（通信与信息系统专业论文）多小区mimo系统中的协同调度及干扰抑制技术的研究.pdf

摘要 摘要 在l t e a 多小区全频复用的构架下，同频干扰是制约系统性能提升的一个瓶 颈，而多小区协同是一种抵抗同频干扰的有效手段。与l t e 传统多小区中的干扰 抑制技术相比，多小区协同更注重多基站协作、数据的联合处理及移动通信网络 的向前发展的兼容性。多小区的协同技术可以有效地将干扰信号转化为有用信号， 不增加时频资源的前提下，扩大信号的覆盖范围，减少小区间尤其是小区边缘用 户受到的干扰，提升系统性能。因而近几年来，多小区协同技术在业界备受关注， 其中多小区协同调度和联合发送均已成为研究的热点。本文主要研究多小区协同 下以协同调度和联合发送为主的干扰抑制技术。 第二章介绍了关于多小区协同的一些必备条件。首先介绍了几种预编码技术， 这可以作为后面研究联合发送的基础；接着介绍了基于s c m 信道的多小区建模， 该模型可作为后面协同调度和联合发送等方案的仿真平台；最后为对比当前研究 的多小区协同技术，列举了l t e 中传统多小区干扰抑制技术的几种方案。 第三章研究了多小区中基站调度和用户调度技术。首先介绍了协同多小区的 各种拓扑结构以及信令传输机制：接着提出了一种基于判决门限的基站调度方案， 仿真结果表明该方案可以在保持性能的前提下极大地降低基站组成协同簇的复杂 度；最后介绍了上行用户配对组成虚拟m i m o 的用户调度方式，仿真结果表明用 户公平性和系统容量之间存在一定的折中性，实施具体方案时应当考虑业务需求。 第四章研究了多小区协同机制下的联合发送方案。首先介绍了各种基于预编 码的联合发送方法，提出了一种基于码本对换的多基站贪婪发送方案，仿真对比 了这些方法的性能，并对实现的复杂度做出了定性分析；接着提出了一种基于纳 什均衡的功率分配方案，通过功率的上下迭代，可以找到局域的容量最大值，该 方案可以结合第三章中提出的基站调度方案使用，进一步提高协同簇的性能；最 后提出了一种基于用户s i n r 门限的发送模式，无需频带分割和固定发送，也无需 判断用户所处的小区位置，使得小区边缘界限模糊化。仿真表明采用这种动态发 送模式可以有效地转化干扰信号，从而提高小区边缘用户的通信质量。 最后一章总结了全文，并指出了后续的研究工作和未来可能的研究方向。 关键词：l t e ，干扰抑制，协同调度，联合发送，功率分配 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ec o n f i g u r a t i o no fl t e am u l t i e e l lw i t hs p e c t r u mr e u s ef a c t o ro f1 ，t h e c o c h a n n e li n t e r f e r e n c ei so n eo fb o t t l e n e c k sf o re n h a n c i n gt h es y s t e mp e r f o r m a n c e ， w h i l ec o o r d i n a t i o no fm u l t i - e e l li sa l le f f e c t i v ew a yt oc o u n t e r a c t t h i s i m p a c t c o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a lm u l t i - c e l li n t e r f e r e n c em i t i g a t i o nt e c h n o l o g i e si nl t e ， w es h o u l dp u tm o r ea t t e n t i o nt oc o o p e r a t i v em u l t i p l eb s ，d a t aj o i n t l yp r o c e s s i n ga n dt h e c o m p a t i b l eo fd e v e l o p i n go fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki nm u l t i e e l lc o o r d i n a t i o n t h et e c h n o l o g i e so fm u l t i - c e l lc o o r d i n a t i o nc a nc h a n g et h ei n t e r f e r e n c ei n t ou s e f u l s i g n a le f f e c t i v e l y , e x t e n dt h ec o v e r a g eo fs i g n a lw i t h o u ti n c r e a s i n gt h et i m e s p e c t r