（通信与信息系统专业论文）多点协同传输系统中联合预编码技术研究.pdf

兰少h 交通大学硕士学位论文 摘要 随着无线移动通信技术从3 g 向4 g 逐渐演进，为满足高速移动数据业务发展的更多需 求和应用，导致网络资源变得尤为珍贵，协同传输己成为必然的趋势。作为l t e a 关键 技术的多点协同传输( c o m p ) 以协作通信的方式传输信号，在多个小区间不同程度地共 享信道状态信息和数据信息，将相邻小区的干扰转变为可利用信息，利用空间信道上的 差异性传输数据，从而达到优化协作系统整体性月t - 匕p _ , 和改善边缘用户性能的目的。而未来 移动通信网络中一种重要的多天线接入技术，分布式无线通信系统以其覆盖范围广、系 统容量大和系统功率效率高的特点被广泛认可。因此，分布式无线通信网络和c o m p 技 术的结合将更有利于实现未来移动通信的发展目标。 在分布式c o m p 的传输模型中，协作的每个分布式传输节点采用预编码矩阵来处理 多个o f d m 数据信息。然而，高速率的数据传输要求以及复杂的通信环境影响，使得 预编码所需的c s i 很难被短时而精确地估计，所以只使用一种编码方式的方案己不能满 足通信的需求，联合编码引起了广泛关注。 论文在全面分析分布式c o m p 系统的基础上，将预编码引入系统模型之中，重点研 究了多种预编码方式协同作用的联合编码以及采用空时分组码与预编码相结合的联合 编码对整个系统性能的影响，主要研究内容如下： ( 1 ) 分布式天线系统下的多点协同传输方案。在分析并讨论分布式系统的特点( 资源 配置灵活、分布广泛) 和协同传输的优点( 有效性、可靠性) 的基础上，提出了一种局部 范围内的分布式多点协同传输结构，以简化全局范围因信息共享带来的高复杂度，降低 实现难度，使之成为下一代无线网络覆盖所必须考虑的实现方案。 ( 2 ) 在分布式无线移动通信多点协同传输系统中，对于小区边缘用户而言，信道质 量的恶化将导致系统接收性能的下降，为此，提出了一种协同传输联合预编码方法，以 提高接收质量。该方法中系统针对协同的远端天线单元进行联合处理，各r a u 根据信 道状态信息好坏采用不同的预编规则对同一用户发送数据，而在接收端使用最大比合并 的方式对各链路信号进行处理。 ( 3 ) 通过分析分布式多点协同传输系统中预编码和空时编码高效的编码增益和分集 增益，提出了一种联合处理方法，以克服复杂的通信环境影响，改善边缘用户接收性能。 在该方法中，分布式天线系统的远端天线单元( r a u ) 根据信道状态好坏，形成针对用户 传输的协作集合。协作集合中各r a u 先采用相应的预编码规则对同一用户数据进行预 处理，而后通过空时分组码的方式发送数据。协同的各r a u 经过联合传输，用户端使 用最大比合并的方式聚合空间分集信号。 兰州交通大学硕士学位论文 仿真实验表明分布式多点协同传输下的联合编码不仅有效地提升了无线通信系统 的有效性和可靠性，还进一步表明了其在未来移动通信中较好的应用前景，为下一代无 线通信技术提供理论参考依据。 关键词：多点协同传输；分布式天线系统；预编码；空时分组码；误码率 论文类型：基础研究 兰州交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yf r o m3 gt o 4 g ，s h o r t a g e so fw i r e l e s sn e t w o r kr e s o u r c e sh a v eb e c o m et h ef o c u so ft e c h n o l o g yi n n o v a t i o n b e c a u s eo fd e m a n d sf o rh i 曲- s p e e dm u l t i m e d i ad a t as e r v i c e s o m en e wt e r m i n o l o g i e ss u c ha s c o o r d i n a t e dt r a n s i t i o na p p e a r e di nr e c e n ty e a r s c o o r d i n a t e dm u l t i p o i n t ，c o m p ，a so n eo f k e yt e c h n o l o g i e so fl o n gt i m ee v o l u t i o n - a d v a n c e d ( l t e - a ) h a sb e c o m ea l li n e v i t a b l e t e n d e n c yo fs t u d ya n dd e v e l o p m e n t t h eb a s i ci d e ao fc o m p i st om a k et h es y s t e ms t r u c t u r e o fm u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ( m i m o ) n e t w o r kv i r t u a lf o ra c h i e v i n gm