王美樂,張治中,王光亞

(1.重慶郵電大學(xué) 通信網(wǎng)與測試技術(shù)重點實驗室,重慶 400065; 2.重慶重郵匯測通信技術(shù)有限公司,重慶 401121)(*通信作者電子郵箱 wangmeile1993@163.com)

0 引言

根據(jù)中國信息通信研究院最新公布的數(shù)據(jù)顯示:2016年全球活躍4G網(wǎng)絡(luò)達(dá)428個,用戶突破10億,預(yù)計2020年4G網(wǎng)絡(luò)市場份額將占移動網(wǎng)絡(luò)的72%[1];截至2017年9月,移動寬帶用戶(3G/4G)占比達(dá)78.1%,每月4G手機(jī)出貨量占比基本高于90%[2]?？梢钥闯?由于4G的新架構(gòu)設(shè)計和較好的向后兼容性,已經(jīng)使其在全球范圍內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用并成為有史以來發(fā)展最快的網(wǎng)絡(luò)[3]。

鑒于增強(qiáng)型長期演進(jìn)(Long Term Evolution-Advanced, LTE-A)網(wǎng)絡(luò)中改變了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及新增了無線通信新技術(shù),需要有新型的無線網(wǎng)絡(luò)分析和優(yōu)化的儀器儀表來滿足當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)測試需求[4]。目前,美國和日本均研發(fā)出了相關(guān)的長期演進(jìn)(Long Term Evolution,LTE)空口監(jiān)測儀器并得到了成熟的應(yīng)用,但是國內(nèi)在空口測試儀方面并沒有成熟的產(chǎn)品。雖然福祿克和信而泰兩家公司均研發(fā)出了網(wǎng)絡(luò)測試儀,但是只能針對特定的終端測試和解決網(wǎng)絡(luò)連通性問題。因此LTE-A空口監(jiān)測分析儀的產(chǎn)生,使國內(nèi)高端儀表匱乏的狀況得到緩解。相對于美國和日本研制的LTE空口監(jiān)測儀器,該分析儀降低了操作復(fù)雜度,減少了設(shè)備的體積并降低了功耗,使其具有非常高的商業(yè)價值。對國內(nèi)儀器儀表的發(fā)展來說,該分析儀基于標(biāo)準(zhǔn)化的空口協(xié)議解析,不會受限于特定的終端,因此對國內(nèi)測試儀表的發(fā)展具有明顯的推動作用。LTE-A空口監(jiān)測分析儀傳輸模式支持單天線端口0模式、發(fā)射分集模式、單流波束賦形模式以及雙流波束賦形模式,滿足當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)測試需求[5]。

在LTE-A空口監(jiān)測分析儀中,物理下行共享信道(Physical Downlink Shared CHannel,PDSCH)解資源映射為LTE-A空口監(jiān)測分析儀提供物理層支持,同時為監(jiān)測儀發(fā)揮準(zhǔn)確和可靠的監(jiān)測功能提供基本的前提。近年來,也有相當(dāng)一部分的研究人員對此進(jìn)行研究:楊博雄等[5]在其研究中分析了應(yīng)用頻分雙工(Frequency Division Duplexing,FDD)的LTE無線通信系統(tǒng)中多輸入多輸出系統(tǒng)(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)的下行傳輸模式,但是傳輸模式只研究了三種,而隨著通信行業(yè)的發(fā)展,下行鏈路中的傳輸模式已經(jīng)超過十種;許超等[6]給出了應(yīng)用時分雙工(Time Division Duplexing,TDD)的LTE下行五個物理信道以及同步信號和參考信號兩個信號解資源映射的算法,但只是按照傳統(tǒng)的算法進(jìn)行分析和仿真,并沒有在基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn);王曉龍等[7]詳細(xì)介紹了PDSCH信道的三種資源分配方式,并分析其優(yōu)缺點,但是分析的也只是傳統(tǒng)的資源分配方式。

本文結(jié)合了傳輸模式與PDSCH信道的三種資源分配,研究四種經(jīng)典傳輸模式下PDSCH解資源映射的方法,并且針對傳統(tǒng)解資源映射的架構(gòu)提出改進(jìn),改進(jìn)后的解資源映射模塊已經(jīng)應(yīng)用到LTE-A空口監(jiān)測分析儀中,驗證了該模塊的可靠性。

