李春一

摘? 要： 在研究5G廣播標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了基于離散傅里葉變換（DFT）降噪的主/輔同步信號(hào)（PSS/SSS）及小區(qū)參考信號(hào)（CRS）聯(lián)合信道估計(jì)方法，可以在低信噪比、大頻偏和高信道動(dòng)態(tài)變化的場(chǎng)景下，準(zhǔn)確地估計(jì)出物理廣播信道（PBCH）的信道狀態(tài)信息.仿真結(jié)果表明：所提出的信道估計(jì)方法的性能優(yōu)于傳統(tǒng)方法，有效地提升了5G廣播系統(tǒng)中PBCH的信道估計(jì)能力.

關(guān)鍵詞： 物理廣播信道（PBCH）信道估計(jì); 主/輔同步信號(hào)（PSS/SSS）; 小區(qū)參考信號(hào)（CRS）; 傅里葉變換（DFT）降噪

中圖分類號(hào)： TN 919.3??? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A??? 文章編號(hào)： 1000-5137（2022）02-0193-11

LI Chunyi

（School of Electronic Information and Electrical Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China）

Depending on the current standard protocols for 5G broadcasting system， a joint estimation method based on primary/secondary synchronization signal（PSS/SSS）and cell reference signal（CRS） was proposed in this paper， which used discrete Fourier transform（DFT） to reduce noise. The PBCH channel state could be estimated more accurately in the scene of low signal-to-noise ratio， large frequency deviation and high channel dynamic changes by the above method. The simulation results showed that the proposed estimation methods performed better than the traditional schemes， by which the PBCH channel estimation ability in the 5G broadcasting system could be improved significantly.

physical broadcast channel（PBCH）channel estimation; primary/secondary synchronization signal（PSS/SSS）; cell reference signal（CRS）; discrete Fourier transform（DFT） noise reduction

近年來，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的用戶接入量、數(shù)據(jù)傳輸量均快速增長.據(jù)思科公司調(diào)研，到2023年，全球?qū)⒂?0%以上的人口接入移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中82%的數(shù)據(jù)吞吐量將由視頻傳輸所占據(jù).移動(dòng)通信系統(tǒng)中的單播（Uni-Cast）模式已逐漸顯現(xiàn)出效率不足、傳輸成本高等缺陷.為此，第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）從2004年開始，陸續(xù)制定了多了個(gè)基于移動(dòng)通信架構(gòu)的廣播多播（Broad/Multi-Cast）傳輸標(biāo)準(zhǔn)，2020年的Release 16版本推出了最新的5G廣播標(biāo)準(zhǔn).

5G廣播標(biāo)準(zhǔn)采用了長期演進(jìn)（LTE）的物理廣播信道（PBCH）作為系統(tǒng)接入初始信令的信息承載，用于傳輸諸如帶寬、幀號(hào)等的基礎(chǔ)信令信息.接收機(jī)在完成基于主/輔同步信號(hào)（PSS/SSS）的信號(hào)同步后，需要針對(duì)PBCH進(jìn)行信道估計(jì)、均衡與解碼.但與LTE單播系統(tǒng)不同，5G廣播對(duì)PBCH的幀結(jié)構(gòu)做了較大改動(dòng)，通過增加重復(fù)播發(fā)的次數(shù)，將PBCH的時(shí)間跨度從4個(gè)正交頻分復(fù)用（OFDM）符號(hào)增加到9個(gè)（擴(kuò)展循環(huán)前置時(shí)）或11個(gè)（一般循環(huán)前置時(shí)）.這使得5G廣播中的PBCH信道估計(jì)，相比于傳統(tǒng)LTE單播系統(tǒng)，需要在低信噪比工作場(chǎng)景的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮系統(tǒng)頻偏和信道動(dòng)態(tài)變化的影響.

