（通信与信息系统专业论文）多点多用户协作ofdma系统的频偏补偿策略.pdf

摘要 摘要 协作o f d m a 系统具有扩大网络覆盖范围、提高边缘吞吐量以及保证边缘用户 服务质量等优点，所以成为新一代移动通信领域中的一个研究热点。由于多点多 用户协作o f d m a 系统中基站端到用户终端之间每条链路的频偏值不同，造成了 基站端或用户终端难以单独解决频偏补偿的问题。本文针对这一难题，提出基于 “最大容忍剩余误差限松弛”技术的收发联合频偏补偿的策略。具体研究工作主要包 括： ( 1 ) 首先介绍了与协作o f d m a 系统相关的技术并给出系统模型，然后通过 理论推导分析系统由时延和频偏引起的同步问题。 ( 2 ) 研究了该系统对载波频偏的要求，由理论推导和仿真分析得出每条链路 剩余载波频偏值的约束条件。 ( 3 ) 针对多点单用户和单点多用户协作o f d m a 系统中存在的频偏补偿问题， 给出了预补偿和后补偿的处理技术，进而针对多点多用户协作o f d m a 系统的频 偏补偿问题提出了联合频偏补偿策略。通过m a t l a b 仿真该策略的各个性能，验 证了该策略可以有效地实现频偏补偿。 研究分析表明，该策略可以为解决多点多用户协作系统中频偏补偿问题提供一 条不错的途径。 关键词：多点多用户协作o f d m a 系统载波频偏频偏补偿 a b s t r a c t a b s t r a c t a sc o o p e r a t i v eo f d m as y s t e m sa r ec o n s i d e r e d 勰ag o o dm e t h o dt oi m p r o v e c o v e r a g e ，c e l l - e d g et h r o u g h p u t , a n de n s u r et h eh i 曲q u a l i t yo fs e r v i c er e q u i r e m e n t s ， t h e yb e c o m eah o tr e s e a r c ht o p i cf o rt h en e x tg e n e r a t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n i n m u l t i p o i n t t o - m u k i p o i n t ( m t m ) c o o p e r a t i v eo f d m as y s t e m s ，o n eu s e re q u i p m e n t ( u e ) m a yr e c e i v es i g n a l s 谢t hd i f f e r e n tc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t s ( c f o s ) f r o md i f f e r e n tb a s e s t a t i o n s ( b s s ) a tt h es a m et i m es l o t sa n dc a r d e r s i ti si m p o s s i b l ef o rb s so ru e st o c o m p e n s a t ef o rt h ec f o sr e s p e c t i v e l y b a s e do nt h ee x i s t i n gl j r e q u e n c yc o m p e n s a t i o n p r o b l e m s ，t h ep a p e rp r o v i d e sp r e a n dp o s t - c o m p e n s a t i o ns t r a t e g yu s e dt h em a x i m u m t o l e r a n tt e c h n o l o g yt os o l v ei t t h em a j o rc o n t r i b u t i o n so ft h i sp a p e ra r el i s t e da s f o l l o w s f i r s t l y , i n t r o d u c i n gt h ec o o p e r a t i v eo f d m as y s t e m s 、i t l lr e l a t e dk e yt e c h n o l o g y , t h ep a p e rd i s c u s s e st h es y s t e m s 、析mi m p e r f e c ts y n c h r o n i z a t i o ni nt i m ea n df r e q u e n c y a c c o r d i n gt o t h es y s t e mm o d e la n dt h e o r ya n a l y s i s t h e n , i tr e s e a r c h e so nf r e q u e n c yr e q u i r e m e n to ft