LTE-A中UE专用参考信号的解调算法与实现

黄 菲，丁月友

(重庆邮电大学 移动通信重庆市重点实验室，重庆 400065)

LTE-A中UE专用参考信号的解调算法与实现

黄 菲，丁月友

(重庆邮电大学 移动通信重庆市重点实验室，重庆 400065)

针对LTE-A新增的UE专用参考信号与小区参考信号映射的时频资源不同，导致传统的解调算法在UE专用参考信号上无法适用的问题。充分研究了UE专用参考信号时频资源映射的特点，即端口间采用了频分复用和码分复用技术区分，而小区参考信号只采用了频分复用技术，结合此特点与传统的解调算法原理，设计了2种利用专用导频信息的解调算法，即LS-UE算法和LMMSE-UE算法。最后，通过在EPA无线信道环境下，对2种解调算法的性能仿真，权衡实现的复杂度，选择一种更适合LTE-A系统的下行解调算法，即LS-UE算法，并对该算法的多核DSP实现，验证了该算法的可行性与高效性。

LTE-A；UE专用参考信号；解调算法；多核DSP实现

0 引言

LTE-A系统作为LTE系统的演进，发送端使用了更多的专用天线端口传输数据，以提高整个系统的吞吐量和传输效率，这必使得接收端的解调算法十分困难，为了降低解调算法的难度，同时提高性能，LTE-A系统标准设计了几种不同类型的参考信号[1]去处理不同的情形。特别设计了一种UE专用参考信号去支持双码字传输的解调算法。由于UE专用参考信号的时频资源与CRS(小区参考信号)不同，不同天线上UE专用参考信号所占时频资源采用了FDM(频分复用)和CDM(码分复用)技术[2]区分，而CRS只采用了FDM技术进行区分，这会导致应用于CRS上传统的解调算法无法直接在UE专用参考信号上适用，即LS算法、LMMSE算法(最小均方误差算法)[3]。因此，需要设计一种基于UE专用参考信号的解调算法，从而无失真地还原出发送的数据。目前已有文献研究了基于UE参考信号的解调算法，文献[4]主要用SFBC(空频码块)的算法推导出基于UE专用参考信号的解调算法，但是此算法的性能比较差；文献[5]提出的解调算法性能比较理想，但其复杂度较高，不适合在多核DSP中实现。综上所述，本文的主要工作是在充分研究传统的解调算法和以上文献的基础上，综合权衡性能与复杂度，选取一种更适合LTE-A系统的解调算法，并通过多核DSP(TMS320C6670)实现。

1 UE专用参考信号

LTE-A中UE参考信号(UERS)又叫做解调参考信号(Demodulation Reference Signal，DM-RS)，DM-RS与传输数据一样，都要经过预编码和无线信道，如图1所示，这暗含着信道估计把预编码与无线信道作为整体估计，而不像CRS分开对待，表明LTE-A系统在下行传输中采用了OFDMA(正交频分复用)技术。

图1 DM-RS的LTE-A系统的下行链路传输处理

LTE-A增加天线端口可以提高数据传输量，更好地满足现代通信高速率的要求。DM-RS的用途仍然是对PDSCH解调，映射在资源粒子的位置有一些变化。图2给出DM-RS在8天线端口普通帧下的映射位置。图2时域上显示了1个子帧(1 ms)，包含2个时隙(0.5 ms)，每一个时隙在正常CP情况下有7个OFDM符号；而频域上有12个子载波，1个资源块(RB)就由频域上的12个子载波和时域上的1个时隙组成。其中“1”资源表示端口7、8、11、13参考信号的映射位置，“2”资源表示端口9、10、12、14的参考信号的位置。

图2 DMRS在8个端口下的映射图

DM-RS主要在天线端口7～14，主要用于对PDSCH数据的解调。端口7～14的解调参考信号设计分为2个集合，即{7,8,11,13}和{9,10,12,14}，每个集合DM-RS的映射位置相同。为保证PDSCH顺利解调，在一个集合内，采用CDM使参考信号保证正交，而集合间采用的是FDM。LTE-A规定8组正交序列，在映射参考信号时，用序列的值乘以对应位置的参考信号，保证信号的正交，如表1所示。

表1 端口7～14的正交序列

2 基于UE参考信号的解调算法

八天线下的系统模型为：

(1)

对于UERS而言，由图2可知端口7、8、11、13与端口9、10、12、14的导频点不一样，所以对于端口7、8、11、13而言，即导频点“1”，此时端口9、10、12、14的输入为0，所以系统模型式(1)变为：

(2)

如图2所示，对同一频带上4个符号5、6、12、13上才有导频值，所以式(2)化为：

(3)

由于同一频带上，在LTE系统中一个子帧的持续时间很小，可以近似地认为同一天线端口同一频带的频率响应是平坦的，所以可得：

(4)