u n a ， m i t i g a t et h ei n t e r f e r e n c eo fi n t e r - c e l le s p e c i a l l yt h el i e st h o s el o c a t ea tt h ee d g eo f c e l l s a n de n h a n c et h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h u si nr e c e n ty e a r s ，m u l t i - c e l lc o o r d i n a t i o n t e c h n o l o g yi sc o n c e m e db yc o m m u n i c a t i o nc i r c l ei ne v e r yp o s s i b l ew a y , a m o n gt h e m ， c o o r d i n a t e ds c h e d u l i n ga n dj o i n tt r a n s m i s s i o ni nm u l t i c e l ls y s t e mb o t hb e c o m et h e r e s e a r c hh o t s p o t s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w em a i n l yi n v e s t i g a t et h ec o o r d i n a t e ds c h e d u l i n g a n dj o i n tt r a n s m i s s i o ni nm u l t i - c e l lc o o r d i n a t i o ns y s t e m i nc h a p t e rt w o ，s o m ee s s e n t i a lc o n d i t i o n so fm u l t i - c e l lc o o r d i n a t i o na r ei n t r o d u c e d f i r s t l y , t h ep r e s e n t a t i o no fp r e c o d i n gt e c h n o l o g yc a nb eu s e da st h eb a s i so fl a t e rj o i n t t r a n s m i s s i o nr e s e a r c h s e c o n d l y , w ei n t r o d u c et h em u l t i c e l lm o d e lc o n s t r u c t i o nb a s e d o ns c mc h a n n e l ，a n dt h i sm o d e lc a nb eu s e da st h es i m u l a t i o np l a t f o r mo fc o o r d i n a t e d s c h e d u l i n ga n dj o i n tt r a n s m i s s i o ns c h e m e s t h i r d l y , w ed ot h ec o m p a r i s o no fr e c e n t m u l t i c e l lc o o r d i n a t i o nt e c h n o l o g i e sa n de n u m e r a t es o m ei n t e r f e r e n c em i t i g a t i o n s c h e m e si nl t et r a d i t i o n a lm u l t i e e l l i nc h a p t e rt h r e e ，w es t u d yt h eb sa n dl i es c h e d u l i n gi nm u l t i c e l ls y s t e m f i r s t l y , t h et o p o l o g yo fc o o r d i n a t e dm u l t i - c e l la n ds i g n a l i n gt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m sa r e f o r m u l a t e d s e c o n d l y , ab ss c h e d u l i n gs c h e m eb a s e do nj u d g et h r e s h o l di sp r o p o s e d ， a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a