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(zhù)國內LTE牌照的發(fā)放，大規模的LTE網(wǎng)絡(luò )規劃和部署勢在必行。由于LTE扁平化的結構特點(diǎn)使得空中接口測試成為L(cháng)TE網(wǎng)絡(luò )監測的重點(diǎn)。物理層位于空中接口協(xié)議規范最底層，而PDSCH信道承載了物理層業(yè)務(wù)數據比特流，因此，PDSCH信道的檢測成為物理層分析的核心模塊。本文結合自主研發(fā)的LTE空中接口監測儀，對PDSCH信道檢測技術(shù)進(jìn)行探討，儀器分析結果表明，提出的檢測技術(shù)正確有效。

背景

　　人們對移動(dòng)寬帶應用需求日益強烈，而移動(dòng)寬帶發(fā)展面臨著(zhù)頻譜資源稀缺的瓶頸。LTE作為下一代移動(dòng)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 )架構扁平化等優(yōu)點(diǎn)，有效地提升了用戶(hù)在移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的體驗度^[1]。隨著(zhù)LTE牌照的發(fā)放，大規模的LTE網(wǎng)絡(luò )規劃和部署勢在必行?？罩薪涌谧鳛長(cháng)TE網(wǎng)絡(luò )結構中eNode和UE的接口，能以第三方視角有效反應LTE網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)的業(yè)務(wù)建立和信令過(guò)程，空中接口檢測技術(shù)的發(fā)展對LTE網(wǎng)絡(luò )建設規劃和優(yōu)化有重要的意義。

　　根據LTE網(wǎng)絡(luò )結構及空中接口協(xié)議，空中接口包括物理層、鏈路層及信令層三層結構。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(guò)物理信道所承載的傳輸信道，為MAC層和高層提供信息傳輸的服務(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(guò)檢測PDSCH信道，能夠反應物理層信道質(zhì)量指標。

1 PDSCH信道檢測過(guò)程

　　LTE空中接口監測儀由無(wú)線(xiàn)信號采集系統、無(wú)線(xiàn)信號解析系統等模塊組成，完成LTE無(wú)線(xiàn)信號采集及分析。其中無(wú)線(xiàn)信號解析系統物理層分析子模塊采用FPGA+DSP結構實(shí)現，具體鏈路實(shí)現如圖1所示。主要包括時(shí)間、頻率同步，FFT，信道估計、均衡，信道解調等模塊。通過(guò)時(shí)間、頻率同步過(guò)程消除LTE信號的定時(shí)偏差和頻率偏差;FFT過(guò)程把LTE 信號變換到頻域，在頻域上進(jìn)行信道估計及解調;信道估計、均衡過(guò)程是物理層解析的關(guān)鍵模塊，求解信道傳輸系數;信道解調過(guò)程通過(guò)解資源映射獲取信道資源位置，完成資源位置上的數據分析。

1.1 時(shí)間、頻率同步

　　eNode和UE通信過(guò)程中由于晶振的精度和UE 的高速移動(dòng)帶來(lái)多普勒偏移等因素會(huì )產(chǎn)生頻率偏移和定時(shí)偏差，因此，為了解析PDSCH信道信息，必須對抓取的LTE空中接口數據進(jìn)行定時(shí)同步及頻偏補償^[2]。

　　本文根據PSS及SSS的性質(zhì)進(jìn)行定時(shí)同步，并利用CP相關(guān)進(jìn)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(shí)隙邊界，同時(shí)得到小區扇區ID。由于LTE空中接口監測儀對數據處理要求有較好的實(shí)時(shí)性，為了降低相關(guān)過(guò)程數據處理容量，同時(shí)保證有完整的PSS序列，本文首先提取6ms的LTE空中接口數據，然后采取數據抽取技術(shù)對6ms的LTE空中接口數據進(jìn)行處理，完成與本地PSS粗同步，得到小區扇區ID。在此基礎上，進(jìn)行PSS精同步，同時(shí)利用CP相關(guān)，得到頻偏估計，對LTE空中接口數據進(jìn)行頻偏補償。完成精同步后，在PSS基礎上向前搜索SSS，SSS前后半幀的映射正好相反，因此，只要接收到兩個(gè)SSS就可以確定10ms的邊界，達到了幀同步的目的，得到小區組ID。

1.2 信道估計、均衡

　　由于LTE空中接口監測儀系統性能對數據處理要求有較好的實(shí)時(shí)性，因此，本文采取基于IDCT/DCT變化域[3]的改進(jìn)型LS算法。本算法繼承了傳統LS算法計算簡(jiǎn)單、便于實(shí)現的優(yōu)點(diǎn)，但是不同于傳統的LS算法忽略噪聲的影響，本算法利用了時(shí)域上的沖擊響應點(diǎn)來(lái)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(shí)現復雜度。因此，本算法更適合在實(shí)時(shí)性要求高的LTE空中接口監測儀系統中使用。

