一種基于協(xié)方差矩陣的MU-MIMO干擾消除算法研究*

楊中豪，王 瓊

（重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065）

0 引言

為了減小干擾及提高小區(qū)邊緣用戶容量，3GPP一直致力于研究干擾消除技術(shù)。這些技術(shù)要么使用半靜態(tài)時(shí)域技術(shù)(eICIC，F(xiàn)eICIC)，要么使用動(dòng)態(tài)技術(shù)，如 CoMP技術(shù)，這些技術(shù)對(duì)同步有不同的需求，并且要求無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間要信息共享，被稱為發(fā)送端網(wǎng)絡(luò)輔助干擾抑制技術(shù)。同時(shí)，多用戶MIMO干擾消除技術(shù)也可以在終端進(jìn)行，這不需要網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)助。如果一個(gè)終端接收機(jī)能夠識(shí)別出干擾組成，則它就能抑制干擾，提高接收信號(hào)的信干噪比[1]。

1 多小區(qū)MIMO系統(tǒng)模型

實(shí)際通信系統(tǒng)中，相鄰小區(qū)間存在干擾[2]。圖1為多 小區(qū)MIMO系統(tǒng)模型[3]。

圖1 多小區(qū)MIMO系統(tǒng)模型

圖1是K個(gè)相鄰小區(qū)的等效MIMO系統(tǒng)模型。需要說(shuō)明的是，K×NT個(gè)發(fā)射天線發(fā)射的信號(hào)經(jīng)過(guò)相互獨(dú)立的無(wú)線通信信道后被接收端接收處理[4]。接收信號(hào)向量y表示如下：

將干擾信號(hào)以及接收端的噪聲看成一個(gè)整體，式(1)可以化簡(jiǎn)為：

其中：

2 一種基于協(xié)方差矩陣估計(jì)的IRC算法

LTE-A系統(tǒng)中，現(xiàn)階段有兩種估計(jì)協(xié)方差矩陣的方法：一種是基于數(shù)據(jù)信號(hào)的協(xié)方差矩陣估計(jì)，另一種是基于參考信號(hào)的協(xié)方差矩陣估計(jì)。下面分別對(duì)這兩種方案進(jìn)行介紹。

2.1 基于數(shù)據(jù)信號(hào)的協(xié)方差矩陣估計(jì)

一般情況下，干擾信號(hào)與噪聲是不相關(guān)的，故接收數(shù)據(jù)信號(hào)的自相關(guān)矩陣可以表示為：

文獻(xiàn)[5]中，給出了聯(lián)合時(shí)、頻域的Ryy的計(jì)算表達(dá)式：

式中，L為時(shí)域OFDM符號(hào)的個(gè)數(shù)，B為頻域子載波的個(gè)數(shù)，y(k，l)為第k個(gè)子載波、第l個(gè) OFDM符號(hào)上的接收數(shù)據(jù)。

因此，在基于數(shù)據(jù)信號(hào)的協(xié)方差矩陣估計(jì)方法中，wH可以表示為：

基于數(shù)據(jù)信號(hào)的協(xié)方差估計(jì)是一種利用樣本均值代替統(tǒng)計(jì)平均的方法，基于數(shù)據(jù)信號(hào)的協(xié)方差估計(jì)的關(guān)鍵是樣本點(diǎn)的選取問(wèn)題。

2.2 基于參考信號(hào)的協(xié)方差矩陣估計(jì)

文獻(xiàn)[6]給出了另一種計(jì)算協(xié)方差矩陣的方法，即基于DM-RS參考信號(hào)的協(xié)方差矩陣估計(jì)法。

在基于DM-RS參考信號(hào)的協(xié)方差矩陣估計(jì)法中，同基于數(shù)據(jù)信號(hào)的協(xié)方差矩陣估計(jì)法一樣，也考慮了利用樣本均值代替統(tǒng)計(jì)平均的方法。

故基于DM-RS參考信號(hào)的協(xié)方差矩陣估計(jì)方法中，wH可以表示為：

雖然基于DM-RS參考信號(hào)的協(xié)方差矩陣估計(jì)法對(duì)協(xié)方差矩陣u的估計(jì)較為精確，進(jìn)而對(duì)干擾抑制的效果也較為明顯。因此在LTE-A系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中得到了采用[7]。但是在整個(gè)估計(jì)過(guò)程中，只是利用了參考信號(hào)位置信息，并不能像基于數(shù)據(jù)信號(hào)的協(xié)方差矩陣估計(jì)法那樣可以利用所有接收數(shù)據(jù)信號(hào)，因此，這種方案資源利用不充分。

3 一種基于樣本點(diǎn)選取的協(xié)方差矩陣估計(jì)的改進(jìn)

3.1 樣本點(diǎn)選取方案

LTE-A系統(tǒng)中，只有在滿足相關(guān)帶寬和相關(guān)時(shí)間的條件下，信道矩陣H、Gi才是慢衰落的。此時(shí)樣本點(diǎn)選取的越多，樣本均值越接近統(tǒng)計(jì)平均。如果在不滿足相關(guān)時(shí)間和相關(guān)帶寬的條件下，過(guò)多地選取樣本點(diǎn)，會(huì)因選取到下一統(tǒng)計(jì)時(shí)刻的樣本點(diǎn)而影響性能。

