（通信与信息系统专业论文）ltea系统多小区联合处理算法研究与仿真.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 移动通信在通信质量和传输速率等方面日益增长的需求，给未来的移动 通信系统带来了极大的挑战。为了满足i t u 为i m t - a d v a n e e d 系统的技术需 求，3 g p p 提出了l t e a d v a n c e d ，旨在成为i m t a d v a n c e d 的候选技术。l t e a 作为l t e 的平滑演进，对l t e 未考虑的若干技术进行了进一步的研究，提 出了其中一项关键技术：协作多点技术( c o o r d i n a t e dm u l t i p l ep o i n t t r a n s m i s s i o na n dr e c e p t i o n c o m p ) ，以提高小区边缘用户频谱效率。c o m p 技术通过多小区间的协作调度或联合处理，降低小区间的共道干扰 ( c o c h a n n e li n t e r f e r e n c e ，c c i ) ，提高用户的信号质量，改善系统的整体性 能和边缘用户的性能。本文以下行c o m p 的联合处理技术( j i o n tp r o c e s s i n g ， j p ) 为研究对象，考虑相干的c o m p 传输模型，利用系统级仿真，分析不同 的干扰消除技术在c o m p 中的应用，主要工作体现以下方面： ( 1 )基于i m t - a d v a c e n d 提出的系统仿真准则，设计和建模系统级的仿 真平台。采用7 簇19 小区3 扇区的网络拓扑结构，在城市宏蜂窝的仿真场 景下，设计系统级仿真模型的模块框图；根据设置的系统仿真参数，给出系 统级仿真平台的设计流程，完成负责功能模块的设计与实现： ( 2 )研究c o m p 系统中协作用户间的干扰消除技术：联合预编码。根 据对常见预编码技术的仿真分析，选择多用户的t h p 作为联合预编码方案； 通过对19 小区3 扇区中小区干扰分布的统计，确定c o m p 系统的协作方式 和协作集；设置c o m p 系统仿真参数，仿真分析基于t h p 的s u c o m p 和 m u ，c o m p 对系统性能的改善，并以n o n c o m p 的r 8 系统作参考，与i t u 的性能要求作比较。 ( 3 )研究一种新型的干扰消除技术：干扰对齐，在c o m p 系统中的应 用。首先，针对c o m p 的传输系统，改进干扰对齐的系统模型与实现算法， 分析比较传统干扰对齐与c o m p 干扰对齐的性能差异；其次，将c o m p 干扰 对齐技术应用到系统级仿真平台中，分析两种不同实现算法的c o m p 干扰对 齐对系统性能的影响。仿真结果表明，采用m a x s i n r 分布式算法的干扰对 齐的系统性能要优于理想分布式算法的干扰对齐技术。 关键词：l t e a ；c o m p ；t h p ；干扰对齐；小区频谱效率；小区边缘用户频谱 效率。 西南交通大学硕士研究生学位论文 。 第l f 页 a b s t r a c t t h eg r o w i n gd e m a n do nb e t t e ra n df a s t e rc o m m u n i c a t i o n si nc e l l u l a r n e t w o r kb r i n g sc h a n l l e g e st of u t u r em o b i l es y s t e m t os a t i s f yt h ep e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t s o fi m t - a d v a n c e ds y s t e m ，3 g p p ( 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i p p r o j e c t ) p r o p o s e dt h el t e - a d v a n c e ds y s t e m ，as m o o t he n v o l u t i o nf r o ml t e ，a s ac a n d i d a t ea p p r o a c h l t e - ac o n s i d e r ss o m ec e r t a i ni s s u e sw h i c ha r en o t c o n c e r n e di nl t e ，s u c ha sc o m p ( c o o r d i n a t e dm u l t i p l ep o i n tt r a n s m i s s i o na n d r e c e p t i o n ) t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f u s e r si nc e l le d g e p e r f o r m e dt h r o u g h m u l t i c e l lc o o r d i n