5G廣播系統(tǒng)物理廣播信道的信道估計

李春一

摘? 要： 在研究5G廣播標準協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了基于離散傅里葉變換（DFT）降噪的主/輔同步信號（PSS/SSS）及小區(qū)參考信號（CRS）聯(lián)合信道估計方法，可以在低信噪比、大頻偏和高信道動態(tài)變化的場景下，準確地估計出物理廣播信道（PBCH）的信道狀態(tài)信息.仿真結(jié)果表明：所提出的信道估計方法的性能優(yōu)于傳統(tǒng)方法，有效地提升了5G廣播系統(tǒng)中PBCH的信道估計能力.

關(guān)鍵詞： 物理廣播信道（PBCH）信道估計; 主/輔同步信號（PSS/SSS）; 小區(qū)參考信號（CRS）; 傅里葉變換（DFT）降噪

中圖分類號： TN 919.3??? 文獻標志碼： A??? 文章編號： 1000-5137（2022）02-0193-11

LI Chunyi

（School of Electronic Information and Electrical Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China）

Depending on the current standard protocols for 5G broadcasting system， a joint estimation method based on primary/secondary synchronization signal（PSS/SSS）and cell reference signal（CRS） was proposed in this paper， which used discrete Fourier transform（DFT） to reduce noise. The PBCH channel state could be estimated more accurately in the scene of low signal-to-noise ratio， large frequency deviation and high channel dynamic changes by the above method. The simulation results showed that the proposed estimation methods performed better than the traditional schemes， by which the PBCH channel estimation ability in the 5G broadcasting system could be improved significantly.

physical broadcast channel（PBCH）channel estimation; primary/secondary synchronization signal（PSS/SSS）; cell reference signal（CRS）; discrete Fourier transform（DFT） noise reduction

近年來，移動通信網(wǎng)絡(luò)中的用戶接入量、數(shù)據(jù)傳輸量均快速增長.據(jù)思科公司調(diào)研，到2023年，全球?qū)⒂?0%以上的人口接入移動通信網(wǎng)絡(luò)，整個網(wǎng)絡(luò)中82%的數(shù)據(jù)吞吐量將由視頻傳輸所占據(jù).移動通信系統(tǒng)中的單播（Uni-Cast）模式已逐漸顯現(xiàn)出效率不足、傳輸成本高等缺陷.為此，第三代合作伙伴計劃（3GPP）從2004年開始，陸續(xù)制定了多了個基于移動通信架構(gòu)的廣播多播（Broad/Multi-Cast）傳輸標準，2020年的Release 16版本推出了最新的5G廣播標準.

5G廣播標準采用了長期演進（LTE）的物理廣播信道（PBCH）作為系統(tǒng)接入初始信令的信息承載，用于傳輸諸如帶寬、幀號等的基礎(chǔ)信令信息.接收機在完成基于主/輔同步信號（PSS/SSS）的信號同步后，需要針對PBCH進行信道估計、均衡與解碼.但與LTE單播系統(tǒng)不同，5G廣播對PBCH的幀結(jié)構(gòu)做了較大改動，通過增加重復(fù)播發(fā)的次數(shù)，將PBCH的時間跨度從4個正交頻分復(fù)用（OFDM）符號增加到9個（擴展循環(huán)前置時）或11個（一般循環(huán)前置時）.這使得5G廣播中的PBCH信道估計，相比于傳統(tǒng)LTE單播系統(tǒng)，需要在低信噪比工作場景的基礎(chǔ)上，進一步考慮系統(tǒng)頻偏和信道動態(tài)變化的影響.

傳統(tǒng)LTE單播系統(tǒng)的PBCH信道估計方法，一般利用小區(qū)參考信號（CRS）進行導(dǎo)頻點的信道估計，再通過插值實現(xiàn)整個PBCH的信道估計，但由于CRS個數(shù)較少，在低信噪比下，信道估計的精度不足.HE提出了一種基于PSS反饋的信道估計方法，在一定程度上提高了低信噪比場景下的PBCH信道估計精度;CAO等提出了利用PSS/SSS及CRS進行信道估計的方法，但沒有考慮5G廣播中PBCH時間跨度內(nèi)的接收數(shù)據(jù)量較大，在大頻偏和高信道動態(tài)變化場景下性能不佳，同時，該方法采用了較為簡單的頻域低通濾波對其插值進行降噪，不適用于低信噪比場景;WU等提出了在LTE下行業(yè)務(wù)信道中，采用DFT 降噪的信道估計算法，提高了系統(tǒng)的性能，但沒有考慮該方法與CRS和PSS/SSS在PBCH信道估計中聯(lián)合使用的情況;GUAN等將PSS/SSS的信號同步后，提出了利用CRS信息進行驗證的方法，降低了同步的誤檢和漏檢概率，但并未將此方法用于對PBCH的信道估計.

