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空間多重化による LTE PHY ダウンリンク

このモデルでは、Third Generation Partnership Project (3GPP) [ 1-3, 7 ] によって開発された Long Term Evolution (LTE) の物理層 (PHY) 規格におけるダウンリンク共有チャネル (eNodeB から UE) 処理について示します。LTE-Advanced は、International Telecommunication Union (ITU、国際電気通信連合) に承認された、第 4 世代 (4G) 通信システムの候補です。このシステム (Release 10 以降) では、ダウンリンクの最大データ レートが 1Gbps を超えるとされています。Release 10 の仕様を使用して、この例ではそのような高データ レートを可能にする複数アンテナ伝送スキームを取り上げます。

送信機と受信機の両方で複数のアンテナを使用するこの例では、UE Category 5 のパラメーターを使用した 2-by-2 と 4-by-4 のアンテナ構成の Release 10 (Release 8 と互換性あり) モードを示しています。4-by-4 モードにより、最大 300 Mbps のダウンリンク伝送速度が可能になります。規格で指定されている複数アンテナ伝送モードに従い、この例では閉ループ コードブック ベースの事前コーディングを使用したマルチ符号語空間多重伝送を使用しています。

この例で取り上げる主な構成内容は以下のとおりです。

  • 可変サイズのペイロード生成

  • 各トランスポート ブロックへの CRC の挿入

  • コードブロックごとの CRC 挿入によるコードブロックのセグメント化

  • チャネル (ターボ) コーディング

  • ビット選択によるレートの一致

  • ビットレベルでのスクランブル

  • データ変調 (QPSK、16QAM または 64QAM)

  • 2 個または 4 個のアンテナのレイヤー マッピング

  • コードブックベースの事前コーディング

  • リソース要素のマッピングおよび

  • OFDM 信号の生成

上記に加え、この例では以下を使用する受信機をモデル化します。

  • 内挿による最小二乗チャネル推定

  • 行列インジケーター (PMI) フィードバックの事前コーディングが有効な場合のコードブック選択における最小平均二乗誤差 (MMSE) ベースの条件

  • MMSE ベースの線形 MIMO 受信機および

  • 2 段階の早期終了チャネル デコーダー [ 8 ]

この例には以下が含まれます。

付随する「ダウンリンク トランスポート チャネル (DL-SCH) 処理」の例では、LTE のダウンリンク トランスポート チャネルの処理を紹介しています (LTEDLSCHExample.mdlLTEDLSCHExample.mdl)。

キーワード: LTE、MIMO-OFDM、空間多重化、コードブックベースの事前コーディング、MMSE、レート一致、ターボ符号化、球面デコード。

Simulink モデルは、モデル コンポーネントの異なる目的を強調表示するために異なる色を使用します。

  • オレンジで強調表示されたブロックはダウンリンク チャネル処理コンポーネントに対応します。

  • ライト ブルーで強調表示されたブロックはモデリング ハーネスに対応します。

  • シアンで強調表示されたブロックは検証と可視化を補助します。

  • 黄色のブロックはユーザーの操作が可能なことを示します。

モデルでは仕様の周波数分割デュプレックス (FDD) モードを取り上げます。したがって 10 個のサブフレームからなる 10ms の無線フレームを使用しています。持続時間が 1ms の各サブフレームは 2 つの連続するスロットをもちます。

Simulink モデルはタイム ステップごとに 1 つのサブフレームを処理します。

基地局 (eNodeB) におけるダウンリンク共有チャネル処理にはトランスポート チャネル処理と物理チャネル処理 (PDSCH) が含まれ、受信機 (UE) では、対応する二重性により送信されたデータ ビットを取得します。次のサブセクションでは、これらの処理を LTE 規格の関連する節 [ 1-6 ] を参照しながら簡単に説明します。

トランスポート チャネル処理

トランスポート チャネルは MAC 層と物理層の間のインターフェイスを提供します。ダウンリンク共有チャネル (DL-SCH) は LTE の主なダウンリンク トランスポート チャネルで、ユーザー データおよび専用の制御情報、またダウンリンク システム情報の一部に対して使用されます。

この例では、サイズ、変調および符号化率が同一の 2 つの符号語の伝送、つまり、送信時間間隔 (TTI) ごとの 2 つのトランスポート ブロックをモデル化します。各符号語は 1 つのトランスポート ブロックに対応します。