又令：

(5)

yk,l=[yk,5yk,6yk,12yk,13]′。

(6)

所以式(3)可化为：

(7)

(8)

2.1 LS-UE算法

此算法在传统的LS算法[8]基础上，加上UE专用参考信号的映射特点而来，该算法与传统的LS算法一样也不考虑噪声的影响，其实现的公式如下：

(9)

由于导频序列值是相互正交的，如式(8)所示，所以式(9)的最优值为：

(10)

现已求出了导频位置的值，又因同一天线端口的同一导频的频率响应是平坦的，如式(4)所示，所以现在只需要在频域上做插值算法即可。由于为每个用户分配的专用资源块是离散的，且每个资源块上的导频点在同一符号上的频域上只占3个子载波，考虑到实现的复杂度问题，此处选用简单的线性插值算法。

2.2 LMMSE-UE算法

由于LS-UE算法没考虑噪声的影响，这导致其性能下降，所以本节在传统的LMMSE算法基础上结合LS-UE算法，得到一种新的解调算法，即LMMSE-UE算法，此算法是在MMSE-UE算法的基础上得到。MMSE-UE是一种基于MMSE准则的信道估计算法，信道传输函数的估计值必须满足如下条件：

(11)

代价函数为：

(12)

(13)

(14)

MMSE-UE信道估计算法利用了信道统计特性提高了估计的准确性，在统计意义上其具有最优的性能，但是估计时要对XXH求逆，具有较高的复杂度，影响其在实际系统中的应用。因此实际应用中往往采用其简化的形式，即LMMSE-UE算法，其利用E[(XXH)-1]代替式(14)中的(XXH)}-1。由于

(15)

(16)

RHH=E{HHH}=[rm,n],

(17)

(18)

式中，m、n代表导频子载波的位置，τrms为归一化时延，L为最大多径时延，N为导频数目。由此可见，在慢变信道情况之下，LMMSE算法能够实现很好的性能。

2.3 性能仿真

本节的主要工作是对第2节中所提解调算法的性能仿真，仿真链路如图1所示，链路仿真的参数如表2所示。仿真的无线信道环境采用EPA(步行环境)、EVA(车辆环境)和ETU(城市环境)，最终得到上述解调算法在此信环境的性能。

表2 仿真参数

由图3可以得出，在SNR相同的条件下，ETU信道的BER最大，EVA信道的BER次之，而EPA信道的BER最小，这是因为ETU信道的多径时延最大，EPA信道的多径时延最小。多径时延越大，信号的频率选择性越明显，表现在频域为接收端接收到信号的包络起伏越厉害，时域表现为码间干扰越严重，所以到最后接收端将不能对接收到的信号进行正确解码，导致更高的误码率或者误比特率。另外还可以得出在3种信道环境下，LMMSE-UE算法都比LS-UE算法的性能优，这是由于LMMSE-UE算法考虑了噪声的影响，但其复杂度较高，不易实现。因此，LS-UE算法更适合，能够保持良好的性能，实现的复杂度也适中，从而使整个系统性能最优。

图3 各信道环境下2种下行解调算法的误比特率仿真

3 多核DSP实现

TMS320C6670是德州仪器公司专门为高性能无线通信领域而设计的一款高性能四核DSP，该芯片采用全新的keystone结构以及C66x增强型内核体系，同时专门为无线通信设计了众多协处理器模块，比如快速傅里叶变换协处理器(FFTC)和用于LTE-A数据信道编解码的协处理器(TCP3d)，可以用于通信系统比特速率处理的协处理器(BCP)，每个内核的运行频率可达1.2GHz，支持每个核38.4GMACS的定点操作与19.2GFLOPS的浮点操作。

3.1 实现原理

根据第2节可知，基于UE专用参考信号的解调算法中LS-UE算法在能够保持良好性能的前提下，实现复杂度适中，所以本节采用多核DSP对此算法进行实现分析，其实现流程如图4所示。

图4 实现流程图

由于UE专用参考信号的映射与子帧号和特殊子帧的配置有关，所以在解参考信号的资源映射前要进行子帧号和特殊子帧配置的判断。实现时，要注意以下几点：实现时采用C语言编程方式，而C语言不支持复数运算，需要把复数的实部和虚部分开单独处理，即：

(a+jb)(c-jd)=(ac+bd)+j(bc-ad)。

(19)

从式(19)可以看出，完成2个复数的乘法需要做4次实数乘法和2次实数加法，由于一个实数在内存中存储方式为一个字且前16 bit存实部后16 bit存虚部，所以还要进行移位操作取出复数的实部和虚部，取一个复数complex的实部和虚部的代码为：

Real_part = complex>>16;

