LTE-A中UE專用參考信號的解調(diào)算法與實(shí)現(xiàn)

黃 菲，丁月友

(重慶郵電大學(xué) 移動通信重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

LTE-A中UE專用參考信號的解調(diào)算法與實(shí)現(xiàn)

黃 菲，丁月友

(重慶郵電大學(xué) 移動通信重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

針對LTE-A新增的UE專用參考信號與小區(qū)參考信號映射的時頻資源不同，導(dǎo)致傳統(tǒng)的解調(diào)算法在UE專用參考信號上無法適用的問題。充分研究了UE專用參考信號時頻資源映射的特點(diǎn)，即端口間采用了頻分復(fù)用和碼分復(fù)用技術(shù)區(qū)分，而小區(qū)參考信號只采用了頻分復(fù)用技術(shù)，結(jié)合此特點(diǎn)與傳統(tǒng)的解調(diào)算法原理，設(shè)計(jì)了2種利用專用導(dǎo)頻信息的解調(diào)算法，即LS-UE算法和LMMSE-UE算法。最后，通過在EPA無線信道環(huán)境下，對2種解調(diào)算法的性能仿真，權(quán)衡實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，選擇一種更適合LTE-A系統(tǒng)的下行解調(diào)算法，即LS-UE算法，并對該算法的多核DSP實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了該算法的可行性與高效性。

LTE-A；UE專用參考信號；解調(diào)算法；多核DSP實(shí)現(xiàn)

0 引言

LTE-A系統(tǒng)作為LTE系統(tǒng)的演進(jìn)，發(fā)送端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，這必使得接收端的解調(diào)算法十分困難，為了降低解調(diào)算法的難度，同時提高性能，LTE-A系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了幾種不同類型的參考信號[1]去處理不同的情形。特別設(shè)計(jì)了一種UE專用參考信號去支持雙碼字傳輸?shù)慕庹{(diào)算法。由于UE專用參考信號的時頻資源與CRS(小區(qū)參考信號)不同，不同天線上UE專用參考信號所占時頻資源采用了FDM(頻分復(fù)用)和CDM(碼分復(fù)用)技術(shù)[2]區(qū)分，而CRS只采用了FDM技術(shù)進(jìn)行區(qū)分，這會導(dǎo)致應(yīng)用于CRS上傳統(tǒng)的解調(diào)算法無法直接在UE專用參考信號上適用，即LS算法、LMMSE算法(最小均方誤差算法)[3]。因此，需要設(shè)計(jì)一種基于UE專用參考信號的解調(diào)算法，從而無失真地還原出發(fā)送的數(shù)據(jù)。目前已有文獻(xiàn)研究了基于UE參考信號的解調(diào)算法，文獻(xiàn)[4]主要用SFBC(空頻碼塊)的算法推導(dǎo)出基于UE專用參考信號的解調(diào)算法，但是此算法的性能比較差；文獻(xiàn)[5]提出的解調(diào)算法性能比較理想，但其復(fù)雜度較高，不適合在多核DSP中實(shí)現(xiàn)。綜上所述，本文的主要工作是在充分研究傳統(tǒng)的解調(diào)算法和以上文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，綜合權(quán)衡性能與復(fù)雜度，選取一種更適合LTE-A系統(tǒng)的解調(diào)算法，并通過多核DSP(TMS320C6670)實(shí)現(xiàn)。

1 UE專用參考信號

LTE-A中UE參考信號(UERS)又叫做解調(diào)參考信號(Demodulation Reference Signal，DM-RS)，DM-RS與傳輸數(shù)據(jù)一樣，都要經(jīng)過預(yù)編碼和無線信道，如圖1所示，這暗含著信道估計(jì)把預(yù)編碼與無線信道作為整體估計(jì)，而不像CRS分開對待，表明LTE-A系統(tǒng)在下行傳輸中采用了OFDMA(正交頻分復(fù)用)技術(shù)。

圖1 DM-RS的LTE-A系統(tǒng)的下行鏈路傳輸處理

LTE-A增加天線端口可以提高數(shù)據(jù)傳輸量，更好地滿足現(xiàn)代通信高速率的要求。DM-RS的用途仍然是對PDSCH解調(diào)，映射在資源粒子的位置有一些變化。圖2給出DM-RS在8天線端口普通幀下的映射位置。圖2時域上顯示了1個子幀(1 ms)，包含2個時隙(0.5 ms)，每一個時隙在正常CP情況下有7個OFDM符號；而頻域上有12個子載波，1個資源塊(RB)就由頻域上的12個子載波和時域上的1個時隙組成。其中“1”資源表示端口7、8、11、13參考信號的映射位置，“2”資源表示端口9、10、12、14的參考信號的位置。