1 解資源映射整體結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的PDSCH解資源映射時,需要扣除物理層廣播信道(Physical Broadcast CHannel,PBCH)等其他信號和信道占用的資源元素(Resource Element,RE),但該RE資源往往是在PDSCH解資源映射前已經(jīng)計算過一次的,這樣做往往會重復(fù)計算信號和信道占用的RE位置。因此在本文設(shè)計的解資源映射架構(gòu)中,在接收端對天線接收信號處理之前,先根據(jù)不同傳輸模式生成同步信號、參考信號以及下行信道的資源映射索引,在解資源映射時直接根據(jù)資源索引定位資源的時頻位置,取出各信號與信道資源。物理層中,LTE-A空口監(jiān)測分析儀對接收到的正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)信號處理流程如圖1所示。

可以看出,本文設(shè)計的解資源映射模塊整體結(jié)構(gòu)主要包括兩個部分:

1)在LTE-A空口監(jiān)測分析儀處理OFDM基帶信號之前,根據(jù)信號、信道資源索引產(chǎn)生模塊產(chǎn)生各信號和信道的資源映射索引,包括小區(qū)參考信號(Cell Reference Signal,CRS)、用戶特定的參考信號(UE Specific Reference Signal,UE-RS)、主同步信號(Primary Synchronization Signal,PSS)、輔同步信號(Secondary Synchronization Signal,SSS)、PBCH信道以及PDSCH信道。

2)根據(jù)PDSCH資源映射索引取出信道資源:LTE-A空口監(jiān)測分析儀對OFDM基帶信號進(jìn)行解調(diào),利用保存的CRS索引取出時頻網(wǎng)格中的CRS資源,進(jìn)行導(dǎo)頻分離,對取出的導(dǎo)頻信號進(jìn)行信道估計,而時頻網(wǎng)格中的PDSCH信道資源可根據(jù)之前產(chǎn)生的PDSCH資源索引定位,直接取出PDSCH信道資源。

圖1 LTE-A空口監(jiān)測分析儀中解資源映射的整體結(jié)構(gòu)Fig. 1 Overall architecture of de-resource mapping in LTE-A air interface analyzer

由于第2)部分直接利用資源映射索引定位取出對應(yīng)資源即可,因此本文只詳細(xì)介紹第1)部分。

2 資源映射索引產(chǎn)生模塊

鑒于參考信號、同步信號以及PBCH信道資源占用的RE位置可能會與PDSCH信道資源位置重復(fù),因此,在產(chǎn)生PDSCH信道資源索引之前,需要考慮各信號資源與PBCH數(shù)據(jù)在時頻資源網(wǎng)格上占用的RE位置,產(chǎn)生對應(yīng)資源索引以便計算PDSCH信道資源映射索引時扣除。

2.1 參考信號資源索引

LTE-A空口監(jiān)測分析儀中的參考信號包含CRS和UE-RS兩種類型。CRS的RE位置與物理小區(qū)ID、天線端口號、下行循環(huán)前綴(Cyclic Prefix, CP)類型以及頻率偏移有關(guān)[8]。UE-RS只映射到單流波束賦形模式或雙流波束賦形模式中,映射的方法視具體模式而定:在單流波束賦形中,根據(jù)不同CP類型按照UE-RS資源映射方法映射UE-RS即可。在雙流波束賦形中,若非TDD制式子幀號1或6,則直接按照UE-RS資源映射方法映射UE-RS；反之需要考慮是否為特殊子幀,再根據(jù)下行子幀類型進(jìn)行資源映射。詳細(xì)的兩種參考信號映射過程請參考36.211協(xié)議[9],這里不再贅述。

2.2 同步信號索引

LTE-TDD制式中,PSS在時域上映射到子幀號為1和6的第三個OFDM符號上,SSS在時域上映射到子幀號為0和5的最后一個OFDM符號上;頻域上,PSS和SSS均映射到整個帶寬中間的6個資源塊(Resource Block,RB)中,根據(jù)PSS和SSS映射的位置可計算二者的資源索引。

2.3 PBCH信道索引

PBCH信道在TDD制式子幀0的時隙1上進(jìn)行傳輸,時域上占用0、1、2、3的4個符號進(jìn)行傳遞,頻域上占用72個RE資源,按照式(1)進(jìn)行映射:

(1)

2.4 PDSCH信道索引

下行PDSCH信道資源索引產(chǎn)生的流程如圖2所示。

圖2 PDSCH信道索引產(chǎn)生流程Fig. 2 PDSCH channel index generation flow

由于在此之前已經(jīng)扣除了CRS占用的RE資源,因此在為PDSCH的物理資源塊(Physical RB,PRB)編號時不需要考慮CRS的位置。PDSCH信道資源分配有三種類型,分配類型不同,計算PDSCH信道資源映射索引的方法不同,在第3章詳細(xì)介紹。在產(chǎn)生PDSCH資源索引后,根據(jù)資源索引定位PDSCH信道資源在時頻資源網(wǎng)格中的位置,提取PDSCH信道資源。