h es y s t e m st oo b t a i nt h a te a c hl i n k c a nt o l e r a t et h em a x i m a lc f oe r r o rn o r m a l i z e dv a l u ew h i c hi st h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n b yu s i n gt h et h e o r ya n ds i m u l a t i o na n a l y s i s t h i r d l y , u n d e rt h e e n v i r o n m e n to fc f o si nm u l t i p o i n t - t o p o i n ta n dp o i n t - t o m u l t i p o i n tc o o p e r a t i v es y s t e m s ，t h ep a p e rg i v e st h em e t h o d s ，w h i c hw i l l u s et h e e s t i m a t i o nr e s u l t st op r e - e o m p e n s a t eo rp o s t - c o m p e n s a t er e s p e c t i v e l ya n dc a na c h i e v e 、 ，i mt h et r a d i t i o n a lf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e s w ep r e s e n taj o i n tp r e a n d p o s t - c o m p e n s a t i o n 、 ，i t l lr e l a x e dr e s i d u a lc f o st oc o m p e n s a t et h ec f o si nm t m c o o p e r a t i v es y s t e m s n l es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt l l a tt h e p r o p o s e ds t r a t e g yc a n e l i m i n a t et h ec f o so fe a c hl i n k se f f e c t i v e l y n l er e s e a r c ho u t c o m e ss h o wt h a tt h ep r o p o s e ds t r a t e g yp r o v i d e sav e r yv a l u a b l e w a y t oe l i m i n a t ec f o si nm t m c o o p e r a t i v es y s t e m se f f e c t i v e l y k e y w o r d ：m u i t i p o i n t - t o m u l t i p o i n t c o o p e r a t i v eo f d m as y s t e m s c f o f r e q u e n c yo f f s e tc o m p e n s a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 随着3 g 业务在全球逐渐步入商用，为了获取更高的信息传输速率和功率效率 等，世界各国已把研究重点转入新一代移动通信系统4 g 上。而在4 g 标准制定的 过程中l t e 也将迎来它的新一轮发展高潮，目前很多通信公司和组织都将l t e 中 的关键技术作为面向4 g 演进技术i m t - a d v a n c e d 的研究焦点。 1 1 新一代移动通信系统的发展 国际移动通信( i n t e m a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n 2 0 0 0 ，i m t - 2 0 0 0 ) 是对 目前所有3 g 系统的统称f l j 。对i m t - 2 0 0 0 的后续研究称之为b e y o n di m t - 2 0 0 0 。 b e y o n di m t - 2 0 0 0 需求与概念的研究分析，于1 9 9 9 年1 1 月被列入议事日程安排。 2 0 0 1 年1 0 月w p s f 的第六次会议上国际电信联盟( 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 n u n i o n ，i t u ) 无线电通信组初步明确b e y o n di m t - 2 0 0 0 研究的基本框架和结构。 2 0 0 3 年6 月i t u rw p 8 f 进一步完成了b e y o n di m t - 2 0 0 0 的愿景。