LTE网络空中接口物理层PDSCH信道检测技术研究

摘要：随着国内LTE牌照的发放，大规模的LTE网络规划和部署势在必行。由于LTE扁平化的结构特点使得空中接口测试成为LTE网络监测的重点。物理层位于空中接口协议规范最底层，而PDSCH信道承载了物理层业务数据比特流，因此，PDSCH信道的检测成为物理层分析的核心模块。本文结合自主研发的LTE空中接口监测仪，对PDSCH信道检测技术进行探讨，仪器分析结果表明，提出的检测技术正确有效。

背景

　　人们对移动宽带应用需求日益强烈，而移动宽带发展面临着频谱资源稀缺的瓶颈。LTE作为下一代移动通信标准，采用了OFDM、MIMO等技术，具有高频谱效率、高峰值速率、网络架构扁平化等优点，有效地提升了用户在移动通信业务的体验度^[1]。随着LTE牌照的发放，大规模的LTE网络规划和部署势在必行。空中接口作为LTE网络结构中eNode和UE的接口，能以第三方视角有效反应LTE网络用户的业务建立和信令过程，空中接口检测技术的发展对LTE网络建设规划和优化有重要的意义。

　　根据LTE网络结构及空中接口协议，空中接口包括物理层、链路层及信令层三层结构。物理层位于空中接口协议最底层，提供物理介质中比特流传输所需功能，通过物理信道所承载的传输信道，为MAC层和高层提供信息传输的服务。PDSCH作为物理层主要的信道，承载了广播、随机接入、寻呼等信息，包括LSIB1、SIB2、SI、RAR、RRC_Set等LTE信令。通过检测PDSCH信道，能够反应物理层信道质量指标。

1 PDSCH信道检测过程

　　LTE空中接口监测仪由无线信号采集系统、无线信号解析系统等模块组成，完成LTE无线信号采集及分析。其中无线信号解析系统物理层分析子模块采用FPGA+DSP结构实现，具体链路实现如图1所示。主要包括时间、频率同步，FFT，信道估计、均衡，信道解调等模块。通过时间、频率同步过程消除LTE信号的定时偏差和频率偏差;FFT过程把LTE 信号变换到频域，在频域上进行信道估计及解调;信道估计、均衡过程是物理层解析的关键模块，求解信道传输系数;信道解调过程通过解资源映射获取信道资源位置，完成资源位置上的数据分析。

1.1 时间、频率同步

　　eNode和UE通信过程中由于晶振的精度和UE 的高速移动带来多普勒偏移等因素会产生频率偏移和定时偏差，因此，为了解析PDSCH信道信息，必须对抓取的LTE空中接口数据进行定时同步及频偏补偿^[2]。

　　本文根据PSS及SSS的性质进行定时同步，并利用CP相关进行频偏估计。由于周期为5ms的PSS是ZC序列，具有很强的相关性，可利用此特性确定5ms的时隙边界，同时得到小区扇区ID。由于LTE空中接口监测仪对数据处理要求有较好的实时性，为了降低相关过程数据处理容量，同时保证有完整的PSS序列，本文首先提取6ms的LTE空中接口数据，然后采取数据抽取技术对6ms的LTE空中接口数据进行处理，完成与本地PSS粗同步，得到小区扇区ID。在此基础上，进行PSS精同步，同时利用CP相关，得到频偏估计，对LTE空中接口数据进行频偏补偿。完成精同步后，在PSS基础上向前搜索SSS，SSS前后半帧的映射正好相反，因此，只要接收到两个SSS就可以确定10ms的边界，达到了帧同步的目的，得到小区组ID。

1.2 信道估计、均衡

　　由于LTE空中接口监测仪系统性能对数据处理要求有较好的实时性，因此，本文采取基于IDCT/DCT变化域[3]的改进型LS算法。本算法继承了传统LS算法计算简单、便于实现的优点，但是不同于传统的LS算法忽略噪声的影响，本算法利用了时域上的冲击响应点来抑制高斯白噪声的影响，提高了信道估计本身的SNR性能，因此，本算法的精度得到了有效的保证。与传统的MMSE算法相比，本算法不需要知道信道的先验信息，减少了大量的矩阵运算，大大降低了算法实现复杂度。因此，本算法更适合在实时性要求高的LTE空中接口监测仪系统中使用。

