NB-IoT技術描述 多天線接收

多天線接收

1.1 概述

多天線接收是指在接收端使用多個天線接收信號，並對接收信號采用信號接收合並算法進行合並的技術。eNodeB和UE均支持多天線接收，本章重點介紹eNodeB側的多天線接收技術。

1.2 接收分集

接收分集方案下，UE通過一根發射天線發送信號，不同UE占用不同的時頻資源。eNodeB使用多個天線接收信號，對多個天線上收到的信號進行合並，實現信號干擾噪聲比SINR（Signal to Interference Plus Noise Ratio）的最大化，可獲得分集增益和陣列增益，從而提升小區容量和覆蓋。

由於無線信道的衰落特性，發射端與接收端之間的無線信道會隨時間出現深衰落（10dB~20dB），從而造成接收信號SINR的波動。由於不同天線上信號的深衰落同時出現的概率較低，當不同天線上的接收信號進行合並后，信號深衰落的概率相對於單天線大幅減小，從而獲得分集增益。另一方面，由於不同天線上的白噪聲是不相關的，合並后噪聲功率保持不變，而信號能量合並后成倍提高，從而獲得陣列增益。

分集增益

分集增益來源於空間信道理論上的分集階數。對於M×N系統，假設每對發射天線和接收天線之間的信道獨立，並假設每根天線發射的信號相同，理論上相對1×1系統可以獲得的分集階數是M×N。M×N表示發射天線數和接收天線數的乘積。分集階數是空間信道容錯能力的一個理論表征，可理解為M×N的系統提供的理論上的系統容錯能力為1×1系統的M×N倍。換句話說，相同條件下M×N系統的收發信號錯誤概率為1×1系統的1/(M×N)。

分集增益可以提高接收端信噪比穩定性，從而提升無線信號接收可靠性，如圖所示。

圖 分集增益示意圖

陣列增益

理論上，1×N系統和M×1系統相對於1×1系統可獲得的陣列增益分別為10log(N) dB和10log(M)dB。

陣列增益可以提高接收端信噪比，從而提升信號接收質量，如圖所示。

圖 陣列增益示意圖

接收分集原理

接收分集的實現原理如下圖所示。

圖 接收分集原理圖

UE發送的信號x經過不同的信道到達eNodeB的M根天線r₁~r_M，eNodeB對各路接收信號分別乘以權值w_i，然后對各天線上的信號進行合並，得到信號y。合並后的信號可以表示為：

y=W(Hx+N)

其中，

• W=(w₁…… w_M)為各天線的接收權值組成的1xM維的向量
• H=(h₁…… h_M)^T為Mx1維的空間信道矩陣。h_i為信道系數，上標T表示轉置運算。信號經歷信道后幅度和相位都會發生變化，信號乘以信道系數得到經歷信道后的信號。
• N=(n₁…… n_M)^T為各天線接收到的噪聲組成的Mx1維的向量
• x：發送信號

接收分集的關鍵在於接收合並，即各天線上的權值W的計算。

1.3 接收機技術

多天線接收涉及的信道包括NPUSCH和NPRACH，涉及的接收機技術包括MRC和IRC，本版本只支持MRC。因此，本小節重點介紹MRC接收機原理。

MRC是一種天線合並算法。它依附於一定的均衡准則，稱為該准則下的MRC接收機，比如MMSE MRC接收機、MSINR MRC接收機等。MMSE(Minimum Mean Square Error)和MSINR(Maximum Signal Interference Noise Ratio )是兩種均衡准則。當前版本使用MMSE MRC接收機。

不同的均衡准則下的接收機都涉及到Ruu(天線間的干擾噪聲協方差矩陣)的計算。如果把Ruu當做對角陣來處理，只計算其主對角線元素，則稱為MRC接收機，否則稱為IRC接收機。

相關概念

• MMSE：最小均方差，發送信號的估計值（通過估計接收信號得到）與發送信號之間的均方誤差最小化。
• 白噪聲：指功率譜密度在整個頻域內均勻分布的噪聲。
• 有色干擾：指功率譜密度在整個頻域內非均勻分布的干擾。

MRC接收機原理

下面以MMSE均衡准則為例，用公式說明MRC算法的原理。

圖 通用接收機工作原理圖

其中，

x₀：信號

I_k：干擾信號，k表示干擾源的索引（k=1,2,…m），m為干擾源的數目

h_k^(p) ：源信號k=0和干擾信號k=1,…,m的信道系數，p表示接收天線索引（p=0, 1）

n_p：接收天線p上的白噪聲（AWGN：Additive White Gaussian Noise）

w^(p)：接收天線p上的接收權值

r_p：接收天線p上的接收信號

y：合並后的信號

信號x0和干擾信號Ik經過各自的無線信道hk(p)，在接收天線上疊加，加上接收端引入的白噪聲np，得到接收信號rp。合並后的信號y=WR。不同的接收機會產生不同的權值W。使得信號按照不同的准則進行均衡及天線間合並。

MMSE MRC接收機對應的權值w(p)可以使合並后的信號y與源信號x0的干擾為白噪聲的情況下均方誤差最小。

假設源信號的功率為Es, 源信號、噪聲以及干擾信號相互獨立，則MMSE准則下接收權值W的計算公式如下：

 

其中Ruu是對角陣，主對角線元素表示干擾噪聲功率，由eNodeB測量得到。

對於MRC接收機，設在第i個RU上估計出的白噪聲和干擾信號之和的協方差矩陣為Ruu，將非對角線上的元素置零，則Ruu可以近似為：

其中，N_RX表示接收天線數

MRC合並處理后的輸出信號可以表示為：

其中，

R(i)：接收信號向量

H(i)：信道向量