CN102325103A - Lte-a系统扩展cp的参考信号设计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LTE-A系统扩展CP的参考信号设计方法及系统，属于长期演进导频设计技术和信道估计技术领域。本发明包括：下行链路相关参数确定步骤，确定下行链路层3、层4参考信号的开销、复用方式以及在子帧中的位置，DMRS图样列举步骤，列举出四种导频图样，以及导频图样确定步骤，对四种导频图样进行MSE性能仿真，均方误差最小的导频图样为系统的最优导频图样。本发明提出的导频信号图案，使得信道估计后的MSE最小，系统的BLER性能最好，同时还保持了与Rank1-2的兼容性，减少了系统设计的开销和复杂度。

Description

LTE-A系统扩展CP的参考信号设计方法及系统

技术领域

本发明涉及一种LTE-A系统扩展CP的参考信号设计方法及系统，属于长期演进(Long Term Evolution-Advanced，LTE-A)导频设计技术和信道估计技术领域。 

背景技术

LTE-A是LTE-Advanced的简称，是LTE技术的后续演进，其目的是为满足未来无线通信市场的更高需求和更多应用，同时还要保持对LTE较好的后向兼容性。支持多种覆盖场景，提供从宏蜂窝到室内场景的无缝覆盖；重点解决低速移动环境中的高速数据传输，包括进一步降低技术成本和能耗等；性能指标是系统带宽大于20MHZ，支持的下行峰值速率为1Gbit/s，频谱效率提高到30bit/s/HZ，上行峰值速率为500Mbit/s，频谱效率提高到15bit/s/HZ。 

LTE-A的下行链路采用正交频分复用多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA)作为下行的基本传输技术。在下行传输时，为了避免多径效应造成符号间的干扰，在每个OFDM符号前都会加上循环前缀(Cyclic Prefix，CP)，根据持续时间不同，CP可分为常规CP和扩展CP。基于OFDMA传输技术，LTE-A从时域和频域两个维度来定义下行传输资源：从时域上来说，最大的单位是10毫秒(ms)的无线帧，每个无线帧分成10个1ms的子帧，每个子帧又分成2个时隙(slot)，每个时隙在常规CP下包含7个OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiple，正交频 分复用)符号，在扩展CP下包括6个OFDM符号。从频域上来说则以一个子载波为单位。资源粒子(Resource Element，RE)是下行传输的最小资源单位，其大小为1个子载波和1个OFDM符号，资源块(Resource Block，RB)定义在RE之上，在频域上等于12个子载波，在时域上等于一个时隙。LTE-A下行链路的基本时频资源结构如图1所示。 

LTE-A下行物理信道的基带信号处理过程包括加扰、调制、层映射、预编码及针对各个物理天线端口的资源映射和OFDM信号生成的过程，如图2所示。其中层映射即将复值调制符号映射到一个或者多个传输层，一个传输层对应于一个无线发射模式，使用的传输层的个数就叫阶(Rank)，层数目小于或者等于物理信道传输所使用的天线端口数。层映射与预编码实际上就是为了满足不同天线配置而进行的多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)操作。 

在LTE-A增强技术中包括下行更高阶MIMO技术，最高支持8层数据传输，这样在LTE-A中就需要增加新的参考信号(Reference Signal，RS)和复用方法以支持更高阶MIMO技术。LTE-A定义了两种下行参考信号，一种用于物理下行链路共享信道(Physical Downlink Shared Chanel，PDSCH)解调的参考信号(DMRS，Demodulation Reference Signal)，具有三个特点：(1)终端专用，(2)在传输时，资源块和层只被eNodeB(基站)调度，(3)不同层发送的RS是相互正交的。另一种是用于估计信道状态信息(CSI，Channel State Information)的参考信号(CSI-RS，简称CRS)，具有三个特点：(1)小区专用，(2)在时频域上是稀疏的，(3)在子帧的数据区域通过穿孔实现。根据应用场景的不同，LTE-A系统支持两种CP的系统配置，即常规CP和扩展CP。常规CP主要用于单播业务，扩展CP用于支持LTE-A大范围小区覆盖和多小区广播业务。 