a t e db e m a f o r m i n go rj o i n tp r o c e s s i n g ，c o m pc a ne f f e c t i v e l y m i t i g a t ei n t e r c e l l i n t e r f e r e n c ea n de n l a r g eu s e r s t h o u g h p u t i nt h i st h e s i s ， i n t e r e e l li n t e r f e r e n c ec a c e l l a t i o n t e c h n i q u e s i nc o m pm u l t i e e l lj o i n t p r o c e s s i n ga r ea n a l y z e da n ds i m u l a t e d ，a n dt h em a j o rw o r ki sp r e s e n t e d a s f o l l o w s ： ( 1 )a c c o d i n gt ot h ee v a l u a t i o ng u i l d e n c e so fi m t a d v a n c e ds y s t e m ，t h e s y s t e ms i m u l a t i o np l a t f o r mi sm o d e l e da n di m p l e m e n t e d ，w h i c hi sc o m p o s e do f 5m a i nm o d u l e sa n dt h en e t w o r kt o p o l o g yi n v o l v e s19c e l l sw r a p - r o u n d w i t h t h es i m u l a t i o np a r a m e t e r si nu r b a nm a c r o c e l ls i m u l a t i o ne n v i r o m e n t ，f l o wc h a r t o fs y s t e ms i m u l a t i o ni sp r e s e n t e d ( 2 ) j o i n tp r e e o d i n gs c h e m e si nc o m ps y s t e ma r ea n a l y z e dt oc a n c e l i n t e r f e r e n c ea m o n gc o o r d i n a t e du s e r s a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so faf e w c o m m o np r e c o d i n gt e c h n i q u e s ，t h et h pm e t h o dw h i c hi san o n - l i n e a rp r e c o d i n g i sc h o o s e n be f o r es i m u l a t i n gt h ec o m ps y s t e m ，c o o r d i n a t e ds c h e m ea n ds e ta r e d e t e r m i n e do nt h eb a s i so ft h es t a t i s t i cr e s u l t so fi n t e r f e r e n c ed i s t r i b u t i o na m o n g 19c e l l s t w oc o m ps y s t e m s ，s u - c o m p ( s i n g l e u s e rc o m p ) a n dm u c o m p ( m u l t i u s e rc o m p ) ，a r es i m u l a t e da n dc o m p a r e dw i t ht h en o n c o m ps y s t e ma n d t h er e q u i r e m e n t so fi t u ( 3 ) an e wm u l t i c e l lj o i n t p r o c e s s i n gt e c h n i q u e c a l l e di n t e r f e r e n c e a l i g n m e n t ( i a ) i sc o n s i d e r e di nc o m ps y s t e m c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a li a ，i a w i t hc o m pi sr e v i s e db o t hi ns y s t e mm o d e la n da l g o r i t h m s a n a l y s i so fb e r ( b i te r r o rr a t i o ) a n ds u mr a t ep e r f o r m a n c e si sp