各トランスポート ブロックへの CRC の挿入

この例では、24 ビット CRC を計算して、生成された各トランスポート ブロックに追加します。これにより、デコードされたブロックのエラー検出が受信側で可能になります。

コードブロックのセグメンテーションとコードブロックごとの CRC 挿入

LTE でサポートされているターボ符号化インターリーバー ブロック長は最長 6144 ビットであるため、このサイズを超えるトランスポート ブロックはすべて小さいコードブロックにセグメントされます。この例では、構成されたリンク パラメーターと指定されたトランスポート ブロック サイズに基づいて、セグメント (コードブロック) の数が決定され、連続処理されます (TB Channel Coding ブロック)。LTE 規格の 7.1.7.2 節 [3] で指定されているサイズでは、セグメント化処理の一部としての充填ビットは必要ありません。各トランスポート ブロックに複数のコードブロックがある場合について、この例では 24 ビット CRC を計算して、各コードブロックに追加します。これにより正しくデコードされたコード ブロックをすばやく検出し、結果として、そのコード ブロックの反復デコードを早期終了することができます。コードブロックごとにデコードを実装する、MATLAB で作成された System object commLTETurboDecodercommLTETurboDecoder を参照してください。

チャネル コーディング

DL-SCH はターボ符号化をチャネルのコーダーとして使用します。「並列連接たたみ込み符号化: ターボ符号」の例で詳細が説明されています。

レートの一致

レートの一致では、エンコードされたビットからサブフレーム内で送信する一連のビットそのものを抽出します。この例では、UE Category 5 のパラメーター (LTE 規格の表 4.1-1 [ 5 ]) を使用して、サブブロック インターリーブ、循環バッファーの作成および実際のビット選択を実装します。その後、複数のコードブロックを下流の物理チャネル処理用に連結します。

物理チャネル (PDSCH) 処理

物理チャネルは、特定のトランスポート チャネルの伝送に使用される一連の時間周波数リソースに対応します。各トランスポート チャネルは対応する物理チャネルにマッピングされます。物理ダウンリンク共有チャネル (PDSCH) は、ユニキャスト データ伝送で主に使用される物理チャネルです。この例では、コードブックベースの空間多重伝送を使用します。また、その結果として、以下のダウンリンク物理チャネル処理も使用します。

スクランブル

トランスポート チャネルのエンコード ビットはビットレベルのスクランブル シーケンスでスクランブルされます (LTE 規格の 7.2 および 6.3.1 節 [1])。スクランブル シーケンスは、セル間の干渉ランダム化を確実にするため、物理層セル ID に依存します。単一ユーザーの単一セル ダウンリンク伝送において、この例では 1 つのセル ID を仮定しますが、送信される符号語ごとにシーケンスが変わるものとします。

データ変調

ダウンリンク データ変調はスクランブルされたビットを複素変調シンボルに変換します。サポートされている一連の変調方式には QPSK、16QAM および 64QAM があります。これらはそれぞれ、変調シンボルの 2、4 および 6 ビットに対応します (LTE 規格の 7.1 および 6.3.2 節 [1])。変調方式は Model Parameters ブロックの PDSCH modulation type パラメーターによって選択されます。

レイヤー マッピング

両方の符号語からの複素変調シンボルは、LTE 規格の 6.3.3.2 節 [1] に従って、レイヤー (アンテナ端子) にマッピングされます。フル ランクの伝送が想定されているため、レイヤーの数は送信アンテナの数に等しくなります (送信アンテナの数は Model Parameters ブロックの Antenna configuration パラメーターで決定されます)。

コードブックベースの事前コーディング

レイヤーごとに変調されたシンボルは、LTE 規格の 6.3.4.2 節 [1] で指定されているコードブックを使用して事前に符号化されます。2 つのアンテナ (レイヤー) に対しては DFT ベースのコードブックが使用されます。これは 2 つのエントリのみを見込みます。一方、4 つのアンテナ (レイヤー) に対してはハウスホルダー行列からの 16 エントリが使用されます。Model Parameters ブロックのパラメーター Enable PMI feedback およびコードブック インデックスにより、UE からのフィードバックまたは最初のユーザー指定に基づきコードブックが選択できます。この例では、eNodeB から UE、またはフィードバックの場合は UE から eNodeB へのコードブック インデックスの伝送に使用される制御信号はモデル化されません (つまり、エラー フリーのインデックス伝送が想定されています)。

