（通信与信息系统专业论文）lteadvanced系统协作多点传输技术的功率分配研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 伴随着网络扁平化的趋势，下一代无线接入网逐渐向分布式方向发展，基站 之间以协作方式进行无线资源优化配置来提高频谱效率。针对多小区系统性能往 往严重受限于邻近小区其他用户干扰的问题，l t e a 系统引入了协作多点传输技 术，研究协作多点传输的功率分配对解决干扰问题具有十分重要的意义。 本文采用迫零传输和脏纸迫零传输两种预编码方案，分别以用户平均速率最 大和最大公平性为优化目标，以限制每个基站的功率为约束，对协作多点传输的 功率分配进行研究。 首先以用户平均速率最大化为优化目标，以限制每个基站的功率为约束，建 立优化模型。文中研究了一种最优功率分配算法，由于该算法的求解比较复杂， 因此，本文给出了两种次优的改进算法。第一种次优的改进算法是假定用户的符 号功率一样，使几个基站为各个用户分配功率的最小值作为用户的功率；第二种 次优的改进算法是在多小区系统总功率限制的基础上进行功率优化。通过性能分 析，虽然两种次优算法性能稍差于最优功率分配算法，但从复杂度的角度来说， 两种改进算法的复杂度较最优功率分配算法的复杂度低，因此两种改进算法具有 一定的研究意义。 其次，在实际应用中，仅仅考虑速率最大并不能保证用户的公平性，因此有 必要以公平性为优化目标来研究。传统方法以最大化最小速率为优化目标，而本 文以m a x m i ns n r 和m i n m a x 发射功率为优化目标，建立两种优化模型，研究协 作多点传输的功率分配。通过与等功率分配算法( 假定用户的符号功率一样) 进 行性能比较，得出结论：基于m a x m i ns n r 的功率分配可以改善系统中速率比较 低的用户性能；在满足用户最低信噪比需求时，基于m i n m a x 发射功率的功率分 配方案明显比等功率分配方案消耗的发射功率要小，能有效节省基站发射功率。 因此，本文建立的两种优化模型具有一定的研究意义。 关键词：协作多点传输，预编码，功率分配，凸优化 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h en e x tg e n e r a t i o nr a d i oa c c e s sn e t w o r k ( 删i se v o l v i n gi nad i s t r i b u t e d s t y l ea l o n gw i t hn e t w o r ka r c h i t e c t u r eg e t t i n gf l a t b a s es t a t i o n si nt h en e x tg e n e r a t i o n r a nc o o p e r a t i v e l yo p t i m i z et h er a d i or e s o u r c ea l l o c a t i o nt oi m p r o v et h es p e c t r a l e f f i c i e n c y l t e - ai n t r o d u c e 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 ) t r a n s m i s s i o n r e c e p t i o n t e c h n o l o g yt os o l v et h ep r o b l e mo ff r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c e s s ( o f d m a ) i nl t es y s t e ml e a d i n gt ot h ec e l le d g eu s e r si n t e r f e r e n c es e r i o u s l y t h er e s e a r c hi n p o w e ra l l o c a t i o no f c o m ph a sg r e a ts i g n i f i c a n c et os o l v et h ei n t e r f e r e n c ep r o b l e m t h i sp a p e ru s e sz e r o - f o r c i n ga n dz e r o f o r c i n gd i r t yp a p e rp r e c o d i n gt os t u d yo n p o w e ra l l o c a t i o no fc o m p , w i t ht h eo p t i m i z a t i o ng o a lo f m a x i m i z et h ea v e r a g er a t ea n d m a x i m u mf a i m e s s ，l i m i t i n gt h ep o w e ro fe a c hb a s es t a t i o n ，r e s p e c t i v e l y t h i sp a p e rf i r s t l yb u