u l t i - p o i n tj o i n t t r a n s m i s s i o n ss oa st oa v o i do re l i m i n a t ec o f r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) a n dd a t ai n f o r m a t i o na r es h a r e da m o n gm u l t i c e l l sb ya l l o w i n gt h eu s e rd a t at ob e j o i n t l yp r o c e s s e db ys e v e r a li n t e r f e r i n gb a s es t a t i o n si no r d e rt oe x p l o i ti n t e r f e r e n c eb e t w e e n a d j a c e n tc e l l sa su s e f u li n f o r m a t i o n a n dt h e nt h ew h o l ec o o p e r a t i v es y s t e mi so p t i m i z e dt o r a i s et h eu t i l i z a t i o nr a t eo fr e s o u r c e s ，a n di m p r o v er e c e p t i v i t yo fe d g eu s e r s m o r e o v e r ，f o r m u l t i a n t e n n aa c c e s st e c h n i q u ei nt h ef u t u r e ，d i s t r i b u t e dw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e mi sw i d e l ya p p r o v e db yi t sb r o a dc o v e r a g ea r e a , b i gs y s t e mc a p a c i t ya n dh i g hp o w e r e f f i c i e n c y t h e r e f o r e t h e t e c h n o l o g y ，w h i c h c o m b i n e sd i s t r i b u t e dr a d i om o b i l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw i mc o m p ，i sb e t t e rt or e a l i z et h ed e v e l o p m e n tg o a l so fm o b i l e c o m m u n i c a t i o nt h a nas i n g l em e t h o d i nd i s t r i b u t e da n t e n n as y s t e m s 诵也c o o r d i n a t e dm u l t i - p o i n tt r a n s m i s s i o nm o d e ，d i f f e r e n t p r e c o d i n gm a t r i x e sa r eu s e db yd i s t r i b u t i o n a lr a u s ，w h i c ha r ec o o r d i n a t e d , t op r o c e s s o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) d a t a h o w e v e r ，c s it h a ti sr e q u i r e dt o p r e - c o d ei sd i f f i c u l t t ob ec o m p u t e da c c u r a t e l yi nav e r ys h o r tt i m eb e c a u s eo fr e q u i r e m e n t so f l l i g h - r a t et r a n s m i s s i o na n di m p a c t so fc o m p l e xc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t t h es c h e m eo f u s i n g o n ep r e - c o d i n gm e t h o dc a n tm e e tt h ec o m m u n i c a t i o nn e e d ；t h e r e f o r et h ej o i n t c o d i n gh a sc a u s e dw i d ec o n c e r n o nt h eb a s i so