MIMO检测技术在LTE系统中的应用研究

陈国平

（南京信息职业技术学院, 南京 210046）

1 引言

相对于单天线以及单载波传输技术，MIMOOFDM技术可以提供更高的系统容量和更好的用户服务公平性。LTE正是以MIMO结合OFDM技术为基础，辅之以其他关键技术而达到比3G系统更高的传输速率，在高效利用频谱资源的同时还为用户提供了速率更高，移动性更好的通信服务，因而LTE技术被视为B3G乃至4G未来无线移动通信的主流候选标准之一。本文对MIMO检测技术在LTE系统中的应用进行研究。

2 LTE系统架构

众所周知，LTE技术采用了当前最前沿的无线传输技术，但是现有的UTRAN系统框架难以满足LTE的系统要求。为了全面满足LTE系统需求，系统架构也必须重新设计。在LTE系统架构的定义方面必须遵循以下基本原则：

信令与数据传输在逻辑上是独立的；

E-UTRAN与演进后的分组交换核心网(EPC，Evolved Packet Core network)在功能上是分开的；

RRC连接的移动性管理完全由E-UTRAN进行控制；

E-UTRAN接口上的功能，应定义的尽量简化，选项应尽可能少；

多个逻辑节点可以在同一个网元上实现。

与3G系统的网络架构相比，接入网仅包括eNB（evolved Node B）一种逻辑节点（取消了RNC节点），其中节点数量减少，网络架构更加趋于扁平化。这种扁平化的网络结构带来的好处是可以降低呼叫建立时延以及用户数据的传输时延，同时也降低了建网成本。

3 QRD-M算法适用条件分析

由于以基站功放成本的代价换取数据传输速率的显著提高是完全值得的，因此下行系统采用了较为常用的OFDMA技术。

图1 LTE上行系统信号接收原理框图

从LTE系统对收发信号处理的角度来讲，采用DFT-S-OFDMA技术的上行系统和采用OFDMA技术的下行系统在接收端对信号进行处理时是稍有不同的，其上行和下行系统的接收端原理框图分别如图1和2所示。

图2 LTE下行系统信号接收原理框图

遗传算法以及QRD-M适用于多载波的OFDMA系统，而不能用于采用DFT-S-OFDMA的单载波传输系统。

4 QRD-M算法应用及LTE系统研究

接收信号在经过FFT变换之后，可以采用MMSE及ZF等传统的线性检测，同时也可以采用QRD-M以及SQRD-M等算法对系统性能进行优化。

其中一个可以考虑的优化方式就是上行多址技术。LTE主要是出于降低峰均比PAPR的考虑采用了SCFDMA，而非OFDMA技术作为上行多址方案。但是实际中，在低SINR场景中，OFDMA的频谱效率仍然略高于SC-FDMA技术，尤其是采用高阶调制（比如16QAM以及64QAM）时，SC-FDMA技术的降PAPR效果并不明显，而此时却造成了系统频谱效率（吞吐量）的额外损失。对于LTE-A系统所侧重的室内、热点覆盖，小区边缘问题不是十分严重，因此可以考虑在某些场景采用OFDMA作为上行多址技术，以提高频谱效率、增加资源配置的灵活性、更有效地支持上行SU-MIMO和eNB先进接收机。而在室外宏蜂窝、小区边缘以及带宽相对较小时，仍可采用SC-FDMA技术，以获得更好的功率效率。

OFDMA和DFT-S-OFDMA技术可以在同一个发射机结构中实现，通过DFT扩展模块的增减，在两种技术之间进行切换，因此在采用MIMO复用传输技术时可以考虑采用OFDMA技术，以提高系统吞吐量。

由于上述分析，本文将在LTE系统的部分场景下考虑采用OFDMA技术，所搭建的LTE上行系统链路级平台如图3所示。

上述算法的研究都假定一个子帧内的信道是不变的，即可以认为信道是准静态的，因此和实际情况有所区别；

本文所搭建系统为链路级平台，因此只考虑信噪比SNR对系统性能的影响。

综上所述，QRD-M/SQRD-M算法在可接受的计算复杂度情况下，既可以适当降低LTE系统的差错概率，同时也可以在高信噪比时显著提高系统的吞吐量。

由此，本文在搭建LTE系统平台的基础上，提出了一种可以提高系统吞吐量的方案。即在部分频谱效率（或吞吐量）受限的场景下，对于LTE上行系统，可以采用OFDMA多址技术对原始的SC-FDMA技术进行优化。在SNR较低的情况下，采用传统的MMSE线性检测，而在SNR较高的情况下，可以采用SQRD-M检测，从而较大地提高系统吞吐量。

5 结论

本章首先对LTE系统的整体架构做了一个简要描述。在第3节中主要分析了QRD-M等算法的适用条件及场合，在此基础上对所搭建的LTE上行系统链路级平台做了简单介绍。对算法在此平台上进行了分析，最终在所搭建LTE平台的基础上提出一种可以提高系统吞吐量的方案，即在SNR较低的情况下，采用传统的MMSE线性检测，而在SNR较高的情况下，可以采用SQRD-M检测，从而较大地提高系统吞吐量。

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