圖2 DMRS在8個端口下的映射圖

DM-RS主要在天線端口7～14，主要用于對PDSCH數(shù)據(jù)的解調(diào)。端口7～14的解調(diào)參考信號設(shè)計(jì)分為2個集合，即{7,8,11,13}和{9,10,12,14}，每個集合DM-RS的映射位置相同。為保證PDSCH順利解調(diào)，在一個集合內(nèi)，采用CDM使參考信號保證正交，而集合間采用的是FDM。LTE-A規(guī)定8組正交序列，在映射參考信號時，用序列的值乘以對應(yīng)位置的參考信號，保證信號的正交，如表1所示。

表1 端口7～14的正交序列

2 基于UE參考信號的解調(diào)算法

八天線下的系統(tǒng)模型為：

(1)

對于UERS而言，由圖2可知端口7、8、11、13與端口9、10、12、14的導(dǎo)頻點(diǎn)不一樣，所以對于端口7、8、11、13而言，即導(dǎo)頻點(diǎn)“1”，此時端口9、10、12、14的輸入為0，所以系統(tǒng)模型式(1)變?yōu)椋?/p>

(2)

如圖2所示，對同一頻帶上4個符號5、6、12、13上才有導(dǎo)頻值，所以式(2)化為：

(3)

由于同一頻帶上，在LTE系統(tǒng)中一個子幀的持續(xù)時間很小，可以近似地認(rèn)為同一天線端口同一頻帶的頻率響應(yīng)是平坦的，所以可得：

(4)

又令：

(5)

yk,l=[yk,5yk,6yk,12yk,13]′。

(6)

所以式(3)可化為：

(7)

(8)

2.1 LS-UE算法

此算法在傳統(tǒng)的LS算法[8]基礎(chǔ)上，加上UE專用參考信號的映射特點(diǎn)而來，該算法與傳統(tǒng)的LS算法一樣也不考慮噪聲的影響，其實(shí)現(xiàn)的公式如下：

(9)

由于導(dǎo)頻序列值是相互正交的，如式(8)所示，所以式(9)的最優(yōu)值為：

(10)

現(xiàn)已求出了導(dǎo)頻位置的值，又因同一天線端口的同一導(dǎo)頻的頻率響應(yīng)是平坦的，如式(4)所示，所以現(xiàn)在只需要在頻域上做插值算法即可。由于為每個用戶分配的專用資源塊是離散的，且每個資源塊上的導(dǎo)頻點(diǎn)在同一符號上的頻域上只占3個子載波，考慮到實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度問題，此處選用簡單的線性插值算法。

2.2 LMMSE-UE算法

由于LS-UE算法沒考慮噪聲的影響，這導(dǎo)致其性能下降，所以本節(jié)在傳統(tǒng)的LMMSE算法基礎(chǔ)上結(jié)合LS-UE算法，得到一種新的解調(diào)算法，即LMMSE-UE算法，此算法是在MMSE-UE算法的基礎(chǔ)上得到。MMSE-UE是一種基于MMSE準(zhǔn)則的信道估計(jì)算法，信道傳輸函數(shù)的估計(jì)值必須滿足如下條件：

(11)

代價(jià)函數(shù)為：

(12)

(13)

(14)

MMSE-UE信道估計(jì)算法利用了信道統(tǒng)計(jì)特性提高了估計(jì)的準(zhǔn)確性，在統(tǒng)計(jì)意義上其具有最優(yōu)的性能，但是估計(jì)時要對XXH求逆，具有較高的復(fù)雜度，影響其在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用。因此實(shí)際應(yīng)用中往往采用其簡化的形式，即LMMSE-UE算法，其利用E[(XXH)-1]代替式(14)中的(XXH)}-1。由于

(15)

(16)

RHH=E{HHH}=[rm,n],

(17)

(18)

式中，m、n代表導(dǎo)頻子載波的位置，τrms為歸一化時延，L為最大多徑時延，N為導(dǎo)頻數(shù)目。由此可見，在慢變信道情況之下，LMMSE算法能夠?qū)崿F(xiàn)很好的性能。

2.3 性能仿真

本節(jié)的主要工作是對第2節(jié)中所提解調(diào)算法的性能仿真，仿真鏈路如圖1所示，鏈路仿真的參數(shù)如表2所示。仿真的無線信道環(huán)境采用EPA(步行環(huán)境)、EVA(車輛環(huán)境)和ETU(城市環(huán)境)，最終得到上述解調(diào)算法在此信環(huán)境的性能。

表2 仿真參數(shù)