r e s e n t e db e t w e e nt r a d i t i o n a li a a n dc o m pi a ，w h i c hs h o w st h a tt h ec o m pi ai sm o r ep o w e r f u l t h er e s u l ta l s o s h o w si aw i t hm a x s i n rd i s t r i b u t e da l g o r i t h mp e r f o r m sb e t t e rt h a ni aw i t h 西南交通大学硕士研究生学位论文第l ll 页 p r e f e c t d i s t r i b u t e d a l g o r i t h m t h e n ，c o m pi a i s a p p l i e d t ot h es y s t e m s i m u l a t i o np l a t f o r m ，t oo b s e r v et h ec e l ls p e c t r a le f f i e n c ya n dc e l le d g eu s e r s p e c t r a le f f i c i e n c y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc o m pi aw i t hm a x - s i n rc a n d r a m a t i c l yi m p r o v et h e c e l l e d g e u s e r s p e c t r a le f f i c i e n c y a n da d e q u a t e l y e n h a n c ec e l l s p e c t r a le f f i c i e n c y , c o m p a r e d w i t hc o m pi au n d e rp e r f e c t a l g o r i t h m k e yw o r d s ：l t e a ；c o m p ；t h p ；i n t e r f e r e n c ea l i g n m e n t ；c e l ls p r e e t r a l e f f i c i e n c y ；c e l le d g eu s e rs p e c t r a le f f i c i e n c y ， 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 随着通信技术的不断发展和系统网络的日趋演进，移动通信与宽带无线 接入在相互角逐的同时，逐渐走向互补融合、共同发展。基于对“移动通信 宽带化 的认识和“宽带接入移动化 的需求，3 g p p 推出了第三代移动通 信系统( 3 g ) 的演迸版本l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 系统j 。以l t e 为代 表的3 g 演进型系统带来了移动通信的一次阶段性技术变革，大量采用m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 技术提高数据传输率，以o f d m ( o r t h o g o n a l f 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 ) 技术为基础的全新理念和系统设计大幅度 地提高了通信系统的性能【z j 。 2 0 0 8 年初，国际电信联盟i t u 正式启动了4 g 系统i m t a d v a n c e d 的工 作计划。同年3 月，3 g p p 在l t e 标准接近完成之际，展开了l t e a d v a n c e d ( 简称l t e a ) 标准的制定工作，目标是成为i m t a d v a n c e d 的候选技术。 l t e 相对于3 g 技术而言，虽为“演进 ，然为“革命，更甚者其本身已 经具有明显的4 g 技术特征，l t e a 注定不会成为再次的技术“革命 ，而 是作为在l t e 系统的平滑演进【。基于这一定位，l t e a 系统需支持l t e 的全部功能，并支持与l t e 的兼容性。 为满足i m t a d v a n c e d 提出的技术需求，l t e a 主要针对l t e 系统进行 以下改进：峰值速率下行达到1g b p s ，上行达到5 0 0 m b p s ：峰值频谱效率下 行达到3 0 b p s h z ，上行15 b p s h z ；平均频谱效率下行3 2 b p s h z ，上行2 b p s h z ； 边缘频谱效率下行0 1 b p s h z ，上行0 0 5 b p s h z 。针对这一研究目标，3 g p p 制定了l t e a 系统的关键技术：载波聚合( c a r r i e ra g g r e g a t i o n ) ，增强型上 下行m i m o ，协作多点技术( c o o r d i n a t e dm u l t i p l ep o i n tt r a n s m i s s i o na n d r e c e p t i o n c o m p ) ，中继通信( r e l a y ) 【1 】- 【3 1 。