（通信与信息系统专业论文）基于mbms的跨层设计.pdf

博士后研究工作报告 摘要 多媒体广播多播业务( m b m s ：m u l t i m e d i ab r o a d c a s t m u l t i c a s ts e r v i c e ) 在 3 g p pr e l 6 7 8 中均已被定义。对于m b m s ，目前主要定义了两种传输方式。一 种是多小区方式，另一种即单小区传输方式。本文重点研究两种传输方式下，与 m b m s 跨层设计相关的各种技术问题。 论文首先讨论了m b m s 多小区传输方式下，当基站多根发射天线时，参考信号 ( r s ：r e f e r e n c es i g n a l ) 模板设计的问题。由于3 g p pl t e ( l o n gt e r m e v o l u t i o n ) 中，m b m s 多小区传输方式下，在无线接入层( a s ：a c c e s s s t r a t u m ) 还没有定义相应的上行信令反馈机制，因此，设计合适的跨层机制就很 困难。本文选择了物理层中较为关键的技术研究点，即参考信号模板设计来进行研 究。作为研究的基础，首先将证明系统配置多根发射天线的必要性。接着，结合目 前这方面的研究现状、相应的设计准则及3 g p pl t e 中m b m s 子帧内最多前3 个 o f d m 符号用于传输下行控制信令的要求，设计给出了6 种可能的参考信号模 板。最后，链路级仿真结果将验证，p a t t e r n a 、p a t t e r n c 和p a t t e r n e ，从平均 信噪比( s n r - s i g n a ln o i s er a t i o ) 损失与吞吐率增益对比角度，将获得更优性 能。故此，推荐上述三种模板作为可能的多发天线下参考信号模板。 对于m b m s 单小区传输方式，当前3 g p pl t e 中在a s 存在可能的上行反馈信 令，立a c k n a c k ( ( n e g a t i v e ) a c k n o w l e d g e m e n t ) 、c q i ( c h a n n e lq u a l i t y i n d i c a t o r ) 和m l m o 相关等信息。由此，可在无线接入层，特别是通过媒体接入 控制子层( m a c ：m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 与物理层( p h y ：p h y s i c a ll a y e r ) 的 跨层机制设计，提高用户接收性能，改善系统使用各种无线资源的效率。 论文从两个方面进行了考虑。首先，现有基于n a c k 反馈的h a r q ( h y b r i d a r q ) 重传方案，当被服务用户数较大，如某些热点场所或室内体育馆等，存在 上行反馈信令负载过大的问题。为有效改善该方案，提出了一种基于双门限机制的 条件上行h a r q 重传方案。系统级仿真结果将验证，改进方案一方面，有效降低 了上行反馈信令负载，另一方面，降低重传概率的同时提高了系统吞吐率。其次， 借助可能的上行m l m o 相关反馈信令，提出了各种可能的用于m b m s 单小区方式 下的波束成型( b f ：b e a m f o r m i n g ) 方案。现有波束成型方案基本都基于最大最 小( m a x - m i n ) 准则设计。基于m a x m i n ，由于波束定向，最差用户接收性能被很 大程度提高的同时却牺牲了其他用户的接收性能。由此，论文试图从各个可能的方 面改善现有算法的缺点。结合h a r q ，提出了一种混合波束成型方案。系统级仿 真结果将验证，上行控制信令负载降低3 0 左右的同时，在9 0 覆盖工作点附近 的s l n r ( s i g n a li n t e r f e r e n c en o i s er a t i o ) 获得了4 5 d b 左右的增益。受m u m i m o ( m u l t i u s e rm l m o ) 启发，提出了一种基于用户分组的合成波束成型方 案。结合专用参考信号设计( d e d i c a t e dr s ) ，该方案完全开环，即对现有接口 信令无任何影响。系统级仿真结果将验证，该方案s i n r 始终优于开环发射分集与 基于m a x m i n 的波束成型方案。将已有基于固定波束族( g o b ：g r i d o f - b e a m s ) 的波束成型方案推广至m b m s ，提出了两种可能的用于m b m s 的波束成型方案。 文中，将该方案与基于d o a ( d i r e c t i o n - o f - a r r i v a l ) 的方案进行了全面对比，阐述 3 博士后研究工作报告 了各自优缺点。随着3 g p pl t e 演进至l t e a ( l t e - a d v a n c e d ) ，各种大天线数 配置及更小基站间距将成为可能。因此，对波束成型与m i m o 的结合进行了研 究，提出了一种可能的方案。系统级仿真结果也将验证该方案性能。 