文獻(xiàn)[8]給出了計(jì)算相關(guān)帶寬Bc和相關(guān)時(shí)間Tc的方法，結(jié)合文獻(xiàn)[9]定義的不同信道類型的參數(shù)，可以得到不同信道下的相關(guān)帶寬以及相關(guān)時(shí)間。圖2所示為時(shí)頻資源塊幀結(jié)構(gòu)和樣本點(diǎn)選取的方案。

圖2 時(shí)頻資源塊幀結(jié)構(gòu)和樣本點(diǎn)選取的方案

3.2 基于樣本點(diǎn)選取的協(xié)方差矩陣估計(jì)方案

LTE-A系統(tǒng)中，基于DM-RS參考信號(hào)的協(xié)方差矩陣估計(jì)的方案直接估計(jì)了干擾和噪聲的協(xié)方差矩陣，因而干擾消除性能較優(yōu)。因此，本文采用此思想對(duì)干擾和噪聲的協(xié)方差矩陣估計(jì)方法進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)思路是：首先采用基于數(shù)據(jù)信號(hào)的協(xié)方差矩陣估計(jì)的方案對(duì)原始發(fā)送信號(hào)做初步估計(jì)，這個(gè)過(guò)程中用一個(gè)PRB中的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行估計(jì)；其次采用基于DM-RS的協(xié)方差矩陣估計(jì)的思想，利用發(fā)送信號(hào)的初步估計(jì)值對(duì)協(xié)方差矩陣再次估計(jì)。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下所示。

(1)采用基于數(shù)據(jù)信號(hào)協(xié)方差矩陣估計(jì)的方案估計(jì)權(quán)重矩陣 wH：

此過(guò)程中，選取一個(gè)PRB中的資源粒子作為研究對(duì)象。

(2)采用基于數(shù)據(jù)信號(hào)協(xié)方差矩陣估計(jì)的方案初步估計(jì)發(fā)送信號(hào)向量：

(3)采用基于參考信號(hào)協(xié)方差矩陣估計(jì)的思想再次估計(jì)協(xié)方差矩陣Ruu：

其中：

(4)采用基于參考信號(hào)的協(xié)方差矩陣估計(jì)的思想再次估計(jì)權(quán)重矩陣wH：

(5)基于樣本點(diǎn)選取的協(xié)方差矩陣估計(jì)方案估計(jì)得到的發(fā)送信號(hào)向量為：

3.3 算法流程圖

改進(jìn)后IRC算法流程圖如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后IRC算法處理流程圖

4 仿真與分析

4.1 仿真參數(shù)配置

主要仿真參數(shù)配置如表1所示。

4.2 仿真性能分析

為了分析各種算法的干擾消除性能，本文采用BER進(jìn)行度量。在LTE-A協(xié)議規(guī)定的三種信道環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行性能仿真，仿真結(jié)果如圖4～圖6所示。

由圖可以看出，IRC算法的干擾抑制效果強(qiáng)于MRC算法，這是因?yàn)镮RC算法在合并接收信號(hào)時(shí)，不僅考慮了干擾信號(hào)對(duì)期望信號(hào)的影響，而且考慮了高斯白噪聲對(duì)期望信號(hào)的影響。

表1 仿真參數(shù)配置

圖4 EPA5信道下幾種算法性能比較

圖5 ETU300信道下幾種算法性能比較

基于參考信號(hào)的協(xié)方差矩陣估計(jì)由于直接估計(jì)了干擾和噪聲的協(xié)方差矩陣，因此干擾抑制性能優(yōu)于基于數(shù)據(jù)信號(hào)的協(xié)方差矩陣估計(jì)。當(dāng)誤比特率為10-1時(shí)，基于參考信號(hào)的協(xié)方差矩陣估計(jì)的IRC算法較基于數(shù)據(jù)信號(hào)的協(xié)方差矩陣估計(jì)的IRC算法有2 dB的性能增益。

改進(jìn)后的IRC算法干擾消除性能優(yōu)于基于參考信號(hào)的協(xié)方差矩陣估計(jì)的IRC算法。這種算法通過(guò)利用基于數(shù)據(jù)信號(hào)的協(xié)方差矩陣估計(jì)首先對(duì)初始發(fā)送信號(hào)做初步估計(jì)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)協(xié)方差矩陣的二次估計(jì)，克服了基于參考信號(hào)的協(xié)方差矩陣估計(jì)方案在利用資源方面存在欠缺的問(wèn)題。

圖6 EVA70信道下幾種算法性能比較

5 結(jié)論

本文重點(diǎn)研究了基于協(xié)方差矩陣估計(jì)的IRC算法，即基于數(shù)據(jù)信號(hào)和基于參考信號(hào)的協(xié)方差矩陣估計(jì)的IRC算法。根據(jù)兩種估計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)與不足，從利用時(shí)頻資源的角度出發(fā)，給出了一種基于樣本點(diǎn)選取的協(xié)方差矩陣估計(jì)方案。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的IRC干擾抑制效果更佳，更適合應(yīng)用于多用戶MIMO系統(tǒng)。

[1]李家榮.LTE系統(tǒng)中的小區(qū)間干擾消除技術(shù)仿真研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2011.

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