長期演進系統下行短幀結構及其導頻圖樣設計

謝培浩 張靜 蘇穎

摘 要： 在長期演進（LTE） 系統下行鏈路中，使用短幀傳輸數據可達到降低通信時延的目的.由于縮短幀的長度會造成系統性能的損失，為權衡系統吞吐量和信道估計質量之間的關系，給出一種新的小區專用參考信號（CRS）映射圖樣.鏈路級仿真結果表明：所設計的短幀導頻圖樣在滿足LTE系統下行吞吐量要求的同時，可提高信道估計質量并降低系統的誤碼率.

關鍵詞： 低時延; 短幀; 導頻圖樣; 信道估計; 吞吐量

中圖分類號： TN 929.5文獻標志碼： A文章編號： 1000-5137（2019）01-0038-05

Abstract： In this paper，short frame was introduced to transmit data in the long term evolution （LTE） system downlink to reduce communication delay.Since the reduction of the frame length would degrade system performance，a new cell-specific reference signal （CRS） mapping pattern was proposed in order to balance the relationship between the system throughput and the channel estimation quality.Link-level simulation results showed that the proposed method could satisfy system throughput requirement while improving the channel estimation quality and reducing system error rate.

Key words： low latency; short frame; pilot pattern; channel estimation; system throughput

0 引 言

空中接口的傳輸時延是無線通信系統中一項重要的性能指標.第五代（5G）移動通信系統可以隨時隨地提供信息和數據共享，其在高可靠低時延場景下所提供的1 ms空中接口時延和毫秒級別的端到端時延，使其可支持各種對時延有著嚴格要求的業務，如遠程工業控制、汽車自動駕駛和觸覺互聯網等應用.然而，當前長期演進（LTE）和高級LTE（LTE-A）系統中單向用戶的平均時延約為5 ms，還無法達到低時延標準.

第三代合作伙伴計劃（3GPP）在第14個版本報告中認為，縮短子幀長是降低通信時延的關鍵技術之一.可以通過兩種方法縮短子幀長度：1）擴大子載波間隔，縮短每個正交頻分復用（OFDM）符號的長度;2）在保持子載波間隔不變的情況下，減少子幀內OFDM符號個數，即在原LTE系統子幀結構基礎上，從第一個OFDM符號開始連續選取若干個（小于14個）OFDM符號構成新的子幀[1].采用方法1，會大幅降低系統的吞吐量，嚴重影響系統的傳輸性能，而采用方法2，將減少子幀內待處理的數據，降低鏈路各處的處理、等待時延.

本研究在方法2的基礎上，針對OFDM符號個數大于5且小于9的短幀，提出一種新的小區專用參考信號（CRS）映射圖樣，在LTE系統的基礎上，將原本針對每個時隙進行的CRS映射過程調整為針對每個子幀進行映射，并仿真對比了原LTE系統子幀，6個符號子幀和本文作者提出的子幀三者的映射圖樣在系統吞吐量和誤碼率（BER）上性能的優劣.

1 LTE系統下行鏈路的短幀

每個LTE系統下行鏈路的子幀幀長1 ms，由兩個0.5 ms的時隙組成，在常規循環前綴（CP）的情況下每個子幀由14個OFDM符號組成.基本資源映射單位分別為資源元素（RE）和資源塊（RB），其中，每個RE由1個OFDM符號持續時間和1個子載波間隔構成，每個RB由7個OFDM符號持續時間和12個子載波間隔構成.在時頻資源映射過程中，每個子幀的前兩或三個（由系統配置決定）OFDM符號用來傳輸控制信號，并且每個RB根據天線端口配置，都對應固定個數的RE，用于傳輸CRS.

由于子幀中映射的信道或信號種類過多，且又存在占用固定數量RE的信號，因此子幀設置過短，信號不容易在現有LTE系統的基礎上實現.同時，減少子幀內RE個數，使更多頻帶資源被用于傳輸控制和參考信號，導致鏈路覆蓋范圍過窄，造成控制和參考信號開銷過大等相關問題，對系統性能削弱較大.因此，盡管短幀在降低時延上可行，但同時也會抵消部分系統增益.

