一种基于LTE-A系统的PUCCH SINR测量算法

倪霞，杨生金

（1.武汉虹信通信技术有限责任公司，湖北 武汉 430205；2.武汉邮电科学研究院，湖北 武汉 430074）

1 引言

先进的长期演进（Long Term Evolution-Advanced）是在LTE基础上的平滑演进，简称LTE-A。相较于早期版本的LTE，LTE-A通过引入载波聚合增强了无线空口的频谱灵活性，进一步扩展了多天线传输方案，引入了对中继传输的支持，并且提供了对异构网络部署下小区间干扰协调方面的优化。大幅度提高了通信系统的数据传输速率、小区平均谱效率和边界用户性能，能够提供更加高质量的移动服务业务。

LTE-A系统的物理信道之一PUCCH（Physical Uplink Control Channel，物理上行链路控制信道）用于发送上行控制信息UCI（Uplink Control Information，上行控制信息），对系统中的上下行传输信道中数据的正常收发具有重要作用。早期LTE协议支持的PUCCH格式包括：格式1/1a/1b以及格式2/2a/2b，格式1用于UE向eNodeB发送SR（Schedule Request，调度请求）信息，请求上行传输；格式1a用于UE向eNodeB发送1比特的HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest，混合自动重传请求）ACK（Acknowledge，正确应答）或NACK（Non-Acknowledge，错误应答）；格式1b用于UE向eNodeB发送2比特的HARQ ACK或NACK信息；格式2/2a/2b，用于UE向eNodeB发送CQI（Channel Quality Indicator，信道质量指示）以及HARQ ACK或NACK信息。Release 10版本的LTE-A协议新增了一种PUCCH格式，即格式3，支持下行最多5个载波的载波聚合，每个载波单元最多传输两个传输块，通过配置主载波来发送最多10比特的HARQ信息。详细信息如表1所示：

表1 PUCCH所支持的格式

SINR是衡量当前用户信道质量的一个重要指标，同时还用于接收信号的有效性判断和上行功率控制。LTE-A系统中PUCCH SINR测量是接收机需要实现的重要功能。

现有技术中，测量PUCCH信道的SINR值有多种方案。如根据HARQ反馈信息ACK/NACK的调制特点，ACK/NACK的信息调制到对应符号的I路（同相分量）或Q路（正交分量），接收端根据接收到的软比特符号的实部和虚部来计算SINR。但此方案估计出的SINR并非真正意义上的SINR值，这就给PUCCH的上行功控带来困难，且这种方案只适用于格式1/1a/1b，不适合格式2/2a/2b这些携带CQI信息的格式。还有的方法是针对普通循环前缀下PUCCH格式1/1a/1b的接收信号中数据部分和导频部分，利用最多36个码道中已分配的码道来计算信号功率，利用剩余未分配的码道来估计噪声和干扰功率。使用这种SINR测量方法时若UE存在较大时偏，则该UE的信道发射功率将会泄漏到相邻码道，导致得到的干扰噪声功率偏大，增加了将ACK/NACK误判为DTX的概率，影响整体系统性能。基于此，本文提出一种基于重构方法的PUCCH SINR估计算法，适用于所有PUCCH格式，且通过仿真分析，该方案在没有明显增加算法复杂度的前提下，可以有效地测量LTE-A系统中PUCCH的信干噪比。

2 PUCCH的接收端处理

3GPP LTE物理层相关协议详细给出了UE发射端的处理过程，这里不作赘述，eNodeB侧PUCCH接收处理是UE发射端处理的逆过程。接收端的解调处理方案需要自行设计，而不同处理方式的系统性能差别很大。图1给出了本方案PUCCH信号的总体解调处理流程：

图1 PUCCH接收端总体处理流程

空口信号经过无线信道传播后，在接收端，时域的PUCCH信号首先经过前端处理，包括去CP、去7.5 kHz固定频偏和FFT处理，进而得到频域数据。以典型的20 MHz带宽为例，子载波间隔为15 kHz，采样频率为30.72 MHz，因此要对每个SC-FDMA符号做2 048点FFT处理。接下来根据高层参数进行资源解映射，取出每个码道资源上的12个子载波数据，然后对无线信道传播引入的频偏进行补偿，通过对每个SCFDMA符号的12个子载波数据与相应循环移位序列的共轭相乘，进行相关操作实现去循环移位序列。

对于格式1/1a/1b的符号进行12个子载波累加还要进行解扩，数据符号还要进行时隙间解扰。然后将解扩后的导频即信道系数，和解扰后的数据符号一起输入均衡器进行信道均衡，对均衡后得到的软符号进行A/N判决。

