2.11 物理信號

在共享物理信道內(nèi)傳輸各種物理信號，包括參考信號和同步信號。物理信號映射到PHY所使用的特定資源元素，但不承載來自更高層的信息。接下來給出LTE信號的詳細(xì)信息。

2.11.1 參考信號

頻域中的信道相關(guān)調(diào)度是LTE標(biāo)準(zhǔn)中最有吸引力的特征之一。例如，為了執(zhí)行知道實際信道質(zhì)量的下行鏈路調(diào)度，移動終端必須向基站提供信道狀態(tài)信息(CSI)。CSI可以通過測量在下行鏈路上傳輸?shù)膮⒖夹盘柕玫�。參考信號由發(fā)射機和接收機中的同步序列發(fā)生器再生。這些信號被放置在時間-頻率網(wǎng)格中的特定資源元素中。LTE指定下行鏈路和上行鏈路參考信號的幾種類型，它們將在下面描述。

2.11.1.1 下行鏈路參考信號

下行鏈路參考信號支持均衡解調(diào)控制和數(shù)據(jù)信息所需的信道估計功能。它們也有助于信道質(zhì)量反饋所需的CSI測量（如RI、CQI和PMI）。LTE規(guī)定了用于下行鏈路傳輸?shù)奈宸N參考信號：小區(qū)特定參考信號(CSR)、解調(diào)參考信號(DM-RS，或者稱為UE特定參考信號)、信道狀態(tài)信息參考信號(CSI-RS)、MBSFN參考信號和定位參考信號。

CSRs對于小區(qū)中的所有用戶都是通用的，并且在每個下行鏈路子幀中傳輸。DM-RSs用于下行鏈路多用戶傳輸模式7, 8或9。顧名思義，它們是用于在小區(qū)中由每個單獨的移動終端執(zhí)行的信道估計。CSI-RSs首次在LTE版本10中引入。它們的主要功能是減輕在使用超過8個天線時使用CSR進行CSI測量相關(guān)的密度問題。因此，CSI-RSs的使用限于多用戶下行鏈路傳輸模式9。在多播/廣播業(yè)務(wù)中采用的相干解調(diào)中使用了MbSFN參考信號。最后，在LTE版本9中首先引入的定位參考信號幫助支持多個單元的測量，以便估計給定終端的位置。在這一節(jié)中，我們對這里列舉的前三種類型的參考信號提供了更詳細(xì)的說明。

小區(qū)專用參考信息（Cell-Specific Reference Signals）

CRS在每個下行鏈路子幀和頻域中的每個資源塊中傳輸，從而覆蓋整個小區(qū)帶寬。在傳輸模式7、8或9的情況下，對應(yīng)于非基于碼本的預(yù)編碼，終端可以使用CRS進行信道估計，以便對除PMCH和PDCH之外的任何下行鏈路物理信道進行相干解調(diào)。

終端也可以使用CRSS來獲取CSI。最后，諸如在CRS上執(zhí)行的CQI、RI和PMI之類的終端測量被用作小區(qū)選擇和切換決策的基礎(chǔ)。

UE專用參考信號

DM-RSs或UE專用參考信號僅用于下行鏈路傳輸模式7、8或9，其中CSRs不用于信道估計。DM-RSs 最初是在LTE版本8中引入的，以支持單層。在LTE版本9中，最多支持兩層。在版本10中引入的擴展規(guī)范旨在支持多達(dá)八個同時發(fā)送的參考信號。

當(dāng)僅使用一個DM-RS時，在一對資源塊內(nèi)有12個參考符號。當(dāng)任何給定天線上的資源粒發(fā)送參考信號時，CSR需要在所有其它天線端口上的頻譜零點或未使用的資源粒。這是CSR和DM-Rs之間的主要區(qū)別。當(dāng)兩個DM-RSs用于兩個天線時，所有12個參考符號都在兩個天線端口上傳輸。通過為每對連續(xù)的參考符號生成相互正交的模式來減輕參考信號之間的干擾。

