一種在LTE-Advanced載波聚合下降低CM的方法

王文濤,史治平,曾慶展,胡紫嘉,梁春麗

（1.電子科技大學 通信抗干擾技術國家級重點實驗室，四川 成都 611731;2.中興通信技術有限公司,廣東 深圳518083）

載波聚合技術[1-3]是LTE-Advanced標準的一個重要特性。在載波聚合下PAPR/CM會嚴重惡化。該問題的引起一方面是因為載波聚合下的多個成員載波做一個FFT/IFFT，峰值出現(xiàn)的概率和幅度會因為頻域變換點數(shù)增多而變高，另一方面則是載波聚合下導頻序列的重復出現(xiàn)。LTE-Advanced需要對LTE保持良好的后向兼容性，這就要求LTE-Advanced保持LTE中設計的導頻序列產(chǎn)生方式。在載波聚合下，多個成員載波可能會使用相同的序列，頻域上重復出現(xiàn)的序列經(jīng)過IFFT變換之后容易產(chǎn)生較高峰值和CM。

LTE中采用CM來表征功放功率效率的降低[1，4]。在放大器電路中，放大增益的非線性分量是產(chǎn)生信道鄰道泄漏比(ACLR)的主要原因。功放輸出信號v0(t)=G1v1(t)+G3[v1(t)]3由兩項構(gòu)成：一項與 v1(t)成正比，另一項與 v1(t)的立方成正比。此立方項是造成信道失真、三次諧波，從而造成帶內(nèi)干擾和鄰道干擾的原因。因此，用CM值直接衡量這個立方項是比PAPR更直接、更準確的衡量方法。

本文介紹了一種選擇相位旋轉(zhuǎn)法，該方法能夠解決LTE-A下由重復序列引起的CM問題。通過基于導頻序列選擇最優(yōu)相位旋轉(zhuǎn)組合，在子幀內(nèi)各個成員載波上添加相應的相位旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)降低發(fā)射信號的CM，并且該方法不需要接收端做其他處理。

1 LTE中的導頻結(jié)構(gòu)

1.1 下行導頻結(jié)構(gòu)

LTE下行有廣播信道導頻、用戶專用導頻和小區(qū)專用導頻，通常情況下主要用到的小區(qū)專用導頻如圖1所示。

以單天線為例，對于天線端口0，下行導頻分布在一個子幀14個符號 (如無特殊說明則都是在常規(guī)CP下)中的4個符號，并且在這幾個符號內(nèi)與下行控制信道（PDCCH）、下行共享信道（PDSCH）頻分復用。

下行導頻序列都由長度為31的gold序列定義，gold序列產(chǎn)生器包含兩個長度為31的m序列產(chǎn)生器，輸出序列 c(n)為：

其中，Nc=1 600，x1的初始序列是固定的，x2的初始序列通過小區(qū)標識cell_id來確定。

1.2 上行導頻結(jié)構(gòu)

LTE的上行導頻結(jié)構(gòu)如圖2所示，在時域上，導頻位于每個子幀的第4和第11個符號，頻域上占滿UE所有的發(fā)射帶寬。

當PUSCH分配的資源塊數(shù)目大于3、導頻序列長度大于36時，上行導頻使用的是Zadoff-Chu序列，ru,v(n)的生成方式如下：

2 載波聚合對CM的影響

LTE-Advanced需要保持LTE設計的導頻序列產(chǎn)生方式。多個成員載波生成的參數(shù)可以考慮兩種假設，一是先在一個成員載波上進行接入并配置RRC參數(shù)，通過這個成員載波的控制信息通知UE其他成員載波配置的參數(shù)，這樣可以避免出現(xiàn)重復序列，但會增加RRC控制信息；另一種是假設一個物理小區(qū)內(nèi)使用相同的導頻參數(shù)配置，不過容易產(chǎn)生較高峰值和CM[5-6]。

削峰是降低PAPR/CM最常見的方法，但載波聚合下的峰值問題主要是由導頻在頻域重復出現(xiàn)引起的。若通過削峰降低導頻符號的CM，必然會引起導頻的嚴重失真從而影響系統(tǒng)的整體性能。下面介紹一種載波聚合下降低CM而不引入噪聲的方法。

3 選擇相位旋轉(zhuǎn)

3.1 原理介紹

部分傳輸序列是一種常見的無附加噪聲的優(yōu)化方法，但由于其需要傳輸一定的附加信息來告知接收端數(shù)據(jù)塊分組和所選擇的旋轉(zhuǎn)相位因子，因而無法在LTE下使用。但在載波聚合下，成員載波提供了一種天然的子塊劃分方法，把整個帶寬的數(shù)據(jù)看成是一個數(shù)據(jù)塊，各個成員載波當作子塊[7]。

因為LTE中使用的是星狀導頻，只有部分OFDM符號中有導頻，無導頻的符號只能通過時域插值來估計信道。如果一個子幀內(nèi)各個符號的旋轉(zhuǎn)因子組合不一樣，則接收端的用戶設備就不能解調(diào)非導頻符號的數(shù)據(jù)。因此，必須使整個子幀的所有符號都乘上相同的旋轉(zhuǎn)因子組合，并且旋轉(zhuǎn)因子在導頻映射之后再相乘，這樣旋轉(zhuǎn)因子才能通過導頻告知接收端。

對各個成員載波分別乘上一個幅度為1的相位因子ki,其中i是成員載波的標號，ki在一個有限的集合內(nèi)選擇 ，ki∈(θ1,θ2， … ,θn-1,θn),通過選擇最優(yōu)的相位因子組合K，盡可能降低時域信號的PAPR/CM。這里主要包含兩個問題：(1)怎樣將發(fā)送端選擇的最優(yōu)K告知接收端，因為接收端需要知道相位因子才能解調(diào);(2)怎樣選擇PAPR最低的K組合，即：Kopt=min(CM(x(K)))。

