（通信与信息系统专业论文）联合网络编码的comp技术研究.pdf

摘要 未来移动通信在传输速率、系统性能和系统业务容量等方面对无线通信系统 提出了更高的要求。为了满足上述要求，l t e a 引入了c o m p ( 协作多点技术) 技术， 通过多个小区的联合处理，来克服小区间干扰，提高小区边缘用户服务质量，进 而提高整个系统吞吐量。做为作为l t e a 中的关键技术之一，c o m p 技术极大得 引起了人们的研究兴趣。 本文研究了l t e a 中的c o m p 技术，首先概述了联合处理和协同波束赋形两种 c o m p 关键技术，并详细讨论了适用于联合处理c o m p 的预编码技术； 然后，研究了l t e a 中适用于c o m p 的调度问题，阐述了中心调度和分散调度 的基本原理，并提出了一种基于最大化信干噪比的下行协作小区选择算法，该算 法可以根据相应的信道信息来选择协作传输的集合，然后通过联合传输来降低系 统的复杂度。 最后，针对多个协作小区同时为多个用户传输数据的场景，提出了一种联合 网络编码c o m p 的j p 传输方案，设计了相应的预编码算法，并结合所提出的基于最 大化信干噪比的下行协作小区选择算法，设计了相应的小区选择算法。仿真结果 表明，与传统基于z f 预编码c o m p 的j p 算法相比，所提算法可以得到一定的吞吐量 增益。 关键词：l t e ac o m p 联合传输预编码网络编码 a b s t r a c t i nt h ef u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o n , m o r er e q u i r e m e n t sh a v eb e e np u tf o r w a r d , s u c h 硒h i g hd a t at r a n s m i s s i o nr a t e ，h i g h e rs y s t e mp e r f o r m a n c ea n dh i g h e rs y s t e m s e r v i c e c a p a c i t y c o m p ( c o o r d i n a t e dm u l t i p l ep o i n t st r a n s m i s s i o n r e c e p t i o n ) i s i n t r o d u c e dt ol t e at om e e tt h er e q u i r e m e n t s t 1 1 i st e c h n o l o g yc o u l do v e r c o m e i n t e r - c e l li n t e r f e r e n c e ，i m p r o v et h es e r v i c eq u a l i t yf o rm o b i l et e r m i n a l sc l o s et oc e l l b o u n d a r i e s ，a n dp r o v i d eh i g h e rt o t a ls y s t e mt h r o u g h p u tb yc o m b i n e dt r e a t m e n t so ft h e m u l t i p l ec e l l s a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g yi nl t e - a ，a n dt h er e s e a r c ho f c o m ph a sa r o u s ep e o p l e sg r e a ti n t e r e s t s t h ed i s s e r t a t i o ns t u d yt h ec o m pt e c h n o l o g yi nl t e - a f i r s t l y ，w ew i l li n t r o d u c e t h ej p ( j o i n tp r o c e s s i n g ) a n dc b ( c o l l a b o r a t eb e a mf o r m i n g ) t e c h n o l o g yw h i c ha r ek e y t e c h n o l o g yi nc o m p a n dd i s c u s st h ep r e c o d i n gt e c h n o l o g ys u i t a b l ef o rc o m pi nd e t a i l 。 s e c o n d l y ，s c h e d u l ep r o b l e m ss u i t a b l ef o rc o m p i nl t e aa r es t u d i e d w ea n a l y s e t h ep r i n c i p l eo fc e n t r a l i z e ds c h e d u l i n ga n dd i s p e r s e ds c h e d u l i n g ，a n das e l e c t i o n a l g o r i t h m i nc o o r d i n a t e dc e l lo fd o w n l i n kb a s e do nm a xc ii s p r o p o s e d 。