LTE系统上行链路探测信号研究.pdf

发布时间：2022-05-31 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.23M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn LTE 系统上行链路探测参考信号的研究吕倩* （北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876）摘要：LTE 是未来移动通信发展的重要方向，单载波频分多址接入（SC-FDMA）上行链路支持两种类型参考信号，解调参考信号（DeModulation RS,DM RS）和探测参考信号（Sounding RS,SRS），主要用于相干解调所需的信道估计、上行调度的信道质量探测、定时提前等。本文基于 LTE 上行探测参考信号的特性和发送过程进行分析研究，在系统接收端，提出基于 LS 算法的上行信道质量探测设计和硬件实现方案；并深入研究探测参考信号用于定时估计的算法与硬件实现方案，为硬件实现中基于探测参考信号进行信道探测与定时估计提供参考。关键词：LTE；探测参考信号；硬件实现中图分类号：TN Research on Uplink Sounding Reference Signal in LTE System Lv Qian (School of Information and Communication Engineering, BUPT, Beijing 100876) Abstract: LTE is the important development direction of mobile communication, the LTE Single-Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA)uplink incorporates Reference Signals (RSs) for data demodulation and channel sounding. The roles include enabling channel estimation to aid coherent demodulation, channel quality estimation for uplink scheduling, timing estimation .In this paper, the properties and transmission of sounding reference signal are studied and a hardware implementation design of channel quality sounding based LS is introduced. In addition, the paper studies the algorithm of SRS timing advance and gives a hardware implementation design. Keywords:LTE;sounding reference signal;hardware implementation 0 引言 LTE（Long Term Evolution）是 2004 年底，当全球微波接入互操作（World interoperability for Microwave Access, WiMAX）迅猛崛起时，由第 3 代合作伙伴计划（3GPP）启动的通用移动通信系统（Universal Mobile Telecomunication System, UMTS）的长期演进项目[1]。LTE 系统实现上行峰值速率 50Mbps 的数据传输对上行参考信号序列提出了更高的要求。 Zadoff-Chu(ZC)序列凭借以下特性被广泛应用于 LTE 上行链路参考信号中：恒幅特性，保证相应带宽内每个频点经历相同的激励，便于实现相干检测中的无偏估计；低峰均比特性，便于功率放大器实现；良好自相关特性，用于准确的信道估计；良好互相关特性，便于接收端把所需信号检测出来，并减少差错。上行解调参考信号，在物理上行共享信道（PUSCH）与上行链路数据的传输相关联，并且和控制信令在物理上行控制信道相结合（PUCCH），主要用于信道估计中的相干解调。上行探测参考信号，不与上行数据和控制传输相关联，用于确定信道质量，从而在上行链路中进行频率选择性调度。同时，支持当前还未调度到的 UE 的各种初始化功能，如初始化功率控制、定时估计等[2]。