端口0與端口1的參考信號起始位置有3個子載波的偏移,因此,可根據(jù)各端口參考信號的映射位置對其分別進行提取。將各端口對應參考信號提取出來后,根據(jù)不同端口參考信號所具有的重復性,計算相應的提取序列間的相關性即可估計出服務基站實際使用的天線端口數(shù)。一般序列的歸一化相關系數(shù)計算公式為

接收端各天線端口的參考信號序列為復數(shù)序列,需要對上述公式進行變化,變換后的歸一化相關系數(shù)計算公式如式(14)所示:

該檢測算法首先需要根據(jù)信噪比等條件進行仿真,設置天線端口參考信號序列的相關系數(shù)門限值T1,T1的取值為0～1之間的正數(shù),經(jīng)過仿真測試,該值的取值一般可在0.6～0.9之間,可根據(jù)基站信號的信噪比適當選擇。

分別提取4個端口對應的參考信號序列r0(s)、r1(s)、r2(s)和r3(s),然后計算端口2與端口3參考信號的歸一化相關系數(shù):

如果peak14Tx大于門限值T1,則將天線端口數(shù)判決為4,否則計算天線端口0與天線端口1的相關系數(shù)。天線端口0與天線端口1的相關系數(shù)如下式所示:

如果peak12Tx大于門限值T1,則將天線端口數(shù)判決為2,否則將天線端口數(shù)判決為1,其處理流程如圖3所示。

圖3 基于CRS相關的天線端口檢測流程Fig.3 Flow chart of the CRS correlative algorithm

4 性能仿真及分析

由于天線端口檢測是在用戶進行小區(qū)搜索之后的過程,在實際環(huán)境中天線端口數(shù)據(jù)檢測算法的測試數(shù)據(jù)會受到小區(qū)搜索算法性能的影響,為排除小區(qū)搜索步驟對天線端口檢測算法的影響,本文仿真中不考慮小區(qū)搜索中多徑所帶來的影響。本節(jié)首先對本文算法在不同天線端口配置下的成功率進行仿真分析,然后在不同信噪比及不同殘留頻偏情況下對本文算法和功率檢測算法進行仿真對比,最后分析了3種算法的時間復雜度。

4.1 本文算法在不同天線端口配置的對比

首先對本文給出的基于CRS重復性的天線端口數(shù)檢測算法的性能進行仿真測試,仿真條件:頻域使用6RB(72個子載波),時域使用一個子幀(常規(guī)CP,對應14個OFDM符號);小區(qū)號為1;天線端口數(shù)分別為1、2和4。仿真測試不同信噪比下不同天線端口配置的檢測成功率。根據(jù)仿真統(tǒng)計和實際的系統(tǒng)環(huán)境,仿真中T1設置為0.65,仿真2 000次,得到3種天線端口情況下的對比如圖4所示。

圖4　不同天線配置下檢測成功率對比Fig.4 Comparison of detection success rates with different number of antenna ports

從圖中可以看出,本文給出的檢測算法對于3種天線端口情況存在不同的檢測成功率,對單端口情況,在仿真的各種信噪比下都有極高的檢測成功率;對兩端口情況,在信噪比低于0 dB時算法的檢測成功率急劇下降;而對四天線端口情況檢測成功率在信噪比低于2 dB時就急速下降。在信噪比大于4 dB時,本文給出的檢測成功率對3種天線端口配置情況的檢測成功率在0.99以上。

4.2 不同信噪比時兩種檢測算法的對比

使用2發(fā)1收的MIMO-OFDM系統(tǒng),分別仿真不同信噪比的高斯白噪聲對兩種天線端口檢測算法的影響。根據(jù)仿真統(tǒng)計和實際的系統(tǒng)環(huán)境,功率檢測算法中ρ在仿真中設置為0.75,本文檢測算法中T1設置為0.65,仿真2 000次,兩種檢測算法的對比如圖5所示。

圖5　兩天線時兩種檢測算法的成功率對比Fig.5 Comparison of detection success rates between two detection algorithms

從圖中可知,在信噪比大于6 dB時,兩種解碼算法均能夠有效檢測天線端口數(shù);在信噪比低于-4 dB時,兩種檢測算法的成功率均下降到0.6以下;信噪比在0～6 dB時本文檢測算法較功率檢測算法有更高的檢測成功率,且更穩(wěn)定。信噪比為0 dB時本文算法的檢測成功率為0.989,而功率檢測算法的檢測成功率為0.885。在信噪比高于0 dB時,本文檢測算法較功率檢測算法有4～6 dB的增益。

4.3 殘留頻偏下兩種檢測算法的對比

使用2發(fā)1收的MIMO-OFDM系統(tǒng),分別仿真在殘留頻偏及信噪比情況對兩種天線端口檢測算法的影響。根據(jù)仿真統(tǒng)計和實際的系統(tǒng)環(huán)境,殘留頻偏分別取值50 Hz、300 Hz和1 kHz,功率檢測算法中ρ在仿真中設置為0.75,本文檢測算法中T1設置為0.65,仿真2 000次,兩種檢測算法的對比如圖6所示。

圖6 兩天線殘留頻偏時兩種檢測算法的成功率對比Fig.6 Comparison of detection success rates between two detection algorithms with different frequency offsets