t h i s a l g o r i t h mc o u l dc h o o s et h ec o o p e r a t i v es e t 诚t hc h a n n e li n f o r m a t i o nc o r r e s p o n d e d ，a n d t h e nr e d u c et h es y s t e mc o m p l e x i t yb yj o i n tt r a n s m i s s i o n f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h es c e n ei nw h i c hm a n yc o o p e r a t i v ed i s t r i c t st r a n s m i td a t a f o rm u i t i p l eu s e r s ，at r a n s m i s s i o ns c h e m eo fj o i n tn e t w o r kc o d i n ga n dc o m pj pi s p r o p o s e d ，a n dac o r r e s p o n d i n gp r e c o d i n g a l g o r i t h mi sd e s i g n e d ，a n das e l e c t i o n a l g o r i t h mc o m b i n i n g 、访mad o w n l i n kc o l l a b o r a t i n gc e l ls e l e c t i o na l g o r i t h mp r o p o s e d b a s e do nm a xc i i sd e s i g n e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dw i m t r a d i t i o n a lz fp r e c o d i n gc o m p j pa l g o r i t h m ，t h ea l g o r i t h r np r o p o s e dc a no b t a i n t h r o u g h p u tg a i n k e y w o r d s ：l t e - ac o m p j pp r e e o d i n gn e t w o r k - c o d i n g 第一章绪论 第一章绪论 本章首先简要介绍l t e - a 的发展现状，以及l t e a 引入c o m p ( c o o r d i n a t e d m u l t i p l ep o i n t s ) 技术的背景；然后简要概述了c o m p 技术的发展现状及基本的传输 方案；最后给出了本文的研究内容和安排。 1 1 研究背景 随着技术的进步，人们对于信息的丰富性、及时性和准确性的要求也越来越 高。而移动通信技术是实现这种要求的有效技术，可以使人们随时随地、方便而 及时的获取所需要的信息。 移动通信技术是当代通信领域内发展潜力最大、发展前景最广阔的热点技术之 一。到目前为止，移动通信的发展经历了三代，而现在则正向第四代移动通信技 术发展。第一代移动通信( 1 g ) 的主要技术是模拟通信技术，它将人们带入到了 移动通信的新天地；第二代移动通信( 2 g ) 的主要技术是数字通信技术，它能够 更加方便和准确的传输信息，给人们的生活带来了很大的便利；第三代移动通信 ( 3 g ) 主要技术是宽带移动通信技术，它能够提供基本的数据传输和多媒体业务。 可以说，移动通信已深刻地影响了人们生活的方方面面，为社会进步、经济发展 做出了巨大的贡献。在3 g 技术大规模商用以后，随着运营商对新一代传输网络的 广泛部署，多媒体服务与应用将会得到更加广泛的推广，而在服务质量、传输速 率、无缝接入等方面3 g 技术的局限性也日益体现出来，这就要求带宽更宽、传输 速率更高、服务质量更加稳定的无线系统。而未来移动通信系统的发展要求是容 量更大、速率更高、功能更强的宽带移动通信系统。随着社会的进步及用户数量 的急剧增长，频率资源日益紧张，因此发展第四代移动通信系统是社会进步和技 术发展的必然要求。在诸多4 g 标准中，又以3 g p p 制定的标准最具影响力，3 g p p 于2 0 0 4 年底启动了关于3 g 长期演进系统( 即3 gl t e ) 的研究与标准化工作。 l t e 标准以正交频分复用技术( o f d m ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 为基础，并引入了若干新技术，目的使3 g 演进系统能够提供数倍 于3 g 系统的峰值速率。 