关键词：多媒体广播多播业务跨层设计多小区单小区参考信号 混合重 传波束成型 波达角多发多收 4 博士后研究工作报告 a b s t r a c t o n eo ft h ek e yf e a t u r e sf o r3 g p pr e l 6 7 8i sm u l t i m e d i ab r o a d c a s t m u l t i c a s t s e r v i c e ( m b m s ) w h i c hi st y p i c a l l yd e p l o y e db yt w os c e n a r i o s ，i e ，s i n g l e c e l la n d m u l t i p l ec e l l sp - t - mt r a n s m i s s i o n i n t h i s p a p e r , s o m er e l e v a n tc r o s s l a y e r m e c h a n i s m sh a v e b e e ni n v e s t i g a t e du n d e rb o t hc e l lc o n f i g u r a t i o n s r e f e f e n c es i g n a l ( r s ) p a t t e r nd e s i g ni sf i r s t l yi n v e s t i g a t e df o rm u l t i p l ec e l l s m b m st r a n s m i s s i o nw h e ne v o l v e dn o d e b ( e - n b ) i sd e p l o y e dm u l t i p l ea n t e n n a s i t sd i f f i c u l tt od e s i g nc o r r e s p o n d i n gc r o s s l a y e rm e c h a n i s m sf o rm b m sm u l t i p l e c e l l st r a n s m i s s i o nd u et ot h ei n e x i s t e n c eo fu p l i n k ( u l ) s i g n a l i n gf e e d b a c ko v e r a c c e s ss t r a t u m ( a s ) a sar e s u l t ，t h er sp a t t e r nd e s i g ni ss e l e c t e df o ro u r r e s e a r c ha i m a sab a s i s 。t h en e c e s s a r yt od e p l o ym u l t i p l ea n t e n n a sa te - n bi s f i r s t l yv a l i d a t e d 1 ns u c c e s s i o n 。b a s e do nt h ec u r r e n ts t a t eo nr sd e s i g n ，d e s i g n r u l e sa n dt h er e q u i r e m e n t si n3 g p pi o n gt e r me v o l u t i o n ( l t e ) t h a tt h ef i r s t3a t m o s to f d ms y m b o l sc o u l db eu s e df o rd o w n l i n k ( d l ) c o n t r o ic h a n n e i i nm b m s s u b f r a m e s ，2p o s s i b l er e s p e c t i v e l y , i nt o t a i6r sp a t t e r n s ，a r ep r o p o s e d 。f i n a l l y , i tw i l lb ev e r i f i e d 仟0 mi i n k 1 e v e is i m u l a t i o n st h a tp a t t e r n - a p a t t e m ca n dp a t t e m - ea r eb e t t e rt h a no t h e rp a t t e r n sf r o mc o m p a r i s o n so fa v e r a g es i g n a ln o i s er a t i o ( s n r ) i o s sa n ds y s t e mt h r o u g h p u tg a i np o i n to fv i e w t h e r e f o r e ，t h o s et h r e er s p a t t e r n a r er e c o m m e n d e df o rt h ec a n d i d a t e sf o rm b m sm u l