一种结合MMSE/MMSE-IRC接收机与交替投影连续干扰消除的5G-NR上行链路ICI缓解方法

《Electronics》：A Combined MMSE/MMSE-IRC Receiver with Alternating Projections Successive Interference Cancellation for ICI Mitigation in 5G-NR Uplink

　　

从4G长期演进（LTE）到5G新无线电（NR）的演进增加了蜂窝部署中的小区密度，从而加剧了小区间干扰（ICI），这在小区边缘场景中最为显著。最小均方误差–干扰抑制合并（MMSE-IRC）接收机在LTE系统Release 11附近被广泛采用，作为高级干扰抑制的实际实现。尽管未在3GPP规范中标准化，但它常用于3GPP研究，并已在5G-NR环境中有效使用。本文中，研究人员提出了交替投影硬连续干扰消除（AP-HSIC）均衡器算法的新版本，该版本结合了最小均方误差（MMSE）和MMSE-IRC均衡器（分别记为MMSE-AP-HSIC和MMSE-IRC-AP-HSIC）。通过正交相移键控（QPSK）、16-QAM和64-QAM调制的块错误率（BLER）分析证明了新方法的有效性。物理上行共享信道（PUSCH）5G-NR接收机仿真展示了所提算法与经典AP-HSIC、MMSE和MMSE-IRC均衡器算法之间的差异。仿真结果表明，所提方案MMSE-IRC-AP-HSIC在小区边缘场景中优于传统MMSE-IRC方案。

**论文解读：一种结合MMSE/MMSE-IRC接收机与交替投影连续干扰消除的5G-NR上行链路ICI缓解方法**

**研究背景与问题**

从4G长期演进（LTE）到5G新无线电（NR）的演进显著提升了蜂窝网络的小区密度，基站部署更为密集，频率资源复用更加激进。这种密集化虽然提高了系统容量，但也使得小区间干扰（ICI）成为小区边缘用户的主要性能瓶颈。在5G-NR上行链路中，小区边缘用户的信号到达服务基站时信干噪比（SINR）较低，且易受相邻小区同调度用户的干扰。如何在不依赖信道状态信息（CSI）反馈至发射端、也不要求显式解码干扰信号的前提下，在服务基站接收机处有效缓解ICI，是5G-NR上行链路的核心问题。现有干扰缓解方法主要包括三类：连续干扰消除（SIC）类方法、最小均方误差–干扰抑制合并（MMSE-IRC）均衡器以及高级多输入多输出（MIMO）波束赋形技术。SIC类方法无需物理CSI反馈，但难以处理来自外部源（如强相关干扰或智能干扰机）的干扰；MMSE-IRC提供空间选择性，但受限于动态外部干扰及非独立组网协议；波束赋形技术需要下行CSI反馈，在大规模天线场景下不可行。因此，研究人员提出结合上述三类方法的互补优势，开发一种既能利用空间干扰抑制能力、又能通过迭代消除处理残余干扰的新型接收机结构。

**研究工作与结论**

研究人员提出了交替投影硬连续干扰消除（AP-HSIC）均衡器算法的新版本，分别与MMSE和MMSE-IRC均衡器结合，形成MMSE-AP-HSIC和MMSE-IRC-AP-HSIC两种变体。通过物理上行共享信道（PUSCH）的链路级仿真，在正交相移键控（QPSK）、16-QAM和64-QAM调制下，对比了所提算法与经典AP-HSIC、MMSE和MMSE-IRC均衡器在无干扰、时间同步ICI和时间异步ICI场景下的块错误率（BLER）性能。仿真结果表明，MMSE-IRC-AP-HSIC在小区边缘低SINR场景（QPSK）下，相比传统MMSE-IRC实现了约0.2–0.25 dB的BLER改善；在高调制阶数（16-QAM、64-QAM）下各算法性能收敛。该工作证明了混合结构继承了MMSE-IRC的空间干扰抑制能力，并通过迭代消除进一步优化，无需CSI反馈。论文发表在《Electronics》。

**关键技术方法**

研究人员采用的主要关键技术方法包括：交替投影硬连续干扰消除（AP-HSIC）算法，该算法基于两个凸集间的交替投影，联合估计期望符号和残余干扰，无需显式解码干扰信号；MMSE和MMSE-IRC均衡器用于初始化AP-HSIC迭代，替代原先的迫零初始点；使用主导干扰比例（DIP）模型（基于3GPP LTE规范）模拟5G-NR上行链路中的ICI，干扰源为单个相邻小区用户，时间同步或异步偏移量为子帧长度的1/2；仿真采用2×2 MIMO配置，信道为频率选择性瑞利衰落，信道估计假设为理想（完美信道）。仿真参数源自MATLAB R2025a链路级仿真平台，未涉及特定样本队列。

