长期演进系统下行短帧结构及其导频图样设计

谢培浩 张静 苏颖

摘 要： 在长期演进（LTE） 系统下行链路中，使用短帧传输数据可达到降低通信时延的目的.由于缩短帧的长度会造成系统性能的损失，为权衡系统吞吐量和信道估计质量之间的关系，给出一种新的小区专用参考信号（CRS）映射图样.链路级仿真结果表明：所设计的短帧导频图样在满足LTE系统下行吞吐量要求的同时，可提高信道估计质量并降低系统的误码率.

关键词： 低时延; 短帧; 导频图样; 信道估计; 吞吐量

中图分类号： TN 929.5文献标志码： A文章编号： 1000-5137（2019）01-0038-05

Abstract： In this paper，short frame was introduced to transmit data in the long term evolution （LTE） system downlink to reduce communication delay.Since the reduction of the frame length would degrade system performance，a new cell-specific reference signal （CRS） mapping pattern was proposed in order to balance the relationship between the system throughput and the channel estimation quality.Link-level simulation results showed that the proposed method could satisfy system throughput requirement while improving the channel estimation quality and reducing system error rate.

Key words： low latency; short frame; pilot pattern; channel estimation; system throughput

0 引 言

空中接口的传输时延是无线通信系统中一项重要的性能指标.第五代（5G）移动通信系统可以随时随地提供信息和数据共享，其在高可靠低时延场景下所提供的1 ms空中接口时延和毫秒级别的端到端时延，使其可支持各种对时延有着严格要求的业务，如远程工业控制、汽车自动驾驶和触觉互联网等应用.然而，当前长期演进（LTE）和高级LTE（LTE-A）系统中单向用户的平均时延约为5 ms，还无法达到低时延标准.

第三代合作伙伴计划（3GPP）在第14个版本报告中认为，缩短子帧长是降低通信时延的关键技术之一.可以通过两种方法缩短子帧长度：1）扩大子载波间隔，缩短每个正交频分复用（OFDM）符号的长度;2）在保持子载波间隔不变的情况下，减少子帧内OFDM符号个数，即在原LTE系统子帧结构基础上，从第一个OFDM符号开始连续选取若干个（小于14个）OFDM符号构成新的子帧[1].采用方法1，会大幅降低系统的吞吐量，严重影响系统的传输性能，而采用方法2，将减少子帧内待处理的数据，降低链路各处的处理、等待时延.

本研究在方法2的基础上，针对OFDM符号个数大于5且小于9的短帧，提出一种新的小区专用参考信号（CRS）映射图样，在LTE系统的基础上，将原本针对每个时隙进行的CRS映射过程调整为针对每个子帧进行映射，并仿真对比了原LTE系统子帧，6个符号子帧和本文作者提出的子帧三者的映射图样在系统吞吐量和误码率（BER）上性能的优劣.

1 LTE系统下行链路的短帧

每个LTE系统下行链路的子帧帧长1 ms，由两个0.5 ms的时隙组成，在常规循环前缀（CP）的情况下每个子帧由14个OFDM符号组成.基本资源映射单位分别为资源元素（RE）和资源块（RB），其中，每个RE由1个OFDM符号持续时间和1个子载波间隔构成，每个RB由7个OFDM符号持续时间和12个子载波间隔构成.在时频资源映射过程中，每个子帧的前两或三个（由系统配置决定）OFDM符号用来传输控制信号，并且每个RB根据天线端口配置，都对应固定个数的RE，用于传输CRS.

由于子帧中映射的信道或信号种类过多，且又存在占用固定数量RE的信号，因此子帧设置过短，信号不容易在现有LTE系统的基础上实现.同时，减少子帧内RE个数，使更多频带资源被用于传输控制和参考信号，导致链路覆盖范围过窄，造成控制和参考信号开销过大等相关问题，对系统性能削弱较大.因此，尽管短帧在降低时延上可行，但同时也会抵消部分系统增益.