2 時隙級短幀參考信號的映射圖樣

CRS是LTE系統下行鏈路特有的參考信號，用于下行信道質量的測量以及下行信道的估計，其映射圖樣與用戶設備（UE）端的相干檢測和解調有關.CRS實際上是一串偽隨機序列，其映射規則如下：[2]

3 仿真結果與分析

本仿真實驗基于維也納大學LTE鏈路及MATLAB仿真平臺進行，主要討論短幀中不同的導頻圖樣在吞吐量和誤碼率兩個方面上對系統性能的影響.仿真參數設置如下：載波頻率為2.5 GHz;系統帶寬為20 MHz;子幀長度為6或14個OFDM符號持續時間;子載波間隔為15 kHz和20 kHz;信道模型為擴展典型城市信道模型（ETU）;天線配置為用戶端1根接收天線，基站端1根發射天線;循環前綴長度為常規;用戶的速度為30 km·h-1;接收機類型為破零接收機.

將原LTE系統的子載波間隔（15 kHz）調整為60 kHz，系統吞吐量的變化如圖1所示.從圖1可以看出，當子載波間隔為60 kHz時，吞吐量并不滿足LTE網絡的性能要求（LTE單用戶每兆赫茲平均吞吐量為R6 高速下行分組接入的3～4倍，即當帶寬為20 MHz時下行吞吐量為30～45 Mbit·s-1）.雖然通過增加子載波間隔，縮短OFDM符號長度可以達到減少通信時延的效果，但是若保持系統帶寬不變，由于子載波間隔擴大，系統所能分配的RB個數就會減少，造成頻率資源浪費，頻譜利用率降低，從而導致系統吞吐量的減少.然而，通過擴大子載波間隔縮短時延的方法無需更改子幀內各類信道（如下行控制信道）以及控制信號（如同步信號、參考信號）的映射方法，就可以縮短幀長.由于子載波間隔個數是以2的指數倍遞增（子載波間隔最多為480 kHz），在不改變子幀內OFDM符號個數的情況下，子幀的長度也以2的指數倍縮短，降低時延的效果十分明顯.

圖2為在原LTE系統子幀、6個符號的子幀及作者提出的6個符號子幀三種結構下，系統吞吐量隨信噪比（SNR）的變化情況.從圖2可以看出，6個符號的子幀在吞吐量性能上與原LTE系統接近，這是因為其在資源映射結構上與7個符號的子幀相似，而7個符號的子幀則取自原LTE系統子幀中的一個時隙.而在本文作者提出的6個符號子幀中增加了參考信號，使更多的時頻資源被用于發射CRS，相較于原6個符號的子幀，吞吐量有所降低，但其吞吐量滿足LTE系統要求.

圖3為原LTE系統子幀、6個符號的子幀及作者提出的6個符號子幀三種結構下，系統誤碼率Br的對數隨信噪比的變化情況.從圖3中可以看出：在SNR階段，三種子幀的Br相差不大;在高SNR階段，由于參考信號個數的增加，在子幀映射資源結構中，傳輸數據與參考信號間隔相應減少，采用本文作者提出的6個符號子幀的BER明顯低于另外兩種子幀結構.因此，作者提出的6個符號子幀在保證吞吐量的前提下，達到了提高信道估計質量，降低系統Br，提高通信可靠性的目的.

4 結 論

比較了縮短OFDM符號長度和減少子幀內OFDM符號這兩種減少通信時延的方法對通信系統吞吐量的影響.通過將子幀內OFDM符號減少為6個，可達到縮短通信時延的目的，并基于此6個符號的子幀設計了新的CRS映射圖樣.仿真結果表明：此圖樣在滿足LTE系統吞吐量要求的同時，降低了系統的誤碼率.

參考文獻：

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（責任編輯：包震宇，顧浩然）