粟 唐，汪曉寧

(西南交通大學(xué),四川 成都 611756)

LTE協(xié)議下高速移動(dòng)場(chǎng)景預(yù)編碼技術(shù)研究*

粟 唐，汪曉寧

(西南交通大學(xué),四川 成都 611756)

高速移動(dòng)場(chǎng)景下多普勒頻移激增，對(duì)信道估計(jì)的準(zhǔn)確性提出了很高要求，僅僅依靠傳統(tǒng)的信道估計(jì)已不能很好反映信道狀態(tài)，使用估計(jì)的信道狀態(tài)信息進(jìn)行預(yù)編碼操作，會(huì)使系統(tǒng)的誤比特率性能急劇下降?；谏鲜銮闆r，給出了基于統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息的碼本預(yù)編碼方法，利用信道的統(tǒng)計(jì)信息改善信道估計(jì)的準(zhǔn)確性，有效提高了系統(tǒng)的誤比特率性能，并顯著降低了碼本選擇的計(jì)算復(fù)雜度。

高速移動(dòng) 預(yù)編碼 信道統(tǒng)計(jì)信息

0 引 言

LTE/LTE-A作為4G協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，提出了比3G協(xié)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(yù)編碼技術(shù)[1]通過(guò)充分利用多天線來(lái)提供空間復(fù)用與分集，能夠獲得比傳統(tǒng)的SISO技術(shù)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L(zhǎng)TE協(xié)議中的關(guān)鍵技術(shù)。

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，在高速移動(dòng)環(huán)境下對(duì)無(wú)線通信技術(shù)提出了新的要求。未來(lái)，LTE/LTE-A技術(shù)將取代GSM-R成為高鐵的通信方案之一。因此，在高速移動(dòng)場(chǎng)景下研究預(yù)編碼技術(shù)已非常必要。

在高速移動(dòng)場(chǎng)景下，信道狀態(tài)信息在一個(gè)符號(hào)傳輸周期內(nèi)發(fā)生明顯變化，傳統(tǒng)的信道估計(jì)技術(shù)已變得不再準(zhǔn)確，信道的快時(shí)變性導(dǎo)致經(jīng)歷反饋時(shí)延后得到的信道狀態(tài)信息不再能較為準(zhǔn)確地刻畫(huà)當(dāng)時(shí)的真實(shí)信道情況，為此采用統(tǒng)計(jì)的信道狀態(tài)信息來(lái)應(yīng)對(duì)上述問(wèn)題?，F(xiàn)階段，統(tǒng)計(jì)信道信息主要被用來(lái)進(jìn)行基于非碼本的預(yù)編碼[2]，但基于碼本的預(yù)編碼才是LTE協(xié)議中明確規(guī)定的預(yù)編碼方案。因此，對(duì)于在高速移動(dòng)環(huán)境下基于LTE協(xié)議的碼本預(yù)編碼的研究成為了本文研究的出發(fā)點(diǎn)。

在對(duì)幾種常見(jiàn)的適用于LTE協(xié)議的碼本預(yù)編碼方法[3]進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，本文給出了基于統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息的預(yù)編碼矩陣索引選擇算法。仿真結(jié)果表明，該算法能有效提高系統(tǒng)的誤比特率性能，并大幅降低預(yù)編碼操作中選擇碼本的計(jì)算復(fù)雜度。

1 系統(tǒng)模型

假設(shè)MIMO系統(tǒng)的發(fā)射天線數(shù)為Nt，接收天線數(shù)為Nr，傳輸層數(shù)為L(zhǎng)。則此時(shí)接收信號(hào)在頻域表示為

Y=HWX+N

(1)

2 已有的動(dòng)態(tài)信道狀態(tài)信息模型

為了降低快時(shí)變條件下信道狀態(tài)信息估計(jì)的不準(zhǔn)確性，文獻(xiàn)[4]提出了采用統(tǒng)計(jì)信道信息與信道的時(shí)間相關(guān)特性構(gòu)建發(fā)射端動(dòng)態(tài)信道狀態(tài)信息模型。

相對(duì)時(shí)不變信道的均值、協(xié)方差及自協(xié)方差能有效地刻畫(huà)信道狀態(tài)信息，快時(shí)變信道H可表示為相對(duì)固定不變和明顯時(shí)變兩部分

(2)

信道的變化部分采用信道的協(xié)方差R0表示，其描述了MIMO系統(tǒng)中所有發(fā)射和接收天線對(duì)之間的空間相關(guān)性

(3)

信道的自協(xié)方差矩陣則描述了信道隨時(shí)間相關(guān)的快慢程度。若信道是平穩(wěn)的，則兩個(gè)信道的抽樣樣本的協(xié)方差只依賴時(shí)間間隔s

(4)

MIMO信道的相關(guān)矩陣R0表征了所有發(fā)射和接收天線對(duì)之間的空間相關(guān)性，而非0延遲的自協(xié)方差矩陣Rs同時(shí)反映了信道的空間相關(guān)性與時(shí)間相關(guān)性。假設(shè)所有天線對(duì)的時(shí)間統(tǒng)計(jì)特性相同，則信道的空間相關(guān)性與時(shí)間相關(guān)性是獨(dú)立存在的，信道的自協(xié)方差可以表示為

