LTE上行系统循环延迟分集接收方案的设计

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LTE上行系统循环延迟分集接收方案的设计*

韩伟良1葛建华1布启飞1师晓晔2季彦呈3

(1.西安电子科技大学 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室, 陕西 西安 710071;

2.南京邮电大学 物联网学院, 江苏 南京 210003; 3.南通大学 电子信息学院, 江苏 南通 226019)

摘要：在长期演进(LTE)系统上行链路中,基站因受限于发射天线数而无法获得较好的分集增益及系统性能.为此,文中提出了一种利用循环延迟叠加方法获得空间-多径满分集的接收方案.首先直接叠加不同接收天线上经过循环延迟的信号,然后做频域的最小均方误差线性均衡,最后进行逐个符号的检测.当不同接收天线选择合适的循环延迟时,文中方案能够以较低的解调复杂度获得系统的空间-多径满分集增益.仿真结果表明:相对于LTE系统上行链路中现有的接收端天线选择方案,文中方案不仅能够获得与天线选择相同的接收分集增益,而且能够获得比天线选择方案更高的编码增益,同时不增加系统的解调复杂度;在中断概率为10-3时,文中方案在瑞利信道下的系统性能提升2～4dB,在LTE扩展步行信道下的系统性能提升1.5dB以上.

关键词：长期演进系统；循环延迟；多输入多输出系统；空间-多径分集；单载波频域均衡

收稿日期：2014-11-17

基金项目：* 国家“863”计划项目(2014AA01A704);国家“973”计划项目(2012CB316100);国家“111”计划项目(B08038);国家自然科学基金资助项目(61372067,61371112,61371113,61401241)

作者简介：韩伟良(1984-),男,博士生,主要从事MIMO-OFDM研究.E-mail: hanweiliang1205@126.com

文章编号：1000-565X(2015)05-0045-06

中图分类号：TN911.7

doi:10.3969/j.issn.1000-565X.2015.05.008

虽然多输入多输出(MIMO)[1-3]是无线通信系统采用的增加系统容量和可靠性的智能多天线技术,但在现有长期演进(LTE)系统中,由于受到大小限制,终端无法通过扩展更多的天线来组成MIMO系统,因而系统无法获得更多的空间分集增益.为解决这个问题,许多文献都对下行链路中的多输入单输出(MISO)系统进行了研究[4].循环延迟发送分集(CDD)技术因为其简单高效的特性而受到了广泛的关注[5-12].文献[5]在多载波的场景下同时考虑了分集和复用,提出了可达任意复用速率的混合CDD技术.为提高系统的多用户分集增益,文献[6]对系统进行了功率分配和信道信息反馈的优化.文献[7]在MISO系统中引入了独一字来代替循环前缀,进一步提高了系统的能量效率.文献[8]在陆地数字广播下行链路中证明了循环延迟发送技术的优势.文献[9-11]进一步证明了单载波CDD发送技术在接收端能够获得空间-多径的满分集增益.文献[12]中提出了一种用于MIMO系统的循环延迟发送、接收端对每根天线上的信号在频域的每个子载波上进行最大比合并(MRC)的方案.但以上各种利用CDD技术的方案存在一些限制和缺点:①文献[5-11]中方案都是针对MISO或者MIMO系统提出的,不能够应用于单输入多输出(SIMO)系统中;②文献[12]中方案因在发送端采用CDD技术而不能应用于SIMO系统,其次基站采用频域的MRC方案,每根天线都要做一次点的离散傅里叶变换(DFT),计算复杂度较高;③文献[3,13]中采用了天线选择的方法,虽然获得了很好的空间-多径分集增益,但编码增益较差,不能够有效地提高系统性能,是一种次优的SIMO接收方案.

