LTE-A空口監(jiān)測(cè)分析儀中PDSCH解資源映射的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王美樂(lè),張治中,王光亞

(1.重慶郵電大學(xué) 通信網(wǎng)與測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400065; 2.重慶重郵匯測(cè)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(guó)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(gè),用戶突破10億,預(yù)計(jì)2020年4G網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)份額將占移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的72%[1];截至2017年9月,移動(dòng)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(jì)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(lái)發(fā)展最快的網(wǎng)絡(luò)[3]。

鑒于增強(qiáng)型長(zhǎng)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(wú)線通信新技術(shù),需要有新型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分析和優(yōu)化的儀器儀表來(lái)滿足當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)測(cè)試需求[4]。目前,美國(guó)和日本均研發(fā)出了相關(guān)的長(zhǎng)期演進(jìn)(Long Term Evolution,LTE)空口監(jiān)測(cè)儀器并得到了成熟的應(yīng)用,但是國(guó)內(nèi)在空口測(cè)試儀方面并沒(méi)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(cè)試儀,但是只能針對(duì)特定的終端測(cè)試和解決網(wǎng)絡(luò)連通性問(wèn)題。因此LTE-A空口監(jiān)測(cè)分析儀的產(chǎn)生,使國(guó)內(nèi)高端儀表匱乏的狀況得到緩解。相對(duì)于美國(guó)和日本研制的LTE空口監(jiān)測(cè)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(jià)值。對(duì)國(guó)內(nèi)儀器儀表的發(fā)展來(lái)說(shuō),該分析儀基于標(biāo)準(zhǔn)化的空口協(xié)議解析,不會(huì)受限于特定的終端,因此對(duì)國(guó)內(nèi)測(cè)試儀表的發(fā)展具有明顯的推動(dòng)作用。LTE-A空口監(jiān)測(cè)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(cè)試需求[5]。

在LTE-A空口監(jiān)測(cè)分析儀中,物理下行共享信道(Physical Downlink Shared CHannel,PDSCH)解資源映射為L(zhǎng)TE-A空口監(jiān)測(cè)分析儀提供物理層支持,同時(shí)為監(jiān)測(cè)儀發(fā)揮準(zhǔn)確和可靠的監(jiān)測(cè)功能提供基本的前提。近年來(lái),也有相當(dāng)一部分的研究人員對(duì)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(wú)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(guò)十種;許超等[6]給出了應(yīng)用時(shí)分雙工(Time Division Duplexing,TDD)的LTE下行五個(gè)物理信道以及同步信號(hào)和參考信號(hào)兩個(gè)信號(hào)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(méi)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(diǎn),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(duì)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(cè)分析儀中,驗(yàn)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(shí),需要扣除物理層廣播信道(Physical Broadcast CHannel,PBCH)等其他信號(hào)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(jì)算過(guò)一次的,這樣做往往會(huì)重復(fù)計(jì)算信號(hào)和信道占用的RE位置。因此在本文設(shè)計(jì)的解資源映射架構(gòu)中,在接收端對(duì)天線接收信號(hào)處理之前,先根據(jù)不同傳輸模式生成同步信號(hào)、參考信號(hào)以及下行信道的資源映射索引,在解資源映射時(shí)直接根據(jù)資源索引定位資源的時(shí)頻位置,取出各信號(hào)與信道資源。物理層中,LTE-A空口監(jiān)測(cè)分析儀對(duì)接收到的正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)信號(hào)處理流程如圖1所示。

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

1)在LTE-A空口監(jiān)測(cè)分析儀處理OFDM基帶信號(hào)之前,根據(jù)信號(hào)、信道資源索引產(chǎn)生模塊產(chǎn)生各信號(hào)和信道的資源映射索引,包括小區(qū)參考信號(hào)(Cell Reference Signal,CRS)、用戶特定的參考信號(hào)(UE Specific Reference Signal,UE-RS)、主同步信號(hào)(Primary Synchronization Signal,PSS)、輔同步信號(hào)(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(cè)分析儀對(duì)OFDM基帶信號(hào)進(jìn)行解調(diào),利用保存的CRS索引取出時(shí)頻網(wǎng)格中的CRS資源,進(jìn)行導(dǎo)頻分離,對(duì)取出的導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)行信道估計(jì),而時(shí)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(cè)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(duì)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(hào)、同步信號(hào)以及PBCH信道資源占用的RE位置可能會(huì)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(hào)資源與PBCH數(shù)據(jù)在時(shí)頻資源網(wǎng)格上占用的RE位置,產(chǎn)生對(duì)應(yīng)資源索引以便計(jì)算PDSCH信道資源映射索引時(shí)扣除。