CSI參考信號
CSI-RSs是為我們在四到八個天線之間的情況而設(shè)計的。CSI-RSs首次在LTE版本10中引入。它們被設(shè)計成在LTE傳輸模式9中執(zhí)行與DM- RS的互補功能。在DS-RS支持信道估計功能的同時，CSIRS獲取CSI。為了減少由于在資源網(wǎng)格內(nèi)具有兩種類型的參考信號而導(dǎo)致的開銷，CSI-RS的時間分辨率降低。這使得系統(tǒng)能夠跟蹤信道條件的快速變化，由于CSIRS僅與4-8個MIMO天線配置一起使用，并且這種配置只在低移動性下有效，所以CSI-RS的低時間分辨率不會造成問題。

2.11.1.2 上行參考信號

LTE標(biāo)準(zhǔn)中有兩種上行參考信號：DS-RS和探測參考信號（SRS）。兩個上行鏈路參考信號都是基于ZADOF- CHU序列的。ZADOF- CHU序列也用于產(chǎn)生下行主同步信號（PSSS）和上行鏈路前導(dǎo)碼。不同的UE的參考信號是從基帶序列的不同循環(huán)移位參數(shù)導(dǎo)出的。

解調(diào)參考信號

DM RSS作為上行鏈路資源網(wǎng)格的一部分由UE發(fā)送。基站接收機使用它們來均衡和解調(diào)上行鏈路控制（PUCH）和數(shù)據(jù)（PUSCH）信息。在PUSCH的情況下，當(dāng)使用正常循環(huán)前綴時，DSR信號位于每個0.5ms時隙中的第四OFDM符號上，并且擴展到所有資源塊。在PUCH的情況下，DSR的位置將取決于控制信道的格式。

測深參考信號

SRS在上行鏈路上傳輸，以便使基站能夠估計不同頻率的上行鏈路信道響應(yīng)。這些信道狀態(tài)估計可用于上行鏈路信道相關(guān)調(diào)度。這意味著調(diào)度器可以將用戶數(shù)據(jù)分配到信道響應(yīng)是有利的上行鏈路帶寬的部分。SRS傳輸具有其他應(yīng)用，例如時序估計，當(dāng)下行鏈路和上行鏈路信道是互惠的或相同時的下行鏈路條件控制，如在TDD模式中的情況。

2.11.2 同步信號

除了參考信號外，LTE還定義同步信號。下行同步信號用于各種過程，包括幀邊界的檢測、天線數(shù)量的確定、初始小區(qū)搜索、相鄰小區(qū)搜索和切換。LTE中有兩個同步信號：主同步信號（PSS）和輻同步信號（SSS）。

PSS和SSS都作為位于DC副載波周圍的72個子載波來傳輸。然而，它們在FDD模式中的放置與TDD模式不同。在FDD幀中，它們被定位在彼此相鄰的子幀0和5中。在TDD幀中，它們沒有被緊密地放置在一起。SSS被放置在子幀0和5的最后符號中，PSS被放置在后續(xù)特殊子幀的第一OFDM符號中。

同步信號與PHY單元標(biāo)識相關(guān)。在LTE中定義了504個小區(qū)標(biāo)識，它們被組織成168個組，每個組包含三個唯一的標(biāo)識。PSS攜帶唯一的標(biāo)識0, 1或2，而SSS攜帶組標(biāo)識與值0 - 167。

2.12 下行幀結(jié)構(gòu)

LTE指定兩種下行鏈路幀結(jié)構(gòu)。類型1幀應(yīng)用于FDD部署，類型2幀用于TD部署。每個幀由10個子幀組成，每個子幀以時間-頻率資源網(wǎng)格為特征。我們已經(jīng)確定了資源網(wǎng)格的三個組成部分：用戶數(shù)據(jù)、控制信道和參考和同步信號。現(xiàn)在我們可以解釋在OFDM符號生成和傳輸之前，LTE資源網(wǎng)格在每個子幀中填充時，這些組件如何放置以及放置在哪里。不是一般性的條件下，本書中我們將重點放在FDD幀結(jié)構(gòu)即類型1幀上。

圖2.10顯示了1型無線電幀結(jié)構(gòu)。每個幀的持續(xù)時間為10ms，由10至1毫秒的子幀組成，索引范圍為從0到9。每個子幀被細(xì)分為兩個時隙為0.5毫秒的持續(xù)時間。每個時隙由七或六個OFDM組成，取決于是否使用正常或擴展循環(huán)前綴。DCI被放置在每個子幀的第一時隙內(nèi)。DCI承載PDCCH、PCFICH和PHICH的內(nèi)容，并且它們一起在每個子幀中占據(jù)多達(dá)前三個OFDM符號。這個區(qū)域也稱為L1/L2控制區(qū)域，因為它包含從層2（MAC層）傳輸?shù)綄?（PHY）的信息。