fac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fc o o r d i n a t e dm u l t i p o i n td i s t r i b u t e ds y s t e m ， t h ep r e c o d i n gm e t h o di si n t r o d u c e di n t os y s t e mm o d e li nt h i sp a p e r i ti sm a i n l yf o c u s i n go n t h ei m p a c to no v e r a l ls y s t e mp e r f o r m a n c ea f t e ra d o p t i n gt w oj o i n tc o d i n gm e t h o d st h a ta r e p r o p o s e di nt h i sp a p e r o n ei sb a s e do nac o o r d i n a t e dp r e c o d i n gs c h e m e ，t h eo t h e ri sb a s e d o nac o m b i n a t i o no f p r e - c o d i n ga n dt i m es p a c eb l o c kc o d e ( s t b c ) t h em a i nc o n t r i b u t i o n so f t h i sp a p e ra r e ： ( 1 ) t h es c h e m eo fc o m pi nd i s t r i b u t i o n a la n t e n n as y s t e mi ss t u d i e d o nt h eb a s i so f d i s c u s s i o n sa b o u tc h a r a c t e r i s t i c s ( e g ，f l e x i b l er e s o u r c e sa l l o c a t i o n ，w i d ed i s t r i b u t i o n ) o ft h e d i s t r i b u t e ds y s t e ma n da d v a n t a g e s ( e g ，v a l i d i t y ，r e l i a b i l i t y ) o ft h ec o l l a b o r a t i v et r a n s m i s s i o n ， at r a n s m i t t e ds t r u c t u r ei nc o o r d i n a t e dm u l t i - p o i n td i s t r i b u t e ds y s t e ma tl o c a ls c o p ei sp r o p o s e d 多点协同传输系统中联合预编码技术研究 i no r d e rt os i m p l i f ya n dr e d u c et h es y s t e mc o m p l e x i t yw h i c hi sc a u s e db ys h a r i n gi n f o r m a t i o n w i t h i ng l o b a ls c o p e i tw i l lb ec o n s i d e r e da n da d o p t e da sa ni m p l e m e n t a t i o ns c h e m ef o r f u r t h e rd e v e l o p m e n ti nt h en e x tg e n e r a t i o no fw i r e l e s sn e t w o r k ( 2 ) i nd i s t r i b u t e dr a d i om o b i l ec o m m u n i c a t i o na n dc o o r d i n a t e dm u l t i p o i n ts y s t e m ，t h e d e t e r i o r a t i o no fc h a n n e lq u a l i t yc a ns e r i o u s l ya f f e c tt h es y s t e m r e c e p t i v i t yo fe d g eu s e r s ，a n d t h e r e f o r et h ec o o r d i n a t e dc o d i n gp r o c e s s i o nc a nb eu s e dt oi m p r o v et h e q u a l i t yo fr e c e i v e r a c o o r d i n a t e dt r a n s m i s s i o na n d j o i n tp r e c o d i n gm e t h o di sp r o p o s