LTE-A空口监测分析仪中PDSCH解资源映射的设计与实现

王美乐,张治中,王光亚

(1.重庆邮电大学 通信网与测试技术重点实验室,重庆 400065; 2.重庆重邮汇测通信技术有限公司,重庆 401121)(*通信作者电子邮箱 wangmeile1993@163.com)

0 引言

根据中国信息通信研究院最新公布的数据显示:2016年全球活跃4G网络达428个,用户突破10亿,预计2020年4G网络市场份额将占移动网络的72%[1];截至2017年9月,移动宽带用户(3G/4G)占比达78.1%,每月4G手机出货量占比基本高于90%[2]。可以看出,由于4G的新架构设计和较好的向后兼容性,已经使其在全球范围内进行大规模应用并成为有史以来发展最快的网络[3]。

鉴于增强型长期演进(Long Term Evolution-Advanced, LTE-A)网络中改变了网络架构以及新增了无线通信新技术,需要有新型的无线网络分析和优化的仪器仪表来满足当前网络测试需求[4]。目前,美国和日本均研发出了相关的长期演进(Long Term Evolution,LTE)空口监测仪器并得到了成熟的应用,但是国内在空口测试仪方面并没有成熟的产品。虽然福禄克和信而泰两家公司均研发出了网络测试仪,但是只能针对特定的终端测试和解决网络连通性问题。因此LTE-A空口监测分析仪的产生,使国内高端仪表匮乏的状况得到缓解。相对于美国和日本研制的LTE空口监测仪器,该分析仪降低了操作复杂度,减少了设备的体积并降低了功耗,使其具有非常高的商业价值。对国内仪器仪表的发展来说,该分析仪基于标准化的空口协议解析,不会受限于特定的终端,因此对国内测试仪表的发展具有明显的推动作用。LTE-A空口监测分析仪传输模式支持单天线端口0模式、发射分集模式、单流波束赋形模式以及双流波束赋形模式,满足当前网络测试需求[5]。

在LTE-A空口监测分析仪中,物理下行共享信道(Physical Downlink Shared CHannel,PDSCH)解资源映射为LTE-A空口监测分析仪提供物理层支持,同时为监测仪发挥准确和可靠的监测功能提供基本的前提。近年来,也有相当一部分的研究人员对此进行研究:杨博雄等[5]在其研究中分析了应用频分双工(Frequency Division Duplexing,FDD)的LTE无线通信系统中多输入多输出系统(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)的下行传输模式,但是传输模式只研究了三种,而随着通信行业的发展,下行链路中的传输模式已经超过十种;许超等[6]给出了应用时分双工(Time Division Duplexing,TDD)的LTE下行五个物理信道以及同步信号和参考信号两个信号解资源映射的算法,但只是按照传统的算法进行分析和仿真,并没有在基础上进行改进;王晓龙等[7]详细介绍了PDSCH信道的三种资源分配方式,并分析其优缺点,但是分析的也只是传统的资源分配方式。

本文结合了传输模式与PDSCH信道的三种资源分配,研究四种经典传输模式下PDSCH解资源映射的方法,并且针对传统解资源映射的架构提出改进,改进后的解资源映射模块已经应用到LTE-A空口监测分析仪中,验证了该模块的可靠性。

1 解资源映射整体结构

传统的PDSCH解资源映射时,需要扣除物理层广播信道(Physical Broadcast CHannel,PBCH)等其他信号和信道占用的资源元素(Resource Element,RE),但该RE资源往往是在PDSCH解资源映射前已经计算过一次的,这样做往往会重复计算信号和信道占用的RE位置。因此在本文设计的解资源映射架构中,在接收端对天线接收信号处理之前,先根据不同传输模式生成同步信号、参考信号以及下行信道的资源映射索引,在解资源映射时直接根据资源索引定位资源的时频位置,取出各信号与信道资源。物理层中,LTE-A空口监测分析仪对接收到的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)信号处理流程如图1所示。

可以看出,本文设计的解资源映射模块整体结构主要包括两个部分:

1)在LTE-A空口监测分析仪处理OFDM基带信号之前,根据信号、信道资源索引产生模块产生各信号和信道的资源映射索引,包括小区参考信号(Cell Reference Signal,CRS)、用户特定的参考信号(UE Specific Reference Signal,UE-RS)、主同步信号(Primary Synchronization Signal,PSS)、辅同步信号(Secondary Synchronization Signal,SSS)、PBCH信道以及PDSCH信道。

2)根据PDSCH资源映射索引取出信道资源:LTE-A空口监测分析仪对OFDM基带信号进行解调,利用保存的CRS索引取出时频网格中的CRS资源,进行导频分离,对取出的导频信号进行信道估计,而时频网格中的PDSCH信道资源可根据之前产生的PDSCH资源索引定位,直接取出PDSCH信道资源。