3 PDSCH資源分配類型

LTE-A空口監(jiān)測分析儀中PDSCH信道的資源分配有0、1、2這三種類型[10],具體采用何種類型由下行控制信息(Downlink Control Information,DCI)格式指示以及DCI內(nèi)相關(guān)比特配置決定。

3.1 資源分配類型0

類型0以資源塊組(Resource Block Group, RBG)為調(diào)度單位。資源分配分為三步:

1)如表1所示,RBG大小P由系統(tǒng)帶寬確定。

表1 系統(tǒng)帶寬與RBG大小的關(guān)系Tab. 1 Relationship of system bandwidth and RBG size

2)確定資源塊組總數(shù),公式為:

(2)

3)位圖(bitmap)攜帶NRBG個比特,最終根據(jù)位圖確定UE被分配的資源。

3.2 資源分配類型1

在類型1中,以虛擬資源塊(Virtual Resource Block, VRB)為調(diào)度單位,資源分配具體步驟如下:

1)與類型0相同,根據(jù)帶寬得出P的值。

2)DCI通過3個域指示分配給UE的虛擬資源塊數(shù),通過DCI攜帶的信息得到三個域的值:

(a)計算資源塊組的子集數(shù)p,計算公式為:

p=「lb (P)?

(3)

(b)偏移量1比特(shift bit):指定子集內(nèi)的資源是否偏移;

(c)位圖(bitmap),即包含的比特數(shù):

(4)

3)計算每個資源塊組的子集中所包含的虛擬資源塊個數(shù),參考式(5)計算:

(5)

4)根據(jù)偏移比特確定是否偏移:

當(dāng)偏移比特為0時,資源塊組的子集p的偏移為:

Δshift(p)=0

(6)

當(dāng)偏移比特為1時,資源塊組的子集p的偏移為:

(7)

5)計算位圖中的每個比特對應(yīng)的虛擬資源塊數(shù):

p·P+(i+Δshift(p)) modP

(8)

3.3 資源分配類型2

類型2中,UE分配到的是一段連續(xù)的虛擬資源塊,可為集中式,也可為分布式,具體類型由DCI格式指定。

在集中式中,虛擬資源塊和物理資源塊是一一對應(yīng)關(guān)系[11],在分布式中,虛擬資源塊到物理資源塊的映射過程分以下步驟:

1)如表2所示,根據(jù)系統(tǒng)帶寬獲取間隔Gap,但是協(xié)議規(guī)定兩種不同的間隔值。在DCI信息中,1比特字段決定集中式還是分布式;1比特字段決定1stGap還是2ndGap。

表2 系統(tǒng)帶寬與Gap參數(shù)的關(guān)系Tab. 2 Relationship of system bandwidth and Gap parameters

2)確定可用于頻率交織的虛擬資源塊范圍:

1stGap時:

(9)

2ndGap時:

(10)

3)獲取交織矩陣。

(a)1stGap時:

(11)

所有用于分布式調(diào)度的虛擬資源塊資源只能組成一個交織單元,形成一個交織矩陣。

(b)2ndGap時:

(12)

若帶寬不同,則交織矩陣數(shù)量不同。

4)虛擬資源塊向物理資源塊映射。

4 仿真結(jié)果及分析

4.1 仿真環(huán)境

在通信系統(tǒng)中,誤碼率指示傳輸過程中傳輸信息的可靠性,是通信系統(tǒng)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一;吞吐量是指通信過程中單位時間內(nèi)傳送成功的比特數(shù)[12]。本文在分析四種傳輸模式時,在提出的新型解資源映射架構(gòu)下對整個過程的誤碼率和吞吐量進(jìn)行仿真,整個仿真使用Matlab平臺,部分仿真參數(shù)如表3所示。

表3 仿真參數(shù)Tab. 3 Simulation parameters

本文的仿真包括兩個部分:

1)將改進(jìn)的PDSCH解資源映射架構(gòu)與傳統(tǒng)的解資源映射放在LTE-A鏈路層中,對比二者所需要的運行時間,分析改進(jìn)后解資源映射架構(gòu)的優(yōu)點。