t i p l ec e l l s t r a n s m i s s i o nw i t hm u l t i p l ea n t e n n a sa te - n b t h ep o s s i b l eu ls i g n a l i n gi n c l u d e s ( n e g a t i v e ) a c k n o w l e d g e m e n t ( ( n ) a c k ) ， c h a n n e iq u a l i t yi n d i c a t o r ( c q i ) a n dmim 0r e l a t e de t c i n3 g p pl t ef o rs i n g l e - c e l l m b m so v e ra s t h e r e b y , s o m ec r o s s - l a y e rm e c h a n i s m s ，e g ，t h r o u g ht h e c o o p e r a t i o no fm e d i u ma c c e s sc o n t r o i ( m a c ) a n dp h y s i c a ll a y e r ( p h y ) c o u l db e d e s i g n e d t o i m p r o v eu s e r s r e c e i v i n gp e r f o r m a n c ea n du s a g ee f f i c i e n c y o f v a r i o u sr a d i or e s o u r c e s i nt h i sp a p e r , c r o s s 1 a y e rm e c h a n i s m sf o rs i n g l e - c e l lm b m sa r ee m e r g e df r o n n t h ef o l l o w i n gt w oa s p e c t s f i r s t l y , t h eu lf e e d b a c ks i g n a l i n gi so v e r l o a d e d ， e s p e c i a l l yu n d e rs o m eh o ts p o t ，e g ，i n d o o rs t a d i u m ，f o rt h ee x i s t i n gh y b r i da r q ( h a r q ) f e - t r a n s m i s s i o nb a s e do nn a c kf e e d b a c k i no r d e rt oo v e r c o m et h i s p r o b l e m ac o n d i t i o n a ih a r qr e - t r a n s m i s s i o ns c h e m eb a s e do nt h ep r e - d e t e r m i n e dd u a it h r e s h o l d si sp r o p o s e d i tw i l lb ev e r i f i e df r o ms y s t e m l e v e l s i m u l a t i o n st h a to nt h eo n eh a n d t h eu lf e e d b a c ks i g n a l i n go v e r h e a di sl a r g e l y d e c r e a s e d ，o nt h eo t h e rh a n d ，t h es y s t e mt h r o u g h p u ti se 怖c i e n t l yi m p r o v e dd u e t ot h ed e c r e a s eo fr e - t r a n s m i s s i o np r o b a b i l i t y s e c o n d l y , v a r i o u sp o s s i b l yb e a m - f o r m i n q ( b f ) s c h e m e sf o rs i n g l e c e l im b m sa r ep r o p o s e db a s e do nt h ep o s s i b l e u lm i m or e l a t e ds i g n a l i n gf e e d b a c k t h ea l ie x i t i n gb fs c h e m e sa r ed e s i g n e d b a s e do nm a x m i np r i n c i p l e s t h u st h ew o r s t - c a s eu s e r sr e c e i v i n gp e r f o r m a n c e i sl a r g e l yi m p r o v e da tt h ec o s to fo t h e ru s e r s r e c e i v i n gp e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r , v a r i o u sk i n d so fb fa l g o r i t h m sh a v eb e e np r e s e n t e di no r d e rt oo v e r c o m et h e a b o v ed r a w b a c k s c o m b i n e dw i t hh a r q 。