一種基于PHR補(bǔ)償?shù)腟RS信道估計(jì)算法

賈 磊，李連本

(中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)陜西有限公司 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中心，陜西 西安 710077)

第五代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(5th Generation Mobile Networks，5G)將支持更靈活的資源分配方法和更快的無(wú)線速率。時(shí)分雙工技術(shù)(Time Division Duplexing，TDD)和大規(guī)模天線技術(shù)(Massive Multiple Input Multiple Output,Massive-MIMO)是其中比較有效的解決方式。

TDD技術(shù)是一種在上下行鏈路中使用相同的頻率資源，但是在時(shí)域上交替進(jìn)行的雙工方式。其 可以在不成對(duì)的頻段上工作，更容易找到頻段資源，且上下行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸也將更靈活地使用資源[1-2]。在第三代合作伙伴計(jì)劃(3rd Generation Partnership Project，3GPP) 5G NR系統(tǒng)中，使用了動(dòng)態(tài)的上下行子幀配制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在每一幀的傳輸中上下行鏈路均可靈活配制傳輸資源[3-5]。頻率資源分配可以提高頻譜使用效率，進(jìn)而提升了小區(qū)容量，對(duì)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)是很重要的性能指標(biāo)。目前，常用的資源調(diào)度算法有最大吞吐率(Maximum Throughput，MT)和最大加權(quán)延遲(Modified-Largest Weighted Delay First ，M-LWDF)是以最大化吞吐率為目標(biāo)，而公平性(Proportional Fairness，PF)和平均吞吐率(Throughput to Average，TTA)算法則以用戶間的公平性為目標(biāo)[6-7]。這些調(diào)度算法通常使用每個(gè)終端(User Experience,UE)都能達(dá)到的瞬時(shí)數(shù)據(jù)速率作為評(píng)估，而資源塊組(Resource Block Groups，RBGs)在調(diào)度的子幀中完成分配則取決于由UE上報(bào)的信道質(zhì)量指示(Channel Quality Index，CQI)?？紤]信令開(kāi)銷的問(wèn)題，CQI基于整個(gè)頻段的平均信噪比(Signal to Interference Plus Noise Ratio，SINR)計(jì)算，因此，基站側(cè)無(wú)法獲取不同 RBGs調(diào)度之間的信道質(zhì)量狀態(tài)。

對(duì)于Massive-MIMO系統(tǒng)而言，一方面隨著基站天線數(shù)的增多，UE上報(bào)CQI反饋的開(kāi)銷將大幅增長(zhǎng)，另一方面，雖然傳統(tǒng)UE上報(bào)的CQI結(jié)果，其天線間的信道相關(guān)性已足以用于構(gòu)造波束賦形技術(shù)(Beamforming)，但是，路徑損失的估計(jì)以及RBGs間的信道相關(guān)性的準(zhǔn)確性對(duì)于下行調(diào)度是十分重要的結(jié)果。結(jié)合TDD系統(tǒng)的信道互易性[8-9]，Massive-MIMO系統(tǒng)可使用上行探測(cè)參考信號(hào)(Sounding Reference Signal，SRS)進(jìn)行信道估計(jì)，并可估計(jì)出不同子載波或資源塊(Resource Block,RB)資源間的信道相關(guān)性，該信道估計(jì)結(jié)果可以直接應(yīng)用在下行信道估計(jì)[9]中。但是現(xiàn)階段，上行傳輸功率有限，且系統(tǒng)只需確保上行信號(hào)不受鄰區(qū)的干擾即可收到UE發(fā)射的信號(hào)，因此，UE發(fā)射信號(hào)會(huì)受到上行功控的影響，實(shí)際基站(Base Station,BS)側(cè)接收到的SRS信號(hào)并非實(shí)際UE的發(fā)射功率，導(dǎo)致信道估計(jì)結(jié)果存在一定的誤差，影響了系統(tǒng)的資源調(diào)度。為了提升無(wú)線系統(tǒng)的性能，需要為調(diào)度器設(shè)計(jì)一種更精確的信道估計(jì)算法。

針對(duì)上述文獻(xiàn)存在的問(wèn)題，擬提出一種基于發(fā)射功率余量報(bào)告(Power Headroom Report，PHR)和SRS的信道估計(jì)算法，分別用于估計(jì)路徑損耗和信道相關(guān)性。該算法首先基于PHR完成SRS的路徑損耗估計(jì)用以補(bǔ)償上行功控所帶來(lái)的影響，然后利用PHR和SRS制定下行調(diào)度的權(quán)值矩陣。當(dāng)根據(jù)流量需求制定了適當(dāng)?shù)纳舷滦信浔群螅梢圆豢紤]上下行的子幀配比，實(shí)現(xiàn)有效的資源管理，以期提升無(wú)線系統(tǒng)的性能。