e di nt h i sp a p e r c o o r d i n a t e d r e m o t ea n t e n n au n i t s ( r a u ) a r ep r o c e s s e d j o i n t l y a c c o r d i n gt os t a t ei n f o r m a t i o no fc h a n n e l ， d i f f e r e n tp r e - c o d i n gr u l e sa r ea d o p t e db ye a c hr a ut ot r a n s m i td a t at ot h es a m eu s e r a m a x i m a l r a t i oc o m b i n i n g ( m r c ) a l g o r i t h mi su s e dt oc a l c u l a t et h er e c e i v e d s i g n a l so f t e r m i n a l s ( 3 ) t h o u g ha n a l y s i so fe f f i c i e n tc o d i n gg a i n sa n dd i v e r s i t yg a i n sa b o u tp r e c o d i n ga n d s p a c et i m ec o d ei nd i s t r i b u t e ds y s t e mw i t hc o o r d i n a t e dm u l t i p o i n tt r a n s m i s s i o nm o d e a j o i n tp r o c e s s i n gm e t h o di sp r o p o s e di nt h i sp a p e rs oa st oo v e r c o m et h ei m p a c to fc o m p l e x c o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n ta n di m p r o v ee d g eu s e r sr e c e p t i v i t y a c c o r d i n gt oc h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o n ，s o m er e l e v a n tr a u s ( r e m o t ea n t e n n au n i t s ) a r ec h o s e ni nd i s t r i b u t e da n t e n n a s y s t e mt of o r mac o o p e r a t i n g s e ta c c o m m o d a t e u s e r s p r e - c o d i n g r u l e sa r ea d o p t e d c o r r e s p o n d i n g l yb ye a c hr a uw h i c hc o m ef r o mc o o p e r a t i n gs e tt op r e p r o c e s su s e r s d a t a f i r s t l y ，a n dt h e nt h ep r o c e s s e dd a t ai st r a n s m i t t e db yu s i n gs t b c am r c ( m a x i m a - r a t i o c o m b i n i n g ) a p p r o a c hi su s e dt oc a l c u l a t et h er e c e i v e ds p a c ed i v e r s i t ya n ds i g n a l sw h i c ha r e t r a n s m i t t e d j o i n t l yb ye a c hc o o r d i n a t e dr a u si nt h i ss y s t e m s i m u l a t i o ne x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o dc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v e n o to n l yt h eb i te r r o rr a t e ，b u ta l s ot h et r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t y f u r t h e r m o r e ，i ti n d i c a t e sa b e t t e ra p p l i c a t i o np r o s p e c ta n da l s op r o v i d e sat