　　具體的實(shí)現框圖如圖2所示。本算法利用下行信道子載波上的小區專(zhuān)屬參考信號進(jìn)行LS信道估計，得到頻域信道沖擊響應，k∈0,1,…,N_p-1，Np為一個(gè)OFDM符號內小區參考信號的個(gè)數。經(jīng)過(guò)DCT變換，把長(cháng)度為N_p的鏡像映射為2Np點(diǎn)的數據進(jìn)行處理，得到時(shí)域，n∈0,1,…,N_p-1，變換后有效消除邊緣不連續效應，將信號的能量集中在低頻區域中。因為此時(shí)時(shí)域內信道能量集中在相對較少的抽樣點(diǎn)上，經(jīng)過(guò)變換窗將能量較低的抽樣點(diǎn)視為零，得到?jīng)_擊響應時(shí)域估計值，k∈0,1,…,N_p-1，同時(shí)抑制了信道有效部分以外的所有噪聲項。在得到?jīng)_擊響應時(shí)域估計值后，為了得到一個(gè)OFDM符號內所有子載波(包含非小區專(zhuān)屬參考信號位置)的沖擊響應，在k∈N_p,N_p+1,…,N進(jìn)行補零操作，N為一個(gè)OFDM子載波的個(gè)數。經(jīng)過(guò)DCT變換，得到頻域內所有子載波位置的沖擊響應，k∈0,1,…,N-1。得到頻域所有子載波位置的沖擊響應后，利用線(xiàn)性插值等技術(shù)在時(shí)域上得到所有OFDM符號的沖擊響應，完成信道估計。利用信道的估計值，對采樣的信號進(jìn)行均衡。

1.3 解資源映射

　　PDCCH信道承載的DCI傳輸了下行數據傳輸的調度信息?？罩薪涌诟鶕z測到的DCI信息及格式對PDSCH信道資源分配域進(jìn)行解釋。根據PDSCH信息資源分配域提取PDSCH信道有效數據，進(jìn)行數據解調。

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

　　資源分配類(lèi)型0將下行PRB分成若干RBG，采用LVBR方式將連續的RBG資源分配給用戶(hù)，根據DCI中的資源分配位域指示相應的RBG是否被分配，得到PDSCH信道占用的資源。資源分配類(lèi)型1將下行的RBG再分成P個(gè)子集，在每個(gè)子集內部以L(fǎng)VRB為單位，采用bitmap方式指示無(wú)線(xiàn)資源，根據DCI中的資源分配位域，獲取RBG子集序號，在根據子集內的資源偏移信息，確定PDSCH信道占用的資源。資源分配類(lèi)型2采用起始的RB位置，結合LVRB與DVRB的長(cháng)度，共同確定RB位置。對DCI format 1A/1B/1D而言，資源分配由一個(gè)資源指示值RIV來(lái)表示。通過(guò)這個(gè)值，可以推導出分配給UE的起始RB(RBstart)以及連續分配的RB的長(cháng)度(LCRBS)，如式(1)及式(2)所示。DCI format 1C 中RBstart、LCRBS的推導與式(1)和式(2)類(lèi)似，只是增加了步進(jìn)的概念。由于資源分配類(lèi)型2既支持集中型的資源分配，也支持分布型的資源分配，需要根據上面推導得到的RB位置按照3GPP TS36.211協(xié)議^[4]映射得到PDSCH信道實(shí)際占用的PRB位置。

(1)

(2)

　　其中，N_RB為L(cháng)TE下行帶寬RB數。

1.4 數據解調

　　EVM是用來(lái)表征LTE信號分析質(zhì)量的參數，它表示在一個(gè)給定時(shí)刻理想無(wú)誤差基準信號與實(shí)際接收信號的矢量差。EVM分析指標符合空中接口協(xié)議規范后，可進(jìn)一步對PDSCH信道進(jìn)行解調，得到承載的碼流信息。本文根據得到的資源位置提取PDSCH的有效數據，同時(shí)根據DCI包含的MCS信息確定調制方案，以確定基準信號，依式(3)進(jìn)行EVM分析。若EVM分析指標符合空中接口協(xié)議規范，則調用DSP包含的Turbo-Decoder Coprocessor對數據進(jìn)行解調，得到碼流信息。

(3)

　　其中，0<V<T_m，T_m為PDSCH信道實(shí)際數據個(gè)數，為提取的PDSCH實(shí)際數據，為PDSCH信道基準信號，P₀為基準信號的平均功率。

2 實(shí)驗結果及分析

　　本次實(shí)驗以某基站及終端為測試對象，通過(guò)空中接口監測儀無(wú)線(xiàn)信號采集模塊采集空中接口數據，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(shí)利用通過(guò)DSP的Turbo-Decoder Coprocessor解析PDSCH承載的比特流，利用空中接口監測儀協(xié)議分析模塊分析PDSCH承載的信令為SIB1，如圖3所示。從實(shí)驗結果可知，本文提出的PDSCH信道檢測分析技術(shù)正確、有效，能夠滿(mǎn)足LTE空中接口監測儀的解析要求。

3 結束語(yǔ)

　　LTE空中接口物理層分析模塊是LTE空中接口監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。本文結合自主研發(fā)的LTE空中接口監測儀系統性能要求，對PDSCH信道檢測分析技術(shù)進(jìn)行探討，儀器分析結果表明，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(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第7期第34頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。