リソース要素のマッピング

各アンテナで伝送される事前に符号化されたシンボルは、伝送に使用可能なリソース ブロックのリソース要素にマッピングされます。使用可能なリソース ブロックの数は、Model Parameters ブロックの Channel bandwidth パラメーターにより、次の表 (LTE 規格 [6] より転載) に従って決まります。

選択された構成に対し、各リソース ブロックは、15 KHz 副搬送波間隔で総計 180 KHz のスペクトルとなる 12 の副搬送波に対応します。したがって、20 MHz チャネル帯域幅で、使用可能な 100 個のリソース ブロックが 18 MHz のチャネル帯域幅を占有します。

サブフレームごとにリソース要素にマッピングされるデータ シンボルの実際の数は、以下によって決まります。

  • チャネル推定に使用されるセル固有の基準 (CSR) 信号が利用するリソース要素

  • 制御信号領域 (PDCCH)

  • 1 次同期信号 (PSS) と 2 次同期信号 (SSS) が利用するリソース要素

  • ブロードキャスト チャネル (PBCH) の伝送で利用されるリソース要素

これらの信号の一部はすべてのサブフレームで伝送されるわけではないので、データ ペイロードのサイズは無線フレーム内のサブフレーム間で異なります。

セル固有の基準信号

LTE 基準信号において最も基本となる、セル固有の基準 (CSR) 信号は、セル内の 1、2 または 4 つのアンテナに対して指定され、受信機側のチャネル推定に使用されます。

この例では、次の図 (LTE 規格 [1] より転載) で示すように、2 つのアンテナと 4 つのアンテナに使用される、リソース ブロックごとの CSR 信号の構造をモデル化します。

ここで、アンテナの基準信号を搬送するリソース要素については、その他のアンテナの対応するリソース要素は null 伝送をもちます。これにより、他のアンテナ伝送からの干渉を受けずに CSR 信号が伝送されます。

また、1 番目と 2 番目のアンテナにおける基準シンボル密度に比べて、3 番目と 4 番目のアンテナの基準信号の基準シンボル密度が低いことにも注目してください。これは、大きい番号のアンテナのオーバーヘッドを減らし、急速なチャネル変動に対する追跡機能を制限する効果があります。

OFDM 伝送

各アンテナの複素数値時間領域 OFDM 信号は、データが完全に埋められたリソース グリッドから生成されます。FFT ポイントの数は、LTE 規格の表 F.5.3-1 [ 4 ] に示されるとおり、指定されたチャネル帯域幅によって決まります。標準サイクリック プレフィックスの場合、スロット内の 7 つの OFDM シンボルは異なるサイクリック プレフィックス長を使用します。

MIMO チャネルのモデル

MIMO Fading Channel ブロックには、LTE 規格の付録 B.2 [ 4 ] に従った MIMO フェージング プロファイルが実装されています。閉ループ空間多重化モードは高速データ転送および低可動性のシナリオの場合のみに適用されるので、高可動性のプロファイルは除外されています。複数のリンク間での低相関設定で、comm.LTEMIMOChannelcomm.LTEMIMOChannel System object と comm.MIMOChannelcomm.MIMOChannel System object を使用します。

LTE MIMO チャネル プロファイルの相関レベルのパラメトリック制御については、付随のコンポーネント モデル LTEPDSCHExample.slxLTEPDSCHExample.slx を参照してください。

受信機 (UE) の処理

この例でモデル化する受信機の処理 (UE における) の主な要素は以下のとおりです。

OFDM 受信機 - スロット内の OFDM シンボルごとの等しくないサイクリック プレフィックス長を元に戻し、時間および周波数領域グリッド構造に変換し直します。

以下の項目が含まれた "MIMO 受信機" サブシステム。

  1. "チャネル推定"。基準信号のノイズ除去のサブフレームでの平均とデータ要素の副搬送波での線形内挿を使用して最小二乗推定を行います。また、チャネル推定には CSR 信号を使用します。