ah y b r i ds c h e m ei sp r o p o s e d i tw i l ib e v e r i f i e df r o ms y s t e m - l e v e ls i m u l a t i o n st h a tt h e4 5 d bo rs os i g n a li n t e r f e r e n c e n o i s er a t i o ( s i n r ) g a i nw i l ib eo b t a i n e da t9 0 c o v e r a g eo p e r a t i o np o i n ta n da t t h es a m et i m e 。t h eu ls i g n a l i n go v e r h e a di sd e c r e a s e da l m o s tb y3 0 5 博士后研究工作报告 i i l u m i n a t e db ym u - m i m o ac o m p o s i t eb fs c h e m eb a s e do nu s e rg r o u p i n ga te n bi sp r o p o s e d i nv i r t u e o fd e d i c a t e dr s 。t h i ss c h e m ei sp u r eo p e n l o o pa n d t h u sh a sn o ta n yi m p a c to nt h ec u r r e n t3 g p ps p e c i f i c a t i o n i tw i l lb ev e r i f i e df r o m s y s t e m 1 e v e is i m u l a t i o n st h a tt h i ss c h e m ea l w a y so u t p e r f o r mo p e n - l o o pt r a n s m i t d i v e r s i t yb a s e da n dm a x - m i nb f t h ee x i s t i n gb fb a s e do ng r i d - o f - b e a m s ( g o b ) i se x t e n d e dt os i n g l e c e l lm b m s t w op o s s i b l eb fs c h e m e sa r ep r o p o s e d t h e b o t hs c h e m e sa r ec o m p a r e dw i t hd i r e c t i o n - o f - a r r i v a i ( d o a ) b a s e dc o m p l e t e l y f r o mt h ei m p a c t so nd l u ls i g n a l i n g d o ae s t i m a t i o ne t c w i t ht h ee v o l u t i o nf r o m 3 g p pl t et ol t e - a d v a n c e d ( l t e - a ) 。i t sm o r ep o s s i b l ef o rs m a l l e ri n t e r - s i t e - d i s t a n c e ( i s d ) a n di a r g e rt r a n s m i ta n t e n n an u m b e ra te n b ，t h e r e f o r e ，t h e c o m b i n a t i o no fb fw i t hm i m oi sa l s oi n v e s t i g a t e dj nt h i sp a p e ra n dap o s s i b l e s c h e m ei sp r o p o s e d f i n a l l y , t h ep e r f o r m a n c ei sv e r i f i e dt h r o u g hs y s t e m l e v e i s i m u l a t i o n s k e yw o r d s ：m b m sc r o s s - - l a y e rm u l t i p l ec e l l ss i n g l e - c e l l r sh a r qb e a m - - f o r m i n g d o am i m o 6 博士后研究工作报告 1 概论 1 1 课题研究背景及意义 1 m b m s 业务概念的提出 目前，手机电视的实现方式主要有三种。