Оценка канала

Продукт Toolbox™ LTE использует мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) в качестве своей цифровой схемы модуляции с множеством несущих. Оценка канала играет важную роль в системе OFDM. Он используется для увеличения пропускной способности систем множественного доступа с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA) путем улучшения производительности системы с точки зрения частоты битовых ошибок.

Для облегчения оценки характеристик канала LTE использует специфичные для соты опорные сигналы (пилот-символы), вставленные как во времени, так и на частоте. Эти пилот-символы обеспечивают оценку канала в заданных местоположениях в подкадре. Посредством интерполяции можно оценить канал по произвольному числу подкадров.

Обзор оценки канала

Пилот-символы в LTE назначаются позициям в подкадре в зависимости от идентификационного номера соты eNireB и от того, какая передающая антенна используется, как показано на следующем рисунке.

Уникальное позиционирование пилот-сигналов гарантирует, что они не мешают друг другу и могут быть использованы для обеспечения надежной оценки комплексных усилений, передаваемых каждому ресурсному элементу в пределах передаваемой сетки каналом распространения.

Как цепи передачи и приема, так и модель канала распространения показаны на следующей блок-схеме.

Заполненная сетка ресурсов представляет несколько подкадров, содержащих данные. Затем эта сетка модулируется OFDM и проходит через модель канала распространения. Канальный шум в виде аддитивного белого гауссова шума (AWGN) добавляется до поступления сигнала в приемник. Как только внутри приемника сигнал демодулируется OFDM, и может быть создана сетка принятых ресурсов. Принятая сетка ресурсов содержит переданные элементы ресурсов, на которые повлияли сложные коэффициенты усиления канала и шум канала. Используя известные пилот-символы для оценки канала, можно выровнять эффекты канала и уменьшить шум на принятой сетке ресурсов.

LTE назначает каждому антенному порту уникальный набор местоположений в рамках подкадра, на который должны отображаться опорные сигналы. Поскольку никакая другая антенна не передает данные в этих местоположениях во времени и частоте, может быть выполнена оценка канала для конфигураций с множеством антенн. Алгоритм оценки канала извлекает опорные сигналы для пары передающая/принимающая антенна из принятой сетки. Оценки наименьших квадратов частотной характеристики канала в пилот-символах вычисляются, как описано в On Channel Estimation в системах OFDM [2]. Оценки наименьших квадратов затем усредняются, чтобы уменьшить любой нежелательный шум от пилот-символов. Поскольку возможно, что пилот-сигналы не расположены вблизи края субкадра, создаются виртуальные символы пилот-сигнала, чтобы помочь процессу интерполяции вблизи края субкадра. Затем, используя усредненные оценки пилот-символов и вычисленные виртуальные пилот-символы, выполняют интерполяцию для оценки всего подкадра. Этот процесс показан на следующей блок-схеме.

Подсистема получения оценок пилотов

Первым этапом определения оценки наименьших квадратов является извлечение пилот-символов из их известного местоположения в принятом подкадре. Поскольку значение этих пилот-символов известно, отклик канала в этих местоположениях может быть определен с использованием оценки наименьших квадратов. Оценку наименьших квадратов получают путем деления принятых пилот-символов на их ожидаемое значение.

$Y (k) = H (k) X (k)$ + шум

Где:

$Y (k$ ) является принятым комплексным значением символа.
$X (k$ ) - переданное значение комплексного символа.
$H (k$ ) является комплексным усилением канала, испытываемым символом.

Известные пилот-символы могут посылаться для оценки канала для подмножества RE в подкадре. В частности, если пилот-символ $_{XP} (k$ ) посылается в RE, мгновенная оценка канала ${\overset{}{}}_{} H˜P ($ k) для этого RE может быть вычислена с использованием:

${\overset{}{}}_{H˜P} (k) \frac{_{=} YP}{_{(} k)} {XP}_{} (k) = HP$ (k) + шум

Где:

$_{YP} (k$ ) представляет принятые значения пилот-символов.
$_{XP} (k$ ) представляет известные переданные значения пилот-символов.
${\overset{}{}}_{H˜P} (k$ ) - истинный ответ канала для RE, занятого пилотным символом.

Подсистема среднего пилот-сигнала

Чтобы минимизировать влияние шума на оценки канала, наименьшие квадратные оценки усредняются с использованием окна усреднения. Этот простой способ обеспечивает существенное снижение уровня шума, обнаруженного в контрольных RE. Доступны следующие два способа усреднения пилот-символов.

'TestEVM' - следует методу, описанному в TS 36.141 [1], приложение F.3.4.
'UserDefined' - позволяет определить размер окна и направление усреднения, используемого на символах пилот-сигнала, а также другие настройки, используемые для интерполяции.