由于c o m p 技术在提高和改 善小区边缘用户频谱效率的优越性，其自2 0 0 8 年底被引入l t e a 进行讨论 并开始征集技术提案，因此对c o m p 技术的研究具有重要的意义。 1 2c o m p 研究现状 c o m p ( 又称为协作m i m o ) ，是指地理位置相互独立分散的多个传输点 通过不同的协作方式( 如联合处理、协作调度等) 为用户服务。其中，多个传 输点可以是具有完整资源管理模块、基带处理模块和射频单元的基站，或者 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 是地理位置互异的多个射频单元及天线( 如分布式天线) ，或者是中继节点。 其实早在l t e 系统中，相邻小区根据过载指示和传输流量负载指示来协调小 区间的干扰，即可称为一种简单形式的c o m p 技术。然而在l t e a 中，这种 朴素的协作多点技术已经无法满足系统性能的要求，为了进一步提高小区边 缘用户的性能，系统需要更复杂的协作多点技术，使更多的信息在小区间被 联合使用【4 】。 追根溯源，协作多点通信技术起源于中继信道容量分析和多天线分集理 论这两个重要的通信理论。c o v e r 和g a m a l ，在2 0 世纪7 0 年代，对中继信 道模型的研究成为协作多点技术的最本质模型，从信息论角度对由源，中继 和目的组成的三节点通信网络进行了中继信道容量分析【5 】。随后，s e n d o n a r i s 、 e r k i p 等人在衰落信道下对中继性能的分析，提出了协作分集的概念，正式 拉开了研究协作通信的序幕【6 】【8 1 。多天线分集理论，即多输入多输出( m i m o ) 技术，通过在发射端和接收端安装多天线，利用形成的多个空间子信道间的 分集增益来提高发送接收端之间的信道容量【9 1 。通过空间分集提高发送接受 端间的信道容量是协作多点通信产生的根本动力，同时多天线分集理论的研 究使得协作多点技术在实际通信系统中的使用成为可能。近年来，随着o f d m 及m i m o 技术被确定为下一代移动通信系统的关键技术，基于o f d m m i m o 系统的协作通信的研究引起了广泛关注，诸如虚拟m i m o 、网络m i m o 、协 作m i m o 等新概念和新技术不断涌现，这都属于现代协作多点通信技术的范 畴【1 们。 3 g p p 提出了“c o m p ”这一术语来命名各种大同小异的多点协作方案， 至此协作多点通信技术的发展与3 g p p 的标准化历程息息相关。c o m p 技术 由于能有效改善小区边缘用户的性能，自提出以来，一直受到广大的关注和 研究，并在3 g p p 的相关会议中均有大量的技术提案。由于上行技术c o m p 技术基本不涉及标准化，因此这里讨论的c o m p 技术只局限于下行链路。 3 g p p 标准化过程中对下行c o m p 的研究和讨论主要集中在以下几个方面 【1 3 - 2 4 o 1 c o m p 的定义和分类 下行c o m p 技术定义为地理位置上分散多个传输节点之间的动态协作通 信方案，同时提出了服务小区、协作小区集以及测量小区集三个概念。 c o m p 技术既可以通过联合处理技术( j o i n tp r o c e s s i n g ，j p ) ，也可以采 用联合调度波束赋形技术来实现。前者，用户数据同时保存在协作小区集 ( c o o p e r a t i n gs e t ) 的每个传输节点( t r a n s m i s s i o np o i n t s ) 。根据传输节点选 取的不同，j p 技术还可以分为联合传输( j o i n tt r a n s m i s s i o n ) 和动态小区选 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 择( d y n a m i cc e l ls e l e c t i o n ) 。后者，单个用户的数据只能由其中一个传输节 点来发送，如何进行调度和波束赋形则是由多个传输节点共同决定的。本文 所研究的多小区联合处理技术即为c o m p 的j p 技术。 2 c o m p 的总体设计和考量 对c o m p 技术的总体设计主要是从基本的设计原则出发，而非具体的算 法或技术。总体设计的关键问题包括：协作小区集的选取，传输方式的切换 和反馈架构的设计等。半静态的协作小区集通过“系统为主，用户为辅”的 方法来配置，具有一定的灵活性和简易性。针对这种半静态配置的传输方式， 基站( e n b ) 需要根据传输方式的切换来更新反馈的信道估计信息( c h a n n e l s t a t ei n f o r m a t i o n ，csi ) 。 3 c o m p 的参考信号 l t e a 考虑两种下行参考信号：解调导频( d m r s ) 和信道状态估计导 频( c s i r s ) 。