（通信与信息系统专业论文）lteadvanced+comp中联合处理技术及系统性能研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 为了满足i t u 为i m t a d v a n c e d 系统提出的性能指标，3 g p p 提出了 l t e a d v a n c e d 技术。针对l t e 系统中小区间干扰比较严重，已有的干扰协调技 术不能很好的解决边缘用户频谱效率低的问题，在l t e a d v a n c e d 中引入协同多 点传输和接收( 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 n r e c e p t i o n ，c o m p ) 技术来解 决此问题。该技术通过多个小区之间的联合调度或协作传输，降低邻区干扰， 提高用户接收信号质量，从而有效提高系统容量和边缘用户频谱效率。 本论文主要工作是针对c o m p 中的协同传输技术( j o i n tp r o c e s s i n g ，j p ) 进 行研究，以该技术方案为基础，利用系统级仿真，对c o m pj p 方案及其性能进 行了研究和评估验证。主要贡献包括以下方面： ( 1 ) 根据3 g p p 标准会议提案和系统仿真方法，结合3 g p pt r 3 6 8 1 4 中的 场景假设，设计并搭建了c o m pj p 的动态系统仿真平台。平台包括：多小区空 间信道建模、协同小区簇划分、协同用户及协同小区集合确定、调度、预编码、 干扰计算及终端接收机等功能模块。基于平台，评估了3 g p pc a s e l 场景下单用 户j p 和多用户j p 的性能。 ( 2 ) 针对传统单小区调度算法不能满足c o m p 多小区协同传输的问题，提 出了应用于j p 系统的集中式多小区协同调度算法及调度器实现，提出多用户系 统下的配对算法及改进算法，并对算法进行了评估和分析。 ( 3 ) 针对协同处理的联合预编码需求，提出了不同的物理层信道合并方案， 并对各种方案进行了仿真评估及分析。 ( 4 ) 基于以上仿真平台及算法实现，评估了理想信道估计条件下，单用户 系统与多用户系统的性能，并对部分非理想因素对系统性能的影响进行了分析。 关键词：小区间干扰；频谱效率；协同多点传输；协同处理；联合预编码 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 3 g p pb r o u g h tf o r w a r dt h el t e a d v a n c e dt e c h n i q u e st om e e tt h ep e r f o r m a n c e g u i d e l i n e ，w h i c hi t up r o p o s e df o ri m t - a d v a n c e ds y s t e m s i n c et h ei n t e r f e r e n c e b e t w e e nc e l l si nl t es y s t e mi ss os e v e r et h a tt h ee x i s t i n gi n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o n m e c h a n i s m sf a i lt or e s o l v et h el o ws p e c t r u me f f i c i e n c yp r o b l e mo ft h et a i lu s e r s ， l t e - ai n t r o d u c e dt h ec 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 r e c e p t i o n ( c o m p ) s c h e m et oc o p ew i t ht h ep r o b l e m c o m ps h a l lb e n e f i tt h es y s t e mc a p a c i t ya n d i n c r e a s et h es p e c t r u me f f i c i e n c yo ft h et a i lu s e r sb ye m p l o y i n gt h ej o i n ts c h e d u l ea n d c o o r d i n a t e dt r a n s m i s s i o n , w h i c hc o u l dd e p r e s st h ea d j a c e n tc e l li n t e r f e r e n c ea n d i m p r o v et h es i g n a lq u a l i t yo ft h eu s e r t h i st h e s i ss h a l lm a i n l ys t u d yt h ej o i n tp r o c e s s i n g ( j p ) t e c h n i q u eo fc o m p t h e a u t h o r sw o r kf o c u so nt h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na n dv e r i f i c a t i o no ft h ec o m pj p s c h e m e sb yt h es y s t e ml e v e ls i m u l a t i o n s t h ec o n t r i b u t i o n sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w ： t h ea u t h o rb u i l tt h ec o m pj pd y n a m i cs y s t e ms i m u l a t i o np l a t f o r ma c c o r d i n gt o t h em e t h o d o l o g yi nt h e3 g p ps t a n d a r dc o n f e r e n c es p e c i f i c a t i o n , w h i c hi sm a i n l y b a s e do nt h es c e n a r i oa s s u m p t i o ni nt h et e c h n i q u es p e c i f i c a t i o n3 6 814 a n dt h e p l a t f o r mc o n s i s t so f ：s p a t i a lc h a n n e lm o d e l i n go fm u l t i c e l l ，c o o r d i n a t e dc e l lc l u s t e r d i v i s i o n ，i d e n t i f i c a t i o no fc o o r d i n a t e du s e r sa n dc e l la g g r e g a t i o n ，s c h e d u l e ， p r e - e o d i n g ，i n t e r f e r e n c ec a l c u l a t i o n , t e r m i n a lr e c e i v e ra n de t c t h ee v a l u a t i o n i n c l u d e st h ej ps y s t e mo fs i n g l eu s e ra n dm u l t i - u s e ri nt h e3 g p pc a s e1s c e n a r i o t h et r a d i t i o n a ls i n g l ec e l ls c h e d u l ea l g o r i t h mc a n n o tb ea p p l i e dt ot h ec o m p m u l t i c e l lc o o r d i n a t e dt r a n s m i s s i o n h e n c et h ea u t h o r p r o p o s e s ac e n t r a l i z e d m u l t i c e l lc o o r d i n a t e ds c h e d u l ea l g o r i t h m ，a n dt h e c o r r e s p o n d i n g s c h e d u l e r i m p l e m e n ta sw e l l t h ea l g o r i t h mp r i m a r i l yf o r m u l a t e st h ep a r t n e r s h i pm e t h o da n d t h ec o r r e s p o n d i n gu p d a t e dm e t h o d m o r e o v e r , t h ev a l i d i t yo ft h ea l g o r i t h m si s d e m o n s t r a t e db yt h en u m e r i c a lr e s u l t sa n da n a l y s i s t h i st h e s i sa l s op r o v i d e ss e v e r a ld i f f e r e n tp h y s i c a ll a y e rc h a n n e lc o m b i n a t i o n s c h e m e st om e e tt h er e q u i r e m e n to ft h ec o o r d i n a t e dp r o c e s s i n gj o i n tp r e c o d i n g a n d 武汉理工大学硕士学位论文 t h ec o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i sa l eg i v e na sw e l l t h es i n g l eu s e ra n dm u l t i - u s e rs y s t e mp e r f o r m a n c ei se v a l u a t e db a s e do nt h e s i m u l a t i o np l a t f o r ma n da l g o r i t h m sm e n t i o n e da b o v ei nt h ea s s u m p t i o no fi d e a l c h a n n e le s t i m a t i o n a n da tt h es a m et i m et h ei m p a c t st ot h es y s t e mp e r f o r m a n c et h a t m a yb ec a u s e db ys o m en o n i d e a lf a c t o r sa lea n a l y z e d k e y w o r d s ：i n t e r f e r e n c eb e t w e e nc e l l s ；s p e c t r u me f