MIMO檢測(cè)技術(shù)在LTE系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

陳國(guó)平

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 南京 210046）

1 引言

相對(duì)于單天線以及單載波傳輸技術(shù)，MIMOOFDM技術(shù)可以提供更高的系統(tǒng)容量和更好的用戶服務(wù)公平性。LTE正是以MIMO結(jié)合OFDM技術(shù)為基礎(chǔ)，輔之以其他關(guān)鍵技術(shù)而達(dá)到比3G系統(tǒng)更高的傳輸速率，在高效利用頻譜資源的同時(shí)還為用戶提供了速率更高，移動(dòng)性更好的通信服務(wù)，因而LTE技術(shù)被視為B3G乃至4G未來(lái)無(wú)線移動(dòng)通信的主流候選標(biāo)準(zhǔn)之一。本文對(duì)MIMO檢測(cè)技術(shù)在LTE系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

2 LTE系統(tǒng)架構(gòu)

眾所周知，LTE技術(shù)采用了當(dāng)前最前沿的無(wú)線傳輸技術(shù)，但是現(xiàn)有的UTRAN系統(tǒng)框架難以滿足LTE的系統(tǒng)要求。為了全面滿足LTE系統(tǒng)需求，系統(tǒng)架構(gòu)也必須重新設(shè)計(jì)。在LTE系統(tǒng)架構(gòu)的定義方面必須遵循以下基本原則：

信令與數(shù)據(jù)傳輸在邏輯上是獨(dú)立的；

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

RRC連接的移動(dòng)性管理完全由E-UTRAN進(jìn)行控制；

E-UTRAN接口上的功能，應(yīng)定義的盡量簡(jiǎn)化，選項(xiàng)應(yīng)盡可能少；

多個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)可以在同一個(gè)網(wǎng)元上實(shí)現(xiàn)。

與3G系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，接入網(wǎng)僅包括eNB（evolved Node B）一種邏輯節(jié)點(diǎn)（取消了RNC節(jié)點(diǎn)），其中節(jié)點(diǎn)數(shù)量減少，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加趨于扁平化。這種扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的好處是可以降低呼叫建立時(shí)延以及用戶數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延，同時(shí)也降低了建網(wǎng)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(jià)換取數(shù)據(jù)傳輸速率的顯著提高是完全值得的，因此下行系統(tǒng)采用了較為常用的OFDMA技術(shù)。

圖1 LTE上行系統(tǒng)信號(hào)接收原理框圖

從LTE系統(tǒng)對(duì)收發(fā)信號(hào)處理的角度來(lái)講，采用DFT-S-OFDMA技術(shù)的上行系統(tǒng)和采用OFDMA技術(shù)的下行系統(tǒng)在接收端對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)是稍有不同的，其上行和下行系統(tǒng)的接收端原理框圖分別如圖1和2所示。

圖2 LTE下行系統(tǒng)信號(hào)接收原理框圖

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

4 QRD-M算法應(yīng)用及LTE系統(tǒng)研究

接收信號(hào)在經(jīng)過(guò)FFT變換之后，可以采用MMSE及ZF等傳統(tǒng)的線性檢測(cè)，同時(shí)也可以采用QRD-M以及SQRD-M等算法對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行優(yōu)化。

其中一個(gè)可以考慮的優(yōu)化方式就是上行多址技術(shù)。LTE主要是出于降低峰均比PAPR的考慮采用了SCFDMA，而非OFDMA技術(shù)作為上行多址方案。但是實(shí)際中，在低SINR場(chǎng)景中，OFDMA的頻譜效率仍然略高于SC-FDMA技術(shù)，尤其是采用高階調(diào)制（比如16QAM以及64QAM）時(shí)，SC-FDMA技術(shù)的降PAPR效果并不明顯，而此時(shí)卻造成了系統(tǒng)頻譜效率（吞吐量）的額外損失。對(duì)于LTE-A系統(tǒng)所側(cè)重的室內(nèi)、熱點(diǎn)覆蓋，小區(qū)邊緣問(wèn)題不是十分嚴(yán)重，因此可以考慮在某些場(chǎng)景采用OFDMA作為上行多址技術(shù)，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(jìn)接收機(jī)。而在室外宏蜂窩、小區(qū)邊緣以及帶寬相對(duì)較小時(shí)，仍可采用SC-FDMA技術(shù)，以獲得更好的功率效率。

OFDMA和DFT-S-OFDMA技術(shù)可以在同一個(gè)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)，通過(guò)DFT擴(kuò)展模塊的增減，在兩種技術(shù)之間進(jìn)行切換，因此在采用MIMO復(fù)用傳輸技術(shù)時(shí)可以考慮采用OFDMA技術(shù)，以提高系統(tǒng)吞吐量。

由于上述分析，本文將在LTE系統(tǒng)的部分場(chǎng)景下考慮采用OFDMA技術(shù)，所搭建的LTE上行系統(tǒng)鏈路級(jí)平臺(tái)如圖3所示。

上述算法的研究都假定一個(gè)子幀內(nèi)的信道是不變的，即可以認(rèn)為信道是準(zhǔn)靜態(tài)的，因此和實(shí)際情況有所區(qū)別；

本文所搭建系統(tǒng)為鏈路級(jí)平臺(tái)，因此只考慮信噪比SNR對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

綜上所述，QRD-M/SQRD-M算法在可接受的計(jì)算復(fù)雜度情況下，既可以適當(dāng)降低LTE系統(tǒng)的差錯(cuò)概率，同時(shí)也可以在高信噪比時(shí)顯著提高系統(tǒng)的吞吐量。

由此，本文在搭建LTE系統(tǒng)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，提出了一種可以提高系統(tǒng)吞吐量的方案。即在部分頻譜效率（或吞吐量）受限的場(chǎng)景下，對(duì)于LTE上行系統(tǒng)，可以采用OFDMA多址技術(shù)對(duì)原始的SC-FDMA技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在SNR較低的情況下，采用傳統(tǒng)的MMSE線性檢測(cè)，而在SNR較高的情況下，可以采用SQRD-M檢測(cè)，從而較大地提高系統(tǒng)吞吐量。

5 結(jié)論

本章首先對(duì)LTE系統(tǒng)的整體架構(gòu)做了一個(gè)簡(jiǎn)要描述。在第3節(jié)中主要分析了QRD-M等算法的適用條件及場(chǎng)合，在此基礎(chǔ)上對(duì)所搭建的LTE上行系統(tǒng)鏈路級(jí)平臺(tái)做了簡(jiǎn)單介紹。對(duì)算法在此平臺(tái)上進(jìn)行了分析，最終在所搭建LTE平臺(tái)的基礎(chǔ)上提出一種可以提高系統(tǒng)吞吐量的方案，即在SNR較低的情況下，采用傳統(tǒng)的MMSE線性檢測(cè)，而在SNR較高的情況下，可以采用SQRD-M檢測(cè)，從而較大地提高系統(tǒng)吞吐量。

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