tt h ec o m p l e x i t yo fc o m p o s i n gc o o p e r a t i v e m u l t i c e l lc a nb ed e c r e a s e de x t r e m e l yw h i l eh o l d i n gt h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h i r d l y , w ei n v e s t i g a t et h eu ep a i r i n gm e t h o d st oc o m p o s et h ev - m i m oi nt h eu p l i n ks y s t e m ； t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a tt h e r ei sac o m p r o m i s eb e t w e e nt h el i e s f a i ra n d h a b s t r a c t s y s t e mc a p a c i t y , a n di ts h o u l db ec o n s i d e r e di nt h ei m p l e m e n t a t i o no fs p e c i f i cs c h e m e s i nc h a p t e rf o u r , w es t u d yt h ej o i n tt r a n s m i s s i o ns c h e m e su n d e rt h em u l t i - c e l l c o o r d i n a t i o nm e c h a n i s m s f i r s t l y , s o m ej o i n tt r a n s m i s s i o ns c h e m e sb a s e do np r e c o d i n g a ref o r m u l a t e d ，t h es y s t e mp e r f o r m a n c ei sc o m p a r e db ys i m u l a t i n gt h e s es c h e m e sa n d s o m ed e t e r m i n a b l ea n a l y s i so fi m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x i t yi sg i v e n s e c o n d l y , ap o w e r a l l o c a t i o ns c h e m eb a s e do nn a s he q u i l i b r i u mt h e o r yi sp r o p o s e d ，i tc a nf i n dt h e m a x i m a lc a p a c i t yi nl o c a la r e ab yi t e r a t i n gt h ep o w e ru p w a r d d o w n w a r d ；t h i ss c h e m e c a nb ec o m b i n ew i t ht h eb ss c h e d u l i n gw h i c hm e n t i o n e di nc h a p t e rt h r e et oe n h a n c e t h es y s t e mp e r f o r m a n c em o r e t h i r d l y , n e i t h e rt od i v i d es p e c t r u m f i x e dt r a n s m i s s i o n n o rt oj u d g et h el o c a t i o no fu e s ，t h u st oc o n f u s et h ec e l lb o u n d a r y , ad a t at r a n s m i s s i o n m o d e ld e c i s i o nm e t h o db a s e do nu es i n rf e e d b a c kt h r e s h o l di sa l s op r o p o s e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h i sm e t h o dc a nc h a n g et h ei n t e r f e r e n c et ou s e f u ls i g n a l e f f e c t i v e l ya n de n h a n c et h ec o m m u n i c a t i o nq u a l i t