對于問題(1)，如圖3和圖4，相位旋轉(zhuǎn)信息可通過導頻傳到接收端，只需要對一個成員載波的數(shù)據(jù)和導頻添加相同的相位因子。對多個成員載波只做一個IFFT的情況，收發(fā)端可以表示為：Y=H×U×X+N,其中，旋轉(zhuǎn)相位因子矩陣表示為：U=kron(ones(sizeof_compornent_carrier),diag(Kopt)),H是原始的頻域信道對角矩陣，而經(jīng)過旋轉(zhuǎn)相位加擾之后，接收端可以把H×U看作是等效信道矩陣。

3.2 相位因子選擇

基于導頻選擇旋轉(zhuǎn)因子的另一個優(yōu)點是導頻能先于其他信道產(chǎn)生，不會提高基帶的處理延時。若對所有數(shù)據(jù)都映射到資源粒子后再做旋轉(zhuǎn)因子選擇，既增加了復雜度，又會增加基帶處理時延。因為導致CM上升的主要是導頻，所以通過導頻來選擇相位因子，既可以降低選擇的復雜度，也可以降低對處理時延的要求。

對于上行，由于子幀內(nèi)導頻所在的第 4、11個符號在多個成員載波上可能會出現(xiàn)重復序列，峰值和CM就可能高于其他符號，因此以導頻所在符號作為選擇最優(yōu)旋轉(zhuǎn)相位組合的條件，先把各個成員載波的導頻序列映射到導頻符號中，然后遍歷所有的旋轉(zhuǎn)因子組合，分別計算每種組合下導頻符號的CM值。對每種組合的兩個導頻符號進行IFFT變換到時域，找出時域峰值最小時對應的那一組旋轉(zhuǎn)因子組合K作為找到的近似最優(yōu)旋轉(zhuǎn)因子組合。

下行在把導頻序列映射到導頻符號時，只映射符號中導頻對應的位置，其他共享信道數(shù)據(jù)位置填零。與上行一樣，通過遍歷旋轉(zhuǎn)因子，對每一種旋轉(zhuǎn)因子組合對應的數(shù)據(jù)做IFFT變換到時域并找出CM值最小的組合K。但對于下行閉環(huán)空分復用的情況，由于各個天線在同一成員載波的因子不一樣，UE無法區(qū)分等效信道和原始信道，這就可能把等效信道認為原始信道并反饋不準確的 PMI。

接收端解調(diào)時,只需把旋轉(zhuǎn)因子和原始信道的乘積看作等效信道，再用估計出的等效信道接共享信道，就可以解出共享信道的數(shù)據(jù)。

3.3 操作流程

(1)產(chǎn)生導頻序列后，按照上/下行導頻映射方式，把導頻序列映射到導頻符號中，對于下行導頻符號中的非導頻資源粒子填零；

(2)遍歷每一種相位旋轉(zhuǎn)因子組合，把旋轉(zhuǎn)因子乘以對應的成員載波再做IFFT變換，選擇CM值最小的那一組旋轉(zhuǎn)因子組合；

(3)把最優(yōu)組合應用到子幀傳輸中，完成資源映射后，分別乘以對應的相位因子。

3.4 性能仿真和分析

由圖5和圖6的仿真性能圖可以看到以下幾點：

(1)導頻符號的CM大大高出整幀的CM，證明了載波聚合的導頻對CM的影響。

(2)下行重復導頻是增加CM的重要原因。

(3)隨著成員載波數(shù)增加，不僅原始信號的CM會逐漸增加，而且通過相位旋轉(zhuǎn)處理獲得的增益同樣增加。較多的成員載波為相位旋轉(zhuǎn)算法提供了更多的靈活度和可優(yōu)化空間。

(4)只根據(jù)導頻選擇旋轉(zhuǎn)因子完全可以得到基于全數(shù)據(jù)選擇達到的效果，并且導頻序列提前可以預判，因此不受處理延時的限制。

上行仿真結(jié)果如圖7所示，可以得到與下行類似的結(jié)論，不過上行隨成員載波數(shù)的增加CM惡化比較嚴重，這是由于上行導頻集中在完整的符號中造成的。從圖中可以看出，在 1個和 2個 CC（成員載波）的情況下旋轉(zhuǎn)和不旋轉(zhuǎn)情況下的CM基本相同（曲線趨于一致），但經(jīng)過相位旋轉(zhuǎn)處理以后，即使隨著CC的增加，最差的情況下CM也不會超過3.6 dB，相比于不作處理的4.4 dB得到了很大的優(yōu)化。

本文主要介紹了一種在載波聚合下降低由重復導頻引起的CM過高問題的方法——選擇旋轉(zhuǎn)相位方法。通過仿真證明，在成員載波數(shù)較多的情況下，此方法可以有效降低信號的CM。

[1]沈嘉.3GPP長期演進（LTE）技術原理與系統(tǒng)設計[M].北京：人民郵電出版社,2008.

[2]Huawei.3GPP R1-082448，Carrier aggregation in Advanced E-UTRA Warsaw Poland,June 2008.

[3]San Francisco.3GPP R1-091809.Component carrier structures,May 2009.

[4]Motorola.Cubic Metric in 3GPP-LTE,3GPP TSG RAN,R1-060023.

[5]Huawei.DL/UL Asymmetric Carrier aggregation.3GPP TSG RAN,R1-083706.

[6]Samsung.DL RS for carrier aggregation with reduced PAPR.3GPP TSG RAN,R1-091239.

[7]3GPP TR36.211 V10.0.0.Physical Channel and Modulation,Release 10,January,2011.