LTE網(wǎng)絡(luò)空中接口物理層PDSCH信道檢測技術(shù)研究

摘要：隨著國內(nèi)LTE牌照的發(fā)放，大規(guī)模的LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和部署勢在必行。由于LTE扁平化的結(jié)構(gòu)特點使得空中接口測試成為LTE網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測的重點。物理層位于空中接口協(xié)議規(guī)范最底層，而PDSCH信道承載了物理層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)比特流，因此，PDSCH信道的檢測成為物理層分析的核心模塊。本文結(jié)合自主研發(fā)的LTE空中接口監(jiān)測儀，對PDSCH信道檢測技術(shù)進行探討，儀器分析結(jié)果表明，提出的檢測技術(shù)正確有效。

背景

　　人們對移動寬帶應(yīng)用需求日益強烈，而移動寬帶發(fā)展面臨著頻譜資源稀缺的瓶頸。LTE作為下一代移動通信標準，采用了OFDM、MIMO等技術(shù)，具有高頻譜效率、高峰值速率、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)扁平化等優(yōu)點，有效地提升了用戶在移動通信業(yè)務(wù)的體驗度^[1]。隨著LTE牌照的發(fā)放，大規(guī)模的LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和部署勢在必行。空中接口作為LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中eNode和UE的接口，能以第三方視角有效反應(yīng)LTE網(wǎng)絡(luò)用戶的業(yè)務(wù)建立和信令過程，空中接口檢測技術(shù)的發(fā)展對LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)劃和優(yōu)化有重要的意義。

　　根據(jù)LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及空中接口協(xié)議，空中接口包括物理層、鏈路層及信令層三層結(jié)構(gòu)。物理層位于空中接口協(xié)議最底層，提供物理介質(zhì)中比特流傳輸所需功能，通過物理信道所承載的傳輸信道，為MAC層和高層提供信息傳輸?shù)姆?wù)。PDSCH作為物理層主要的信道，承載了廣播、隨機接入、尋呼等信息，包括LSIB1、SIB2、SI、RAR、RRC_Set等LTE信令。通過檢測PDSCH信道，能夠反應(yīng)物理層信道質(zhì)量指標。

1 PDSCH信道檢測過程

　　LTE空中接口監(jiān)測儀由無線信號采集系統(tǒng)、無線信號解析系統(tǒng)等模塊組成，完成LTE無線信號采集及分析。其中無線信號解析系統(tǒng)物理層分析子模塊采用FPGA+DSP結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，具體鏈路實現(xiàn)如圖1所示。主要包括時間、頻率同步，F(xiàn)FT，信道估計、均衡，信道解調(diào)等模塊。通過時間、頻率同步過程消除LTE信號的定時偏差和頻率偏差;FFT過程把LTE 信號變換到頻域，在頻域上進行信道估計及解調(diào);信道估計、均衡過程是物理層解析的關(guān)鍵模塊，求解信道傳輸系數(shù);信道解調(diào)過程通過解資源映射獲取信道資源位置，完成資源位置上的數(shù)據(jù)分析。

1.1 時間、頻率同步

　　eNode和UE通信過程中由于晶振的精度和UE 的高速移動帶來多普勒偏移等因素會產(chǎn)生頻率偏移和定時偏差，因此，為了解析PDSCH信道信息，必須對抓取的LTE空中接口數(shù)據(jù)進行定時同步及頻偏補償^[2]。

　　本文根據(jù)PSS及SSS的性質(zhì)進行定時同步，并利用CP相關(guān)進行頻偏估計。由于周期為5ms的PSS是ZC序列，具有很強的相關(guān)性，可利用此特性確定5ms的時隙邊界，同時得到小區(qū)扇區(qū)ID。由于LTE空中接口監(jiān)測儀對數(shù)據(jù)處理要求有較好的實時性，為了降低相關(guān)過程數(shù)據(jù)處理容量，同時保證有完整的PSS序列，本文首先提取6ms的LTE空中接口數(shù)據(jù)，然后采取數(shù)據(jù)抽取技術(shù)對6ms的LTE空中接口數(shù)據(jù)進行處理，完成與本地PSS粗同步，得到小區(qū)扇區(qū)ID。在此基礎(chǔ)上，進行PSS精同步，同時利用CP相關(guān)，得到頻偏估計，對LTE空中接口數(shù)據(jù)進行頻偏補償。完成精同步后，在PSS基礎(chǔ)上向前搜索SSS，SSS前后半幀的映射正好相反，因此，只要接收到兩個SSS就可以確定10ms的邊界，達到了幀同步的目的，得到小區(qū)組ID。

1.2 信道估計、均衡

　　由于LTE空中接口監(jiān)測儀系統(tǒng)性能對數(shù)據(jù)處理要求有較好的實時性，因此，本文采取基于IDCT/DCT變化域[3]的改進型LS算法。本算法繼承了傳統(tǒng)LS算法計算簡單、便于實現(xiàn)的優(yōu)點，但是不同于傳統(tǒng)的LS算法忽略噪聲的影響，本算法利用了時域上的沖擊響應(yīng)點來抑制高斯白噪聲的影響，提高了信道估計本身的SNR性能，因此，本算法的精度得到了有效的保證。與傳統(tǒng)的MMSE算法相比，本算法不需要知道信道的先驗信息，減少了大量的矩陣運算，大大降低了算法實現(xiàn)復(fù)雜度。因此，本算法更適合在實時性要求高的LTE空中接口監(jiān)測儀系統(tǒng)中使用。