d m r s 用于p d s c h ( p h y s i c a ld o w n l i n ks h a r e dc h a n n e l ) 解 调，是用户终端( u e ) 专用的导频；c s i r s 用来进行c s i 估计( c q i p m i r i ) ， 是小区专用的导频。 4 c o m p 的反馈机制 c o m p 中用户端( u e ) 的信息反馈是当前研究的一个热点，并定义了三 种反馈方式：显性反馈、隐形反馈和基于探测参考信号( s o u d i n gr e f e r e n c e s i g n a l s r s ) 的反馈。显性反馈的内容包括信道的状态信息和噪声干扰两部 分；隐形反馈通过u e 端的处理，发送信道状态指示( c h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t o r , c q i ) 。s r s 的反馈利用了信道的对称性将u e 发送的s r s 作为e n b 的c s i 估计，这种方式在t d d 中尤为适用。 1 3 本文主要工作及结构安排 论文的目标是研究基于l t e a 系统的c o m p 技术，旨在通过多个小区之 间的协作传输来减小甚至消除小区间干扰，改善小区边缘用户的通信质量， 以提高小区的平均频谱效率和边缘频谱效率。 根据之前讨论，c o m p 技术可以分为联合调度波束复形和联合处理j p 两种不同的多小区协作传输模式。 本文对多小区联合处理算法的研究正是以c o m p 的j p 技术为基础，分 析i m t - a 的系统仿真准则，搭建l t e a 系统仿真平台，评估不同c o m pj p 技术对系统性能的影响，研究多种干扰消除方案与c o m p 的联合应用。 根据论文的研究目标与意义，论文的主要研究内容和结构安排如下： 第一章是绪论。阐述了课题的研究背景与意义，简要介绍了 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 i m t - a d v a n c e d 与l t e a d v a n c e d 的关系与发展趋势，分析了c o m p 技术的研 究现状。 第二章是c o m p 技术的原理介绍。首先介绍了l t e a 下行物理信道的无 线帧结构设计、时隙结构和资源粒子的概念；其次，简述了l t e a 系统的关 键技术：载波聚合、下行传输方案和中继技术。对关键技术之一的c o m p 技 术进行了重点描述，包括基本原理的阐述、系统模型的分析和协作范围的定 义。 第三章是l t e a 系统级仿真平台的搭建。首先给出了系统仿真的总体设 计框图，包括l 2 s 接口、系统级模型、业务模型、无线信道模型和天线模型。 其次，介绍了系统级仿真的方法和评估指标。接着从系统实现的角度，对系 统仿真框架中负责完成的模块逐个进行了分析与设计。最后给定了系统仿真 所需的仿真参数与整体的程序流程图。 第四章首先分析了协作小区集和协作用户的选择方法，根据小区干扰统 计，选择属于同一个e n b 的三个扇区作为协作小区集，并选择系统中大约 3 0 的用户作为协作用户。在确定了c o m p 的协作方式后，讨论了协作与非 协作用户采用的不同预编码方案，分析几种常见预编码技术的实现原理。仿 真分析分为预编码性能分析和系统性能分析两部分：前者分析常见预编码技 术的b e r 性能与和速率性能，确定用于系统级仿。真的联合预编码技术为 t h p ；后者将t h p 应用到c o m p 系统中，以l t er 8 作为参考系统，分析 s u c o m p 与m u c o m p 分别对小区频谱效率等系统性能的改善效果。 第五章主要讨论干扰对齐技术在c o m p 系统中的应用。首先，介绍了传 统干扰对齐技术的系统模型和分布式迭代算法，分布式算法根据不同的干扰 对齐目标，可以分为理想干扰对齐和m a x s i n r 干扰对齐。以传统的干扰对 齐技术为基础，分析在c o m p 传输系统中干扰对齐的系统模型，以及对分布 式算法的改进，同时对理想干扰对齐和m a x s i n r 干扰对齐两种分布式迭代 算法作了相应的修改。通过仿真研究，分析c o m p 下干扰对齐技术与传统的 干扰对齐技术相比，在b e r 性能与和速率性能上的提高。最后，将结合了干 扰对齐的c o m p 技术应用到l t e a 的系统级仿真平台中，与l t er 8 系统性 能进行了比较，对用户性能和小区频谱效率进行了分析。 最后为本文的总结与展望，总结本文所完成的工作和做出的贡献，分析 论文中存在的不足，展望未来的研究工作与方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 第二章c o m p 技术 3 g p p 在2 0 0 8 年3 月启动了l t e a 的项目，所提出的技术指标可以极大地 提高峰值速率、降低延时、改善平均频谱效率和小区边缘用户频谱效率。基 于o f d m 技术的l t e a 系统，可以通过一系列正交的子载波来将高速率数据 流转换成多路并行的低速率数据流进行传输，因此消除了小区内用户间的干 扰。然而，在频率复用因子为1 的o f d m 蜂窝系统中，小区边缘的用户将经历 严重的小区间干扰( i n t e r c e l li n t e r f e f e n c e ，i c i ) ，这种i c i 严重影响了l t e a 系统的性能，更甚者通过增大信号的发射功率是无法消除这种干扰的，这就 为l t e a 系统带来了严峻的考验【2 引。 