对于格式2/2a/2b，对去循环移位序列后的14个SC-FDMA符号，每个符号上都进行12个子载波的累加，得到14个符号。根据导频位置取出4个导频符号，用于后面的ACK/NACK估计（格式2a/2b）。根据数据符号位置取出10个数据符号，并利用估计的信道系数进行均衡。对均衡后得到的软符号进行QPSK解调、解扰。最后进行UCI译码得到UCI信息。

对于格式3，对解循环移位序列后每个时隙的5个SC-FDMA数据符号和2个导频符号进行解扩，数据位置进行解传输预编码，得到12个调制符号分别与导频得到的信道系数进行均衡，对均衡后得到的软符号进行解调和UCI译码。

3 方案详细设计

图2为基于符号重构的SINR测量方案的详细设计流程，基本思想是对译码后的CQI或HARQ比特进行符号重构，利用重构后的符号与均衡后的软符号的特征来计算信干噪比，具体包含以下步骤：

图2 基于符号重构的SINR测量方案

（1）译码

对PUCCH接收信号进行接收端均衡处理，得到均衡后的软符号。设PUCCH接收信号经过均衡后得到的软符号为d_equ(n)，n=0, …, N-1，N是一个子帧内传送调制符号的个数。在BPSK/QPSK解调以及解扰之后进行CQI译码或HARQ判决，得到译码后的信息比特为a0, a1, a2, …, aA-1，A是译码后的比特数。

（2）重构

根据译码结果a0, a1, a2, …, aA-1（CQI比特或HARQ比特）进行调制符号重构得到d_harq(n)。

对于PUCCH格式1/1a/1b，进行重构的方法是：对经过译码后得到的1比特或2比特数据信息进行信道编码，将ACK编码成二进制比特“1”，NACK编码成二进制比特“0”，对编码后的结果进行BPSK调制后得到重构的调制符号d_harq(n)，n=1。

对于PUCCH格式2/2a/2b，进行调制符号重构的方法是：对译码后得到的信息比特a0, a1, a2, …, aA-1，A是译码后的比特数，使用Reed-Muller码为基础的(20, A)的块编码方案进行信道编码，编码后的比特序列为b0,b1, b2, …, bB-1，B=20，将信道编码后的结果分别进行加扰和QPSK调制，得到重构的调制符号d_harq(n)，n=0,1, …, 9。

对于PUCCH格式3，进行符号重构的过程与格式2/2a/2b类似：对译码后得到的HARQ比特a0, a1, a2, …,aA-1，A是译码后的比特数，采用Reed-Muller码为基础(32, A)的块编码方案进行信道编码，编码后的比特序列为b0, b1, b2, …, bB-1，B=48，将信道编码后的结果分别进行加扰和QPSK调制，得到重构的调制符号d_harq(n)，n=0,1, …, 23。

（3）SINR计算

根据经过数据均衡后得到的软符号d_equ(n)和重构后得到的符号d_harq(n)，通过求出信号功率Ps和干扰噪声功率PIN，其中：

求得信干噪比SINR如下：其中，N是一个子帧内的数据符号个数，对于格式1/1a/1b，N=1；对于格式2/2a/2b，N=10；对于格式3，N=24。

在LTE-A系统中UE具有两根及以上的天线时，对所有天线上得到的各UE的PUCCH信号功率和干扰噪声功率分别进行合并，计算合并后各UE的信号功率与合并后的干扰噪声功率的比值，得到各UE的信干噪比。

4 仿真分析

按照上述算法原理，在MATLAB平台上进行算法仿真验证。以PUCCH格式2为例，系统带宽为10 MHz，具体参数配置如表2所示。通过对比预设的SINR值和测量得到的SINR值两者的差异，来分析该测量算法的精度，验证算法性能。

表2 仿真参数

图3是运用本算法得到的测量SINR值和预设SINR值的曲线，可以看出，本算法估计出的SINR值与预设的SINR值趋势基本一致，二者曲线拟合度比较高，可见本算法能够准确估计PUCCH SINR值，效果显著。

5 结束语

图3 算法性能曲线

LTE-A系统中PUCCH信干噪比的测量精度关系到CSI上报、上行功控以及调度算法的性能，直接影响通信系统的传输速率和性能。本文从理论分析出发，提出一种基于符号重构的SINR测量算法，该算法适用于所有的PUCCH格式，仿真结果表明，在没有增加复杂度的前提下，该算法能够准确地测量SINR，满足实际应用的需求。