f i c i e n c y ；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 r e c e p t i o n ( c o m p ) ；c o o r d i n a t e dp r o c e s s i n g ；j o i n tp r e c o d i n g i i i 武汉理工大学硕士学位论文 3 g p p b d c d d c d m a c o c q i c r s c s c b c s i r s d m r s d w p t s e b b e u t r a f d d f d m a i - i a r q i c i c 屺 i s i i t u j p m l t e - a m c s m i m o 【m s e 主要符号表 3 耐g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t b l o c kd i a g o n a l i s a t i o n c y c l i cd e l a yd i v e r s i t y c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c o o r d i n a t e dm u l t i p l ep o i n t c h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t o r c e l l s p e c i f i cr e f e r e n c es i g n a l c o o r d i n a t e ds c h e d u l e c o o r d i n a t e db e a m f o r m i n g c h a n n e ls t a t ei n d i c a t o r r e f e r e n c es i g n a l d e m o d u l a t i o nr e f e r e n c es i g n a l d o w n l i n kp i l o tt r a n s m i ts l o t e i g e n v a l u eb a s e db e m f o r m i n g e v o l v e du n i v e r s a lt e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s s f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t i n t e r - e e l li n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t e i n t e r f e r e n c er e j e c t i o nc o m b i n g i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu i l i o n j o i n tp r o c e s s i n g l o n gt e r me v o l u t i o n l o n gt e r me v o l u t i o na d v a n c e d m o d u l a t i o na n dc o d i n gs e t m u l t ii n p u tm u l t io u t m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r 第三代合作伙伴 块对角化 循环时延分集 码分多址 协作多点 信道质量指示 小区专用参考信号 协同调度广协同波束赋形 信道状态指示 参考信号 解调参考符号 下行导频发送时隙 基于特征值分解的波束赋 形 演进的通用地面无线接入 频分双工 频分多址 混合自动重传请求 小区间干扰协调 干扰抑制合并 符号间干扰 国际电信联盟 联合处理 长期演进 长期演进增强 调制编码组合 多输入多输出 最小均方误差 武汉理工大学硕士学位论文 m r c m u m i m o o f d m p d c c h p d s c h p f p p r b q o s r a n l r b r e l a y r r r r h r r u s c m s c l 旺 s d m a s f b c s i m o s n r s r s t d d t d n 协 ，丌i t u u e u p p t s u t r a n z f m a xr a t i oc o m b i n i n g m u l t i u s e rm i m o 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 p h y s i c a ld o w n l i n kc o n t r o lc h a n n e l a 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 p r o p o r t i o n a lf a i rs c h e d u l e r p r e c o d i n gm a t r i xi n d i c a t o r p h i s i c a lr e s o u r c eb l o c k q u a l i t yo fs e r v i c e r a d i oa c c e s sn e t w o r kw o r kg r o u pl r e s o u r c eb l o c k r o u n dr o b i n r e m o t er a d i