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)時域技術(shù)(eICIC，F(xiàn)eICIC)，要么使用動態(tài)技術(shù)，如 CoMP技術(shù)，這些技術(shù)對同步有不同的需求，并且要求無線網(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，多用戶MIMO干擾消除技術(shù)也可以在終端進行，這不需要網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)助。如果一個終端接收機能夠識別出干擾組成，則它就能抑制干擾，提高接收信號的信干噪比[1]。

1 多小區(qū)MIMO系統(tǒng)模型

實際通信系統(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個相鄰小區(qū)的等效MIMO系統(tǒng)模型。需要說明的是，K×NT個發(fā)射天線發(fā)射的信號經(jīng)過相互獨立的無線通信信道后被接收端接收處理[4]。接收信號向量y表示如下：

將干擾信號以及接收端的噪聲看成一個整體，式(1)可以化簡為：

其中：

2 一種基于協(xié)方差矩陣估計的IRC算法

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

2.1 基于數(shù)據(jù)信號的協(xié)方差矩陣估計

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

文獻[5]中，給出了聯(lián)合時、頻域的Ryy的計算表達式：

式中，L為時域OFDM符號的個數(shù)，B為頻域子載波的個數(shù)，y(k，l)為第k個子載波、第l個 OFDM符號上的接收數(shù)據(jù)。

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

基于數(shù)據(jù)信號的協(xié)方差估計是一種利用樣本均值代替統(tǒng)計平均的方法，基于數(shù)據(jù)信號的協(xié)方差估計的關(guān)鍵是樣本點的選取問題。

2.2 基于參考信號的協(xié)方差矩陣估計

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

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

故基于DM-RS參考信號的協(xié)方差矩陣估計方法中，wH可以表示為：

雖然基于DM-RS參考信號的協(xié)方差矩陣估計法對協(xié)方差矩陣u的估計較為精確，進而對干擾抑制的效果也較為明顯。因此在LTE-A系統(tǒng)標準化過程中得到了采用[7]。但是在整個估計過程中，只是利用了參考信號位置信息，并不能像基于數(shù)據(jù)信號的協(xié)方差矩陣估計法那樣可以利用所有接收數(shù)據(jù)信號，因此，這種方案資源利用不充分。

3 一種基于樣本點選取的協(xié)方差矩陣估計的改進

3.1 樣本點選取方案

LTE-A系統(tǒng)中，只有在滿足相關(guān)帶寬和相關(guān)時間的條件下，信道矩陣H、Gi才是慢衰落的。此時樣本點選取的越多，樣本均值越接近統(tǒng)計平均。如果在不滿足相關(guān)時間和相關(guān)帶寬的條件下，過多地選取樣本點，會因選取到下一統(tǒng)計時刻的樣本點而影響性能。

文獻[8]給出了計算相關(guān)帶寬Bc和相關(guān)時間Tc的方法，結(jié)合文獻[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)時間。圖2所示為時頻資源塊幀結(jié)構(gòu)和樣本點選取的方案。

圖2 時頻資源塊幀結(jié)構(gòu)和樣本點選取的方案

3.2 基于樣本點選取的協(xié)方差矩陣估計方案

LTE-A系統(tǒng)中，基于DM-RS參考信號的協(xié)方差矩陣估計的方案直接估計了干擾和噪聲的協(xié)方差矩陣，因而干擾消除性能較優(yōu)。因此，本文采用此思想對干擾和噪聲的協(xié)方差矩陣估計方法進行了改進。改進思路是：首先采用基于數(shù)據(jù)信號的協(xié)方差矩陣估計的方案對原始發(fā)送信號做初步估計，這個過程中用一個PRB中的數(shù)據(jù)信號進行估計；其次采用基于DM-RS的協(xié)方差矩陣估計的思想，利用發(fā)送信號的初步估計值對協(xié)方差矩陣再次估計。具體實現(xiàn)過程如下所示。

(1)采用基于數(shù)據(jù)信號協(xié)方差矩陣估計的方案估計權(quán)重矩陣 wH：

此過程中，選取一個PRB中的資源粒子作為研究對象。

(2)采用基于數(shù)據(jù)信號協(xié)方差矩陣估計的方案初步估計發(fā)送信號向量：

(3)采用基于參考信號協(xié)方差矩陣估計的思想再次估計協(xié)方差矩陣Ruu：

其中：

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

(5)基于樣本點選取的協(xié)方差矩陣估計方案估計得到的發(fā)送信號向量為：

3.3 算法流程圖

改進后IRC算法流程圖如圖3所示。

圖3 改進后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進行度量。在LTE-A協(xié)議規(guī)定的三種信道環(huán)境下對其進行性能仿真，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于MRC算法，這是因為IRC算法在合并接收信號時，不僅考慮了干擾信號對期望信號的影響，而且考慮了高斯白噪聲對期望信號的影響。

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

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

改進后的IRC算法干擾消除性能優(yōu)于基于參考信號的協(xié)方差矩陣估計的IRC算法。這種算法通過利用基于數(shù)據(jù)信號的協(xié)方差矩陣估計首先對初始發(fā)送信號做初步估計，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)協(xié)方差矩陣的二次估計，克服了基于參考信號的協(xié)方差矩陣估計方案在利用資源方面存在欠缺的問題。

圖6 EVA70信道下幾種算法性能比較

5 結(jié)論

本文重點研究了基于協(xié)方差矩陣估計的IRC算法，即基于數(shù)據(jù)信號和基于參考信號的協(xié)方差矩陣估計的IRC算法。根據(jù)兩種估計方案的優(yōu)點與不足，從利用時頻資源的角度出發(fā)，給出了一種基于樣本點選取的協(xié)方差矩陣估計方案。仿真結(jié)果表明，改進后的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.

[2]寇俊楠.LTE鏈路接收端干擾消除技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2012.

[3]ZHANG C，LIU L，WANG Y，et al.A highly parallelized MIMO detector for vector-based reconfigurable architectures[C].2013 IEEE Wireless Communications and Networking Conference.Shanghai：IEEE Press，2013：3844-3849.

[4]蒙艷.LTE-A系統(tǒng)中空間復(fù)用MIMO信號檢測算法研究[D].重慶：重慶郵電大學(xué)，2014.

[5]3GPP R1-070996.Nokia.Open Loop DL Transmit Diversity for Common Control Channels[R].3GPP TSG RAN WG1#48 Meeting.

[6]3GPP TR 36.829.3rd General Partnership Project；Technical Specification Group Radio Access Network；Enhanced performance requirement for LTE User Equipment(UE)(R11)[S].2012.

[7]劉麗，王瓊，劉曉江.LTE-Advanced終端同頻干擾消除算法研究[J].廣東通信技術(shù)，2014，34(9)：45-48.

[8]楊大成.移動傳播環(huán)境[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[9]3GPP TS 36.101 V8.c.0.User Equipment(UE)radio transmission and reception(R8)[S].2010.