LTE-A系統(tǒng)中基于DMRS的信道估計算法*

段紅光，田 枚，李玉菱

（重慶郵電大學(xué) 重慶市移動通信重點實驗室，重慶 400065）

LTE-A系統(tǒng)中基于DMRS的信道估計算法*

段紅光，田 枚，李玉菱

（重慶郵電大學(xué) 重慶市移動通信重點實驗室，重慶 400065）

LTE-A下行傳輸通信系統(tǒng)中采用了多達(dá)8天線端口的增強型M IMO技術(shù)，引入了新的參考信號DMRS，用于M IMO下行信道估計。分析LTE-A系統(tǒng)中基于DMRS的信道估計算法，提出了一種低復(fù)雜度的頻域線性最小均方誤差（LMMSE）插值算法。該算法基于DMRS對信道時延參數(shù)進(jìn)行估計，并采用Look Up Table（LUT）方式，選擇相應(yīng)的頻域插值矩陣，完成頻域LMMSE插值過程。它解決了傳統(tǒng)頻域LMMSE算法中獲取信道二階統(tǒng)計信息的困難，也避免了對矩陣的實時求逆過程。仿真結(jié)果表明，此方法在降低了復(fù)雜度的同時保證了BER和MSE的性能，具有較大的實用性。

LTE-A；信道估計；DMRS；LMMSE；LUT

0 引 言

在無線通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)通信性能很大程度上取決于信道估計的精度。為了完成信道估計，LTE-A標(biāo)準(zhǔn)針對不同的系統(tǒng)配置，定義了幾種不同的參考信號。其中，用戶專用參考信號（DMRS）可以支持基于非碼本預(yù)編碼的MIMO下行信號傳輸[1]。參考信號和傳輸數(shù)據(jù)經(jīng)過相同的預(yù)編碼和傳輸信道，由信道估計器得到的信道估計值可以看做是預(yù)編碼器和無線信道共同作用的結(jié)果，稱之為等效信道。

LTE-A在下行傳輸鏈路中采用正交頻分多址接入（OFDMA）。圖1描述了DMRS在傳輸信號時頻資源網(wǎng)格中的位置。圖中顯示了一個子幀，周期為1 ms，每個子幀由2個時隙組成。正常CP時，每個時隙有7個OFDM符號。頻域上有12個子載波，為一個RB的頻域子載波數(shù)。

圖1 DMRS的映射圖樣

DMRS在天線端口7至14上傳輸，其中每個天線端口可以指示一個物理天線，最多可以支持8流傳輸。DMRS采用CDM﹑FDM相結(jié)合的映射方式。對于天線端口7﹑8﹑11﹑13和天線端口9﹑10﹑12﹑14上的參考信號，分別采用CDM映射方式進(jìn)行區(qū)分；而端口7﹑8﹑11﹑13與端口9﹑10﹑12﹑14采用FDM的映射方式進(jìn)行區(qū)分。LTE-A協(xié)議中，給出了8組正交掩碼（OCC）用于CDM映射方式[2]。

本文創(chuàng)新點主要是對傳統(tǒng)頻域LMMSE插值算法的改進(jìn)。傳統(tǒng)頻域LMMSE插值算法中需要獲取信道的二階統(tǒng)計信息，如信道相關(guān)函數(shù)或信道功率時延譜（PDP）。雖然估計精度較高，但是實現(xiàn)起來比較困難。此外，該算法還涉及矩陣的求逆。當(dāng)一個OFDM符號上的子載波個數(shù)較多時，這個求逆矩陣的階數(shù)也會越大，計算復(fù)雜度也越高。本文針對傳統(tǒng)頻域LMMSE插值算法缺點提出基于DMRS的信道估計改進(jìn)算法。該算法首先用LS算法得到DMRS位置的初始信道頻率響應(yīng)（CFR），再進(jìn)行時域線性插值，然后利用DMRS的CFR來估計信道時延參數(shù)，包括平均時延和時延拓展均方根（RMS），計算出頻域LMMSE插值算法所需要的信道相關(guān)矩陣，最后通過LUT完成頻域LMMSE插值過程。參考信號位置初始信道估計值和信道時延參數(shù)的獲取方法將在下文進(jìn)行介紹。

