MIMO檢測技術在LTE系統中的應用研究

陳國平

（南京信息職業技術學院, 南京 210046）

1 引言

相對于單天線以及單載波傳輸技術，MIMOOFDM技術可以提供更高的系統容量和更好的用戶服務公平性。LTE正是以MIMO結合OFDM技術為基礎，輔之以其他關鍵技術而達到比3G系統更高的傳輸速率，在高效利用頻譜資源的同時還為用戶提供了速率更高，移動性更好的通信服務，因而LTE技術被視為B3G乃至4G未來無線移動通信的主流候選標準之一。本文對MIMO檢測技術在LTE系統中的應用進行研究。

2 LTE系統架構

眾所周知，LTE技術采用了當前最前沿的無線傳輸技術，但是現有的UTRAN系統框架難以滿足LTE的系統要求。為了全面滿足LTE系統需求，系統架構也必須重新設計。在LTE系統架構的定義方面必須遵循以下基本原則：

信令與數據傳輸在邏輯上是獨立的；

E-UTRAN與演進后的分組交換核心網(EPC，Evolved Packet Core network)在功能上是分開的；

RRC連接的移動性管理完全由E-UTRAN進行控制；

E-UTRAN接口上的功能，應定義的盡量簡化，選項應盡可能少；

多個邏輯節點可以在同一個網元上實現。

與3G系統的網絡架構相比，接入網僅包括eNB（evolved Node B）一種邏輯節點（取消了RNC節點），其中節點數量減少，網絡架構更加趨于扁平化。這種扁平化的網絡結構帶來的好處是可以降低呼叫建立時延以及用戶數據的傳輸時延，同時也降低了建網成本。

3 QRD-M算法適用條件分析

由于以基站功放成本的代價換取數據傳輸速率的顯著提高是完全值得的，因此下行系統采用了較為常用的OFDMA技術。

圖1 LTE上行系統信號接收原理框圖

從LTE系統對收發信號處理的角度來講，采用DFT-S-OFDMA技術的上行系統和采用OFDMA技術的下行系統在接收端對信號進行處理時是稍有不同的，其上行和下行系統的接收端原理框圖分別如圖1和2所示。

圖2 LTE下行系統信號接收原理框圖

遺傳算法以及QRD-M適用于多載波的OFDMA系統，而不能用于采用DFT-S-OFDMA的單載波傳輸系統。

4 QRD-M算法應用及LTE系統研究

接收信號在經過FFT變換之后，可以采用MMSE及ZF等傳統的線性檢測，同時也可以采用QRD-M以及SQRD-M等算法對系統性能進行優化。

其中一個可以考慮的優化方式就是上行多址技術。LTE主要是出于降低峰均比PAPR的考慮采用了SCFDMA，而非OFDMA技術作為上行多址方案。但是實際中，在低SINR場景中，OFDMA的頻譜效率仍然略高于SC-FDMA技術，尤其是采用高階調制（比如16QAM以及64QAM）時，SC-FDMA技術的降PAPR效果并不明顯，而此時卻造成了系統頻譜效率（吞吐量）的額外損失。對于LTE-A系統所側重的室內、熱點覆蓋，小區邊緣問題不是十分嚴重，因此可以考慮在某些場景采用OFDMA作為上行多址技術，以提高頻譜效率、增加資源配置的靈活性、更有效地支持上行SU-MIMO和eNB先進接收機。而在室外宏蜂窩、小區邊緣以及帶寬相對較小時，仍可采用SC-FDMA技術，以獲得更好的功率效率。

OFDMA和DFT-S-OFDMA技術可以在同一個發射機結構中實現，通過DFT擴展模塊的增減，在兩種技術之間進行切換，因此在采用MIMO復用傳輸技術時可以考慮采用OFDMA技術，以提高系統吞吐量。

由于上述分析，本文將在LTE系統的部分場景下考慮采用OFDMA技術，所搭建的LTE上行系統鏈路級平臺如圖3所示。

上述算法的研究都假定一個子幀內的信道是不變的，即可以認為信道是準靜態的，因此和實際情況有所區別；

本文所搭建系統為鏈路級平臺，因此只考慮信噪比SNR對系統性能的影響。

綜上所述，QRD-M/SQRD-M算法在可接受的計算復雜度情況下，既可以適當降低LTE系統的差錯概率，同時也可以在高信噪比時顯著提高系統的吞吐量。

由此，本文在搭建LTE系統平臺的基礎上，提出了一種可以提高系統吞吐量的方案。即在部分頻譜效率（或吞吐量）受限的場景下，對于LTE上行系統，可以采用OFDMA多址技術對原始的SC-FDMA技術進行優化。在SNR較低的情況下，采用傳統的MMSE線性檢測，而在SNR較高的情況下，可以采用SQRD-M檢測，從而較大地提高系統吞吐量。

5 結論

本章首先對LTE系統的整體架構做了一個簡要描述。在第3節中主要分析了QRD-M等算法的適用條件及場合，在此基礎上對所搭建的LTE上行系統鏈路級平臺做了簡單介紹。對算法在此平臺上進行了分析，最終在所搭建LTE平臺的基礎上提出一種可以提高系統吞吐量的方案，即在SNR較低的情況下，采用傳統的MMSE線性檢測，而在SNR較高的情況下，可以采用SQRD-M檢測，從而較大地提高系統吞吐量。

[1] 周保衛. MIMO檢測技術研究及其在LTE系統中的應用[J]．西安電子科技大學學報，2010.

[2] 江亮亮，李洋洋等．MIMO技術的研究及應用[J]．機械與電子，2008,(20)．

[3] 肖海林，歐陽繕，聶在平．MIMO無線通信系統研究現狀及其技術路線[J]．電信科學，2009,(3):94-98．