包含MICIB的PBCH位于子幀0內(nèi)，PSS和SSS位于子幀0和5之內(nèi)。PBCH信道和PSS和SSS信號都被放置在以DC副載波為中心的六個資源塊內(nèi)。此外，CSR在每個子幀中的每個資源塊中都以特定的時間和頻率分離模式放置。CSR信號的放置模式取決于MIMO模式和使用的天線數(shù)量，稍后將討論。每個子幀中的其余資源元素被分配給用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

2.13 上行幀結(jié)構(gòu)

上行鏈路子幀結(jié)構(gòu)在某些方面與下行鏈路類似。它由1ms子幀分成兩個0.5 ms時隙組成。每個時隙由七個或六個SC-FDM符號組成，這取決于是否使用正�；驍U展循環(huán)前綴。內(nèi)部頻帶資源塊被保留用于數(shù)據(jù)資源元素（PUSCH），以減少帶外發(fā)射。不同的用戶被分配了不同的資源塊，這一事實確保了同一小區(qū)中的用戶之間的正交性。數(shù)據(jù)傳輸可以在時隙邊界上跳躍以提供頻率分集。然后將控制資源（PUCH）置于載波頻帶的邊緣，具有插槽跳頻，提供頻率分集。數(shù)據(jù)解調(diào)所需的參考信號散布在整個數(shù)據(jù)和控制信道中。圖2.11展示了上行鏈路幀結(jié)構(gòu)。

2.14多入多出

在LTE和LTE-A能夠?qū)崿F(xiàn)高速率，其中一個原因是多入多出技術(shù)即MIMO技術(shù)。LTE標(biāo)準(zhǔn)的完美結(jié)合OFDM和MIMO傳輸技術(shù)。例如，LTE MIMO-OFDM系統(tǒng)。

如前文所述，在每一個天饋的OFDM傳輸技術(shù)構(gòu)建了資源網(wǎng)格，產(chǎn)生了OFDM符號，并傳輸信號。在MIMO-OFDM系統(tǒng)中，這個過程是重復(fù)的多發(fā)射天線。在多個發(fā)射天線上傳輸與多個資源網(wǎng)格相關(guān)聯(lián)的OFDM符號之后，在每個接收天線處組合所有發(fā)射天線的OFDM符號。因此，MIMO接收機的目標(biāo)是分離組合信號，并且基于所接收的資源元素的估計，以解決在每個發(fā)射天線上發(fā)射的每個資源元素。

多天線技術(shù)依賴于由接收機或發(fā)射機處的多個天線結(jié)合高級信號處理進行傳輸。雖然多天線技術(shù)增加了實現(xiàn)技術(shù)的復(fù)雜度，但是它們可以用于實現(xiàn)改進的系統(tǒng)性能，包括改進的系統(tǒng)容量(換言之，每個小區(qū)的用戶更多)，以及改進的覆蓋范圍或在較大小區(qū)上傳輸?shù)目赡苄�。發(fā)射機或接收機處多個天線的可用性可以用不同的方式利用以實現(xiàn)不同的目的。

2.14.1 接收分集（Receive Diversity）

最簡單和最常見的多天線配置是在接收機側(cè)使用多個天線，如圖2.12。這通常被稱為接收分集。在接收分集中使用的最重要的算法稱為最大比合并 MRC。它是在LTE標(biāo)準(zhǔn)中基于單天線傳輸?shù)膫鬏斈Ｊ?使用的。這種模式也稱為SISO（單輸入單輸出），其中僅部署一個接收機天線，或者SIMO（單輸入多輸出），其中使用多個接收天線。在接收機中可以使用兩種類型的組合方法：MRC和選擇合并（SC）[2]。在MRC中，我們組合多個接收信號（通常通過對它們進行平均）以找到發(fā)送信號的最可能估計。在SC中，僅使用具有最高SNR的接收信號來估計發(fā)送信號。