为了能够在LTE上行SIMO系统中获得空间-多径满分集增益和更高的编码增益,文中提出了一种基站端循环延迟分集接收方案.该方案在基站端首先去掉信号的循环前缀(CP),然后把不同天线上经过循环延迟的信号直接叠加在一起,再进行DFT获得频域信号,最后经过最小均方误差(MMSE)均衡获得解调信号.文中最后通过理论分析和仿真验证本方案的性能.

1系统模型

考虑图1所示的SIMO系统,其包含一个含有单天线的发射端和Nr个接收天线的接收端.发射端无需知道任何信道状态信息,而接收端知道完整的信道状态信息.发射端首先发送长度为N的信息块x,x=[x(0),x(1)，…,x(N-1)]T.发送前,在单载波信号的前端加上长度为Γ的循环前缀.为了保证没有块间干扰,循环前缀的长度应满足Γ≥L.经过信道以后,基站的第n个接收天线首先去除CP,收到的信息序列可以表达为发送信息序列和信道冲激响应循环卷积的形式:

(1)

式中:[[·]]N表示模除操作;hn=[hn(0),hn(1),…,hn(Ln-1)]T,是从发送天线到第n条接收天线的多径信道,这里假设Ln=L；n=0，1,…,Nr-1.为了分析简便,文中将信道hn补0至长度为N,可以得到

(2)

其中等价信道hn=[hn(0),hn(1)，…,hn(N-1)]T=

[hn(0),hn(1)，…,hn(Ln-1),0,…，0,0]T.然后对第n条天线的接收信号进行大小为δn的循环移位,可以得到:

(3)

(4)

基站在接收到信号以后,将在频域对信号进行频域均衡以及逐个符号的检测.

2等价信道及频域MMSE均衡

2.1等价信道的推导

基站对不同天线上接收信号的循环移位的叠加,等价于把SIMO系统中不同天线上的多径信道转化为单输入单输出(SISO)系统中的多径信道.于是,信道的性能分析就可以借助SISO系统的中断概率进行分析.文中用l′替换式(4)中的l+δn,可以得到：

同时将式(4)中求和范围分为两部分,分别为

l′

图1循环延迟接收方案示意图

Fig.1Schematic diagram of cyclic delay shifted receiver scheme

(5)

heqv=[heqv(0),heqv(1),…,heqv(N-1)]T

(6)

(7)

2.2基站MMSE均衡

上行系统的基站段采用频域MMSE均衡技术,其均衡矩阵可以表示为

WMMSE=[AHA+ρ-1I]-1AH

(8)

式中:ρ是信噪比;A是频域的N×N等价信道矩阵,它本身是一个对角矩阵,其主对角线上的第k个元素可以由时域等价信道求得,即

因此，矩阵[AHA+ρ-1I]-1的求逆运算就可以转化为获取对角线元素的倒数,均衡器权值矩阵的复杂度线性正比于矩阵的维度运算.均衡后的时域数据可以用矩阵形式表示为

(9)

式中,Q是离散傅里叶变换矩阵,它的第m行、第n列元素可以表达为

3系统性能分析

(10)

(11)

从而可以得到

系统的中断概率可以表达为

(12)

对于式(12),有以下结论.

(13)

证明定义ak,因而可以得到以下等式

(14)

其中,≐表示当ρ→+∞时式(14)中≐的左边等价于右边.对于区域ak<1和ak≥1,可知式(14)的左边分别趋近于0和1,因此有

依据文献[14]中得出的结论：P{ak>1}≐1-exp(ρ-1)≐ρ-1，可以得到：

(15)

结论2在SIMO系统中,接收端采用了Nr根天线,从发射天线到每根接收天线上的信道都是长度为L的多径信道,信道的每个抽头系数都服从瑞利分布,采用MMSE频域均衡,当NrL≤N时,能够获得的最大分集增益为

(16)

证明根据式(6)基站对接收信号的循环延迟叠加,可以等价为把SIMO系统中瑞利多径信道转化成SISO系统中长度为NrL的瑞利多径信道.根据结论1,当NrL=N时,可以得到

ρ-(⎣2-RN」+1) ≐ρ-d(R,N,NrL) .