　　具體的實現(xiàn)框圖如圖2所示。本算法利用下行信道子載波上的小區(qū)專屬參考信號進行LS信道估計，得到頻域信道沖擊響應(yīng)，k∈0,1,…,N_p-1，Np為一個OFDM符號內(nèi)小區(qū)參考信號的個數(shù)。經(jīng)過DCT變換，把長度為N_p的鏡像映射為2Np點的數(shù)據(jù)進行處理，得到時域，n∈0,1,…,N_p-1，變換后有效消除邊緣不連續(xù)效應(yīng)，將信號的能量集中在低頻區(qū)域中。因為此時時域內(nèi)信道能量集中在相對較少的抽樣點上，經(jīng)過變換窗將能量較低的抽樣點視為零，得到?jīng)_擊響應(yīng)時域估計值，k∈0,1,…,N_p-1，同時抑制了信道有效部分以外的所有噪聲項。在得到?jīng)_擊響應(yīng)時域估計值后，為了得到一個OFDM符號內(nèi)所有子載波(包含非小區(qū)專屬參考信號位置)的沖擊響應(yīng)，在k∈N_p,N_p+1,…,N進行補零操作，N為一個OFDM子載波的個數(shù)。經(jīng)過DCT變換，得到頻域內(nèi)所有子載波位置的沖擊響應(yīng)，k∈0,1,…,N-1。得到頻域所有子載波位置的沖擊響應(yīng)后，利用線性插值等技術(shù)在時域上得到所有OFDM符號的沖擊響應(yīng)，完成信道估計。利用信道的估計值，對采樣的信號進行均衡。

1.3 解資源映射

　　PDCCH信道承載的DCI傳輸了下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)度信息?？罩薪涌诟鶕?jù)檢測到的DCI信息及格式對PDSCH信道資源分配域進行解釋。根據(jù)PDSCH信息資源分配域提取PDSCH信道有效數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)解調(diào)。

　　PDSCH信道資源分配支持3種類型，其中DCI format 1A/ 1B/1C/1D只支持資源分配類型2;DCI 0/2/2A/2B/2C支持資源分配類型0及資源類型1，DCI信息包含了資源分配類型0及資源分配類型1區(qū)分標志位。

　　資源分配類型0將下行PRB分成若干RBG，采用LVBR方式將連續(xù)的RBG資源分配給用戶，根據(jù)DCI中的資源分配位域指示相應(yīng)的RBG是否被分配，得到PDSCH信道占用的資源。資源分配類型1將下行的RBG再分成P個子集，在每個子集內(nèi)部以LVRB為單位，采用bitmap方式指示無線資源，根據(jù)DCI中的資源分配位域，獲取RBG子集序號，在根據(jù)子集內(nèi)的資源偏移信息，確定PDSCH信道占用的資源。資源分配類型2采用起始的RB位置，結(jié)合LVRB與DVRB的長度，共同確定RB位置。對DCI format 1A/1B/1D而言，資源分配由一個資源指示值RIV來表示。通過這個值，可以推導(dǎo)出分配給UE的起始RB(RBstart)以及連續(xù)分配的RB的長度(LCRBS)，如式(1)及式(2)所示。DCI format 1C 中RBstart、LCRBS的推導(dǎo)與式(1)和式(2)類似，只是增加了步進的概念。由于資源分配類型2既支持集中型的資源分配，也支持分布型的資源分配，需要根據(jù)上面推導(dǎo)得到的RB位置按照3GPP TS36.211協(xié)議^[4]映射得到PDSCH信道實際占用的PRB位置。

(1)

(2)

　　其中，N_RB為LTE下行帶寬RB數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)解調(diào)

　　EVM是用來表征LTE信號分析質(zhì)量的參數(shù)，它表示在一個給定時刻理想無誤差基準信號與實際接收信號的矢量差。EVM分析指標符合空中接口協(xié)議規(guī)范后，可進一步對PDSCH信道進行解調(diào)，得到承載的碼流信息。本文根據(jù)得到的資源位置提取PDSCH的有效數(shù)據(jù)，同時根據(jù)DCI包含的MCS信息確定調(diào)制方案，以確定基準信號，依式(3)進行EVM分析。若EVM分析指標符合空中接口協(xié)議規(guī)范，則調(diào)用DSP包含的Turbo-Decoder Coprocessor對數(shù)據(jù)進行解調(diào)，得到碼流信息。

(3)

　　其中，0<V<T_m，T_m為PDSCH信道實際數(shù)據(jù)個數(shù)，為提取的PDSCH實際數(shù)據(jù)，為PDSCH信道基準信號，P₀為基準信號的平均功率。

2 實驗結(jié)果及分析

　　本次實驗以某基站及終端為測試對象，通過空中接口監(jiān)測儀無線信號采集模塊采集空中接口數(shù)據(jù)，采用本文提出的PDSCH檢測分析技術(shù)，得到PDSCH信道的EVM指標的Average值為2.139%，Peak值為3.781%，符合空中接口協(xié)議要求。同時利用通過DSP的Turbo-Decoder Coprocessor解析PDSCH承載的比特流，利用空中接口監(jiān)測儀協(xié)議分析模塊分析PDSCH承載的信令為SIB1，如圖3所示。從實驗結(jié)果可知，本文提出的PDSCH信道檢測分析技術(shù)正確、有效，能夠滿足LTE空中接口監(jiān)測儀的解析要求。

3 結(jié)束語

　　LTE空中接口物理層分析模塊是LTE空中接口監(jiān)測儀的重要組成部分。PDSCH信道承載物理層業(yè)務(wù)比特流信息，其信道檢測分析是物理層分析模塊的核心部分。本文結(jié)合自主研發(fā)的LTE空中接口監(jiān)測儀系統(tǒng)性能要求，對PDSCH信道檢測分析技術(shù)進行探討，儀器分析結(jié)果表明，提出的檢測分析技術(shù)正確有效。

參考文獻：

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第7期第34頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。