2.1 參考信號(hào)資源索引

LTE-A空口監(jiān)測(cè)分析儀中的參考信號(hào)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(hào)、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(hào)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(hào)映射過(guò)程請(qǐng)參考36.211協(xié)議[9],這里不再贅述。

2.2 同步信號(hào)索引

LTE-TDD制式中,PSS在時(shí)域上映射到子幀號(hào)為1和6的第三個(gè)OFDM符號(hào)上,SSS在時(shí)域上映射到子幀號(hào)為0和5的最后一個(gè)OFDM符號(hào)上;頻域上,PSS和SSS均映射到整個(gè)帶寬中間的6個(gè)資源塊(Resource Block,RB)中,根據(jù)PSS和SSS映射的位置可計(jì)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(shí)隙1上進(jìn)行傳輸,時(shí)域上占用0、1、2、3的4個(gè)符號(hào)進(jìn)行傳遞,頻域上占用72個(gè)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(hào)時(shí)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(jì)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(shí)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(cè)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(gè)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(guò)3個(gè)域指示分配給UE的虛擬資源塊數(shù),通過(guò)DCI攜帶的信息得到三個(gè)域的值:

(a)計(jì)算資源塊組的子集數(shù)p,計(jì)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?cái)?shù):

(4)

3)計(jì)算每個(gè)資源塊組的子集中所包含的虛擬資源塊個(gè)數(shù),參考式(5)計(jì)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(shí),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(shí),資源塊組的子集p的偏移為:

(7)

5)計(jì)算位圖中的每個(gè)比特對(duì)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(duì)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(guò)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(shí):

(9)

2ndGap時(shí):

(10)

3)獲取交織矩陣。

(a)1stGap時(shí):

(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(gè)交織單元,形成一個(gè)交織矩陣。

(b)2ndGap時(shí):

(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(guò)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(guò)程中單位時(shí)間內(nèi)傳送成功的比特?cái)?shù)[12]。本文在分析四種傳輸模式時(shí),在提出的新型解資源映射架構(gòu)下對(duì)整個(gè)過(guò)程的誤碼率和吞吐量進(jìn)行仿真,整個(gè)仿真使用Matlab平臺(tái),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(gè)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(duì)比二者所需要的運(yùn)行時(shí)間,分析改進(jìn)后解資源映射架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。

2)將改進(jìn)的PDSCH解資源映射架構(gòu)放在整個(gè)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(diǎn),同時(shí)也對(duì)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(yàn)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(shí),需要扣除PBCH信道等其他信號(hào)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(jì)算過(guò)一次的,這樣做往往會(huì)重復(fù)計(jì)算信號(hào)和信道占用的RE位置。為解決此問(wèn)題,本文在接收端對(duì)天線接收信號(hào)處理之前,先根據(jù)不同傳輸模式生成同步信號(hào)、參考信號(hào)以及下行信道的資源映射索引,在解資源映射時(shí)直接根據(jù)資源索引定位資源的時(shí)頻位置,取出各信號(hào)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(gè)解資源映射過(guò)程花費(fèi)了0.006 s,改進(jìn)后的解資源映射架構(gòu)下花費(fèi)0.004 s。相對(duì)于傳統(tǒng)架構(gòu),改進(jìn)后架構(gòu)下的解資源映射時(shí)間花費(fèi)減少了33.33%,由此也可以說(shuō)明在硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)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?？梢钥闯?在單天線端口0中,相對(duì)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(shí),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(hào)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(duì)于單天線端口0模式,發(fā)射分集并沒(méi)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(gè)接收天線條件下信噪比在17.5 dB時(shí)已降至最低,吞吐量達(dá)到最高。相對(duì)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(lái)說(shuō),它是通過(guò)同時(shí)傳輸兩個(gè)賦形數(shù)據(jù)流以實(shí)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(gè)用戶能夠在某一時(shí)刻傳輸兩個(gè)數(shù)據(jù)流,因此能夠同時(shí)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(yǔ)

本文提出了一種新型的PDSCH解資源映射架構(gòu),相對(duì)于傳統(tǒng)的PDSCH解資源映射,減少了資源消耗,降低了運(yùn)算量;同時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:相對(duì)于單天線端口0,發(fā)射分集通過(guò)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。