i l d st h es y s t e mm o d e lo fc o m p , w i t ht h eo p t i m i z a t i o ng o a lo f m a x i m i z et h ea v e r a g er a t e ，t ot h ec o n s t r a i n t so fl i m i t i n gt h ep o w e ro fe a c hb a s e s t a t i o n ，t os t u d yo nt h eo p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m a st h eo p t i m a lp o w e r a l l o c a t i o na l g o r i t h mi sr a t h e rc o m p l i c a t e d ，i no r d e rt os i m p l i f yt h ea l g o r i t h m ，t h i sp a p e r p r e s e n t st w os u b - o p t i m a la l g o r i t h m s t h ef i r s ts u b o p t i m a la l g o r i t h ma s s u m e st h a tt h e u s e r t ss y m b o lp o w e re q u a l ，m a k i n gm i n i l n u l t lp o w e ro fb a s es t a t i o n sf o re a c hu s e ra st h e n s e r sp o w e r t h es e c o n ds u b o p t i m a la l g o r i t h mi st h et o t a lp o w e ri nam u l t i c e l ls y s t e m b a s e do nt h eo p t i m i z a t i o nc o n s t r a i n t s b ya n a l y z i n gp e r f o r m a n c e ，a l t h o u g ht h eo p t i m a l p o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m i s s u p e r i o r t o s u b o p t i m a la l g o r i t h m s ，b u t f r o mt h e p e r s p e c t i v eo fc o m p l e x i t y , s u b o p t i m a la l g o r i t h m sc o m p l e x i t y i sl o w , s ot h er e s e a r c ho f t w os u b o p t i m a la l g o r i t h m sh a v ec e r t a i np r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e h o w e v e r , t h eu s e rf a i m e s sc a l ln o tb eg u a r a n t e e di ft h eo p t i m a lt o t a lc a p a c i t yi s o n l yc o n s i d e r e di np r a c t i c e t h i sp a p e re s t a b l i s h st w ok i n d so fo p t i m i z a t i o nm o d e lt o s t u d yo nt h ep o w e ra l l o c a t i o no fc o m p , o n e i sm a x - m i ns n ra n dt h eo t h e ri sm i n m a x t r a n s m i s s i o np o w e r c o m p a r e dt oe q u a lp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m ( a s s u m i n gt h eu s e r s s y m b o lp o w e ro ft h es a m e ) ，c o n c l u d e dt h a t ：p o w e ra l l o c a t i o no f m a x m i ns n rc a n i m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo ft h eu s e ro fr e l a t i v e l yl o wr a t e ；f o rt h es a m es n rt h r e s h o l d ， t r a n s m i t t e rp o w e rc o n s u m p t i o no fp o w e ra l l