2 0 0 4 年1 0 月 i t u rw p s f 继续完成了一份频谱资源调研函，深入了解各国对b e y o n di m t - 2 0 0 0 频谱分配的期望。2 0 0 5 年l o 月在赫尔辛基举行的第1 7 次会议上，b e y o n d l m t - 2 0 0 0 被正式命名为“i m t - a d v a n c e d ”。2 0 0 7 年1 0 1 1 月在日内瓦召开的世界无线电通信 大会上，i m t - a d v a n c e d 系统所使用的频谱得以确定。i t u rw p 8 f 于2 0 0 8 年3 月 正式向全球发出征集i m t - a d v a n c e d 技术的通函，明确启动了i m t - a d v a n c e d 标准 化工作。在2 0 0 8 年7 月初i t u rw p 5 d 结束的迪拜会议上，i t u 确定i m t - a d v a n c e d 技术的最小需求，需求中包括频谱带宽、峰值频谱效率、小区频谱效率等几个重 要技术指标，这些将成为衡量一个候选技术是否可以成为i m t - a d v a n c e d 技术的关 键指标【2 】。到2 0 0 9 年l o 月，总共征集到由中国、3 g p p 、i e e e 、韩国和日本提交 的6 个候选技术提案。由i t u rw p 5 d 工作组的指导下，接下来一年将由世界各 地的1 4 个独立评价工作组通过进行严格评估和系统融合工作，预计于2 0 11 年l o 月完成第一版本的i m t - a d v a n c e d 全球核心标准i m t g c s ，同时基本确定官方的 i m t - a d v a n c e d 技术。然后，i t u 将用2 3 年的时间来完成标准化完善和产品商用 化等过程，最终将使i m t - a d v a n c e d 成为未来5 1 5 年间主流的移动通信系统和网 络技术。 与i m t - 2 0 0 0 通信系统相比，i m t - a d v a n c e d 系统的显著特征是具有更高的数 据传输速率。i m t - a d v a n c e d 系统空中接口技术希望达到的数据传输速率为：在低 速移动( 1 1 0 k m h ) 以及热点覆盖场景下可以达到1 g b i t s 的峰值速率，在高速移 动速度( 高至3 5 0 k m h ，甚至支持5 0 0 k m h ) 以及广域覆盖场景下达至l o o m b i t s 多点多用户协作o f d m a 系统的频偏补偿策略 的峰值速率 3 1 。i m t - a d v a n c e d 将会综合考虑和平衡用户、制造商、运营商、应用 发展商、内容和业务提供商等的相关要求【4 】，以下是各方达成共识的i m t - a d v a n c e d 基本要求：在保持总成本效率的条件下，以及支持广泛灵活的服务和应用的基础 上，能够达到世界范围内的高度通用性：高质量的移动服务，将优先考虑低速移 动的用户；降低用户终端的复杂度，同时适合全球使用，具有世界范围内的漫游 能力；友好的应用、服务和设备以及支持新的业务和应用需求。 为了满足甚至超越i m t - a d v a n c e d 以上的技术指标要求，2 0 0 8 年3 月3 g p p 组 织对l t e 系统进行进一步的技术提高，通过并正式启动了名为l t e a 的项目研究， 其名称为f u t u r ea d v a n c e m e n t sf o re u t r a ，并简称为l t e a 。l t e a 系统由于其 代表了新移动通信新技术发展的主要发展方向，显然将会成为i m t - a d v a n c e d 主要 的候选技术之一。为了实现这些指标，目前3 g p p 已经具体制定了主要的研究方向， 这里简要介绍l t e a 系统重点关注的一些技术【5 1 ： ( 1 ) 为了实现更高的传输速率，同时避免降低功率效率，采用频谱聚合技术 ( c a r r i e ra g g r e g a t i o n ) 技术进一步的扩展带宽成为首选的关键技术点：l t e a 可 以将相邻的几个较小的频段整合成为一个较大的频带，同时也允许将分配给运营 商的多个较小的非连续的离散频带，通过统一的基带处理当作一个较宽的频带使 用，从而实现离散频带的同时传输。 ( 2 ) 为了提高空间复用率，满足更高的频谱使用效率，多天线复用技术有待 于增强，在l t e a 中将对其进行扩展，引入波束成形技术，以此提高边缘用户接 收信号质量和增加基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 覆盖范围，并且提出了下行可采用正 交频分多址接入( o n 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 ea c c e s s ，o f d m a ) 的方 式，上行可采用基于d f t - s p r e a do f d m 技术的单载波频分多址接入( s i g n a l c a r d e r 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 ，s c f d m a ) 的方式。 ( 3 ) 为了提高小区平均吞吐量和小区边缘吞吐量等，协同多点传输技术 ( c o o r d i n a t i v em u l t i p l ep o i n t ，c o m p ) 是l t e a 的一项主要研究内容，有关c o m p 技术我们将在第二章中详细叙述。 ( 4 ) 中继技术( r e l a y ) 是l t e - a 中将要引入的另一项重要的候选技术，通 过r e l a y 可以改善和增加系统的覆盖系统覆盖，同时，若将中继站放置在原有蜂窝 小区覆盖的范围内，理论上还可以提高系统吞吐量。 ( 5 ) 多媒体广播组播、移动性等功能的增强也将成为重要的研究方向。 总之，l t e a 标准作为3 g p p 是面向4 g 时代保持相对其他无线通信标准有竞 争优势的关键一步，在带宽、频点、峰值速率、平均吞吐量、边缘用户吞吐量、 时延以及兼容性等各个方面都设定了很高的技术指标。从而确保l t e a 能够作为 未来移动通信的主流。 第一章绪论 3 1 2 协作系统的研究背景与意义 1 2 1 研究背景 上述l t e a 系统中的关键技术主要体现在以下几个部分：首先，利用下行和 上行的正交频分复用离散傅立叶变换技术实现了小区内完全正交的子信道，这样 会极大消除同小区之间的干扰；其次，多天线技术的收发分集空分复用、波束赋 形等使用方式的灵活转换，充分利用了空间信道的特性，从而增大容量和克服干 扰；另外，多小区间干扰协调机制突破单个小区独立控制的思路，将多个小区共 同看作成一个大系统，引入联合协调干扰的思想方式。由此可见，l t e a 系统的 链路容量已经非常接近香农极限，其后续演进会有更高的频谱效率要求1 6 j ，相关链 路级技术改进所能做的工作已经有限，而为了达到提高链路级性能的目的，必须 通过寻求系统级的解决手段。协作通信技术就是在这种背景下被引入到l t e a 系 统中的。 协作通信技术可以追溯到已经提出的多输入多输出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l e o u t p u t ，m i m o ) 空时处理技术。m i m o 是一种空间分集技术，通过安装在接收端 和发射端的多个天线进行发射和接收信号，充分利用了系统的空间资源，从而可 以大幅度提高系统的功率效率和频谱效率1 7 1 。尽管m i m o 多天线技术可以显著提 高单个系统的所具有的信道容量，并且已逐渐被新一代无线通信系统的主流协议 所采纳，如3 g 蜂窝系统和8 0 2 1 l n 等。然而，在一些现实场景中，例如蜂窝网络 中上行链路以及无线传感器网络，由于受移动便携式终端自身体积、实现复杂度 与功耗等因素限制，使得在终端上难以配置较多的天线单元，从而相当大的程度 上限制了m i m o 技术被广泛应用在未来主流移动通信系统中。 在m u m i m o ( m u l t i u s e rm i m o ) 技术中，基站在相同的时频资源块上同时 服务多个用户，这多个用户间的干扰可以采用预编码的技术有效地消除，在相当 大的程度上提高了小区的整体吞吐量。然后加上虚拟m i m o 技术的协助，阿尔卡 特朗讯等公司在韩国召开的3 g p pt s gr a n 第5 4 次会议上第一次提出了协作 m i m o 的概念。协作m i m o 通过基站间协作，共享一些有限的和必要的信息，如 信道状态信息、调度信息、数据信息等，可以通过协作机制建立通信后有效地降 低小区间干扰，甚至通过共享发射天线把干扰信号转换为有用信号，从而整体上 提高了小区吞吐量，尤其是边缘用户的吞吐量。具体地讲，此处的协作通信时在 丰富的散射环境下，通过借助协作伙伴自身的天线形成“虚拟天线阵列”p 】，而如果 在散射不丰富的环境下，可以把协作伙伴作为主动散射物，从而形成多径传输环 境。从这个意义上讲，协作通信为m i m o 多天线技术走向实用提供了一条新的解 决方案【9 】f 1 们。 4多点多用户协作o f d m a 系统的频偏补偿策略 同时，为了能增强信号的覆盖范围，提高系统空间自由度以及宏分集效果， 改善信道状况，减小小区边缘间同频干扰影响等，以此适应新一代无线移动通信 系统的需要和结合协作的概念，现在提出了一种多基站协作传输的网络m i m o 模 式，相对于传统基站的非协作方式而言，多基站协作可以将来自邻近小区的干扰 信号转换为有用信号，有效地消除小区边缘干扰，进而可以获得更大的系统容量 和更高的频谱效率f 1 1 l ，因此已成为协作通信领域的研究热点【1 2 】。 1 2 2 研究意义 任何一种新技术的出现，必然会带来一些新的问题，协作通信技术也不例外。 虽然协作通信技术的研究已取得很多突破，但仍有不少问题需要进一步探讨和改 进，以达到更好的性能。 第一，资源管理问题。随着无线资源越来越有限与人们对移动业务的要求越 来越严格的矛盾日益突出，除了采用先进的物理层技术提高无线传输的有效性与 可靠性之外，对无线通信系统及其资源的管理也越来越受到人们的重视【1 3 】【1 4 1 。如 何更有效地管理和使用无线资源成为无线通信系统研究的重点，无线资源管理机 制也成为衡量一个系统是否可以商用的重要方面。 第二，频偏和时偏同步问题。