3 g p pl t e 项目的主要性能目标包括： 在2 0 m h z 频谱带宽能够提供下行1 0 0 m b p s 、上行5 0 m b p s 的峰值速率，降低 系统延迟，用户平面内部单向传输时延低于5 m s ，控制平面从睡眠状态到激活状态 迁移时间低于5 0 m s ，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于l o o m s ；支持1 0 0 k m 半径的小区覆盖；能够为3 5 0 k m h 高速移动用户提供1 0 0 k b p s 的接入服务；支持 2 l t e - a 中的c o m p 技术研究 成对或非成对频谱，并可灵活配置1 2 5m h z 到2 0 m h z 多种带宽。 l t e 的研究重点分为两个方面：空中接口技术的演进，以及核心网络架构的 演进。它的上行的关键物理层技术包括：s c f d m a 技术，虚拟m i m o 技术，链 路自适应技术( 核心是自适应调制和编码o 蝴c ) ) ，功率控制，小区间干扰抑制技术。 l t e 相对3 g 技术，名为“演进 ，实为“革命一，3 g p p 产业界在经过了3 年多 全力以赴的l t e 技术研发后，u m t s 的技术基础已大部分被替换。虽然l t e 规 则已经被制定，但仍存在以下问题，需要完善： l t e 作为3 g 频段上的4 g 技术，后向兼容性被弱化。 s c f d m a 的性能限制，比如调度灵活性，m i m o 复杂度等。 小区边缘性能尚有隐忧，小区间干扰协调在复杂网络规划或优化中实现起 来比较困难。 l t e 没有针对t d d 系统单独优化，而过度强调f d d t d d 兼容性。对室 内覆盖能力考虑不足，仍沿用室外覆盖室内假设，对2 5 0 0 m h z 频段过于乐观。 2 0 0 8 年初，国际电信联盟i t u 正式启动t i m t - a d v a n c e d ( 4 g ) 系统的工作计 划。在小区边缘频谱效率方面，i m t a d v a n c e d 要求包括： ( 1 ) 室内下行达到o 1 b i t s h z ， 上行达到o 0 7 b i f f s h z 。 ( 2 ) 微小区下行达到0 0 7 5 b i t s h z ， 上行达到0 0 5 b i t s h z 。 ( 3 ) 宏小区下行达到0 0 6 b i t s h z ，上行达到0 0 3 b i f f s h z 。 ( 4 ) 高速下行达到o 0 4b i t s h z ， 上行达到o 0 15 b i f f s h z 。 l t e a 系统基于o f d m 和m 1 m o 技术，通过把高速率的数据流分成若干低速率 的数据流，调制到一组正交的子载波集上进行传输，可以有效地消除小区内的干 扰。但是在实际应用中，为了获得更高的频谱利用率，系统采用了同频组网的方 式，使得位于小区边缘的用户将接收到到来自相邻小区的同频干扰，严重限制了 边缘用户的服务质量和吞吐量，并且o f d m 技术无法有效地消除小区间干扰( i c i ) 。 协作多点传输( c o m p ) 技术正是基于这样的背景提出的，是l t e a 系统的重要 候选技术之一。c o m p 方案在多个基站之间引入协作，并通过在协作基站之间共享 必要的信息，如信道状态信息、调度信息和数据信息等，对小区间干扰进行有效 抑制。 通过协调和合并多天线信号，多点协作传输技术( c o m p ) 可以确保移动用户无 论身处l t e 蜂窝的中心还是边缘，在网络接入或分享视频、照片及其他高带宽业务 时，都能够享受到相同性能与品质的服务。该技术可以降低无线网络中的干扰， 并通过紧密协调多接入点的信号传输与接收来提升效率。 第一章绪论3 1 2c o m p 技术发展现状 在2 0 1 1 年，对于l t e a 的演进目标是到峰值速率为1 g b p s ，频谱效率为 ( 5 1 0 b p s h z ) ，实现移动通信的无缝覆盖和高频谱效率的无线传输。协作多点传 输正是这样一个背景要求下，提出的一种增加系统吞吐率和增强覆盖的技术措施。 3 g p p 的协作多点传输技术提出的时间并不长，是为了对针对l t e a 的数据传输速 率要求而提出的一种新方案。这种方案可以将小区边缘的干扰消除并且提高用户 数据速率，可以有效地提高每个小区的频率重用因子，从而提高整个系统的频谱 效率。 在传统的l t e 系统中，相邻小区通过传输流量的大小以及小区内用户的服务质 量来指示协调相邻小区之间传输模式，这是一种简单的c o m p 技术。为了提高小区 边缘用户的性能，满足小区边缘频谱效率的要求，系统必须增加一定的反馈开销， 进而需要设计更加复杂的控制信令，并且需要更多的信息在不同基站间共享。由 于c o m p 技术可以在多个小区间共享信道状态信息和数据信息，并通过利用这些信 息改善多个小区的整体性能，相比于以单小区为基础来确定传输方案的l t e 系统， c o m p 技术可以有效的改善边缘用户的服务质量。 c o m p 技术的主要作用就是通过协同处理来减小、避免或利用不同基站之间的 干扰。