LTE網(wǎng)絡(luò)空中接口物理層PDSCH信道檢測技術(shù)研究

摘要：隨著國內(nèi)LTE牌照的發(fā)放，大規(guī)模的LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和部署勢在必行。由于LTE扁平化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得空中接口測試成為LTE網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測的重點(diǎn)。物理層位于空中接口協(xié)議規(guī)范最底層，而PDSCH信道承載了物理層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)比特流，因此，PDSCH信道的檢測成為物理層分析的核心模塊。本文結(jié)合自主研發(fā)的LTE空中接口監(jiān)測儀，對PDSCH信道檢測技術(shù)進(jìn)行探討，儀器分析結(jié)果表明，提出的檢測技術(shù)正確有效。

背景

　　人們對移動(dòng)寬帶應(yīng)用需求日益強(qiáng)烈，而移動(dòng)寬帶發(fā)展面臨著頻譜資源稀缺的瓶頸。LTE作為下一代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，采用了OFDM、MIMO等技術(shù)，具有高頻譜效率、高峰值速率、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)扁平化等優(yōu)點(diǎn)，有效地提升了用戶在移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的體驗(yàn)度^[1]。隨著LTE牌照的發(fā)放，大規(guī)模的LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和部署勢在必行。空中接口作為LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中eNode和UE的接口，能以第三方視角有效反應(yīng)LTE網(wǎng)絡(luò)用戶的業(yè)務(wù)建立和信令過程，空中接口檢測技術(shù)的發(fā)展對LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)劃和優(yōu)化有重要的意義。

　　根據(jù)LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及空中接口協(xié)議，空中接口包括物理層、鏈路層及信令層三層結(jié)構(gòu)。物理層位于空中接口協(xié)議最底層，提供物理介質(zhì)中比特流傳輸所需功能，通過物理信道所承載的傳輸信道，為MAC層和高層提供信息傳輸?shù)姆?wù)。PDSCH作為物理層主要的信道，承載了廣播、隨機(jī)接入、尋呼等信息，包括LSIB1、SIB2、SI、RAR、RRC_Set等LTE信令。通過檢測PDSCH信道，能夠反應(yīng)物理層信道質(zhì)量指標(biāo)。

1 PDSCH信道檢測過程

　　LTE空中接口監(jiān)測儀由無線信號采集系統(tǒng)、無線信號解析系統(tǒng)等模塊組成，完成LTE無線信號采集及分析。其中無線信號解析系統(tǒng)物理層分析子模塊采用FPGA+DSP結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，具體鏈路實(shí)現(xiàn)如圖1所示。主要包括時(shí)間、頻率同步，F(xiàn)FT，信道估計(jì)、均衡，信道解調(diào)等模塊。通過時(shí)間、頻率同步過程消除LTE信號的定時(shí)偏差和頻率偏差;FFT過程把LTE 信號變換到頻域，在頻域上進(jìn)行信道估計(jì)及解調(diào);信道估計(jì)、均衡過程是物理層解析的關(guān)鍵模塊，求解信道傳輸系數(shù);信道解調(diào)過程通過解資源映射獲取信道資源位置，完成資源位置上的數(shù)據(jù)分析。

1.1 時(shí)間、頻率同步

　　eNode和UE通信過程中由于晶振的精度和UE 的高速移動(dòng)帶來多普勒偏移等因素會(huì)產(chǎn)生頻率偏移和定時(shí)偏差，因此，為了解析PDSCH信道信息，必須對抓取的LTE空中接口數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)同步及頻偏補(bǔ)償^[2]。

　　本文根據(jù)PSS及SSS的性質(zhì)進(jìn)行定時(shí)同步，并利用CP相關(guān)進(jìn)行頻偏估計(jì)。由于周期為5ms的PSS是ZC序列，具有很強(qiáng)的相關(guān)性，可利用此特性確定5ms的時(shí)隙邊界，同時(shí)得到小區(qū)扇區(qū)ID。由于LTE空中接口監(jiān)測儀對數(shù)據(jù)處理要求有較好的實(shí)時(shí)性，為了降低相關(guān)過程數(shù)據(jù)處理容量，同時(shí)保證有完整的PSS序列，本文首先提取6ms的LTE空中接口數(shù)據(jù)，然后采取數(shù)據(jù)抽取技術(shù)對6ms的LTE空中接口數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成與本地PSS粗同步，得到小區(qū)扇區(qū)ID。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行PSS精同步，同時(shí)利用CP相關(guān)，得到頻偏估計(jì)，對LTE空中接口數(shù)據(jù)進(jìn)行頻偏補(bǔ)償。完成精同步后，在PSS基礎(chǔ)上向前搜索SSS，SSS前后半幀的映射正好相反，因此，只要接收到兩個(gè)SSS就可以確定10ms的邊界，達(dá)到了幀同步的目的，得到小區(qū)組ID。

