2.11 物理信号

在共享物理信道内传输各种物理信号，包括参考信号和同步信号。物理信号映射到PHY所使用的特定资源元素，但不承载来自更高层的信息。接下来给出LTE信号的详细信息。

2.11.1 参考信号

频域中的信道相关调度是LTE标准中最有吸引力的特征之一。例如，为了执行知道实际信道质量的下行链路调度，移动终端必须向基站提供信道状态信息(CSI)。CSI可以通过测量在下行链路上传输的参考信号得到。参考信号由发射机和接收机中的同步序列发生器再生。这些信号被放置在时间-频率网格中的特定资源元素中。LTE指定下行链路和上行链路参考信号的几种类型，它们将在下面描述。

2.11.1.1 下行链路参考信号

下行链路参考信号支持均衡解调控制和数据信息所需的信道估计功能。它们也有助于信道质量反馈所需的CSI测量（如RI、CQI和PMI）。LTE规定了用于下行链路传输的五种参考信号：小区特定参考信号(CSR)、解调参考信号(DM-RS，或者称为UE特定参考信号)、信道状态信息参考信号(CSI-RS)、MBSFN参考信号和定位参考信号。

CSRs对于小区中的所有用户都是通用的，并且在每个下行链路子帧中传输。DM-RSs用于下行链路多用户传输模式7, 8或9。顾名思义，它们是用于在小区中由每个单独的移动终端执行的信道估计。CSI-RSs首次在LTE版本10中引入。它们的主要功能是减轻在使用超过8个天线时使用CSR进行CSI测量相关的密度问题。因此，CSI-RSs的使用限于多用户下行链路传输模式9。在多播/广播业务中采用的相干解调中使用了MbSFN参考信号。最后，在LTE版本9中首先引入的定位参考信号帮助支持多个单元的测量，以便估计给定终端的位置。在这一节中，我们对这里列举的前三种类型的参考信号提供了更详细的说明。

小区专用参考信息（Cell-Specific Reference Signals）

CRS在每个下行链路子帧和频域中的每个资源块中传输，从而覆盖整个小区带宽。在传输模式7、8或9的情况下，对应于非基于码本的预编码，终端可以使用CRS进行信道估计，以便对除PMCH和PDCH之外的任何下行链路物理信道进行相干解调。

终端也可以使用CRSS来获取CSI。最后，诸如在CRS上执行的CQI、RI和PMI之类的终端测量被用作小区选择和切换决策的基础。

UE专用参考信号

DM-RSs或UE专用参考信号仅用于下行链路传输模式7、8或9，其中CSRs不用于信道估计。DM-RSs 最初是在LTE版本8中引入的，以支持单层。在LTE版本9中，最多支持两层。在版本10中引入的扩展规范旨在支持多达八个同时发送的参考信号。

当仅使用一个DM-RS时，在一对资源块内有12个参考符号。当任何给定天线上的资源粒发送参考信号时，CSR需要在所有其它天线端口上的频谱零点或未使用的资源粒。这是CSR和DM-Rs之间的主要区别。当两个DM-RSs用于两个天线时，所有12个参考符号都在两个天线端口上传输。通过为每对连续的参考符号生成相互正交的模式来减轻参考信号之间的干扰。

CSI参考信号
CSI-RSs是为我们在四到八个天线之间的情况而设计的。CSI-RSs首次在LTE版本10中引入。它们被设计成在LTE传输模式9中执行与DM- RS的互补功能。在DS-RS支持信道估计功能的同时，CSIRS获取CSI。为了减少由于在资源网格内具有两种类型的参考信号而导致的开销，CSI-RS的时间分辨率降低。这使得系统能够跟踪信道条件的快速变化，由于CSIRS仅与4-8个MIMO天线配置一起使用，并且这种配置只在低移动性下有效，所以CSI-RS的低时间分辨率不会造成问题。

2.11.1.2 上行参考信号

LTE标准中有两种上行参考信号：DS-RS和探测参考信号（SRS）。两个上行链路参考信号都是基于ZADOF- CHU序列的。ZADOF- CHU序列也用于产生下行主同步信号（PSSS）和上行链路前导码。不同的UE的参考信号是从基带序列的不同循环移位参数导出的。