从本质上来说，c o m p 是多输入多输出( m i m o ，m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ) 技术在多小区下的应用，其基本思想是利用空间信道上的差异来进行信号传输， 这样可以使得相邻小区进行频率复用【l 】。通过采用c o m p 技术，达到抑制多小区之 间的干扰以及实现同频组网的目的【2 j 。 在现有的研究工作当中，c o m p 传输的数据主要是物理下行共享信道( p d s c h ) 中传输的信息，p d c c h 中的控制信息并不进行协作传输，而这些控制信息基本是 由终端所在的服务小区基站进行传输【4 】。根据p d s c h 传输的信息是否在多个传输 点进行共享，下行c o m p 分为两类，即文献【5 】中给出的两种c o m p 的实现技术方案， 这两种方案可以用来解决小区间干扰问题：其中一种称为协同调度协同波束赋形 ( c s c b ，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 ) ；另外一种技术是通过联合传输，并 且加入相应的预编码方案将其他小区的干扰信号转化为本小区用户的有用信号， 达到提升用户的信噪比来保证解调性能的目的，这种技术即称为联合处理( 皿，j o 缸 p r o c e s s i n g ) 。 c o m p 技术的优点在于通过多个小区的联合处理，提高小区边缘用户的服务质 量，并且提高整个协作集的吞吐量。对于蜂窝网结构的传输系统，选择协作小区 成为c o m p 需要解决的问题，虽然选择越多的协作小区可以带来更大的吞吐量以及 用户服务质量，但是随之而来的干扰问题，以及需要用户反馈的信息也随之增加， 这样会造成系统的复杂度过高，并不能带来实际的优势。因此，在c o m p 中选择合 4 l t e - a 中的c o m p 技术研究 适的协作集，并且有效的消除小区间的干扰保证用户的服务质量成为c o m p 技术在 实际应用中的两个需要解决的问题。 1 3 论文的研究内容以及章节安排 本文对l t e a 系统中的协作多点c o m p 技术进行深入研究。由于c o m p 技术主 要解决小区边缘用户服务质量过低和小区间干扰这两个问题，论文将重点研究 c o m p 技术具体的实现方案，以及相对应的预编码方案设计。同时，引入c o m p 技 术又会提高系统的复杂度，在实际应用中会有所限制，所以需要有一个适中的小 区选择方案，即满足系统复杂度的要求，又能够提高系统性能。文章的具体安排 如下： 第二章讨论y c o m p 技术的基本原理，首先介绍c o m p 技术的四种应用环境， 然后给出两种c o m p 技术的具体实现方案，由于网络拓扑结构的差异性，不同网络 拓扑结构下的c o m p 技术所采用的方案不同，在本章的最后给出了四种应用环境与 两种c o m p 技术方案的对应关系。 第三章首先介绍l t e a 中的帧结构，由于c o 技术的引入，在j p 和c b 方案具 体实施上需要对协作小区的时频资源和传输策略进行调度，从而达到对用户进行 协作传输的目的。而c o m p 的调度分为资源的调度和小区选择，因此，本章后面的 内容着重介绍了c o m p 技术的资源分配方案和小区选择方案。 第四章首先介绍了一种联合网络编码的c o m p 技术方案，主要从干扰抑制和接 收端误码率两个方面对这种技术方案进行分析。由于引入了网络编码技术，通过 对四方案的预编码方式进行改进，可以达到较好的干扰抑制效果，从而提高整个 系统容量。本章最后给出了一种基于软信息合并的t u r b o 译码方案，这种方案可以 将干扰作为有用信息，通过与网络编码后信息的处理，可以得到更为准确的先验 信息，从而达到较好的译码性能。 最后，在第五章对全文进行总结和展望。 第二章c o m p 技术5 第二章c o m p 技术 本章主要介绍c o m p 的基本技术。首先介绍了c o m p 技术的基本概念；接着 给出了现阶段的c o m p 具体的实现方案卵和c b ，并简要介绍了在相应实现方案 下的预编码技术；最后，介绍了c o m p 技术应用的四种基本环境，并给出了方案 j p 和c b 两种方案与四种应用环境的对应关系。 2 1c o m p 技术概述 c o m p 技术是指协调的多点发射接收技术，这里的多点是指地理上分离的多个 天线接入点，如图2 1 所示，它是利用光纤连接的天线站点协同工作来为用户提供 服务，相邻的几个天线站或节点同时为一个用户服务，从而提高了用户的数据率。 c o m p 的一个重要作用是通过多个小区的合作，来减小小区间的干扰，所以 c o m p 技术研究的重点问题是如何选择协作小区以及小区间如何协作。这样，被选 择的各个基站协同为用户服务，相邻的几个基站或节点同时为一个用户服务，从 而在获得空间复用增益的同时提高频谱效率。由于目前网络拓扑结构的多样化， 因此，在不同的网络拓扑环境中，如何在地理上分离的站点之间进行空间、时间 和频率资源的调度，来满足小区中心和边缘的高吞吐量和其它的潜在需求，将是 c o m p 中一个重要的议题。 