为了迎合o f d m 带来的新挑战，c o m p 技术应运而生。从本质上来说， c o m p 是通过多小区m i m o 技术来解决小区间干扰的问题，其基本思想是利用 空间信道的特性来实现信号的传输。作为一项能有效改善小区平均频谱效率 和小区边缘用户频谱效率的技术，c o m p 技术的引入必然会增加系统的复杂 度，然而却可以提升系统的容量和扩大小区的覆盖率【2 ”。因此，在l t e a 系 统中采用c o m p 技术来提高频谱效率是一个极具挑战和富有意义的课题。 2 1l t e a 系统概述 本小节主要介绍了l t e a 系统下行物理信道的帧结构设计、时隙结构与 资源粒子的概念；其次，简单概括了l t e a 系统物理层传输的关键技术，载 波聚合、上下行传输方案和中继技术【1 3 】。其中，l t e a 关键技术之一的c o m p 技术将在下一小节进行详细的阐述。由于本文主要的研究课题在下行链路， 对l t e a 系统的介绍主要集中在下行链路。 2 1 1 下行物理信道 ( 1 ) 帧结构【1 】 l t e a 系统作为l t e 的平滑演进，具有与l t e 系统相同的帧结构，保 持向后兼容性。l t e a 的无线帧结构根据通信模式分为：适合f d d 模式的 类型1 ；适合t d d 模式的类型2 。 a 帧结构类型1 帧结构类型1 适用于f d d 通信模式。无线帧结构如图2 1 所示：无线帧 长度为10 m s ，由2 0 个时隙构成；每个时隙长度为0 5m s ，时隙编号为0 19 ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 皇寡曼曼曼曼舅鼍量曼曼曼量曼舅皇曼! 曼曼罡篡曼量曼曼曼曼! 曼寰曼曼曼曼鼍曼鼍曼曼曼曼寰曼曼曼曼! 曼曼曼i i i i i i ii i i 皇曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 子帧由两个相邻的时隙组成。 o n er a d i of l - 8 n l e ，再= 3 0 7 2 0 0 r , ti om s + o n es l o t , t1 5 3 6 0 瓦= o 5m s o - - - o n es u b f i 2 m c 图2 1 帧结构类型1 b 帧结构类型2 帧结构类型2 适用于t d d 模式。无线帧结构如图2 2 所示，由两个半帧 构成，每个半帧长度为5 m s ；每个半帧又由8 个常规时隙，d w p t s 、g p 和 u p p t s 三个特殊时隙组成；常规时隙的长度为o 5 m s ，d w p t s 和u p p t s 的 长度可配置，只需使d w p t s 、g p 和u p p t s 的总长度等于1m s 。 图2 - 2 帧结构类型2 j ( 2 ) 时隙结构与资源粒子【l 】 下行传输使用的最小资源单位叫做资源粒子( r e s o u r c ee l e m e n t ，r e ) ， 下行物理信道对应于一系列r e 的集合，用于承载来自高层的信息；下行物 理信号对应于一系列物理层占用的r e ，但这些r e 不传递来自高层的信息。 r e 的定义为：在时域上包含1 个o f d m 符号，在频域上占用1 个子载波。 下行数据经过加扰、调制、层映射、预编码和r e 映射等物理过程被映 射到o f d m 时频符号上，该物理过程称为资源映射。在o f d m 系统中，资 源映射通过某种预定义的“子载波组一来完成，而不是逐个子载波逐个的映 射。这个“子载波组 称为资源块( r e s o u r c eb l o c k ，r b ) ，只需指定r b 即 可以完成资源映射。 r b 又可以分为：物理资源块p r b 与虚拟资源块v r b 两种类型。一个 p r b 定义为时域上m 个连续的o f d m 符号，以及频域上n 个连续的子载波。 一个p r b 包含mx n 个r e ，对应关系如图2 3 所示。p r b 在时域上为一个 时隙的长度，即o 5 m s 。一个时隙在常规c p ( c y c l i cp r e f i x ) 时包含7 个o f d m 符号，扩展c p 时为6 个o f d m 符号。p r b 在频域上对应1 2 个子载波，即 频宽18 0 k h z 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 个下行时隙 肼个o f d m 符号 z 个 子 载 波 。 _ 图2 - 3p r b 结构图 v r b 具有与p r b 相同的大小，支持两种映射方式：分布式传输和集中 式传输。集中式传输的v r b 可以直接映射到p r b 上，是的虚拟资源块与物 理资源块对应；分布式传输的v r b 按照某种映射关系映射到p r b 上，在一 。 个子帧中的两个时隙从虚拟到物理的映射是不同的 2 1 2 物理层关键技术 ( 1 ) 载波聚合 3 1 为实现l t e 到l t e a 系统的演进，支持最小2 0 m h z 、最大1 0 0 m h z 的 系统带宽，载波聚合技术的提出有效解决了l t e a 系统对频带资源的需求。 