解调参考信号

DM RSS作为上行链路资源网格的一部分由UE发送。基站接收机使用它们来均衡和解调上行链路控制（PUCH）和数据（PUSCH）信息。在PUSCH的情况下，当使用正常循环前缀时，DSR信号位于每个0.5ms时隙中的第四OFDM符号上，并且扩展到所有资源块。在PUCH的情况下，DSR的位置将取决于控制信道的格式。

测深参考信号

SRS在上行链路上传输，以便使基站能够估计不同频率的上行链路信道响应。这些信道状态估计可用于上行链路信道相关调度。这意味着调度器可以将用户数据分配到信道响应是有利的上行链路带宽的部分。SRS传输具有其他应用，例如时序估计，当下行链路和上行链路信道是互惠的或相同时的下行链路条件控制，如在TDD模式中的情况。

2.11.2 同步信号

除了参考信号外，LTE还定义同步信号。下行同步信号用于各种过程，包括帧边界的检测、天线数量的确定、初始小区搜索、相邻小区搜索和切换。LTE中有两个同步信号：主同步信号（PSS）和辐同步信号（SSS）。

PSS和SSS都作为位于DC副载波周围的72个子载波来传输。然而，它们在FDD模式中的放置与TDD模式不同。在FDD帧中，它们被定位在彼此相邻的子帧0和5中。在TDD帧中，它们没有被紧密地放置在一起。SSS被放置在子帧0和5的最后符号中，PSS被放置在后续特殊子帧的第一OFDM符号中。

同步信号与PHY单元标识相关。在LTE中定义了504个小区标识，它们被组织成168个组，每个组包含三个唯一的标识。PSS携带唯一的标识0, 1或2，而SSS携带组标识与值0 - 167。

2.12 下行帧结构

LTE指定两种下行链路帧结构。类型1帧应用于FDD部署，类型2帧用于TD部署。每个帧由10个子帧组成，每个子帧以时间-频率资源网格为特征。我们已经确定了资源网格的三个组成部分：用户数据、控制信道和参考和同步信号。现在我们可以解释在OFDM符号生成和传输之前，LTE资源网格在每个子帧中填充时，这些组件如何放置以及放置在哪里。不是一般性的条件下，本书中我们将重点放在FDD帧结构即类型1帧上。

图2.10显示了1型无线电帧结构。每个帧的持续时间为10ms，由10至1毫秒的子帧组成，索引范围为从0到9。每个子帧被细分为两个时隙为0.5毫秒的持续时间。每个时隙由七或六个OFDM组成，取决于是否使用正常或扩展循环前缀。DCI被放置在每个子帧的第一时隙内。DCI承载PDCCH、PCFICH和PHICH的内容，并且它们一起在每个子帧中占据多达前三个OFDM符号。这个区域也称为L1/L2控制区域，因为它包含从层2（MAC层）传输到层1（PHY）的信息。

包含MICIB的PBCH位于子帧0内，PSS和SSS位于子帧0和5之内。PBCH信道和PSS和SSS信号都被放置在以DC副载波为中心的六个资源块内。此外，CSR在每个子帧中的每个资源块中都以特定的时间和频率分离模式放置。CSR信号的放置模式取决于MIMO模式和使用的天线数量，稍后将讨论。每个子帧中的其余资源元素被分配给用户业务数据。

2.13 上行帧结构

上行链路子帧结构在某些方面与下行链路类似。它由1ms子帧分成两个0.5 ms时隙组成。每个时隙由七个或六个SC-FDM符号组成，这取决于是否使用正常或扩展循环前缀。内部频带资源块被保留用于数据资源元素（PUSCH），以减少带外发射。不同的用户被分配了不同的资源块，这一事实确保了同一小区中的用户之间的正交性。数据传输可以在时隙边界上跳跃以提供频率分集。然后将控制资源（PUCH）置于载波频带的边缘，具有插槽跳频，提供频率分集。数据解调所需的参考信号散布在整个数据和控制信道中。图2.11展示了上行链路帧结构。

2.14多入多出

在LTE和LTE-A能够实现高速率，其中一个原因是多入多出技术即MIMO技术。LTE标准的完美结合OFDM和MIMO传输技术。例如，LTE MIMO-OFDM系统。