图2 1 协作多点通信系统示意图 c o m p 技术通过移动网络中多节点( 基站、用户、中继节点等) 的协作传输， 解决了现有移动蜂窝单跳网络中的单小区单站点传输对系统频谱效率的限制，更 好地克服了小区间干扰，提高了无线频谱传输效率，提升了系统的平均和边缘吞 吐量，进一步扩大了小区的覆盖。为了达到这些优点，需要用户向基站反馈比较 6 l t e - a 中的c o m p 技术研究 正确的信道状态信息 6 1 。 由于e n o d e b 之间的c o m p 技术采用x 2 接口进行有线传输，e n o d e b 与r e l a y 之 间的c o m p 技术采用空口进行无线传输，这些信道信息可以正确的在基站间共享， 根据这个思路，文献【7 】给出了一种简单的低复杂度的c o m p 实现方案。文献【8 】给 出了一个c o m p 算法的基本模型以及相应的仿真结果。 目前，传统网络拓扑结构的主要问题是小区间的结合部存在着干扰和覆盖质 量下降的问题，从而导致终端在小区切换部位的性能较差。而c o m p 可以使几个小 区同时对小区结合部进行覆盖，这样就可以提高小区边缘的通信质量。在半分布 式通信系统中，可以采用集中控制的分布式天线，在这样的条件下，c o m p 技术 较易于实现。在c o m p 系统中，通过一个e n o d e b 使几个传输点相互联系，每个传 输点可能包含一个或多个天线【9 】，通过相同或不同的e n o d e b 的一个或多个传输点， 多个用户可以同时得到服务。 由于目前网络结构的多样性和差异性，对于c o m p 技术的应用应该根据具体的 使用环境和不同的网络拓扑，采用不同的传输模式来对应不同的c o m p 应用方式 2 2 多点联合传输 多点联合处理( j o i n tp r o c e s s i n g t r a n s m i s s i o n ，简称j p j t ) c o m p 的原理如图2 2 所示，通过对多个小区进行联合预处理，并给目标u e 传输相同的信息，从而在提 高了接收信号的质量的同时，减小了对其它用户的干扰。在j p c o m p 中，单用户 的数据是从多个传输节点同时传输的，也就是说，在联合处理或者联合传输中： 信道信息( c s i ：c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) 和用户数据需要在各传输点( 参与 c o m p 操作的节点) 之间共享。 图2 2j p - c o l v l p 各传输点向用户发送数据的方式可以分为联合传输和动态小区选择两种方案： 联合传输方案：各个传输点采用相干或非相干方式，同时向用户发送数据，各 第二章c o m p 技术 7 传输点对u e 可以是透明的，也可以是非透明的。 动态小区选择：同一时间只有一个传输点在向用户发送数据，但是某时间段内 为用户服务的传输点是动态调整的，传输点对于用户可以是透明或者非透明的。 这里透明是指用户完全了解所有传输点的信息。 2 2 1j p 系统模型 对于一个多小区的l t e 系统的下行网络，每个小区有3 个扇区，每个扇区配 置f 根发射天线，移动台配置，根接收天线，第f 个用户所接收的独立数据为 r j ( 1 ( 2 - 4 ) 8l t e a 中的c o m p 技术研究 其中最。表示第k 个用户，在第f 根接收天线上的信号平均功率，根据衰 落信道的定义，最j p x 。p x a ，其中3 是路径衰落系数，口为阴影衰落系 数。设为第k 用户的预编码矩阵，则基站发出的数据流为： r s = 取 ( 2 - 5 ) k = l 其中q 为第j j 个用户传输的数据流。则第k 个用户的接收向量为： 羔 r k = h k 么+ n ( 2 - 6 ) k = l 对于预编码的设计方法就是直接根据反馈的h 矩阵进行设计，在t d d 模 式下，可以利用信道的互易性，通过上行信道的s r s ( s o u n d i n gr e f e r e n c es i g n a l ) 来直接进行估计，在f d d 模式下，可以通过迫零波束成型( z f ，z e r of o r c i n g a l g o r i t h m ) 以及块对角化( b d ，b l o c kd i a g o n a l i z a t i o n ) 的方法来计算预编码矩阵， 下边分别介绍两种算法的基本思路。 2 2 2 1 迫零波束成型( z f ) 算法 z f 波束成型算法【1 4 】可以通过信道矩阵日的伪逆形式来引入完整的对角化形 式，根据文献 1 3 】中给出的算法，可以设传输数据为d ，预编码矩阵 形= h ( h h 日) 一，则通过预编码后的数据信息x = h ( h h ) d ，由于伪逆矩阵 的每- - y d 都可以映射到m ，个天线的上，因此，接收向量可以表示为： y = h x + n = h h ( h h 日) 一1 + 刀= d + 聆( 2 7 ) 由于以上原理，可以将上文中的预编码矩阵表示为= 吼日( 巩吼日) 。三，其 中l 矩阵主要是保证发射功率归一化，即l = d i a g 1 i ，1 2 ，k 以】，这里 1 l k = ，：i _ 一，由此可以得到h w 是一个对角矩阵，即表示包括多天线 【( 以风日) 。