o c a t i o no fm i n m a xt r a n s m i tp o w e rt h a nt h e i ss m a l l e r , s ob st r a n s m i tp o w e rc a nb es a v e ds a v e d t h e r e f o r e ，t h i so p t i m i z a t i o n m o d e l se s t a b l i s h e di np a p e rh a v eac e r t a i ns i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：c o o r d i n a t e dm u l t i - p o i n t ，p r e c o d i n g ，p o w e ra l l o c a t i o n ，c o n v e xo p t i m i z a t i o n h 重庆邮电大学硕士论文 缩略语 l t e i t u 3 g p p m m o c c i i c i u m t s o f d m c o n 口 c s c b 职| n m u m 【m o d p c z f m m s e b d v m i m o r s c s i g p g g p k n g r i c i c q o s s 腿 e n b r a r q r a p s i 删 缩略语 l o n gt e r me v o l u t i o n i n t e m a t i o nt e l e c o m m u n i c a t i o nu i l i o n t h e3 r dg 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 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 c o c h a n n e li n t e r f e r e n c e i n t e rc e l li n t e r f e r e n c e u i l i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m 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 c o o r d i n a t e dm u l t i p o i n t 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 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 m u l t i p l eu s e rm m o d i r t yp a p e rc o d i n g z e r of o r c i n g m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r b l o c kd i a 9 0 n a l i z a t i o n v i r t u a lm 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 r e l a ys t a t i o n c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n g e o m e t r i cp r o g r a m m i n g g e n e r a l i z e dg e o m e t r i cp r o g r a m a d d i t i v e 、v l l i t eg a u s s i a nn o i s e i n t e rc e l li n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o n q u a l i t yo fs e r v i c e s i g n a li n t e r f e r e n c en o i s er a t i o e v o l v e dn o d eb h y b r i d a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t r a d i oa c c e s sp o i n t s r a d i or e m o t eu n i t v 长期演进 国际电信联盟 第三代合作伙伴 多输入多输出 同频干扰 小区间干扰 通用移动通信系统 正交频分复用 协作多点传输 协作调调度波束成形 联合处理传输 多用户m m o 脏纸编码 迫零 最小均方误差 块对角化 虚拟多输入多输出 中继站 信道状态信息 几何规划 广义几何规划 白噪声 小区间干扰协调 服务质量 信干噪比 演进型n o d e b 混合自动重传 无线接入点 无线远端单元 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 长期演进( l t e ，l o n gt e r me v o l u t i o n ) 俗称3 9 g ，是3 g 向4 g 演进的主流技术。 