oh e a d e r r e m o t er a d i ou n i t s p a c ec h a n n e lm o d e l s p a c ec h a n n e lm o d e le x t e n d e d s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s s p a c e f r e q u e n c yb l o c kc o d e s s i n g l e - i n p u tm u l t i - o u t p u t s i g n a lt on o i s er a t i o s o u n d i n gr e f e r e n c es i g n a l t i m ed i v i s i o nd u p l e x t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s t r a n s m i s s i o nt i m ei n t e r v a l t y p i c a lu r b a n u s e re q u i p m e n t u p l i n kp i l o tt r a n s m i ts l o t u n i v e r s a lt e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k z e r of o r c i n g 最大比合并 多用户m i m o 正交频分复用 物理下行控制信道 物理下行共享信道 正比公平调度 预编码矩阵指示 物理资源块 服务质量 3 g p pr a n l 工作组 资源块 中继 轮询算法循环调度算法 远程无线头节点 远程射频单元 空间信道模型 扩展空间信道模型 空分多址 空时块编码 单输入多输出 信噪比 探测参考信号 时分双工 时分多址 传输时间间隔 典型城市场景 用户装置 上行导频时隙 通用地面无线接入网络 迫零算法 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名： 瀣瘦一日期： 超f 壁! 支笪 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：臻钦少导师( 签名羹辆、日期加f o 岁。艿 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景介绍 第1 章绪论 在l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 系统中使用正交频分多址接入单载波频分多 址接入( 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 ga c c e s s s i n g l e c a r t i e r 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 ga c c e s s ，o f d m s c f d m a ) 作为其下上行的多 址接入技术，通过正交的子载波区分不同用户，基本不存在小区内的干扰，但 是小区间的干扰( i n t e r - c e l li n t e r f e r e n c e ，i c i ) 成为影响系统性能的主要因素。 在l t e 标准化过程中，提出了很多解决方案来对抗小区间干扰，如干扰随 机化和干扰协调技术( i c i c ，i 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 e ) ，比较典型的方案 有 1 卜【6 】。 干扰随机化是将邻区的干扰信号随机化，其作用是让干扰信号近似为“白 噪声”，这种方法不能降低干扰的能量，但是能将干扰近似为背景噪声，通过接 收端的接收机检测处理进行抑制。干扰协调普遍采用一种在小区间以相互协调 来限制下行资源的分配方法，如通过对相邻小区的时频资源和发射功率分配的 限制，获得在信噪比、小区边缘数据速率的提升【7 】。 “软频率复用 或“部分频率复用 ，通过将频率资源分为若干个复用集合， 小区中心的用户采用较低的功率发射和接收，不同小区的用户即使占用相同的 频率也不会造成较强的i c i ，因此被分配在复用系数为l 的集合，小区边缘的用 户需要采用较高的功率发送和接收，有可能造成较强的i c i ，因此被分配在频率 复用系数为n 的集合 8 1 。 然而，这种干扰协调技术的能力有限，且需要牺牲全频率复用为代价来换 取局部性能的优化，并不能有效解决边缘用户的频谱效率问题。 在l t e a d v a n c e d 中，提出协同多点传输接收( 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 r e c e p t i o n ，c o m p ) 技术来解决这种小区间干扰对系统性能的抑制问 题。本论文以c o m p 为研究点，其原理是使得在不同基站之间通过协同处理干 扰，或者避免干扰，或者将干扰转化为有用信号。本质上来说【9 】 【1 2 1 ，c o m p 是 多输入多输出( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ，m i m o ) 技术在多小区下的应用，其 武汉理工大学硕士学位论文 基本思想是利用空间信道上的差异来进行信号传输。通过多小区之间的干扰处 理来实现同频组网和小区间干扰的抑制或消除。