1.2 信道估計(jì)、均衡

　　由于LTE空中接口監(jiān)測儀系統(tǒng)性能對數(shù)據(jù)處理要求有較好的實(shí)時(shí)性，因此，本文采取基于IDCT/DCT變化域[3]的改進(jìn)型LS算法。本算法繼承了傳統(tǒng)LS算法計(jì)算簡單、便于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但是不同于傳統(tǒng)的LS算法忽略噪聲的影響，本算法利用了時(shí)域上的沖擊響應(yīng)點(diǎn)來抑制高斯白噪聲的影響，提高了信道估計(jì)本身的SNR性能，因此，本算法的精度得到了有效的保證。與傳統(tǒng)的MMSE算法相比，本算法不需要知道信道的先驗(yàn)信息，減少了大量的矩陣運(yùn)算，大大降低了算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。因此，本算法更適合在實(shí)時(shí)性要求高的LTE空中接口監(jiān)測儀系統(tǒng)中使用。

　　具體的實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。本算法利用下行信道子載波上的小區(qū)專屬參考信號進(jìn)行LS信道估計(jì)，得到頻域信道沖擊響應(yīng)，k∈0,1,…,N_p-1，Np為一個(gè)OFDM符號內(nèi)小區(qū)參考信號的個(gè)數(shù)。經(jīng)過DCT變換，把長度為N_p的鏡像映射為2Np點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到時(shí)域，n∈0,1,…,N_p-1，變換后有效消除邊緣不連續(xù)效應(yīng)，將信號的能量集中在低頻區(qū)域中。因?yàn)榇藭r(shí)時(shí)域內(nèi)信道能量集中在相對較少的抽樣點(diǎn)上，經(jīng)過變換窗將能量較低的抽樣點(diǎn)視為零，得到?jīng)_擊響應(yīng)時(shí)域估計(jì)值，k∈0,1,…,N_p-1，同時(shí)抑制了信道有效部分以外的所有噪聲項(xiàng)。在得到?jīng)_擊響應(yīng)時(shí)域估計(jì)值后，為了得到一個(gè)OFDM符號內(nèi)所有子載波(包含非小區(qū)專屬參考信號位置)的沖擊響應(yīng)，在k∈N_p,N_p+1,…,N進(jìn)行補(bǔ)零操作，N為一個(gè)OFDM子載波的個(gè)數(shù)。經(jīng)過DCT變換，得到頻域內(nèi)所有子載波位置的沖擊響應(yīng)，k∈0,1,…,N-1。得到頻域所有子載波位置的沖擊響應(yīng)后，利用線性插值等技術(shù)在時(shí)域上得到所有OFDM符號的沖擊響應(yīng)，完成信道估計(jì)。利用信道的估計(jì)值，對采樣的信號進(jìn)行均衡。

1.3 解資源映射

　　PDCCH信道承載的DCI傳輸了下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)度信息?？罩薪涌诟鶕?jù)檢測到的DCI信息及格式對PDSCH信道資源分配域進(jìn)行解釋。根據(jù)PDSCH信息資源分配域提取PDSCH信道有效數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)。

　　PDSCH信道資源分配支持3種類型，其中DCI format 1A/ 1B/1C/1D只支持資源分配類型2;DCI 0/2/2A/2B/2C支持資源分配類型0及資源類型1，DCI信息包含了資源分配類型0及資源分配類型1區(qū)分標(biāo)志位。