以l t e 为代表的3 g 演进型系统实现了移动通信在3 g 之后的一次阶段性变革。l t e 网络架构已经在通用移动通信系统( u m t s ，u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 网络架构的基础上向全p 扁平化方向前进了一大步，但是面对未来的应用 发展趋势，仍然需要一个高效的网络架构为用户提供高速的宽带接入体验。随着 l t e 系统的迅速发展，2 0 0 8 年初，国际电信联盟( i t u ，i n t e m a t i o n t e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 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。为了 满足i m t - a 的要求，第三代合作伙伴( 3 g p p ，t h e3 r dg 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 ) 逐步开展了l t e a 系统相关技术的研究工作。为了加快l t e a 系统的发展，3 g p p 明确提出了l t e a 系统的关键技术指标【l 】。2 0 0 8 年6 月，3 g p p 完成了l t e a 的 技术需求报告【z 】。 现有蜂窝网络是以蜂窝小区为单位，极大提高了移动通信系统容量，随着移 动用户的增多，蜂窝式网络越来越不能满足广大用户的需求。多输入多输出( m 蹦o ， m u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ) 无线通信系统可以很好的解决容量和传输速率方面 的问题，在不增加发射功率和带宽情况下，能明显提高系统容量和频谱效率，是 新一代移动通信系统的关键技术。在m i m o 系统多小区组网情况下，由于每个天 线都是干扰源，性能往往会严重受限于相邻小区用户的同频干扰( c c i ，c o c h a n n e l i n t e r f e r e n c e ) 【3 】【4 1 ，致使m i m o 吞吐量锐减和用户性能恶化。在多小区环境中研究 如何抑制或降低区间干扰( i c i ，i n t e r c e l li n t e r f e r e n c e ) 的方法具有重要的理论与应 用价值【5 】。l t e 系统基于正交频分复用( o f d m ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) ，为了保证频谱效率，小区间采用同频组网模式，然而以蜂窝为单位 的无线资源配置模式，实现了小区内完全正交的信道，极大地消除了同小区干扰， 但是会给小区之间带来干扰，并导致小区边缘用户的性能急剧恶化。 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，l t e a 系统 中引入了协作多点传输技术( c o m p , c o o r d i n a t e dm u l t i - p o i n t ) 技术。c o m p 技术可 以在多个小区之间共享信道状态信息和数据信息，并在这些信息的基础上优化多 个小区的整体系统性能，相比于在单小区基础上确定传输方案的l t e 系统，能有 效改善小区边缘用户的性能。 协作多点传输实际上是对传统单基站m i m o 技术的一个补充和扩展。在协作 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 多点传输里，基站之间通过光纤等连接起来，利用多个小区的发射天线协作传输 来实现小区边缘用户无线链路的较高容量和可靠传输，可以突破现有系统中单点 非协作传输模式对频谱效率的限制，有效解决小区边缘干扰问题。c o m p 的基础是 将传统的“一个蜂窝多个终端 的系统结构变成“多个蜂窝多个终端”的网 络拓扑，将一个小区边缘终端将变成几个邻近小区的中心区域的终端。 协作多点传输技术是l t e a 系统的一个关键技术，也是一个研究热点。无线 资源如功率和带宽都非常有限，因此，有效的资源分配是非常有必要的，功率分 配是一个很重要的课题，对解决干扰问题具有十分重要的意义。未来无线通信系 统基本上都是干扰受限系统，功率分配与系统的容量是紧密相关的。因此在各个 时隙、各个频段、各个业务，以及各个用户间合理的分配功率的重要性不言而喻， 特别是在b 3 g 、4 g 中功率分配更是关键技术。目前，有关协作多点传输的具体技 术基本上还处于提出想法阶段，很多具体的方案还有待进一步研究，这也使得本 课题具有很大的研究空间。 1 2 国内外研究现状 2 0 0 8 年，3 g p pr a n l 第5 3 次会议上提出了协作多点传输的概念，拟将c o m p 作为l t e a 的一种关键技术【6 1 。从提出协作多点传输的概念以来，协作多点传输的 研究已经引起国内外学术界以及各个通信公司和运营商的高度重视。目前，3 g p p 确定c o m p 技术的实现方案基本分为两类【7 】：协调调度波束成形和联合传输处理。 联合传输处理有两种模式：c o m p s u m i m o 和c o m p m u - m i m o 。 