从干扰处理的角度可以将c o m p 分为两类：一种是通过基站端进行合理的预编码使得信号在空间上相互隔开， 或者通过协调调度，让不同小区尽量在同一时间上避免调度同一方向上的用户， 从而减少小区间的同频干扰，保证用户的链路质量，提高解调性能，这种技术 称为协同调度协同波束赋形( c o o r d i n a t es c h e d u l e b e a m f o r m i n g ，c s c b ) ；另外 一种技术是通过将其他小区的干扰信号转化为本小区用户的有用信号，通过提 升用户的信噪比来保证解调性能，这种技术即称为联合处理( j o i n tp r o c e s s i n g ， j p ) 。 1 2 标准进展情况 l t e a d v a n c e d 是3 g p p 为了满足i m t - a d v a n t e d 的需求在l t e 的基础上的 技术演进，其中载波聚合技术是在频域上进行扩展，以满足带宽的需求；上、 下行m i m o 增强是在空域上进行扩展，以提高小区平均吞吐量；c o m p 是不同 基站或者相同基站控制下的小区之间，或光纤拉远基站实现小区间干扰消除或 抑制，目的是提高小区边缘吞吐量：中继( r e l a y ) 是无线的接力，拉近跟用户 之间的距离，以便扩大容量，提高覆盖。到目前为止，l t e a d v a n c e d 的s t u d yi t e m 阶段已经结束，2 0 0 9 年1 2 月的r a n ( r a d i oa c c e s sn e t w o r kw o r kg r o u p ) 全会 上进行了一些l t e a d v a n c e d 相关w o r ki t e m 的立项工作，各技术点成立独立的 研究项目，包括下行m i m o ，上行m i m o ，载波聚合以及r e l a y ，而c o m p 的立 项将延续到后续版本中完成。预计2 0 1 0 年1 2 月将批准l t e a d v a n c e ds t a g e 3 的 标准，并对标准功能冻结。 关于c o m p 的研究现状，可以从3 g p p 的标准化历程进行总结，在3 g p p r a n l # 5 3 次会议上提出以“c o m p ”这一术语来表达为数众多但是本质相同的多 小区协同方案以来，3 g p p 蝌1 撑5 4 3 g p p 凡蝌l 拌5 5 b i s 会议期间涌现出大批 c o m p 方案，包括s u m i m oj p ，m u m i m oj p ，c s c b 等，随后的3 g p p r a n l # 5 6 - - 3 g p pr a n l # 5 6 b i s 会议，确定了将参考信号( r e f e r e n c es i g n a l ，r s ) 分为测量和解调r s ( d e m o d u l a t i o nr e f e r e n c es i 盟a l ，d m r s ) ，解调r s 是 l i e s p e c i f i c 的，并且定义了集合、反馈等一些术语，3 g p pr a n l # 5 9 3 g p p r a n l # 5 9 b i s 会议开始评估i n t r a - e n o d e b 的c o m p 并且在中短期时间内重点评估 i n t r a - e n o d e b 的性能和方案设计，大部分公司达成共识。 2 武汉理工大学硕士学位论文 3 g p pr a n l 定义了服务小区，协同小区集合和测量小区集合。服务小区与 r e l e a s e 8 中的服务小区的定义相同，是用来传输物理下行控制信道( p h y s i c a l u p l i n kc o n t r o lc h a n n e l ，p d c c h ) 的单个小区，c o m p 协同小区集合是一组直接 或者间接给u e 发送物理下行共享信道( 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 ， p d s c h ) 的小区集合，这个集合可以对u e 透明，也可以对u e 不透明，c o m p 测量集合是一组上报与u e 连接的信道状态信息的小区集合。 对于c o m p 的反馈，定义了三种反馈类型，显式的反馈，隐式的反馈和基 于s o u n d i n g 参考信号( s o u n d i n gr e f e r e n c es i g n a l s ，s r s ) 的反馈【1 3 】【1 4 】。 显式反馈的内容包括信道部分和噪声干扰部分，其中信道是反馈接收端看 到的信道状态，在一个子帧中需要上报测量集合中每个小区的一个或者多个信 道特性，包括瞬时的信道矩阵h i ，统计的发送信道相关矩阵m 【1 5 】和瞬时信道的 主特征向量部分，噪声和干扰部分的反馈可以是u e 上报小区以外或者c o m p 发送小区以外的干扰，也可以是接收的总功率，或者是噪声和干扰的相关矩阵 笙【1 6 】 寸 。 隐式反馈针对不同的假设定义不同的反馈模式，如单用户还是多用户 m i m o 、单小区还是协同传输、单点( c s c b ) 传输还是多点( j p ) 传输等。j p 反馈上报单小区p m i ( p r e c o d i n gm a t r i xi n d i c a t o r ) 或多小区p m i ，c s c b 可以 反馈上报单小区或者多个单小区p m i s ，也可以反馈p m i 以外的其他类型的信息 ( 如特征向量等) 。隐式反馈可能需要u e 通知网络所使用的假设( 向e n o d e b 发送具体的信令) ，并且半静态的配置该假设( 向u e 发送具体的信令) ，预编码 的参考符号可以帮助终端对c q v r i 反馈进行处理。还有一种反馈方式是利用信 道的对称性，终端发送s r s 可以用来作为e n o d e b 进行信道状态信息估计，这 种方法在t d d 系统中尤为适用【l 。7 1 。 