LTE中MRC和IRC的性能分析及工程實(shí)現(xiàn)

梁素龍++翟小珂

摘 要： LTE中基站側(cè)在進(jìn)行上行業(yè)務(wù)信道處理或者上行控制信道處理時(shí)，采用干擾消除處理時(shí)常用的技術(shù)有MRC和IRC兩種方式。給出兩種處理技術(shù)的特點(diǎn)和差異，同時(shí)也通過軟件仿真給出各自的性能特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景。最后結(jié)合具體的工程給出了相關(guān)實(shí)現(xiàn)方式，并且在應(yīng)用測(cè)試中取得良好的效果。

關(guān)鍵詞： LTE； 上行； IRC； MRC

中圖分類號(hào)： TN958?34； TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）11?0061?02

Performance analysis and project implementation of MRC and IRC in LTE

LIANG Su?long1， ZHAI Xiao?ke2

（1. Xian Research Center of ZTE， Xian 710114， China； 2. College of Electronic Information Engineering， Inner Mongolia University， Hohhot 010020， China）

Abstract： Maximal ratio combining （MRC） and interference rejection combining （IRC） are often used in eNodeB of LTE for interference elimination processing when uplink traffic channel processing or uplink control channel processing is carried out. The characteristics and differences of the two processing technologies are offered in this paper， and performance features and application scenarios of the two processing technologies are also given by software simulation respectively. Finally the related implementation modes are provided according to specific project. Good effects were obtained in application test.

Keywords： LTE； uplink； IRC； MRC

在LTE（Long Term Evolution）中的eNodeB（基站側(cè)）PHY進(jìn)行處理時(shí)，主要是根據(jù)接收到的基帶信號(hào)（該信號(hào)已經(jīng)通過FPGA進(jìn)行下變頻和FIR濾波后），對(duì)信道和發(fā)射信號(hào)進(jìn)行解析。其中對(duì)信道的特性解析中常采用信道估計(jì)方式有LS（最小二乘估計(jì)）和MMSE（最小均方誤差），在獲得信道估計(jì)結(jié)果之后根據(jù)估計(jì)的[H]值進(jìn)一步對(duì)UE側(cè)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行解析。本文主要闡述根據(jù)[H]值獲取發(fā)射信號(hào)的具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)，并對(duì)兩種常見的技術(shù)MRC（Maximal Ratio Combining）和IRC（Interference Rejection Combining）在相同條件下進(jìn)行仿真對(duì)比。

1 干擾對(duì)消技術(shù)

在LTE中的基站接收系統(tǒng)模型為：

[YKaRx×1=HKaRx×KaTx×XKaTx×1+NKaRx×1]

式中：[XKaTx×1]表述UE側(cè)發(fā)射的信號(hào)；[HKaRx×KaTx]為收發(fā)天線的信道矩陣，也就是信道估計(jì)后的結(jié)果；[YKaRx×1]為基站側(cè)接收信號(hào)矢量；[NKaRx×1]為高斯白噪聲矢量；[Ka]為天線的索引值；[Rx]和[Tx]分別表示天線的接收和發(fā)射。在LTE中天線數(shù)的取值范圍為1，2，4，8，為方便本文采用兩天線為例。

1.1 MRC（最大比合并）原理

最大比值合并原理是指各條支路接收信號(hào)加權(quán)系數(shù)與該支路信噪比成正比。在LTE中也就是各個(gè)天線接收到的信號(hào)。信噪比越大，加權(quán)系數(shù)越大，從而對(duì)合并后的信號(hào)貢獻(xiàn)也越大。把噪聲和干擾統(tǒng)一看做高斯白噪聲來處理。認(rèn)為各個(gè)天線收到的信號(hào)互相干擾很小，即互相關(guān)為0。設(shè)定系統(tǒng)為兩天線時(shí)并且對(duì)上面的系統(tǒng)模型簡化表達(dá)，兩路天線接收到的信號(hào)分別為[y1]和[y2，]表達(dá)式為：

[y1=H1x+n1y2=H2x+n2]

式中：[H1]和[H2]表示得到的信道估計(jì)值（在LTE中常用的信道估計(jì)方式有LS和MMSE），信道共軛分別為[H*1]和[H*2]，之后與接收到的信號(hào)相乘得到：

[z1=H*1y1=H12x+H*1n1]

[z2=H*2y2=H22x+H*2n2]