目前大多数协作通信的文献都假定系统能够实 现精确同步，即协作端之间、协作端和目的端之间都是准同步的，然而这在实际 通信中是难以达到的。如果不能实现同步，这样就会造成对接收信号的判决具有 严重的负面影响。所以，同步问题是影响整个协作分集系统性能的重要因素 【1 5 l 【1 6 j 【1 7 】。目前已有文献1 1 8 】【1 9 1 研究了在异步环境下的协作通信，但是其频谱利用率 和性能有待于进一步提高。 第三，频率选择性衰落信道下的协作通信问题。现在绝大多数的协作通信研 究工作都是基于假设信道是平坦衰落的。然而，在实际的通信系统中的应用，特 别是对于高移动性、高数据率的通信系统，其信道都是具有频率选择性衰落的这 一特性。因而首先判断能否将现有的研究成果移植到频率选择性衰落信道中以及 频率选择性信道中的协作通信将会有什么特殊的研究内容等问题，这些都有待于 以后认真解决。已有参考文献【2 0 1 1 2 1 1 已经开始着手做这几个方面的工作，文献中把 协作通信和正交频分复用技术( o f d m ) 结合起来，利用o f d m 的抗频率选择性， 解决这几个问题并取得了一些积极成果。 除以上列举的问题之外，现实协作通信技术还有协作伙伴的选择以及时机问 题，协作通信的推广和应用等方面。然而，频偏和时偏同步问题是任何一个协作 通信系统必须要解决的，因为这将会限制协作端和目的端是否能够成功协作以及 及时切换，同时影响协作分集系统性能的关键因素，所以解决同步问题对于协作 通信系统无论理论研究还是现实应用都是非常有意义的。 第一章绪论 5 1 3 本文的研究内容及章节安排 本论文针对协作o f d m a 系统中的同步问题，重点研究了多点多用户协作 o f d m a 系统中的频偏补偿问题，包括协作o f d m a 系统中受频偏和时延的影响， 系统的频偏需求分析与每条链路的剩余频偏可容忍的频偏误差等问题，然后提出 了多点多用户协作o f d m a 系统中的频偏补偿解决方法。为验证本文重点讨论基 于“最大容忍剩余误差限松弛”技术的联合频偏补偿策略的优越性，在理论和实践方 面求证研究此策略的可行性和可靠性。主要进行了以下几个方面的工作： ( 1 ) 首先详细的介绍了与协作o f d m a 系统相关的基本原理和关键技术，然 后结合系统模型，通过理论推导和后续仿真分析研究了时延和频偏引起协作 o f d m a 系统的同步问题。 ( 2 ) 接下来重点研究了该系统对载波频偏的需求，在理论上进一步分析每条 链路的频偏误差与信噪比的关系，由理论推导和仿真结果表明每条链路可容忍的 剩余载波频偏归一化值至少应该满足频偏值2 9 6 这一约束条件。 ( 3 ) 针对多点单用户和单点多用户协作o f d m a 系统中的存在的频偏补偿问 题，利用信息反馈机制给出了预补偿以及后补偿处理技术的方案，进而针对多点 多用户o f d m a 系统的频偏补偿问题给出了联合频偏补偿策略。通过m a t l a b 仿 真分析此策略的可行性与可靠性，并将其与其他传统方案进行了对比，给出很有 价值的仿真结果。 本论文的结构安排如下： 第一章介绍了新一代移动通信技术的发展以及本论文的研究背景和研究意 义，综述了协作通信的发展以及其优点，并简单分析协作系统中所面临的技术问 题，最后给出本文的研究内容和主要贡献。 第二章详细地讲述了与协作系统相关的基本原理与特点，并阐述协作系统中 存在的同步协调问题；着重介绍了o f d m a 技术的相关内容，包括子载波分配方 式，具体实现框图以及时频特性等。 第三章给出协作o f d m a 系统模型，并结合模型研究了时延和频偏对协作 o f d m a 系统的影响，对其进行了详细的数学描述与理论推导；然后在此基础上研 究分析了系统中频偏误差与信噪比的理论关系和每条链路剩余频偏值可容忍的频 偏误差。 第四章研究了协作o f d m a 系统在不同场景下的频偏补偿策略，然后通过 m a t l a b 仿真对策略进行了各个性能比较，验证了前面章节的理论分析和频偏补 偿策略。 第五章对全文内容和主要工作进行总结，指出本课题有待于进一步深入研究 的问题，并展望此领域的相关研究发展趋势。 第二章协作系统与o f d m a 的基本原理 7 第二章协作系统与o f d m a 的基本原理 为了更好的研究协作o f d m a 系统，我们首先介绍了协作系统的原理与特点， 并阐述了协作系统中所面临的同步问题，然后我们简单介绍o f d m 的基本原理和 技术特点，重点介绍o f d m a 技术的相关内容，包括o f d m a 的工作原理、实现 框图、子载波分配、时频特性等。 2 1 协作系统的原理与特点 2 1 1m i m o 技术 m i m o 多天线技术就是指利用在发送端的多根发射天线和接收端的多根接收 天线进行无线传输的一种空时处理技术f 2 2 1 ，使用这种技术的无线通信系统称之为 m i m o 系统。m i m o 技术可以充分利用空间资源，在不增加系统带宽和天线总发 送功率的情况下，有效地对抗无线衰落信道对系统的影响，从而大大提高了通信 系统的频谱利用率和信道容量，这也是新一代无线移动通信系统所采用的关键技 术之一。 图2 1m i m o 系统原理框图 图2 1 给出了m i m o 系统的原理框图。