1 如( ” 用户自身内部干扰在内的所有干扰被完全消除。但是，对于多接收天线的用户需 要处理多天线接收信号，导致采用z f 波束成型的方法不是最理想的，所以，块对 角化的方法的提出可以改善这种情况。 2 2 2 2 块对角化算法( b d ) 块对角化( b d ) 算法要求每一个终端都采用多天线接收，而这种算法是一种次 第二章c o m p 技术 9 优的解决方案，b d 方法可以消除组内所有用户间的干扰。b d 算法采用满足 e 髟= o ( f ) 的预编码矩阵，即表示除用户自身以外的所有用户的干扰都将被消 除。假设疗，是除了用户f 以外其他所有用户的信道矩阵，则詹，可以表示为： 日产【h i ，h 2 ，凰- l ，e + l ，h r 】( 2 - 8 ) 曰，的奇异值分解( s v d ，s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ) 为- 疗，= 。， 吕 矿，南 矿t ) ( 2 - 9 ， 其中上标胃表示h e r m i t 转置，o r ，是一个以疗，的奇异值为对角线元素的对角矩 阵，维度等于疗，的秩。矿，1 是非零奇异值对应的向量组成的矩阵，矿。o 是由零奇 异值对应的奇异向量组成的。并且，矿，o 是曰，的零空间的一组正交基。 用户f 的数据流不应该大于办o 的列数，因此，可以选择矿，( o 的相应列作为用 户f 的b d 预编码矩阵： 形： ，畋】：【痧，( ，多：( ，步k ( 。】 文献【4 3 】中还给出了一种基于b d + s v d 算法的预编码设计方法， 块对角化方法的变形。 2 3 协同波束赋型( c s c b ) ( 2 一l o ) 这种方法是一种 在协同波束赋型( ( c s c b ) ，c o o r d i n a t e ds c h e d u l i n g b e a m f o r m i n g ) c o m p 模式 中，瞬时传输给单个用户的数据是来自单个传输点，并且其调度决定是联合操作 的，如图2 3 。用户的数据由一个基站传送，通过协调调度来控制协作小区间的干 扰。也就是说，对于一个用户来讲，用户数据并不被多重传输，而信道相关信息 是在不同小区间共享的。具体来讲，与参与协作的c o m p 各节点共享c s i 信息，这 就要求用户反馈信道状态信息n 副，用户数据只存在于该用户的服务e n b 。通过在各 传输点之间进行协作调度或者波束赋形以降低各传输点覆盖重叠区域的用户间干 扰。从本质上说，这种方式属于干扰避免或干扰协调，它可以减小干扰的方式提 高用户的接收信号质量，进而提高其数据速率等各项性能。 从图2 6 中我们可以看出，在同一时刻，只有一个服务小区对用户进行服务， 因此通过c s c b 方法调度可以控制c o m p 传输点在用户处的干扰。假设有m 个小 区作为c o m p 的协作集，则在c s c b 模式下终端u e 的接收信号为： 段= 剧吲以+ 日? 町靠+ 体 ( 2 - 1 1 ) 其中日：和暇分别是信道和预编码矩阵，同理采用m m s e 方法进行信号 检测时得到的接收信号为： 1 0 l t e - a 中的c o m p 技术研究 m y i = g y 七= g 研昭以+ g h ? w 2 x 聊+ g n i ( 2 - 1 2 ) 由公式( 2 1 2 ) 中可以看出等式的第二部分为相关的小区间的干扰，对于 c s c b 方法就是通过选择预编码方案尽可能的减小这样的干扰。而对于c b 来讲，具体的预编码方案可以参考上节中所采用的预编码方案。 图2 3c s - c o m p 2 4c o m p 的应用环境 c o m p 的应用环境根据网络结构的不同可以划分为同构网和异构网两种结构， 对于每种网络结构又可分为小区内( i n t r a - e n b )c o 和小区间( i n t e r - e n b c o m p ) 【5 】o 根据以上的分类，c o m p 的应用环境主要分为以下四种情况【l o 】： 1 ) 同类宏小区部署c o m p 同类宏小区部署属于小区内的同构网部署方案，这种部署的覆盖面很大，可 以覆盖整个乡村或者城市。相应的天线部署在已经存在的建筑上，如大厦的顶端。 并且采用大功率基站进行信号的传输。 对于小区间的c o m p ，基站间的数据传输通常利用x 2 接口进行传输，而通过 x 2 接口传输的信息会根据协作方案中采用技术的不同而不同。 2 ) 采用大功率r r h 的同类小区部署 采用大功率r r h 的同类小区部署属于小区间的同构网部署方案，这种部署方 案类似于第一种方案，只是每一个基站都会连接一个r r h ( 图2 5 ) ，它们之间的 链路质量非常好，通常使用的是光纤，且采用无线射频前端的部署，即用r r h 进 第二章c o m p 技术 行信号的传输。 内c o - 俨 图2 5 应用环境2 + 3 ) 采用低功率r r h 部署的异构网络( 不同小区i d ) 采用低功率r r h 部署的异构网络属于小区内的异构网部署方案。