`'TestEVM'`

Первый метод, 'TestEVM', использует подход, описанный в TS 36.141 [1], приложение F.3.4. Усреднение времени выполняют по каждой поднесущей, которая содержит пилот-символ, в результате чего получают вектор столбца, содержащий среднюю амплитуду и фазу для каждой поднесущей, которая несет опорный сигнал.

Средние значения поднесущих пилот-символов затем усредняются по частоте с использованием окна перемещения максимального размера 19.

Примечание

При использовании 'TestEVM' усреднение пилот-символов, отсутствуют пользовательские параметры и управление параметрами оценки канала невозможно. Оценка выполняется методом, описанным в TS 36.141 [1]. За исключением того, что усреднение по 10 подкадрам строго не требуется. lteDLChannelEstimate усредненные значения функции по количеству подкадров, включенных во вход rxgrid. Чем больше число подкадров в rxgridчем эффективнее усреднение шума во временном направлении.

`'UserDefined'`

Второй способ усреднения пилот-символов, 'UserDefined', позволяет пользователю определить размер окна усреднения, в каком направлении будет выполнено усреднение (время, частота или и то и другое) и определенные аспекты интерполяции, которые могут быть скорректированы в соответствии с имеющимися данными. Дополнительные сведения см. в разделе Подсистема интерполяции.

Размер окна усреднения определяется в терминах элементов ресурса. Любые пилот-символы, расположенные в пределах окна, используются для усреднения значения пилот-символа, найденного в центре окна. Размер окна должен быть нечетным числом, обеспечивающим наличие пилота в центре.

Примечание

Усреднение оценок канала в местоположениях пилот-символов является простым, но мощным инструментом, но размер окна должен быть тщательно выбран. Использование большого размера окна в канале с быстрым замиранием может привести к усреднению не только шума, но и характеристик канала. Выполнение слишком большого усреднения в системе с небольшим количеством шума может оказывать неблагоприятное влияние на качество оценок канала. Следовательно, использование большого окна усреднения для быстро меняющегося канала может привести к тому, что оценка канала станет плоской, что приведет к плохой оценке канала и повлияет на качество выравнивания.

Создание подсистемы виртуальных пилотов

Во многих случаях края сетки ресурсов не содержат никаких контрольных символов. Этот эффект показан в сетке ресурсов на следующем рисунке.

В этом случае оценки канала на краях не могут быть интерполированы из пилот-символов. Для решения этой проблемы создаются виртуальные пилотные символы. Функция lteDLChannelEstimate создает виртуальные пилотные символы на всех краях принятой сетки, чтобы разрешить кубическую интерполяцию.

Размещение виртуального пилота

Виртуальные пилотные символы создаются, как показано на следующем рисунке.

В этой системе сетка ресурсов расширяется с виртуальными символами пилот-сигнала, созданными в местоположениях, которые следуют за исходным шаблоном опорного сигнала. Наличие виртуальных пилот-символов позволяет вычислять оценку канала в элементах ресурса, которая ранее не могла быть вычислена интерполяцией, посредством интерполяции с использованием исходных и виртуальных пилот-символов.

Вычисление значений виртуальных пилотных символов

Виртуальные пилот-символы вычисляются с использованием исходных пилот-символов. Для каждого виртуального символа пилот-сигнала значение вычисляется следующим образом:

Выбираются ближайшие 10 обычных пилотов по евклидову расстоянию по времени и частоте. Поиск оптимизирован для рассмотрения 10 этих пилотов, а не проверки всех возможных пилотов. Основываясь на возможных конфигурациях соты RS, использование 10 пилот-сигналов обеспечивает достаточное временное и частотное разнесение в пилот-сигналах для вычисления виртуального пилот-сигнала.
Используя этот набор из 10 пилот-сигналов, выбираются ближайшие три пилот-символа. Эти три символа должны занимать по меньшей мере две уникальные поднесущие и два уникальных символа OFDM.
С помощью этого набора из трех пилотов создаются два вектора. Один вектор между ближайшими и самыми дальними пилот-символами и один вектор между вторыми ближайшими и самыми дальними пилот-символами.
Перекрестное произведение этих двух векторов вычисляется для создания плоскости, на которой находятся три точки.
Плоскость расширяют до положения виртуального пилот-сигнала для вычисления значения на основе одного из фактических значений пилот-сигнала.

На этой схеме показан расчет виртуального пилота.

Примечание

Виртуальные пилоты создаются только для MATLAB ®'linear' и 'cubic' методы интерполяции.

Интерполяционная подсистема

Как только шум уменьшен или удален из средних символов пилот-сигнала наименьших квадратов и определено достаточное количество виртуальных пилот-сигналов, можно использовать интерполяцию для оценки отсутствующих значений из сетки оценки канала. lteDLChannelEstimate функция имеет два способа усреднения пилотных символов, 'TestEVM' и 'UserDefined'. Способы усреднения пилот-символов также определяют способ интерполяции, выполняемый для получения оценки канала.