　　資源分配類型0將下行PRB分成若干RBG，采用LVBR方式將連續(xù)的RBG資源分配給用戶，根據(jù)DCI中的資源分配位域指示相應(yīng)的RBG是否被分配，得到PDSCH信道占用的資源。資源分配類型1將下行的RBG再分成P個(gè)子集，在每個(gè)子集內(nèi)部以LVRB為單位，采用bitmap方式指示無線資源，根據(jù)DCI中的資源分配位域，獲取RBG子集序號，在根據(jù)子集內(nèi)的資源偏移信息，確定PDSCH信道占用的資源。資源分配類型2采用起始的RB位置，結(jié)合LVRB與DVRB的長度，共同確定RB位置。對DCI format 1A/1B/1D而言，資源分配由一個(gè)資源指示值RIV來表示。通過這個(gè)值，可以推導(dǎo)出分配給UE的起始RB(RBstart)以及連續(xù)分配的RB的長度(LCRBS)，如式(1)及式(2)所示。DCI format 1C 中RBstart、LCRBS的推導(dǎo)與式(1)和式(2)類似，只是增加了步進(jìn)的概念。由于資源分配類型2既支持集中型的資源分配，也支持分布型的資源分配，需要根據(jù)上面推導(dǎo)得到的RB位置按照3GPP TS36.211協(xié)議^[4]映射得到PDSCH信道實(shí)際占用的PRB位置。

(1)

(2)

　　其中，N_RB為LTE下行帶寬RB數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)解調(diào)

　　EVM是用來表征LTE信號分析質(zhì)量的參數(shù)，它表示在一個(gè)給定時(shí)刻理想無誤差基準(zhǔn)信號與實(shí)際接收信號的矢量差。EVM分析指標(biāo)符合空中接口協(xié)議規(guī)范后，可進(jìn)一步對PDSCH信道進(jìn)行解調(diào)，得到承載的碼流信息。本文根據(jù)得到的資源位置提取PDSCH的有效數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)DCI包含的MCS信息確定調(diào)制方案，以確定基準(zhǔn)信號，依式(3)進(jìn)行EVM分析。若EVM分析指標(biāo)符合空中接口協(xié)議規(guī)范，則調(diào)用DSP包含的Turbo-Decoder Coprocessor對數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)，得到碼流信息。

(3)

　　其中，0<V<T_m，T_m為PDSCH信道實(shí)際數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，為提取的PDSCH實(shí)際數(shù)據(jù)，為PDSCH信道基準(zhǔn)信號，P₀為基準(zhǔn)信號的平均功率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　本次實(shí)驗(yàn)以某基站及終端為測試對象，通過空中接口監(jiān)測儀無線信號采集模塊采集空中接口數(shù)據(jù)，采用本文提出的PDSCH檢測分析技術(shù)，得到PDSCH信道的EVM指標(biāo)的Average值為2.139%，Peak值為3.781%，符合空中接口協(xié)議要求。同時(shí)利用通過DSP的Turbo-Decoder Coprocessor解析PDSCH承載的比特流，利用空中接口監(jiān)測儀協(xié)議分析模塊分析PDSCH承載的信令為SIB1，如圖3所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文提出的PDSCH信道檢測分析技術(shù)正確、有效，能夠滿足LTE空中接口監(jiān)測儀的解析要求。

3 結(jié)束語

　　LTE空中接口物理層分析模塊是LTE空中接口監(jiān)測儀的重要組成部分。PDSCH信道承載物理層業(yè)務(wù)比特流信息，其信道檢測分析是物理層分析模塊的核心部分。本文結(jié)合自主研發(fā)的LTE空中接口監(jiān)測儀系統(tǒng)性能要求，對PDSCH信道檢測分析技術(shù)進(jìn)行探討，儀器分析結(jié)果表明，提出的檢測分析技術(shù)正確有效。

參考文獻(xiàn)：

　　[1] 池翰貞, 陳文雄. 繼承3G基礎(chǔ)上的LTE網(wǎng)絡(luò)拓展與部署[J].信息通信, 2014(3) :234.

　　[2] 高原. 3GPP TD-LTE系統(tǒng)下行同步技術(shù)的研究[D].華南理工大學(xué):2010.

　　[3] DIALLO M, RABINEAU R, CARIOU L. Robust DCT based channel estimation for MIMO-OFDM system [C]. Proc.Wireless Communications and Networking Conference. [S.1.]: IEEE Press, 2009: 1-5.

　　[4] 3GPP TS 36. 211 v12. 6. 0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and modulation (Release 12) [S]. 2015.

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第7期第34頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。