第一种是基于移动运营商网络的多媒 体广播多播业务，即m b m s ( m u l t i m e d i ab r o a d c a s tm u l t i c a s ts e r v i c e ) 技术。第 二种是基于卫星广播的方式接收电视信号，如d m b s 系统。第三种是基于地面电 视广播系统接收电视信号，如d v b h 。另外，由高通推出的m e d i a f l o 同样也倍 受关注。第一种方式多被移动运营商采用，旨在提升现有2 5 g 和3 g 网络上的单 播数据流技术，而且m b m s 现已被写入3 g p p 的r 6 7 8 版本中。该技术通过移 动通信网络将同样的业务传送给多个接收用户，同时m b m s 也支持交互性，用户 能够按需进行定制，不同格式的内容可以在网络中的不同区域进行广播。m b m s 的推出将进一步增强运营商满足未来需求的实力，比如在移动网络中的每一个分区 内为不限量的移动电视用户提供服务。目前，虽然人们还没有找到公认的成功的手 机电视商业模式，但对于m b m s 来说，多播技术的运用，其价值毋庸置疑。基于 移动通信网络借助多播技术实现手机电视业务，一则运营商不需建设全新网络来提 供手机电视服务，二则多播技术的运用可节约系统无线频谱资源。但与后两种技术 相比，m b m s 技术当前也面临着巨大挑战，特别是容量方面。另据了解，爱立信 已经在实验室完成了对3 g 手机接收m b m s 信号的技术测试。北电等众多公司也 在致力于帮助3 g 运营商将m b m s 集成到其现有的3 g 网络中。 2 跨层设计概念的提出 关于跨层设计的定义，现有文献给出了诸多定义。一种被大多学者普遍认同的 定义如下【。针对o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 独立分层的参考协议结 构，打破这种分层结构的协议设计即为跨层设计。该定义包括如下几个要点。其 一，所谓的打破分层结构是指，定义新的层间接口，各层边界的重新定义，基于其 他各层的某层协议设计，联合各层的参数调整等。其二，跨层设计被定义为一种协 议设计方法，通常采用这种方法设计的协议也可称为跨层设计。 跨层设计为什么必需? 主要基于如下几个原因。其一，不同于有线传输，无线 信道具有独特的时频双选择性衰落特性。其二，由于静态、独立、分层的协议结 构，o s i 协议栈能很好适配有线网络，但却不能动态适配无线网络。其三，设计协 议栈时没有充分考虑被传输业务的特点，同时，特别是多媒体业务在进行诸如压缩 解压、编码解码、调制解调等操作时也未联合考虑各层提供的资源管理调度、错误 保护机制等相应策略。其四，为了提供端到端令人满意的q o s ( q u a l i t y - o f - s e r v i c e ) ，如何高效的利用系统有限资源，如功率、频谱等；设计跨层交互机制 从而优化系统或许是一种比较好的选择。国际上，无线网络跨层优化的设计思想被 提出并已经研究了一段时间，但仍处在完善阶段【1 - 5 。跨层优化设计的方法已经在 学术界获得广泛认同，同时工业界也一致认为这一技术是大势所趋。相关的研究成 果正在陆续发表中，有些已经被国际标准化组织所采纳。 9 博士后研究工作报告 对于跨层设计机制，一个重要方面即信令交互，即信令在协议栈的各个层次进 行自上而下或自下而上的传输。文献降5 j 分析给出了各种可能的信令跨层交互机制 及潜在的好处。具体机制大致可分为两类。第一类即自上向下的信令传输。如链路 层可基于应用层的各种用户q o s 需求适配相应的错误保护机制；t c p 层基于用户 定义的业务优先级增大高优先级业务的接收窗等。第二类即自下向上的信令传输。 如应用层基于t c p 层丢包率信息调整包的发送速率等。各种具体的跨层设计机制 可参看文献 4 - 5 。关于跨层机制设计框架，文献卜剐提出了d m e ( d e v i c e m a n a g e m e n te n t i t y ) 的概念。一方面，d m e 为用户设备的控制实体，另一方 面，为协议栈各层共有的服务实体。文献【i 】提出了三种框架，基于层间的直接通 信，基于公用数据库共享的跨层设计，基于新的抽象实体设计的跨层设计。而文献 网给出了基于应用层、链路层及物理层三层结构的跨层设计机制及实现框架。 3 基于m b m s 业务的跨层设计 3 1 ) 目前研究现状 针对m b m s 业务的跨层设计，鲜有相关文献及报道见诸报端。国外虽然有些涉 及“跨层优化 的专利，但都是针对个别的相关措施进行保护，还没有针对 m b m s 的相关专利。而国内，目前也有四份专利涉及“跨层优化设计”，但同样 都是针对个别的相关措施进行保护，没有针对m b m s 的相关专利，更无针对 m b m s 的信令交互传输及处理机制的相关专利。 3 2 ) 二者结合研究的必要性及意义 首先看看二者结合研究的必要性。上面介绍的各种跨层设计机制常被用于单播 业务。相对于单播，m b m s 主要体现出如下两个不同点。