作者简介：吕倩（1984-），女，主要研究方向：无线通信技术. E-mail: qianlv2007@gmail.com - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn picoChip 是一种多核 DSP 芯片协同处理的框架，本文在对上行探测参考信号进行研究的基础上，提出了信道探测与定时估计的算法设计，并且给出了基于 picoChip 芯片实现的具体解决方案。 1 探测参考信号发送端设计 1.1 探测参考信号生成探测参考信号（SRS）序列循环移位，按照下式进行[3]： SRS r n ( ) ) nα= ( ) r ( u v , u vr nα ( ) ( ) , ，其中，定义为基序列 , ( ) u vr n 的 r ( ) α u v , M e n ( ) j n α= mN= RS sc RB sc r u v , n ( ),0 ≤ ≤ n M RS sc 是参考信号序列长度，并且 1 ≤ m N ≤ UL max, RB 。一个基序列使用不同的循环移位值α，可以定义多个参考信号序列。 SRS 序列的循环移位值α定义如下： α π= 2 SRSn cs 8 = SRSn cs 基序列 , ( ) ，由高层进行配置。 0,1,2,3,4,5,6,7 u ∈ u vr ≤ 情况下包含一个基序列( 5m≤ 。序列组序号u 以及组内序号v 随着时间变化（序列组跳转以及序列跳转）。 n 被分为多组，其中 {0,1,...,29} v = ；在 6 为组的序号，v 是组内的基序列序号， ≤ 情况下包含两个基序列 m N max, RB 0) ≤ UL 每组在1 v = ( 0,1) 1.1.1 基序列长度等于3 RB scN 或者更长 (0),..., 3 RS sc M RB sc N≥ r u v ，基序列 , N 如果 r n M RS sc 其中第 q 个 Zadoff-Chu 序列定义为： ( mod n , ( ) u v x n q ≤ < ),0 RS zc = ( u v , 1) RS sc r M − 由下式产生，即： − j π qm m ( RS N zc 1) + ,0 ≤ m N ≤ RS zc 1 − 2 q ) ( x m e = q q 由下式给出： q q 1/ 2 + q N u RS ( + zc = = + − ( 1) v 1) / 31 Zadoff-Chu 序列的长度 RS ZCN 取值为 N RS ZC M< RS sc 的最大素数。 scN 1.1.2 基序列长度小于3 RB 2 RS sc N= RB sc M M RS sc N= RB sc 当 n r , ( ) u v 其中， ( )nϕ 的取值分别由表 5.5.1.2-1[3]和表 5.5.1.2-2[3]给出。时，基序列由下式给出： 1 − 或者 ,0 n M ≤ ≤ j ϕ π RS sc = e /4 n ( ) - 2 -

中国科技论文在线 1.2 探测参考信号到物理资源块映射 http://www.paper.edu.cn 序列将被乘以一个幅度缩放因子 SRSβ ,然后从 (0) SRSr 开始映射到对应的资源粒子( , )k l 上。SRS 放置在一个子帧的最后一个块中，频域间隔为两个等效子载波，映射方式为： a 2 k k + l 0, SRS ⎧ β = ⎨ 0 ⎩ SRS r k ( ) = k 0,1,..., otherwise M RS sc − 1 0k 为 SRS 频域起始位置； SRSβ 是 SRS 的幅度加权因子； RS scM 是 SRS 的序列长度。 1.3 探测参考信号发送参考信号的发送过程如图 1 所示，包括序列串并变换、信号到子载波映射、IFFT、增加 CP、并串变换。图 1 探测参考信号发送端框图 2 探测参考信号接收端算法设计接收端，对探测参考信号先进行以下操作：串并变换，去 CP 及保护边带，FFT，解资源映射。图 2 探测参考信号接收端基本框图 2.1 探测参考信号 LS 信道估计探测参考信号主要用于信道质量估计，从而在上行链路中进行频率选择性调度。本部分介绍 SRS 信道估计，从而为信道质量提供信息。信道估计方法的选择跟系统的性能密切相关，一个好的信道估计方法可以更充分地进行频率选择性调度。本文的讨论限于与硬件实现的结合，采用 LS 算法。 LS 算法： H k ( ) o = Y k ( ) X k ( ) = H k ( ) + W k ( ) X k ( ) (0 ≤ ≤ k N 1) − 其中， ( )Y k 为接收端经过图 2 所示过程接收到的 SRS 频域信号， ( )X k 为已知的发送 - 3 -

