《電子技術(shù)應(yīng)用》
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LTE-A系統(tǒng)下行鏈路信道估計(jì)的性能評估
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第8期
陳 貝, 陳發(fā)堂, 石偉萍
重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院, 重慶400065
摘要： 使用3GPP10版本即LTE-A(Long Term Evolution Advanced)中新的參考信號，通過不同的信道估計(jì)算法來進(jìn)行信道估計(jì)，然后對其性能進(jìn)行了評估。信道狀態(tài)信息參考信號被用來進(jìn)行反饋估計(jì)，采用終端專用參考信號來進(jìn)行解調(diào)。此外還對比了LTE中參考信號與LTE-A的參考信號的優(yōu)缺點(diǎn)。最后給出了評估信道估計(jì)性能的仿真結(jié)果。
中圖分類號： TN301
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)08-0095-03
Performance evaluation of LTE advanced downlink channel estimators
Chen Bei, Chen Fatang, Shi Weiping
School of Communication and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China
Abstract： In this paper we apply and assess the performance of different channel estimation algorithms to the new reference signal structure standardized for LTE Advanced in the 3GPP Release 10 standards. The different reference signals are presented and they are employed to obtain channel estimates for demodulation and feedback calculation. Furthermore, we point out the advantages and drawbacks of the LTE Advanced reference signals in comparison to the LTE reference symbol structure. Finally we provide simulation results to evaluate the capabilities of the designed channel estimators.
Key words : LTE-A； reference signal； channel estimation； simulation

    為了實(shí)現(xiàn)4G通信，LTE版本10同版本8相比支持多種新的功能。比如多點(diǎn)協(xié)作傳輸、加強(qiáng)的MIMO傳輸，這些都需要新的參考信號來保證其有效地實(shí)現(xiàn)。從信道估計(jì)的角度來看，MU-MIMO傳輸是LTE-A與LTE的最大區(qū)別。為了利用MU-MIMO 傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，必須考慮空間時域上額外的自由度，可以通過一種傳輸模式來動態(tài)地調(diào)整下行鏈路傳輸?shù)膶訑?shù)。

    本文提出了LTE-A系統(tǒng)的一種新的信道估計(jì)方法，利用LTE-A的RS來滿足上述要求。首先討論了LTE中的參考信號[1]，LTE-A的參考信號[2]和信道估計(jì)是如何實(shí)現(xiàn)的以及為什么這種方法在LTE-A Square和LMMSE(Line Minimum Mean Square)中是可以使用的,設(shè)計(jì)得到基于LS(Least Error)的信道估計(jì)方法,并提供了使用新的RS的信道估計(jì)的仿真結(jié)果。最后評估了LTE-A鏈路級仿真器的估計(jì)性能。
1 LTE中的參考信號
    版本8中的下行信道估計(jì)是基于小區(qū)參考信號的,在給定小區(qū)內(nèi)所有用戶都可以使用CRS(Cell Reference Signal)來實(shí)現(xiàn)從eNOdeB端到UE所在位置的信道估計(jì)。從這個角度來說，CRS既可以用來解調(diào)又可以用來反饋計(jì)算。但是采用CRS進(jìn)行信道估計(jì)給系統(tǒng)強(qiáng)加了一些限制條件。由于需要通過CRS來獲得eNodeB端的反饋信息，CRS要在預(yù)編碼之后插入,因此預(yù)編碼信息必須傳達(dá)給用戶，但是這樣的基于無碼本的預(yù)編碼設(shè)計(jì)開銷較高，這是一個根本原因。考慮到LTE-A MU-MIMO傳輸?shù)南到y(tǒng)性能，碼本是一個限制因素，使有效的MU-MIMO均衡復(fù)雜化，同時CRS的設(shè)計(jì)不支持8天線傳輸，然而擴(kuò)展CRS開銷又太高。
2  LTE-A中的參考信號和信道估計(jì)
    為了克服上述缺點(diǎn)，LTE-A設(shè)計(jì)了區(qū)分反饋計(jì)算和解調(diào)[3]的參考信號。反饋計(jì)算可以通過使用CSI-RS(Channel State Information)來實(shí)現(xiàn)，解調(diào)可以通過使用解調(diào)參考信號來實(shí)現(xiàn)。CSI-RS是一種在時域和頻域都非常稀疏的RS，用來估計(jì)整個傳輸帶寬上的物理信道，所以要在預(yù)編碼之后插入天線時域內(nèi)[4]。UE-RS或者DM-RS用來估計(jì)有效信道，因此要在預(yù)編碼之前插入層時域內(nèi)。

 

 