傳統(tǒng)LTE單播系統(tǒng)的PBCH信道估計(jì)方法，一般利用小區(qū)參考信號(hào)（CRS）進(jìn)行導(dǎo)頻點(diǎn)的信道估計(jì)，再通過插值實(shí)現(xiàn)整個(gè)PBCH的信道估計(jì)，但由于CRS個(gè)數(shù)較少，在低信噪比下，信道估計(jì)的精度不足.HE提出了一種基于PSS反饋的信道估計(jì)方法，在一定程度上提高了低信噪比場(chǎng)景下的PBCH信道估計(jì)精度;CAO等提出了利用PSS/SSS及CRS進(jìn)行信道估計(jì)的方法，但沒有考慮5G廣播中PBCH時(shí)間跨度內(nèi)的接收數(shù)據(jù)量較大，在大頻偏和高信道動(dòng)態(tài)變化場(chǎng)景下性能不佳，同時(shí)，該方法采用了較為簡單的頻域低通濾波對(duì)其插值進(jìn)行降噪，不適用于低信噪比場(chǎng)景;WU等提出了在LTE下行業(yè)務(wù)信道中，采用DFT 降噪的信道估計(jì)算法，提高了系統(tǒng)的性能，但沒有考慮該方法與CRS和PSS/SSS在PBCH信道估計(jì)中聯(lián)合使用的情況;GUAN等將PSS/SSS的信號(hào)同步后，提出了利用CRS信息進(jìn)行驗(yàn)證的方法，降低了同步的誤檢和漏檢概率，但并未將此方法用于對(duì)PBCH的信道估計(jì).

綜上，基于5G廣播系統(tǒng)中PBCH的信道估計(jì)方法亟待改進(jìn).本文作者在研究5G廣播系統(tǒng)中多種PBCH信道估計(jì)方法的基礎(chǔ)上，利用PSS/SSS及CRS進(jìn)行聯(lián)合信道估計(jì)，并采用DFT進(jìn)行降噪，通過分析5G廣播系統(tǒng)中PBCH特殊的幀結(jié)構(gòu)，給出了一種分段聯(lián)合估計(jì)方法，解決了PBCH對(duì)于大頻偏和高信道動(dòng)態(tài)變化的敏感性問題.仿真結(jié)果表明：所提方法可以有效改善傳統(tǒng)PBCH信道估計(jì)方法在5G廣播系統(tǒng)中對(duì)抗低信噪比、大頻偏和高信道動(dòng)態(tài)變化能力不足的問題，顯著提升PBCH信道信息接收解調(diào)的穩(wěn)健性.

1? 5G

廣播標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展背景

LTE技術(shù)擁有頻譜效率高、抗頻率選擇性衰落強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是全球第四代移動(dòng)通信的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).然而，隨著用戶接入量及多媒體業(yè)務(wù)量的暴發(fā)式增長，LTE系統(tǒng)中的傳統(tǒng)單播傳輸模式，慢慢暴露出了其在特定場(chǎng)景下頻譜效率低、資源浪費(fèi)嚴(yán)重的問題.為此，3GPP在LTE單播標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，逐步引入了廣播組播的業(yè)務(wù)形態(tài)，并最終形成了現(xiàn)在的5G廣播標(biāo)準(zhǔn)，如圖1所示.

2004年，3GPP在Rel-6版本中定義了廣播組播服務(wù)（MBMS），并在Rel-9版本中制定了eMBMS標(biāo)準(zhǔn).2017年，3GPP在Rel-14版本中為LTE系統(tǒng)引入了一種廣播專用模式（MBMS Dedicated?cell），制定了FeMBMS標(biāo)準(zhǔn).為了提升廣播模式的覆蓋范圍和傳輸能力，3GPP在2020年最新的Rel-16版本中，對(duì)MBMS Dedicated?cell模式進(jìn)行了物理層增強(qiáng)，包括引入PBCH重復(fù)播發(fā)機(jī)制，提高了信令傳輸?shù)姆€(wěn)健性與小區(qū)覆蓋范圍，降低了廣播信號(hào)接入的延遲.