近几年，多小区协作系统【1 2 】。【2 0 】受到了广泛的关注。多小区系统中，通过多个 基站联合传输，对相邻小区的基站信号进行联合设计( 如预编码) ，将干扰转化为 增益，在理论上可以获得最佳性能，提高频谱效率。现在这方面的研究也是刚刚 起步，预编码是一种非常重要的预处理方式，通过对发射数据符号进行线性或非 线性变换，简化接收机处理和提高系统性能。预编码所获得的性能改善是以增加发 射机复杂度为代价，通常适用于移动通信下行链路【5 】。单小区系统中的预编码已经 取得了很大进展【9 】【1 0 】【l l 】，利用预编码解决多小区下行链路小区间干扰问题，是一 个比较新颖的想法【5 1 。目前多小区多用户系统的传输方案和功率分配是一个研究热 点。 文献【1 2 】提出协作多点传输中可以采用线性预编码如迫零( z f ，z e r of o r c i n g ) 、 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 ) 、最小均方误差( m m s e ，m i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o r ) ，也可以采用非线性预编码如脏纸编码( d p c ，d i r t yp a p e rc o d i n g ) 。 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 非线性的预编码方案可以实现很高的系统容量，其复杂度也是很高的，因此也可 以考虑z f 、m m s e 、b d 等线性预编码方案的性能【儿1 7 】。 协作多点传输中通过预编码对相邻基站信号进行联合设计之后，再进行功率 分配，大大降低了功率分配的复杂性。通过对大量文献的研究，多小区中的功率 分配问题，从功率受限的方式来看，主要有以下三类： 总功率受限：这是目前研究最多最成熟的一种功率受限方式，对于点到点 的通信系统，或者单小区下行系统中，一般考虑总发送功率受限。有一些比较简 单的功率分配算法( 如注水算法) 。文献 1 6 1 在多小区多用户m i m o 系统下行链路， 提出可以采用总功率限制的方法。 各个基站功率受限：对于多小区通信系统，通常各个基站独立供电，考虑 总功率受限已经没有了可行性，无论基站间是否存在协作联合发送，考虑限制每 个基站的发送总功率是更加符合实际的。特别是小区协作系统，如果不限制每个 基站的功率，将有可能导致小区间严重的干扰。文献 8 研究了协作多点传输中限 制每个基站的功率分配下的用户调度问题。文献【1 4 】研究了限制每个基站功率的最 优线性波束成形，提出了采用凸优化方法解决此类问题。另外有不少文献对各个 基站的功率限制进行了研究【1 6 1 1 2 1 】【2 2 】【3 7 】。 天线功率受限：对于分布式天线系统，由于各个天线的地理位置不同，往 往需要独立的射频，各自独立供电，这种情况下，考虑每个发送天线的功率受限 更为实际。文献 1 9 】考虑多小区协作系统中，每个天线功率约束下最大化加权和速 率，将多个基站看做是一个具有多个天线的大基站，类似一个m i m o 广播信道， 这个优化问题可看做是拉格朗日对偶问题。 根据研究功率分配侧重点的不同，从优化目标来说，主要有以下两种： 容量最大化：文献 1 5 最早提出了多小区协作传输方案，将多小区协作基 站等效为一个巨大的具有多个天线的基站，在系统平均功率约束条件下，基站联 合进行l q 分解。文献 1 6 】基于多小区多用户m i m o 系统下行链路，提出了可以采 用总功率限制或者每个基站的功率限制，给出了d p c 联合传输方案的速率上界。 文献 1 8 1 提出一种次优的迫零脏纸编码( d p cz f ) 方法，在系统平均功率的约束等 条件下，证明在高信噪比时可获取大的系统总速率。 公平性：文献 2 0 】在多小区系统中，在每个基站功率约束下，为体现公平 性采用晟大化最小速率优化，利用z f d p c 预编码传输得到了一个小区间协作达 到的最大化最小速率的上界。文献【2 1 】研究每个基站功率约束下m m s e 传输机设 计问题，考虑最小化s u m m s e 、最小化最大加权u s e r - m s e ，并转化为二次圆锥规 划实现。 任何一个优化目标和一个功率受限方式都可以组合成为一个优化问题，针对 3 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 不同的应用场景和目标可以建立不同的功率分配模型。上述研究方案针对功率分 配问题取得了不少研究成果，然而，由于协作多点传输中功率分配问题的复杂性， 仍有几个问题尚待进一步深入研究，包括： 单小区系统中一般是限制基站的总功率，多小区系统中，由于每个基站都 有自己的功率限制，那么就不能直接照搬单小区的一些结论和方法，需要一些新 的解决方法。如典型的功率分配算法注水算法只适用于总功率受限，对各个基站 功率受限的情况不再适用，需要采用凸优化方法解决。凸优化方法解决问题比较 复杂，如何降低复杂性也是有必要的。 协作多点传输中，仅仅考虑总容量的最优不能保证用户的公平性。需要对 公平性、中断概率等各方面性能进行分析评估，保证用户的服务质量( q o s ，q u a l i t y o f s e r v i c e ) ，目前这方面研究的比较少。 