LTE協議下高速移動場景預編碼技術研究*

粟 唐，汪曉寧

(西南交通大學,四川 成都 611756)

LTE協議下高速移動場景預編碼技術研究*

粟 唐，汪曉寧

(西南交通大學,四川 成都 611756)

高速移動場景下多普勒頻移激增，對信道估計的準確性提出了很高要求，僅僅依靠傳統的信道估計已不能很好反映信道狀態，使用估計的信道狀態信息進行預編碼操作，會使系統的誤比特率性能急劇下降。基于上述情況，給出了基于統計信道狀態信息的碼本預編碼方法，利用信道的統計信息改善信道估計的準確性，有效提高了系統的誤比特率性能，并顯著降低了碼本選擇的計算復雜度。

高速移動 預編碼 信道統計信息

0 引 言

LTE/LTE-A作為4G協議標準，提出了比3G協議更高的頻譜利用率和更低的傳輸延遲及更快的信息傳輸速率。MIMO預編碼技術[1]通過充分利用多天線來提供空間復用與分集，能夠獲得比傳統的SISO技術更高的峰值速率、更好的傳輸可靠性與更加高效的頻譜效率，已成為LTE協議中的關鍵技術。

隨著高速鐵路的快速發展，在高速移動環境下對無線通信技術提出了新的要求。未來，LTE/LTE-A技術將取代GSM-R成為高鐵的通信方案之一。因此，在高速移動場景下研究預編碼技術已非常必要。

在高速移動場景下，信道狀態信息在一個符號傳輸周期內發生明顯變化，傳統的信道估計技術已變得不再準確，信道的快時變性導致經歷反饋時延后得到的信道狀態信息不再能較為準確地刻畫當時的真實信道情況，為此采用統計的信道狀態信息來應對上述問題。現階段，統計信道信息主要被用來進行基于非碼本的預編碼[2]，但基于碼本的預編碼才是LTE協議中明確規定的預編碼方案。因此，對于在高速移動環境下基于LTE協議的碼本預編碼的研究成為了本文研究的出發點。

在對幾種常見的適用于LTE協議的碼本預編碼方法[3]進行研究的基礎上，本文給出了基于統計信道狀態信息的預編碼矩陣索引選擇算法。仿真結果表明，該算法能有效提高系統的誤比特率性能，并大幅降低預編碼操作中選擇碼本的計算復雜度。

1 系統模型

假設MIMO系統的發射天線數為Nt，接收天線數為Nr，傳輸層數為L。則此時接收信號在頻域表示為

Y=HWX+N

(1)

2 已有的動態信道狀態信息模型

為了降低快時變條件下信道狀態信息估計的不準確性，文獻[4]提出了采用統計信道信息與信道的時間相關特性構建發射端動態信道狀態信息模型。

相對時不變信道的均值、協方差及自協方差能有效地刻畫信道狀態信息，快時變信道H可表示為相對固定不變和明顯時變兩部分

(2)

信道的變化部分采用信道的協方差R0表示，其描述了MIMO系統中所有發射和接收天線對之間的空間相關性

(3)

信道的自協方差矩陣則描述了信道隨時間相關的快慢程度。若信道是平穩的，則兩個信道的抽樣樣本的協方差只依賴時間間隔s

(4)

MIMO信道的相關矩陣R0表征了所有發射和接收天線對之間的空間相關性，而非0延遲的自協方差矩陣Rs同時反映了信道的空間相關性與時間相關性。假設所有天線對的時間統計特性相同，則信道的空間相關性與時間相關性是獨立存在的，信道的自協方差可以表示為

Rs=ρsR0

(5)

其中，ρs為信道的時間相關系數。

信道統計信息Hm、R0及Rs在相干時間的數十倍到數百倍的時間內是有效的[5]，并且在這段時間內信道可以認為是平穩的，所以能夠通過平均數十倍相干時間內的信道估計值獲得。

(6)

(7)

其中，Es是0均值估計誤差，es=vec(Es)；

現在假定，已知發送端0時刻信道的初始測量值H0與信道的統計信息Hm、R0、Rs。則基于MMSE估計理論，信道在時刻s的最優估計與估計錯誤協方差能夠表征為

(8)

(9)

利用公式(5)簡化上述的時間相關模型，則信道的估計值和錯誤協方差重寫為

(10)

(11)

發射端信道狀態信息可以簡要地刻畫為ρs、初始信道測量值H0、信道均值Hm與協方差R0的函數。信道估計值變成了初始測量值與信道均值的線性組合。而錯誤協方差僅是信道協方差的線性函數。