如前文所述，在每一个天馈的OFDM传输技术构建了资源网格，产生了OFDM符号，并传输信号。在MIMO-OFDM系统中，这个过程是重复的多发射天线。在多个发射天线上传输与多个资源网格相关联的OFDM符号之后，在每个接收天线处组合所有发射天线的OFDM符号。因此，MIMO接收机的目标是分离组合信号，并且基于所接收的资源元素的估计，以解决在每个发射天线上发射的每个资源元素。

多天线技术依赖于由接收机或发射机处的多个天线结合高级信号处理进行传输。虽然多天线技术增加了实现技术的复杂度，但是它们可以用于实现改进的系统性能，包括改进的系统容量(换言之，每个小区的用户更多)，以及改进的覆盖范围或在较大小区上传输的可能性。发射机或接收机处多个天线的可用性可以用不同的方式利用以实现不同的目的。

2.14.1 接收分集（Receive Diversity）

最简单和最常见的多天线配置是在接收机侧使用多个天线，如图2.12。这通常被称为接收分集。在接收分集中使用的最重要的算法称为最大比合并 MRC。它是在LTE标准中基于单天线传输的传输模式1使用的。这种模式也称为SISO（单输入单输出），其中仅部署一个接收机天线，或者SIMO（单输入多输出），其中使用多个接收天线。在接收机中可以使用两种类型的组合方法：MRC和选择合并（SC）[2]。在MRC中，我们组合多个接收信号（通常通过对它们进行平均）以找到发送信号的最可能估计。在SC中，仅使用具有最高SNR的接收信号来估计发送信号。

MRC是一个特别好的MIMO技术时，在衰落信道中的干扰信号，数量大，所有的信号显示出平等的优势。因此，MRC在平坦衰落信道上的传输效果最好。在实践中，大多数的宽带通道，尤其是LTE系统，都受时间的分散，导致在频率选择性衰落信道响应。对抗频率选择性编码的影响，我们必须进行线性均衡，以使更有效的应该是在频域中进行。接下来讨论了处理这些退化类型的MIMO技术。

2.14.2 发射分集

发射分集利用发射机侧的多个天线通过在多个天线上发射相同信号的冗余版本来引入分集。这种MIMO技术通常被称为空时分组编码（STBC）。在STBC调制中，符号被映射在时间和空间(发射天线)域中，以捕获通过使用多个发射天线提供的分集。

空频块编码（SFBC）是LTE标准中选择作为发射分集技术的一种与STBC密切相关的技术。这两种技术的主要区别在于，在SFBC中，编码是在天线(空间)和频率域中进行的，而不是像STBC那样，在天线(空间)和时间域中进行的。SFBC的框图如图2.13所示。

在LTE中，第二传输模式基于发射分集。SFBC和频率切换发射分集（FSTD）分别用于两个和四个天线传输。传输分集无助于提高数据速率，它只有助于增强抗信道衰落的鲁棒性，并提高链路质量。其他MIMO模式，特别是空间复用，直接影响LTE标准中数据速率的提高。

2.14.3空间多路复用

在空间多路复用中，完全独立的数据流在每个发射天线上同时传输。使用空间多路复用使得系统能够按比例增加其数据与发射天线端口的数量。同时，在相同的频率子载波上，在不同的天线上发送不同的调制符号。这意味着空间复用可以直接提高带宽效率，并导致具有高带宽利用率的系统。只有当不同天线上的传输不相关时，才能实现空间复用的好处。这就是通信链路的多径衰落特性实际上有助于性能的原因。由于多径衰落能够使每个接收天线端口处的接收信号去相关，因此在多径衰落信道上传输的空间复用实际上可以提高性能。

只有解决描述发射天线和接收天线之间关系的线性方程组，才能实现空间复用的所有好处。图2.14示出了2×2天线配置的空间复用。在每个子载波上，符号S1和S2通过两个发射天线发送。在相同的子载波r1和r2处接收的符号可以被认为是由信道矩阵H加权的s1和s2与AWGN(加性白高斯噪声)n1和n2的相加线性组合的结果。所得到的MIMO方程可以表示为公式（2-5）。