2.2 信道狀態(tài)信息參考信號
    為了給用戶提供網(wǎng)絡(luò)端的CSI和有效的信道A(1)，UE必須估計(jì)出物理信道H(l)，因此，LTE-A定義了CSI-RS，它具有LTE中DM-RS和CRS的雙重性能。CSI-RS最多支持8天線傳輸，在1-、2-、4-和8天線情況下，CSI-RS分別有20、20、10和5四種復(fù)用模式，允許不同的小區(qū)利用不同的復(fù)用模式來避免彼此的CRS-RS沖突，每個天線的CSI-RS占用兩個連續(xù)的RE，CSI-RS的密度與信道估計(jì)的精確度成正比，但同時減少了下行資源利用率。CSI-RS用于下行信道狀態(tài)測量和反饋報告，考慮到反饋的開銷，CSI-RS間隔設(shè)置非常稀疏。與UE-RS相比，系統(tǒng)的性能與信道狀態(tài)精確度沒有太大的關(guān)系，CSI-RS使用與UE-RS同樣的方法來實(shí)現(xiàn)正交，在整個時域內(nèi)CSI-RS都相互正交。CSI-RS與CRS非常相似，都是在天線時域被插入，并且覆蓋整個傳輸帶寬,所以所有的UEs都可以同時使用CSI-RS來進(jìn)行反饋計(jì)算。
3 結(jié)論
3.1 MU-MIMO信道估計(jì)
    圖2是在LTE-A傳輸模式9[5]下采用4個發(fā)送天線的一種可能的資源塊的分配。在這種模式下層數(shù)M可以從一個資源塊到下一個資源塊動態(tài)改變。相同顏色的矩陣代表這些資源塊被分配給同一個或者相類似的用戶，白色的矩陣符號代表沒有傳輸數(shù)據(jù)。UE可以使用DM-RS直接為每個資源塊估計(jì)有效信道。此外，由于M≤Nt，所以估計(jì)出的維數(shù)比基于CRS估計(jì)出的維數(shù)低。

4 仿真結(jié)果
     本節(jié)提供了基于LTE-A標(biāo)準(zhǔn)的信道仿真的數(shù)值結(jié)果，為了不受估計(jì)的影響，所有仿真基于單用戶考慮，仿真相應(yīng)的參數(shù)如表2。圖3是子幀在常規(guī)信道下的均方誤差。從圖中可知LS估計(jì)算法導(dǎo)致高的SNR，主要是由LS估計(jì)算法在RS間的插值導(dǎo)致。值得注意的是,基于CSI-RS的LMMSE估計(jì)算法與基于DM-RS的LS估計(jì)算法性能十分相近，然而基于CSI-RS的信道估計(jì)開銷只占DM-RS的17%,所以其計(jì)算復(fù)雜性可以忽略。

    圖4是估計(jì)性能及開銷與吞吐量之間的關(guān)系。從表1可知在4發(fā)4收傳輸情況下，DM-RS和CSI-RS的開銷應(yīng)該比CRS的開銷高，因此LTE-A的吞吐量應(yīng)該低于LTE的吞吐量。在LTE-A系統(tǒng)的傳輸帶寬中沒有同步信號傳輸，它們可能與DM-RS重疊。所以在靜態(tài)場景下UE應(yīng)該使用4RS而不是2RS。

    本文推導(dǎo)了LTE-A下行傳輸?shù)男诺拦烙?jì)算法證明了使用DM-RS可以有效被接收。在靜態(tài)場景下，為了充分使用4 DM-RS，UEs可以在時域內(nèi)預(yù)定兩個連續(xù)的資源塊。這樣可以提高吞吐量。對于變化緩慢的信道，可以使用開銷較低的CSI-RS來進(jìn)行信道估計(jì)，其計(jì)算復(fù)雜度低，同時又可以獲得較高的精確度。
參考文獻(xiàn)
[1] 3GPP TS 36.211 v9.0.0 evolved universal terrestrial radio  Access (E-UTRA) Physical Channels and Modulation (Release 9)[S]. 2009-12.
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[3] 3GPP. Technical specification group radio access networkl (E-UTRA) and (E-UTRAN);physical channels and modu  lation;(release 10). Tech. Rep.,Dec.2010. [Online]. Available: http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/36213.htm.
[4] DUPLICY J, BADIC B, BALRAY R, et al. MU-MIMO in  LTE systems[C]. EURASIP Journal on Wireless Communi cations and Networking, 2011.
[5] 3GPP. Technical specification group radio access network; (E-UTRA) and (E-UTRAN); physical layer procedures; (release 10). Tech. Rep., Dec. 2010. [Online].

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