这种部署方 案中的r r h s 有不同的小区i d 3 1 1 ，它的结构很类似于异构网中的m a c r o p i c o 部署 ( 如图2 6 ) ，由于采用了不同的网络部署，以及对不同小区i d 的r r h s 的使用， 在数据协作传输中会产生很大干扰，而且干扰的构成也很复杂。所以，这种方案 下的干扰抑制是非常重要的。 图2 6 应用环境3 4 ) 采用低功率r r h 部署的网络( 相同小区i d ) 采用低功率r r i - i 部署的网络属于小区间的异构网部署方案。这种部署方案包 1 2 l t e a 中的c o m p 技术研究 括低功率的r r h s 3 3 1 ，并且所有的r r h s 都拥有相同的小区i d ，所以它可以分为 两类：一种是部署有低功率r r h 和高功率宏小区的异构网结构，如图2 6 所示。 一种是部署有低功率r r h s 的同构网络，如图2 7 所示。 图2 7 低功率r r h 的同构网络 在这四种应用环境中，随着移动业务的增长，用户对数据业务的需求越来越 大，并且对于人流密度大，业务需求量大的热点地区，第三种和第四种应用环境 中的网络部署有很大的实际意义，是目前的研究热点。对于上述给定的四种应用 环境下对应的c o m p 技术如表2 1 所示， 表2 1 对应于四种应用环境的c o m p 选择 应用环境1应用环境2应用环境3应用环境4 网络部署同构网同构网异构网异构网 宏小区和微小区宏小区和微小区 传输网络宏小区宏小区和r r h ( c e l li d 相同)( c e l li d 不同) 协作范围小区内小区间小区间小区间 传输能力传输能力有限 回程链路传输能力强传输能力有限 强( 传输能力强) 下行c o m p 方 案 j pj pj p ( c b ) c b 2 5 本章小结 本章主要介绍了c o m p 的基本概念，即协同多点传输的概念。接着给出了两种 基本的c o m p 应用方案，即多点联合处理( j p ) 和协同波束赋型( c s c 8 ) ，以及在这 两种应用方案下的预编码技术。最后给出c o m p 技术具体应用的四种环境，分别 第二章c o m p 技术 1 3 是同构网宏小区部署，同构网的r r h 部署，异构网的低功率r r h 部署( 不同小区 i d ) ，异构网的r r h 部署( 相同小区i d ) 。 第三章c o m p 的调度模式1 5 第三章c o m p 的调度模式 本章首先介绍了两种资源调度的方式，即分散调度和中心调度。然后给出了 一种低复杂度的协作小区选择算法，并进行了仿真分析。最后以中心调度为例， 详细阐述了j p 和c b 模式下的中心调度流程。 3 1c o m p 中调度模式概述 在c o m p 系统中，需要多个小区对多个用户进行协作传输，因此，小区间和 用户之间的调度需要进行合理的设计才能满足相应的传输要求。 c o m p 中的调度主要包括边缘用户的选择，小区选择，协作基站之间的调度以 及用户调度，具体调度按照下述流程进行： 1 边缘用户确定：即确定需要协作的用户，一般是根据用户接收到的信号的 信干噪比( s i n r ) 来判断用户是否为边缘用户，判断标准如下： s i n r 卢( 3 - 1 ) 当用户的接收信号s i n r 满足( 3 1 ) 时认为该用户是小区边缘用户，反之，为小 区中心用户。口是系统预设的s i n r 门限值。 2 协作小区选择：即用户根据相应的算法，如最大化信干噪比等方法选择最 好的协作小区集合作为自己的服务小区。 3 用户调度：确定相应的协作集合后，通过对用户的调度接入基站，具体的 算法有r o u n dr o b i n 算法、最大化信噪比算法、比例公平性算法等。根据这些算法 可以使基站以不同的优先级对用户进行服务。 4 协作基站间的调度：采用c o m p 技术对用户进行协作传输时，协作基站之 间需要共享和交换用户的信道信息以及数据信息，所采用的调度算法有中心调度 和分散调度。 3 1 1 基站端的调度方法概述 对于c o m p 多小区之间的传输协作，需要相邻小区尽量避免在同一时频资源上 调度同一天线方向的用户，防止不同小区间的干扰。由此，文献 1 0 】给出了两种调 度方案，即中心调度( c e n t r a l i z e ds c h e d u l i n g ) 和分散调度( d i s t r i b u t e ds c h e d u l i n g ) b s o 如图3 1 所示，一个宏小区内有三个微小区，在这种部署方案下的分散调度方 案就是各个传输点独自服务各自的用户，并且各个微小区间只需要交换少量的协 作信息( 通常利用x 2 接口进行信息交换) ，因此，在这种调度方式下，这种方案 1 6 l t e a 中的c o m p 技术研究 对回程链路的质量要求不高。每个协作点独立的传输各自的协作信息，并且选择 各自的波束成型向量【1 9 1 。 图3 1 分散调度模型 图3 2 中心调度模式 对于中心调度而言，这种方案要求网络中有一个中心调度单元，可以联合调 度并且决定所用协作点的波束赋型方案，并对其他基站进行统一调度。对于单小 区情况，小区基站可以作为一个中心处理单元，由于天线扇区的划分，可以将小 区划分为3 个子小区c e l l l ，c e l l 2 和c e l l 3 ，如图3 2 所示。 