綜上，基于5G廣播系統(tǒng)中PBCH的信道估計方法亟待改進.本文作者在研究5G廣播系統(tǒng)中多種PBCH信道估計方法的基礎(chǔ)上，利用PSS/SSS及CRS進行聯(lián)合信道估計，并采用DFT進行降噪，通過分析5G廣播系統(tǒng)中PBCH特殊的幀結(jié)構(gòu)，給出了一種分段聯(lián)合估計方法，解決了PBCH對于大頻偏和高信道動態(tài)變化的敏感性問題.仿真結(jié)果表明：所提方法可以有效改善傳統(tǒng)PBCH信道估計方法在5G廣播系統(tǒng)中對抗低信噪比、大頻偏和高信道動態(tài)變化能力不足的問題，顯著提升PBCH信道信息接收解調(diào)的穩(wěn)健性.

1? 5G

廣播標準的發(fā)展背景

LTE技術(shù)擁有頻譜效率高、抗頻率選擇性衰落強等優(yōu)點，是全球第四代移動通信的技術(shù)標準.然而，隨著用戶接入量及多媒體業(yè)務(wù)量的暴發(fā)式增長，LTE系統(tǒng)中的傳統(tǒng)單播傳輸模式，慢慢暴露出了其在特定場景下頻譜效率低、資源浪費嚴重的問題.為此，3GPP在LTE單播標準的基礎(chǔ)上，逐步引入了廣播組播的業(yè)務(wù)形態(tài)，并最終形成了現(xiàn)在的5G廣播標準，如圖1所示.

2004年，3GPP在Rel-6版本中定義了廣播組播服務(wù)（MBMS），并在Rel-9版本中制定了eMBMS標準.2017年，3GPP在Rel-14版本中為LTE系統(tǒng)引入了一種廣播專用模式（MBMS Dedicated?cell），制定了FeMBMS標準.為了提升廣播模式的覆蓋范圍和傳輸能力，3GPP在2020年最新的Rel-16版本中，對MBMS Dedicated?cell模式進行了物理層增強，包括引入PBCH重復(fù)播發(fā)機制，提高了信令傳輸?shù)姆€(wěn)健性與小區(qū)覆蓋范圍，降低了廣播信號接入的延遲.

幀結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)

5G廣播標準的MBMS-dedicated cell模式是一種與移動通信網(wǎng)絡(luò)兼容的專用廣播模式，采用了全新的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計.在MBMS-dedicated cell中，每一個無線幀長度為10ms，4個無線幀組成一個40 ms時長的發(fā)射周期，每個發(fā)射周期又分為小區(qū)采集子幀（CAS）與多播廣播單頻網(wǎng)絡(luò)子幀（MBSFN），如圖2所示.

CAS是整個無線幀的控制區(qū)域，用于傳輸信令，每40 ms發(fā)送一次;除CAS之外的其他部分為MBSFN，用于傳輸業(yè)務(wù)信息.CAS子幀長為1 ms，其子載波間隔固定為15 kHz，支持兩種Cyclic Prefix（CP）模式，即Normal CP和Extended CP.當采用Normal CP時，CAS包含14個OFDM符號;當采用Extended CP時，CAS包含12個OFDM符號.CAS包含用于初始同步的PSS/SSS信號以及用于信令傳輸?shù)?種物理信道，包括：PBCH、物理控制格式指示信道（PCFICH）、物理下行控制信道（PDCCH）和物理共享控制信道（PDSCH）.其中，PBCH信道用于傳輸系統(tǒng)的基本配置，是信號接收解調(diào)的第一個物理信道.由于在接收解調(diào)PBCH信道信息時，接收機尚未完成載波同步和信道估計，對于PBCH的信道估計需要能夠有效適應(yīng)較大的載波頻偏和各種惡劣的信道環(huán)境.

的信道估計

在5G廣播標準的CAS內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，為了提升PBCH的解調(diào)成功率，對PBCH進行了重復(fù)播發(fā)，使得整個PBCH信道的傳輸時間跨度明顯增大.以Extended CP為例，10 MB帶寬的資源分配以及PBCH重復(fù)規(guī)則如圖3所示.

在圖3結(jié)構(gòu)下，由于PBCH信號的時間跨度由4個OFDM符號變?yōu)?個，PBCH信道估計對大頻偏和高動態(tài)信道的變化非常敏感.如何在低信噪比、大頻偏和高動態(tài)信道變化的場景下實現(xiàn)PBCH的精準信道估計，是一個亟待解決的難題.

