LTE上行信道的八天線干擾抑制合并技術(shù)?

董慶龍，李亞麟，倪衛(wèi)明

LTE上行信道的八天線干擾抑制合并技術(shù)?

董慶龍1，李亞麟1，倪衛(wèi)明2

（1.上海貝爾股份有限公司，上海200070；2.復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海200433）

基于最小均方誤差估計準則推導(dǎo)了LTE多天線上行信道的干擾抑制合并和最大比合并的均衡公式。通過仿真比較，驗證了八天線干擾抑制合并接收算法在有同頻干擾情況下的優(yōu)越性：隨著信噪比的增大，干擾抑制合并算法的誤碼率大幅降低，而最大比合并算法則形成誤碼平臺；八天線干擾抑制合并性能明顯優(yōu)于兩天線性能。LTE在同頻組網(wǎng)時，基站可以采用八天線接收的干擾抑制合并技術(shù)以提高上行鏈路的抗干擾性能。

多輸入多輸出；干擾抑制合并；最大比合并；抗干擾性能

1 引言

LTE為了提高系統(tǒng)吞吐率，采用了頻譜利用率比較高的正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）。在20 MHz系統(tǒng)帶寬下，TD-LTE能夠?qū)崿F(xiàn)100 Mbit／s的下行速率和50 Mbit／s的上行速率［1］。但是，當需要多小區(qū)組網(wǎng)時，為了避免相互干擾，最簡單的辦法是采用異頻組網(wǎng)，即相鄰小區(qū)之間使用不同的頻段。但是，這樣會帶來頻譜資源的浪費。如果OFDM蜂窩系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)同頻組網(wǎng)，頻帶資源將得到大大節(jié)省。但是，同頻組網(wǎng)也意味著同頻有色干擾將大大增加。必須找到一種比較有力的干擾抑制技術(shù)，才能使同頻組網(wǎng)變成現(xiàn)實。

目前主要的小區(qū)間干擾抑制技術(shù)［2］包括干擾隨機化、干擾抑制、干擾協(xié)調(diào)／回避、波束賦形［3］4種。其中，干擾隨機化是通過小區(qū)特定擾碼加擾的方式使得小區(qū)間的干擾隨機化，通過通信終端的解擾來去除干擾，缺點是沒有帶來信噪比的提升；干擾協(xié)調(diào)／回避技術(shù)是通過限制資源調(diào)度和發(fā)射功率來降低小區(qū)間的干擾，缺點是頻譜利用率降低；波束賦形技術(shù)一般應(yīng)用于下行鏈路，要綜合使用干擾協(xié)調(diào)等技術(shù)，缺點是復(fù)雜度較高，對終端要求高；干擾抑制技術(shù)則可以通過特別的信道均衡技術(shù)減掉接收信號中的干擾分量，帶來接收機的處理增益，并且可以和其他幾種技術(shù)聯(lián)合使用，優(yōu)勢明顯，從而成為LTE通信系統(tǒng)用于抑制干擾不可缺少的技術(shù)。

為了找到有效抑制干擾的均衡算法，首先需要對OFDM多天線接收系統(tǒng)進行建模。系統(tǒng)模型的信道應(yīng)該滿足3GPP規(guī)范［4］的要求，信道中不但應(yīng)該包含高斯白噪聲，還應(yīng)該引入信源的同頻有色干擾。通過動態(tài)調(diào)整白噪聲和干擾信號強度，來分析均衡算法的性能。本文所研究的八天線干擾抑制合并均衡算法能夠隨著信噪比的提高，有效抑制同頻干擾對上行鏈路的影響，使誤碼率（BER）明顯下降。

2 系統(tǒng)模型

2.1 系統(tǒng)模型框圖

LTE上行鏈路同時疊加高斯白噪聲和同頻干擾的系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中，發(fā)信機UE1的同頻有色干擾源UE2與UE1的處理過程相同，將發(fā)送的前端數(shù)據(jù)調(diào)制以后經(jīng)過離散傅里葉變換（DFT）完成發(fā)送預(yù)編碼，然后插入了各自導(dǎo)頻信號［5］后經(jīng)反快速傅里葉變換（IFFT）映射到各子載波在數(shù)據(jù)無線信道中發(fā)送。發(fā)信機和干擾源經(jīng)過的信道Hs和Hi應(yīng)該具有如下特性：一是單進多出（Single Input Multiple Output，SIMO）；二是多徑信道且各徑衰落滿足瑞利分布；三是10 Hz的多普勒頻移（表示用戶處于低速運動狀態(tài)）；四是滿足EPA模型［5］；五是Hs與Hi各自獨立不相關(guān)。