2 时隙级短帧参考信号的映射图样

CRS是LTE系统下行链路特有的参考信号，用于下行信道质量的测量以及下行信道的估计，其映射图样与用户设备（UE）端的相干检测和解调有关.CRS实际上是一串伪随机序列，其映射规则如下：[2]

3 仿真结果与分析

本仿真实验基于维也纳大学LTE链路及MATLAB仿真平台进行，主要讨论短帧中不同的导频图样在吞吐量和误码率两个方面上对系统性能的影响.仿真参数设置如下：载波频率为2.5 GHz;系统带宽为20 MHz;子帧长度为6或14个OFDM符号持续时间;子载波间隔为15 kHz和20 kHz;信道模型为扩展典型城市信道模型（ETU）;天线配置为用户端1根接收天线，基站端1根发射天线;循环前缀长度为常规;用户的速度为30 km·h-1;接收机类型为破零接收机.

将原LTE系统的子载波间隔（15 kHz）调整为60 kHz，系统吞吐量的变化如图1所示.从图1可以看出，当子载波间隔为60 kHz时，吞吐量并不满足LTE网络的性能要求（LTE单用户每兆赫兹平均吞吐量为R6 高速下行分组接入的3～4倍，即当带宽为20 MHz时下行吞吐量为30～45 Mbit·s-1）.虽然通过增加子载波间隔，缩短OFDM符号长度可以达到减少通信时延的效果，但是若保持系统带宽不变，由于子载波间隔扩大，系统所能分配的RB个数就会减少，造成频率资源浪费，频谱利用率降低，从而导致系统吞吐量的减少.然而，通过扩大子载波间隔缩短时延的方法无需更改子帧内各类信道（如下行控制信道）以及控制信号（如同步信号、参考信号）的映射方法，就可以缩短帧长.由于子载波间隔个数是以2的指数倍递增（子载波间隔最多为480 kHz），在不改變子帧内OFDM符号个数的情况下，子帧的长度也以2的指数倍缩短，降低时延的效果十分明显.

图2为在原LTE系统子帧、6个符号的子帧及作者提出的6个符号子帧三种结构下，系统吞吐量随信噪比（SNR）的变化情况.从图2可以看出，6个符号的子帧在吞吐量性能上与原LTE系统接近，这是因为其在资源映射结构上与7个符号的子帧相似，而7个符号的子帧则取自原LTE系统子帧中的一个时隙.而在本文作者提出的6个符号子帧中增加了参考信号，使更多的时频资源被用于发射CRS，相较于原6个符号的子帧，吞吐量有所降低，但其吞吐量满足LTE系统要求.

图3为原LTE系统子帧、6个符号的子帧及作者提出的6个符号子帧三种结构下，系统误码率Br的对数随信噪比的变化情况.从图3中可以看出：在SNR阶段，三种子帧的Br相差不大;在高SNR阶段，由于参考信号个数的增加，在子帧映射资源结构中，传输数据与参考信号间隔相应减少，采用本文作者提出的6个符号子帧的BER明显低于另外两种子帧结构.因此，作者提出的6个符号子帧在保证吞吐量的前提下，达到了提高信道估计质量，降低系统Br，提高通信可靠性的目的.

4 结 论

比较了缩短OFDM符号长度和减少子帧内OFDM符号这两种减少通信时延的方法对通信系统吞吐量的影响.通过将子帧内OFDM符号减少为6个，可达到缩短通信时延的目的，并基于此6个符号的子帧设计了新的CRS映射图样.仿真结果表明：此图样在满足LTE系统吞吐量要求的同时，降低了系统的误码率.

参考文献：

[1] LI C P，JIANG J，CHEN W，et al.5G ultra-reliable and low-latency systems design [C]//European Conference on Networks and Communications.Oulu：IEEE，2017：1-5.

[2] SUN X，HAO N，ZHENG N.Study on system latency reduction based on shorten TTI [C]//International Conference on Signal Processing.Chengdu：IEEE，2017：1293-1297.

[3] LI J，SAHLIN H，WIKSTROM G.Uplink PHY design with shortened TTI for latency reduction [C]//Wireless Communications and Networking Conference.San Francisco：IEEE，2017：1-5.

[4] WANG C，CHEN Y，WU Y，et al.Performance evaluation of grant-free transmission for uplink URLLC services[C]//IEEE Vehicular Technology Conference.Sydney：IEEE，2017：1-7.

[5] HOSSEINI K，PATEL S，DAMNJANOVIC A，et al.Link-level analysis of low latency operation in LTE networks[C]//Global Communications Conference.Washington，D.C.：IEEE，2017：1-6.

（責任编辑：包震宇，顾浩然）