1 TD-LTE系統(tǒng)介紹

1.1 幀結(jié)構(gòu)和子幀配制

在TD-LTE系統(tǒng)中，上下行傳輸在同一頻帶交替進(jìn)行，傳輸并不連續(xù)，當(dāng)下行正在傳輸時(shí)，所有上行傳輸都要停止，反之亦然。 因此，上下行傳輸?shù)慕惶媸且粋€(gè)硬切換的過(guò)程，考慮到由此產(chǎn)生的切換延遲，因而在下行子幀(Downlink Subframe，DL)和上行子幀(Uplink Subframe，UL)之間分配一個(gè)保護(hù)間隔。TD-LTE系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 TD-LTE系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)

特殊時(shí)隙(Special Time Slot，STS)分為下行導(dǎo)頻時(shí)隙(Downlink Pilot Time Slot，DwPTS)、保護(hù)時(shí)隙(Guard Period，GP)和上行導(dǎo)頻時(shí)隙(Uplink Pilot Time Slot，UpPTS)等3部分。DwPTS既可以傳輸信令數(shù)據(jù)，也可以傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。GP用于實(shí)現(xiàn)由下行鏈路向上行鏈路的轉(zhuǎn)換，必須大于所有下行傳輸鏈路的時(shí)延和硬切換時(shí)長(zhǎng)，其不同于DwPTS，UpPTS較短，不足于同時(shí)承載控制信令和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，因此，其專門用于SRS傳輸。常規(guī)循環(huán)前綴情況下的特殊時(shí)隙的靈活配制情況[10]如表1所示。

表1 特殊時(shí)隙配制情況

TD-LTE系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)中上下行的轉(zhuǎn)換有5 ms和10 ms兩種周期，共提供了7種不同半靜態(tài)上下行配比方案，包括由4∶6到1∶9等不同類型，如表2所示。BS可以根據(jù)流量需要選取合適的子幀配比。在現(xiàn)網(wǎng)中，所有小區(qū)的上下行配比方案是一致的，而UE必須知道上下行配比才能用于確定關(guān)鍵的控制信道的位置以及混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳(Hybrid Automatic Repeat Request，HARQ)的定時(shí)時(shí)間。

表2 TD-LTE系統(tǒng)上下行子幀配比情況

1.2 上行信道狀態(tài)的反饋

在LTE/LTE-A系統(tǒng)中，UE會(huì)反饋CQI用于表示下行信道可支持的最大數(shù)據(jù)速率。LTE系統(tǒng)會(huì)利用CQI的值作為下行調(diào)度和鏈路自適應(yīng)?；緜?cè)將基于CQI的值選擇合適的調(diào)制和編碼方案(Modulation and Coding Scheme，MCS)，在一定的誤塊率(Block Error Ratio，BLER)目標(biāo)下最大限度地提高吞吐量。CQI共有4 bits，是由用戶側(cè)使用下行參考信號(hào)(Reference Signal ，RS)所測(cè)量的信噪比(Signal to Interference Plus Noise Ratio，SINR)所決定。UE通過(guò)映射表確定SINR與CQI的映射關(guān)系，通過(guò)物理上行控制信道(Physical Uplink Control Channel，PUCCH)或物理上行共享信道(Physical Uplink Shared Channel，PUSCH)上報(bào)結(jié)果。

信道質(zhì)量估計(jì)共分兩種[11]。一是寬帶估計(jì)，整個(gè)帶寬的情況決定了單一CQI值，另一個(gè)是子帶估計(jì)，CQI取決于系統(tǒng)帶寬的每個(gè)子帶寬部分。CQI報(bào)告確定了信道質(zhì)量估計(jì)的分辨率和信令開(kāi)銷之間的平衡,而在現(xiàn)網(wǎng)中全部使用的是寬帶估計(jì)CQI結(jié)果。因此，基于CQI的信道估計(jì)精度不足以反映信道狀態(tài)。

2 基于PHR和SRS的調(diào)度算法

針對(duì)CQI信道估計(jì)精度不足的情況，提出了基于PHR的路徑損耗估計(jì)方法，進(jìn)而利用SRS和PHR完成下行鏈路的調(diào)度權(quán)值矩陣的計(jì)算，其特征是不需UE反饋，同時(shí)補(bǔ)償了上行功控的影響。