协作多点传输系统需要基站端知道精确的信道状态信息，现有文献大多是 假设基站可以获得完美的信道状态信息。然而，实际系统中的信道往往是非理想 的，由于信道估计算法、干扰反馈时延等因素影响，信道估计存在误差，往往只 能已知部分信道状态信息。因此在有限协作的场景中研究功率分配问题也是很有 必要的。 目前的研究主要是在单信道环境下的功率分配问题，由于l t e a 仍然采用 正交频分复用多址( o f d m a ，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 e s s ) 技 术，因此有必要扩展到o f d m 的情况。 1 3 本文的主要内容和结构安排 本论文关于协作多点传输技术的功率分配的研究课题来源于国家科技重大专 项( 2 0 0 8 z x 0 3 0 0 3 0 0 5 ) “i m t a d v a n c e d 新型无线网络技术研发 。由于协作多 点传输中联合处理传输技术对系统性能有较大提升，因此本文以联合处理传输技 术为背景，对其功率分配进行研究。主要研究内容如下： 文献【3 7 】提出了以最大化系统总速率为优化目标，在各个基站的功率约束限制 下的最优功率分配方法，然而用户的功率限制是相互联系的，需要用凸优化技术 来解决这种问题，比较复杂，因此，本文在最优功率分配算法的基础上给出了两 种次优的改进算法。通过仿真分析，次优算法性能虽然不及最优功率分配算法， 但是复杂度有所降低，因此本文所做工作也具有一定的意义。 另外，在实际应用中，仅仅考虑总容量的最优不能保证用户的公平性，文献 2 0 】 在多小区系统中，每个基站功率约束下，为了体现公平性采用了最大化最小速率。 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 目前比较传统的基于公平性的方法是以最大化最小速率为优化目标，本文建立了 两种不同的优化目标，即：m a x m i l ls n r 和m i n m a x 发射功率，研究协作多点传 输的功率分配。基于m a x m i ns n r 的功率分配可以改善系统中速率比较低的用户 性能；对于同一信噪比门限，基于m i n m a x 发射功率的功率分配，比等功率分配 方法消耗的发射功率要小。因此，本文建立的两种优化模型具有一定的研究意义。 本文分为六章，结构安排如下： 第一章：概述协作多点传输的研究背景、研究现状及内容安排。 第二章：首先介绍l t e a 的需求发展和关键技术，然后着重介绍协作多点传 输的原理和两种方案。 第三章：简单介绍了凸优化理论和几何规划理论，以及本文仿真使用到的两 个优化工具箱。 第四章：以迫零传输和脏纸迫零传输为预编码方案，研究协作多点传输基于 速率最大化的功率分配。本章研究了一种最优功率分配方案，考虑到最优功率分 配比较复杂，提出了两种次优的改进算法。 第五章：为了保证用户的公平性，基于迫零传输和基于脏纸迫零传输，建立 了基于m a x m i ns n r 和m i n - m a x 发射功率两种优化目标的模型，研究协作多点传 输的功率分配。本章的优化模型为非线性、非凸优化问题，但经模型转换后可采 用几何优化技术进行分析。 第六章：对论文进行总结与展望。 5 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e - a d v a n c e d 系统协作多点传输技术 第二章l t e a d v a n c e d 系统协作多点传输技术 在现行网络中，蜂窝小区边缘用户由于受多个基站的影响，产生严重的区间 干扰，链路质量相对来说比较差，吞吐量也比较低，因此，系统性能也比较差。 为了满足l t e a 的需求，在2 0 0 8 年，3 g p p r a n l 第5 3 次会议上提出了协作多点传 输的概念，拟将c o m p 传输作为l t e a 的一种传输方案【6 】。 从原理上来说，协作多点传输是对传统单基站m i m o 技术的一个补充和扩展。 基站之间可以通过高速回程链路连接起来，这样就有机会协作基站天线以减小区 间干扰，增加下行系统容量。c o m p 传输的基础是将传统的“一个蜂窝一多个终 端 的系统结构变成“多个蜂窝多个终端”的网络拓扑。c o m p 传输可以提高 l t e a 系统上行和下行小区边缘吞吐量和平均频谱效率，能有效解决小区间干扰。 2 1l t e a 的需求发展趋势 l t e 与3 g 技术在多址技术、空中接口及网络架构方面有所不同，l t e 已具有 比较明显的4 g 技术特征，它是新一代移动通信技术的技术基础。l t e a 是在l t e 基础上的后续演进。 2 1 1l t e a 的演进目标 l t e a 作为l t e 技术的演进，不但要能完全兼容l t e 技术，而且要有所增强。 