基于参考信号的信道估计方法，就是利用导频信号对信道在时频空间的不同点上进行采样，然后再采用插值滤波得到整个信道的频率响应值完成信道估计。目前，已经确定LTE-A中扩展CP的DMRS开销，即在层数为1或2(Rank1-2)的情况下采用码分复用(Code Division Multiple，CDM)方式，在每个子帧中参考信号共占用16个RE(Resource Element)；在Rank3-8情况下采用CDM+频分复用(FDM)的混合复用方式，在每个子帧中参考信号共占用32个RE。同时，针对Rank1-2的DMRS导频图样设计也已经进行了详尽的研究，如图3(a)、图3(b)、图3(c)所示，根据仿真性能的比较，第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project，3GPP)最终选定Option 2的交错结构作为扩展CP Rank1-2的DMRS图样，即参考信号映射在一个子帧的第5、6、11、12个OFDM符号上，频域上每隔两个子载波插入一个公共参考符号，但在第5、6个OFDM符号上的参考信号与第11、12个OFDM符号上的参考信号在频域上是交错放置的。 

扩展CP是小区专用行为，不是终端专用行为，这也就意味着在适当的信道环境下，一些终端还是可能进行高秩传输的。然而，目前的参考信号图样只是针对Rank1-2情况，不适用于高阶MIMO，因此针对Rank3-4扩展CP的参考信号设计是非常必要的。通过结合Rank1-2扩展CP的DMRS图样和设计原则，利用性能仿真确定出Rank3-4扩展CP的DMRS图样，将能在高秩传输时获得很好的信道估计性能，并实现了与低秩传输的兼容性，减少不必要的开支。 

发明内容

本发明提供了一种LTE-A系统扩展CP的参考信号设计方法及系统，本发明在原有的下行链路Rank1-2参考信号的基础上加入了第三层和第四层上的参考信号，并结合信道估计技术，使得LTE传输不仅适用于低阶MIMO，同时也适用于高阶MIMO。 

本发明采取了如下技术方案： 

本发明通过结合已经确定的Rank1-2参考信号图样提出Rank3-4参考信号的开销和复用方式，然后采用穷举法列举出所有的参考信号图样，最后利用仿真对所有可能的参考信号图案分别进行性能仿真，得到最优的导频信号图案。 

本发明中的LTE-A系统扩展CP的参考信号设计方法，具体包括如下步骤：设计原则确定步骤，确定第3层、第4层参考信号的设计原则，包括对参考信号开销、复用方式以及在子帧中的位置的确定；参考信号导频图样列举步骤，基于所述设计原则，寻找出所有符合要求的导频图样；最优导频图样确定步骤，对各种导频图样进行MSE性能仿真，选择MSE最小的导频图样为系统的导频图样。 

所述设计原则确定步骤进一步包括：所述第3层或第4层的参考信号在每个子帧中占用16个RE，所述第三层、第四层的参考信号通过FDM方式与所述第一层、第二层的参考信号进行复用。 

所述参考信号导频图样列举步骤进一步包括，所述第3层和第4层的参考信号的时域位置与所述第1层和第2层参考信号的时域位置一致，即在时域上占据第5、第6、第11、第12个OFDM符号，共得到以下四种导频图样：在所述第5个和第6个OFDM符号上，所述第3层和第4层的参考信号位于所述第1层和第2层参考信号的上方；在所述第5个和第6个OFDM符号上，所述第3层和第4层的参考信号位于所述第1层和第2层参考信号的下方；在所述第11个和第12个OFDM符号上，所述第3层和第4层的参考信号位于所述第1层和第2层参考信号的上方；在所述第11个和第12个OFDM符号上，所述第3层和第4层的参考信号位于所述第1层和第2层参考信号的下方。 

一种LTE-A系统扩展CP的参考信号设计系统，包括：设计原 则确定模块，用于确定所述第3层或第4层的参考信号在每个子帧中占用16个RE，确定所述第三层、第四层的参考信号通过FDM方式与所述第一层、第二层的参考信号进行复用；参考信号导频图样列举模块，用于寻找出所有符合所述设计原则的导频图样，所述第3层和第4层的参考信号的时域位置与所述第1层和第2层参考信号的时域位置一致，即在时域上占据第5、第6、第11、第12个OFDM符号；最优导频图样确定模块，用于对各种导频图样进行MSE性能仿真，选择MSE最小的导频图样为系统的导频图样。 