從圖6可以看到,在頻偏從50 Hz～1 kHz范圍內變動時,兩種天線端口檢測算法的檢測成功率沒有較大改變,并且與圖6中的檢測成功率基本一致。通過該仿真可以證實,兩種天線端口檢測算法都具有較好的抗頻偏性,在小區(qū)搜索可能存在殘留頻偏的情況下均能夠有效的檢測天線端口數(shù)。

4.4 算法時間性能對比

在理想情況下,對3種算法的天線端口數(shù)估計算法的運行時間做估計,仿真中采用4端口,傳統(tǒng)端口檢測算法按照端口數(shù)為1、2、4依次進行PBCH解碼測試,直到第三次解碼才能CRC校驗正確?，F(xiàn)將3種PBCH解碼算法中PBCH信道解碼算法的總時間和天線端口數(shù)估計模塊的運行時間作對比,如表1所列。

表1　3種算法的仿真時間Tab.1 Simulation time of three algorithms

從表中可以看出,本文算法和功率檢測算法在做PBCH譯碼模塊所消耗的時間比傳統(tǒng)算法少,并且本文算法在天線端口檢測模塊所消耗的時間遠小于傳統(tǒng)算法和功率檢測算法。

5 結束語

MIMO技術作為LTE系統(tǒng)中兩大關鍵技術之一,使得天線端口數(shù)估計在LTE系統(tǒng)中有著重要的作用。對其進行詳細研究并進行改進,具有很大的現(xiàn)實價值。

本文通過對LTE天線端口估計算法的研究,提出了一種基于不同天線端口參考信號序列重復性的檢測算法,可有效實現(xiàn)對天線端口數(shù)的檢測,具有良好的抗噪聲性能以及較低的運算復雜度。通過理論分析和仿真結果可知,在不同的信噪比下,本文給出的檢測算法在不同天線端口配置中具有不同的檢測成功率。信噪比高于2 dB時,能夠很好檢測出各種天線端口配置。對比本文算法與功率檢測算法可知本文算法在信噪比高于0 dB時有很好的檢測成功率,算法運行時間也有較大提升,驗證了該算法的可行性,具有重要的工程應用價值,目前已成功運用在實際項目中。根據(jù)當前信噪比環(huán)境,進一步優(yōu)化檢測門限值設置算法,是下一步需要研究的問題。

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蔣 青(1965—),女,重慶人,2007年于重慶郵電大學獲碩士學位,現(xiàn)為教授,主要研究方向為寬帶網(wǎng)絡技術和信息理論;

JIANG Qing was born in Chongqing,in 1965. She received the M.S.degree from Chongqing U-niversity of Posts and Telecommunications in 2007. She is now a professor.Her research concerns broadband network technology and information theory.

魏 珊(1993—),女,重慶人,碩士研究生,主要研究方向為信號檢測與估計。

WEI Shan was born in Chongqing,in 1993.She is now a graduate student.Her research concerns signal processing and detection.

Email:1033764762@qq.com

An Improved Antenna Port Number Detection Algorithm for LTE System

JIANG Qing,WEI Shan
(Chongqing Key Laboratory of Mobile Communications Technology,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

In the long term evolution(LTE)system,the number of antenna ports is implied in physical broadcast channel(PBCH)by cyclic redundancy check mask(CRC mask).When the terminal obtains master information block(MIB),it also needs to correctly detect the number of transmit antenna ports that PBCH uses.But original detection method tries to decode PBCH respectively with 1,2 or 4 antennas until decoding correctly,which has high complexity.So an improved algorithm for antenna port number detection is proposed which extracts the cell reference signal(CRS)in different antenna ports to perform correlation calculation and then get the actual antenna port number of base station by comparing the correlation value with the relevant threshold.Simulation results show that this method,on the time complexity,raises four orders of magnitude and three times respectively compared with the traditional detection algorithm and the power detection algorithm,and has 4～6 dB gain when compared with the power detection algorithm at 0 dB signal-to-noise ratio(SNR)above.

LTE system;antenna port number detection;physical broadcast channel(PBCH);reference signal

The National Natural Science Foundation of China(No.61301126);The Fundamental and Frontier Research Project of Chongqing(cstc2013jcyjA40032);Dr.Start-up Foundation of Chongqing University of Posts and Telecommunications (A2012-33);Young Science Research Program of Chongqing University of Posts and Telecommunications(A2013-31)

**通信作者:1033764762@qq.com 1033764762@qq.com

TN911.23

A

1001-893X(2016)11-1229-06

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.11.009

2016-03-17;

2016-05-10

date:2016-03-17;Revised date:2016-05-10

國家自然科學基金資助項目(61301126);重慶市基礎與前沿研究計劃項目(cstc2013jcyjA40032);重慶郵電大學博士啟動

A2012-33);重慶郵電大學青年科學研究項目(A2013-31)

引用格式:蔣青,魏珊.LTE系統(tǒng)中一種改進的天線端口數(shù)檢測算法[J].電訊技術,2016,56(11):1229-1234.[JIANG Qing,WEI Shan.An improved antenna port number detection algorithm for LTE system[J].Telecommunication Engineering,2016,56(11):1229-1234.]