下面给出l t e a 主要的演进目树弱】： l t e a 网络应能支持l t e 终端，l t e a 终端应该能够在l t e 网络中使用； l t e a 网络应该能够支持从宏蜂窝到室内环境( 如家庭网络) 的覆盖； 应该优先考虑到低速移动的用户； 应当进一步加强网络自适应和自优化功能； 在3 g p p 之前的各个版本中支持的功能都应当在l t e a 系统中有所体现，包 括与其他类型接入网的切换、网络共享等； 要降低网络建设的成本以及终端的复杂度： 在频谱方面，应当可以同时支持连续和不连续的频谱，支持最大不超过 1 0 0 m h z 的带宽，支持i t u 分配的无线频段，以及能与l t e 共享相同的频段； 在系统性能方面，要在规定时间内满足兀 u 对1 m t - a 技术的要求：下行峰值 速率能达3 01g b p s ，上行应超过5 0 0 m b p s ，最低天线配置要求为下行2 x 2 、 上行1 2 ，其他性能要不低于l t e 的标准。 显然l t e a 的性能预计不但远远超过l t e ，还能够满足甚至超过r r u 的要求。 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e a d v a n c e d 系统协作多点传输技术 2 1 2l t e a 的关键技术 l t e a 的关键技术包括载波聚合、中继、协作多点传输、增强型的上下行 m i m o 、家庭基站等【2 引。 载波聚合 目前l t e 支持最大2 0m h z 的系统带宽，可实现下行3 0 0 m b p s 、上行8 0m b p s 的 峰值速率。在i t u 关于i m t - a 的规划中，提出下行峰值速率为1 g b p s 、上行为5 0 0 m b p s 的目标，并将系统最大支持带宽不小于4 0 m h z 作为i m t - a 的技术要求之一，因此 需要对l t e 系统带宽作迸一步的完善。l t e a 采用载波聚合实现系统带宽的扩展。 对多个载波进行聚合有以下两种基本形式。图2 1 是对频段上连续的多个载波 进行聚合的情况，各个载波保持l t e 后向兼容的同时也实现了l t e a 全系统带宽的 扩展。图2 2 是对频段上非连续的多个载波进行聚合的情况。由于频谱规划和分配， 一个运营商拥有的频率资源可能分散在非连续的频段。非连续的载波聚合提供了 一个系统对分散频率资源进行整合利用的解决方案。另外，载波聚合中各个载波 的带宽并不限定为2 0m h z ，可支持更小的带宽以提供充分的灵活性。 图2 1连续载波的聚合 图2 2非连续载波的聚合 中继技术 中继技术是l t e a 系统的一项关键技术，通过灵活地部署一些节点，以无线的 方式与基站进行连接，把节点推到离用户最近的地方，从而达到改变用户速率的 目的。举个简单的例子，就是将基站与移动台的链路分割为基站与中继站( r s ，r e l a y s t a t i o n ) 和中继站和与移动台两条链路，有可能将一条质量较差的链路更换为两条 质量较好的链路，这样就有可能获得更好的链路质量和更高的传输效率。在l t e 层l 中继和层2 中继的基础上，l t e a 引入了一种新的中继方式，即层3 中继。 1 1 层l 中继：中继节点对物理信号进行简单的放大、转发，包括噪声在内。 层1 中继对信干噪比没有改善，优点是时延小、设备简单、成本较低。 2 ) 层2 中继：中继节点在m a c 层对接收的数据块进行解码、再编码、转发， 实质上是完成二层信号的解调和转发。这样有利于改善信干噪比，缺点是是时延 较大，系统的复杂度有所增加。 7 1 l l n 妙吣1舢n 妙 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e a d v a n c e d 系统协作多点传输技术 3 ) 层3 中继：主要是对所接收到的口数据包进行转发。与层2 中继类似，也 引入了时延，但不会放大噪声。不同的是层3 中继主要依靠s l 和x 2 信令，因此 在标准上不会引入新的节点或接口。 协作多点传输 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，l t e a 系统 中引入了协作多点传输技术，即c o m p 技术。为了满足l t e a 的需求，从r a n l # 5 3 会议就开始讨论物理层技术。r a n l # 5 4 会议上将c o m p 做为改善高速率覆盖、提 高小区边缘吞吐量和系统吞吐量的一种关键技术。 增强型的上下行m i m o 在l t e 的版本8 中，上行仅支持单天线的发送，不支持s u m i m o 。为了提 高上行吞吐量，满足ui m t - a 对上行峰值频谱效率的要求，l t e a 在l t e 的基 础上引人上行s u - m i m o ，目前确定将支持最多4 个发送天线。l t e 版本8 下行可 以支持最多4 个发送天线，l t e a 将对此进行扩展以进一步提高下行吞吐量，目 前确定扩展到支持最多8 个发送天线。同时，引入了很多优化机制，如虚拟m i m o 。 目前，在l t e a 的规范里面，下行采用8 x 8 ，上行采用4 x 4 。上行支持4 x 4 ，每个 子载波最高可以支持2 个传输载波。 家庭基站 3 g p p 已经对家庭基站( h o m en o d e b ) 进行了一些研究，但是家庭基站的应用仍 然给l t e a 的相关工作带来了定的挑战。这个挑战在很大程度上取决于家庭基站 的使用范围。如果只部署少量的家庭基站，可能对现有的系统影响不大，甚至也 不需要太多的标准化工作支撑，通过一定的自配置自优化机制就可以解决问题。 但是如果家庭基站是在大范围部署的话，那么就有可能对现有的系统会造成较大 的冲击。