其中，MIMO信道矩阵H包括发射天线i和接收天线j的任何组合在每个子载波H i j处的信道频率响应。在任意数目的发送和接收天线广义矩阵表示法中，发射天线和接收天线之间的关系变成公式(2-6)。其中，s表示发射机侧发射信号的M维向量：s=[s1，s2，...，sM]，并且向量 r 和 n 是表示接收信号和对应噪声信号的N维向量：r=[r1，r2，...，rM]；n=[n1，n2，...，nM]。当向量s的所有元素都属于单个用户时，该单个用户的数据流被多路复用到各个天线上。这被称为单用户多输入多输出（SU-MIMO）系统。当不同用户的数据流被多路复用到不同的天线上时，所得到的系统被称为多用户多输入多输出(MU-MIMO)系统。SU-MIMO系统显著增加给定用户的数据速率，MU-MIMO系统增加小区处理多个呼叫的总容量。

关于空间复用系统的操作的最基本的问题之一是相应的MIMO方程是否能够被求解以及它是否具有唯一解。这个问题涉及到相应的MIMO信道矩阵的奇点，以及它是否可以反转。当许多接收天线上的接收信号相关时，信道矩阵H可以具有线性相关的行或列。在这种情况下，所得到的信道矩阵将具有小于其维数的秩，并且该矩阵将被认为是不可逆的。因此，秩估计对于空间复用是必要的，因为它确定在任何给定信道条件下是否可能执行空间复用操作。矩阵的秩的实际值指示可以成功复用的发射天线的最大数量。在LTE术语中，秩被称为MIMO的空间复用模式中的层的数目。

在闭环MIMO操作中，信道矩阵的秩由UE计算并通过上行链路控制信道发送到基站。如果信道被认为具有小于满秩，那么在即将到来的下行链路传输中，只有较少数量的独立数据流可以参与空间复用。这种被称为秩自适应的特征是自适应MIMO方案的一部分，并且补充了LTE标准的其他自适应特征。

2.14.4 波束赋形

在波束成形中，可以使用多个发射天线来对整个天线辐射图案(或波束)进行成形，以便使在移动终端方向上的总天线增益最大化。这种波束形成为下行链路MIMO传输模式7提供了基础。

波束成形技术的使用可导致接收器处的信号功率与发射天线的数量成比例地增加。通常，波束形成依赖于使用至少八个天线单元的天线阵列[3]。然后，通过将不同的复值增益（或者称为权重）应用于天线阵列的不同元件来实现波束成形。然后，通过向不同天线上的信号施加不同的相移，可以将整个传输波束转向不同的方向，如图2.15所示。

LTE 标准既不制定天线阵列中天线的个数，也不指定调整应用于每个阵列元素的复值增益算法。LTE规范涉及天线端口5，其表示通过使用波束成形技术创建的虚拟天线端口。在波束形成MIMO模式7中，UE特定参考信号用于信道估计。更高的层要求使用特定特定的参考信号到移动终端。由于在相同的资源块对上调度生成相互正交的参考信号，所以不同的UE(移动终端)可以解决其分配的参考信号并将其用于均衡和解调。

2.14.5 循环延迟分集（Cyclic Delay Diversity）

循环延迟分集（CDD）是LTE标准中结合开环空间复用使用的另一种分集形式。CDD将循环移位应用于在不同天线上在任意给定时间发送的信号的矢量或块。这是类似于已知预编码器的应用的效果。因此，CDD非常适合基于块的传输方案，如OFDM和SC-FDM。例如，在OFDM传输的情况下，时域的循环移位对应于频域中的频率相关相移。由于频率的相移——即预编码器矩阵——是已知的和可预测的，所以在开环空间复用和高移动性场景中使用CDD，其中不需要最佳预编码器矩阵的闭环反馈。应用CDD的净效应是由接收机所经历的人工频率分集的引入。我们可以容易地扩展CDD到多于两个发射天线，每个循环具有不同的循环移位。

参考文献

[1] Ghosh, A. and Ratasuk, R. (2011) Essentials of LTE and LTE-A, Cambridge University Press, Cambridge.

[2] Dahlman, E., Parkvall, S. and Sköld, J. (2011) 4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband, Elsevier.

[3] 3GPP (2011) Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA), , Physical Channels and Modulation Version 10.0.0. TS 36.211, January 2011.

[4] C. Lim, T. Yoo, B. Clerckx, B. Lee, B. Shim, Recent trend of multiuser MIMO in LTE-advanced, IEEE Magazine, 51, 3, 127–136, 2013. [5] 3GPP (2011) Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA), Multiplexing and Channel Coding. TS 36.212.

未完待续

2018/10/31