通过多个载波单元实现聚合，载波聚合技术可以提供高达10 0 m h z 的更大带 宽传输和频谱聚合。 l t e - a 系统终端通过多个载波单元来进行数据的发送接收时，为了满足 系统的向后兼容性，每个载波单元须满足l t e 的传输要求，即可以将l t e a 聚合的载波单元称之为“l t e 载波单元 。因此，l t e 和l t e a 系统终端 均可以使用“l t e 载波单元 实现数据通信。被聚合的载波单元可以是相 邻频段组成，也可以是离散的频段，每个载波单元根据l t er 8 的规定最多 不能超过110 个资源块的上限。 ( 2 ) 下行传输方案【1 3 】 a 下行空间复用 l t e a 系统的空间复用技术可支持最大8 层的传输。在下行单用户8x x 的空间复用中，每个下行载波单元最多可发送2 个传输块到调度用户，其 中每个传输块拥有自己的调制编码方案，一个传输块对应一个码字。空间复 用的层映射具体方法详见 13 】。 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 b 增强型多用户m i m 0 增强型多用户m i m o ( m u m i m o ) 技术是l t e a 系统的一大亮点，但 是协议中关于m u m i m o 介绍却非常少，只提出了对该技术的基本要求： s u m i m o 与m u m i m o 之间是可切换的并且不需要r r c ( r a d i or e s o u r c e c o n t r 0 1 ) 的重置。然而在3 g p p 的标准化会议中关于m u m i m o 的技术提案 却为数不少，比如s u m i m o 与m u m i m o 的切换问题、m u m i m o 的预编 码方案、透明与非透明的m u m i m o 等。 c 下行参考信号 为测量最多8 层的信道，l t e a 引入了d m r s 和c s i r s 两种下行参考 信号。前者用于p d s c h 的解调，后者用于信道估计。这两种参考信号同时 支持l t e a 的c o m p 技术和空间复用技术。 d m r s 用于p d s c h 解调的参考信号，是u e 专用导频，只映射于e n b 调度的资源块和层上，并且不同层上传输的参考信号彼此正交；c s i r s 用于 信道估计的参考信号，是小区专用导频，在时域和频域上可设置的比较稀疏。 ( 3 )中继技术【3 】 1 。 l t e a 引入r e l a y 技术来实现高速率数据覆盖增强、群移动支持、临时 性网络部署、小区边缘吞吐量提升等。中继节点( r n ) 通过宿主小区( d o n o r c e l l ) 以无线方式连接到接入网，基本模型如图2 - 4 所示。根据r n 使用频段 的不同，r n 与宿主小区间接口的工作方式分为带内和带外。带内指的是 e n b r e l a y 链路使用的载波频率与r e l a y u e 链路相同；带外与之相反。不管 是带内还是带外，都能向后兼容r 8 的u e ，e n b r n 链路与e n b u e 链路总 是共享同一段频率。根据中继策略的不同，中继可以是宿主小区的一部分， 也可以独立控制自身小区。 2 2c o m p 技术 图2 4 中继网络模型 在l t e a 标准中，c o m p 技术作为扩大高速率数据的覆盖率、提高小区 边缘甚至整个系统的吞吐量的有效技术，分为下行的多点协作传输 ( c o o r d i n a t e dm u l t i p o i n t ，t r a n s m i s s i o n ) 和上行的多点协作接收( c o o r d i n a t e d 西南交通大学硕士研究生学位论文。第9 页 m u l t i p o i n tr e c e p t i o n ) 【13 1 。正如之前所说，本文对c o m p 技术的研究主要集 中于下行的多点协作传输。下行c o m p 即指地理位置独立分散的多个传输节 点之间的动态协作，为用户终端实现服务。3 g p p 关于l t e - a 物理层技术的 技术报告只针对c o m p 技术的基本概念与基本模块作了简单的介绍，具体采 用哪种传输方案和传输方式、协作用户的选取等更多的技术问题仍有待解 决。 2 2 1 下行c o m p 基本原理 按照传输方案的不同，可以将下行c o m p 技术分为两类：联合处理技术 和协作调度波束赋形技术【1 3 】。本文的主要研究方向为下行c o m p 下的联合 处理技术。3 g p p 同时还定义了c o m p 技术涉及的几个基本概念：服务小区， 协作小区集和测量小区集l l 引。 ( 1 )服务小区 3 g p p 将通过p d s c h 始终与用户保持通信的单一小区定义为该用户的服 务小区。其实，服务小区的概念早在l t er 8 中就已经被定义。 ( 2 ) 联合处理j p 在j p 技术中，c o m p 协作小区集中的每个节点都拥有用户终端的数据信 息，用户根据业务需求和调度结果的不同，可以选择协作小区集中的所有或 部分节点为其服务。按照选择的节点不同，j p 技术还可以细分为：联合传输 技术和动态小区选择技术。 