2)將改進(jìn)的PDSCH解資源映射架構(gòu)放在整個LTE-A鏈路層中,分別仿真四種傳輸模式下的誤碼率和吞吐量,分析不同傳輸模式的優(yōu)缺點,同時也對新型架構(gòu)下的解資源映射的效率以及可靠性方面進(jìn)行驗證。

4.2 不同PDSCH解資源映射架構(gòu)的仿真結(jié)果

傳統(tǒng)的PDSCH解資源映射時,需要扣除PBCH信道等其他信號和信道占用的RE資源,但該RE資源往往是在PDSCH解資源映射前已經(jīng)計算過一次的,這樣做往往會重復(fù)計算信號和信道占用的RE位置。為解決此問題,本文在接收端對天線接收信號處理之前,先根據(jù)不同傳輸模式生成同步信號、參考信號以及下行信道的資源映射索引,在解資源映射時直接根據(jù)資源索引定位資源的時頻位置,取出各信號與信道資源。

在保證可靠性的條件下,傳統(tǒng)解資源映射架構(gòu)下整個解資源映射過程花費了0.006 s,改進(jìn)后的解資源映射架構(gòu)下花費0.004 s。相對于傳統(tǒng)架構(gòu),改進(jìn)后架構(gòu)下的解資源映射時間花費減少了33.33%,由此也可以說明在硬件實現(xiàn)時所需要的資源消耗也大幅降低。

4.3 不同傳輸模式下的仿真結(jié)果

1)單天線端口0模式的仿真結(jié)果如圖3所示。可以看出,在單天線端口0中,相對于單發(fā)單收模式,單發(fā)4收的整體誤碼率更低。相同誤碼率條件下,單發(fā)4收所需的信噪比比單發(fā)單收大約低5 dB。相同信噪比情況下,單發(fā)4收的吞吐量明顯比單發(fā)單收高,且在22 dB時,二者吞吐量達(dá)到最高且相同。

圖3 單天線端口0模式的仿真結(jié)果Fig. 3 Simulation results for single antenna port 0 mode

2)發(fā)射分集模式下的仿真結(jié)果如圖4所示。發(fā)射分集模式是指相同的數(shù)據(jù)在多根發(fā)射天線上冗余發(fā)送,因此提升了信號與干擾加噪聲比(Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR),降低了系統(tǒng)的誤碼率。但是相對于單天線端口0模式,發(fā)射分集并沒有提高小區(qū)吞吐量。

圖4 發(fā)射分集模式的仿真結(jié)果Fig. 4 Simulation results for transmit diversity mode

3)單流波束賦形模式下的仿真結(jié)果如圖5所示。單流波束賦形模式在4個接收天線條件下信噪比在17.5 dB時已降至最低,吞吐量達(dá)到最高。相對于單天線端口0模式和發(fā)射分集模式,相同信噪比情況下,單流波束賦形模式下,吞吐量明顯提高并且誤碼率降低。

圖5 單流波束賦形下的仿真結(jié)果Fig. 5 Simulation results for single-stream beamforming

4)雙流波束賦形模式的仿真結(jié)果如圖6所示。雙流波束賦形模式是單流波束賦形和空間復(fù)用模式的結(jié)合,本質(zhì)上來說,它是通過同時傳輸兩個賦形數(shù)據(jù)流以實現(xiàn)空間復(fù)用。本文只仿真了單用戶雙流波束賦形技術(shù),單個用戶能夠在某一時刻傳輸兩個數(shù)據(jù)流,因此能夠同時獲取賦形增益和空間復(fù)用增益,系統(tǒng)容量更高。

圖6 雙流波束賦形下的仿真結(jié)果Fig. 6 Simulation results for dual stream beamforming mode

5 結(jié)語

本文提出了一種新型的PDSCH解資源映射架構(gòu),相對于傳統(tǒng)的PDSCH解資源映射,減少了資源消耗,降低了運算量;同時研究了單天線端口0、發(fā)射分集、單流波束賦形和雙流波束賦形四種傳輸模式下的PDSCH解資源映射,把改進(jìn)后的PDSCH解資源映射模塊放在LTE-A鏈路層進(jìn)行仿真,得到四種傳輸模式下的仿真結(jié)果,實驗結(jié)果表明:相對于單天線端口0,發(fā)射分集通過提升信噪比,降低了系統(tǒng)誤碼率;單流波束賦形能夠明顯提高吞吐量;雙流波束賦形可以看作是單流波束賦形的改進(jìn),進(jìn)一步提高了系統(tǒng)容量。