長期演進(jìn)系統(tǒng)下行短幀結(jié)構(gòu)及其導(dǎo)頻圖樣設(shè)計

謝培浩 張靜 蘇穎

摘 要： 在長期演進(jìn)（LTE） 系統(tǒng)下行鏈路中，使用短幀傳輸數(shù)據(jù)可達(dá)到降低通信時延的目的.由于縮短幀的長度會造成系統(tǒng)性能的損失，為權(quán)衡系統(tǒng)吞吐量和信道估計質(zhì)量之間的關(guān)系，給出一種新的小區(qū)專用參考信號（CRS）映射圖樣.鏈路級仿真結(jié)果表明：所設(shè)計的短幀導(dǎo)頻圖樣在滿足LTE系統(tǒng)下行吞吐量要求的同時，可提高信道估計質(zhì)量并降低系統(tǒng)的誤碼率.

關(guān)鍵詞： 低時延; 短幀; 導(dǎo)頻圖樣; 信道估計; 吞吐量

中圖分類號： TN 929.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號： 1000-5137（2019）01-0038-05

Abstract： In this paper，short frame was introduced to transmit data in the long term evolution （LTE） system downlink to reduce communication delay.Since the reduction of the frame length would degrade system performance，a new cell-specific reference signal （CRS） mapping pattern was proposed in order to balance the relationship between the system throughput and the channel estimation quality.Link-level simulation results showed that the proposed method could satisfy system throughput requirement while improving the channel estimation quality and reducing system error rate.

Key words： low latency; short frame; pilot pattern; channel estimation; system throughput

0 引 言

空中接口的傳輸時延是無線通信系統(tǒng)中一項重要的性能指標(biāo).第五代（5G）移動通信系統(tǒng)可以隨時隨地提供信息和數(shù)據(jù)共享，其在高可靠低時延場景下所提供的1 ms空中接口時延和毫秒級別的端到端時延，使其可支持各種對時延有著嚴(yán)格要求的業(yè)務(wù)，如遠(yuǎn)程工業(yè)控制、汽車自動駕駛和觸覺互聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用.然而，當(dāng)前長期演進(jìn)（LTE）和高級LTE（LTE-A）系統(tǒng)中單向用戶的平均時延約為5 ms，還無法達(dá)到低時延標(biāo)準(zhǔn).

第三代合作伙伴計劃（3GPP）在第14個版本報告中認(rèn)為，縮短子幀長是降低通信時延的關(guān)鍵技術(shù)之一.可以通過兩種方法縮短子幀長度：1）擴(kuò)大子載波間隔，縮短每個正交頻分復(fù)用（OFDM）符號的長度;2）在保持子載波間隔不變的情況下，減少子幀內(nèi)OFDM符號個數(shù)，即在原LTE系統(tǒng)子幀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，從第一個OFDM符號開始連續(xù)選取若干個（小于14個）OFDM符號構(gòu)成新的子幀[1].采用方法1，會大幅降低系統(tǒng)的吞吐量，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的傳輸性能，而采用方法2，將減少子幀內(nèi)待處理的數(shù)據(jù)，降低鏈路各處的處理、等待時延.

本研究在方法2的基礎(chǔ)上，針對OFDM符號個數(shù)大于5且小于9的短幀，提出一種新的小區(qū)專用參考信號（CRS）映射圖樣，在LTE系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將原本針對每個時隙進(jìn)行的CRS映射過程調(diào)整為針對每個子幀進(jìn)行映射，并仿真對比了原LTE系統(tǒng)子幀，6個符號子幀和本文作者提出的子幀三者的映射圖樣在系統(tǒng)吞吐量和誤碼率（BER）上性能的優(yōu)劣.

1 LTE系統(tǒng)下行鏈路的短幀

每個LTE系統(tǒng)下行鏈路的子幀幀長1 ms，由兩個0.5 ms的時隙組成，在常規(guī)循環(huán)前綴（CP）的情況下每個子幀由14個OFDM符號組成.基本資源映射單位分別為資源元素（RE）和資源塊（RB），其中，每個RE由1個OFDM符號持續(xù)時間和1個子載波間隔構(gòu)成，每個RB由7個OFDM符號持續(xù)時間和12個子載波間隔構(gòu)成.在時頻資源映射過程中，每個子幀的前兩或三個（由系統(tǒng)配置決定）OFDM符號用來傳輸控制信號，并且每個RB根據(jù)天線端口配置，都對應(yīng)固定個數(shù)的RE，用于傳輸CRS.

由于子幀中映射的信道或信號種類過多，且又存在占用固定數(shù)量RE的信號，因此子幀設(shè)置過短，信號不容易在現(xiàn)有LTE系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn).同時，減少子幀內(nèi)RE個數(shù)，使更多頻帶資源被用于傳輸控制和參考信號，導(dǎo)致鏈路覆蓋范圍過窄，造成控制和參考信號開銷過大等相關(guān)問題，對系統(tǒng)性能削弱較大.因此，盡管短幀在降低時延上可行，但同時也會抵消部分系統(tǒng)增益.