Imag_part = (complex<<16)>>16。

为了防止溢出，首先将复数相乘所得结果的实部存入int型变量Real_part中，虚部存入int型变量Imag_part中；另外由于数据的输入是由MATLAB中的数据而来，所以输入的实部和虚部都需要采用Q15量化。

3.2 实现性能测试与分析

从算法实现的性能测试与分析2个方面对基于UE专用参考信号的解调算法的DSP实现方案进行分析。

3.2.1 性能测试

将matlab仿真链路中的解调算法模块替换为DSP解调算法实现模块，即将Matlab中解调算法函数的输入做Q15量化转化为DSP数据导入DSP实现代码的输入，将DSP代码运行的输出转化为Matlab的浮点数据作为均衡算法的输入，链路其他模块采用Matlab浮点仿真，DSP实现与MATLAB仿真结果的误比特率性能曲线如图5所示。仿真结果具有近似的性能，但也存在损失，这是因为在TMS320C6670中实现模块时，定点实现比较方便，所以在浮点数转化为定点数时对数据截位引入了误差，但该误差在系统允许的范围内，验证了该模块实现设计的正确性。

3.2.2 性能分析

DSP的硬件资源是十分宝贵的，在实际项目开发中为了充分利用DSP硬件资源，必须充分考虑DSP的存储资源和代码执行效率，代码执行效率可以通过程序执行的Cycle数，即程序模块执行的时间来衡量。由于多天线解调算法模块需要处理大量的数据，为了提高代码的执行效率，必须对代码进行优化，优化原则如下：

① 尽量避免使用取模或除法运算，在代码实现过程中除2或4都是通过右移来实现；

② 尽量避免在循环中调用函数，有些函数有很多子模块，表面上看都可以写成单独的函数，但是这些模块都在多次甚至多层循环中，为了减少函数调用的时间消耗，并没有将每个模块单独写成子函数；

③ 慎用嵌套。通过上述优化的处理，LS-UE算法中各模块在DSP中的执行周期如表3所示。

表3 关键模块的运行周期

此处的线性插值只有频域的插值，因为在设计LS-UE算法时，由于同一频带上，在LTE系统中一个子帧的持续时间很小，可以近似地认为同一天线端口同一频带的频率响应是平坦的。另外由于芯片的一个子帧在1 ms内可以完成1.2×106个cycle的运算，解调算法各个模块总的运行周期为415 392个cycle，因此能够很好地满足实时系统的处理。

4 结束语

本文主要阐述了基于LTE-A系统下的UE参考信号的下行解调算法，这些解调算法与基于小区参考信号的解调算法是不同的，这是由于UE专用参考信号映射的时频位置与CRS不同。本文在基于小区参考信号解调算法的基础上，介绍2种基于LTE-A系统下的UE参考信号的下行解调算法，即LS-UE算法与LMMSE-UE算法。从性能仿真可以看出，解调算法的性能都比较好，能满足以后的应用，其中LMMSE-UE算法比LS-UE的性能好，但其复杂度较高，不易实现，因此得出，LS-UE算法更适合LTE-A系统，此算法能够保持良好的性能，实现的复杂度也适中，从而使整个系统能最优。最后一节是对LS-UE算法的实现，在集成化开发环境CCS5.5下编程实现，运行结果验证了该算法的可行性和高效性。

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Demodulation Algorithm and Implementation of UE-specific Reference Signals for LTE-A

HUANG Fei,DING Yue-you

(Chongqing Key Lab of Mobile Communications Protocol,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

Considering the different time-frequency resources between UE-specific reference signals and CRS in LTE-A,the traditional demodulation algorithms cannot be applied to UE-specific reference signals.The feature of time-frequency resource mapping of UE-specific reference signals is that frequency division multiplexing and code division multiplexing are used in the ports,while the CRS only uses frequency division multiplexing.Combined with the traditional principle of demodulation algorithms,the paper provides the design of two demodulation algorithms,LS-UE and LMMSE-UE.Finally,considering the performance simulation under three wireless channel environments and the complexity of implementation,LS-UE is considered as more suitable for LTE-A system,and the multi-pore DSP implementation of LS-UE verifies the feasibility and effectiveness of the algorithm.

LTE-A;UE-specific reference signal;demodulation algorithm;multi-core DSP implementation

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.01.23

黄 菲，丁月友.LTE-A中UE专用参考信号的解调算法与实现[J].无线电通信技术,2017,43(1):94-98.

2016-10-08

重庆市教委科学技术研究项目(KJ1500428)

黄 菲(1991—)，男，硕士研究生，主要研究方向：TD-LTE-A物理层算法研究和DSP软件开发。丁月友(1992—)，男，硕士研究生，主要研究方向：TD-LTE-A物理层算法研究和DSP软件开发。

TN929

A

1003-3114(2017)01-94-5