　　具体的实现框图如图2所示。本算法利用下行信道子载波上的小区专属参考信号进行LS信道估计，得到频域信道冲击响应，k∈0,1,…,N_p-1，Np为一个OFDM符号内小区参考信号的个数。经过DCT变换，把长度为N_p的镜像映射为2Np点的数据进行处理，得到时域，n∈0,1,…,N_p-1，变换后有效消除边缘不连续效应，将信号的能量集中在低频区域中。因为此时时域内信道能量集中在相对较少的抽样点上，经过变换窗将能量较低的抽样点视为零，得到冲击响应时域估计值，k∈0,1,…,N_p-1，同时抑制了信道有效部分以外的所有噪声项。在得到冲击响应时域估计值后，为了得到一个OFDM符号内所有子载波(包含非小区专属参考信号位置)的冲击响应，在k∈N_p,N_p+1,…,N进行补零操作，N为一个OFDM子载波的个数。经过DCT变换，得到频域内所有子载波位置的冲击响应，k∈0,1,…,N-1。得到频域所有子载波位置的冲击响应后，利用线性插值等技术在时域上得到所有OFDM符号的冲击响应，完成信道估计。利用信道的估计值，对采样的信号进行均衡。

1.3 解资源映射

　　PDCCH信道承载的DCI传输了下行数据传输的调度信息。空中接口根据检测到的DCI信息及格式对PDSCH信道资源分配域进行解释。根据PDSCH信息资源分配域提取PDSCH信道有效数据，进行数据解调。

　　PDSCH信道资源分配支持3种类型，其中DCI format 1A/ 1B/1C/1D只支持资源分配类型2;DCI 0/2/2A/2B/2C支持资源分配类型0及资源类型1，DCI信息包含了资源分配类型0及资源分配类型1区分标志位。

　　资源分配类型0将下行PRB分成若干RBG，采用LVBR方式将连续的RBG资源分配给用户，根据DCI中的资源分配位域指示相应的RBG是否被分配，得到PDSCH信道占用的资源。资源分配类型1将下行的RBG再分成P个子集，在每个子集内部以LVRB为单位，采用bitmap方式指示无线资源，根据DCI中的资源分配位域，获取RBG子集序号，在根据子集内的资源偏移信息，确定PDSCH信道占用的资源。资源分配类型2采用起始的RB位置，结合LVRB与DVRB的长度，共同确定RB位置。对DCI format 1A/1B/1D而言，资源分配由一个资源指示值RIV来表示。通过这个值，可以推导出分配给UE的起始RB(RBstart)以及连续分配的RB的长度(LCRBS)，如式(1)及式(2)所示。DCI format 1C 中RBstart、LCRBS的推导与式(1)和式(2)类似，只是增加了步进的概念。由于资源分配类型2既支持集中型的资源分配，也支持分布型的资源分配，需要根据上面推导得到的RB位置按照3GPP TS36.211协议^[4]映射得到PDSCH信道实际占用的PRB位置。

(1)

(2)

　　其中，N_RB为LTE下行带宽RB数。

1.4 数据解调

　　EVM是用来表征LTE信号分析质量的参数，它表示在一个给定时刻理想无误差基准信号与实际接收信号的矢量差。EVM分析指标符合空中接口协议规范后，可进一步对PDSCH信道进行解调，得到承载的码流信息。本文根据得到的资源位置提取PDSCH的有效数据，同时根据DCI包含的MCS信息确定调制方案，以确定基准信号，依式(3)进行EVM分析。若EVM分析指标符合空中接口协议规范，则调用DSP包含的Turbo-Decoder Coprocessor对数据进行解调，得到码流信息。

(3)

　　其中，0<V<T_m，T_m为PDSCH信道实际数据个数，为提取的PDSCH实际数据，为PDSCH信道基准信号，P₀为基准信号的平均功率。

2 实验结果及分析

　　本次实验以某基站及终端为测试对象，通过空中接口监测仪无线信号采集模块采集空中接口数据，采用本文提出的PDSCH检测分析技术，得到PDSCH信道的EVM指标的Average值为2.139%，Peak值为3.781%，符合空中接口协议要求。同时利用通过DSP的Turbo-Decoder Coprocessor解析PDSCH承载的比特流，利用空中接口监测仪协议分析模块分析PDSCH承载的信令为SIB1，如图3所示。从实验结果可知，本文提出的PDSCH信道检测分析技术正确、有效，能够满足LTE空中接口监测仪的解析要求。

3 结束语

　　LTE空中接口物理层分析模块是LTE空中接口监测仪的重要组成部分。PDSCH信道承载物理层业务比特流信息，其信道检测分析是物理层分析模块的核心部分。本文结合自主研发的LTE空中接口监测仪系统性能要求，对PDSCH信道检测分析技术进行探讨，仪器分析结果表明，提出的检测分析技术正确有效。

参考文献：

　　[1] 池翰贞, 陈文雄. 继承3G基础上的LTE网络拓展与部署[J].信息通信, 2014(3) :234.

　　[2] 高原. 3GPP TD-LTE系统下行同步技术的研究[D].华南理工大学:2010.

　　[3] DIALLO M, RABINEAU R, CARIOU L. Robust DCT based channel estimation for MIMO-OFDM system [C]. Proc.Wireless Communications and Networking Conference. [S.1.]: IEEE Press, 2009: 1-5.

　　[4] 3GPP TS 36. 211 v12. 6. 0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and modulation (Release 12) [S]. 2015.

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第7期第34页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。