LTE-A PUCCH多用户接收算法研究

李小文，方一鸣，张涵嫣

(重庆邮电大学 移动通信重庆市重点实验室，重庆 400065)

LTE-A PUCCH多用户接收算法研究

李小文，方一鸣，张涵嫣

(重庆邮电大学 移动通信重庆市重点实验室，重庆 400065)

LTE-A系统使用参考信号进行上行信道估计，而使用PUCCH format 2a/2b发送上行控制信息时，由于每个时隙只有一个SC-FDMA符号可以用于传输参考信号，所以此时接收端不能直接利用参考信号进行信道估计。给出了一种易实现且复杂度低的PUCCH 2a/2b的半盲检测接收算法，该算法利用ACK/NACK信息辅助信道估计。仿真结果表明，文中提出的方法能有效提高PUCCH 2a/2b 的接收性能。关键词: 上行控制信息；参考信号；半盲检测算法

在LTE-A系统中，UE通过PUCCH向eNodeB发送上行控制信息，根据控制信息的类型，可以将PUCCH分成7中不同的格式，即PUCCH format 1/1a/1b/2/2a/2b/3[1]。正常循环前缀下，一个上行子帧由两个时隙构成，每个时隙有7个SC-FDMA符号，在上行传输时，上行控制信息和DMRS时分复用在这些SC-FDMA符号上，并且使用相同的带宽传输[2]。接收端使用已知的DMRS进行信道估计，而后进行信号检测，需要强调的是，信号检测的性能很大程度上取决于信道估计的准确度。然而，在使用PUCCH 2a/2b传输CSI时，会有1 bit或2 bit的ACK/NACK信息随CSI一起传输[3]，这1 bit或2 bit的ACK/NACK信息经过BPSK/QPSK调制形成1个调制符号，在每个时隙中第2个参考信号使用的SC-FDMA符号上传输，此时每个时隙只有一个SC-FDMA符号传输DMRS。在UE高速移动的场景下，由于在一个时隙的时间间隔内信道条件不断变化，接收端又没有足够多的参考信号用于信道估计，如果此时依旧采用传统的信道估计算法，那么信道估计性能会严重变坏，从而无法准确进行后续的信号检测。

串行干扰消除算法(SIC)被广泛用于多用户检测，但其计算复杂度高，前面的检测结果如果出现误差会直接影响后面符号检测，造成连锁反应[4]。半盲检测算法使用传输数据进行信道估计，适用于解决低导频密度下的信道估计问题。尽管能有效提高信道估计性能，但计算复杂度会随着信息比特数呈指数增加，例如当CSI有4个比特组成时，这种半盲检测算法的复杂度是非盲检测算法的16倍[5]。本文提出一种改进的半盲检测算法，该算法仅仅将ACK/NACK符号用于信道估计，而非使用所有的数据符号。ACK/NACK符号对应2种或4种可能形式，使用这些可能的ACK/NACK符号通过迭代算法估计其他符号位置的信道响应，得到2组或4组信道频域响应，然后将其和利用参考信号估算出的信道响应进行对比，选择其中误差最小的一组作为发送的ACK/NACK信息。

1 PUCCH格式2a/2b的传输过程

PUCCH格式2a/2b用于传输CSI信息和1比特或2比特的ACK/NACK信息，CSI信息经过RM(20，A)编码后生成20个编码比特，这些编码比特经过加扰后调制成10个QPSK符号d0,d1,…，d9，和长为12的循环移位序列相乘后在一个RB中的12个子载波上传输，前5个QPSK符号占用第一个时隙的5个OFDM符号l0,l2,l3,l4,l6，后5个QPSK符号占用第二个时隙的5个OFDM符号l7,l9,l10,l11,l13，每个时隙剩下的2个SC-FDMA符号用于传输参考信号。在ACK/NACK信息和CSI信息一起传输时，经过BPSK/QPSK调制生成的1个调制符号会在每个时隙的第二个参考信号位置上传输，也就是说这种情况下每个时隙只传输一个参考信号，PUCCH 格式2a/2b的传输过程如图1所示。

图1 PUCCH 2a/2b的传输过程

2 PUCCH多用户检测算法

2.1 一种并行多用户检测算法

这里分析一种基于信道相关性的并行多用户检测算法，为计算方便，只分析第一个时隙的传输过程，第二个时隙的处理类似[6-7]。假设第一个时隙中所有的调制符号都等于1，传输用户数等于k，则接收到的第l个SC-FDMA符号上传输的序列可以表示成

(1)

第一步：接收信号乘以exp(jiαl)·ru,v，得到

(2)

(3)

(4)

第二步：

(5)

其中：S表示样条插值函数。

第三步：逐个更新信道估计和传输符号。将所有可能的符号{d}代入式(6)计算，选择使式(6)最小的符号d作为解调符号。具体过程如下：

4.鉴于长期以来我国各级政府片面强调经济发展，而不注重社会职责的履行，政府必须尽快建立一套综合且科学的基本公共服务均等化绩效考核制度，健全政府公共服务均等化绩效管理和评估体系，强化各级政府的社会职责。这套体系需要明确各级政府间在提供义务教育、公共卫生和社会保障等基本公共服务方面的事权，健全财力与事权相匹配的财政体制。根据各类公共服务具有不同的性质和特点，各级政府承担的事权责任，也应有所区别。通过监督政府行为来促使政府重视对公共服务的供给，从而改善现有的公共服务供给不足的现状。

(6)

l=0,2；i=0,1

(7)

(8)