一方面，家庭基站部署密集，重叠覆盖会造成很强的干扰。另外，由于 家庭基站的所有权发生变化，运营商可能会丧失部分的网络规划、网络优化的控 制权，会加剧干扰控制和接入管理的难度【2 5 1 。因此，需要考虑采用更加有效的干 扰管理技术。另外，由于家庭基站的数量庞大，现有网络架构是否能支持如此多 的接e l ( s 1 接e l 和x 2 接口) ，也是要考虑的问题。 2 2 协作多点传输的介绍 2 2 1 协作多点传输的原理 在l t e a 标准的演进中，协作多点传输( c o m p ) 是- - 种重要的技术，它是对传 统单基站m i m o 技术的一个补充和扩展，主要是为解决小区边缘用户干扰问题而 提出的，对边缘用户干扰较强的多个小区，通过协调调度降低对小区边缘用户的 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e a d v a n c e d 系统协作多点传输技术 干扰，或通过联合传输提高小区边缘用户的接收功率，改善小区边缘用户感受【3 们， 从而达到提高系统容量、改善小区边缘的覆盖以及用户数据速率的目的。 协作多点传输的结构如图2 3 所示，多个不同的基站( b s ) 或者无线接入点 ( r a p s r a d i oa c c e s sp o i n t s ) 通过光纤连接在一个演进型n o d eb ( e n b ，e v o l v e d n o d eb ) 上，共同发射信号给用户，而每个r a p 可能包含一个或者多个天线。e n b 相当于一个中央处理器，由中央处理器完成联合预编码【3 2 1 ，中央处理单元通过联 合信号预编码来抑制用户间信号的干扰，以提高系统频谱效率和边缘用户的吞吐 量。假设基站通过中央处理器可以获取完全的信道状态信息和数据共享信息。基 站和中央处理器可以看做是一个更加高级的基站。这样，高级基站和用户之间的 下行协作多点传输信道可以视为一个多用户m i m o 信道。 ， 图2 3 协作多点传输系统结构图 因此，协作多点传输系统可视为一个单独的超级小区m i m o 系统，其核心思想 是用光纤将多个小区的基站连接起来，多个小区的发射天线协作传输构成虚拟多 输入多输出( v m i m o ，v i r t u a lm 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 ) ，各个基站由中央处理 单元进行统一调度或联合信号处理。 l t e 目前采用传统蜂窝小区的通信方式，不支持小区间的软切换，相邻小区通 过传输流量负载指示和过载指示协调相邻小区间的干扰水平，这是一种简单形式 的c o m p 技术。在l t e a 系统中，这种简单的多点协作技术已经不能满足系统性 9 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e a d v a n c e d 系统协作多点传输技术 能的要求，为了进步提高小区边缘的性能，系统必须传输更多的反馈，设计更 为复杂的控制信令，并使更多的信息在小区间交互使用。c o m p 技术的协作场景 有：小区间多个基站之间的协作和一个小区内多个传输节点之间的协作( 包括 e n b r e l a y 和r e l a y r e l a y 协作以及分布式天线等) 。 对上行c o m p 技术来说，一个用户终端发送的上行信号被多个接收节点接收。 一般来说，用户终端不需要知道信号是如何被基站接收和处理的，需要知道的是 与上行信号有关的下行信令是如何被提供的。上行c o m p 技术基本上不涉及标准 化，3 g p p 讨论的c o m p 技术也基本上局限于下行c o m p 技术。 2 2 2 协作多点传输技术的两种策略 根据数据信息是否在多个传输节点之间进行共享，下行c o m p 技术可以分为 以下两类【2 6 】：协调调度波束成形( 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 ) 和联合处理传输( 旧，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 ) 。 协调调度波束成形( c s c b ) 在协调调度波束成形中，所要传输的数据信息只能由服务小区所在的e n b 进 行发送，如何调度和如何进行波束赋形则是由协作小区的多个传输节点共同决定 的。即各个协作小区不能共享给特定终端的数据，只能共享不同小区之间的相关 信道状态信息( c s i ，c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) 。协调调度机制如图2 4 所示： il l- ： 接入点之间的协调调度 ： - j 图2 4 协调调度机制 协调调度波束成形的一种典型的方案是协调预编码方案。l t e 系统中，每 个用户终端仅仅反馈最优预编码矩阵，而不考虑其他小区的情况，就有可能导致 不同小区使用相同资源的终端之间的干扰较大。为降低小区间干扰，l t e a 系统可 以通过让各个用户终端反馈组预编码矩阵来提高系统性能。在这组预编码矩阵 中，不但包括使自己性能最优的预编码矩阵，而且还包括相邻小区推荐的使自己 干扰最小的预编码矩阵。多个小区彼此共享预编码矩阵集，通