  2. "コードブック選択"。最小平均二乗誤差 (MMSE) 条件を使用してサブフレームごとのコードブック インデックスを計算します [ 9 ]。Enable PMI feedback パラメーターが有効になっている場合、このインデックスは送信機にフィードバックされ、次のタイム ステップで使用されます。それ以外の場合は、シミュレーションの間、ユーザーが指定したコードブック インデックスが使用されます。フィードバック粒度はいったんサブフレーム全体 (広帯域) 用にモデル化され、次の伝送サブフレームに適用されます。

  3. "MIMO 受信機"。線形 MMSE 受信機を使用し、複数のアンテナ伝送からの干渉に対抗します。

"軟判定復調"。符号語ごとに使用され、下流のターボ デコード処理を容易にします。

"2 段階の早期終了チャネル復号化"。受信したデータのブロック (TB Channel Decoding ブロック) をデコードします。Model Parameters ブロックの Disable transport-block level early termination パラメーターはトランスポート ブロックを完全にデコードするかどうかを制御します。コードブロックごとの反復デコードの早期終了は常にオンになっています。2 段階のデコードとシミュレーションにおけるその効果の詳細は、「ダウンリンク トランスポート チャネル (DL-SCH) 処理」の例を参照してください。

前提条件と簡略化

シミュレーションでは、以下の前提条件と簡略化を使用しています。

  • 単一ユーザーのダウンリンク伝送 (NcellID = 0、RNTI = 1)

  • HARQ のサポートなし (冗長バージョン番号、rvIdx = 0)

  • スロットごとに 7 つの OFDM シンボルを指定する標準サイクリック プレフィックス

  • Model Parameters ブロックでユーザー選択されたチャネル帯域幅に基づく帯域幅全体のデータ割り当て

  • シミュレーションの間、ユーザーが指定可能な一定の制御領域

  • ローカライズされたリソースのマッピングのみ

  • リソース グリッドの埋め込みは PDCCH、PBCH チャネルおよび PSS、SSS 信号に相当するが、個別の信号はモデル化しない。これにより、受信機のデータ シンボルの処理に影響を与えずにデータ スループット測定が可能になります。

  • フル ランクのモデル化のみ。つまり 2-by-2 のアンテナ構成は 2 レイヤーを、4-by-4 のアンテナ構成は 4 レイヤーを有します。このため、ランク推定はモデル化されません。

  • トランスポート ブロックのサイズは、"min|R -(A+24)/N|" を使用して指定されたパラメーターに基づいて事前に決定されます。ここで、R はターゲットのコーディング レート、A は LTE 規格の 7.1.7.2 節 [3] に従ったトランスポート ブロックのサイズ、N は指定された割り当てと構成で使用可能な PDSCH データ ビットの数です。

  • RF コンポーネントのモデル化を行わないベースバンド処理のみ。

  • 事前に符号化された行列指数のフィードバックと可変サイズ データ ペイロードは別として、シミュレーションの実行中、他の属性はモデルには適用しない。

結果と表示

選択されたパラメーターについて、以下の表示によってシミュレーション中のモデル化を検証、確認します。

  • 符号語ごとの PDSCH ビットのビット誤り率測定器 (PBER)

  • トランスポート ブロックのブロック誤り率測定器 (BLER)

  • 符号語ごとのデータ ビットのビット誤り率測定器 (CBER)

  • 受信したアンテナごとの受信信号の散布図。OFDM 受信機の処理後。

MIMO 受信機の処理後。

上の図は、モデルの既定の構成での結果を示しています。2 組のプロットを比較することで、PDSCH ビット誤り率の性能に直接影響する、MIMO 受信機での信号分離能力を測定できます。

  • 送受信された信号スペクトル。サブフレームごとの両方のリスペクトル プロットの比較によって、フェージング チャネルの全時間にわたる周波数選択性が強調表示されます。サブフレーム内の最後の OFDM シンボルのみが表示されることに注意してください。

  • コードブック インデックス信号スコープ - フィードバックが有効になっている場合、適用されたコードブック内の変化を見ることができます。

  • シミュレーションの実行を通しての符号語あたりの最大スループット。

シミュレーションが完了すると 2 つの 3 次元プロットが表示され、トランスポート ブロックの各コードブロックで使用されたデコードの反復回数が時間の経過とともに示されます (既定の最大値である 8 以下)。