2.2 改进的半盲检测算法

上面提到的接收算法利用信道相关性，能有效提高低导频密度下的信道估计性能，并且因为没有涉及矩阵求逆运算，计算复杂度相比传统信道估计算法大大降低。但这种接收算法采用迭代运算，后续的符号检测受前面检测符号准确度的影响，若前面符号检测错误，后续符号的检测也会出错，即存在差错传播现象。本文将对上述算法作出改进，提出一种基于此算法的半盲检测算法，该算法将PUCCH format 2a/2b中的ACK/NACK信息看做已知信息，将其用于信道估计，具体算法步骤如下：

1)将ACK/NACK信息用作信道估计，因为PUCCH format 2a/2b中的ACK/NACK信息对应N种可能的组合方式，N的取值见表1。所以利用LS或MMSE信道估计算法对符号5做信道估计，可以获得N种不同的H5。

表1 PUCCH format 2a/2信息组合方式

PUCCH格式信息组合种数N调制符号2a2{1,-1}2b4{1,-j,j,1}

(9)

(10)

4)选择使式(9)最小的H5作为符号5上的信道频域响应，其对应的d10作为ACK/NACK信息比特的调制符号。

5)将由步骤4)中获得的d10估计所得的d1、d2、d3和参考符号估计所得的d1、d2、d3比较，如果相同，则确定为最终的d1、d2、d3。

文中提出的半盲检测算法框图如图2所示。

图2 半盲检测算法框图

这里提出的检测算法主要针对PUCCH format 2a/2b这种低导频密度下的信号检测，其他的PUCCH格式同样可以将数据信息用作信道估计，以提高检测性能，降低单纯依靠导频做信道估计时出现的差错传播现象。但相比PUCCH format 2a/2b，性能提升有限，且当比特信息较多时，计算复杂度呈指数增长。

3 仿真分析

本小节对提出的改进半盲检测算法和文中提到的并行多用户检测算法进行了链路级仿真，系统仿真参数如表2所示。

表2 仿真参数设置

参数名称参数值系统带宽20MHzCP类型常规UE个数3FFT点数2048信道模型ETU最大多普勒频移5Hz

通过图3和图4的仿真结果可以看出，在复用3个UE，使用PUCCH format 2a传输上行控制信息时，改进的算法相对文中提到的并行多用户算法能获得大约1.5 dB的增益，使用PUCCH format 2b时，能获得1 dB的增益。改进的算法复杂度虽然有所增加，但获得了较大的系统性能增益，所以这种计算复杂度的增加完全是可以接受的。

图3 PUCCH format 2a BLER

图4 PUCCH format 2b BLER

4 结束语

本文提出了一种改进的半盲检测算法，该算法充分利用PUCCH format 2a/2b的结构特点，仅仅将ACK/NACK符号用于信道估计，而非使用所有的数据符号，从而大大降低了传统半盲检测算法的计算复杂度。仿真结果也表明，在发送端使用PUCCH format 2a/2b传输上行控制信息时，该算法能进一步提升系统接收性能。

[1] DAHLMAN E， PARKVALL S， SKOLD J. 4G LTE/LTE-advanced for mobile broadband[M]. New York： Academic Press， 2011.

[2] 3GPP TS 36.211 V10.6.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)； Physical Layer Procedures[S]. 2012.

[3] 3GPP TS 36.213 V10.6.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)； Physical channels and modulation[S]. 2012.

[4] 蒋婵娟.LTE-A系统上行控制信道的研究与仿真[D]. 武汉：武汉理工大学， 2014.

[5] YANG Y， DAVID A， ROBERT B， et al. Semi-blind multi- user detection for LTE-PUCCH[C]//Wireless Communications and Networking Conference(WCNC).Budapest：IEEE， 2009：1-5.

[6] 王玮.高速移动环境下PUCCH多用户接收算法研究[D]. 西安：西安电子科技大学，2014.

[7] WANG D，YANG S Z， LIAO Y， et al. Efficient receiver scheme for LTE PUCCH[J].IEEE communications letters，2012，16(3)： 352-355.

李小文(1955— )，教授，研究员，硕士生导师，主要研究方向为移动通信、TD-LTE-A系统开发研究；

方一鸣(1992— )，硕士生，主研LTE-A系统物理层算法及嵌入式仪表开发；

张涵嫣(1992— )，女，硕士生，主研LTE-A系统协议栈开发。

责任编辑：闫雯雯

Research of PUCCH multi-user receiving algorithm in LTE-A

LI Xiaowen，FANG Yiming， ZHANG Hanyan

(ChongqingKeyLabofMobileCommunicationsProtocol，ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications，Chongqing400065，China)

Reference signal is used for uplink channel estimation in LTE-A system， when PUCCH format 2a/2b transmit uplink control information， because only a SC-FDMA symbol can be used for the transmission of reference signal in each time slot， so it can not directly use reference signal for channel estimation at the receiving end. In this paper， a kind of semi-blind detection algorithm is given which has lower complexity and realizes easily， using the ACK / NACK information to aid channel estimation .The simulation results show that method presented in the paper can effectively improve the reception performance of the PUCCH 2a/2b.

uplink control information； reference signal； semi-blind detection algorithm

李小文，方一鸣，张涵嫣. LTE-A PUCCH多用户接收算法研究[J].电视技术，2017，41(2)：35-38. LI X W，FANG Y M， ZHANG H Y. Research of PUCCH multi-user receiving algorithm in LTE-A [J]. Video engineering，2017，41(2)：35-38.

TP393.1

A

10.16280/j.videoe.2017.02.008

国家科技重大专项资助项目(2012ZX03001024)

2016-06-19