若在m i m o 系统中发送端和接收端都 配置多根天线，发送端传输的信息流会经过空时编码形成，信息子流，这m 信息 子流会经，根天线发射出去，经过空间信道后由，根接收天线接收。多天线接收 8 多点多用户协作o f d m a 系统的频偏补偿策略 机利用空时信号处理技术能够分开并解码这些接收到的信息子流。 m i m o 技术的核心思想是空时信号处理技术，即通过在原来时间维的基础上， 使用多副天线来增加空间维，从而实现多维信号的处理，进一步获得空间复用增 益或空间分集增益和增大信道容量瞄】。为系统提供空间复用增益和空间分集增益 是m i m o 技术上最大的优点，空间复用技术可以大大地提高信道容量，而空间分 集则可以大大地提高信道的可靠性，并降低信道误码率。同时，m i m o 技术也可 以视为智能天线技术的一种扩展，可以看出m i m o 链路中仍然是具有传统智能天 线的优点。因为m i m o 系统中传送的数据经过的是矩阵信道而非矢量信道，从而 可能大幅改善系统性能或者提高更大传输速率，进而可以高效地利用随机衰落和 可能存在的多径传播进而成倍地提高业务传输速率。所以说，m i m o 技术成功之 处主要是在于能够在不需要额外增加所占用的信号带宽的前提下，大幅度地改善 无线通信的性能。 2 1 2c o m p 技术 然而由于受移动便携式终端自身体积、实现复杂度与功耗等因素限制，使得 在终端上难以配置较多的天线单元，从而在相当大的程度上使m i m o 技术在目前 的通信系统中仍然很难被广泛应用；同时在实际通信系统中人们却发现传统的基 站非协作传输方式下，每个基站需要为其所属小区覆盖范围的用户发射信号时， 由于用户与为其服务的基站间是相互对应的，所以对来自邻近小区的信号就会被 视为加性高斯白噪声处理，导致m i m o 系统性能严重受限于相邻小区用户的同道 干扰。即便在信噪比很高的区域内，获得的信号干扰噪声比s i n r ( s i g n a lt o i n t e r f e r e n c ep l u sn o i s er a t i o ) 却可能非常低，甚至为零。为了充分利用m i m o 技 术的优点，且更加有效地抑制小区间的干扰等，以适应新一代无线移动通信系统 的需要，l t e a 在引入了分布式m i m o 概念的基础上提出了一种协作多点传输技 术，即c o m p 技术1 2 4 1 1 2 5 1 。 如图2 2 所示为非协作基站场景下，基站a 和基站b 分别为用户端a 和用户 端b 服务，非协作的方式将会导致基站a 和基站b 分别对于用户端b 和用户端a 成为干扰源。c o m p 技术通过基站间共享一些必要的信息，可以有效地消除此类小 区间干扰。一个基站通过射频光纤( r a d i oo v e rf i b e r ，r o f ) 连接多个天线站点， 天线站点类似一个无线远程射频单元( r e m o t er a d i ou n i t ，r r u ) ，而所有的基带 处理仍集中在基站，形成集中的基带单元( b a s eb a n du n i t ，b b u ) 。各个分布式天 线中的天线站可以看作是基站的多个扇区或一个扇区中的多个天线，所以c o m p 技术既可以代表小区间基站之间的协作，也可以是一个小区内多个传输点之间的 协作，同时可以很好地进行天线站点之间的协同。 第二章协作系统与o f d m a 的基本原理 9 用户a 用户1 3 图2 2 非协作时的干扰问题 c o m p 技术可以分为上行多点接收和下行多点传输。上行多点接收是一个相对 广泛的概念，并且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。根据基站间是否共享用户的数据信息，可将c o m p 分为两类： 协作调度波束赋型技术和联合处理传输技术1 2 酬。 ( 1 ) 协作调度波束赋型技术：协作的多个基站间( 也称为协作簇) 通过协作 对系统进行有效的资源分配，尽可能地避免小区边缘用户使用的资源在时频资源 上的冲突。在此方式下，协作簇间只需要共享信道信息，而不需要共享用户数据 信息。对于单一用户终端( u s e re q u i p m e n t ，u e ) ，为其进行数据传输和服务的基 站是相对应的，即一个u e 只由一个b s 服务。也就是说，同一个b s 可以同时为 多个u e 服务，如图2 3 ( a ) 所示，这样通过协作调度波束赋型技术可以在协作 区域内消除传输过程对其他用户的干扰。 ( 2 ) 联合处理传输技术：协作的多个基站通过共享用户的数据和信道信息对 用户数据进行联合预处理，通过协调的方式消除基站间的干扰。由此可见，协作 簇中的基站不仅要共享信道信息，还要共享用户的数据信息。整个协作簇会同时 服务一个或多个用户，如图2 3 ( b ) 所示，像虚拟的单个小区一样，这种方式可 以获得更好的性能。c o m p 中获得空间分集和空间复用增益与分布式m i m o 相同。 参考m i m o 系统原理框图，并由此场景我们可以定义c o m p 的空间相关信道曰( 6 为第b 个b s 为第”个u e 服务，其综合信道传输模式为： ， - 啊 啊： 啊，1 h ( 6 一) = l ； !