LTE系统中基于传输分集的QR接收机设计-AET-电子技术应用

LTE系统中基于传输分集的QR接收机设计

来源:电子技术应用2011年第2期

李小文, 郭歌, 陈发堂

重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆400065

摘要： LTE系统有传输分集和空间复用两种传输模式。在传输分集模式下，传统的最大比合并算法在进行信号检测时，误比特率较高。为此设计了应用于传输分集模式下的QR接收机，并对信号检测模块进行详细描述。由于在信号检测时以软信息的方式进行处理，避免了信息的损失。仿真结果表明，该QR接收机能够较大地降低误比特率，提升性能。

关键词： 长期演进传输分集 QR接收机软信息

中图分类号： TN929.5
文献标识码： A
文章编号： 0258-7998(2011)02-0102-04

QR receiver design based on transmit diversity in LTE system

Li Xiaowen, Guo Ge, Chen Fatang

College of Communication and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China

Abstract： LTE system adopts transmit diversity and spatial multiplexing two modes. In transmit diversity mode,the traditional MRC algorithm which is uesd for signal detection,has a high error rate. This paper proposes the QR receiver in LTE system and gives a detailed description in signal detection part. Because the soft information is carried out in signal detection, the loss information has been avoided. Simulated result shows that the QR receiver can reduce the bit error rate and improve the performance tremendously.

Key words : LTE; transmit diversity; QR receiver; soft informance SISO

    作为3GPP启动的新的无线通信项目，LTE系统采用了OFDM、MIMO等核心技术，使得系统的性能有了大幅度的提升[1]。
    作为LTE移动通信系统采用的核心技术之一，MIMO可以实现很高的频谱利用率，这是传统单发单收无法实现的。在MIMO条件下有传输分集和空间复用两种传输模式[2]。在LTE系统中，传输分集的实质是空频分组码（SFBC），可以提高信息传输的可靠性，而空间复用则增加了信息传输的有效性。
    在传输分集模式下,传统的信号检测算法有ML算法、最大比合并算法等。ML算法运算复杂度较高，无法应用于实际系统中,最大比合并算法的误码率相对较高。在空间复用模式下，可以采用turbo接收机降低误码率。相应的，在传输分集模式下也可以采用类似的接收机提升系统性能，本文设计了一种QR分解接收机，用于传输分集条件下的信号检测。仿真表明，与最大比合并算法相比，该接收机能够获得数个dB的增益。
1 发送端处理流程
    LTE系统中，目前主要支持2发2收和4发4收的天线系统。因此以下将分别讨论两种天线系统在传输分集模式下的发射方案。
    在两发两收天线系统中，基于传输分集的预编码可以表示为：

其中d(i)是数据调制后的复值符号，y(0)(i)、y(1)(i)分别代表天线端口0和端口1预编码后的数据。对于天线端口0，在第k和第k+1个子载波处，其复值符号就是星座映射后的数据；天线端口1在第k个子载波处，其复值符号是天线端口0第k+1个子载波处复值符号的共轭的相反数，第k+1个子载波是天线端口0第k个子载波的共轭。可见传输分集下预编码实质就是SFBC。
    四天线系统的情况与两天线系统类似，此外还采用了天线切换技术。预编码可以表示为：

4 其他模块
　对于信道估计模块，可以采用LS和LMMSE等传统算法进行信道估计。其中导频为小区专用参考信号。其构造形式详见协议3GPP TS36.211。
　 Turbo编码方式详见协议26.212，译码可以采用传统的log-map算法或max-log-map算法[7]。由于turbo译码算法较为成熟，因此不作过多阐述。
    针对不同编码方法，速率匹配可分为咬尾卷积下的速率匹配和turbo下的速率匹配[8]，在这里采用turbo下的速率匹配，其处理过程详见协议36.212。解速率匹配是速率匹配的逆过程，只需按照其相反过程进行处理即可。
5 仿真结果
　通过MATLAB仿真,可以观察该QR接收机的性能。仿真环境参数：QPSK调制，在频域上取30个资源块，时域上取一个子帧，即14个OFDM符号，CP为普通型循环前缀。MAC层配置下来的比特流长度为3 240，信道编码采用turbo码，天线系统为2发2收和4发4收。采用蒙特卡罗仿真，仿真次数为500次。
    由于本文重点为QR接收机的信号检测模块，因此MATLAB仿真时假定信道估计是理想的，不存在偏差。Turbo译码模块采用max-log-map算法。
   通过图2，可以发现在2发2收天线系统下，当内部迭代次数固定时，随着外部迭代次数的增多，系统的性能在逐渐提升。外部迭代一次比外部不迭代在性能上有明显提升，这是因为先验信息的引入提升了精确度。随着迭代次数增多，性能提升并不明显，这是因为性能趋向于收敛。

图3比较了外部迭代一次时内部迭代次数对误比特率的影响。可见，随着内部迭代次数的增多，系统的性能在提升，当然这种提升是以运算复杂度为代价的。

　图4为传统最大比合并算法，将图2、图3和图4进行比较，可以发现当误比特率为10^-5时，QR接收机外部迭代一次，内部迭代三次与最大比合并算法相比，在性能上有5.5 dB的提升。

　图5展示了4发4收天线系统下QR接收机的性能。与2发2收天线系统相比，系统性能有一定下降。这是因为天线数目增多，相互干扰也在增加。
本论文主要讨论了LTE系统中QR接收机的设计。通过仿真可以发现，该接收机与传统传输分集下的信号检测算法相比，用软信息代替了硬判决，避免了信息的损失，在性能上有了较大的提升，可将其应用于允许一定算法复杂度的通信系统中。
参考文献
[1] 沈嘉，索士强．3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计．北京：人民邮电出版社，2008．
[2] 3GPP TS 36.211 v8.5.0:Physical Channels and Modulation (Release 8)[S]. 2008-05：71.
[3] SELLATHURAI M， HAYKIN S. Turbo-BLAST for wireless communications: Theory and experiments[J].IEEE Trans. Signal Processing,2003,50(10):469-475.
[4] WUBBEN D, BOHNKE R,RINAS J,et al. Efficient algorithm for decoding layered space-time codes[J]. IEEE Trans.Elecronic Letters,2001,37(22):1348-1350.
[5] LAI T X, SIVA D, SESAY A B. Performance analysis and multi-stage iterative receiver design for concatenated spacefrequency block coding schemes[J]. IEEE Trans.Wireless Communications,2008,7(1).
[6] 陈亮，李建东. 新型基于QR分解的低复杂度MIMO迭代接收机[J].电子学报，2007,35(6A).
[7] 3GPP TS 36.212 v8.5.0: Multiplexing and channel coding (Release 8)[S]. 2008-05:71.
[8] BERROU C, GLAVIENUX A,THITIMAJSHIMA P. Near-Shannon limit error-correcting coding and decoding:Turbocodes in Proc.ICC,1993,1(5):295-300.

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