5G广播系统物理广播信道的信道估计

李春一

摘  要： 在研究5G广播标准协议的基础上，提出了基于离散傅里叶变换（DFT）降噪的主/辅同步信号（PSS/SSS）及小区参考信号（CRS）联合信道估计方法，可以在低信噪比、大频偏和高信道动态变化的场景下，准确地估计出物理广播信道（PBCH）的信道状态信息.仿真结果表明：所提出的信道估计方法的性能优于传统方法，有效地提升了5G广播系统中PBCH的信道估计能力.

关键词： 物理广播信道（PBCH）信道估计; 主/辅同步信号（PSS/SSS）; 小区参考信号（CRS）; 傅里叶变换（DFT）降噪

中图分类号： TN 919.3    文献标志码： A    文章编号： 1000-5137（2022）02-0193-11

LI Chunyi

（School of Electronic Information and Electrical Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China）

Depending on the current standard protocols for 5G broadcasting system， a joint estimation method based on primary/secondary synchronization signal（PSS/SSS）and cell reference signal（CRS） was proposed in this paper， which used discrete Fourier transform（DFT） to reduce noise. The PBCH channel state could be estimated more accurately in the scene of low signal-to-noise ratio， large frequency deviation and high channel dynamic changes by the above method. The simulation results showed that the proposed estimation methods performed better than the traditional schemes， by which the PBCH channel estimation ability in the 5G broadcasting system could be improved significantly.

physical broadcast channel（PBCH）channel estimation; primary/secondary synchronization signal（PSS/SSS）; cell reference signal（CRS）; discrete Fourier transform（DFT） noise reduction

近年來，移动通信网络中的用户接入量、数据传输量均快速增长.据思科公司调研，到2023年，全球将有70%以上的人口接入移动通信网络，整个网络中82%的数据吞吐量将由视频传输所占据.移动通信系统中的单播（Uni-Cast）模式已逐渐显现出效率不足、传输成本高等缺陷.为此，第三代合作伙伴计划（3GPP）从2004年开始，陆续制定了多了个基于移动通信架构的广播多播（Broad/Multi-Cast）传输标准，2020年的Release 16版本推出了最新的5G广播标准.

5G广播标准采用了长期演进（LTE）的物理广播信道（PBCH）作为系统接入初始信令的信息承载，用于传输诸如带宽、帧号等的基础信令信息.接收机在完成基于主/辅同步信号（PSS/SSS）的信号同步后，需要针对PBCH进行信道估计、均衡与解码.但与LTE单播系统不同，5G广播对PBCH的帧结构做了较大改动，通过增加重复播发的次数，将PBCH的时间跨度从4个正交频分复用（OFDM）符号增加到9个（扩展循环前置时）或11个（一般循环前置时）.这使得5G广播中的PBCH信道估计，相比于传统LTE单播系统，需要在低信噪比工作场景的基础上，进一步考虑系统频偏和信道动态变化的影响.

传统LTE单播系统的PBCH信道估计方法，一般利用小区参考信号（CRS）进行导频点的信道估计，再通过插值实现整个PBCH的信道估计，但由于CRS个数较少，在低信噪比下，信道估计的精度不足.HE提出了一种基于PSS反馈的信道估计方法，在一定程度上提高了低信噪比场景下的PBCH信道估计精度;CAO等提出了利用PSS/SSS及CRS进行信道估计的方法，但没有考虑5G广播中PBCH时间跨度内的接收数据量较大，在大频偏和高信道动态变化场景下性能不佳，同时，该方法采用了较为简单的频域低通滤波对其插值进行降噪，不适用于低信噪比场景;WU等提出了在LTE下行业务信道中，采用DFT 降噪的信道估计算法，提高了系统的性能，但没有考虑该方法与CRS和PSS/SSS在PBCH信道估计中联合使用的情况;GUAN等将PSS/SSS的信号同步后，提出了利用CRS信息进行验证的方法，降低了同步的误检和漏检概率，但并未将此方法用于对PBCH的信道估计.

综上，基于5G广播系统中PBCH的信道估计方法亟待改进.本文作者在研究5G广播系统中多种PBCH信道估计方法的基础上，利用PSS/SSS及CRS进行联合信道估计，并采用DFT进行降噪，通过分析5G广播系统中PBCH特殊的帧结构，给出了一种分段联合估计方法，解决了PBCH对于大频偏和高信道动态变化的敏感性问题.仿真结果表明：所提方法可以有效改善传统PBCH信道估计方法在5G广播系统中对抗低信噪比、大频偏和高信道动态变化能力不足的问题，显著提升PBCH信道信息接收解调的稳健性.