yo fu e s w h i c hl o c a t et h ec e l le d g e f i n a l l y , s o m ec o n c l u s i o n so ft h ed i s s e r t a t i o na r ed r a w n ，a n dt h ef r r t h e rr e s e a r c h i s s u e sa r ep o i n t e do u t k e y w o r d s ：l t e ，i n t e r f e r e n c em i t i g a t i o n ，c o o r d i n a t e ds c h e d u l i n g ，j o i n tt r a n s m i s s i o n ， p o w e ra 1 l o c a t i o n i i i 图目录 图目录 图1 1全文的研究思路和结构6 图2 1单用户预编码示意图8 图2 2 几种预编码方案性能对比一11 图2 3s c m 信道中b s 和m s 的角度参数示意图1 2 图2 - 4 多小区系统建模示意图13 图2 5 单个小区内用户选择示意图一1 4 图2 6 小区专属加扰示意图1 5 图2 7 小区专属交织示意图1 6 图3 1小区簇内协同示意图2 0 图3 2 小区簇间协同示意图2 l 图3 3 单用户簇内协同示意图2 1 图3 4 单用户簇间协同示意图2 2 图3 5 多用户簇内协同示意图2 2 图3 6 多用户簇间协同示意图2 3 图3 7多小区基站协同示意图一2 6 图3 8 调度门限与系统每小区平均容量累积分布函数的关系3 2 图3 9 调度门限高低与被调度基站数的关系3 2 图3 1 0 协同小区容量与小区内用户数的关系3 3 图3 1 1 虚拟m _ i m o 结构示意图一3 5 图3 1 2 门限值与调度模式及系统容量的关系3 7 图3 1 3 公平系数与吞吐量之间的关系3 8 图3 1 4 三种用户调度算法性能比较3 8 图4 1多小区联合发送系统4 0 图4 2 基于预编码的下行多小区协同4 1 图4 3 多小区各种预编码技术性能比较4 6 图4 4 系统容量增益与增量参考线的比较4 8 图4 5 几种功率分配方案的性能对比5 2 图4 - 6 小区边缘用户干扰抑制示意图5 0 图4 7 小区边缘用户干扰抑制的容量增量示意图5 3 图4 8 判断门限与容量累积分布函数的关系5 3 v i i 缩略词表 3 g p p 4 g 入u n n g n b e r b p s k b s c i c o n 口 c q i c s i d p c f d m a f f t i t a r q h s d p a h s u p a i c i i d m a m t 姗 i t e a b m s m o m m s e m s o f d m o f d m a 缩略词表 3 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 t h e4 t l lg e n e r a t i o n a n t e n n au n i t a d d i t i v e t eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t i o b i n a r yp h a s es 1 1 i rk e y i n g b a s es t a t i o n c h a n n e li n v e r s i o n 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 h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d i r t yp a p e rc o d i n g 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 f a s tf o u r i e rt r a n s f c l r i 1 h y b r i d a u t o m a t i cr e p e a tq u e s t h i 曲s p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s h i 曲s p e e du p l i n kp a c k e ta c c e s s i n t e r - c e l li n t e r f e r e n c e i n t e r l e a v e rd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u l i c a t i o n s 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 u l t i m e d