2 時隙級短幀參考信號的映射圖樣

CRS是LTE系統(tǒng)下行鏈路特有的參考信號，用于下行信道質(zhì)量的測量以及下行信道的估計，其映射圖樣與用戶設(shè)備（UE）端的相干檢測和解調(diào)有關(guān).CRS實際上是一串偽隨機(jī)序列，其映射規(guī)則如下：[2]

3 仿真結(jié)果與分析

本仿真實驗基于維也納大學(xué)LTE鏈路及MATLAB仿真平臺進(jìn)行，主要討論短幀中不同的導(dǎo)頻圖樣在吞吐量和誤碼率兩個方面上對系統(tǒng)性能的影響.仿真參數(shù)設(shè)置如下：載波頻率為2.5 GHz;系統(tǒng)帶寬為20 MHz;子幀長度為6或14個OFDM符號持續(xù)時間;子載波間隔為15 kHz和20 kHz;信道模型為擴(kuò)展典型城市信道模型（ETU）;天線配置為用戶端1根接收天線，基站端1根發(fā)射天線;循環(huán)前綴長度為常規(guī);用戶的速度為30 km·h-1;接收機(jī)類型為破零接收機(jī).

將原LTE系統(tǒng)的子載波間隔（15 kHz）調(diào)整為60 kHz，系統(tǒng)吞吐量的變化如圖1所示.從圖1可以看出，當(dāng)子載波間隔為60 kHz時，吞吐量并不滿足LTE網(wǎng)絡(luò)的性能要求（LTE單用戶每兆赫茲平均吞吐量為R6 高速下行分組接入的3～4倍，即當(dāng)帶寬為20 MHz時下行吞吐量為30～45 Mbit·s-1）.雖然通過增加子載波間隔，縮短OFDM符號長度可以達(dá)到減少通信時延的效果，但是若保持系統(tǒng)帶寬不變，由于子載波間隔擴(kuò)大，系統(tǒng)所能分配的RB個數(shù)就會減少，造成頻率資源浪費，頻譜利用率降低，從而導(dǎo)致系統(tǒng)吞吐量的減少.然而，通過擴(kuò)大子載波間隔縮短時延的方法無需更改子幀內(nèi)各類信道（如下行控制信道）以及控制信號（如同步信號、參考信號）的映射方法，就可以縮短幀長.由于子載波間隔個數(shù)是以2的指數(shù)倍遞增（子載波間隔最多為480 kHz），在不改變子幀內(nèi)OFDM符號個數(shù)的情況下，子幀的長度也以2的指數(shù)倍縮短，降低時延的效果十分明顯.

圖2為在原LTE系統(tǒng)子幀、6個符號的子幀及作者提出的6個符號子幀三種結(jié)構(gòu)下，系統(tǒng)吞吐量隨信噪比（SNR）的變化情況.從圖2可以看出，6個符號的子幀在吞吐量性能上與原LTE系統(tǒng)接近，這是因為其在資源映射結(jié)構(gòu)上與7個符號的子幀相似，而7個符號的子幀則取自原LTE系統(tǒng)子幀中的一個時隙.而在本文作者提出的6個符號子幀中增加了參考信號，使更多的時頻資源被用于發(fā)射CRS，相較于原6個符號的子幀，吞吐量有所降低，但其吞吐量滿足LTE系統(tǒng)要求.

圖3為原LTE系統(tǒng)子幀、6個符號的子幀及作者提出的6個符號子幀三種結(jié)構(gòu)下，系統(tǒng)誤碼率Br的對數(shù)隨信噪比的變化情況.從圖3中可以看出：在SNR階段，三種子幀的Br相差不大;在高SNR階段，由于參考信號個數(shù)的增加，在子幀映射資源結(jié)構(gòu)中，傳輸數(shù)據(jù)與參考信號間隔相應(yīng)減少，采用本文作者提出的6個符號子幀的BER明顯低于另外兩種子幀結(jié)構(gòu).因此，作者提出的6個符號子幀在保證吞吐量的前提下，達(dá)到了提高信道估計質(zhì)量，降低系統(tǒng)Br，提高通信可靠性的目的.

4 結(jié) 論

比較了縮短OFDM符號長度和減少子幀內(nèi)OFDM符號這兩種減少通信時延的方法對通信系統(tǒng)吞吐量的影響.通過將子幀內(nèi)OFDM符號減少為6個，可達(dá)到縮短通信時延的目的，并基于此6個符號的子幀設(shè)計了新的CRS映射圖樣.仿真結(jié)果表明：此圖樣在滿足LTE系統(tǒng)吞吐量要求的同時，降低了系統(tǒng)的誤碼率.

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（責(zé)任編輯：包震宇，顧浩然）