これらのプロットは、ターボ デコードに使用されるデコード反復回数パラメーターの最大値を検証する際に役立ちます。

また、ワークスペース変数 cbFlags1 および cbFlags2 は、時間の経過に伴うトランスポート ブロックごとの各コードブロックの誤りステータスを維持します (トランスポート ブロック内のコード ブロックごとに、誤りがある場合は 1、誤りがない場合は 0)。この例の既定の設定では、シミュレーション実行の全体を通して、符号語ごとに誤りのあるトランスポート ブロックを観測します。

errCW1 =

   Empty matrix: 0-by-30


errCW2 =

   Empty matrix: 0-by-30

これらの値は、表示された符号語ごとのトランスポート ブロック誤り率とも一致します。

その他の調査

この例は、送信機、チャネルおよび受信機サブシステムのパラメーター制御を伴う、新しい技術の 4G LTE システムに必要な処理への洞察を示しています。これにより、依存属性およびビット誤り率とブロック誤り率を指数としたリンク性能に対して依存属性が与える影響を調べることが可能になります。例では以下の機能を紹介しています。

  • Simulink 内での可変サイズの信号

  • Communications System Toolbox の System object およびブロック

  • MATLAB で作成された System object

  • Simulink 内でのより簡潔な制御フローのモデル化のための MATLAB Function ブロック

その他の調査例として以下が挙げられます。

  • Model Parameters ブロックを使用して LTE 規格の表 A.3.3.2.1-1 と A.3.3.2.2-1 [4] に従ってさまざまな固定基準測定チャネルを構成し、チャネル条件と受信機パラメーターをさまざまに変更してシステムの性能を解析します。この例ではサブフレーム 5 のシステム情報ブロック (SIB) の伝送をモデル化しないので、スループット測定値は表に示された値より高くなります。また 4 つのアンテナ端子に関して表 A.3.3.2.2-1 では送信ダイバーシティを想定しているので、この例ではペイロード サイズも異なります。

  • コンポーネント モデル LTEPDSCHExample.slxLTEPDSCHExample.slx を使用してチャネル コーディングの影響を受けずに物理チャネル処理を解析します。これにより複数フェージング リンク間の相関レベル制御が追加され、複数の LTE MIMO チャネル プロファイルでの BER 性能が評価できます。

  • 用意されている代替アルゴリズム (たとえばコードブック選択条件や線形 MIMO 受信機関数) を、コードをコメント解除したり独自コードを作成したりして試してみます。MATLAB コードを使用することで、既存の実装を学んでアルゴリズムを簡単に変更することができます。

これらの作業をさらに発展させたものとして、以下が挙げられます。

  • ランク推定とフィードバック

  • 受信機側での SNR 推定

  • PDCCH、PBCH、PSS および SSS 信号方式を含むフル オーバーヘッドのモデル化

  • 増分冗長 HARQ モデル化の組み込み

  • CSI をもつ最大 8 つのレイヤーと非コードブック ベースの事前コーディングのサポート

参考文献

  1. 3GPP Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and Modulation (Release 10)", 3GPP TS 36.211 v10.0.0 (2010-12) http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/36-series.htm.

  2. 3GPP Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Multiplexing and channel coding (Release 10)", 3GPP TS 36.212 v10.0.0 (2010-12)

  3. 3GPP Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical layer procedures(Release 10)", 3GPP TS 36.213 v10.0.0 (2010-12).

  4. 3GPP Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment(UE) radio transmission and reception (Release 10)", 3GPP TS 36.101 v10.0.0 (2010-10).

  5. 3GPP Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment(UE) radio access capabilities (Release 10)", 3GPP TS 36.306 v10.0.0 (2010-12).

  6. 3GPP Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Base station radio transmission and reception (Release 10)", 3GPP TS 36.104 v10.0.0 (2010-09).

  7. E. Dahlman, S. Parkvall, and J. Skold, "4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband", Elsevier, 2011.

  8. Cheng, J.-F., "Two-Level Early Stopping Algorithm for LTE Turbo Decoding", IEEE 68th Vehicular Technology Conference, 2008, pp. 1-5.

  9. D. J. Love & R. W. Heath, "Limited Feedback Unitary Precoding for Spatial Multiplexing Systems", IEEE Trans. Info. Theory, Vol. 51, No. 8, Aug 2005, pp. 2967-2976.

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