i ab r o a d c a s tm u l t i c a s ts e r v e i c e m u l t i - - i n p u tm u l t i - - o u t p u t m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r m o b i l es t a t i o n 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 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 v i i i 第三代合作伙伴计划 第四代 天线单元 加性白高斯噪声 误比特率 二进制相移键控 基站 信道反转 多点协同 信道质量指示 信道状态信息 脏纸编码 频分多址接入 快速傅立叶变换 混合自动重传 高速下行分组接入 告诉上行分组接入 区间干扰 交织多址接入 国际电信联盟 长期演进 进一步长期演进 多媒体广播组播功能 多输入多输出 最小均方误差 移动站 正交频分复用 正交频分多址接入 缩略词表 ra i7 r n a r r u s a u s c f d m a s c m s d l a s 腿 s n r s v d t d d t d m a 呻 u e v m m o v o p w c d m a w i 瞰 a c c e s s r e m o t ea n t e n n au n i t边远天线单元 r e l a yn o d ea n t e n n a 中继点天线 r a d i or e m o t eu n i t 无线边远单元 s e c t o ra n t e n n au n i t 扇区天线单元 s i n g l ec a r r i e rf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e 单载波频分多址接入 a c c e s s s p a t i a lc h a n n e lm o d e l 空间信道模型 s p a c e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s空分多址接入 s i g n a lt oi n t e r f e r e n c en o i s er a t i o 信干噪比 s i g n a l t o - n o i s er a t i o 信噪比 s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n 奇异值分解 t i m ed i v i s i o nd u p l e x 时分双工 t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 时分多址接入 t o m l i n s o n h a r a s h i m ap r e c o d i n gt h 预编码 u s e re q u i p m e n t 用户设备 v i r t u e m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t 虚拟m i m o v o i c eo v e ri n t e m e tp r o t o c o l网络电话 w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 宽带码分多址接入 w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v e 全球互操作微波接入 a c c e s s z e r of o r c i n g迫零 i x 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：掣韭吼砂年厂月歹7 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：芈导师签名：丛壁l 日期：缈年岁月岁) 曰 第一章绪论 1 1研究背景 第一章绪论 随着移动通信技术的不断发展，用户对移动通信的内容和质量都提出了更高 的要求。为了适应全球无线通信呈现出的移动化、宽带化和p 化的趋势，也为了 与新兴的一些移动通信技术如w i m a x ，w i f i 竞争，2 0 0 4 年底，3 g p p 继h s d p a ， h s u p a 等技术标准后，提出了3 g 的长期演进( l t e ) 。l t e 的目标是获得更高的数 据速率，更低的时延，改进的系统容量和覆盖范围，以及较低的成本。由于l t e 下行采用o f d m ，上行采用s c f d m a 的接入方式，小区内用户信息承载在相互 正交的不同载波上，因此干扰主要是来自其它同频小区。所以多小区干扰抑制成 为l t e 中一个亟待解决的问题。 