长期演进系统下行短帧结构及其导频图样设计

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.
【期刊名称】《上海师范大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2019(048)001
【总页数】5页(P38-42)
【关键词】低时延;短帧;导频图样;信道估计;吞吐量
【作者】谢培浩;张静;苏颖
【作者单位】上海师范大学信息与机电工程学院,上海200234;上海师范大学信息与机电工程学院,上海200234;上海师范大学信息与机电工程学院,上海200234【正文语种】中文
【中图分类】TN929.5
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]
(1)
其中,a表示CRS,p为相应天线端口,k为相应RE的网络频率,l为子载波间隔,r为伪随机序列,j为每个时隙内OFDM符号个数,n为帧内的时隙个数,m′为系统配置参数. 对于时隙级子帧而言,如果保持每个下行RB内CRS位置和个数不变,随着OFDM
符号个数的减少,参考信号的开销将逐渐增大,降低了系统吞吐量,导致频谱利用率较低;而在减少OFDM符号个数的同时,减少子帧内参考信号的个数,又会增加系统的误码率,降低系统的可靠性,使信道估计质量降低.
因此,为了权衡系统吞吐量和误码率,在时隙级子帧的基础上,重新设计CRS的映射图样,适当增加CRS的个数,使新的映射图样在满足LTE系统下行链路吞吐量要求
的前提下,降低系统的误码率,提高通信的可靠性.
实际通信系统应用中,参考信号的时间间隔Δt和频率间隔Δ f分别取决于信道的相干时间和相干带宽[3],同时保证信道性能.通常采用2倍的采样定理,即:
(2)
(3)
其中, fd是最大多普勒频移,T是OFDM符号周期,τmax是最大多径时延, f是子载波间隔.
考虑在350 km·h-1的高速移动环境下[4], fd为684 Hz,τmax为2 510 ns, f 为15 kHz,T为1/1 500 s,因此,Δt≈5.78,Δ f≈6.64,即LTE系统中CRS在时间轴上最大间隔为5个OFDM符号宽度,频率轴上最大间隔为6个子载波宽度[5].为了保证单次通信传输的数据量和可靠性,LTE系统第一个版本的通信协议规定CRS的时间映射位置
(4)
其中,NDL是一个RB中的OFDM符号个数,p为天线端口配置.当p配置为0或1时,每个RB内映射2个CRS图样,其时间映射位置为1和NDL-2;当p配置为2或3时,每个RB内映射1个CRS图样,它的时间映射位置为2.
在上述规则的前提下,针对式(4)做出以下改变:首先保证CRS的频率映射位置不变,即k仍按照相关规则进行映射,接着在满足系统吞吐量要求的前提下,将时间映射单位由以时隙为单位转换为以子帧为单位,则此时l映射如下:
(5)
其中,Nsubframe为时隙级短帧中,每个子帧内OFDM符号的个数.
依据式(5),对6个OFDM符号长的时隙级短帧进行映射,可得到新的CRS映射图样,其满足LTE系统中对参考信号间隔的要求,且在每个时间轴的映射点上有间隔地插入了新的CRS,增加了参考信号的个数,使短帧内的参考信号个数与原LTE系统的相等.
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),在不改变子帧内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.
图1 原LTE系统与改进后的LTE系统吞吐量的对比情况
图2 原LTE系统子帧、6个符号的子帧及本文作者提出的6个符号子帧三结构吞吐量的对比情况
图3 原LTE系统子帧、6个符号的子帧及本文作者提出的6个符号子帧三种结构吞吐量误码率的对比情况
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:
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