NB-IoT技术描述 多天线接收

多天线接收

1.1 概述

多天线接收是指在接收端使用多个天线接收信号，并对接收信号采用信号接收合并算法进行合并的技术。eNodeB和UE均支持多天线接收，本章重点介绍eNodeB侧的多天线接收技术。

1.2 接收分集

接收分集方案下，UE通过一根发射天线发送信号，不同UE占用不同的时频资源。eNodeB使用多个天线接收信号，对多个天线上收到的信号进行合并，实现信号干扰噪声比SINR（Signal to Interference Plus Noise Ratio）的最大化，可获得分集增益和阵列增益，从而提升小区容量和覆盖。

由于无线信道的衰落特性，发射端与接收端之间的无线信道会随时间出现深衰落（10dB~20dB），从而造成接收信号SINR的波动。由于不同天线上信号的深衰落同时出现的概率较低，当不同天线上的接收信号进行合并后，信号深衰落的概率相对于单天线大幅减小，从而获得分集增益。另一方面，由于不同天线上的白噪声是不相关的，合并后噪声功率保持不变，而信号能量合并后成倍提高，从而获得阵列增益。

分集增益

分集增益来源于空间信道理论上的分集阶数。对于M×N系统，假设每对发射天线和接收天线之间的信道独立，并假设每根天线发射的信号相同，理论上相对1×1系统可以获得的分集阶数是M×N。M×N表示发射天线数和接收天线数的乘积。分集阶数是空间信道容错能力的一个理论表征，可理解为M×N的系统提供的理论上的系统容错能力为1×1系统的M×N倍。换句话说，相同条件下M×N系统的收发信号错误概率为1×1系统的1/(M×N)。

分集增益可以提高接收端信噪比稳定性，从而提升无线信号接收可靠性，如图所示。

图 分集增益示意图

阵列增益

理论上，1×N系统和M×1系统相对于1×1系统可获得的阵列增益分别为10log(N) dB和10log(M)dB。

阵列增益可以提高接收端信噪比，从而提升信号接收质量，如图所示。

图 阵列增益示意图

接收分集原理

接收分集的实现原理如下图所示。

图 接收分集原理图

UE发送的信号x经过不同的信道到达eNodeB的M根天线r₁~r_M，eNodeB对各路接收信号分别乘以权值w_i，然后对各天线上的信号进行合并，得到信号y。合并后的信号可以表示为：

y=W(Hx+N)

其中，

• W=(w₁…… w_M)为各天线的接收权值组成的1xM维的向量
• H=(h₁…… h_M)^T为Mx1维的空间信道矩阵。h_i为信道系数，上标T表示转置运算。信号经历信道后幅度和相位都会发生变化，信号乘以信道系数得到经历信道后的信号。
• N=(n₁…… n_M)^T为各天线接收到的噪声组成的Mx1维的向量
• x：发送信号

接收分集的关键在于接收合并，即各天线上的权值W的计算。

1.3 接收机技术

多天线接收涉及的信道包括NPUSCH和NPRACH，涉及的接收机技术包括MRC和IRC，本版本只支持MRC。因此，本小节重点介绍MRC接收机原理。

MRC是一种天线合并算法。它依附于一定的均衡准则，称为该准则下的MRC接收机，比如MMSE MRC接收机、MSINR MRC接收机等。MMSE(Minimum Mean Square Error)和MSINR(Maximum Signal Interference Noise Ratio )是两种均衡准则。当前版本使用MMSE MRC接收机。

不同的均衡准则下的接收机都涉及到Ruu(天线间的干扰噪声协方差矩阵)的计算。如果把Ruu当做对角阵来处理，只计算其主对角线元素，则称为MRC接收机，否则称为IRC接收机。

相关概念

• MMSE：最小均方差，发送信号的估计值（通过估计接收信号得到）与发送信号之间的均方误差最小化。
• 白噪声：指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。
• 有色干扰：指功率谱密度在整个频域内非均匀分布的干扰。

MRC接收机原理

下面以MMSE均衡准则为例，用公式说明MRC算法的原理。

图 通用接收机工作原理图

其中，

x₀：信号

I_k：干扰信号，k表示干扰源的索引（k=1,2,…m），m为干扰源的数目

h_k^(p) ：源信号k=0和干扰信号k=1,…,m的信道系数，p表示接收天线索引（p=0, 1）

n_p：接收天线p上的白噪声（AWGN：Additive White Gaussian Noise）

w^(p)：接收天线p上的接收权值

r_p：接收天线p上的接收信号

y：合并后的信号

信号x0和干扰信号Ik经过各自的无线信道hk(p)，在接收天线上叠加，加上接收端引入的白噪声np，得到接收信号rp。合并后的信号y=WR。不同的接收机会产生不同的权值W。使得信号按照不同的准则进行均衡及天线间合并。

MMSE MRC接收机对应的权值w(p)可以使合并后的信号y与源信号x0的干扰为白噪声的情况下均方误差最小。

假设源信号的功率为Es, 源信号、噪声以及干扰信号相互独立，则MMSE准则下接收权值W的计算公式如下：

 

其中Ruu是对角阵，主对角线元素表示干扰噪声功率，由eNodeB测量得到。

对于MRC接收机，设在第i个RU上估计出的白噪声和干扰信号之和的协方差矩阵为Ruu，将非对角线上的元素置零，则Ruu可以近似为：

其中，N_RX表示接收天线数

MRC合并处理后的输出信号可以表示为：

其中，

R(i)：接收信号向量

H(i)：信道向量