目前，针对l t e 中系统容量干扰受限的问题，3 g p p 提出了新的方案，即 i t e _ 一a d v a l l c e d 【。m 州v a n c e d 是l t e 的进一步演进，l t e 中用于多小区干扰 抑制的技术，如干扰随机化，干扰协调，干扰消除【2 】等技术已经无法满足日益增长 的高速率和高质量通信需求，这就要求在小区之间进行协同通信，主要应用的两 方面是基于预编码的协同调度及基于预编码的联合发送【3 】。两者均为本文要研究的 主要对象，即对一个特定的用户终端( 主要是处于小区边缘的用户) ，一个时隙选 择一个处于协同小区的基站进行数据传输，而在这些协同小区之间进行协同预编 码，以最大限度降低小区之间的干扰，提高系统容量。这种协同方案可以在整体 容量有所下降的情况下，提高边缘用户的通信质量。 l t e a 是l t e 的技术演进，在r r u 的计划时间内，使l t e a 达到或超过u i m t 的系统要求。因此，在l t e 的研究基础上，各大研究机构和公司把精力主要 集中在研究其优化方向上，即更高的系统容量( 峰值速率、平均频谱效率、小区边 缘频谱效率、v o l p ) ，m b m s ，以l t e 网络架构为基础，进行可能的优化，降低网 络的运营成本( 自组织、自优化；方便运营维护；开放的接口) 。在l t e - a 的主要 技术方向上，一是进一步提高l t e 的峰值速率和频谱效率，以达到n u i m t a d v a n c e d 的系统需求，可以通过增大带宽，提高m i m o 的天线数目，在上行 中引入单用户m i m o ；二是对l t e 进行进一步的优化，包括协议优化( 减小控制面 电子科技大学硕士学位论文 时延、提高控制面容量) ，引入增强型的新技术( c o m p 、r e l a y 、上行增加o f d m 选 项、增强m b m s ) 。 在这种背景下，本文介绍了与当前多小区干扰抑制相关的技术，并且进一步 探讨了多小区干扰抑制的可行性方案。 1 1 i多小区干扰对无线通信的影响 蜂窝系统的提出是无线通信领域解决频率不足和系统容量的一个重大突破。 采用蜂窝系统实现区域覆盖的目的是在不同的小区复用相同的多址资源，即在不 同的小区可以复用相同的频率或码字，从而提高系统容量。 在传统多小区中，通过在相距一定距离的同频小区中采用相同频率来降低干 扰。随着无线通信的发展，移动用户的激增以及用户对数据率，业务类型等的更 高要求，这种小区结构已无法满足当前需求。因此在3 g p pl t e 的框架下，蜂窝小 区系统已发生逻辑上的根本变化，所有小区复用全部频率，即全频复用。此外由 于o f d m 技术在l t e 中的广泛应用，频率间的干扰可以完美地得到抑制，因此干 扰主要来自小区间。尤其是现在的小区开始微型化，网络开始扁平化，用户一般 处于小区边缘的机会增多，从而更容易受到来自相邻小区的干扰。因此在l t e 标 准下，多小区同频干扰已成为制约通信容量和质量提升的瓶颈。 1 1 2多小区协同技术 传统多小区的频分设计牺牲了3 g 系统中的多小区宏分集增益，使得l t e 技 术不能发挥最大的优势，因而3 g p pl t e 在向l t e a 演进的过程中提出了多小区 协同技术。为了获得提升的系统级增益、更可靠的传输、l t e a 中引入了多点协 作、协同中继、智能天线等多种协作技术，从而提高了系统覆盖能力，用户跨区 切换稳定度及小区边缘用户通话质量。 多小区协同通信系统中，选取协作基站中的一个作为主基站，承担基站控制 器的作用，收集与发布控制信息和传输数据，在这个协作簇内实现资源的优化配 置，而其它基站则退化为r r u 。在这种结构下，由于协作簇内上下行的时频资源 得到优化配置，信令的传输延迟将会得到有效地改善，数据信息可以从多个接入 点同时对用户进行发送，因此簇内干扰将得到有效的抑制。系统的干扰主要来自 远端协作簇的同频干扰，簇间干扰由于地理距离原因而受到极大的抑制。协同技 术的本质就是要将干扰信号转化为有用信号来提升系统性能【4 3 。 2 第一章绪论 1 2多小区干扰抑制研究现状、前景和存在的问题 1 2 1多小区干扰抑制的研究现状 多小区协同是l e t - a 中的关键技术。目前许多研究机构和公司都投入了大量 的人力物力来进行相关研究。多小区协同技术主要是利用了上层系统级处理的增 益，在增大一定信息交换负载的情况下，多基站协作来降低簇内干扰，从而扩大 覆盖面积，提高系统总容量和用户通信质量。目前正在研究的协同关键技术有【7 】： ( 1 ) 智能关联 u e 在协同信令机制下能够自动搜寻路径损耗最小的接入点进行接入。协同多 小区控制器能根据各接入点报告的参考信息来确定对应的接入及选择多个接入点 对多个用户进行联合发送。 ( 2 ) 站问负荷均衡技术 多个站点需要通过e n o d e b 的调配来合理分担覆盖区域内的业务负荷，使得无 线资源能得到合理的利用，并能满足网络硬件设备的负载要求，从而促进系统总 容量和性能的提升。 ( 3 ) 多天线协作m i m o 技术 协同小区簇内能采用不同的m i m o 形式。在多接入点覆盖的区域，为了提高 系统的频谱利用率，可以利用多个接入点在基站控制器的调配下对多个用户进行 联合波束赋形，共同占用相同时频资源，区分用户，提高系统容量。 ( 4 ) 协作站点选取技术 可以通过基站调度技术来合理选择协作基站的个数及位置，来减小协作复杂 度和提高整体性能。 ( 5 ) 动态多小区干扰协调技术 在协同多小区系统中，基站之间采用光纤通信，数据能够高速且精确传输基 站间协同需要的交互信息，从而可以实现动态多小区干扰协调。 ( 6 ) 中继协作技术 在协同技术中，多小区协同系统里可以结合中继协同技术来进一步扩大覆盖 范围，提高无线链路传输质量，多点中继、中继功率和方式等都是研究的热点。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 2多小区干扰抑制的前景 随着移动通信的发展，用户对通信质量和服务类型的需求进一步得到提高。 而解决下一代无线通信的关键问题就在于多小区的协同所带来的系统性能上的提 升。多小区协同的技术呈现多样化，综合化，多小区干扰抑制技术作为多小区协 同的一种综合技术在协同通信中显得越来越重要。 根据目前多小区干扰抑制的研究现状，一些在多小区协同中起到关键作用的 技术还需要进一步研究。l t e 向4 g 过程的演进，离不开系统结构上的更新和技术 上的向后兼容。从长远来看，研究多小区协同中的干扰抑制技术主要可以在两个 个方面促进系统的改良： ( 1 ) 结构上的优化：新一代无线通信的网络结构将趋于扁平化和口化，因而当 前的网络拓扑和传输机制己不能满足用户的需要。多小区协同中的各种协同方案 都需要在考虑小区间干扰的抑制的基础上才能实施其它方案。 ( 2 ) 方案上的优化：结合多小区协同的多小区通信方案需要考虑数据的协同处 理，这对数据率的提升，用户通信质量的提高及各种业务需求至关重要。这个前 提下，作为协同的本质所在，干扰抑制的重要性显而易见。 综上所述，作为多小区协同的核心技术，多小区干扰抑制对于移动通信的意 义是不言而喻的。在相当长的一段时间内，该技术都会是业界予以重点研究的对 象。 1 2 3多小区干扰抑制存在的问题 虽然多小区协同技术给l t e a 体系下的无线通信带来了明显的系统增益，但 由于目前技术上还有很多问题没有解决，导致无法将该项技术的优势全部发挥出 来。还有很多关键问题亟待研究【_ 7 1 ，例如： ( 1 ) 信道信令的覆盖问题 多小区协同扩大了单个基站的覆盖范围。但为了达到协同控制的目标，控制信 令在协作簇内的传输是个关键问题。信道信令在覆盖区内的良好传输是保证协同 顺利进行的前提。 ( 2 ) 协作簇内的信令传输负载问题 多小区协作系统中，既需要考虑信令的覆盖范围，同时也要考虑信令在各接 入点之间的传输问题，各个接入点应但承担的信令处理比例。这些问题在上层网 络结构框架下，结合实际的协同算法实现时显得尤为重要。 4 第一章绪论 ( 3 ) 动态的多小区干扰协调 多小区协同需要考虑实时的动态协调。由于无线信道的快速变化特征，需要 多种协调机制来满足系统需求。小区间的干扰抑制需要在这种机制下灵活地选取 最优方式得以实现。 1 3课题来源和本文的工作 1 3 1课题来源 本课题来源于作者所在实验室与n t f - d o c o m o 公司的合作项目之一 m u l t i - u s e rp r e c o d i n ga n dc r o s sl a y e rs c h e d u l i n gf o rc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n s ”、 合作项目之二“c o o r d i n a t e dm u l t i p l ep o i n ti nl t e - a ”和与阿尔卡特- 上海一贝尔合作 项目“l t et d dl 1 l 2 算法分析、设计及仿真”。 1 3 2 本文结构及内容安排 本文余下几章的结构及内容安排如下： 第二章首先简单介绍了几种预编码方法，包括线性预编码和非线性预编码， 并进行了性能的仿真对比。接着介绍了3 g p p 中一种经典信道模型一s c m 信道，并 阐述了基于s c m 信道的多小区建模方法。最后介绍了l t e 中几种经典的多小区干 扰抑制方案。本章主要工作源于作者参与的与n t t - d o c o m o 合作的项目。 第三章研究了多小区基站调度和用户调度技术。首先介绍了l t e a 中的多小 区拓扑及网络层的信令传输机制。接着提出了一种基于门限函数的基站调度方法， 在保证系统性能的前提下，利用调度门限取代贪婪算法来极大地降低计算复杂度。 最后介绍了几种上行虚拟m i m o 的用户配对算法，并进行了仿真。仿真结果表明 利用信道的正交性，可以将两个单天线用户进行上行虚拟m i m o 的配对，可以大 幅度提高系统容量。