由于回程链路质量的提高，小区间的情况可以考虑以一个基站作为中心基站、 作为总体的调度和控制中心，这样就可以简化其他协作传输点的处理复杂度，并 且由中心基站统一调度，可以控制其他传输点更好的为用户进行协作传输。 第三章c o m p 的调度模式 1 7 3 1 2 小区选择算法概述 由于小区选择算法决定了基站间调度的复杂度，因此，在基站调度之前必须 进行小区选择，确定出c o m p 技术的协作小区集合，。具体的算法有： 1 基于s 1 n r 的小区选择算法：这种算法的基本过程是小区中的用户根据检测 到的最好的信干噪比来进行初始化，用户按照s 1 n r 的优先级来向基站发送服务请 求，然后基站对其进行服务。这种算法只是根据瞬时的信道质量来选择信号最好 的小区作为服务小区。 2 基于中断率的小区选择算法，这种算法的核心是每个用户都选择中断率较 小的小区为自己服务，是自己的中断率达到最低。 本文主要考虑基于s i n r 的小区选择方法，它又可以分为单用户和多用户的小 区选择方法，具体的实现方法在本章的3 2 小节和3 3 小节中分别给出。 3 2 单用户c o m p 的小区选择算法 在上一节中主要讨论了c o m p 调度算法基本流程，而如何确定参与协作的基站 数目，这就需要相应的小区选择算法。因此，本节主要将最大化信干噪比方法应 用到小区边缘用户，在给定协作集大小的情况下讨论一种简单的小区选择方式， 本节给出的是单用户c o m p 的小区选择算法，在下一节中将讨论由单用户的情况 推广到多用户c o m p 情况。 由于c o m p 技术主要用于提高小区边缘用户的服务质量，并且需要确定相应的 协作小区集合，可以先根据公式( 3 1 ) 判断用户是否为边缘用户。以单用户c o m p 为 例，假设固定三个扇区为协作小区，即在一个资源块上，3 个扇区的基站通过相互 协作向同一个小区边缘用户传输数据。 对于蜂窝网结构，确定协作小区的数目对于系统的复杂度有很大的影响，为了 降低c o m p 系统的复杂度，在这里固定小区协作集大小为3 ，即参与协作传输的小 区数目为3 。因此，对于单用户c o 御，这里给出一种确定协作小区的方法：首先， 先确定用户为小区边缘用户根据公式( 3 1 ) ，并且将用户小区根据天线方向将小区 分为3 等份，并考虑中心小区为a 扇区，基站间用光纤进行连接，如图3 3 。由于 采用了方向天线，为了简化计算步骤，在这里假设天线方向不同且与a 小区没有 重复覆盖面积的扇区对a 扇区的干扰为零并且不参与协作，只考虑与a 扇区天线 覆盖面积重叠的扇区之间的干扰，即扇区 a l ，a t 。根据用户所在的扇区确定与 之相邻的小区作为c o m p 协作的测量集，当用户在a 扇区时，小区 l ，6 ) 将作为 中心小区的c o m p 测量集。然后根据选定的测量集合通过采用最大化信干噪比 ( m a x c i ) f 2 i 】方法确定c o m p 的协作集合，由于只考虑协作集为3 小区的情况，因此， 对于图3 9 中用户而言，协作小区的候选集合大小为k 。 1 8 l t e a 中的c o m p 技术研究 图3 3 协作小区的选择 对于c o m p 中心调度而言，主要目的是使协作小区集合内的容量最大，因此， 根据最大化信干噪比的原理，根据用户反馈的与三个小区通信的信道状态，利用 下式计算第k ( j = l ，k ) 个c o m p 测量集合的信干噪比，其中七，k k ，k k “ 姗t = 砸彳 b 2 ) 下面以测量集 a ，a l ，a 2 ) ， a ，a 3 ，a 4 ) 为例，具体介绍小区选择的步骤，设 风= 【h ah a 。，吃：】为中心小区即a 扇区在协作集 a ，a l ，a 2 情况下的信道矩阵， h 2 = 【h ah 口3 ，h o 。】为在协作集 a ，a 3 ，a 4 ) 情况下的信道矩阵， 为噪声。 根据公式( 3 2 ) 计算得到的c o m p 测量集合的s i n r 值，计算第k 个测量集的容 量为， c k = l 0 9 2 ( 1 + s i n r 女) ( 3 - 3 ) 选择m a xc 女= l o g ：( 1 + s i n r k ) ，最大容量所对应的集合作为c o m p 的协作集合。 对于确定好的c o m p 测量集，则可以通过预编码方案y = i v 。，v ：，v ，】- 【办，0 ，o 】得到 用户在接受端接收到的向量：y = n v x + 砌，h ( h = 吼，k = 1 或者2 ) 为确定的c o m p 协作集合的传输矩阵，因此，公式( 3 2 ) 也可以写为： s i n rt = 砸寿鞔而c 3 q 对于其他候选集合的情况，具体的计算步骤与上述算法相同，最终选择一个候 选集合里容量最大的集合为协作集合。 第三章c o m p 的调度模式 1 9 3 3 多用户c o m p 的小区选择算法 在c o m pm u m i m o ( m u l t i u s e rm u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t