由圖3可以得出，在SNR相同的條件下，ETU信道的BER最大，EVA信道的BER次之，而EPA信道的BER最小，這是因?yàn)镋TU信道的多徑時延最大，EPA信道的多徑時延最小。多徑時延越大，信號的頻率選擇性越明顯，表現(xiàn)在頻域?yàn)榻邮斩私邮盏叫盘柕陌j(luò)起伏越厲害，時域表現(xiàn)為碼間干擾越嚴(yán)重，所以到最后接收端將不能對接收到的信號進(jìn)行正確解碼，導(dǎo)致更高的誤碼率或者誤比特率。另外還可以得出在3種信道環(huán)境下，LMMSE-UE算法都比LS-UE算法的性能優(yōu)，這是由于LMMSE-UE算法考慮了噪聲的影響，但其復(fù)雜度較高，不易實(shí)現(xiàn)。因此，LS-UE算法更適合，能夠保持良好的性能，實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度也適中，從而使整個系統(tǒng)性能最優(yōu)。

圖3 各信道環(huán)境下2種下行解調(diào)算法的誤比特率仿真

3 多核DSP實(shí)現(xiàn)

TMS320C6670是德州儀器公司專門為高性能無線通信領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的一款高性能四核DSP，該芯片采用全新的keystone結(jié)構(gòu)以及C66x增強(qiáng)型內(nèi)核體系，同時專門為無線通信設(shè)計(jì)了眾多協(xié)處理器模塊，比如快速傅里葉變換協(xié)處理器(FFTC)和用于LTE-A數(shù)據(jù)信道編解碼的協(xié)處理器(TCP3d)，可以用于通信系統(tǒng)比特速率處理的協(xié)處理器(BCP)，每個內(nèi)核的運(yùn)行頻率可達(dá)1.2GHz，支持每個核38.4GMACS的定點(diǎn)操作與19.2GFLOPS的浮點(diǎn)操作。

3.1 實(shí)現(xiàn)原理

根據(jù)第2節(jié)可知，基于UE專用參考信號的解調(diào)算法中LS-UE算法在能夠保持良好性能的前提下，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度適中，所以本節(jié)采用多核DSP對此算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)分析，其實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 實(shí)現(xiàn)流程圖

由于UE專用參考信號的映射與子幀號和特殊子幀的配置有關(guān)，所以在解參考信號的資源映射前要進(jìn)行子幀號和特殊子幀配置的判斷。實(shí)現(xiàn)時，要注意以下幾點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)時采用C語言編程方式，而C語言不支持復(fù)數(shù)運(yùn)算，需要把復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部分開單獨(dú)處理，即：

(a+jb)(c-jd)=(ac+bd)+j(bc-ad)。

(19)

從式(19)可以看出，完成2個復(fù)數(shù)的乘法需要做4次實(shí)數(shù)乘法和2次實(shí)數(shù)加法，由于一個實(shí)數(shù)在內(nèi)存中存儲方式為一個字且前16 bit存實(shí)部后16 bit存虛部，所以還要進(jìn)行移位操作取出復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部，取一個復(fù)數(shù)complex的實(shí)部和虛部的代碼為：

Real_part = complex>>16;

Imag_part = (complex<<16)>>16。

為了防止溢出，首先將復(fù)數(shù)相乘所得結(jié)果的實(shí)部存入int型變量Real_part中，虛部存入int型變量Imag_part中；另外由于數(shù)據(jù)的輸入是由MATLAB中的數(shù)據(jù)而來，所以輸入的實(shí)部和虛部都需要采用Q15量化。

3.2 實(shí)現(xiàn)性能測試與分析

從算法實(shí)現(xiàn)的性能測試與分析2個方面對基于UE專用參考信號的解調(diào)算法的DSP實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行分析。

3.2.1 性能測試

將matlab仿真鏈路中的解調(diào)算法模塊替換為DSP解調(diào)算法實(shí)現(xiàn)模塊，即將Matlab中解調(diào)算法函數(shù)的輸入做Q15量化轉(zhuǎn)化為DSP數(shù)據(jù)導(dǎo)入DSP實(shí)現(xiàn)代碼的輸入，將DSP代碼運(yùn)行的輸出轉(zhuǎn)化為Matlab的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)作為均衡算法的輸入，鏈路其他模塊采用Matlab浮點(diǎn)仿真，DSP實(shí)現(xiàn)與MATLAB仿真結(jié)果的誤比特率性能曲線如圖5所示。仿真結(jié)果具有近似的性能，但也存在損失，這是因?yàn)樵赥MS320C6670中實(shí)現(xiàn)模塊時，定點(diǎn)實(shí)現(xiàn)比較方便，所以在浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)化為定點(diǎn)數(shù)時對數(shù)據(jù)截位引入了誤差，但該誤差在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，驗(yàn)證了該模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的正確性。