2.2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型［6-7］

對于OFDM的每個子載波，n根天線接收情況下，其接收信號模型可以表示為

式中，x為待估計的發(fā)送OFDM符號；Y為接收到的信號向量［y1y2…yn］T，為已知量，其中（·）T表示矩陣轉(zhuǎn)置；Hs為發(fā)送信號x的信道沖激響應(yīng)［hs1hs2…h(huán)sn］T，可以通過導(dǎo)頻信號估計；i為干擾信號，為未知量；Hi為干擾信號i的信道沖激響應(yīng)［hI1hI2…h(huán)In］T，為未知量；N為高斯白噪聲［n1n2…nn］T。

信道均衡的目標，就是找出一組復(fù)權(quán)值W=［w1，w2，…，wn］，使得對發(fā)送信號x的估計?x=W· Y最接近原始信號。

由最小均方誤差估計（MMSE）準則：

根據(jù)正交原理，有：

即：

式中，（·）H表示復(fù)數(shù)矩陣的共軛轉(zhuǎn)置，（·）*表示復(fù)數(shù)的共軛。

2.3 最大比合并（MRC）

MRC方法是將高斯白噪聲加干擾信號統(tǒng)一看成噪聲Nri，則式（1）變?yōu)?/p>

由式（4）可得發(fā)送信號x的估計：

令E (x2)=1，且將高斯白噪聲與干擾信號之和簡化為高斯白噪聲，則：

式中，δ為噪聲Nni的方差。

2.4 干擾抑制合并（IRC）

對MRC方法的分析中，將高斯白噪聲與干擾信號之和簡化為高斯白噪聲。而事實上，干擾信號的頻譜并不是全帶寬均勻分布的，而是與目標用戶信號具有相類似頻譜分布的有色干擾，因此MRC簡化方式勢必會帶來相應(yīng)的性能損失。IRC方法將高斯白噪聲與干擾信號分開考慮。由式（7）可得

式中，Rni=Nni（Nni）H=（Y-Hsxdmrs）（Y-Hsxdmrs）H，為高斯白噪聲加有色同頻干擾的協(xié)方差矩陣，其中的xdmrs是導(dǎo)頻的已知訓(xùn)練序列信號。

在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，Hs是可以通過使用寬帶訓(xùn)練序列（在LTE系統(tǒng)中，是采用Zadoff-Chu序列實現(xiàn)的［1］）進行信道估計獲得；利用Zadoff-Chu序列所具有的理想自相關(guān)特性以及相對較好的互相關(guān)特性，結(jié)合時域上和頻域上的濾波，目標用戶的信道估計Hs可以達到較高的準確度。因此，在接收端可以獲得訓(xùn)練序列所在的頻域與時域資源上高斯白噪聲加有色同頻干擾的協(xié)方差矩陣。

3 上行鏈路性能仿真及分析

仿真中，信道模型采用的是一發(fā)多收瑞利衰減多徑信道。接收信號的信道頻域響應(yīng)Hs采用理想信道響應(yīng)，直接由LTE的導(dǎo)頻信號DMRS（De-Mou

lation Reference Signal）計算得出。干擾信號的頻域響應(yīng)Hi的多徑延遲和路損與Hs相區(qū)別。Nni通過DMRS由下式獲得：

當系統(tǒng)只有白噪聲而無同頻有色干擾時，八天線接收的MRC與IRC的性能比較如圖2所示。此時MRC的性能隨SNR的增加，逐漸優(yōu)于IRC。

當在白噪聲上疊加與接收信號相同功率的同頻有色干擾信號時，八天線接收的MRC與IRC的性能比較如圖3所示。此時IRC的性能隨著SNR的增加，越來越明顯好于MRC，而MRC隨SNR的增加，幾乎沒有帶來BER的增加。

當固定SNR=10 dB，改變信干比SIR時，八天線接收的MRC與IRC的性能比較如圖4所示。當干擾能量較高時，IRC性能明顯優(yōu)于MRC；只有干擾能量的逐漸降低時，MRC性能才逐漸優(yōu)于IRC。

在相同高斯白噪聲和有色干擾并存的情況下，兩天線IRC和MRC與八天線IRC性能對比如圖5所示。兩天線接收的IRC性能雖然優(yōu)于MRC，但優(yōu)勢并不明顯；八天線的IRC性能遠優(yōu)于兩天線IRC的性能，這是因為天線數(shù)的增加所帶來的接收增益。

4 結(jié)論

本文考慮了LTE的上行鏈路中采用多天線接收技術(shù)降低相鄰小區(qū)同頻干擾問題，基于最小均方誤差估計法給出了IRC和MRC的均衡方程，并分別在不同天線組合、不同信干比等情況下給出了仿真結(jié)果。根據(jù)仿真結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1）當系統(tǒng)存在的同頻有色干擾與接收信號強度相當時，增加上行接收天線數(shù)至8根并采用IRC均衡技術(shù)可以有效抑制干擾；而MRC算法則出現(xiàn)了誤碼率平臺；

