LTE上行信道的八天線干擾抑制合并技術?

董慶龍，李亞麟，倪衛明

LTE上行信道的八天線干擾抑制合并技術?

董慶龍1，李亞麟1，倪衛明2

（1.上海貝爾股份有限公司，上海200070；2.復旦大學信息科學與工程學院，上海200433）

基于最小均方誤差估計準則推導了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于兩天線性能。LTE在同頻組網時，基站可以采用八天線接收的干擾抑制合并技術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為了提高系統吞吐率，采用了頻譜利用率比較高的正交頻分復用技術（OFDM）。在20 MHz系統帶寬下，TD-LTE能夠實現100 Mbit／s的下行速率和50 Mbit／s的上行速率［1］。但是，當需要多小區組網時，為了避免相互干擾，最簡單的辦法是采用異頻組網，即相鄰小區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蜂窩系統能夠實現同頻組網，頻帶資源將得到大大節省。但是，同頻組網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，才能使同頻組網變成現實。

目前主要的小區間干擾抑制技術［2］包括干擾隨機化、干擾抑制、干擾協調／回避、波束賦形［3］4種。其中，干擾隨機化是通過小區特定擾碼加擾的方式使得小區間的干擾隨機化，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；干擾協調／回避技術是通過限制資源調度和發射功率來降低小區間的干擾，缺點是頻譜利用率降低；波束賦形技術一般應用于下行鏈路，要綜合使用干擾協調等技術，缺點是復雜度較高，對終端要求高；干擾抑制技術則可以通過特別的信道均衡技術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聯合使用，優勢明顯，從而成為LTE通信系統用于抑制干擾不可缺少的技術。

為了找到有效抑制干擾的均衡算法，首先需要對OFDM多天線接收系統進行建模。系統模型的信道應該滿足3GPP規范［4］的要求，信道中不但應該包含高斯白噪聲，還應該引入信源的同頻有色干擾。通過動態調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 系統模型

2.1 系統模型框圖

LTE上行鏈路同時疊加高斯白噪聲和同頻干擾的系統框圖如圖1所示。其中，發信機UE1的同頻有色干擾源UE2與UE1的處理過程相同，將發送的前端數據調制以后經過離散傅里葉變換（DFT）完成發送預編碼，然后插入了各自導頻信號［5］后經反快速傅里葉變換（IFFT）映射到各子載波在數據無線信道中發送。發信機和干擾源經過的信道Hs和Hi應該具有如下特性：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）；四是滿足EPA模型［5］；五是Hs與Hi各自獨立不相關。

2.2 系統數學模型［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表示矩陣轉置；Hs為發送信號x的信道沖激響應［hs1hs2…hsn］T，可以通過導頻信號估計；i為干擾信號，為未知量；Hi為干擾信號i的信道沖激響應［hI1hI2…hIn］T，為未知量；N為高斯白噪聲［n1n2…nn］T。

信道均衡的目標，就是找出一組復權值W=［w1，w2，…，wn］，使得對發送信號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：

根據正交原理，有：

即：

式中，（·）H表示復數矩陣的共軛轉置，（·）*表示復數的共軛。

2.3 最大比合并（MRC）

MRC方法是將高斯白噪聲加干擾信號統一看成噪聲Nri，則式（1）變為

由式（4）可得發送信號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方差矩陣，其中的xdmrs是導頻的已知訓練序列信號。

在系統實現過程中，Hs是可以通過使用寬帶訓練序列（在LTE系統中，是采用Zadoff-Chu序列實現的［1］）進行信道估計獲得；利用Zadoff-Chu序列所具有的理想自相關特性以及相對較好的互相關特性，結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多收瑞利衰減多徑信道。接收信號的信道頻域響應Hs采用理想信道響應，直接由LTE的導頻信號DMRS（De-Mou

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

當系統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性能明顯優于MRC；只有干擾能量的逐漸降低時，MRC性能才逐漸優于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性能雖然優于MRC，但優勢并不明顯；八天線的IRC性能遠優于兩天線IRC的性能，這是因為天線數的增加所帶來的接收增益。

4 結論

本文考慮了LTE的上行鏈路中采用多天線接收技術降低相鄰小區同頻干擾問題，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果。根據仿真結果可以得出以下結論：

（1）當系統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至8根并采用IRC均衡技術可以有效抑制干擾；而MRC算法則出現了誤碼率平臺；

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

可見，LTE系統上行鏈路通過增加接收天線至8根、并根據同頻干擾信號強度動態選擇IRC和MRC均衡技術，將能較好地解決同頻組網帶來的干擾問題，對系統性能帶來大幅提升。關于MRC和IRC科學準確的切換判決機制本文未能給出，在后續的研究中應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）技術原理與系統設計［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.現代信號處理理論與方法［M］.上海：復旦大學出版社，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年于中國科學技術大學獲通信與信息系統專業博士學位，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、多天線收發機設計；

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.

倪衛明（1970—），男，上海人，1998年獲博士學位，現為副教授，主要研究方向為通信信號處理和無線網絡。

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，Fudan 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年于吉林大學獲學士學位，現為碩士研究生、上海貝爾股份有限公司移動研發部研發工程師，主要從事TD-LTE eNodeB上行鏈路研發；

1001-893X（2012）07-1092-04

2012-03-27；

2012-05-16

國家科技重大專項（2010ZX03002-003）