其一，m b m s 通常采用 广播组播( b c ，m c ：b r o a d c a s t m u l t i c a s t ) 方式且通常均为点对多点操作。其二， 对于单播点对点操作，比较容易利用上行空口反馈信令，采用诸如h a r q ( h y b r i da r q ) 、闭环m i m o 等增强技术，来提高小区覆盖与增大系统容量。而 对于m b m s ，通常以改善最差用户接收性能为目标，因此，如何有效控制大量用 户上行反馈信令负载、采取何种闭环策略等方面均体现出不同。目前3 g p pl t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 中，关于m b m s ，定义了多小区与单小区两种传输方式 1 7 j 。对于多小区，可配置专用载频或采取与单播业务时分复用( t d m ：t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 的方式进行传输。两种配置方式中，通常采用单频网 ( s f n ：s i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k ) 的操作方式进行传输。多小区方式下，目前 在无线接入层( a s ：a c c e s ss t r a t u m ) 还没定义上行信令反馈机制。对于单小 区，常采取与单播业务t d m 的方式。同时3 g p pl t e 中在a s 定义了可能的上行 反馈信令，如a c k n a c k ( ( n e g a t i v e ) a c k n o w l e d g e m e n t ) 、c q i ( c h a n n e l q u a l i t yi n d i c a t o r ) 与m l m o 相关等信令。因此，可在无线接入层，特别是通过媒 体接入控制子层( m a c ：m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 与物理层( p h y ：p h y s i c a l l a y e r ) 的协作，设计跨层机制。首先，试图提高最差用户接收性能，改善小区边 界用户服务质量，从而提高小区覆盖。这点尤为重要，相对于单播来说，单小区 m b m s 传输与之有相同的小区半径、发射功率等系统配置参数，但由于点对多点 特性，单小区广播的小区覆盖范围与小区边界用户接收性能均有差距。其次，可通 1 0 博士后研究工作报告 过跨层机制的设计改善系统频谱效率，力争做到性能、效率的良好折中。最后，通 过协议栈不同层次，如m a c 与p h y 的良好协作，从而使系统更好适配无线信 道，从而满足广播多播业务的q o s 需求。 其次看看二者结合研究的具体意义。 结合当前3 g p pl t e 中关于m b m s 的小区配置及点对多点操作方式，设计有 效的跨层机制，其研究意义主要概括为如下几个方面： 4 这方面研究目前仍处于起步阶段，因此无论对于学术研究还是公司产品 实现都具有一定的现实指导意义。 可对公司现有产品概念及潜在的未来产品概念提供技术支持。 1 2 论文主要研究内容及创新 本文主要研究内容及创新如图1 所示，大致可以用三个章节来概括。 一、多小区传输方式 ：特点： ：1 专用载频或与单播业务 ： t d m 方式； ：2 s f n 操作 ：3 a s 无反馈 一 二、单小区传输方式 特点： 1 与单播业务t d m 方式 ：2 点对多点 ：3 a s 有反馈 创新体现( 第三章) ： 设计给出了几种多发天线下 参考信号模板 创新体现( 第四章) ： 提出了一种基于双门限机制 的条件上行i - i a r q 重传方案 创新体现( 第五章各种可能的波束成型方案) ： 方案一：混合波束成型方案 方案二：基于用户分组的合成波束成型方案 方案三：两种可能的基于g o b 的波束成型方案 方案四：波束成型与m i m o 的结合研究 图1 本文主要研究内容及创新示意图 对于m b m s 多小区传输方式，由于目前3 g p pl t e 中在a s 还没有定义上行信 令反馈机制，因此，设计合适的跨层机制就很困难。本文选择了物理层中较为关键 的技术研究点，即参考信号模板来进行研究，设计给出了几种多天线系统下参考信 号模板。这部分内容在第三章中给以描述。 博士后研究工作报告 对于m b m s 单小区传输方式，由于目前3 g p pl t e 中在a s 定义了可能的上行 反馈信令，如a c k n a c k 、c q i 与m i m o 相关等信息，因此，可考虑设计一些 m a c 与p h y 协作的跨层机制。 论文从两个方面进行了考虑。首先，基于n a c k 反馈，提出了一种基于双门限 机制的条件上行h a r q 重传方案。该方案，当被服务用户数较大时，可有效降低 上行反馈信令负载。主要内容在第四章中给以描述。其次，借助可能的上行m i m o 相关反馈信令，提出了各种可能的用于m b m s 单小区方式下的波束成型( b f - b e a m f o r m i n g ) 方案。这部分内容在第五章中给以描述。 