幀結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)

5G廣播標(biāo)準(zhǔn)的MBMS-dedicated cell模式是一種與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)兼容的專用廣播模式，采用了全新的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).在MBMS-dedicated cell中，每一個(gè)無線幀長度為10ms，4個(gè)無線幀組成一個(gè)40 ms時(shí)長的發(fā)射周期，每個(gè)發(fā)射周期又分為小區(qū)采集子幀（CAS）與多播廣播單頻網(wǎng)絡(luò)子幀（MBSFN），如圖2所示.

CAS是整個(gè)無線幀的控制區(qū)域，用于傳輸信令，每40 ms發(fā)送一次;除CAS之外的其他部分為MBSFN，用于傳輸業(yè)務(wù)信息.CAS子幀長為1 ms，其子載波間隔固定為15 kHz，支持兩種Cyclic Prefix（CP）模式，即Normal CP和Extended CP.當(dāng)采用Normal CP時(shí)，CAS包含14個(gè)OFDM符號(hào);當(dāng)采用Extended CP時(shí)，CAS包含12個(gè)OFDM符號(hào).CAS包含用于初始同步的PSS/SSS信號(hào)以及用于信令傳輸?shù)?種物理信道，包括：PBCH、物理控制格式指示信道（PCFICH）、物理下行控制信道（PDCCH）和物理共享控制信道（PDSCH）.其中，PBCH信道用于傳輸系統(tǒng)的基本配置，是信號(hào)接收解調(diào)的第一個(gè)物理信道.由于在接收解調(diào)PBCH信道信息時(shí)，接收機(jī)尚未完成載波同步和信道估計(jì)，對(duì)于PBCH的信道估計(jì)需要能夠有效適應(yīng)較大的載波頻偏和各種惡劣的信道環(huán)境.

的信道估計(jì)

在5G廣播標(biāo)準(zhǔn)的CAS內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，為了提升PBCH的解調(diào)成功率，對(duì)PBCH進(jìn)行了重復(fù)播發(fā)，使得整個(gè)PBCH信道的傳輸時(shí)間跨度明顯增大.以Extended CP為例，10 MB帶寬的資源分配以及PBCH重復(fù)規(guī)則如圖3所示.

在圖3結(jié)構(gòu)下，由于PBCH信號(hào)的時(shí)間跨度由4個(gè)OFDM符號(hào)變?yōu)?個(gè)，PBCH信道估計(jì)對(duì)大頻偏和高動(dòng)態(tài)信道的變化非常敏感.如何在低信噪比、大頻偏和高動(dòng)態(tài)信道變化的場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)PBCH的精準(zhǔn)信道估計(jì)，是一個(gè)亟待解決的難題.

2? 傳統(tǒng)的PBCH信道估計(jì)方法

基于的信道估計(jì)方法

基于判決反饋的方法

由于在進(jìn)行PBCH信道估計(jì)前，PSS/SSS已完成同步，可以通過判決反饋，將重構(gòu)后的PSS/SSS信號(hào)作為導(dǎo)頻，用于PBCH的信道估計(jì).

基于降噪的聯(lián)合信道估計(jì)方法

基于降噪的分段聯(lián)合信道估計(jì)方法

4? 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提方法的效果，對(duì)AWGN，Rayleigh和3GPP的Tapped Delay Line（TDL）-A3種靜態(tài)信道進(jìn)行仿真，比較在不同信噪比和不同頻偏下的接收性能.另外，對(duì)TDL-D和TDL-E兩種3GPP的動(dòng)態(tài)信道進(jìn)行仿真驗(yàn)證，比較不同信噪比和不同多普勒?qǐng)鼍跋碌男阅?