Rs=ρsR0

(5)

其中，ρs為信道的時(shí)間相關(guān)系數(shù)。

信道統(tǒng)計(jì)信息Hm、R0及Rs在相干時(shí)間的數(shù)十倍到數(shù)百倍的時(shí)間內(nèi)是有效的[5]，并且在這段時(shí)間內(nèi)信道可以認(rèn)為是平穩(wěn)的，所以能夠通過(guò)平均數(shù)十倍相干時(shí)間內(nèi)的信道估計(jì)值獲得。

(6)

(7)

其中，Es是0均值估計(jì)誤差，es=vec(Es)；

現(xiàn)在假定，已知發(fā)送端0時(shí)刻信道的初始測(cè)量值H0與信道的統(tǒng)計(jì)信息Hm、R0、Rs。則基于MMSE估計(jì)理論，信道在時(shí)刻s的最優(yōu)估計(jì)與估計(jì)錯(cuò)誤協(xié)方差能夠表征為

(8)

(9)

利用公式(5)簡(jiǎn)化上述的時(shí)間相關(guān)模型，則信道的估計(jì)值和錯(cuò)誤協(xié)方差重寫(xiě)為

(10)

(11)

發(fā)射端信道狀態(tài)信息可以簡(jiǎn)要地刻畫(huà)為ρs、初始信道測(cè)量值H0、信道均值Hm與協(xié)方差R0的函數(shù)。信道估計(jì)值變成了初始測(cè)量值與信道均值的線性組合。而錯(cuò)誤協(xié)方差僅是信道協(xié)方差的線性函數(shù)。

公式(10)(11)描述了發(fā)射端統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息模型，其中ρs是依賴時(shí)間延遲s的信道估計(jì)質(zhì)量因子。發(fā)射端信道狀態(tài)信息的估計(jì)值隨著參數(shù)ρs的變化而改變；當(dāng)其等于1時(shí)，信道的估計(jì)值是完美的信道狀態(tài)信息；當(dāng)其等于0時(shí)，信道的估計(jì)值退化為完全的統(tǒng)計(jì)狀態(tài)信息；而當(dāng)其介于0和1之間時(shí)，此時(shí)信道的估計(jì)值由信道測(cè)量值與信道均值共同組成。

3 基于統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息的碼本選擇算法

LTE/LTE-A協(xié)議[6]規(guī)定了5種信道模型，移動(dòng)速度越快，多普勒頻移越大。當(dāng)相干時(shí)間遠(yuǎn)大于信號(hào)的符號(hào)周期，可以認(rèn)為信號(hào)經(jīng)歷慢衰落過(guò)程，此時(shí)近似認(rèn)為發(fā)送信號(hào)的信道傳輸特性在符號(hào)周期內(nèi)保持不變。在LTE/LTE-A協(xié)議中現(xiàn)有的多普勒頻移最大的ETU2場(chǎng)景下，相干時(shí)間約為1.41 ms，而一個(gè)子幀的信號(hào)傳輸周期為1 ms,此時(shí)相干時(shí)間大于符號(hào)傳輸周期，可近似認(rèn)為信號(hào)經(jīng)歷慢衰落過(guò)程。但在ETU2場(chǎng)景下，移動(dòng)速度僅為120 km/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到高速移動(dòng)的要求。當(dāng)移動(dòng)速度增加到350 km/h時(shí)，最大多普勒頻移變?yōu)?50 Hz，其對(duì)應(yīng)的相干時(shí)間大約為0.498 ms，小于一個(gè)子幀的信號(hào)傳輸周期；相干時(shí)間小于符號(hào)傳輸周期，信號(hào)經(jīng)歷快衰落過(guò)程。此時(shí)，不能認(rèn)為在一個(gè)符號(hào)傳輸周期內(nèi)，信道狀態(tài)信息幾乎保持不變或緩慢變化。在高速移動(dòng)場(chǎng)景下，信道狀態(tài)信息在一個(gè)符號(hào)傳輸周期內(nèi)發(fā)生明顯變化。隨著信道狀態(tài)信息的快速變化，多普勒頻移顯著增加，傳統(tǒng)的信道估計(jì)技術(shù)已變得不再準(zhǔn)確，信道的快時(shí)變性導(dǎo)致經(jīng)歷了反饋時(shí)延后得到的信道狀態(tài)信息不再能較為準(zhǔn)確地刻畫(huà)此時(shí)的真實(shí)信道情況。

為了應(yīng)對(duì)信道的快時(shí)變性及信道估計(jì)的不準(zhǔn)確性等問(wèn)題，本文基于發(fā)射端動(dòng)態(tài)信道狀態(tài)信息模型，結(jié)合LTE協(xié)議的碼本預(yù)編碼方案，給出了基于統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息以最大信干噪比(SINR)為優(yōu)化準(zhǔn)則的碼本選擇算法。

