基于LTE-A系統(tǒng)下行雙碼字解調(diào)的算法設計

李小文，穆朋飛

(重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶400065)

基于LTE-A系統(tǒng)下行雙碼字解調(diào)的算法設計

李小文，穆朋飛

(重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶400065)

為了進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，設計了一種利用專用導頻信息對雙碼字數(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，利用此算法能夠很好地控制誤比特率(約為0.1)，并證實了利用該算法解調(diào)數(shù)據(jù)的可靠性和實用性。

LTE-A;專用導頻;雙碼字;設計算法

LTE-A系統(tǒng)(標準的4G技術(shù))作為LTE系統(tǒng)的演進，使用了更多的專用天線端口傳輸數(shù)據(jù)，以提高整個系統(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。對應的專用數(shù)據(jù)解調(diào)方法也較為簡單，使用LS算法、最小均方誤差算法［2］在接收端都可以準確的恢復出原始數(shù)據(jù)。然而，LTE-A系統(tǒng)最多支持8個專用天線端口(端口7～14)，天線端口數(shù)目的增加必然會導致數(shù)據(jù)解調(diào)的復雜度增大。此外，由于無線信道的不確定性和復雜性，在接收端必然會導致8個專用天線端口的數(shù)據(jù)相互疊加，傳統(tǒng)的解調(diào)方法已經(jīng)不能準確地恢復每個專用端口的原始數(shù)據(jù)。因此，需要設計一種合理的算法對經(jīng)過無線信道的數(shù)據(jù)解調(diào)，無失真地區(qū)分出各個端口的數(shù)據(jù)，保證通信的順利進行，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

對于網(wǎng)絡端而言，當LTE-A系統(tǒng)配置傳輸模式9時，下行發(fā)送采用雙碼字8個天線端口承載數(shù)據(jù)，第一個碼字映射4層，對應天線端口7～10，第二個碼字同樣映射4層，對應端口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，每個天線和一個端口對應，每個碼字用4個天線端口承載。雙碼字映射到天線端口需要跳過終端專用參考信號(UE-specific reference signals，UE-RS)，為了保證接收端能夠分辨出每個端口的數(shù)據(jù)，LTE-A系統(tǒng)的專用參考信號設計采用了碼分復用(CDM)和頻分復用(FDM)技術(shù)［3］，如圖2所示。

圖2 專用參考信號分布圖

圖2顯示了LTE-A系統(tǒng)普通下行子幀一個資源塊中所有天線端口專用參考信號的分布情況，每個方塊代表一個時頻資源。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，進而在接收端可以利用相應的算法將每個端口分離。

1.2 八天線下的數(shù)據(jù)處理

發(fā)射端的兩個數(shù)據(jù)流(雙碼字)經(jīng)過各自獨立的CRC(循環(huán)校驗碼)添加、信道編碼、加擾、調(diào)制之后要和3個天線端口對應，因此需要對兩個數(shù)據(jù)流進行層映射，兩個碼字均分為4層。其中一個碼字每層的對應關(guān)系如下

式中:x(k)(i)表示每層的數(shù)據(jù)，k代表層號;d表示原始的數(shù)據(jù)流;i表示數(shù)據(jù)編號。兩個碼字經(jīng)過層映射后形成了一個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，并和每個端口專用導頻構(gòu)成一個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際的物理天線對應，使接收端更好地濾波，需要對端口進行預編碼處理。由于使用專用導頻，因此導頻要和數(shù)據(jù)一起進行預編碼。預編碼矩陣可以從碼本中［4］查出，也可以是基于非碼本的。

對于雙碼字8根發(fā)送天線的情況，預編碼矩陣W的維數(shù)是8×8，預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，預編碼矩陣和兩個數(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)過預編碼后每個天線上都映射了數(shù)據(jù)，最后對各個天線端口數(shù)據(jù)進行傅里葉反變換，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)算法的設計與實現(xiàn)

2.1 信道的矩陣表示

通過物理天線發(fā)出的雙碼字數(shù)據(jù)流，占用了一定的頻率和時間。假設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R的表達式為

由于是加性噪聲，噪聲和信號保持正交性。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。

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

2.2 解調(diào)算法的設計原理

由于外界環(huán)境的干擾，導致無線信道特征十分復雜，必須用一些特定的參考信號對信道矩陣進行相應的估計，進而解調(diào)數(shù)據(jù)。

前文提到的專用導頻，就是用來實現(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接收到來自8根發(fā)送天線疊加的信息。專用導頻也將會重疊到每一個接收天線，如圖3所示。

圖3 八天線下的發(fā)送接收圖

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

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

設矩陣Wij是第j個天線發(fā)送，第i個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(時頻點數(shù)p)有關(guān)。記A點對應的頻率位置為a，第k個發(fā)送天線端口對應的專用導頻為rk，在信噪比較大的情況下，A點的導頻信號RA(a)如式(4)。其中，頻域接收的導頻信號來自8個發(fā)送端口和無線信道的乘積。

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

對于A點對應的頻帶，端口7，8，11，13(第1.1節(jié)中提到的集合1)對應的導頻信號為0。式(4)、式(5)可以簡化成

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

專用導頻信號(式(8)等號左邊的矩陣元素)在不同集合內(nèi)是采用碼分復用技術(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用正交矩陣;r(a)，r(a1)，r(a2)，r(a3)是對應頻點產(chǎn)生的歸一化的專用導頻信號，為已知參數(shù)。將式(7)、式(8)代入式(6)得出

通過解式(9)，可以得出在專用導頻位置即頻點a的頻率響應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頻位置的頻率響應。最后，使用時域和頻域插值算法［7］將各個天線端口矩陣估計出來，如式(10)所示:

假設Dj(p)為第j個天線端口第p個頻點的發(fā)送數(shù)據(jù)，Ri(p)為第i個接收天線第p個頻點的接收數(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個頻點的信道矩陣M，完成對各個天線端口第p頻點的解調(diào)。信道矩陣M的表達式如下

通過上面設計的解調(diào)算法，可以算出每個頻點的信道矩陣M，根據(jù)信道矩陣即可較為準確的恢復出8個天線發(fā)送的原始數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對雙碼字的正確解調(diào)。

2.3 性能仿真

根據(jù)設計算法，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)，利用設計出的算法進行解調(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，噪聲影響顯著，利用設計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，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，采用該算法可以比較準確的恢復出原始數(shù)據(jù)，從而證實了該算法的適用性和可行性。

3 結(jié)論

本文從實際出發(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頻信號對雙碼字八天線發(fā)送情況下解調(diào)算法的設計方案，通過仿真證明了其可行性和適用性。該解調(diào)方案在信號功率比噪聲功率大、環(huán)境相對穩(wěn)定的情況下性能較優(yōu)。目前該算法已經(jīng)應用在LTE-A系統(tǒng)的搭建中，并在做進一步的優(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.

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［7］高群毅，肖立民，周世東，等.OFDM系統(tǒng)中一種信道估計頻域插值算法［J］.清華大學學報:自然科學版，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)的算法設計［J］.電視技術(shù)，2014，38(23).

國家科技重大專項(2012ZX03001009-004)

李小文(1955—)，教授，碩士生導師，主研移動通信、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。