為了提升仿真結(jié)果的正確性，采用了基于蒙特卡羅的方法，觀察采用不同PBCH信道估計(jì)算法時(shí)的檢測(cè)成功率.將基于DFT的PSS/SSS+CRS聯(lián)合信道估計(jì)方案命名為聯(lián)合估計(jì)方案1，將基于DFT的分段PSS/SSS+CRS聯(lián)合信道估計(jì)方案命名為聯(lián)合估計(jì)方案2.

Rayleigh信道及3種TDL信道的具體參數(shù)見附錄.仿真所采用的系統(tǒng)參數(shù)如表1所示.

5? 結(jié)論

通過5G廣播標(biāo)準(zhǔn)中PBCH特殊結(jié)構(gòu)對(duì)PBCH信道估計(jì)的影響分析，提出了兩種基于DFT降噪的PSS/SSS+CRS聯(lián)合信道估計(jì)的方法，與傳統(tǒng)PBCH信道估計(jì)方法相比，在對(duì)抗低信噪比、大頻偏和高信道動(dòng)態(tài)變化上有明顯優(yōu)勢(shì)，可以提升5G廣播接收機(jī)的性能，擴(kuò)大5G廣播系統(tǒng)的應(yīng)用.

參考文獻(xiàn)：

[1]? Cisco System Inc. Cisco visual networking index： forecast and trends， 2018—2023[R/OL]. （2020-06-09）[2021-02-08]. http：//uploadi.www.ris.org/editor/1245967481white_paper_c11-481360.pdf.

[2]? WANG D， CHEN D J， GUAN Y Y. Channel estimation method for physical broadcast channel [J]. Information Technology，2019（2）：88-92.

[3]? HE Z Q. Research on Implementation scheme of TD-LTE system synchronization and channel estimation technology [D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University，2014.

[4]? CAO Z S， LI Y. A method and system for channel estimation of physical broadcast channel：CN101989962A [P]. 2011-03-23.

[5]? WU J Q， ZHAO X. Improved algorithm based on DFT noise reduction for LTE downlink channel estimation [J]. Video Engineering，2013，37（3）：113-117.

[6]? GUAN Y Y，WANG D. A subrange detection algorithm based on LTE system[J]. Mobile Communication，2018，42（12）：57-62.

[7]? HOLMA H， TOSKALA A. Multimedia broadcast/multicast service （MBMS） user services [S]. Stage 1 （Release 6）. Wiley Telecom： Technical Specification Group Services and System Aspects，2004.

[8]? HOLMA H， TOSKALA A. Multimedia broadcast/multicast service [S]. Stage 1 （Release 9）.Wiley Telecom： Technical Specification Group Services and System Aspects，2008.

[9]? FUENTES M， MI D， CHEN H， et al. Physical layer performance evaluation of LTE-advanced pro broadcast and ATSC 3.0 systems [J]. IEEE Transactions on Broadcasting，2019，65：477-488.

[10] XU B， XIA Z， LIU R， et al. Research on OTFS modulation applied in LTE-based 5G terrestrial broadcast [C]// 2020 International Wireless Communications and Mobile Computing. Limassol：IEEE，2020：514-519.

[11] HE D， WANG W， XU Y， et al. Overview of physical layer enhancement for 5G broadcast in release 16 [J]. IEEE Transactions on Broadcasting，2020，66：471-480.

[12] WANG D， MEI Z Q， LIU J Z. An improved PSS synchronization algorithm of primary synchronization signal for 5G system [J]. Journal of Chinese Computer Systems，2021（accepted）.

[13] Advanced Television Systems Committee. ATSC 3.0 PHY Lab performance test plan [R]. Washington D. C.： ATSC，2018.

[14] ETSI. Implementation guidelines for a second?generation digital terrestrial television broadcasting system （DVB-T2） [S].Sophia Antipdis Cedex， France： ETSI，2004.

[15] ETSI. Study on channel model for frequencies from 0.5 to 100 GHz （Release 16） [S]. Sophia Antipdis Cedex， France： ETSI，2004.

（責(zé)任編輯：包震宇，顧浩然）