图1 LTE-A空口监测分析仪中解资源映射的整体结构Fig. 1 Overall architecture of de-resource mapping in LTE-A air interface analyzer

由于第2)部分直接利用资源映射索引定位取出对应资源即可,因此本文只详细介绍第1)部分。

2 资源映射索引产生模块

鉴于参考信号、同步信号以及PBCH信道资源占用的RE位置可能会与PDSCH信道资源位置重复,因此,在产生PDSCH信道资源索引之前,需要考虑各信号资源与PBCH数据在时频资源网格上占用的RE位置,产生对应资源索引以便计算PDSCH信道资源映射索引时扣除。

2.1 参考信号资源索引

LTE-A空口监测分析仪中的参考信号包含CRS和UE-RS两种类型。CRS的RE位置与物理小区ID、天线端口号、下行循环前缀(Cyclic Prefix, CP)类型以及频率偏移有关[8]。UE-RS只映射到单流波束赋形模式或双流波束赋形模式中,映射的方法视具体模式而定:在单流波束赋形中,根据不同CP类型按照UE-RS资源映射方法映射UE-RS即可。在双流波束赋形中,若非TDD制式子帧号1或6,则直接按照UE-RS资源映射方法映射UE-RS；反之需要考虑是否为特殊子帧,再根据下行子帧类型进行资源映射。详细的两种参考信号映射过程请参考36.211协议[9],这里不再赘述。

2.2 同步信号索引

LTE-TDD制式中,PSS在时域上映射到子帧号为1和6的第三个OFDM符号上,SSS在时域上映射到子帧号为0和5的最后一个OFDM符号上;频域上,PSS和SSS均映射到整个带宽中间的6个资源块(Resource Block,RB)中,根据PSS和SSS映射的位置可计算二者的资源索引。

2.3 PBCH信道索引

PBCH信道在TDD制式子帧0的时隙1上进行传输,时域上占用0、1、2、3的4个符号进行传递,频域上占用72个RE资源,按照式(1)进行映射:

(1)

2.4 PDSCH信道索引

下行PDSCH信道资源索引产生的流程如图2所示。

图2 PDSCH信道索引产生流程Fig. 2 PDSCH channel index generation flow

由于在此之前已经扣除了CRS占用的RE资源,因此在为PDSCH的物理资源块(Physical RB,PRB)编号时不需要考虑CRS的位置。PDSCH信道资源分配有三种类型,分配类型不同,计算PDSCH信道资源映射索引的方法不同,在第3章详细介绍。在产生PDSCH资源索引后,根据资源索引定位PDSCH信道资源在时频资源网格中的位置,提取PDSCH信道资源。

3 PDSCH资源分配类型

LTE-A空口监测分析仪中PDSCH信道的资源分配有0、1、2这三种类型[10],具体采用何种类型由下行控制信息(Downlink Control Information,DCI)格式指示以及DCI内相关比特配置决定。

3.1 资源分配类型0

类型0以资源块组(Resource Block Group, RBG)为调度单位。资源分配分为三步:

1)如表1所示,RBG大小P由系统带宽确定。

表1 系统带宽与RBG大小的关系Tab. 1 Relationship of system bandwidth and RBG size

2)确定资源块组总数,公式为:

(2)

3)位图(bitmap)携带NRBG个比特,最终根据位图确定UE被分配的资源。

3.2 资源分配类型1

在类型1中,以虚拟资源块(Virtual Resource Block, VRB)为调度单位,资源分配具体步骤如下:

1)与类型0相同,根据带宽得出P的值。

2)DCI通过3个域指示分配给UE的虚拟资源块数,通过DCI携带的信息得到三个域的值:

(a)计算资源块组的子集数p,计算公式为:

p=「lb (P)⎤

(3)

(b)偏移量1比特(shift bit):指定子集内的资源是否偏移;

(c)位图(bitmap),即包含的比特数:

(4)

3)计算每个资源块组的子集中所包含的虚拟资源块个数,参考式(5)计算:

(5)

4)根据偏移比特确定是否偏移:

当偏移比特为0时,资源块组的子集p的偏移为:

Δshift(p)=0

(6)

当偏移比特为1时,资源块组的子集p的偏移为:

(7)

5)计算位图中的每个比特对应的虚拟资源块数:

p·P+(i+Δshift(p)) modP

(8)

3.3 资源分配类型2

类型2中,UE分配到的是一段连续的虚拟资源块,可为集中式,也可为分布式,具体类型由DCI格式指定。

在集中式中,虚拟资源块和物理资源块是一一对应关系[11],在分布式中,虚拟资源块到物理资源块的映射过程分以下步骤:

1)如表2所示,根据系统带宽获取间隔Gap,但是协议规定两种不同的间隔值。在DCI信息中,1比特字段决定集中式还是分布式;1比特字段决定1stGap还是2ndGap。