公式(10)(11)描述了發射端統計信道狀態信息模型，其中ρs是依賴時間延遲s的信道估計質量因子。發射端信道狀態信息的估計值隨著參數ρs的變化而改變；當其等于1時，信道的估計值是完美的信道狀態信息；當其等于0時，信道的估計值退化為完全的統計狀態信息；而當其介于0和1之間時，此時信道的估計值由信道測量值與信道均值共同組成。

3 基于統計信道狀態信息的碼本選擇算法

LTE/LTE-A協議[6]規定了5種信道模型，移動速度越快，多普勒頻移越大。當相干時間遠大于信號的符號周期，可以認為信號經歷慢衰落過程，此時近似認為發送信號的信道傳輸特性在符號周期內保持不變。在LTE/LTE-A協議中現有的多普勒頻移最大的ETU2場景下，相干時間約為1.41 ms，而一個子幀的信號傳輸周期為1 ms,此時相干時間大于符號傳輸周期，可近似認為信號經歷慢衰落過程。但在ETU2場景下，移動速度僅為120 km/h，遠遠達不到高速移動的要求。當移動速度增加到350 km/h時，最大多普勒頻移變為850 Hz，其對應的相干時間大約為0.498 ms，小于一個子幀的信號傳輸周期；相干時間小于符號傳輸周期，信號經歷快衰落過程。此時，不能認為在一個符號傳輸周期內，信道狀態信息幾乎保持不變或緩慢變化。在高速移動場景下，信道狀態信息在一個符號傳輸周期內發生明顯變化。隨著信道狀態信息的快速變化，多普勒頻移顯著增加，傳統的信道估計技術已變得不再準確，信道的快時變性導致經歷了反饋時延后得到的信道狀態信息不再能較為準確地刻畫此時的真實信道情況。

為了應對信道的快時變性及信道估計的不準確性等問題，本文基于發射端動態信道狀態信息模型，結合LTE協議的碼本預編碼方案，給出了基于統計信道狀態信息以最大信干噪比(SINR)為優化準則的碼本選擇算法。

下面介紹基于統計信道狀態信息以最大信干噪比(SINR)為優化準則的碼本選擇算法。

加入MIMO預編碼后的MMSE接收機[7]為

(12)

將式(10)帶入上式，得到經動態統計模型修正的MMSE接收機

(13)

經MMSE接收機后的信號為：

(14)

(15)

(16)

則總的SINR為

(17)

(18)

4 計算復雜度降低分析

LTE協議中規定，無線鏈路的數據在上行和下行中均以無線幀的形式進行傳輸，一個無線幀的長度為10 ms，其又分為十個子幀，每個子幀的長度均為1 ms。在1.4 MHz的帶寬配置下，每個子幀包含72×14個子載波，但其中有少量子載波用來傳輸進行信道估計的導頻信號，加起來總共占用144個子載波，所以實際用于數據傳輸的子載波數為72×12。假定預編碼索引的時域反饋間隔為2個OFDM符號，頻域反饋間隔為2個資源塊(RB)；再考慮4發射天線2接收天線2數據層配置的情況，則在一個子幀內實際需要反饋的預編碼索引數為21次。當采用估計信道狀態信息利用最大SINR準則的碼本選擇算法時，需要進行 21次預編碼矩陣索引的選擇。而采用完全統計信道狀態信息對信道估計值進行修正，只需進行1次預編碼矩陣索引的選取，便可在接收到反饋信息的發射端對整個子幀的數據進行預編碼操作。顯而易見，由于預編碼矩陣索引的選取從21次減少到了1次，因此運算的復雜度大幅度降低，詳情見下表：

表1 預編碼索引選擇計算復雜度對比

5 仿真結果

圖1給出了基于統計信道狀態信息利用最大SINR準則的碼本選擇算法的預編碼方案與基于估計信道狀態信息利用最大SINR準則的碼本選擇算法的預編碼方案的誤比特率性能對比。從圖中可看出，當移動速度增加到350 km/h時，系統經歷的最大多普勒頻移增加到850 Hz，此時信道狀態信息處于快時變的情況，信道估計的準確性受到了很大的影響；又由于未對發送數據采用任何糾錯編碼，導致系統的誤比特率性能急劇下降，在20 dB時即開始出現錯誤平層。基于統計信道狀態信息利用最大SINR準則的碼本選擇算法比基于估計信道狀態信息利用最大SINR準則的碼本選擇算法擁有更好的誤比特率性能；兩者在-5 dB之前擁有相同的誤比特率，但在大于-5 dB之后，基于統計信道狀態信息的方案比基于估計信道狀態信息的方案擁有更低的誤比特率，且隨著信噪比的進一步增加性能優勢逐漸變得明顯。基于統計信道狀態信息的方案在信噪比為15 dB時與基于估計信道狀態信息的方案在信噪比為20 dB時擁有相同的誤比特率。并且基于統計信道狀態信息的方案比基于估計信道狀態信息的方案擁有更低的錯誤平層。