h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rt h en e x tg e n e r a t i o no f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：c o o r d i n a t e dm u l t i - p o i n t ；d i s t r i b u t e da n t e n n as y s t e m ；p r e c o d i n g ；s p a c e t i m eb l o c kc o d e ；b i te r r o rr a t e i v 兰州交通大学硕士学位论文 1绪论 近年来，随着无线移动通信技术的迅猛发展，大容量、高速率的数据通信及数据业 务成为未来竞争的焦点，带宽资源面临着严峻的挑战。为适应未来无线通信市场发展的 新型业务需求和网络的后向兼容性，3 g p p 标准化组织于2 0 0 8 年开始了l t e a ( l o n g t i m ee v o l u t i o n a d v a n c e d ) 标准的制定和相关技术的研究工作，在频点、带宽、峰值速率、 容量及兼容性等方面都有新的要求【1 1 。l t e a 系统支持的系统带宽最小为2 0 m h z ，最大 带宽达到1 0 0 m h z ，下行峰值速率为1 g b i t s ，上行峰值速率为5 0 0 m b i f f s ，下行频谱效 率提高到3 0 b i t s h z ，上行频谱效率提高到15 b i t s h z ；在系统容量方面，l t e a 要求每 5 m 带宽内支持2 0 0 , - 一3 0 0 个并行的v o i p 用户【2 】。可见，移动通信高速数据时代的到来 已翘首可待。 1 。1 下一代无线移动通信及其关键技术进展 现代无线移动通信系统的发展经历了三代，从开始基于模拟信号处理的第一代移动 通信系统，到基于数字信号处理的第二代移动通信系统( g s m 技术或窄带c d m a 技术) ， 再到已实现商用的第三代移动通信系统( 3 0 技术) 。尽管3 g 系统实现了低速率数据业务 和无线互联网的接入，但却无法满足高速率交互式多媒体业务的发展需求。因此，为实 现移动通信高速率、大容量、多业务的进一步飞跃，下一代宽带移动通信系统( 4 g 系统) 研究项目已经被确立，相关的研究工作已经开始。被视为从3 g 向4 g 演进的主流技术 l t e a ，其世界范围内的系统标准及关键技术已通过广泛分析、讨论和制定，以寻求更 加良好的解决方案。 l t e a 系统采用正交频分复用技术( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l 卸l e x i n g ， o f d m ) 、多点协同传输技术( c o o r d i n a t e dm u l t i - p o i n t , c o m p ) 、载波聚合技术( c a r r i e r a g g r e g a t i o n ) 、分布式天线技术、软件无线电技术( s o f t w a r er a d i o ) 、异构网络干扰协调 增强技术( e n h a n c e di n t e r - c e l li n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o nf o rh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k ) 等关 键技术，在很大程度上改善和提高了系统的峰值速率、平均频谱利用率以及优化了整个 网络的系统结构【3 圳。 1 1 1o f d m 技术 o f d m 作为一种多载波通信技术，是随着无线通信系统高速率、多业务的发展要求 而提出的。数字信号处理技术f f t 的应用使传统频分复用技术f d m 产生了进一步的变 化，使之成为各子载波在时间上相互正交，在频率上相互重叠，子载波间无需太大间隔 的o f d m 系统。这种正交性避免了载波间的干扰，部分重叠的子载波极大地提高了频谱 利用率。传输时，每个子载波对应为传输子信道，高速率数据流被分解为多个在子信道 多点协同传输系统中联合预编码技术研究 上传输的并行低速数据流。因而该系统在上、下行链路上均可以同时容纳多种独立调制 方式或混合调制方式。这种分解变换本质上是把频率选择性信道分割为若干频率平坦信 道，各子信道可根据信道质量确定适合的编码方式，也可根据发射功率分配得到最大系 统吞吐量，以克服因多径时延而引起的符号间干扰( i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 问题 【6 1 。文献【6 】提出的o f d m 与m i m o 相结合的思想，是l t e a 更深入的应用，也是下一代 无线移动通信的核心理论。 o f d m 技术先进性主要表现为以下几点： ( 1 ) 频谱利用率高。快速傅里叶变换进行的信号处理使各子频带部分重叠，而子载 波之间又不会因交叠而产生失真，趋近于香农极限。