LTE—A系统上行MIMO信道估计方法研究

摘要：以LTE-A系统物理层的PUSCH链路为研究背景，介绍了LTE上行参考信号的设计以及传统的信道估计算法，着重指出了LTE-A上行MIMO信道估计遇到的问题，并阐述了该问题的具体解决方法和公式推导，最后通过对LTE-A上行多天线链路的仿真，验证了该MIMO信道估计方法的可行性。

关键词：LTE-A 信道估计 参考信号 MIMO

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）11-0022-02

LTE-A以LTE为技术基础和核心，进行扩充、增强、完善，其特点是：灵活有效的频谱利用、更高的频谱效率、简单优化的网络架构，提供更多的服务。具体而言，LTE-A需要支持高达100MHz的带宽；下行峰值速率为1Gbit/s，频谱效率提高到30bit/s/Hz；上行峰值速率为500Mbit/s，频谱效率提高到15bit/s/Hz；下行天线扩展到8×8（发射8天线、接收8天线），上行天线扩展到4×4。这些特性的获取源于LTE-A引入了载波聚合、多天线增强（MIMO）、多点协同传输、异构网、自组织网络等关键技术[1]。

在引入上行MIMO多天线传输时，由于上下行参考信号（RS：Reference Signal）在时频格摆放位置存在巨大差异，传统的频域信道估计算法已经不再适用于MIMO信道估计，本文首先以LTE-A的PUSCH信道为例描述信道处理流程及导频结构，以及接收端MIMO信道的分离方法和估计方法，通过搭建PUSCH链路仿真平台，在不同发射天线数情况下对MIMO信道估计算法进行仿真分析。

1 系统模型

LTE-A上行采用多天线最大4×4 MIMO方式，最多支持2个传输块（码字）并行发送数据，上行PUSCH传输的主要是数据业务和控制信息，这些信息首先经过是以比特的形式经过CRC校验、码块分割、信道编码、速率匹配、码块级联、加扰到调制（星座映射），星座映射完成后是层映射与预编码操作，两者共同完成了MIMO的功能：首先通过层映射把要传输的每一码字的复值调制符号映射到一个或多个层，实现串并变换，然后对层映射后的数据经M点DFT过程后进行预编码，也就是实现具体层到天线的映射，此时同参考信号一起映射到共同的帧结构（时频格）上。最后进行SC-FDMA调制并经上变频操作后通过各天线端口发射出去，在eNodeB接收端先通过天线端口把从多径信道过来的时域信号线进行解帧和去CP处理，即在时域上按一个SC-FDMA符号进行N点FFT变成频域的复值符号，再通过解资源映射，信道估计、信道均衡（检测出多层的信息）、IDFT，由于LTE-A发送端采用MIMO方式，可能含有多层的数据信息，需要解层映射到码字流，再经过软解调、解扰、解交织、解复用、解速率匹配、译码、解传输块的CRC校验，最后输出接收到的比特信息，由于发射端与接收端是互逆过程，一个码字情况下LTE-A物理层上行PUSCH信道接收端处理流程如图1所示。

2 导频参考信号

LTE-A上行链路用于信道估计的参考信号：主要分为解调参考信号（DMRS）和探测参考信号（SRS），前者与数据或上行控制信令一起发送，用于数据或控制信令的相关解调，在接收端就是根据它来估计出数据位置处的信道信息，再经过信道均衡模块来消除噪声恢复出原始发送数据；后者由高层信令调度，用于信道测量，实现上行链路的频率选择性调度和UE的上行时间同步。

参考信号利用具有循环移位的Zadoff-Chu序列生成的，不同移位的序列之间相互正交，并且序列有很好的自相关性和互相关性，LTE-A上行PUSCH链路采用块状参考信号插入方式如图2所示，在时域上占用每个时隙的第四个OFDM符号，频域上则是占满分配的带宽。

3 MIMO信道估计方法

3.1 信道估计一般流程

LTE-A物理层PUSCH链路的信道估计是采用在每个时隙的数据符号间插入参考信号符号，因为参考信号的产生和映射的位置都是固定的，因此可以利用它在接收端对每个时隙的信道值进行估计。主要过程通过以下三步完成：首先在发送的有用数据中插入已知的导频符号；其次在接收端通过一些方法可以得到导频位置的信道估计信息；最后利用导频位置的信道估计结果，通过内插，变换，滤波等方法得到有用数据位置的信道估计结果，完成信道估计[2]。

3.2 传统信道估计算法

3.3 MIMO信道估计算法

LTE-A系统上下行的导频信号在时频栅格上放置位置不一样，下行采用的是梳妆导频分布，时间和频域上均不连续，上行采用的是块状导频，在频域上是连续的，因而在下行MIMO信道环境下信道估计可以直接采用各种频域估计算法，与LTE不一样，由于LTE-A上行链路的信道模型是MIMO信道，因此在对MIMO方式下的传输进行信道估计的时候，传统的频域信道估计算法已经无法直接应用于上行多天线的信道估计中[3]，比如当UE使用2×2MIMO方式发送时频资源时，在接收端天线1上接收到的信号可以表示为，，其中为UE第一根天线上发送的DMRS，为UE第二根天线上发送的DMRS，α 为相对与的相位旋转，在时域上即循环移位值，、分别为、到基站接收天线1所经历的信道频率响应，为基站接收天线1处的噪声。

4 仿真结果分析

通过搭建LTE-A上行PUSCH链路级平台，对本文提出的MIMO信道估计方案进行了仿真[4]，分别仿了2天线和4天线发射情况，系统带宽10MHZ，子载波数600，调制方式QPSK，移动速度步行6km/h，均衡方式ZF，turbo编码方式，信道模型AWGN，仿真图如下所示：

由图3可以看出采用MIMO信道估计方法可以成功实现不同发送天线之间信道冲激响应的分离，但是随着发射天线数目的不同，估计性能也不相同，当信噪比较低时的性能低于时的性能，而在高性噪比时两者性能差距不大，原因跟在算法中时域窗截取的长度设置有关，算法中时域窗口长度，所以在时的窗口长度大于时的窗口长度，较长的窗口引入了较多的噪声，因此在低性噪比时性能较差。

5 结语

本文对LTE-A上行链路发送和接收流程，尤其是上行参考信号的设计以及传统LTE信道估计算法进行了简要的介绍，由于参考信号在时频格上的位置差异导和LTE-A上行采用MIMO多天线技术导致原先较为成熟的频域信道估计算法已经不能直接应用在LTE-A上行系统。本文介绍了一种混有时频操作的MIMO信道估计方法，通过仿真发现，该方法可以应用在LTE-A上行链路中，但是由于时域窗口长度截取问题影响不同发射天线数在低性噪比下的性能，下一步研究的方向将是怎样优化时域窗口长度的选取来提高系统的性能。

参考文献

[1] （瑞典）Stefan Parkvall，（瑞典）Johan Skold，堵久辉，缪庆育（译）.4G移动通信技术权威指南[M].北京：人民邮电出版社.2012.5：76-78.

[2] 马霓，邬钢.LTE-UMTS长期演进理论与实践[M].北京：人民邮电出版社.2009

[3] 张行良.IMT-A系统中信道估计算法的研究[D].浙江：浙江大学，2013.3.

[4] 刘学勇.MATLAB通信系统建模与仿真[M].电子工业出版社.2011.