MRC是一個特別好的MIMO技術(shù)時，在衰落信道中的干擾信號，數(shù)量大，所有的信號顯示出平等的優(yōu)勢。因此，MRC在平坦衰落信道上的傳輸效果最好。在實踐中，大多數(shù)的寬帶通道，尤其是LTE系統(tǒng)，都受時間的分散，導(dǎo)致在頻率選擇性衰落信道響應(yīng)。對抗頻率選擇性編碼的影響，我們必須進行線性均衡，以使更有效的應(yīng)該是在頻域中進行。接下來討論了處理這些退化類型的MIMO技術(shù)。

2.14.2 發(fā)射分集

發(fā)射分集利用發(fā)射機側(cè)的多個天線通過在多個天線上發(fā)射相同信號的冗余版本來引入分集。這種MIMO技術(shù)通常被稱為空時分組編碼（STBC）。在STBC調(diào)制中，符號被映射在時間和空間(發(fā)射天線)域中，以捕獲通過使用多個發(fā)射天線提供的分集。

空頻塊編碼（SFBC）是LTE標(biāo)準(zhǔn)中選擇作為發(fā)射分集技術(shù)的一種與STBC密切相關(guān)的技術(shù)。這兩種技術(shù)的主要區(qū)別在于，在SFBC中，編碼是在天線(空間)和頻率域中進行的，而不是像STBC那樣，在天線(空間)和時間域中進行的。SFBC的框圖如圖2.13所示。

在LTE中，第二傳輸模式基于發(fā)射分集。SFBC和頻率切換發(fā)射分集（FSTD）分別用于兩個和四個天線傳輸。傳輸分集無助于提高數(shù)據(jù)速率，它只有助于增強抗信道衰落的魯棒性，并提高鏈路質(zhì)量。其他MIMO模式，特別是空間復(fù)用，直接影響LTE標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)據(jù)速率的提高。

2.14.3空間多路復(fù)用

在空間多路復(fù)用中，完全獨立的數(shù)據(jù)流在每個發(fā)射天線上同時傳輸。使用空間多路復(fù)用使得系統(tǒng)能夠按比例增加其數(shù)據(jù)與發(fā)射天線端口的數(shù)量。同時，在相同的頻率子載波上，在不同的天線上發(fā)送不同的調(diào)制符號。這意味著空間復(fù)用可以直接提高帶寬效率，并導(dǎo)致具有高帶寬利用率的系統(tǒng)。只有當(dāng)不同天線上的傳輸不相關(guān)時，才能實現(xiàn)空間復(fù)用的好處。這就是通信鏈路的多徑衰落特性實際上有助于性能的原因。由于多徑衰落能夠使每個接收天線端口處的接收信號去相關(guān)，因此在多徑衰落信道上傳輸?shù)目臻g復(fù)用實際上可以提高性能。

只有解決描述發(fā)射天線和接收天線之間關(guān)系的線性方程組，才能實現(xiàn)空間復(fù)用的所有好處。圖2.14示出了2×2天線配置的空間復(fù)用。在每個子載波上，符號S1和S2通過兩個發(fā)射天線發(fā)送。在相同的子載波r1和r2處接收的符號可以被認(rèn)為是由信道矩陣H加權(quán)的s1和s2與AWGN(加性白高斯噪聲)n1和n2的相加線性組合的結(jié)果。所得到的MIMO方程可以表示為公式（2-5）。

其中，MIMO信道矩陣H包括發(fā)射天線i和接收天線j的任何組合在每個子載波H i j處的信道頻率響應(yīng)。在任意數(shù)目的發(fā)送和接收天線廣義矩陣表示法中，發(fā)射天線和接收天線之間的關(guān)系變成公式(2-6)。其中，s表示發(fā)射機側(cè)發(fā)射信號的M維向量：s=[s1，s2，...，sM]，并且向量 r 和 n 是表示接收信號和對應(yīng)噪聲信號的N維向量：r=[r1，r2，...，rM]；n=[n1，n2，...，nM]。當(dāng)向量s的所有元素都屬于單個用戶時，該單個用戶的數(shù)據(jù)流被多路復(fù)用到各個天線上。這被稱為單用戶多輸入多輸出（SU-MIMO）系統(tǒng)。當(dāng)不同用戶的數(shù)據(jù)流被多路復(fù)用到不同的天線上時，所得到的系統(tǒng)被稱為多用戶多輸入多輸出(MU-MIMO)系統(tǒng)。SU-MIMO系統(tǒng)顯著增加給定用戶的數(shù)據(jù)速率，MU-MIMO系統(tǒng)增加小區(qū)處理多個呼叫的總?cè)萘俊?/p>