； l ( 2 1 ) l ，1 0 n h n t 2 n n t n rl n x n t 联合处理传输技术可以分为单用户和多用户两个场景。单用户场景中需要系 统预先分配协作资源给特定用户，造成资源利用率的下降。在本论文中，我们重 点研究多用户场景下的协作多点下行传输技术所面临的技术问题。 1 0 多点多用户协作o f d m a 系统的频偏补偿策略 ( a ) 协作调度臌束赋型技术( b ) 联合处理传输技术 图2 3c o m p 下行传输技术的分类 2 1 3 多基站协作系统 当我们直接利用现有网络和光纤互联各个基站后，多个基站b s 或者多个基站 和天线站远程射频单元r r u 直接与用户终端进行通信，称为基站间协同技术，此 系统可以看作为多基站协作系统【2 7 1 。该系统结构最大的特点为：在现有蜂窝无线 系统基础上将分布在不同地理位置的多个基站，通过大容量低时延的光纤骨干网 络进行网状互联后连接到中央控制单元( c e n t r a lc o n t r o lu n i t ，c c u ) ，以便于基站 间进行交换用户数据，共享信道状态信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，c s i ) ，执行 优化调度以及协作联合信号发射等信息。因为这种多基站协作系统可以较容易地 实现从现有的蜂窝无线通信系统平滑过渡，尽管此处要求每个用户接收端将通过 信道估计得到的c s i 信息反馈给参与协作通信的所有b s 的发射端，从而可以减小 系统的复杂度和降低系统的实现成本。 下图2 4 是多基站间协同系统技术的示意图。图中假设有三个基站和一个处于 各基站所覆盖小区交接处的移动终端。对于移动通信系统来说，u e 需要判断自身 与三个b s 之间的各信道质量，并选择一个b s 作为自己主基站，即归属基站。当 u e 处于多个小区的边界处时，由于距主基站较远，信道质量比小区中心用户差。 但同时受到的邻近基站的干扰反而比小区中心用户大，因而此时边缘用户就处在 低信号接收功率高干扰的地带。为保证用户之间的公平性，基站间协同技术把作 为主基站以外的其他基站退化为r r u ，当很多基站引入基站间协作后，利用系统 处理的增益就可以提高系统对小区边缘用户的服务质量。为了带来多基站协作的 增益，还需要考虑在多基站协作中的具体技术问题，比如选择恰当的站点个数和 分布位置进行多基站协作的站点选取技术，u e 能够自动搜寻路径损耗最小的发送 站点进行接入的智能关联技术，多个站点共同分担覆盖区域内的业务分担和资源 使用情况负荷的均衡技术，以及多天线协作m i m o 技术等。 第二章协作系统与o f d m a 的基本原理 1 1 图2 4 多基站分布式协作系统结构 2 1 4 协作系统的特点 结合c o m p 技术和多基站协作系统，我们可以看出协作系统具备以下特点l z 剐： ( 1 ) 相对于传统基站的非协作方式而言，可以充分利用多天线信道独立的优 点以此引入协作通信技术，通过光纤互联的天线站点或基站协同在一起为用户服 务，相邻的几个天线站点或者节点可以同时为一个用户服务，由此不仅大大地提 高协作基站的覆盖范围，而且进一步缩小切换区域。从而使传统的宏微小区覆盖 变为多节点分担负荷的大区覆盖。 ( 2 ) 在大区覆盖中，多个节点收发不仅仅增大了上下行覆盖距离，而且可以 将处于边缘位置的用户终端接收到的原先干扰信号变为有用信号，因而也能够提 高小区边缘吞吐量和小区的平均吞吐量，并有效提高链路的吞吐率，有望进一步 获得更大的系统容量和更高的频谱效率。 ( 3 ) 利用协作通信中设计调度算法和多站点协调算法，大大分担了大区内的 业务负荷多站动态，同时支持大区内所有的业务，不同用户终端可以在更大的覆 盖范围内实现平稳快速的切换。从而不但促使业务服务质量感受更好，而且大幅 提升频谱利用效率和业务性能体验，同时也可以降低一些抗干扰算法的复杂度。 然而，因为要考虑各基站端和各用户终端均为单天线的频率平坦衰落情况， 且忽略u e 接收端c s i 估计误差、量化误差以及反馈时延、反馈误差等的影响，协 作通信系统仍面临着一系列的问题亟需解决，如“协作点用户”组合的优选、多点 多用户协作传输中的同步协调和多普勒频偏补偿问题、协作节点的先进有效的无 线资源调度算法设计和有效的切换策略，以及非理想信道信息情况下稳健的上行 分布式联合预编码以及下行协作波束成形等。由于用户高速移动引起的多普勒补 1 2 多点多用户协作o f d m a 系统的频偏补偿策略 偿、多个分布在不同天然地理位置上的用户终端引起的协作基站到目的用户终端 之间每条链路的频偏和时延各不相同，造成了协作端之间的同步问题以及协作基 站端到目的用户终端之间的同步问题是相互矛盾的。而以现有的同步机制，即使 可以做到多个协作基站之间的同步，也很难做到用户终端与协作基站端之间的同 步，反之亦然。同步协调问题是严重影响对接收信号的判决和整个协作分集系统 性能的重要因素，会造成协作通信技术在现实中的应用受限，因而协作系统中的 同步问题一个必须要解决的关键问题。 2 2o f d m a 技术概况 o f d m a 技术由于其具有较高的频谱效率，带宽扩展性强，抗多径衰落及实现 m i m o 技术较简单等技术优势，目前已经成为i m t - a d v a n c e d 系统中下行多址技术 的最佳选择。