本章的基站调度方法源于作者以第一作者身份发表的论文【2 丌， 上行虚拟m i m o 的研究源于作者参与的与a l c a t e l s h a n g h a i b e l l 的合作项目。 第四章研究了协同多小区的干扰抑制技术。首先介绍了基于预编码的多小区 联合发送方案；接着提出了一种多小区基于多点纳什均衡的功率分配方案，仿真 表明在基站调度的前提下，可以通过基站发射功率的优化可以进一步地提高系统 性能；最后提出了一种小区边缘用户干扰抑制方案，这在l t e a 中属于热点问题。 5 电子科技大学硕士学位论文 本章的基站功率分配方案源于作者以第一作者身份发表的论文，边缘小区用户干 扰抑制方案源于作者已完成的方案。 以上三章构成了本文的主题，它们可用图1 - 1 形象地表示。 第五章对全文进行了总结，并指出将继续进行的相关研究工作和未来可能的 研究方向。 多小区m i m o 系统中的协随 调度及干扰抑制技术的研究 多小区系统建模及传统 干扰抑制技术研究 多小区基站及多用户 调度技术研究 协同多小区的干考i c 抑制技术研究 预编码技术简介 基于s c y 信道的多小区系统建模 传统多小区干扰抑制的分类及存在的问题 协同多小区拓扑及信令传输机制 多小区基站调度技术研究 基于预编码的多用户调度技术研究 多小区联合发送技术 基于联合发送的多小区干扰抑制方案 图1 1 全文的研究思路和结构 6 第二章多小区系统建模及传统干扰抑制技术研究 第二章多小区系统建模及传统干扰抑制技术研究 2 1引言 本章主要介绍基于预编码技术的多小区干扰抑制相关问题，包括预编码技术 的简介，应用于多小区环境的s c m 信道，传统多小区干扰抑制技术介绍。 首先介绍了预编码技术，目前用于多用户发送赋形的预编码方式有线性编码 和非线性编码，包括z f 、m m s e 、t h p 、d p c 、基于s v d 预编码和基于码本预编 码等。比较了单用户下各种预编码下的误码率性能以及在多小区多用户环境下的 应用问题。 其次介绍了3 g p p 中经典信道模型s c m 信道，本信道完备地考虑了实际环境 中的各种影响信号的因素。基于该信道，本章提出了一种多小区建模的方案。本 模型根据项目要求，考虑了多小区发射结构，用户随机均匀分布的特点。该模型 将应用于第三、四章的多小区抑制方案实现的仿真环境。 最后为引出本文要研究的关键问题， 章介绍了传统多小区下的干扰抑制方案， 等方式，以进行对比。 2 2预编码技术简介 2 2 1系统模型 即l t e a 标准下的多小区抑制要求，本 包括干扰随机化，干扰删除，干扰协同 在m i m o 系统中，消除数据流和用户间干扰的一种有效手段是对发送的数据 进行预编码处理。根据用户反馈的c s i 等信息，可以采用适当的空间赋形向量对 相应的数据予以线性或非线性叠加，然后在发射天上发送。预编码后的信号通过 信道后，由于与信道的相关性，在接收端进行接收赋形后可以有效抑制干扰。 本节介绍的预编码技术以单用户m i m o 为结构，类似思想可以扩展到多小区 多用户m i m o 系统瞪j 。如图2 1 所示，基站配置，根发射天线，用户配置r 根 7 电子科技大学硕士学位论文 天线，发送的数据流输为m ，其中m r n j n ( f ，r ) 。用户数据为a ，预编码矩阵 为t ，接收赋形矩阵为b ，信道矩阵为h ，噪声为n 。则接收信号可以表示为： y = h t a + n ( 2 - 1 ) 经过接收赋形之后的信号可以表示为： 譬= b h t a + b n ( 2 2 ) 预编码矩阵和接收赋形矩阵的设计方案就是要尽量使得： b h t = i ( 2 3 ) 同时抑制噪声功率的放大。各种预编码设计方案都会导致噪声功率的变化，一个 好的设计方案应当尽量抑制噪声的放大。 2 2 2 信道反转预编码 m s o o o o 盘 o 图2 - 1 单用户预编码示意图 2 2 2 1z f 线性预均衡 在m m o 系统中，发射端天线上经预编码 9 】后的信号为： x = t a( 2 4 ) 其中a = 口la 2 口肘。i t 为原始发送信号，t 为m t x m r 维的预编码矩阵，其中 的第k 列表示第k 路数据流的预编码向量。 8 第二章多小区系统建模及传统干扰抑制技术研究 t = 阅_ ( 2 - 5 ) 为功率放缩因子，是为了保持发射端的发射总功率恒定。 豆= h j h 三 r ( 2 - 6 ) h 。为用户k 的m i m o 信道矩阵。通过预编码矩阵处理后，接收端数据矢量为： y = 古( 宜x + n ) = 专( 丘臆- l a - - i l ) = a + 万n ( 2 - 7 ) 其中： =( 2 - 8 ) 2 2 2 2m m s e 线性预均衡 发射端经过预编码【l o 】之后的信号为： x = t a ( 2 9 ) 在构建f 时采用m m s e 法则，与z f 预均衡不同，在接收端使得接收信号的误差 均方差最小，即： 于= a r g m 。i n l i p1 ( h t 矗+ n ) 一a i l 2 】 其中为功率约束因子，在发射端为