1 算法設(shè)計思想

在MIMO傳輸系統(tǒng)中，信道估計分別在每一個接收天線上進(jìn)行。因此，為了簡便，在信道估計時可以只考慮其中一個接收天線。假設(shè)系統(tǒng)同步，那么接收信號在DFT后，可以表示為：

其中，k表示子載波索引；l表示OFDM符號索引；p表示端口號索引；Yk,l表示在第l個OFDM符號子載波k上的接收信號；Xk,l表示在第l個OFDM符號子載波k上發(fā)送的數(shù)據(jù)信息或是經(jīng)過OCC映射的導(dǎo)頻信號；Hk,l表示在第l個OFDM符號子載波k上的包含了預(yù)編碼的信道估計值；Zk,l表示在第l個OFDM符號子載波k上的噪聲，包含了由于多普勒頻域而產(chǎn)生的信道干擾。

整個信道估計過程可以分為三步：通過LS算法得到DMRS位置初始信道估計值；時域進(jìn)行線性插值；頻域進(jìn)行LMMSE插值。

1.1 DMRS位置信道估計

式（1）中：

表1 p的序列值

表1 p的序列值

p o r t 0 1 2 3( , , , ) p p p p W W W W p o r t 0123( , , , ) p p p p W W W W 7 + 1 + 1 + 1 + 1 9 + 1 + 1 + 1 + 1 8 + 1 -1 + 1 -1 1 0 + 1 -1 + 1 -1 1 1 + 1 + 1 -1 -1 1 2 -1 -1 + 1 + 1 1 3 + 1 -1 -1 + 1 1 4 -1 + 1 + 1 -1

以天線端口7﹑8﹑11﹑13為例，DMRS信號收發(fā)示意圖2所示。

圖2 DMRS信號收發(fā)示意

由收發(fā)示意圖可得：

令：

則式（4）可以表示為：

其中，Pk,l是以Sk,6﹑Sk,7﹑Sk,13﹑Sk,14為對角元素的對角矩陣；Wk,l=[wk,6,wk,7,wk,13,wk,14]'。

于是，得到參考信號位置信道估計值為：1.2 時域線性插值

在得到DMRS處初始信道估計值后，在時域進(jìn)行線性插值。

線性插值算法如下：

其中，x1﹑x2分別表示參考信號的時域位置，分別是對應(yīng)參考信號上的CFR。

假設(shè)一個子載波上相鄰的兩個參考信號位置分別為(k,l )和(k,l+1)，其中l(wèi)=7m+5，m為整數(shù)。通過式（12），可以求得(k,l+4)和(k,l+11)位置上的CFR。再通過式（13）時域線性插值算法，可求得(k,l+5)和(k,l+10)中間位置的CFR。時域線性插值算法比較簡單，這里不做贅述。

1.3 頻域LMMSE插值

在獲得參考信號位置CFR和時域線性插值結(jié)果后，再在頻域進(jìn)行LMMSE插值算法，以獲得整個資源網(wǎng)格的信道估計響應(yīng)。

LMMSE算法被廣泛應(yīng)用于OFDM系統(tǒng)的系統(tǒng)信道估計中，以獲得信道估計的最小均方誤差。LMMSE算法需要用到信道SNR和信道相關(guān)矩陣。

接收信號模型表示如下：

其中，X表示發(fā)送數(shù)據(jù)，Y表示接收數(shù)據(jù)，H表示CFR，W表示噪聲。

LMMSE插值算法為[3]：

其中，Qf為頻域插值矩陣；表示頻域上所有參考信號子載波的自相關(guān)矩陣；R HHp表示頻域上所有子載波和參考信號子載波的互相關(guān)矩陣；I表示單位矩陣；β是一個與調(diào)制方式相關(guān)的因子；SNR為平均信噪比；是參考信號位置信道估計值。