2.1 基于SRS的下行信道估計(jì)

結(jié)合TDD系統(tǒng)的上下行信道互易性，可以利用上行信道預(yù)測(cè)下行信道而不需要CQI等反饋信息，因此，基于SRS可有效地完成下行信道的估計(jì)。

在LTE/LTE-A系統(tǒng)中，小區(qū)的SRS配置是固定的，在頻域上，SRS必須和調(diào)度資源傳輸?shù)念l帶相同，通過(guò)全頻帶的SRS傳輸，可以利用單個(gè)SRS傳輸探測(cè)整個(gè)頻帶[12]。使用上行SRS的信道估計(jì)可以在不同頻率選擇性和/或時(shí)間選擇性衰落信道中獲得比使用CQI的傳統(tǒng)方法更高的精度[13]。

上行鏈路的功率控制會(huì)補(bǔ)償BS側(cè)的路徑損耗。因此，提出了一種利用SRS的下行信道估計(jì)算法，該算法并不直接應(yīng)用于下行鏈路的調(diào)度，由于在功控的SRS中，RBGs之間的相對(duì)信道狀態(tài)信息是確定的，絕對(duì)路徑損耗或絕對(duì)的信道狀態(tài)是未知的，所提算法利用PHR實(shí)現(xiàn)了功控下的SRS的路徑損耗估計(jì)[14]。

首先，在估計(jì)BS側(cè)的SRS路徑損耗之前，先介紹UE側(cè)的SRS和PHR是如何傳送給BS的。

步驟1上行發(fā)射機(jī)的功率控制給所需的信號(hào)提供適當(dāng)?shù)膫鬏敼β?，以達(dá)到必要的質(zhì)量。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，UE必須適應(yīng)包括路徑損失在內(nèi)的無(wú)線電傳播信道條件，這是根據(jù)所接收的參考信號(hào)電平(Reference Signal Receiving Power，RSRP)計(jì)算的。

步驟2LTE系統(tǒng)的上行功率控制是開(kāi)環(huán)機(jī)制，其UE的發(fā)射功率取決于下行路徑損耗的估計(jì)，而閉環(huán)功控則是基站側(cè)根據(jù)下行控制信令顯示的平均功率需求調(diào)節(jié)UE發(fā)射功率[15]，整體流程如圖2所示。

圖2 整體流程

SRS發(fā)射功率與PUSCH傳輸功率相當(dāng)，采用的是開(kāi)環(huán)功控機(jī)制。因此，SRS傳輸?shù)墓β士刂频谋磉_(dá)式為

PS=min[PC,Po+αLD+10 log10(MS)+PF+σ]

(1)

其中：PC是UE側(cè)子載波的最大發(fā)射功率；Po是每個(gè)資源塊(Resource Block， RB)的功率；α為路徑損耗因子，取值為 (0, 1]；LD是下行路徑損耗；MS是SRS信號(hào)的傳輸資源塊的數(shù)量；PF和σ都是功控的調(diào)整量，受上行功控策略影響，可近似為固定值，包含在上行調(diào)度信息中。

步驟3功率發(fā)射余量(Power Headroom，PH)由UE發(fā)送給BS，表示UE功率的剩余量，可表示為

HR=PC+[Po+αLD+10 log10(MS)+PF+σ]

(2)

表3 發(fā)射功率余量報(bào)告PHR的映射關(guān)系

(3)

估算的路徑損耗為

(4)

(5)

式(4)和式(5)中的變量均可由BS側(cè)獲取。

步驟2當(dāng)SRS在整個(gè)頻帶內(nèi)完成傳輸后，BS就可以計(jì)算出每一個(gè)子載波的SINR，其表達(dá)式為

(6)

步驟3通過(guò)步驟2，BS計(jì)算得到了補(bǔ)償?shù)腟INR，并依此選擇所映射的CQI值。CQI的映射方法主要有指數(shù)有效信噪比映射(Exponential Efficient SINR Mapping，EESM)和交互信息有效信噪比映射(Mutual Information Effective SINR Mapping， MIESM)等[16]。資源的分配以RBG為基礎(chǔ)，而每個(gè)RBG的CQI將用來(lái)計(jì)算調(diào)度的權(quán)值，因此每個(gè)用戶的下行調(diào)度都是以每個(gè)RBG的權(quán)值為準(zhǔn)，進(jìn)而可以計(jì)算每個(gè)用戶的瞬時(shí)速率。

