LTE中MRC和IRC的性能分析及工程實現

梁素龍++翟小珂

摘 要： LTE中基站側在進行上行業務信道處理或者上行控制信道處理時，采用干擾消除處理時常用的技術有MRC和IRC兩種方式。給出兩種處理技術的特點和差異，同時也通過軟件仿真給出各自的性能特點及應用場景。最后結合具體的工程給出了相關實現方式，并且在應用測試中取得良好的效果。

關鍵詞： LTE； 上行； IRC； MRC

中圖分類號： TN958?34； TP391.4 文獻標識碼： A 文章編號： 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）PHY進行處理時，主要是根據接收到的基帶信號（該信號已經通過FPGA進行下變頻和FIR濾波后），對信道和發射信號進行解析。其中對信道的特性解析中常采用信道估計方式有LS（最小二乘估計）和MMSE（最小均方誤差），在獲得信道估計結果之后根據估計的[H]值進一步對UE側發射信號進行解析。本文主要闡述根據[H]值獲取發射信號的具體實現技術，并對兩種常見的技術MRC（Maximal Ratio Combining）和IRC（Interference Rejection Combining）在相同條件下進行仿真對比。

1 干擾對消技術

在LTE中的基站接收系統模型為：

[YKaRx×1=HKaRx×KaTx×XKaTx×1+NKaRx×1]

式中：[XKaTx×1]表述UE側發射的信號；[HKaRx×KaTx]為收發天線的信道矩陣，也就是信道估計后的結果；[YKaRx×1]為基站側接收信號矢量；[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射。在LTE中天線數的取值范圍為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加權系數與該支路信噪比成正比。在LTE中也就是各個天線接收到的信號。信噪比越大，加權系數越大，從而對合并后的信號貢獻也越大。把噪聲和干擾統一看做高斯白噪聲來處理。認為各個天線收到的信號互相干擾很小，即互相關為0。設定系統為兩天線時并且對上面的系統模型簡化表達，兩路天線接收到的信號分別為[y1]和[y2，]表達式為：

[y1=H1x+n1y2=H2x+n2]

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

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

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

最終信號為[z1+z2，]該算法提高了信號的方差，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，但本質上都是利用干擾噪聲信號的協方差矩陣對接收信號進行處理，從而提高系統性能。在多天線（大于1天線）下實現，利用一個權值矩陣對不同天線接收到的信號進行線性合并，抑制信道相關性導致的干擾，天線數越多其消除干擾的能力越強。

前面的MRC方法是將高斯白噪聲和干擾信號統一看成高斯白噪聲。然而事實上，干擾信號的頻譜并不是全帶寬均勻分布的，而是與各個UE信號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采用MRC，但是在強干擾時采用IRC。

1.3 BLER（誤塊率）

在LTE中，BLER表示傳輸信道的數據塊差錯率，是對單位時間內信道上接收到壞數據塊的一個統計參數。與通常的BER（誤比特率）差別在于，BER是用來衡量接收機特性的指標，然而BLER是用來衡量系統性能測試的。此外在處理流程上BLER是在CRC（循環冗余校驗）之后測量，記錄丟掉的誤碼塊，而BER是在CRC之前，記錄比特的錯誤。因此在工程測試時需關注BLER的具體指標。

1.4 性能對比

以2T2R（兩發兩收的系統）為例，對于MRC來講協方差矩陣[Rnn]為：

[Rnn=R1100R22]

[Rnn]為對角陣，認為各個天線之間沒有干擾，因此除對角線之外值都為0。之后進行各自加權處理。

然而對于IRC來講協方差矩陣[Rnn]為：

[Rnn=R11R12R21R22]

由于考慮到各個天線之間的干擾，對角線之外的值不為0。后續處理也相對復雜。通過Matlab對兩種技術進行仿真比較如圖1，圖2所示。

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

2 工程中的應用

在具體的應用中，根據周圍環境的干擾情況可以采用MRC和IRC不同的處理方式。對于基帶處理時該參數為小區級參數，通過控制面在建立小區時下發給CMAC，之后通過PHY的主控對建立的小區分別進行配置。物理層采用飛思卡爾（freescale）公司的8157芯片進行處理。該芯片每片DSP有6個core，其中前4個core進行信道估計后根據該配置參數對小區內的UE進行相應的合并處理。

兩種技術應用于LTE中PUSCH業務信道和PUCCH的控制信道。由于IRC的算法流程較為復雜，因此在實際應用測試中發現大量UE接入小區后進行灌包時IRC的處理cycle要明顯高于MRC。測試時極端情況下DSP處理時IRC方式可能會引起處理超時，導致系統處理異常。

3 結 論

由于MRC和IRC有各自的特點，可以根據具體的外場情況選擇相應的合并方式。目前兩種方式已經在LTE產品中得到應用。測試情況與理論分析均符合預期。另外由于外場實際環境比理論更為復雜，目前在研發關于IRC的改進算法，更加有效地對有色噪聲進行合并處理，從而提高系統性能。

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