表2 仿真參數設置

圖1 350 km/h統計信息與估計信息預編碼對比

6 結 語

本文根據LTE協議在高速移動場景下分析了動態信道狀態信息模型的建立過程，給出了基于統計信道狀態信息的預編碼矩陣索引選擇算法，并進行了仿真分析。仿真結果證明采用統計信道狀態信息進行預編碼操作不僅可提高系統的誤比特率性能，而且可大幅降低預編碼過程中碼本索引選擇的計算復雜度。文中利用信道統計信息中的信道均值修正估計的信道狀態信息，還可以嘗試采用更多的信道統計信息對信道狀態信息進行修正，進一步提升系統的誤比特率性能。

[1] 陳佳,何海浪.LTE系統中下行預編碼技術[J].通信技術,2011,44(6):73-75.DOI:10.3969/j.issn.1002-0802.2011.06.026. Jia Chen, Hailang He.Precoding Techniques in Downlink LTE System[J]. COMMUNICATIONS TECHNOLOGY,2011,44(6):73-75.DOI:10.3969/j.issn.1002-0802.2011.06.026.

[2] M. Vu and A.Paulraj. MIMO Wireless Linear Precoding[J]. IEEE Signal Processing Magazine, Sep.2007, vol.24: pp.86-105.

[3] J. C.Roh and B. D. Rao.Design and Analysis of MIMO Spatial Multiplexing Systems with Quantized Feedback[J].IEEE Trans. Signal Processing, Aug. 2006, vol.54: pp.2874-2886.

[4] Mai Vu,ArogyaswamiPaulraj. On the Capacity of MIMO Wireless Channels with DynamicCSIT[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Sept. 2007,vol.25: pp.1269-1283.

[5] J.Kermoal,L. Schumacher,K. Pedersen,P. Mogensenand F. Frederiksen. A Stochastic MIMO Radio Channel Model with Experimental Validation[J]. IEEE J.Select.AreasCommun, Aug.2002,vol.201211-1226.

[6] 3GPP TS 36.213V11.0.0- Sept. 2012, Physical layer procedures[S].

[7] 袁超,楊海芬,李廣軍等.LTE基于碼本選擇預編碼研究[J].中國新通信,2010,12(2):44-47.DOI:10. 3969/j.issn. 1673-4866.2010.02.009. YUAN Cao, YANG Hai-feng, LI Guang-jun and so on. Precoding for Codebook Selection in LTE[J].CHINA NEW TELECOMMUNICATIONS,2010,12(2):44-47. DOI:10. 3969/j.issn. 1673-4866.2010.02.009.

SU Tang(1989-),male, graduate student, majoring in mobile communication.

汪曉寧(1962—)，女，博士，副教授，主要研究方向：無線通信、信號處理、軌道交通車地通信。

WANG Xiao-ning (1962-),female, Ph.D., associate professor, mainly engaged in wireless communication, signal processing, train-ground communication.

National Program on Key Basic Research Project(2012CB316100)

Pre-coding in High-speed Mobile Scenario for LTE Protocol

SU Tang1， WANG Xiao-ning2

(Southwest Jiaotong University,Chengdu Sichuan 611756,China)

In high-speed mobile scenario, the increase of Doppler shift would raises a great claim on accuracy of channel estimation. Conventional channel estimation could not fairly reflect the channel state at that moment. BER(Bit Error Rate) performance of the system would decline sharply when the estimated channel-state information is used for pre-coding. In light of this,codebook pre-coding method based onstatisticalinformation of channel state is proposed,in which the statistical information of is used to enhance the accuracy of channel estimation,thus effectively improves the BER performance and obviously reduces the computation complexity of codebook selection.

high-speed mobile; pre-coding; statistical information of channel

date:2014-10-10；Revised date：2015-01-28

國家重點基礎研究發展計劃項目(2012CB316100)

TN929.5

A

1002-0802(2015)03-0258-04

粟 唐(1989—)，男，碩士研究生，主要研究方向：移動通信;

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.03.003

2014-10-10；

2015-01-28