文章最后总结了全文并展望了下一步可能的研究内容。 1 2 博士后研究工作报告 2mb m s 的两种典型传输方式 对于m b m s ，3 g p pl t e 中定义了两种小区传输方式，即多小区传输与单小区 传输【7 】。对于各自主要特点，下面两小节分别给以阐述，从而为后续章节展开打下 铺垫。 2 1 多小区传输 对于多小区传输方式，有如下几个显著特点： 可配置专用载频或采取与单播业务t d m 的方式进行传输。本文考虑第二 种方式。 4 两种配置方式中，通常采用s f n 的操作方式进行传输。基于s f n 操 作，用户接收端可进行r f ( r a d i of r e q u e n c y ) 合并，从而通过宏分集 增益的获得提高特别是边界用户的接收性能。为满足s f n 操作，需要设 计严格的同步机制，才能保证相同的内容，在相同的时刻，在相同的物 理时频资源上被发送。 o 目前，在a s 还没有定义上行信令反馈机制，因此很难进行跨层机制设 计。 2 2 单小区传输 对于单小区传输方式，不同于多小区s f n 操作，不需要严格的同步机制。它有 如下几个显著特点： 曩通常与单播业务采用t d m 的方式进行传输。本文针对m b m s 单小区传 输均基于该场景进行设计。 同样为点对多点操作，但不同于s f n ，针对单小区操作，不需设计严格 的上述同步机制。 4 目前，在a s 定义了可能的上行反馈信令，因此，一些适用于单播业务 的闭环技术可考虑推广至m b m s 单小区传输。 1 3 博士后研究工作报告 3 多小区传输方式下参考信号模板设计 不同于单小区方式，m b m s 多小区传输时，用户接收来自多个基站信号并进行 r f 合并。此时，多基站发射信号带来了用户接收端更大的传输时延。更大的传输 时延，导致多小区方式下信道体现出不同的频率选择性衰落特性。从而，需要重新 设计参考信号模板以更好适配无线信道衰落特性。 在3 g p pl t e 很多公司的提案中，均提出了多小区方式下参考信号模板设计p 伺。但他们都主要考虑基站单根发射天线的情形。 本章工作即考虑多小区传输方式下，当基站有多根发射天线时，参考信号模板 的设计问题。 3 2 参考信号模板设计 作为研究的基础，本小节将首先证明系统配置多根发射天线的必要性。接着， 给出相应的设计准则。最后，结合3 g p pl t e 中目前传输m b m s 的子帧内最多前 3 个o f d m 符号用于传输下行控制信令的要求，设计给出了6 种可能的参考信号 模板。 基站配置多根发射天线的必要性 为了说明基站配置多根发射天线的必要性，本小节欲从系统有、无m i m o 角度 出发验证得出如下结论：在较小基站间距( i s d ：i n t e rs i t ed i s t a n c e ) ，如5 0 0 米 ( 更小) ，在9 0 的覆盖要求时，系统可提供的有效s i n r 为2 6 d b 左右( 更 高) 。对于单发天线系统，如s i s o ( s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ) 或s l m o ( s i n g l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) ，即使配置最高的调制编码( m c s m o d u l a t i o n c o d i n gs e t s ) 方式，所需的s i n r ( s i g n a li n t e r f e r e n c en o i s er a t i o ) 仍小于系统 能提供的s i n r 。因此，系统完全有能力支持多流空分复用( s m ：s p a t i a l m u l t i p l e x i n g ) 等m i m o 技术的运用。 另外，随着3 g p pl t e 演进至l t e a ( l t e - a d v a n c e d ) ，各种大天线数配置 及更小基站间距，如几百米、几十米甚至室内正逐渐成为热点研究场景。因此，当 基站有多根发射天线时，设计参考信号模板很有必要。 冷设计准则 m b m s 多小区传输，可采用专用载频方式，或与单播业务基于子帧级别的 t d m 方式进行。这里考虑第二种方式，该种方式也称为m i x e d 模式。 m i x e d 模式下，单播业务与m b m s 以子帧为最小单位采用时分复用的方式进行 传输。结合当前3 g p pl t e 中，m b m s 子帧内最多前3 个o f d m 符号用于传输下 行控制信令的要求，同时以所设计的参考信号模板占用时频资源相差不大为目标， 根2 - - 维采样定理【1 6 1 ，沿着频率和时间轴方向，放置的导频密度需分别满足如下 两个条件： 1 4 堕2 j 竺：i 三f i 基童 频率轴方向：导频子载波间隔设置为2 ，最大可到3 。 时问轴方向：放置导频的o f d m 符号之间，可间隔3 、4 或者最大5 个 o f d m 符号。 奇6 种可能的参考信号模板 根据上述设计准则即导频沿着频率和时间轴方向所满足的间隔要求t 下面提 出了当苯站2 根发射天线时，6 种可能的参考信号模板，如图2 所示。 