3.2.2 性能分析

DSP的硬件資源是十分寶貴的，在實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)中為了充分利用DSP硬件資源，必須充分考慮DSP的存儲資源和代碼執(zhí)行效率，代碼執(zhí)行效率可以通過程序執(zhí)行的Cycle數(shù)，即程序模塊執(zhí)行的時間來衡量。由于多天線解調(diào)算法模塊需要處理大量的數(shù)據(jù)，為了提高代碼的執(zhí)行效率，必須對代碼進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化原則如下：

① 盡量避免使用取?；虺ㄟ\(yùn)算，在代碼實(shí)現(xiàn)過程中除2或4都是通過右移來實(shí)現(xiàn)；

② 盡量避免在循環(huán)中調(diào)用函數(shù)，有些函數(shù)有很多子模塊，表面上看都可以寫成單獨(dú)的函數(shù)，但是這些模塊都在多次甚至多層循環(huán)中，為了減少函數(shù)調(diào)用的時間消耗，并沒有將每個模塊單獨(dú)寫成子函數(shù)；

③ 慎用嵌套。通過上述優(yōu)化的處理，LS-UE算法中各模塊在DSP中的執(zhí)行周期如表3所示。

表3 關(guān)鍵模塊的運(yùn)行周期

此處的線性插值只有頻域的插值，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)LS-UE算法時，由于同一頻帶上，在LTE系統(tǒng)中一個子幀的持續(xù)時間很小，可以近似地認(rèn)為同一天線端口同一頻帶的頻率響應(yīng)是平坦的。另外由于芯片的一個子幀在1 ms內(nèi)可以完成1.2×106個cycle的運(yùn)算，解調(diào)算法各個模塊總的運(yùn)行周期為415 392個cycle，因此能夠很好地滿足實(shí)時系統(tǒng)的處理。

4 結(jié)束語

本文主要闡述了基于LTE-A系統(tǒng)下的UE參考信號的下行解調(diào)算法，這些解調(diào)算法與基于小區(qū)參考信號的解調(diào)算法是不同的，這是由于UE專用參考信號映射的時頻位置與CRS不同。本文在基于小區(qū)參考信號解調(diào)算法的基礎(chǔ)上，介紹2種基于LTE-A系統(tǒng)下的UE參考信號的下行解調(diào)算法，即LS-UE算法與LMMSE-UE算法。從性能仿真可以看出，解調(diào)算法的性能都比較好，能滿足以后的應(yīng)用，其中LMMSE-UE算法比LS-UE的性能好，但其復(fù)雜度較高，不易實(shí)現(xiàn)，因此得出，LS-UE算法更適合LTE-A系統(tǒng)，此算法能夠保持良好的性能，實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度也適中，從而使整個系統(tǒng)能最優(yōu)。最后一節(jié)是對LS-UE算法的實(shí)現(xiàn)，在集成化開發(fā)環(huán)境CCS5.5下編程實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)證了該算法的可行性和高效性。

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Demodulation Algorithm and Implementation of UE-specific Reference Signals for LTE-A

HUANG Fei,DING Yue-you

(Chongqing Key Lab of Mobile Communications Protocol,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

Considering the different time-frequency resources between UE-specific reference signals and CRS in LTE-A,the traditional demodulation algorithms cannot be applied to UE-specific reference signals.The feature of time-frequency resource mapping of UE-specific reference signals is that frequency division multiplexing and code division multiplexing are used in the ports,while the CRS only uses frequency division multiplexing.Combined with the traditional principle of demodulation algorithms,the paper provides the design of two demodulation algorithms,LS-UE and LMMSE-UE.Finally,considering the performance simulation under three wireless channel environments and the complexity of implementation,LS-UE is considered as more suitable for LTE-A system,and the multi-pore DSP implementation of LS-UE verifies the feasibility and effectiveness of the algorithm.

LTE-A;UE-specific reference signal;demodulation algorithm;multi-core DSP implementation

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.01.23

黃 菲，丁月友.LTE-A中UE專用參考信號的解調(diào)算法與實(shí)現(xiàn)[J].無線電通信技術(shù),2017,43(1):94-98.

2016-10-08

重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ1500428)

黃 菲(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向：TD-LTE-A物理層算法研究和DSP軟件開發(fā)。丁月友(1992—)，男，碩士研究生，主要研究方向：TD-LTE-A物理層算法研究和DSP軟件開發(fā)。

TN929

A

1003-3114(2017)01-94-5