相对于现有技术而言，本发明具有以下优点： 

1)本发明提出的LTE-A系统扩展CP应用场景下的下行链路Rank3-4的参考信号设计方案解决了高阶MIMO情况下信道的估计问题。 

2)本发明设计的导频信号图案，使得信道估计后的MSE最小，系统的BLER性能最好。 

3)本发明中的导频信号图案保持了与Rank1-2的兼容性，减少了系统设计的开销和复杂度。 

附图说明

图1为LTE-A系统下行物理信道数据处理过程； 

图2为LTE-A系统下行链路的基本时频资源结构图； 

图3(a)为扩展CP Rank1-2的参考信号无交错图样1； 

图3(b)为扩展CP Rank1-2的参考信号交错图样2； 

图3(c)为扩展CP Rank1-2的参考信号交错图样3； 

图4为本发明的方法流程图； 

图5为本发明的结构示意图； 

图6为扩展CP Rank3-4的DMRS图样可能位置分析图； 

图7(a)为采用穷举法获得的扩展CP Rank3-4的DMRS图样1； 

图7(b)为采用穷举法获得的扩展CP Rank3-4的DMRS图样2； 

图7(c)为采用穷举法获得的扩展CP Rank3-4的DMRS图样3； 

图7(d)为采用穷举法获得的扩展CP Rank3-4的DMRS图样4； 

图8为ETU信道3km/h下Rank4不同DMRS图样的MSE性能比较； 

图9为MVB信道3km/h下Rank4不同DMRS图样的MSE性能比较； 

图10为ETU信道60km/h下Rank4不同DMRS图样的MSE性能比较； 

图11为MVB信道60km/h下Rank4不同DMRS图样的MSE性能比较； 

图12为MVB信道3km/h下Rank4不同DMRS图样的BLER性能比较； 

图13为MVB信道60km/h下Rank4不同DMRS图样的BLER性能比较。 

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 

本发明提供了一种LTE-A系统扩展CP的参考信号设计方法，如图4所示，包括如下步骤：设计原则确定步骤S401，确定第3层、第4层参考信号的设计原则，包括对参考信号开销和复用方式；考信号导频图样列举步骤S402，基于所述设计原则，寻找出所有符合要求的导频图样；最优导频图样确定步骤S403，对各种导频图样进行MSE性能仿真，选择MSE最小的导频图样为系统的导频图样。 

本发明提供了一种LTE-A系统扩展CP的参考信号设计系统，其结构如图5所示，包括：设计原则确定模块S501，用于确定所述第3层或第4层的参考信号在每个子帧中占用16个RE，确定所述第三层、第四层的参考信号通过FDM方式与所述第一层、第二层的参考信号进行复用。参考信号导频图样列举模块S502；用于寻找出所有符合所述设计原则的导频图样，所述第3层和第4层的参考信号的时域位置与所述第1层和第2层参考信号的时域位置一致，即在时域上占据第5、第6、第11、第12个OFDM符号；最优导频图样确定模块S503，用于对各种导频图样进行MSE性能仿真，选择MSE最小的导频图样为系统的导频图样。 

设计原则确定步骤401进一步包括：1)确定DMRS的开销、复用方式以及在子帧中的位置，其具体方法为：首先，确定DMRS的开销和复用方式。在Rank1-2情况下，每层的参考信号在每个子帧中占用16个RE，且第一层和第二层的参考信号通过CDM方式进行复用，即两层上参考信号的时频域位置完全一致，时域上连续两个RE上的码字进行正交，如第一层上第5、6个和第11、12个OFDM符号上的参考符号分别与第二层上相应位置处的参考符号相互正交。在LTE-A常规CP情况下，当Rank＝3或4时，第三、四层的参考信号通过FDM方式与第一、二层参考信号进行复用，即时域位置不变，频域位置发生改变。因此，为了保证兼容性，在LTE-A系统扩展CP Rank3-4的情况下，每层的参考信号开销为每个子帧中 16个RE，所有层的参考信号通过混合复用方式共占用32个RE。2)确定DMRS的位置。Rank3-4的DMRS图样是对Rank1-2的DMRS图样的扩展，即在保持Rank1-2参考信号位置不变的情况下，在其他位置放置第层3和第层4的参考信号。这样是为了能找到一种符合所有Rank的统一的信道估计器，从而控制小区内干扰。 