'TestEVM' способ усреднения пилот-сигнала, описанный в TS 36.141 [1], приложение F.3.4, требует использования простой линейной интерполяции на усредненном по времени и усредненном по частоте векторе столбцов. Интерполяция является одномерной, поскольку она оценивает только значения между усредненными поднесущими пилот-символов в векторе столбцов. Результирующий вектор затем реплицируется и используется в качестве оценки канала для всей сетки ресурсов.

'UserDefined' способ усреднения пилот-сигнала выполняет двумерную интерполяцию для оценки отклика канала между доступными пилотными символами. Окно интерполяции используется для указания, какие данные используются для выполнения интерполяции. InterpWindow определяет причинный характер доступных данных. Допустимые параметры для cec.InterpWindow являются 'Causal', 'Non-causal', или 'Centered'.

Используйте InterpWindow установка:

'Causal' при использовании прошлых данных.
'Non-causal' при использовании будущих данных. Это противоположность 'Causal'. Использование только будущих данных обычно называют антикаузальным методом интерполяции.
'Centered' или 'Centred' при использовании комбинации данных прошлого, настоящего и будущего.

Размер этого окна интерполяции также может быть скорректирован в соответствии с имеющимися данными. Чтобы указать размер этого окна, установите InterpWinSize поле.

Оценка шума

Рабочие характеристики некоторых приемников могут быть улучшены благодаря знанию мощности шума, присутствующей в принятом сигнале. Функция lteDLChannelEstimate обеспечивает оценку спектральной плотности мощности шума (PSD), используя оцененный отклик канала в известных местоположениях опорного сигнала. Мощность шума может быть определена путем анализа оценок наименьших квадратов шума и усредненных оценок шума.

Шумные оценки наименьших квадратов из подсистемы получения оценок пилот-сигнала и усредненные оценки пилот-символа из подсистемы среднего пилот-сигнала обеспечивают индикацию шума канала. Оценки наименьших квадратов и усредненные оценки содержат одни и те же данные, кроме аддитивного шума. Простое принятие разности между двумя оценками приводит к значению уровня шума для оценок канала наименьших квадратов в местоположениях пилот-символов. Снова рассматривая,

${\overset{}{}}_{H˜P} (k) \frac{_{=} YP}{_{(} k)} {XP}_{} (k) = HP$ (k) + шум

Усреднение мгновенных оценок канала в окне сглаживания

${\overset{}{}}_{}^{H˜PAVG} (k) \frac{}{} \underset{}{} {\overset{}{}}_{} =1|S|∑m∈SH˜P (m_{)}$ ≈HP (k)

где S - набор пилот-сигналов в окне сглаживания, а | S | - количество пилот-сигналов в S. Таким образом, оценка шума в конкретном пилот-сигнале RE может быть сформирована с использованием:

$\overset{}{} {\overset{}{}}_{noise˜=H˜P} (m) {\overset{}{}}_{}^{} −H˜PAVG$ (k)

На практике невозможно удалить весь шум, используя усреднение. Поскольку можно только уменьшить шум, может быть сделана только оценка мощности шума.

Примечание

В случае системы без шума или системы с высоким ОСШ усреднение может оказывать вредное влияние на качество оценок наименьших квадратов.

Используя значение мощности шума, найденное в отклике канала в местоположениях пилот-символов, мощность шума на элемент ресурса (RE) может быть вычислена путем взятия дисперсии результирующего вектора шума. Мощность шума на RE для каждой пары передающих и приемных антенн вычисляется и сохраняется. Среднее значение этой матрицы возвращается как оценка мощности шума на RE.

Для демонстрации того, как настроить полную цепочку передачи и приема для оценки канала, см. Моделирование пропускной способности с разнесением передачи PDSCH. В этом примере используется множество антенн, и передача моделируется посредством модели канала распространения.

Ссылки

[1] 3GPP TS 36.141. "Развитый универсальный наземный радиодоступа (E-UTRA); Тестирование соответствия базовой станции (BS). "Проект партнерства 3-го поколения; Техническая спецификация на сеть радиодоступа группы. URL: https://www.3gpp.org.

[2] Ван де Бик, Ж.-Ж., О. Эдфорс, М. Санделл, С. К. Уилсон и П. О. Боржессон. «Оценка канала в системах OFDM». Конференция по автомобильным технологиям, IEEE 45-е, том 2, IEEE, 1995.

См. также

lteDLChannelEstimate | lteEqualizeMMSE | lteEqualizeZF | lteOFDMDemodulate

Связанные темы

Оценка и выравнивание канала нисходящей линии связи LTE

Документация