根据文献[10]中的引理2,系统的分集增益和信道补0的个数无关,从而

由式(16)可知:当NrL<2-RN时,增加接收机的天线数能够增加系统的分集增益;当NrL>2-RN时,增加DFT的点数或者降低调制指数可以增加系统的分集增益.

文献[11]方案需要对每个接收天线上的信息序列做N点的DFT运算,其运算复杂度为O(NrN).本方案采用频域的MMSE均衡技术,对不同天线上循环延迟以后的叠加信号做一次DFT运算,其复杂度为O(N),相对前者减少了Nr-1个N点的DFT运算.

4仿真结果及分析

图2　中断概率的仿真结果

在瑞利多径信道和EPA信道下文中所提方案的中断概率性能如图2(b)所示,其中仿真参数设定为L=4,R=1,N=32.在瑞利多径信道环境中,每个抽头系数服从均值为0、方差为1的复高斯分布.在EPA信道环境下,符号宽度选取Ts=1/(15000×2048)=32.55ns[3],选取文献[15]中附录B.2所给的EPA信道的简化信道(L=4),每个多径信道的抽头系数的功率为PdB=[1.7940,1.1300,0.1584].从图2(b)可以看出在瑞利信道下中断概率性能为10-3时所需的信噪比,当Nr=2时文中方案的系统性能优于LTE中天线选择方案2dB左右,当Nr=3时文中方案的系统性能优于LTE中天线选择方案4dB;在EPA信道和中断概率为10-3情况下,当Nr=2时文中方案的系统性能优于LTE中天线选择方案至少1.5dB,当Nr=3时文中方案的系统性能优于LTE中天线选择方案2.5dB.

5结论

针对SIMO系统,文中提出了一种低均衡复杂度、能够获得空间-多径满分集增益的方案.该方案首先对不同天线上接收到的信息序列去除CP,再进行循环移位和直接叠加,然后在频域进行MMSE均衡,最后进行逐符号检测.理论分析结果表明,文中方案可以获得空间-多径满分集增益.由于文中方案只采用了一个N点的DFT模块,故复杂度低,尤其适用于用户和天线较多的场景.仿真实验结果表明,文中方案能够获得和LTE系统中天线选择方案相同的空间-多径满分集增益,其编码增益优于天线选择方案,是一种优异的SIMO系统接收机方案.

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Design of Cyclic Delay Diversity Receiving Scheme in LTE Uplink System

HanWei-liang1GeJian-hua1BuQi-fei1ShiXiao-ye2JiYan-cheng3

(1.State Key Laboratory of Integrated Service Networks,Xidian University,Xi’an 710071,Shaanxi,China;

2.School of Internet of Things,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,Jiangsu,China;

3.School of Electronics and Information,Nantong University,Nantong 226019,Jiangsu,China)

Abstract:For the lack of transmitting antenna in long-term evolution (LTE) uplink system, base stations cannot obtain a good diversity gain and system performance. In order to solve this problem, a novel scheme using cyclic delay combining technique at the receiver is proposed to achieve full spatial-multipath diversity. In this scheme, cyclic delayed copy signals at different receiving antennas are combined. Then, the minimum mean square error equalization in frequency domain is made and the signal is detected symbol by symbol.When an appropriate cyclic delay shift is chosen, the system can obtain a maximum spatial-multipath diversity gain with low demodulation complexity. Simulated results indicate that, in comparison with the existing antenna selection schemes in LTE uplink system, the proposed scheme helps acquire the same diversity gain and a higher coding gain without additional demodulation complexity; and that, when outage probability reaches 10-3, the proposed scheme leads to 2～4dB of gain under Rayleigh channel and at least 1.5dB of gain under extended pedestrian channel.

Key words: long-term evolution system; cyclic delay; multiple input multiple output system; spatial-multipath diversity; single-carrier frequency domain equalization