联合传输：用户终端可同时接收来自多个节点的数据信息，采用相干或 非相干的处理方式，以提高接收信号的质量，抑制其它用户产生的干扰。 动态小区选择：用户终端不能同时接收来自多个节点的数据信息，每次 只能接收一个节点的数据信息。值得欣慰的是节点可以根据信道质量的好坏 在协作小区集中随时更换。 联合传输技术，将其它小区同频用户产生的干扰信号转变为有用信号， 从而减少小区间的干扰，提高目标用户的信号质量，因此本文所研究的多小 区联合处理算法又集中于联合传输技术。j p 技术的示意图如图2 5 所示，c e l l l 为u e l 服务小区，c e l l 2 为u e 2 服务小区。u e l 的c o m p 协作小区集为c e l l l 、 c e l l 2 和c e l l 3 ，而u e 2 的协作小区集为c e l l 2 和c e l l 3 。用户通过服务小区来 选择联合处理或者动态小区选择技术来实现c o m p 传输。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图2 5j p 技术示慈图 ( 3 )协作调度波束赋形c s c b 在c s c b 技术中，一个用户终端的数据信息只能由该用户的服务小区进 行传输，并且数据信息只存在于该服务小区。但是，如何调度和如何波束赋 形则是通过协作小区集中的所有节点协调决定。 ( 4 )协作小区集 协作小区集定义为参与c o m p 行为的地域上分离的节点集合，该节点直 接或间接参与对用户终端进行的p d s c h 传输。协作小区集中参与c o m p 的 节点可以是独立的基站，或者是同一个e n b 控制的不同的扇区，或者是中继 节点。所谓传输节点( 集) ，即与用户终端之间的p d s c h 处于激活状态的节 点或节点的集合。传输节点( 集) 必然是c o m p 协作小区集的子集。选择不 同的c o m p 传输方案，对应不同的传输节点( 集) ： 联合传输：传输节点为c o m p 协作小区集中的所有节点，联合处理至少 有一个传输节点。 动态小区选择：在每个子帧上有且只有一个节点传输数据信息给用户， 该节点即为传输节点。此方案下的传输节点可以在协作小区集中动态的切 换。 c s c b ：只有用户的服务小区拥有数据信息和传输数据的资格，因此 c s c b 中的传输节点只能是该用户的服务小区。 本文中主要研究联合传输的j p 技术，因此下文讨论的协作小区集等同 于传输节点集。 ( 5 )测量小区集 属于测量小区集的c o m p 用户终端，需要向服务小区反馈测量集合中的 所有小区到用户的信道7 状态信息。测量小区集有可能与协作小区集相同。服 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 务小区通过反馈的信道状态及时调整和确定协作小区集和传输节点( 集) 。 2 2 2 下行c o m p 模型 c o m p 技术是一项扩大小区覆盖范围和提升小区平均吞吐量的有效技 术。按照分类依据的不同，各大公司对下行c o m p 进行了多种分类以实现不 同的需求分析，分类的不同造成了系统模型的差异1 4 】【1 5 1 。 根据协作小区服务的协作用户数，c o m p 可以为单用户c o m p ( s u c o m p ) 和多用户c o m p ( m u c o m p ) 两种模式。s u - c o m p 和m u - c o m p 不管是在实现方案、系统性能和算法复杂度方面都有着很大的差别。 m u c o m p 模式下的联合处理不管是采用相干非相干方式在提高小区吞吐量 方面都有优秀的表现。 富士通在 1 4 】中将c o m p 联合传输技术划分为3 种类型：相干传输 ( t y p e 一0 ) 、非相干传输( t y p e 1 ) 和非相干传输( t y p e - 2 ) ，并给出了各自 的系统模型和优劣分析15 1 。相干传输支持单用户和多用户两种c o m p 模式， 协作小区共享预编码码本、控制信息和数据信息，且c o m p 用户接受的来自 多个协作小区的数据必须是相同的、同步的；非相干传输( t y p e 1 ) 的协作 小区同样共享预编码码本、控制信息和数据信息，但不同的协作小区发送不 同的数据给同一个c o m p 用户；非相干传输( t y p e 2 ) 中协作小区只共享预 编码码本和控制信息，而不共享数据信息，且每个协作小区只对隶属它的用 户发送数据。根据 14 】给出的三种传输类型在2 小区协作情况下的系统模型， 为了让仿真环境更具代表性，本文将这三种系统模型推广到了如下的3 小区 协作的情况。 ( 1 )相干传输 相干传输根据服务的c o m p 用户数，可以分为单用户的c o m p 和多用户 的c o m p 。 a s u c o m p c o m p 联合传输方案下，单用户的相干传输系统模型如图2 - 6 所示。其 中，服务小区与协作小区同时传送相同的数据给用户u e ，并且发送的数据 采用相同的预编码码本p 。在相干传输方式下，用户可以分别对到各个小区 的信道矩阵h i l 、h 1 2 和h 1 3 进行估计，确定联合预编码码本。在接收端，用 户收到的数据中除了期望数据，只存在a w g n 噪声，消除了小区c e l l 2 和 c e l l 3 原本的同频干扰