考信号导频图样列举步骤402利用穷举法进行最优导频设计。根据上述确定的DMRS设计原则，确定搜索空间，列举出所有符合上述导频设计要求的导频图样，并逐个计算信道的均方误差(Mean Square Error，MSE)，从而找到具有最小MSE的导频图样，作为系统的最优导频图样，然后用误比特率(BLER)曲线来验证。具体步骤如下所示： 

首先，根据上述所确定的DMRS的开销、复用方式以及在子帧中的位置，列举出所有可能的DMRS图样。 

然后，对每一种图样进行性能仿真，计算经过信道估计后的MSE。 

假设给定导频符号X，接收符号为y，信道矩阵为H，则经过信道估计后得到的矩阵为 

可求得最小均方误差为C_MMSE(H)。 

接着，找到最小MSE的导频图样，作为系统的最优导频图样，最后用BLER曲线来验证所找图样的准确性。

实施例： 

下面结合附图对本发明的方法加以详细说明。 

1、列举出所有可能的参考信号图样 

本发明是采用LTE-A系统的穷举法设计参考信号。该方法以LTE-A系统的一个子帧为单位，根据参考信号开销和后向兼容性要求，然后利用穷举法确定所有符合条件的参考信号图样。 

根据已有的参考信号开销、参考信号的复用方式和后向兼容性，可以得到LTE-A中扩展CP的Rank3-4参考信号的开销、复用方式以及在子帧中的位置，具体如下所示： 

(1)在Rank3-4情况下，每层的参考信号在每个子帧中占用16个RE，所有层的参考信号通过CDM+FDM的混合复用方式共占用32个RE。 

(2)Rank3-4的DMRS图样是对Rank1-2的DMRS图样的扩展，即在保持Rank1-2参考信号位置不变的情况下，在其他位置放置层3或层4的参考信号。 

因此，再利用穷举法得到的扩展CP Rank3-4的所有DMRS图样如图6所示。第1层和第2层的DMRS通过在时域两个连续RE上应用叠加正交码(OCC)实现CDM复用，分别位于第5、6个和第11、12个OFDM符号上。为了保持与常规CP设计原则的一致性，第3层和第4层的DMRS也在时域两个连续RE上应用CDM实现OCC复用，且时域位置与第1层和第2层的DMRS相同，而DMRS的第3层和第4层和DMRS的第1层和第2层则通过FDM方式进行复用，即时频位置是交错的。在第5和第6个OFDM符号上，第3层和第4层的DMRS共有2种可能位置，即位于左斜线参考信号的上方或下方，分别如图6中①和②所示位置；同理，在第11和第12个OFDM符号上，第3层和第4层的DMRS也共有2种可能位置，即位于左斜线参考信号的下方第一行或下方的第二行，分别如图6中③和④所示的位置。故通过排列组合，总共可以得到四种导频图样。 

2、对所有可能的DMRS图样进行评估验证 

在仿真中，选择具有高频率选择性典型市区(ETU)和车载测试B(VB)信道作为信道模型，3km/h和60km/h作为移动终端的典型速度，二维时频信道估计算法进行信道估计，对于LTE-A系统，二维维纳滤波是最小均方误差(MMSE)意义上的最佳线性估计器。 

发送的导频符号为X，接收数据为y，则导频子载波处的信道频率响应用LS算法估计可得： 

H_LS＝X^-1y    [公式1]

假设w＝[w₀，w₁，…，w_N-1]是一个维纳滤波器，共有N个抽头。H为真实的信道频域响应。采用最小均方误差(MMSE)的准则 

minJ(n)＝min{|H-w^HH_LS|²}    [公式2]