中国科技论文在线端 SRS 频域信号， ( )W k 为高斯噪声项。可见 LS 信道估计不需要知道任何信道统计信息，并且计算简单，虽然每个子载波上的信道频域估计都存在一个高斯噪声项，但是，在硬件实现过程中，综合实现的复杂度与性能的折中考虑，通常采用 LS 算法。 http://www.paper.edu.cn 2.2 探测参考信号定时估计设计当 UE 接收机首次与 eNodeB 接收到的下行传输同步后，使用随机接入过程设定初始定时提前量。这需要 UE 传输一个随机接入签到序列，使得 UE 能够由此估计出上行定时，并在随机接入响应消息中响应初始定时提前命令。在首次为每个 UE 设定了定时提前后，需要不断地更新以抵消上行信号到达 eNodeB 的时间变化。在导出定时提前更新命令时，eNodeB 可能会测量任何有用的上行信号。这可能包括探测参考信号（SRS）、信道质量指示器（CQI）等[2]。本节介绍探测参考信号用于定时估计的算法。 Zadoff-Chu 序列理想的自相关性，保证了准确的定时估计。在 OFDM 系统中，CP 的引入将信道的线性卷积变为循环卷积。SRS 定时估计的算法即基于 Zadoff-Chu 序列理想的自相关性，利用循环相关与循环卷积的关系实现。 2.2.1 探测参考信号序列接收如图 2 所示，接收端接收到的时域序列若为 ( x n m− ，m 为信号经过信道引入的时延，接收端对接收到的信号进行去 CP 操作后，进行 N 点 FFT 操作（LTE 10M 系统，N=1024）， ) 若 − = )] FFT x n [ ( )] ，则 [ ( X k ( ) FFT x n m NW e π−= 2 / 根据发送端 SRS 所占频带位置，从 1024 点中取出相应频带内的 SRS 信号 Y k ( ) 接收端经过 FFT 操作之后，将接收到的时域信号转换到频域，若想提取 SRS 信号里包 1) − 。其中，L 为 SRS 序列长度。 X k W k , 0,1,2,..., ，其中， X k W ( ) k k 2 ( ' mk 1024 mk 1024 。 L = = = + = k ( ) N 0 j ' ' 含的时延信息，需要对 X k W 进行 IDFT 变换转换到时域，如下： ( ) ' ' mk 1024 y n ( ) ' L 1 − ∑ k 0 = L 1 − ∑ k 0 = L 1 − ∑ = 0 = = 1 N 1 N 1 N 1 N 1 N Y k ( ) i i k = = = ' Y k W − L ( ) nk ' X k W W − L ' mk 1024 ( ) nk X k ( 0 + k 2 )exp( − j 2 π 1024 ( k 0 + k m 2 ) k m ) 0 k m ) 0 L 1 − ∑ k 0 = L 1 − ∑ k = 0 exp( exp( j − 2 π 1024 2 π 1024 DFT y n [ − j ' X k ( 0 + k 2 )exp( − X k ( 0 + k 2 )ex p( j ) i ) exp( j j nk 2 π L L 2 π i L 1024 L 2 2 π L 1024 − n 2 ( km i ) exp( m k ) ) j 2 π L nk ) 其中， ' = ( )] Y k 为有延时序列的一对变换，若 ( ) = DFT y n [ ( )] 为没有延时序列的一对变换，则有： y n ( ) ' = exp( − j 2 π 1024 k m y n ) ( 0 − L 2 1024 m ) 可见，接收端完成 FFT 变换之后，对提取出的 SRS 频域信号做 IDFT 变换，得到的时域序列仍然包含信道时延信息，从而可以利用 Zadoff-Chu 序列理想的循环自相关性对时域 - 4 -