下面介紹基于統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息以最大信干噪比(SINR)為優(yōu)化準(zhǔn)則的碼本選擇算法。

加入MIMO預(yù)編碼后的MMSE接收機(jī)[7]為

(12)

將式(10)帶入上式，得到經(jīng)動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)模型修正的MMSE接收機(jī)

(13)

經(jīng)MMSE接收機(jī)后的信號(hào)為：

(14)

(15)

(16)

則總的SINR為

(17)

(18)

4 計(jì)算復(fù)雜度降低分析

LTE協(xié)議中規(guī)定，無(wú)線鏈路的數(shù)據(jù)在上行和下行中均以無(wú)線幀的形式進(jìn)行傳輸，一個(gè)無(wú)線幀的長(zhǎng)度為10 ms，其又分為十個(gè)子幀，每個(gè)子幀的長(zhǎng)度均為1 ms。在1.4 MHz的帶寬配置下，每個(gè)子幀包含72×14個(gè)子載波，但其中有少量子載波用來(lái)傳輸進(jìn)行信道估計(jì)的導(dǎo)頻信號(hào)，加起來(lái)總共占用144個(gè)子載波，所以實(shí)際用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖虞d波數(shù)為72×12。假定預(yù)編碼索引的時(shí)域反饋間隔為2個(gè)OFDM符號(hào)，頻域反饋間隔為2個(gè)資源塊(RB)；再考慮4發(fā)射天線2接收天線2數(shù)據(jù)層配置的情況，則在一個(gè)子幀內(nèi)實(shí)際需要反饋的預(yù)編碼索引數(shù)為21次。當(dāng)采用估計(jì)信道狀態(tài)信息利用最大SINR準(zhǔn)則的碼本選擇算法時(shí)，需要進(jìn)行 21次預(yù)編碼矩陣索引的選擇。而采用完全統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息對(duì)信道估計(jì)值進(jìn)行修正，只需進(jìn)行1次預(yù)編碼矩陣索引的選取，便可在接收到反饋信息的發(fā)射端對(duì)整個(gè)子幀的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)編碼操作。顯而易見(jiàn)，由于預(yù)編碼矩陣索引的選取從21次減少到了1次，因此運(yùn)算的復(fù)雜度大幅度降低，詳情見(jiàn)下表：

表1 預(yù)編碼索引選擇計(jì)算復(fù)雜度對(duì)比

5 仿真結(jié)果

圖1給出了基于統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息利用最大SINR準(zhǔn)則的碼本選擇算法的預(yù)編碼方案與基于估計(jì)信道狀態(tài)信息利用最大SINR準(zhǔn)則的碼本選擇算法的預(yù)編碼方案的誤比特率性能對(duì)比。從圖中可看出，當(dāng)移動(dòng)速度增加到350 km/h時(shí)，系統(tǒng)經(jīng)歷的最大多普勒頻移增加到850 Hz，此時(shí)信道狀態(tài)信息處于快時(shí)變的情況，信道估計(jì)的準(zhǔn)確性受到了很大的影響；又由于未對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)采用任何糾錯(cuò)編碼，導(dǎo)致系統(tǒng)的誤比特率性能急劇下降，在20 dB時(shí)即開(kāi)始出現(xiàn)錯(cuò)誤平層?；诮y(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息利用最大SINR準(zhǔn)則的碼本選擇算法比基于估計(jì)信道狀態(tài)信息利用最大SINR準(zhǔn)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(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息的方案比基于估計(jì)信道狀態(tài)信息的方案擁有更低的誤比特率，且隨著信噪比的進(jìn)一步增加性能優(yōu)勢(shì)逐漸變得明顯。基于統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息的方案在信噪比為15 dB時(shí)與基于估計(jì)信道狀態(tài)信息的方案在信噪比為20 dB時(shí)擁有相同的誤比特率。并且基于統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息的方案比基于估計(jì)信道狀態(tài)信息的方案擁有更低的錯(cuò)誤平層。

表2 仿真參數(shù)設(shè)置

圖1 350 km/h統(tǒng)計(jì)信息與估計(jì)信息預(yù)編碼對(duì)比

6 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)LTE協(xié)議在高速移動(dòng)場(chǎng)景下分析了動(dòng)態(tài)信道狀態(tài)信息模型的建立過(guò)程，給出了基于統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息的預(yù)編碼矩陣索引選擇算法，并進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果證明采用統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息進(jìn)行預(yù)編碼操作不僅可提高系統(tǒng)的誤比特率性能，而且可大幅降低預(yù)編碼過(guò)程中碼本索引選擇的計(jì)算復(fù)雜度。文中利用信道統(tǒng)計(jì)信息中的信道均值修正估計(jì)的信道狀態(tài)信息，還可以嘗試采用更多的信道統(tǒng)計(jì)信息對(duì)信道狀態(tài)信息進(jìn)行修正，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的誤比特率性能。

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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(wú)線通信、信號(hào)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(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)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(dòng)通信;

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.03.003

2014-10-10；

2015-01-28