昌：= ：= 。i a 一”a 2 t c r e m b ”。 图2 基站2 发天线下，参考信号模板 博士后研究工作报告 由图2 上面两幅图可知，当子帧内起始第一个o f d m 符号用于传输下行控制信 令时，提出了p a t t e r n a 和p a t t e r n b 两种可能的参考信号模板。对于p a t t e r n - a ， 沿着频率和时间轴方向的导频密度分别为，2 个子载波与5 个o f d m 符号。对于 p a t t e r n b ，沿着频率和时间轴方向的导频密度分别为，3 个子载波与3 个o f d m 符号。 由图2 中间两幅图可知，当子帧内起始前2 个o f d m 符号用于传输下行控制信 令时，提出了p a t t e r n c 和p a t t e r n d 两种可能的参考信号模板。比较p a t t e r n c 和p a t t e r n - a ，二者具有相同的导频子载波间隔，时间轴方向的密度则降低为4 个 o f d m 符号。将p a t t e r n b 向右平移一个o f d m 符号即可获得p a t t e r n d 。 由图2 下面两幅图可知，当子帧内起始前3 个o f d m 符号用于传输下行控制信 令时，提出了p a t t e r n e 和p a t t e r n f 两种可能的参考信号模板。将p a t t e r n c 向 右平移一个o f d m 符号即可获得p a t t e r n e 。比较p a t t e r n f 和p a t t e r n d ，二者 具有相同的导频子载波间隔，时间轴方向的密度则增大至4 个o f d m 符号。 计算图2 中6 中参考信号模板公用导频( 用于控制信令的参考信号不计算在 内) 所占负载比例，结果如表1 所示。 p a t t e r nc o m m o nr so v e r h e a d a c e2 5 b ，d2 2 2 f 1 6 7 表1 所占公用导频符号负载对比 由表1 可知，p a t t e r n a p a t t e r n e 具有近似的公用参考信号负载，即2 5 和 2 2 2 。由此可知，上述参考信号模板满足占用近似时频资源的目标。而对于 p a t t e r n - f ，由于设计规则的限制，导致参考信号负载降低至1 6 7 。 3 3 仿真结果 本小节提供了两部分仿真结果。第一部分主要说明基站配置多根发射天线的必 要性。第二部分主要对比6 种参考信号模板性能。 在进行第一部分仿真之前，首先对相关仿真假定做个介绍。列举如下： 1 对比1 x 2 ( 基站1 根发射天线，用户2 根接收天线) 的s i m o 和2 x 2 的 m i m o 。 2 仿真m i m o 时，采用图2 中p a t t e r n c 。 3 不同于单小区传输，仿真多小区m b m s ，需要使用s f n 信道模型旧。 4 信道估计算法，采用简单的线性插值，先沿频率轴方向再沿时间轴方向。 1 6 要占童2 蚕三生坐重 5采用误块率( b l e r ：b l o c ke r r o rr a t i o ) 和吞吐率作为性能测量指标a 由 于参考信号模板所占公用导频负载不一致，因此基于吞吐率进行比较就很 必要。在进行吞吐率计算时，需排除用于传输控制信令的o f d m 符号。 为了有效对比s i m o 与m i m o ，设计了如下两种仿真方案。 1i s d = 1 7 3 2 米，摹站发射功率保持不变，配置相同的m c s 。下面给出了两 种m c s 配置。 4 对于s l m o ，采用1 6 0 a m 、1 3 信道编码。对于m i m o ，采用q p s k 、 1 3 信道编码。两种方式下，总的码率为4 3 。 4 对于s i m o ，采用6 4 q a m 、4 3 信道编码。对于m i m o ，采用q p s k 、 1 2 信道编码。两种方式下，总的码率为2 。 在该方案，两种m c s 配置下相应b l e r 与吞吐率如图3 图6 中所示。 圈3s i m o 和m i m ofb l e r 对比 图4se m o 和m i m of 吞吐车对比 由图3 和图4 ，可获得下述仿真结论 南十分集增益的获得，s i m o 和m i m o 较s i s o 有更优的b l e r 性能。 在b l e r = i 时，s i m o 获得04 d b 左右的性能增益。但在s n r = 6 d b 时，s i m o 与m i m o 获得了近似33 m b p s 的吞吐牵。 圈5s i m o 和m i m o 下b l e r 对比 圈6s i m o 和m i m o 下吞吐率对比 由图5 和图6 ，可获得下述仿真结论： 在r l e r = i 时，m i m o 获得04 d b 左右的性能增益。但在s n r = 1 0 d b 时，m i m o 与s i m o 获得了近似50 m b p s 的吞吐率。 由t 迷仿真结果，归纳总结，该方案下，可获得如下几个结沦。 4i s d = 1 7 3 2 米，在9 0 覆盖要求时，系统能提供的s i n r 为近似6