最終信號(hào)為[z1+z2，]該算法提高了信號(hào)的方差，但噪聲方差沒有改變。

1.2 IRC（干擾抑制合并）原理

干擾抑制合并算法具有多種形式，但本質(zhì)上都是利用干擾噪聲信號(hào)的協(xié)方差矩陣對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理，從而提高系統(tǒng)性能。在多天線（大于1天線）下實(shí)現(xiàn)，利用一個(gè)權(quán)值矩陣對(duì)不同天線接收到的信號(hào)進(jìn)行線性合并，抑制信道相關(guān)性導(dǎo)致的干擾，天線數(shù)越多其消除干擾的能力越強(qiáng)。

前面的MRC方法是將高斯白噪聲和干擾信號(hào)統(tǒng)一看成高斯白噪聲。然而事實(shí)上，干擾信號(hào)的頻譜并不是全帶寬均勻分布的，而是與各個(gè)UE信號(hào)具有相類似頻譜分布的干擾。因此在無干擾或者干擾比較小時(shí)采用MRC，但是在強(qiáng)干擾時(shí)采用IRC。

1.3 BLER（誤塊率）

在LTE中，BLER表示傳輸信道的數(shù)據(jù)塊差錯(cuò)率，是對(duì)單位時(shí)間內(nèi)信道上接收到壞數(shù)據(jù)塊的一個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)。與通常的BER（誤比特率）差別在于，BER是用來衡量接收機(jī)特性的指標(biāo)，然而BLER是用來衡量系統(tǒng)性能測(cè)試的。此外在處理流程上BLER是在CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）之后測(cè)量，記錄丟掉的誤碼塊，而BER是在CRC之前，記錄比特的錯(cuò)誤。因此在工程測(cè)試時(shí)需關(guān)注BLER的具體指標(biāo)。

1.4 性能對(duì)比

以2T2R（兩發(fā)兩收的系統(tǒng)）為例，對(duì)于MRC來講協(xié)方差矩陣[Rnn]為：

[Rnn=R1100R22]

[Rnn]為對(duì)角陣，認(rèn)為各個(gè)天線之間沒有干擾，因此除對(duì)角線之外值都為0。之后進(jìn)行各自加權(quán)處理。

然而對(duì)于IRC來講協(xié)方差矩陣[Rnn]為：

[Rnn=R11R12R21R22]

由于考慮到各個(gè)天線之間的干擾，對(duì)角線之外的值不為0。后續(xù)處理也相對(duì)復(fù)雜。通過Matlab對(duì)兩種技術(shù)進(jìn)行仿真比較如圖1，圖2所示。

從仿真圖來看，無論采用哪種技術(shù)顯然隨著信噪比的提高，BLER會(huì)明顯下降。圖1中無干擾情況下，MRC的性能要優(yōu)于IRC性能，這也與MRC情況下各個(gè)天線接收信號(hào)的互相關(guān)特性為0有關(guān)，與預(yù)期吻合。圖2中由于考慮到各個(gè)天線的相互干擾，因此IRC的特性要明顯好于MRC，符合理論預(yù)期。

2 工程中的應(yīng)用

在具體的應(yīng)用中，根據(jù)周圍環(huán)境的干擾情況可以采用MRC和IRC不同的處理方式。對(duì)于基帶處理時(shí)該參數(shù)為小區(qū)級(jí)參數(shù)，通過控制面在建立小區(qū)時(shí)下發(fā)給CMAC，之后通過PHY的主控對(duì)建立的小區(qū)分別進(jìn)行配置。物理層采用飛思卡爾（freescale）公司的8157芯片進(jìn)行處理。該芯片每片DSP有6個(gè)core，其中前4個(gè)core進(jìn)行信道估計(jì)后根據(jù)該配置參數(shù)對(duì)小區(qū)內(nèi)的UE進(jìn)行相應(yīng)的合并處理。

兩種技術(shù)應(yīng)用于LTE中PUSCH業(yè)務(wù)信道和PUCCH的控制信道。由于IRC的算法流程較為復(fù)雜，因此在實(shí)際應(yīng)用測(cè)試中發(fā)現(xiàn)大量UE接入小區(qū)后進(jìn)行灌包時(shí)IRC的處理cycle要明顯高于MRC。測(cè)試時(shí)極端情況下DSP處理時(shí)IRC方式可能會(huì)引起處理超時(shí)，導(dǎo)致系統(tǒng)處理異常。

3 結(jié) 論

由于MRC和IRC有各自的特點(diǎn)，可以根據(jù)具體的外場(chǎng)情況選擇相應(yīng)的合并方式。目前兩種方式已經(jīng)在LTE產(chǎn)品中得到應(yīng)用。測(cè)試情況與理論分析均符合預(yù)期。另外由于外場(chǎng)實(shí)際環(huán)境比理論更為復(fù)雜，目前在研發(fā)關(guān)于IRC的改進(jìn)算法，更加有效地對(duì)有色噪聲進(jìn)行合并處理，從而提高系統(tǒng)性能。

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