（2）當系統(tǒng)不存在同頻有色干擾或者干擾信號低于接收信號時，MRC的性能則優(yōu)于IRC。

可見，LTE系統(tǒng)上行鏈路通過增加接收天線至8根、并根據(jù)同頻干擾信號強度動態(tài)選擇IRC和MRC均衡技術(shù)，將能較好地解決同頻組網(wǎng)帶來的干擾問題，對系統(tǒng)性能帶來大幅提升。關(guān)于MRC和IRC科學(xué)準確的切換判決機制本文未能給出，在后續(xù)的研究中應(yīng)該進一步加以明確和量化。

［1］沈嘉，索士強，全海洋，等.3GPP長期演進（LTE）技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京：人民郵電出版社，2008. SHEN Jia，SUO Shi-qiang，QUAN Hai-yang，et al.3GPP Long Term Evolution：Principle and System Design［M］.Beijing：People′s Post＆Telecom Press，2008.（in Chinese）

［2］3GPP TR 36.104，3rd Generation Partnership Project；Technical Specification Group Radio Access Network；Base Station（BS）radio transmission and reception（FDD）（Release 8）［S］.

［3］3GPP R1-070840，Adaptive Beamforming in E-UTRA［S］.

［4］3GPP TR 25.814，Physical Layer Aspects for Evolved Universal Terrestrial Radio Access（UTRA）（Release 7）［S］.

［5］3GPP TS 36.211，Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）［S］.

［6］汪源源.現(xiàn)代信號處理理論與方法［M］.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2002：45-70.

WANG Yuan-yuan.Current Signal Process Theory and Methods［M］.Shanghai：Fudan University Press，2002：45-70.（in Chinese）

［7］趙樹杰，趙建勛.信號檢測與估計理論［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005：260-348，400-404.

ZHAO Shu-jie，ZHAO Jian-xun.Signal Detection and Estimation Theory［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2005：260-348，400-404.（in Chinese）

DONG Qing-long was born in Chaoyang，Liaoning Province，in 1979.He received the B.S.degree from Jilin University in 2008.He is now a graduate student and is working in Alcatel-Lucent Shanghai Bell Co.，Ltd.as a R＆D engineer.His research concerns the uplink R＆D of TD-LTE eNodeB.

Email：qinglong.dong＠alcatel-sbell.com.cn

李亞麟（1981—），男，安徽阜陽人，2008年于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲通信與信息系統(tǒng)專業(yè)博士學(xué)位，2008年至今在上海貝爾股份有限公司分別作為博士后和無線系統(tǒng)主任級工程師工作，主要研究方向為多天線信號處理、多天線收發(fā)機設(shè)計；

LI Ya-lin was born in Fuyang，Anhui Province，in 1981.He received the Ph.D.degree from University of Science and Technology of China in 2008.He works in Alcatel-Lucent Shanghai Bell Co.，Ltd.as a post-doctor and wireless system advisory engineer. His research interests include multi-antenna signal processing and the design of multi-antenna transceiver in LTE system.

倪衛(wèi)明（1970—），男，上海人，1998年獲博士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要研究方向為通信信號處理和無線網(wǎng)絡(luò)。

NI Wei-ming was born in Shanghai，in 1970.He received the Ph.D.degree in 1998.He is now an associate professor.His research interests include communication signal processing and wireless network.

8-antenna Interference Rejection Combining Technology for LTE Uplink

DONG Qing-long1，LI Ya-lin1，NI Wei-ming2
（1.Alcatel-Lucent Shanghai Bell Company Limited，Shanghai 200070，China；2.School of Information Science and Technology，F(xiàn)udan University，Shanghai 200433，China）

The equalization formulae of IRC（Interference Rejection Combing）and MRC（Max Ratio Combiner）are provided based on the minimum mean square error（MMSE）criteria in LTE uplink with multi-antenna.By simulations and comparison，the advantages of 8-antenna IRC arithmetic with the same frequency interference are validated：with the Signal-to-Noise Ratio（SNR）increasing，the Bit Error Rate（BER）of 8-antenna IRC becomes much lower，but the BER of 8-antenna MRC becomes flat；8-antenna IRC is much better than 2-antenna IRC.When organizing networks with the same frequency，the LTE base station can use IRC technology with 8 receiving antennas to improve the anti-interference performances for the uplink.

multiple input multiple output（MIMO）；interference rejection combining（IRC）；max ratio combiner（MRC）；anti-interference performance

The National Science＆Technology Major Project（2010ZX03002-003）

TN929.5

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.07.008

董慶龍（1979—），男，遼寧朝陽人，2002年于吉林大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生、上海貝爾股份有限公司移動研發(fā)部研發(fā)工程師，主要從事TD-LTE eNodeB上行鏈路研發(fā)；

1001-893X（2012）07-1092-04

2012-03-27；

2012-05-16

國家科技重大專項（2010ZX03002-003）