信道相關(guān)矩陣RHH的計算公式如下[4]：

上文中提到，改進(jìn)的頻域LMMSE算法中，需要利用DMRS來估計信道時延參數(shù)，進(jìn)而求得信道相關(guān)矩陣，完成頻域LMMSE插值。具體過程如下所述。

假設(shè)無線信道的平均時延和均方根時延分別為τu和τrms。由參考文獻(xiàn)[5]可知，信道相關(guān)函數(shù)和信道時延參數(shù)滿足以下關(guān)系：

其中，Ts是采用間隔，N是DFT大小，q為子載波間隔數(shù)。從式（18）可以看出，τu和τrms可以通過參考信號信道相關(guān)函數(shù)Rf(0)和Rf(q)(q≠0)計算得到。此外，由參考文獻(xiàn)[6]可知，DMRS位置信道相關(guān)函數(shù)Rf(0)和Rf(q)可以通過DMRS位置的CFR得到。

ff則其計算公式如下：

在計算出參考位置信道相關(guān)函數(shù)后，信道時延參數(shù)τu﹑τrms可以分別由式（21）﹑式（22）計算得到：

求得τu和τrms后，再利用式（18）求得任意q下的信道相關(guān)函數(shù)，進(jìn)而求得信道相關(guān)矩陣RHp H p和R HHp，完成頻域FLMMSE的信道插值過程。

從上述推導(dǎo)可知，頻域LMMSE插值矩陣Qf與SNR和信道時延參數(shù)有關(guān)。當(dāng)二者發(fā)生變化時，需要對矩陣實時求逆得到Qf，計算復(fù)雜度較高。為了降低復(fù)雜度，可以根據(jù)不同的信道PDP和SNR，預(yù)先計算Qf并存儲起來，需要時進(jìn)行查表調(diào)用（LUT，Look Up Table）。在這種情況下，通過估計信道的時延參數(shù)，選擇最相近的信道PDP，再通過LUT得到Qf，從而完成頻域LMMSE插值。

2 仿真結(jié)果與分析

下面將對幾種信道估計方案性能進(jìn)行仿真。系統(tǒng)帶寬為3 MHz，載波頻率為2.5 GHz，DFT大小為128，采用QPSK調(diào)制方式，收發(fā)天線為8×8，迭代仿真次數(shù)為200次。仿真信道模型分別為EVA﹑EVA﹑ETU﹑UE，移動速度分別為3 km/h﹑30 km/h﹑120 km/h。仿真結(jié)果依次如圖3﹑圖4﹑圖5所示。

圖3 信道環(huán)境為PedB_3 km/h時誤碼率性能曲線

圖4 信道環(huán)境為VehA_30 km/h時誤碼率性能曲線

圖5 信道環(huán)境為PedB_120 km/h時誤碼率性能曲線

這里，“PERFECT”表示理想信道估計，“LS”表示參考信號位置的信道估計采用最小二乘法，“Tlinear”表示時域采用線性插值算法，“FLMMSE”表示頻域采用LMMSE插值算法。

分析圖3﹑圖4﹑圖5的仿真結(jié)果可以看出，在不同的信道環(huán)境下，本文所提的算法性能都優(yōu)于“LS+Tlinear+Flinear”算法。隨著UE速度的增加，普勒平移產(chǎn)生的影響越來越大，各算法性能都有所下降，且UE速度越快，性能下降越嚴(yán)重。從圖5可以看出，當(dāng)UE速度較大時，BER性能曲線在高信噪比處出現(xiàn)平底效應(yīng)，且性能較差。因此，針對UE高速移動情況下的信道估計算法還有待改進(jìn)。