**研究结果**

**5.1 仿真参数**
仿真参数选自3GPP标准化的典型小区边缘上行场景：2×2 MIMO、低空间相关期望信道与高空间相关干扰信道、30 kHz子载波间隔、每个资源块12个子载波、QPSK/16-QAM/64-QAM调制及对应编码速率。干扰模型采用DIP set 2（更严重干扰环境），干扰功率占总干扰加噪声功率的98%。通过设置不同定时偏移区分同步与异步干扰。仿真中交替投影迭代的收敛容限为10^-3，迭代次数随SINR从约21次（-5 dB）降至1次（15 dB）。

**5.2 仿真结果**
- **无干扰场景（图2-4）**：对于QPSK调制，MMSE-AP-HSIC相比AP-HSIC、MMSE-IRC-AP-HSIC及经典MMSE和MMSE-IRC，在BLER=10%处改善约0.25 dB；16-QAM和64-QAM下所有接收机性能几乎一致。
- **时间同步ICI场景（图5-7，DIP set 2）**：对于QPSK调制，MMSE-IRC-AP-HSIC相比MMSE-IRC改善约0.25 dB；MMSE和MMSE-AP-HSIC性能显著劣于MMSE-IRC及AP-HSIC，表明显式干扰抑制在ICI下至关重要。16-QAM和64-QAM下各算法性能差距缩小。
- **时间异步ICI场景（图8-10，DIP set 2）**：对于QPSK调制，MMSE-IRC-AP-HSIC在BLER=10%处相比MMSE-IRC改善约0.2 dB；16-QAM和64-QAM下各算法收敛。由于采用完美信道估计，高SINR下干扰对信道估计的反馈被抑制，导致所有算法性能趋同。

**总结与讨论**

研究人员在讨论中指出，所提方案在低SINR小区边缘场景（QPSK）下最为有效，改善量为0.2–0.25 dB，代价是迭代次数最多达21次。然而，该代价在接收机计算资源最充裕时产生：小区边缘用户通常被调度低MCS和小频率分配，处理样本少，LDPC解码器负载轻；而在高MCS和大分配时，迭代次数降至1次，几乎无额外开销。因此，基于调度MCS和分配大小选择性激活迭代阶段是实际接收机实现的可行方案。当前评估限于2×2 MIMO、单干扰源、单TDL配置，未来工作将扩展至多干扰源、更大天线配置、多种TDL/CDL剖面、多普勒扩展及基于导频的信道估计。

**研究结论（原文翻译）**
本文提出了AP-HSIC均衡器的两种新变体，即MMSE-AP-HSIC和MMSE-IRC-AP-HSIC，通过用MMSE或MMSE-IRC估计初始化交替投影迭代，替代了[1]中使用的迫零解。通过2×2 MIMO上行链路的PUSCH链路级仿真，在QPSK、16-QAM和64-QAM调制下，以及无干扰、时间同步和异步ICI条件下，对这些变体与经典AP-HSIC、MMSE和MMSE-IRC均衡器进行了评估。所提方案在低SINR小区边缘场景下最为有效。无干扰时，MMSE-AP-HSIC在QPSK处比其他接收机改善约0.25 dB，其他接收机性能几乎相同。在同步和异步ICI下，MMSE-IRC-AP-HSIC在QPSK处优于传统MMSE-IRC，同步情况下改善达0.25 dB，异步情况下在BLER=10%处改善约0.2 dB，而MMSE和MMSE-AP-HSIC在干扰存在时性能急剧下降，证实了在ICI下显式干扰抑制的必要性。随着调制阶数和SINR升高（16-QAM、64-QAM），所有接收机收敛至几乎相同的性能，因为残余噪声加干扰相对于信号变小，且未在假设的完美信道中反映。这些结果表明，混合结构继承了MMSE-IRC的空间干扰抑制能力，并通过迭代消除进行优化，结合了空间滤波和连续干扰消除的互补优势，无需向发射机反馈CSI。从部署角度看，这支持基于配置的接收机选择，而非统一替换现有均衡器。测得的改善局限于低SINR、QPSK小区边缘场景，幅度为0.2–0.25 dB，在16-QAM和64-QAM下无可测增益，代价是最多21次交替投影迭代。然而，该代价在接收机计算余量最大的工作点产生。小区边缘用户按设计被调度低MCS和小频率分配，因此物理层链路的每资源单元处理相对较少样本，LDPC解码器（高谱效时5G-NR接收机面积和存储复杂度的主要贡献者）相应轻载。在高MCS和大分配（链路上最重负载）时，所提接收机的迭代次数降至1次，基本无额外成本。因此，额外复杂度恰好在接收机可承担时产生，使得基于调度MCS和分配大小选择性激活迭代阶段成为实际接收机实现的可行选项。