1 3 课题研究的目的及意义 l t e a d v a n c e d 系统中提出c o m p 技术来对抗小区间干扰问题，旨在通过不 同小区间的协同传输避免或消除来自邻小区的同频干扰，通过提升边缘用户的 接收信号质量，降低干扰来保证边缘用户的链路质量，提升用户的频谱效率。 根据干扰处理的方式不同，c o m p 的研究有两大主流方向：协同调度协同 波束赋形( c s c b ) 和联合处理( j p ) 。 本文以c o m p 中的j p 技术为主要研究课题。在3 g p pr a n l 标准会议期间， 3 武汉理工大学硕士学位论文 紧扣当前标准的进展情况，分析仿真模型，搭建仿真平台，评估各种c o m pj p 方案的性能，以及实现中各因素对性能的影响，分析c o m p 的调度实现方法， 为标准推进提供依据。 1 4 论文组织结构 第二章对c o m p 进行了概述，明确c o m p 中涉及的相关定义及术语，对c o m p 当前的两大主流技术进行了描述，总结了相关的传输方案和反馈方案。 第三章主要针对当前单小区调度算法无法满足c o m pj p 的需求，提出了一 种新的调度算法：集中式多小区协同调度算法，针对该算法描述了其主要原理 及实现步骤。该算法通过将多个小区的待调度用户和可用资源等信息预先保存 在调度队列中，按照优先级排队顺序依次为用户分配资源，对于独立调度的用 户，仅分配服务小区的资源，对于协同传输的用户，同时分配服务小区和协同 小区的资源。该算法合理的满足了j p 对调度的需求。 第四章针对j p 技术实现了系统仿真平台的搭建，其中提出了多小区空间信 道建模的方法；基于系统仿真平台的静态仿真结合香农容量公式确定协同传输 的小区上限的方法；针对联合处理聚合信道的获取提出了不同的信道合并算法。 另外，本章内容还给出了j p 系统的数学建模，包括预编码算法、g e o m e t r y 计算 以及接收机检测算法，给出了s u m i m oj p 和m u m i m oj p 的信噪比计算公式。 第五章以系统仿真平台为基础，评估了s u m i m oj p 和m u m i m oj p 的性 能，并对部分非理想因素的影响进行了分析，根据仿真结果得出相应的结论。 本文的贡献主要表现在： ( 1 ) 提出了集中式多小区协同调度算法，m u m i m oj p 配对算法和改进算 法： ( 2 ) 完成了j p 系统仿真平台的建模和实现，其中平台建设过程中突出表现 在以下三方面： 基于静态仿真方法确定了协同传输的协同小区数上限； 提出了多小区空间信道建模方法及实现； 提出了不同的物理层信道合并算法。 ( 3 ) 以系统仿真平台为基础，评估了理想条件下胆的性能，并对部分非理 想因素的影响进行了分析。 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 1c o m p 概述 第2 章c o m p 基本原理 c o m p 的定义是指多个地理位置上分开的发射点之间的动态协同。在当前的 l t e 中，多天线发射方案即可被看成是一种下行的多点协同，在l t er e l e a s e 8 中，与小区的不同天线端口相关的物理天线从地理位置上分开并通过多天线传 输到一个用户，即通过发射分集或者空间复用，就意味着从一组地理位置分开 的发射点到用户的联合。 我们常见的发射分集、s u m i m o 以及m u m i m o 等都属于协同传输的范 畴。但是在l t e 中的协同传输都是限制在单小区范围内，且只能在r e l e a s e8 定 义的天线端口之间实现多点协同传输。随着移动通信技术的发展，必然要求 l t e a d v a n c e d 系统设计具有一般性的有更多传输点集合的协同传输方案，因此 考虑了包括不同小区间干扰协同的研究，即不仅仅是一个小区内的分布式天线 端到端之间的协同1 9 j 田j 。 m i m o 技术和c o m p 之间有着密切的联系，l t e l t e - a d v a n c e d 作为m i m o 无线网络系统，为了实现全频率的复用达到更高的频谱效率，必须要考虑使用 m i m o 时可能的小区内干扰和小区间干扰。c o m p 技术本质上是通过多小区 m i m o 技术解决这种干扰，其基本思路是利用空间信道上的差异来进行信号传 输，从处理干扰的角度可以分为两种方式，一是将其他小区的干扰信号转化为 本小区用户的有用信号，这种技术即为联合处理技术，另一种方式是通过基站 端进行合理的空域调整，即通过预编码使得信号在空间上相互隔开，减小不同 小区间的干扰，从而用户的链路质量得到保证，这种技术即为协同波束赋形。 在l t e a d v a n c e d 中，将这种多小区m i m o 技术统一定义为c o m p ，参与协 同的多个传输点通常指多个小区的基站。一般认为，上行c o m p 对物理层标准 的改动很小，因此在本文中如不做特殊说明均指下行c o m p 。在3 g p p 标准中， 已经定义了服务小区、协同小区集合以及测量小区集合的概念如下： 服务小区：通过p d c c h 向u e 发送广播信息及物理层控制信息的小区称为 服务小区。 5 武汉理工大学硕士学位论文 测量小区集合：u e 测量该集合内的小区到u e 的信道状态信息，并选择其 中一些小区的( 上报集合) 信道信息上报网络。 协同小区集合：直接或间接参与对u e 传输数据的小区集合，包括参与决策 和调度过程的小区。 2 2 协同范围的定义 多点协同传输技术需要在小区间共享数据信息、u e 的信道状态信息以及调 度信息等。c o m p 的协作范围有两种定义：站内( i n t r a - e n o d e b ) 方式和站间 ( i n t e r - e n o d e b ) 方式。 