1  5G

广播标准的发展背景

LTE技术拥有频谱效率高、抗频率选择性衰落强等优点，是全球第四代移动通信的技术标准.然而，随着用户接入量及多媒体业务量的暴发式增长，LTE系统中的传统单播传输模式，慢慢暴露出了其在特定场景下频谱效率低、资源浪费严重的问题.为此，3GPP在LTE单播标准的基础上，逐步引入了广播组播的业务形态，并最终形成了现在的5G广播标准，如图1所示.

2004年，3GPP在Rel-6版本中定义了广播组播服务（MBMS），并在Rel-9版本中制定了eMBMS标准.2017年，3GPP在Rel-14版本中为LTE系统引入了一种广播专用模式（MBMS Dedicated⁃cell），制定了FeMBMS标准.为了提升广播模式的覆盖范围和传输能力，3GPP在2020年最新的Rel-16版本中，对MBMS Dedicated⁃cell模式进行了物理层增强，包括引入PBCH重复播发机制，提高了信令传输的稳健性与小区覆盖范围，降低了广播信号接入的延迟.

帧结构与结构

5G广播标准的MBMS-dedicated cell模式是一种与移动通信网络兼容的专用广播模式，采用了全新的帧结构设计.在MBMS-dedicated cell中，每一个无线帧长度为10ms，4个无线帧组成一个40 ms时长的发射周期，每个发射周期又分为小区采集子帧（CAS）与多播广播单频网络子帧（MBSFN），如图2所示.

CAS是整个无线帧的控制区域，用于传输信令，每40 ms发送一次;除CAS之外的其他部分为MBSFN，用于传输业务信息.CAS子帧长为1 ms，其子载波间隔固定为15 kHz，支持两种Cyclic Prefix（CP）模式，即Normal CP和Extended CP.当采用Normal CP时，CAS包含14个OFDM符号;当采用Extended CP时，CAS包含12个OFDM符号.CAS包含用于初始同步的PSS/SSS信号以及用于信令传输的4种物理信道，包括：PBCH、物理控制格式指示信道（PCFICH）、物理下行控制信道（PDCCH）和物理共享控制信道（PDSCH）.其中，PBCH信道用于傳输系统的基本配置，是信号接收解调的第一个物理信道.由于在接收解调PBCH信道信息时，接收机尚未完成载波同步和信道估计，对于PBCH的信道估计需要能够有效适应较大的载波频偏和各种恶劣的信道环境.

的信道估计

在5G广播标准的CAS内部结构中，为了提升PBCH的解调成功率，对PBCH进行了重复播发，使得整个PBCH信道的传输时间跨度明显增大.以Extended CP为例，10 MB带宽的资源分配以及PBCH重复规则如图3所示.

在图3结构下，由于PBCH信号的时间跨度由4个OFDM符号变为9个，PBCH信道估计对大频偏和高动态信道的变化非常敏感.如何在低信噪比、大频偏和高动态信道变化的场景下实现PBCH的精准信道估计，是一个亟待解决的难题.

2  传统的PBCH信道估计方法

基于的信道估计方法

基于判决反馈的方法

由于在进行PBCH信道估计前，PSS/SSS已完成同步，可以通过判决反馈，将重构后的PSS/SSS信号作为导频，用于PBCH的信道估计.

基于降噪的联合信道估计方法

基于降噪的分段联合信道估计方法

4  仿真验证

为了验证所提方法的效果，对AWGN，Rayleigh和3GPP的Tapped Delay Line（TDL）-A3种静态信道进行仿真，比较在不同信噪比和不同频偏下的接收性能.另外，对TDL-D和TDL-E两种3GPP的动态信道进行仿真验证，比较不同信噪比和不同多普勒场景下的性能.

为了提升仿真结果的正确性，采用了基于蒙特卡罗的方法，观察采用不同PBCH信道估计算法时的检测成功率.将基于DFT的PSS/SSS+CRS联合信道估计方案命名为联合估计方案1，将基于DFT的分段PSS/SSS+CRS联合信道估计方案命名为联合估计方案2.

Rayleigh信道及3种TDL信道的具体参数见附录.仿真所采用的系统参数如表1所示.

5  结论

通过5G广播标准中PBCH特殊结构对PBCH信道估计的影响分析，提出了两种基于DFT降噪的PSS/SSS+CRS联合信道估计的方法，与传统PBCH信道估计方法相比，在对抗低信噪比、大频偏和高信道动态变化上有明显优势，可以提升5G广播接收机的性能，扩大5G广播系统的应用.

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（责任编辑：包震宇，顾浩然）