2.2 信道估計(jì)算法

需要解決的是如何將提到的信道估計(jì)算法應(yīng)用到比例公平調(diào)度(Proportional Fairness Scheduling，PFS )算法中。根據(jù)以上描述，BS已經(jīng)獲到了各個(gè)RBG對(duì)應(yīng)的CQI值，如系統(tǒng)帶寬是10 MHz，包括17個(gè)RBGs，那么BS應(yīng)該有17個(gè)CQI值。

(7)

(8)

(9)

可得瞬時(shí)速率的表達(dá)式為

(10)

3 仿真結(jié)果

為了評(píng)估所提算法的性能，使用系統(tǒng)級(jí)仿真分析方法，主要考慮了吞吐率和公平性兩方面因素。其中，仿真參數(shù)設(shè)置如表4所示。

表4 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真中用戶隨機(jī)分布在同一個(gè)小區(qū)，共享相應(yīng)的資源，而資源以RBG為單元分配給UE，并且傳輸支持自動(dòng)混控制(Automatic Mixture Control ，AMC)和HARQ。如果傳輸后的計(jì)算值大于目標(biāo)值，則將所分配的RBG指示、接收時(shí)間、MCS級(jí)別和有效SINR等信息都存儲(chǔ)在循環(huán)緩沖區(qū)中進(jìn)行HARQ，并在HARQ往返時(shí)間(Round Trip Time，RTT)后重新傳輸緩沖區(qū)中的信息。仿真使用多路HARQ復(fù)用技術(shù)，每個(gè)傳輸塊獨(dú)立確認(rèn)并反饋給基站，這樣當(dāng)收到否定反饋(Negative ACKnowledgement，NACK)后即可進(jìn)行獨(dú)立重傳。此外，分別仿真了TDD的配制1、2、6等3種情況，其上下行子幀配比分別是6∶4，8∶2，5∶5，每個(gè)用戶會(huì)以10 ms為周期發(fā)送整個(gè)頻段的SRS，而PHR和CQI的反饋周期分別設(shè)定為100 ms和20 ms。

兩種算法下的吞吐率情況如圖3所示。從圖3中可看出，在不同的上下行子幀配比下，所提算法的吞吐量均高于傳統(tǒng)算法。特別是下行子幀配制較高的情況下，吞吐率更高，所提算法比傳統(tǒng)方法可獲得更精準(zhǔn)的信道估計(jì)的結(jié)果，也使得資源的分配更加精準(zhǔn)。

圖3 不同調(diào)度算法下的系統(tǒng)吞吐率對(duì)比

為了考察系統(tǒng)的公平性，引入Jain公平指數(shù)(Jain Fairness Index)[17]，定義為

(11)

兩種算法下的公平性情況如圖4所示。從圖4中可以看出，所提算法較傳統(tǒng)算法，公平性較差，這是由于所提的算法在系統(tǒng)吞吐率和公平性之間取得了折中。傳統(tǒng)算法利用用戶反饋的所有RGBs信道狀態(tài)的平均值，而所提算法則計(jì)算了每一個(gè)RBG的調(diào)度權(quán)值，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行資源分配。這些權(quán)值也正是每個(gè)RBG的傳輸優(yōu)先級(jí)，因此信道質(zhì)量好的用戶將分配到更多的資源，有效地提升了系統(tǒng)吞吐率。

圖4 不同調(diào)度算法下的公平指數(shù)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)基于CQI反饋的調(diào)度算法無(wú)法充分反映每個(gè)RBG的信道狀態(tài)，針對(duì)TDD系統(tǒng)的信道互易性，提出了一種基于PHR的精準(zhǔn)信道估計(jì)算法，所提算法引入了PHR估計(jì)SRS的路徑損耗，進(jìn)而能夠精準(zhǔn)地預(yù)估下行信道狀態(tài)。仿真結(jié)果表明，在不同的TDD上下行配比下，該算法的系統(tǒng)吞吐量均優(yōu)于傳統(tǒng)算法，但公平性有部分犧牲。

所提算法通過(guò)更精細(xì)的信道估計(jì)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)為高質(zhì)量信道用戶分配了更多的資源，但是犧牲了公平性。無(wú)論TDD系統(tǒng)的上下行配制如何，所提算法的性能更優(yōu)，因此當(dāng)基于流量需求確定了幀配制后，該算法可作為更有效的時(shí)頻資源調(diào)度的方法，后續(xù)重點(diǎn)研究所提算法在Massive-MIMO系統(tǒng)中的應(yīng)用。