3 結(jié) 語

本文對LTE-A系統(tǒng)中基于DMRS的信道估計算法進(jìn)行研究，提出了一種低復(fù)雜度的頻域線性最小均方誤差（LMMSE）插值算法。改進(jìn)算法首先通過LS算法對參考信號位置進(jìn)行初始信道估計，然后在時域進(jìn)行線性插值，而后在頻域進(jìn)行LMMSE插值。LMMSE插值算法的關(guān)鍵是要獲取信道二階統(tǒng)計信息。改進(jìn)的LMMSE插值算法先通過DMRS的信道估計值得到信道時延參數(shù)估計，然后選擇對應(yīng)的插值矩陣，完成FLMMSE插值過程。該算法不僅降低了傳統(tǒng)LMMSE算法獲取信道相關(guān)矩陣的難度，還通過LUT避免了矩陣的求逆，大大降低了運算復(fù)雜度。此外，該算法性能也較其他算法好，因而具有較大的實用性。

[1] Nam Y H,Ak imoto Y,Kim Y,et al.Evolu tion of Reference Signals for LTE-advanced Systems[J].IEEE Communications Magazine,2012,50(50):132-138.

[2] 3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network;Evolved Universal Terrestrial Radio Access(EUTRA);Physical Channels and Modulation (Release 10) 3GPP TS 36.211 V10.7.0[S].2013.

[3] 卞青,黃鶴,丁美玲.一種簡化的LTE系統(tǒng)下行信道估計LMMSE算法[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報,2013,18(01):322-326.

BIAN Qing,HUANG He,DING Mei-ling.A Simplified LMMSE Channel Estimation Algorithm in LTE Downlink System[J]. Journal of Circuits and Systems,2013,18(01):322-326.

[4] 楊前戰(zhàn),楊明武,許如峰.正交頻分復(fù)用系統(tǒng)一種基于線性最小均方誤差信道估計的改進(jìn)算法[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2016,(05):168-171.

YANG Qian-zhan,YANG Ming-wu,XU Ru-feng.An Improved Algorithm based on LMMSE Channel Estimation in OFDM System[J].Science Technology and Engineering,2016, (05):168-171.

[5] Hsieh C Y,Lin D W,Ma C.LMMSE-based Channel Estimation for LTE-Advanced M IMO Down link Emp loying UE-Specific Reference Signals[C]. Glasgow:2015 IEEE 81st Vehicu lar Technology Conference(VTC Spring),2015:1-5.

[6] Hung K C,Lin D W.Pilot-based LMMSE Channel Estimation for OFDM Systems With Power-Delay Profile Approximation[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2010,59(01):150-159.

Channel Estimation Algorithm based on DMRS in LTE-A System

DUAN Hong-guang, TIAN Mei, LI Yu-ling

(Chongqing Key Lab of Mobile Communications, CQUPT, Chongqing 400065, China)

Enhanced MIMO technology with up to 8 antenna ports is employed in the downlink transmission communication system of LTE-A.DM-RS, as a new of reference signal, is introduced for downlink channel estimation in MIMO system. The channel estimation algorithm based on DMRS in LTE-A system is analyzed, and a low-complexity linear minimum mean square error(LMMSE) interpolation algorithm in frequency domain proposed, and this algorithm firstly estimates the time-delay parameters of the channel by DMRS, then completes LMMSE interpolation process in frequency domain by LUT(looking up table) for selection of corresponding frequency domain interpolation matrix. This solves the difficulty in acquiring the second order statistical information of the channel in the traditional frequency domain LMMSE algorithm, and avoiding the real-time inversion process of the matrix. The simulation results indicate that this method can reduce the complexity while ensuring the performance of BER and MSE, and thus is of fairly great practicability.

LTE-A; channel estimation; DMRS; LMMSE; LUT

TN911.23

A

1002-0802(2016)-11-1424-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.11.002

段紅光（1969—），男，碩士，碩士生導(dǎo)師，高級工程師，主要研究方向為移動通信技術(shù)；

田 枚（1991—），女，碩士研究生，主要研究方向為LTE-A中信道估計算法；

李玉菱（1991—），女，碩士研究生，主要研究方向為LTE-A無線通信信號檢測算法。

2016-07-14；

2016-10-22 Received date:2016-07-14;Revised date:2016-10-22