中国科技论文在线 SRS 序列做循环相关，得到信道时延信息。 2.2.2 循环相关与循环卷积 http://www.paper.edu.cn 循环卷积表示为： y n ( ) = y n R n ( ) ( ) = [ N 1 − ∑ m = 0 x m x ) 1 2 ( (( n m − )) ] N R n ( ) N 卷积的运算在图形上表示可以分为四步：翻褶、移位、相乘、相加。循环相关表示为： r m x x 1 2 ( ) = N 1 − ∑ n = 0 x n x ( ) 1 2 * ( n m − ) 相关的运算在图形上表示可以分为三步：移位、相乘、相加。可见，循环相关的求解与循环卷积的求解相似，只是没有“翻褶”这一步骤，并且多了对其中一个序列取共轭的步骤。因此，在算法设计中，对循环相关的两个序列之一进行翻褶并取共轭，就可以利用循环卷积来代替循环相关。考虑到硬件实现，利用卷积定理来实现循环卷积。设 1( ) x n 都是点数为 N 的有限长时域序列(0 1) − ，用循环卷积代替 n N ≤ ≤ x n 和 2( ) 循环相关步骤如下： − 1 ' n ，并令 x n ( ) 2 （1）取 2( ) * x n 的共轭 * x 2 ( ) x n n 0 ( ), ⎧ = ⎪= ⎨ 2 n n N fliplr x ( )),1 ( * ≤ ≤ ⎪⎩ 2 DFT x n X k ( )] ( ) [ = （2）计算； DFT x n X k [ ( )] ( ) = 2 i X k X k Y k ( ) ( ) ( ) = （4）计算； 1 2 IDFT Y k y n （5）计算 ( ) [ ( )] = ；这样得出的 ( )y n 为 1( ) x n 和 2( ) （3）计算； 2 1 1 ' x n 的循环相关值，由 Zadoff-Chu 序列理想的循环自相关性可知，根据循环自相关出现峰值的位置即可进行时间估计。 3 探测参考信号接收端硬件实现 3.1 探测参考信号 LS 信道估计硬件实现 3.1.1 功能描述 - 5 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn Reference Signal Input Control Information LS Estimation Zadoff-Chu Sequence Zadoff-Chu Sequence Generation Channel Impulse Response 图 3 SRS 信道估计模块功能图如图 3 所示，接收端 LS 信道估计硬件设计实现两部分功能：第一，根据控制信息生成相应探测参考信号序列；第二，根据接收到的探测参考信号序列进行估计，得到信道频域冲击响应。Zadoff-Chu 序列生成以及 LS 估计算法分别参照本文 1.1 及 2.1 章节。此处需要注意的是，由于 H k ( ) o = Y k ( ) X k ( ) = Y k ( ) r k ( ) srs = i Y k r ( ) i k r r ( ) srs k ( ) ∗ srs k ( ) ∗ srs = i Y k r ( ) ∗ srs k ( ) 所以接收端只需生成发送 SRS 序列的共轭即可。 3.1.2 结构设计图 4 SRS 信道估计模块结构图该模块由 6 个 AE 组成，如图 4 所示。 FIFO：缓存接收到的 SRS 频域序列，平滑模块吞吐。 AgCalc：Zadoff-Chu 序列元素的角度计算模块。当序列长度大于等于3 RB scN 时，根据控制信息进行计算序列每个元素的角度值，根据序列定义，对角度进行二次迭代运算，减少硬 scN 时，序列元素角度根据 PhaseTableSI 件使用资源并提高硬件计算效率；当序列长度小于3 RB 输出信息进行计算； SinTable：计算 Zadoff-Chu 序列元素正弦值和余弦值的模块。该模块预先存储三角函数 - 6 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 第一象限角度的正弦值，选用存储空间更大的 MEM 型 AE 既保证了对每个正弦值的存储又提高了正弦值精度；该模块收到 AgCalc 输出的角度值后，根据三角函数四个象限正余弦关系，计算每个元素对应的正余弦值，得到 Zadoff-Chu 基序列。 BaseSRSgen： Zadoff-Chu 基序列循环移位模块。该模块接收频域基序列，按照序列生成方式进行循环移位操作，得到与发送 SRS 匹配的序列。 SRSLsEst：LS 信道估计模块。根据 3.1.1 节所述，输出探测信道频域冲击响应。 3.2 探测参考信号定时估计硬件实现 3.2.1 功能描述根据本文 2.2 节的算法设计，SRS 定时估计模块流程如下所示：图 5 SRS 定时估计模块功能图对接收到的 SRS 频域序列做 IDFT 转换到时域，得到包含有时延信息的序列，之后根据卷积定理进行 DFT 操作，这两个操作在物理上存在着重要的意义，但在数学上是互逆的，故实际实现过程中直接将接收到的 SRS 频域信号作为点乘操作的输入之一。