關(guān)于空間復(fù)用系統(tǒng)的操作的最基本的問題之一是相應(yīng)的MIMO方程是否能夠被求解以及它是否具有唯一解。這個問題涉及到相應(yīng)的MIMO信道矩陣的奇點，以及它是否可以反轉(zhuǎn)。當(dāng)許多接收天線上的接收信號相關(guān)時，信道矩陣H可以具有線性相關(guān)的行或列。在這種情況下，所得到的信道矩陣將具有小于其維數(shù)的秩，并且該矩陣將被認(rèn)為是不可逆的。因此，秩估計對于空間復(fù)用是必要的，因為它確定在任何給定信道條件下是否可能執(zhí)行空間復(fù)用操作。矩陣的秩的實際值指示可以成功復(fù)用的發(fā)射天線的最大數(shù)量。在LTE術(shù)語中，秩被稱為MIMO的空間復(fù)用模式中的層的數(shù)目。

在閉環(huán)MIMO操作中，信道矩陣的秩由UE計算并通過上行鏈路控制信道發(fā)送到基站。如果信道被認(rèn)為具有小于滿秩，那么在即將到來的下行鏈路傳輸中，只有較少數(shù)量的獨立數(shù)據(jù)流可以參與空間復(fù)用。這種被稱為秩自適應(yīng)的特征是自適應(yīng)MIMO方案的一部分，并且補充了LTE標(biāo)準(zhǔn)的其他自適應(yīng)特征。

2.14.4 波束賦形

在波束成形中，可以使用多個發(fā)射天線來對整個天線輻射圖案(或波束)進行成形，以便使在移動終端方向上的總天線增益最大化。這種波束形成為下行鏈路MIMO傳輸模式7提供了基礎(chǔ)。

波束成形技術(shù)的使用可導(dǎo)致接收器處的信號功率與發(fā)射天線的數(shù)量成比例地增加。通常，波束形成依賴于使用至少八個天線單元的天線陣列[3]。然后，通過將不同的復(fù)值增益（或者稱為權(quán)重）應(yīng)用于天線陣列的不同元件來實現(xiàn)波束成形。然后，通過向不同天線上的信號施加不同的相移，可以將整個傳輸波束轉(zhuǎn)向不同的方向，如圖2.15所示。

LTE 標(biāo)準(zhǔn)既不制定天線陣列中天線的個數(shù)，也不指定調(diào)整應(yīng)用于每個陣列元素的復(fù)值增益算法。LTE規(guī)范涉及天線端口5，其表示通過使用波束成形技術(shù)創(chuàng)建的虛擬天線端口。在波束形成MIMO模式7中，UE特定參考信號用于信道估計。更高的層要求使用特定特定的參考信號到移動終端。由于在相同的資源塊對上調(diào)度生成相互正交的參考信號，所以不同的UE(移動終端)可以解決其分配的參考信號并將其用于均衡和解調(diào)。

2.14.5 循環(huán)延遲分集（Cyclic Delay Diversity）

循環(huán)延遲分集（CDD）是LTE標(biāo)準(zhǔn)中結(jié)合開環(huán)空間復(fù)用使用的另一種分集形式。CDD將循環(huán)移位應(yīng)用于在不同天線上在任意給定時間發(fā)送的信號的矢量或塊。這是類似于已知預(yù)編碼器的應(yīng)用的效果。因此，CDD非常適合基于塊的傳輸方案，如OFDM和SC-FDM。例如，在OFDM傳輸?shù)那闆r下，時域的循環(huán)移位對應(yīng)于頻域中的頻率相關(guān)相移。由于頻率的相移——即預(yù)編碼器矩陣——是已知的和可預(yù)測的，所以在開環(huán)空間復(fù)用和高移動性場景中使用CDD，其中不需要最佳預(yù)編碼器矩陣的閉環(huán)反饋。應(yīng)用CDD的凈效應(yīng)是由接收機所經(jīng)歷的人工頻率分集的引入。我們可以容易地擴展CDD到多于兩個發(fā)射天線，每個循環(huán)具有不同的循環(huán)移位。

參考文獻(xiàn)

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未完待續(xù)

2018/10/31