在接收o f d m 符号时，系统的解 码判决只是针对相应子载波功率最大值处进行，其它子载波对其干扰可以忽略不计。因 而正交频分多址技术有效地避免了用户间干扰，使小区信道容量得以大幅度的提高，同 时节省了有限的频谱资源。 ( 2 ) 带宽扩展性强。o f d m 系统具有良好的前向和后向兼容性。它不仅可以使用于 传统的2 g 系统频段和已经商用的3 g 系统频段，还可以针对未来宽带化的发展趋势加 以拓展。因为子载波的使用数量决定了系统信号的带宽，动态地调整子载波数量很容易 实现不同业务带宽扩展的需求。 ( 3 ) 抗多径衰落。由于信道的频率选择性，系统带宽越大，单载波的多径干扰也越 大。然而o f d m 系统将整个带宽分解为多个子频带，改变宽带传输为窄带传输，转化 频率选择性衰落为近似平坦衰落，所以仅仅只在频带凹陷处受干扰较大，再加上循环前 缀的使用，大大降低了接收端频域均衡的复杂度，使之适用于多径衰落环境中高速率业 务传输。 ( 4 ) 频域调度和自适应。o f d m 具有灵活的子载波分配策略。一般情况下以集中的 方式为用户( 子信道) 分配连续的子载波；当高速移动过程中信道状态变化剧烈时，无法 连续分配，这时可采用分布式的策略动态地分配子载波，以保证通信过程切断和接通的 平滑性，从而获得频率分集增益。另一方面，o f d m 可以对不同信道( 频段) 采用不同的 调制编码方式，以适应信道的频率选择特性。由此引入“自适应调制”和“联合编码” 的思想，很大程度上增加了调度及编解码的灵活性。 ( 5 ) m i m o o f d m 技术实现简单。该技术将o f d m 与m i m o 相结合，利用o f d m 极好的抗衰落特性和m i m o 独立并行的空间多信道优势，实现了时间分集、频率分集 和空间分集，有效地避免了干扰、噪声和多径衰落。为获得较高的数据传输速率，o f d m 可以增加子载波的数量，却也加大了系统的复杂度，这对功率受限、带宽有限的系统来 说是不可无节制使用的。而m i m o 技术则可在不增加系统带宽的情形下应用阵列天线 兰州交通大学硕士学位论文 提高频谱利用率和信道容量。因此，二者的优势互补将是未来移动通信技术发展的关键 所在。 1 1 2 川m 0 技术 m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 技术出现较早，它是随着无线通信业务和宽 带数据业务的不断发展，无线资源( 时域、频域和空域) 日益紧张，人们开始关注如何在 有限的资源情形下实现高速率传输这一目的而提出，是下一代移动通信十分重要的技术 之一【7 ，8 1 。它可以在不增加系统带宽，限定系统总发射功率的条件下，充分利用空间信道 相对独立的特性，提高系统容量和频谱利用率，实现高效数据传输，并抑制信道多径衰 落的影响。 m i m o 系统其核心思想是空时频信号处理，即在时分复用、频分复用的基础上，收 发两端使用天线阵列，将时间、频率和空间有效统一起来进行多维信号处理，从而获得 空间分集增益或空间复用增益。 信道容量是m i m o 系统的重要性能指标，表征了通信系统最大信息传输速率。考 虑m 根发送天线和，根接收天线的m i m o 系统，假定各天线之间相互独立并已知信道 状态参数，信道容量同m i n ( ，r ) 呈线性增加趋势( 详见第二章第二节) ，这一事实保证 了数据传输的有效性和可靠性。再者，高速率数据流通过串并转换，形成f ，个并行 数据流，每个数据流可进行独立的数据处理( 调制、信道编码等) ，可占用相同的时频资 源块，在不同的空间波束上发射出去，这种复用形式有效地提高了频谱利用率。虽然 m i m o 系统具有较多的优越性，但在信道变化较快的场景中，等效子信道的数目也会发 生较大的变动，使得系统误码较为严重，这就需要对多天线信号进行一定的编码，以特 定的方式在天线间发送。空时编码技术的提出和研究解决了这一问题，它是m i m o 技 术的进一步应用。a l a m o u t i 和t a r o k h 等人在研究发送分集、延迟分集及正交编码的基 础上，先后提出了空时分组码和空时格码【引，利用空间相关性，降低了系统误码率，已 广泛应用于3 g 系统中，也将是下一代通信系统必不可少的技术支持。 1 1 3 分布式天线系统 分布式天线系统( d i s t r i b u t e da n t e n n as y s t e m s ，d a s ) 是下一代无线通信系统接入网 络的另一种新型结构，常被看作是扩展了的m i m o 系统。这种网络的一端是多个在地 理上分开分布的接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 或具有多根收发天线的远端天线单元( r a u ) ， 另一端同样是一个天线阵列。由于接入点在空间上存在着不同的排列，d a s 可以获得宏 观上的分集增益，所以分布式的无线通信系统具有覆盖范围广、系统容量大和系统功率 多点协同传输系统中联合预编码技术研究 利用率高等优点，已经被广泛认为是l t e a 中的一种关键的多天线接入方式，并成为 业界研究的热点 9 j 。 在d a s 中不同的a p 或r a u 都通过光纤等高速线路与中央处理单元相连，以便对 收发信号进行联合处理，由此形成多个信息接入点的收发单元。