就可得到估计出的信道频域响应为 

$\hat{H}=w_{\mathrm{opt}}^{-1}{H}_{\mathrm{LS}}=R_{\mathrm{hp}}{(R_{\mathrm{pp}}+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}{H}_{\mathrm{LS}}$ [公式3]

式中R_hp是数据与导频子载波间的互相关矩阵，其中[R_hp]_i，j表示第i个数据子载波和第j个导频子载波间的相关系数。R_pp是导频子载波间的自相关矩阵，且其中元素[R_pp]_i，j表示第i个和第j个导频子载波间的相关系数。 

利用二维维纳滤波器估计出信道矩阵 后，将它与真实的信道矩阵H进行比较，求得均方误差 

并画出该MSE曲线。图8到图11是图7四种DMRS图样的MSE性能比较图。从 图8和图9可以看出，当终端移动速度为3km/h时，Option 4具有最优的MSE性能，它的三四层DMRS覆盖了整个子帧的边缘，即在第1个子载波和第12个子载波。从图10和图11可以看出，无论是在ETU信道还是MVB信道，当终端移动速度为60km/h，四种DMRS图样的MSE性能几乎一样，这主要是由于在高速移动环境下CDM复用码正交性遭到破坏，CDM码的正交性成为影响信道估计的主要因素。因此，通过对这四种DMRS图样的MSE进行比较，初步认定Option 4是最优的导频图样，接下来通过比较BLER性能对该结果进行验证。从图12和图13可以看出，当终端移动速度为3km/h时，Option 4同样具有最好的BLER性能，而当终端移动速度为60km/h，四种DMRS图样的BLER性能仍然是几乎一样。因此证明了本发明所提出的导频设计方法的正确性和设计方案的有效性。 

以上对本发明所提供的一种LTE-A系统扩展CP的参考信号设计方法及系统进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。 

Claims (4)

1.一种LTE-A系统扩展CP的参考信号设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

设计原则确定步骤，确定第3层、第4层参考信号的设计原则，包括对参考信号开销和复用方式；

参考信号导频图样列举步骤，基于所述设计原则，寻找出所有符合要求的导频图样；

最优导频图样确定步骤，对各种导频图样进行MSE性能仿真，选择MSE最小的导频图样为系统的导频图样。

2.根据权利要求1所述的一种LTE-A系统扩展CP的参考信号设计方法，其特征在于，所述设计原则确定步骤进一步包括：

所述第3层或第4层的参考信号在每个子帧中占用16个RE，所述第三层、第四层的参考信号通过FDM方式与所述第一层、第二层的参考信号进行复用。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的一种LTE-A系统扩展CP的参考信号设计方法，其特征在于，所述参考信号导频图样列举步骤进一步包括，所述第3层和第4层的参考信号的时域位置与所述第1层和第2层参考信号的时域位置一致，即在时域上占据第5、第6、第11、第12个OFDM符号，共得到以下四种导频图样：

在所述第5个和第6个OFDM符号上，所述第3层和第4层的参考信号位于所述第1层和第2层参考信号的上方；

在所述第5个和第6个OFDM符号上，所述第3层和第4层的参考信号位于所述第1层和第2层参考信号的下方；

在所述第11个和第12个OFDM符号上，所述第3层和第4层的参考信号位于所述第1层和第2层参考信号的上方；

在所述第11个和第12个OFDM符号上，所述第3层和第4层的参考信号位于所述第1层和第2层参考信号的下方。

4.一种LTE-A系统扩展CP的参考信号设计系统，其特征在于，包括：

设计原则确定模块，用于确定所述第3层或第4层的参考信号在每个子帧中占用16个RE，确定所述第三层、第四层的参考信号通过FDM方式与所述第一层、第二层的参考信号进行复用；

参考信号导频图样列举模块，用于寻找出所有符合所述设计原则的导频图样，所述第3层和第4层的参考信号的时域位置与所述第1层和第2层参考信号的时域位置一致，即在时域上占据第5、第6、第11、第12个OFDM符号；

最优导频图样确定模块，用于对各种导频图样进行MSE性能仿真，选择MSE最小的导频图样为系统的导频图样。

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