接收端，根据高层提供的控制信息，生成与发送端相同的 SRS 频域序列，为了进行时间估计操作，必须将此序列进行 IDFT 操作变换到时域，对时域序列进行共轭逆序操作，进一步应用卷积定理。 3.2.2 结构设计根据 SRS 定时估计功能的描述，硬件模块具体结构设计图 6 所示，由 9 个 AE 组成。图 6 SRS 定时估计模块结构图 BaseSRSIDFT：输入为本地生成的 SRS 频域序列，将本地生成的频域序列转换到时域，在时域上利用卷积定理做定时提前估计。 BaseSRSIDFT Back：根据循环卷积与循环相关的关系，按照 2.2 节算法，对本地 SRS 时域序列进行共轭逆序操作。这里采用的 AE 为 MEM 而不是 STAN，是因为逆序操作需要对接收到的数据依次存储后再进行逆序输出操作，存储需要更大的内存空间， STAN 的内存空间不足以存储 SRS 最长序列，因此采用 MEM。 - 7 - X k W ( ) ' ' mk 1024 = X k ( ) 1 令 rx _ srs X k ( ) : 1 base srs X k ( ) _ : 2 x n 1( ) x n 2 ( ) x n 2 ( ) ' X k 1( ) X k 2 ( ) ' x xr 1 2 n ( )

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn Rx SRS FIFO：缓存接收到的 SRS 频域信号，硬件实现中省略了数学上互逆的 IDFT 与 DFT 操作，直接将频域序列输入到点乘模块。 Mul：根据卷积定理算法，该模块实现本地 SRS 序列和接收 SRS 序列 DFT 结果之后的点乘操作，并且，取点乘输出结果的共轭，输出到下一个模块。 IDFT：实现 MUL 点乘共轭结果后的 DFT 操做。不考虑系数的影响，IDFT 操作可以等效为输入取共轭，DFT，输出取共轭，故此处实际采用一个 DFT 加速器。 Power：对 IDFT 输出序列各点，取实部平方和虚部平方和，计算序列各点功率平方值，以便于确定相关最大值位置。 Maxpoint：根据输出序列功率平方值，确定最大值位置，输出到下一个模块，并输出最大功率平方值及除最大功率点外其余点功率平方平均值。 TimeEst：对最大功率平方值与其余点功率平方平均值进行判决，通过判决门限则根据最大功率平方值位置得到定时估计信息。 4 结论本文对 LTE 上行探测参考信号进行了研究，针对 LTE 参考信号发送过程，设计了探测参考信号的接收方案。对硬件实现复杂度与探测性能的综合考虑，提出了探测参考信号 LS 信道估计的一种硬件实现方案；对探测参考信号用于定时提前估计进行探讨，根据序列本身良好的自相关性和循环卷积与循环相关的联系，提出了定时估计设计算法与实现方案。 [参考文献] [1] 沈嘉，索士强，全海洋，等.《3GPP 长期演进(LTE)技术原理与系统设计》[M]. 北京：人民邮电出版社, 2008. [2]Stefania Sesia, Issam Toufik, Matthew Baker.《LTE-UMTS 长期演进理论与实践》[M]. 马霓, 邬钢，张晓博,等.北京：人民邮电出版社，2009. [3] 3GPP TS 36.211 v8.8.0. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical Channels and Modulation (Release 8) [s]. 2009. [4] Shengping Qin, Peide Liu, Xin Zhang, etal. Channel estimation with timing offset based on PSD & LS estimation for wireless OFDM systems . Intelligent Signal Processing and Communication Systems, 2007, 10.1109/ISPACS.2007.4445870 : 248 – 251. [5] 程佩青.《数字信号处理教程》[M]. 北京：清华大学出版社，2003 [6] 3GPP TS 36.213 v8.8.0 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical layer procedures（Release 8）[S].2009 - 8 -

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