所以，一般对d a s 的 结构设计都是在蜂窝形式上分散或均匀放置接入点，范围较小，干扰影响仅仅限于相邻 单元之间，这种简单的传输结构却能体现分布式系统的主要特点。w y n e r 模型就是其中 之一，它是h a n l y 和w y n e r 等人最早提出【l o 】。主要有以下几种模型： ( 1 ) 线性模型。该模型是由多个单元组成的线性多天线阵列，用户只能接收所在单 元或相邻单元的信号，各个收发单元仅受相邻单元的干扰。一般都是在此基础上对d a s 特性做深入研究。 ( 2 ) 圆形模型。该模型是线性模型的变形使用，它将多个接入单元呈圆形分布，其 中首单元和末单元相接，这种排法能有效克服边界效应的影响。假定单元数可以尽可能 的多，边界效应就可以忽略不计，性能等同于线性结构。 ( 3 ) 面状模型。该模型下将接入点按二维的矩形或六边形分布，这样每个接入单元 可收到与其相邻的多个接入单元的信号，这些接入单元可形成一个单元组，只有在同一 组内的相关信号才能被联合处理。 上述的基本模型是早期的分布式应用，结构较为简单。目前研究的分布式结构有很 多种，统称为广义分布式天线系统( g e n e r a l i z e dd i s t r i b u t e da n t e n n as y s t e m s ，g d a s ) 。其 实际的结构设计可分为三层：远端天线单元或接入点的覆盖、基站收发器( b a s e t r a n s c e i v e rs t a t i o n ，b t s ) 的无线覆盖和移动通信大区无线覆盖。相对应地可构成接入小 区( a p c e l l ) 、广义小区( g n c e l l ) 、移动通信大区。接入小区的接入天线单元所能覆盖的 范围，在实际应用中可根据环境要求和业务量大小合理规划，构成分布式天线系统。广 义小区( g n c e l l ) 由连接在同一个中心基站收发器的多个a p c e l l 共同构成较大区域的覆 盖，范围的大小同样以实际场景变化为准。移动通信大区由多个广义小区组成，能统一 地进行资源分配、网络规划、联合处理和协同传输。 分布式天线系统具有的开放性结构，灵活的资源配置和高效的系统性能，使得分布 式组网架构方案成为l t e - a 系统重点研究的技术之一。本文研究主要是在广义小区场景 中结合多点协同传输以实现联合编码。 1 1 4c o m p 技术 无论是编码技术的o f d m ，还是接入技术的m i m o 以及d a s ，在应用时都会统一 在一定的传输模式下实现，传输模式的制定将决定着通信系统的生存。多点协同传输 兰州交通大学硕士学位论文 ( c o m p ) 作为未来移动通信系统中一项重要的传输模式，从技术角度定义为通过多个基 站和天线站远程射频单元协作、基站和其所属中继协作、多个基站间协作等多种协作方 式进行发送、接收的技术，而用户终端( u e ) 则与多个基站射频单元之间建立上下行链 路进行通信【l l 】。这种技术可有效地扩展信号覆盖范围，实现频谱资源的有效利用，提高 系统的平均吞吐量，优化协作系统的整体性能，尤其是小区边缘用户的数据速率。一般 c o m p 技术可分为单用户c o m p ( s u c o m p ) 和多用户c o m p ( m u c o m p ) 。上行链路基 本上不涉及标准化，所以3 g p p 所讨论的c o m p 技术也基本上局限于下行链路方面。 下面从协同模式和实现方式两方面对c o m p 加以阐述【1 2 ，j 。 ( 1 ) c o m p 的协同模式。l t e - a 中多点协同传输技术一般可分为协同多输入多输出 天线系统( 姗m o ) 模式和协同分布式天线系统模式两类。 第一种模式是基于传统蜂窝通信系统下基站天线与多用户间的一种传输形式，是对 单基站小区内m i m o 的一种扩展。通过基站问协作与用户形成虚拟的m i m o 结构，共 享有限的信息，统一进行功率的分配、资源的调度以及信号的处理。一般在相邻小区间 加以协同传输，以达到降低小区间干扰、提高系统容量、改善小区边缘用户接收性能的 目的。 第二种模式是基于分布式天线系统( d a s ) 下各远端天线单元与多用户间的协同形 式。整个系统可看作是由地理上分开分布的天线构成的宏观m i m o 结构。这些天线用 光纤线路等与中心基站相连，很大程度上减少了接入的距离和基站的数目，有效地提高 总的天线数目，而且空间相关性较低。系统可联合进行数据处理，实现数据间的协作。 但是受限于远端天线模块的功率，无法在各模块问进行功率协作分配。这种方式下，系 统具有较高的灵活性来优化资源的使用。由此，d a s 下具有两种传输策略，一是覆盖式 传输，即数据在全局范围内所有天线上进行发送；二是选择性传输，即利用宏观的选择 性分集，选取若干个天线来发送数据。 由于全局d a s 协同实现难度较大，所以局部d a s 协同传输更符合目前实际需求。 这也是本论文采用的系统环境，将在下面章节加以详述。 ( 2 ) c o m p 的实现方式。目前，c o m p 统一定义为多点协作m i m o 技术，其基本思 想是通过多点协作，将多输入多输出系统网络结构虚拟化，利用空间信道上的差异性传 输数据。