2? 傳統(tǒng)的PBCH信道估計方法

基于的信道估計方法

基于判決反饋的方法

由于在進行PBCH信道估計前，PSS/SSS已完成同步，可以通過判決反饋，將重構(gòu)后的PSS/SSS信號作為導(dǎo)頻，用于PBCH的信道估計.

基于降噪的聯(lián)合信道估計方法

基于降噪的分段聯(lián)合信道估計方法

4? 仿真驗證

為了驗證所提方法的效果，對AWGN，Rayleigh和3GPP的Tapped Delay Line（TDL）-A3種靜態(tài)信道進行仿真，比較在不同信噪比和不同頻偏下的接收性能.另外，對TDL-D和TDL-E兩種3GPP的動態(tài)信道進行仿真驗證，比較不同信噪比和不同多普勒場景下的性能.

為了提升仿真結(jié)果的正確性，采用了基于蒙特卡羅的方法，觀察采用不同PBCH信道估計算法時的檢測成功率.將基于DFT的PSS/SSS+CRS聯(lián)合信道估計方案命名為聯(lián)合估計方案1，將基于DFT的分段PSS/SSS+CRS聯(lián)合信道估計方案命名為聯(lián)合估計方案2.

Rayleigh信道及3種TDL信道的具體參數(shù)見附錄.仿真所采用的系統(tǒng)參數(shù)如表1所示.

5? 結(jié)論

通過5G廣播標準中PBCH特殊結(jié)構(gòu)對PBCH信道估計的影響分析，提出了兩種基于DFT降噪的PSS/SSS+CRS聯(lián)合信道估計的方法，與傳統(tǒng)PBCH信道估計方法相比，在對抗低信噪比、大頻偏和高信道動態(tài)變化上有明顯優(yōu)勢，可以提升5G廣播接收機的性能，擴大5G廣播系統(tǒng)的應(yīng)用.

參考文獻：

[1]? Cisco System Inc. Cisco visual networking index： forecast and trends， 2018—2023[R/OL]. （2020-06-09）[2021-02-08]. http：//uploadi.www.ris.org/editor/1245967481white_paper_c11-481360.pdf.

[2]? WANG D， CHEN D J， GUAN Y Y. Channel estimation method for physical broadcast channel [J]. Information Technology，2019（2）：88-92.

[3]? HE Z Q. Research on Implementation scheme of TD-LTE system synchronization and channel estimation technology [D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University，2014.

[4]? CAO Z S， LI Y. A method and system for channel estimation of physical broadcast channel：CN101989962A [P]. 2011-03-23.

[5]? WU J Q， ZHAO X. Improved algorithm based on DFT noise reduction for LTE downlink channel estimation [J]. Video Engineering，2013，37（3）：113-117.

[6]? GUAN Y Y，WANG D. A subrange detection algorithm based on LTE system[J]. Mobile Communication，2018，42（12）：57-62.

[7]? HOLMA H， TOSKALA A. Multimedia broadcast/multicast service （MBMS） user services [S]. Stage 1 （Release 6）. Wiley Telecom： Technical Specification Group Services and System Aspects，2004.

[8]? HOLMA H， TOSKALA A. Multimedia broadcast/multicast service [S]. Stage 1 （Release 9）.Wiley Telecom： Technical Specification Group Services and System Aspects，2008.

[9]? FUENTES M， MI D， CHEN H， et al. Physical layer performance evaluation of LTE-advanced pro broadcast and ATSC 3.0 systems [J]. IEEE Transactions on Broadcasting，2019，65：477-488.

[10] XU B， XIA Z， LIU R， et al. Research on OTFS modulation applied in LTE-based 5G terrestrial broadcast [C]// 2020 International Wireless Communications and Mobile Computing. Limassol：IEEE，2020：514-519.

[11] HE D， WANG W， XU Y， et al. Overview of physical layer enhancement for 5G broadcast in release 16 [J]. IEEE Transactions on Broadcasting，2020，66：471-480.

[12] WANG D， MEI Z Q， LIU J Z. An improved PSS synchronization algorithm of primary synchronization signal for 5G system [J]. Journal of Chinese Computer Systems，2021（accepted）.

[13] Advanced Television Systems Committee. ATSC 3.0 PHY Lab performance test plan [R]. Washington D. C.： ATSC，2018.

[14] ETSI. Implementation guidelines for a second?generation digital terrestrial television broadcasting system （DVB-T2） [S].Sophia Antipdis Cedex， France： ETSI，2004.

[15] ETSI. Study on channel model for frequencies from 0.5 to 100 GHz （Release 16） [S]. Sophia Antipdis Cedex， France： ETSI，2004.

（責任編輯：包震宇，顧浩然）