o f d m a 是在o f d m 技术的基础上发展起来的，为了更好的理解 o f d m a 技术，我们有必要先了解一下o f d m 技术原理和特点。 2 2 1o f d m 技术原理和特点 2 2 1 1o f d m 技术原理 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 nm u l t i p l e x i n g ) 技术是将传统的频分复 用频分多址( f d m f d m a ) 技术和快速傅里叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，f f t ) 相融合的产物【2 9 1 。频分复用频分多址技术为了避免各个子载波之间的干扰，在相 邻的子载波之间保留较大的载波间隔，导致频谱效率利用的大大降低。伴随着数 字信号处理技术( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s ，d s p ) ，f d m 技术有了革命性的变化，现 在可以容许将f d m 的各个子载波重叠排列同时保持子载波之间的正交性，因此在 相同的带宽内将会容纳更多的子载波，提高了频谱利用效率。 同时，o f d m 技术也可以被看作是一种多载波数字调制技术，通过扩展符号 的传输周期可以将频率选择性信道转化为平坦衰落的信道，这样会起到抗符号间 干扰的作用：如果在每个o f d m 符号的起始位置插入保护域，即循环前缀( c y c l i c p r e f i x ，c p ) 作为保护间隔，插入c p 就是复制o f d m 符号结尾处的若干采样点到 此o f d m 符号之前，并且选取的c p 长度一般要超过无线信道的最大时延扩展， 加入c p 可以进一步消除符号间的干扰，并且由于c p 的引入有利于维持各个子信 道之间的正交性，从而进一步消除了各子载波之间的干扰( i n t e r - c a r r i e r i n t e r f e r e n c e ，i c i ) 。最后经过并串转换将多个子载波的时域信号进行叠加，从而形 成o f d m 发送信号。 第二章协作系统与o f d m a 的基本原理 1 3 叫 歪岛 l e 一，2 8 印 3 叫信道卜叫p 叶乎 p s s p + 通妊 r - 1 2 8 哗，一1 k 1 吨州积分卜 图2 5o f d m 系统基本模型 图2 5 为o f d m 系统典型的基本原理模型。o f d m 信号是由个经过调制的 子载波合成的信号，其中每个子载波的调制方式可以包括为：相移键控( p s k ) 或 者正交幅度调制( q a m ) 等调制技术，但不包括频率调制技术。 在图中给出的个子载波系统模型中，五( 七= 0 ，l ，n 1 ) 是每个子载波要传输 的数据符号，丁表示为o f d m 符号的周期，正为第0 个子载波的载波频率， r e c t ( t ) = l ，l ，i t 2 ，那么从t = t 开始的o f d m 符号可以表示为： r n i一 砷) ：j 艺x , r e c 一t s j 1 ) e 删项。一) ) f + 丁 ( 2 2 ) 【- 0 t t + t s 其中z = z + i t 。 如果仅仅考虑一个符号周期r 内的基带信号，令式( 2 2 ) 中的t 。= o ，忽略矩 形函数，且仅仅考虑基带信号，即令上式( 2 2 ) 中的五= o ，对信号川) 以t n 的 速率进行抽样，即令，= k t m k = 0 1 ，n 一1 ，可以得出： n - i & = x ( k t n ) = i v , e x p ( 2 庇i n ) ( 0 七一1 ) ( 2 - 3 ) k = o 从上式( 2 3 ) 中可以看到，信号吒可以通过对k 进行i d f t 运算得到，此式 也是通过i f f t 来实现o f d m 调制的理论基础。同样在接收端，为了恢复出原始 的数据符号薯，也可以对五进行逆变换，即d f t 得到： 五= _ x l , e x p ( - j 2 n k i l n ) ( o f 一1 ) ( 2 - 4 ) 根据上述分析，可以看到o f d m 系统的调制和解调过程可以分别由i d f t 和 d f t 来代替。在o f d m 系统的实际应用中，还可以利用数字信号处理技术d s p 更加方便快捷的实现快速傅里叶变换( f f t i f f t ) 。这里点i d f t d f t 运算需要 实施2 次的复数乘法，此处为了方便仅仅比较复数乘法的运算量，而i f f 聊f t 可以显著地降低运算的复杂度【3 0 】。 1 4 多点多用户协作o f d m a 系统的频偏补偿策略 2 2 1 2o f d m 技术特点 。o f d m 技术具有很多独特的优点，主要包括： ( 1 ) 传统的频分多路传输系统将频带划分成若干个不相交的子频带来并行的 传输数据流，在接收端由一组滤波器分离各个子信道，这个方法直接导致频谱利 用率低，子信道之间还要留有足够的保护频带，而且采用多个滤波器才能实现分 离也有不少困难。而o f d m 技术由于各个子载波之间保持正交