它有两种实现方式，一种是在多个小区间不同程度地共享信道状态信息( c h a n n e l s t a t ei n f o r m a t i o n ，c s i ) 和数据信息，以多个远端天线分集的形式进行联合传输，接收终端 同时收到由多个节点发送的信息，并对这些多路信息进行相干或非相干合并，转变相邻 小区的干扰为可利用信息，即为联合处理技术( j o i n tp r o c e s s i n g ，j p ) ，也叫“干扰利用” 技术。另一种是根据信道参数，对发送端进行一定的资源调度，使时域、频域及空域资 多点协同传输系统中联合预编码技术研究 源合理地分配，而所要传输的数据信息只能由服务小区所在的基站进行发送，各协作基 站只通过共享调度信息来服务各自小区内的用户。这种在空间上使发射信号相隔开，以 达到降低干扰的技术，即为波束赋形，也叫“干扰避免”技术。这两种实现方式在策略 上并无严格区分，经常联合起来使用。 1 2 无线通信系统传输预处理技术 为了简化接收端的检测判决算法和接收方案，提出了传输预处理技术，即发送端事 先根据信道状态信息( c s i ) 对数据进行一定规则的预处理，以改善接收端的性能。在传 输预处理技术中，一般需要预先估计出全部或部分信道信息，这样才能设计正确的传输 预处理算法。针对不同的应用系统主要有四种类型：空时预r a k e 、空时联合传输、预编 码和预均衡。 1 2 1预r a k e 技术 预r a k e 技术是相对于r a k e 技术来说的。r a k e 技术是在接收端尽可能多地收集多径 分集能量来提高接收性能，同时对多径信道进行有效地估计来合并接收这些多径信号。 这无形中就增加了接收端的能耗和硬件复杂度，对移动终端来说是不能容忍的。故将 r a k e 技术中复杂的信道估计和信号处理移植到发送端( 基站) 来进行，使接收端硬件得 以最大限度地简化，而实现的功能完全相同，并不会降低接收性能，这种技术就叫“预 r a k e 技术”。 1 2 2 联合传输技术 联合传输技术( j o i n tt r a n s m i t ，j t ) 同样是对应于联合检测而提出的一种技术。它利 用信道上、下行链路的互易性原理，在上行通信时对传输链路的信道状态进行估计，而 下行数据传输时则利用估计到的信道状态信息进行编码和判决。这种方式降低了码间干 扰( i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 和多址干扰( m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ，m a i ) ，将移动 台的复杂检测算法转变成基站端的预处理方式来完成，其作用相当于联合检测技术。这 项技术是目前研究的下一代移动通信技术的主要传输技术，它可与分布式m i m o 技术、 c o m p 技术相结合，形成基站统一管理下的分布式协同通信系统。 1 2 3 预编码技术 预编码技术是近些年才发展起来的一种高效的编码技术，依赖于对信道状态信息的 估计。具体思想是发送端事先根据全部或部分信道状态信息，通过一定的旋转变换( 预 处理) 将数据符号映射成为更宽的信息符号，然后对其进行调制。预处理后的多个数据 流可以匹配到多根发送天线上，这样接收端无需再做信道估计和均衡，极大地降低了接 兰州交通大学硕士学位论文 收机的复杂度，改善了空间复用技术的性能。因此，设计出准确的传输预处理算法是该 项技术研究的关键【1 4 。1 。 ， 目前的研究主要集中在基于信道矩阵预编码的多种实现方式上。按照基站对传输数 据处理结构的不同，预编码技术分为线性预编码和非线性预编码两大类；按照对预编码 矩阵设计准则的不同，可有迫零( z e r of o r c i n g ，z f ) 准则预编码、最小化均方误差 ( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ，m m s e ) 准则预编码、最小化误码率准则预编码、最大化 信干噪比准则预编码以及最大化容量准则预编码等。在不同的设计准则下，可以推导出 不同的预编码矩阵。同样不同的传输场景下，各预编码方式的使用亦各有优劣。 因此，常用的线性预编码技术包括基于迫零算法的预编码、基于m m s e 算法的预编 码、基于块对角化的预编码、基于信道奇异值分解的预编码等。非线性预编码技术主要 包括汤姆林森哈拉希玛编码( t o m l i n s o n h a r a s h i m ap r e c o d i n g , t h p ) 、“脏纸”编码 ( d i r t y p a p e rc o d i n g ，d p c ) 、网格预编码、格型简化辅助预编码、多模预编码、向量预 编码等。 预均衡技术与预编码技术颇为相似，这里不再做赘述。论文中的联合预编码研究思 路是在线性和非线性两类预编码研究的基础上，兼顾了设计准则，并将其作为c o m p 的 联合处理方案，有效降低接收端的差错率。详细分析可见第三章和第四章。 总而言之，预处理技术以其独特的作用在移动通信技术的发展中占有不可或缺的地 位，它将用