表2 系统带宽与Gap参数的关系Tab. 2 Relationship of system bandwidth and Gap parameters

2)确定可用于频率交织的虚拟资源块范围:

1stGap时:

(9)

2ndGap时:

(10)

3)获取交织矩阵。

(a)1stGap时:

(11)

所有用于分布式调度的虚拟资源块资源只能组成一个交织单元,形成一个交织矩阵。

(b)2ndGap时:

(12)

若带宽不同,则交织矩阵数量不同。

4)虚拟资源块向物理资源块映射。

4 仿真结果及分析

4.1 仿真环境

在通信系统中,误码率指示传输过程中传输信息的可靠性,是通信系统质量的重要指标之一;吞吐量是指通信过程中单位时间内传送成功的比特数[12]。本文在分析四种传输模式时,在提出的新型解资源映射架构下对整个过程的误码率和吞吐量进行仿真,整个仿真使用Matlab平台,部分仿真参数如表3所示。

表3 仿真参数Tab. 3 Simulation parameters

本文的仿真包括两个部分:

1)将改进的PDSCH解资源映射架构与传统的解资源映射放在LTE-A链路层中,对比二者所需要的运行时间,分析改进后解资源映射架构的优点。

2)将改进的PDSCH解资源映射架构放在整个LTE-A链路层中,分别仿真四种传输模式下的误码率和吞吐量,分析不同传输模式的优缺点,同时也对新型架构下的解资源映射的效率以及可靠性方面进行验证。

4.2 不同PDSCH解资源映射架构的仿真结果

传统的PDSCH解资源映射时,需要扣除PBCH信道等其他信号和信道占用的RE资源,但该RE资源往往是在PDSCH解资源映射前已经计算过一次的,这样做往往会重复计算信号和信道占用的RE位置。为解决此问题,本文在接收端对天线接收信号处理之前,先根据不同传输模式生成同步信号、参考信号以及下行信道的资源映射索引,在解资源映射时直接根据资源索引定位资源的时频位置,取出各信号与信道资源。

在保证可靠性的条件下,传统解资源映射架构下整个解资源映射过程花费了0.006 s,改进后的解资源映射架构下花费0.004 s。相对于传统架构,改进后架构下的解资源映射时间花费减少了33.33%,由此也可以说明在硬件实现时所需要的资源消耗也大幅降低。

4.3 不同传输模式下的仿真结果

1)单天线端口0模式的仿真结果如图3所示。可以看出,在单天线端口0中,相对于单发单收模式,单发4收的整体误码率更低。相同误码率条件下,单发4收所需的信噪比比单发单收大约低5 dB。相同信噪比情况下,单发4收的吞吐量明显比单发单收高,且在22 dB时,二者吞吐量达到最高且相同。

图3 单天线端口0模式的仿真结果Fig. 3 Simulation results for single antenna port 0 mode

2)发射分集模式下的仿真结果如图4所示。发射分集模式是指相同的数据在多根发射天线上冗余发送,因此提升了信号与干扰加噪声比(Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR),降低了系统的误码率。但是相对于单天线端口0模式,发射分集并没有提高小区吞吐量。

图4 发射分集模式的仿真结果Fig. 4 Simulation results for transmit diversity mode

3)单流波束赋形模式下的仿真结果如图5所示。单流波束赋形模式在4个接收天线条件下信噪比在17.5 dB时已降至最低,吞吐量达到最高。相对于单天线端口0模式和发射分集模式,相同信噪比情况下,单流波束赋形模式下,吞吐量明显提高并且误码率降低。

图5 单流波束赋形下的仿真结果Fig. 5 Simulation results for single-stream beamforming

4)双流波束赋形模式的仿真结果如图6所示。双流波束赋形模式是单流波束赋形和空间复用模式的结合,本质上来说,它是通过同时传输两个赋形数据流以实现空间复用。本文只仿真了单用户双流波束赋形技术,单个用户能够在某一时刻传输两个数据流,因此能够同时获取赋形增益和空间复用增益,系统容量更高。

图6 双流波束赋形下的仿真结果Fig. 6 Simulation results for dual stream beamforming mode

5 结语

本文提出了一种新型的PDSCH解资源映射架构,相对于传统的PDSCH解资源映射,减少了资源消耗,降低了运算量;同时研究了单天线端口0、发射分集、单流波束赋形和双流波束赋形四种传输模式下的PDSCH解资源映射,把改进后的PDSCH解资源映射模块放在LTE-A链路层进行仿真,得到四种传输模式下的仿真结果,实验结果表明:相对于单天线端口0,发射分集通过提升信噪比,降低了系统误码率;单流波束赋形能够明显提高吞吐量;双流波束赋形可以看作是单流波束赋形的改进,进一步提高了系统容量。