LTE-A空口監測分析儀中PDSCH解資源映射的設計與實現

王美樂,張治中,王光亞

(1.重慶郵電大學 通信網與測試技術重點實驗室,重慶 400065; 2.重慶重郵匯測通信技術有限公司,重慶 401121)(*通信作者電子郵箱 wangmeile1993@163.com)

0 引言

根據中國信息通信研究院最新公布的數據顯示:2016年全球活躍4G網絡達428個,用戶突破10億,預計2020年4G網絡市場份額將占移動網絡的72%[1];截至2017年9月,移動寬帶用戶(3G/4G)占比達78.1%,每月4G手機出貨量占比基本高于90%[2]?？梢钥闯?由于4G的新架構設計和較好的向后兼容性,已經使其在全球范圍內進行大規模應用并成為有史以來發展最快的網絡[3]。

鑒于增強型長期演進(Long Term Evolution-Advanced, LTE-A)網絡中改變了網絡架構以及新增了無線通信新技術,需要有新型的無線網絡分析和優化的儀器儀表來滿足當前網絡測試需求[4]。目前,美國和日本均研發出了相關的長期演進(Long Term Evolution,LTE)空口監測儀器并得到了成熟的應用,但是國內在空口測試儀方面并沒有成熟的產品。雖然福祿克和信而泰兩家公司均研發出了網絡測試儀,但是只能針對特定的終端測試和解決網絡連通性問題。因此LTE-A空口監測分析儀的產生,使國內高端儀表匱乏的狀況得到緩解。相對于美國和日本研制的LTE空口監測儀器,該分析儀降低了操作復雜度,減少了設備的體積并降低了功耗,使其具有非常高的商業價值。對國內儀器儀表的發展來說,該分析儀基于標準化的空口協議解析,不會受限于特定的終端,因此對國內測試儀表的發展具有明顯的推動作用。LTE-A空口監測分析儀傳輸模式支持單天線端口0模式、發射分集模式、單流波束賦形模式以及雙流波束賦形模式,滿足當前網絡測試需求[5]。

在LTE-A空口監測分析儀中,物理下行共享信道(Physical Downlink Shared CHannel,PDSCH)解資源映射為LTE-A空口監測分析儀提供物理層支持,同時為監測儀發揮準確和可靠的監測功能提供基本的前提。近年來,也有相當一部分的研究人員對此進行研究:楊博雄等[5]在其研究中分析了應用頻分雙工(Frequency Division Duplexing,FDD)的LTE無線通信系統中多輸入多輸出系統(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)的下行傳輸模式,但是傳輸模式只研究了三種,而隨著通信行業的發展,下行鏈路中的傳輸模式已經超過十種;許超等[6]給出了應用時分雙工(Time Division Duplexing,TDD)的LTE下行五個物理信道以及同步信號和參考信號兩個信號解資源映射的算法,但只是按照傳統的算法進行分析和仿真,并沒有在基礎上進行改進;王曉龍等[7]詳細介紹了PDSCH信道的三種資源分配方式,并分析其優缺點,但是分析的也只是傳統的資源分配方式。

本文結合了傳輸模式與PDSCH信道的三種資源分配,研究四種經典傳輸模式下PDSCH解資源映射的方法,并且針對傳統解資源映射的架構提出改進,改進后的解資源映射模塊已經應用到LTE-A空口監測分析儀中,驗證了該模塊的可靠性。

1 解資源映射整體結構

傳統的PDSCH解資源映射時,需要扣除物理層廣播信道(Physical Broadcast CHannel,PBCH)等其他信號和信道占用的資源元素(Resource Element,RE),但該RE資源往往是在PDSCH解資源映射前已經計算過一次的,這樣做往往會重復計算信號和信道占用的RE位置。因此在本文設計的解資源映射架構中,在接收端對天線接收信號處理之前,先根據不同傳輸模式生成同步信號、參考信號以及下行信道的資源映射索引,在解資源映射時直接根據資源索引定位資源的時頻位置,取出各信號與信道資源。物理層中,LTE-A空口監測分析儀對接收到的正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)信號處理流程如圖1所示。

可以看出,本文設計的解資源映射模塊整體結構主要包括兩個部分:

1)在LTE-A空口監測分析儀處理OFDM基帶信號之前,根據信號、信道資源索引產生模塊產生各信號和信道的資源映射索引,包括小區參考信號(Cell Reference Signal,CRS)、用戶特定的參考信號(UE Specific Reference Signal,UE-RS)、主同步信號(Primary Synchronization Signal,PSS)、輔同步信號(Secondary Synchronization Signal,SSS)、PBCH信道以及PDSCH信道。

2)根據PDSCH資源映射索引取出信道資源:LTE-A空口監測分析儀對OFDM基帶信號進行解調,利用保存的CRS索引取出時頻網格中的CRS資源,進行導頻分離,對取出的導頻信號進行信道估計,而時頻網格中的PDSCH信道資源可根據之前產生的PDSCH資源索引定位,直接取出PDSCH信道資源。

圖1 LTE-A空口監測分析儀中解資源映射的整體結構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應資源即可,因此本文只詳細介紹第1)部分。

2 資源映射索引產生模塊

鑒于參考信號、同步信號以及PBCH信道資源占用的RE位置可能會與PDSCH信道資源位置重復,因此,在產生PDSCH信道資源索引之前,需要考慮各信號資源與PBCH數據在時頻資源網格上占用的RE位置,產生對應資源索引以便計算PDSCH信道資源映射索引時扣除。

2.1 參考信號資源索引

LTE-A空口監測分析儀中的參考信號包含CRS和UE-RS兩種類型。CRS的RE位置與物理小區ID、天線端口號、下行循環前綴(Cyclic Prefix, CP)類型以及頻率偏移有關[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,再根據下行子幀類型進行資源映射。詳細的兩種參考信號映射過程請參考36.211協議[9],這里不再贅述。

2.2 同步信號索引

LTE-TDD制式中,PSS在時域上映射到子幀號為1和6的第三個OFDM符號上,SSS在時域上映射到子幀號為0和5的最后一個OFDM符號上;頻域上,PSS和SSS均映射到整個帶寬中間的6個資源塊(Resource Block,RB)中,根據PSS和SSS映射的位置可計算二者的資源索引。

2.3 PBCH信道索引

PBCH信道在TDD制式子幀0的時隙1上進行傳輸,時域上占用0、1、2、3的4個符號進行傳遞,頻域上占用72個RE資源,按照式(1)進行映射:

(1)

2.4 PDSCH信道索引

下行PDSCH信道資源索引產生的流程如圖2所示。

圖2 PDSCH信道索引產生流程Fig. 2 PDSCH channel index generation flow

由于在此之前已經扣除了CRS占用的RE資源,因此在為PDSCH的物理資源塊(Physical RB,PRB)編號時不需要考慮CRS的位置。PDSCH信道資源分配有三種類型,分配類型不同,計算PDSCH信道資源映射索引的方法不同,在第3章詳細介紹。在產生PDSCH資源索引后,根據資源索引定位PDSCH信道資源在時頻資源網格中的位置,提取PDSCH信道資源。

3 PDSCH資源分配類型

LTE-A空口監測分析儀中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內相關比特配置決定。

3.1 資源分配類型0

類型0以資源塊組(Resource Block Group, RBG)為調度單位。資源分配分為三步:

1)如表1所示,RBG大小P由系統帶寬確定。

表1 系統帶寬與RBG大小的關系Tab. 1 Relationship of system bandwidth and RBG size

2)確定資源塊組總數,公式為:

(2)

3)位圖(bitmap)攜帶NRBG個比特,最終根據位圖確定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)為調度單位,資源分配具體步驟如下:

1)與類型0相同,根據帶寬得出P的值。

2)DCI通過3個域指示分配給UE的虛擬資源塊數,通過DCI攜帶的信息得到三個域的值:

(a)計算資源塊組的子集數p,計算公式為:

p=「lb (P)?

(3)

(b)偏移量1比特(shift bit):指定子集內的資源是否偏移;

(c)位圖(bitmap),即包含的比特數:

(4)

3)計算每個資源塊組的子集中所包含的虛擬資源塊個數,參考式(5)計算:

(5)

4)根據偏移比特確定是否偏移:

當偏移比特為0時,資源塊組的子集p的偏移為:

Δshift(p)=0

(6)

當偏移比特為1時,資源塊組的子集p的偏移為:

(7)

5)計算位圖中的每個比特對應的虛擬資源塊數:

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應關系[11],在分布式中,虛擬資源塊到物理資源塊的映射過程分以下步驟:

1)如表2所示,根據系統帶寬獲取間隔Gap,但是協議規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 系統帶寬與Gap參數的關系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:

(9)

2ndGap時:

(10)

3)獲取交織矩陣。

(a)1stGap時:

(11)

所有用于分布式調度的虛擬資源塊資源只能組成一個交織單元,形成一個交織矩陣。

(b)2ndGap時:

(12)

若帶寬不同,則交織矩陣數量不同。

4)虛擬資源塊向物理資源塊映射。

4 仿真結果及分析

4.1 仿真環境

在通信系統中,誤碼率指示傳輸過程中傳輸信息的可靠性,是通信系統質量的重要指標之一;吞吐量是指通信過程中單位時間內傳送成功的比特數[12]。本文在分析四種傳輸模式時,在提出的新型解資源映射架構下對整個過程的誤碼率和吞吐量進行仿真,整個仿真使用Matlab平臺,部分仿真參數如表3所示。

表3 仿真參數Tab. 3 Simulation parameters

本文的仿真包括兩個部分:

1)將改進的PDSCH解資源映射架構與傳統的解資源映射放在LTE-A鏈路層中,對比二者所需要的運行時間,分析改進后解資源映射架構的優點。

2)將改進的PDSCH解資源映射架構放在整個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缺點,同時也對新型架構下的解資源映射的效率以及可靠性方面進行驗證。

4.2 不同PDSCH解資源映射架構的仿真結果

傳統的PDSCH解資源映射時,需要扣除PBCH信道等其他信號和信道占用的RE資源,但該RE資源往往是在PDSCH解資源映射前已經計算過一次的,這樣做往往會重復計算信號和信道占用的RE位置。為解決此問題,本文在接收端對天線接收信號處理之前,先根據不同傳輸模式生成同步信號、參考信號以及下行信道的資源映射索引,在解資源映射時直接根據資源索引定位資源的時頻位置,取出各信號與信道資源。

在保證可靠性的條件下,傳統解資源映射架構下整個解資源映射過程花費了0.006 s,改進后的解資源映射架構下花費0.004 s。相對于傳統架構,改進后架構下的解資源映射時間花費減少了33.33%,由此也可以說明在硬件實現時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果

1)單天線端口0模式的仿真結果如圖3所示?？梢钥闯?在單天線端口0中,相對于單發單收模式,單發4收的整體誤碼率更低。相同誤碼率條件下,單發4收所需的信噪比比單發單收大約低5 dB。相同信噪比情況下,單發4收的吞吐量明顯比單發單收高,且在22 dB時,二者吞吐量達到最高且相同。

圖3 單天線端口0模式的仿真結果Fig. 3 Simulation results for single antenna port 0 mode

2)發射分集模式下的仿真結果如圖4所示。發射分集模式是指相同的數據在多根發射天線上冗余發送,因此提升了信號與干擾加噪聲比(Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR),降低了系統的誤碼率。但是相對于單天線端口0模式,發射分集并沒有提高小區吞吐量。

圖4 發射分集模式的仿真結果Fig. 4 Simulation results for transmit diversity mode

3)單流波束賦形模式下的仿真結果如圖5所示。單流波束賦形模式在4個接收天線條件下信噪比在17.5 dB時已降至最低,吞吐量達到最高。相對于單天線端口0模式和發射分集模式,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果Fig. 5 Simulation results for single-stream beamforming

4)雙流波束賦形模式的仿真結果如圖6所示。雙流波束賦形模式是單流波束賦形和空間復用模式的結合,本質上來說,它是通過同時傳輸兩個賦形數據流以實現空間復用。本文只仿真了單用戶雙流波束賦形技術,單個用戶能夠在某一時刻傳輸兩個數據流,因此能夠同時獲取賦形增益和空間復用增益,系統容量更高。

圖6 雙流波束賦形下的仿真結果Fig. 6 Simulation results for dual stream beamforming mode

5 結語

本文提出了一種新型的PDSCH解資源映射架構,相對于傳統的PDSCH解資源映射,減少了資源消耗,降低了運算量;同時研究了單天線端口0、發射分集、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,把改進后的PDSCH解資源映射模塊放在LTE-A鏈路層進行仿真,得到四種傳輸模式下的仿真結果,實驗結果表明:相對于單天線端口0,發射分集通過提升信噪比,降低了系統誤碼率;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,進一步提高了系統容量。