i n t r a - e n o d e b 是指协作的小区在同一个e n o d e b 内部，小区间信息共享可以 认为是及时和准确的，也有将通过光纤拉远的方式连接不同e n o d e b 实现 i n t r a - e n o d e b 的方法，数据传输由远程无线连接头( r e m o t er a d i oh e a d e r ，砒m ) 控制。i n t e r - e n o d e b 是指协作的小区由不同的e n o d e b 控制，则e n o d e b 之间连 接容量和时延会影响多点协作技术的应用。e u t r a n 网络中e n o d e b 之间通过 x 2 接口通信，因此i n t e r - e n o d e b 的协作方式对x 2 接口标准有影响【2 3 】。e n o d e b 之间的x 2 接口只是定义了一个逻辑上的点到点连接，其底层实现可以是光纤、 铜缆或者微波，其结构如图2 1 所示。我们将e n o d e b 之间的连接称为b a c k h a u l 。 联合处理技术需要在e n o d e b 之间共享大量的u e 数据包，因此其对b a c k h a u l 的容量有很高的要求。另外x 2 接口的时延对协作技术在e n o d e b 之间应用也有 很大的影响，主要包括内部处理时延，节点时延和连接时延，其中内部处理时 延是指e n o d e b 内部处理时延，取决于e n o d e b 的硬件和软件处理能力；节点时 延是由网络节点的交换和路由引起的时延；连接时延取决于网络节点之间距离 的传播时延。在c o m p 方案设计中假定小区之间信息传输的容量不受限制，传 输时延在0 2 m s 之间。 6 武汉理工大学硕士学位论文 e n 2 3 传输方案 图2 1x 2 接口结构图 c o m p 的传输方案对应当前3 g p p 关于c o m p 研究的两大主流技术。按照传 输方案不同，可以将c o m p 分为两类：联合处理( j p ) 技术和协同调度协同波 束赋形( c s c b ) 技术。 ( 1 ) 联合处理( j p ) 技术 在下行传输方向上，为一个l i e 服务的协作小区集合内的所有小区都拥有为 该u e 发送的相同数据包，网络端根据调度结果和业务需求的不同，可以选择协 作小区集合内的所有小区或部分小区为该终端服务。需要说明的是，当传输选 择的小区数为1 时，则可以将j p 称之为动态小区选择( d y n a m i cc e l ls e l e c t i o n ， d c s ) 。 在联合处理方案中，协作小区集合内的全部小区在相同的无线资源块中发 送相同或者不同的数据到终端，即多个协作小区在同时刻发送数据到同一个 u e 。通过联合传输方式，将原来l t e 系统中不同小区间的干扰信号变成有用信 号，从而减少小区间干扰，提升用户的接收信号质量，最终达到提升系统性能 的目的。动态小区选择是c o m pj p 中的特例，仍然是多个小区联合服务于一个 7 武汉理工大学硕士学位论文 u e ，但是在一个时刻p d s c h 传输仅来自一个点，其他传输点的相同资源要空 出来不传输任何数据。在图2 2 中给出了联合处理方案的示意图，图2 3 中给出 了动态小区选择的示意图。 图2 2 联合处理和联合传输( j p ) 示意图 图2 3 动态小区选择( d c s ) 示意图 ( 2 ) 协同调度协同波束赋形( c s c b ) 技术 如图2 4 所示，在该技术方案中，一个用户的数据同时只有一个小区传输； 通过多个小区协作的调度来控制降低干扰。协作小区集合内的其他小区可以利 8 武汉理工大学硕士学位论文 用相同的无线资源块为不同u e 服务，协作小区集合内各小区发送信号需要根据 对其它小区信号的干扰进行协调，尽可能地减少对其它小区l y e 的干扰。协作小 区间通过协调发送信号波束的方向，有效地将干扰比较大的波束避开，这样， 通过窄的波束，就能够有效降低小区间的干扰，提升接收信号的质量。 图2 - 4 协同调度与协同波束赋形( c s c b ) 示意图 2 4 反馈方案 单小区m i m o 下，用户只需要反馈服务小区的信道状态信息，而在c o m p 中，不论是联合处理还是协同调度协同波束赋形技术，都要求知道协同小区的 信道状态信息，因此，c o m p 中需要设计与单小区m i m o 系统不同的反馈方案， 以支持反馈多个小区的信道状态信息。 按照反馈方式不同，可以分为以下两类： 第一种是联合反馈：多个小区的信道信息作为一个整体反馈。联合反馈的 灵活性较低，假设u e 上报的信道信息包括n 个小区的信道信息，则基站很难 准确恢复出这n 个小区的任意一个子集的信道信息。此外，联合反馈的标准设 计复杂度很高。 第二种是独立反馈：独立反馈是指分别反馈每个小区的信道状态信息。独 9 武汉理工大学硕士学位论文 立反馈的灵活性高，标准设计简单。 按照反馈内容不同，反馈方案可以分为三类【2 4 】： ( 1 ) 显式反馈：用户观测到信道状态后( 例如：频域信道响应信息) ，不 对该信道信息进行任何处理，直接反馈给基站，使得基站获得完全的信道响应 信息。 ( 2 ) 隐式反馈：用户在观测到信道状态后，对得到的信道信息进行处理， 转化成特定的量化数值后反馈给基站( 例如c q i p m i f r i ) 。隐式反馈是在 r e l e a s e 8 r e l e a s e l 0 中都应用的方案，成熟可靠。 ( 3 ) 基于s r s 的反馈：利用专用导频获取用户信道状态信息，但仅在t d d 情况下可用。 在单用户情况下，通过隐式反馈可以完成c o m p 中的主要操作，例如动态 小区选择、协同抑制干扰等。但是对于不同小区的多用户联合发送，仅仅是隐 式反馈是不够的，因为用户并不知道对于邻小区基站而言信道状态的优劣，这 就需要用户将全部的信道响应信息反馈给基站【2 5 1 。 毫无疑问，显式反馈必然能带来更好的c o m p 下的性能增益，但是，由于 要将全部的信道