多点协作传输中的联合传输方法

[摘要] 文章提出了一种多点协作传输中多点联合传输的方法,该方案将空时/频编码与波束赋形技术以及预编码技术与波束赋形技术相结合,首先进行空时/频编码和预编码处理,并将经过处理后获得的多路数据分别通过波束赋形映射到多个协作节点进行传输;然后通过空时/频编码与波束赋形技术的结合,接收方获得更大的分集增益,同时获得波束赋形增益;最后将预编码处理与波束赋形应用到多点协作中,使得各个发送节点的信号在接收方合并,从而使得各层之间的信号更加独立,并获得波束赋形增益。

[关键词]多点协作传输;多点联合传输;空时/频编码;波束赋形;预编码

In this paper, we propose a multi-point joint transmission method for Coordinated Multi-Point (CoMP) transmission and reception system. This solution combines beamforming with both space time/frequency coding and pre-coding technologies. The multi-path data obtained by space time/frequency coding and pre-coding will be mapped by beamforming technology to multiple coordinated nodes for transmission. The signal receiver can get bigger diversity gain and beamforming gain as well through the combination of space time/frequency coding and beamforming. Moreover, precoding and beamforming can help the signals transmitted from separated nodes in CoMP system combined at the receiver, which makes the signals at different layers more independent and obtains beamforming gain.

coordinated multi-point transmission and reception; multi-point joint transmission; space time/frequency coding; beamforming; precoding.wireless network; joint radio resource management

随着LTE-A需求的提出,人们对小区平均频谱效率和小区边缘频谱效率越来越重视,相比较而言,小区边缘的频谱效率最受人们关注,这主要是因为LTE-A系统的上下行都是以正交频分复用(OFDM)为基本多址复用方式的频分系统,与传统的以CDMA为基本多址复用方式的无线通信系统不同,LTE-A系统没有处理增益,小区内部因为完全频分正交,所以几乎没有干扰问题,但在小区边缘处的干扰处理相对棘手。

多点协作传输技术是利用多个小区的发射天线协作传输来实现小区边缘处无线链路的较高容量和可靠传输,可以有效解决小区边缘干扰问题。多节点协作联合传输的方式主要可以分为两类:信号相关的传输方式和信号非相关的传输方式。相关的传输方式是指要求各个节点传输的信号在接收方具有一定的相关特性,从而使得各信号能够获得较大的合并增益;非相关的传输则不需要考虑信号在接收方的相关特性,其主要获得的是分集增益。

本文结合上述两类方式,分别提出了基于非相关的多点联合传输方式和基于相关的多点联合传输方式。

1 多点协作传输系统

多点传输系统,主要是基于解决小区边缘干扰问题而提出的,其基本原理是对边缘用户干扰较强的多个小区通过联合调度降低对小区边缘用户的干扰,或者联合传输的方式,进一步地提高小区边缘用户的接收功率,从而改善小区边缘用户的感受。其基本原理示意图如图1所示。位于小区边缘的用户1(UE1)同时被多个小区1、小区2以及小区3服务。从而消除其他小区对边缘用户的干扰,同时可以通过联合传输提高小区边缘用户的信号质量。

2 多节点联合传输的方法

多节点联合传输是通过对用户干扰严重的小区之间联合调度或者联合传输解决干扰问题。多节点联合传输方法主要可以分为两类,非相关联合传输和相关联合传输。本文分别对给出的非相关联合传输和协作联合传输的方法进行介绍。

2.1 基于非相关的多点联合传输方法

在单小区的传输中,常用的非相关传输的方式主要是开环传输方案,其中文献[1-3]给出了基于空时/频编码的传输分集方案,而文献[4-6]则给出了基于循环时延的传输分集方案。多点协作传输系统中,最简单的采用类似于组播和广播业务(MBMS)中的传输方式,即各个节点发送相同的信号,通过空间进行合并,但是在实际应用场景中,由于空间信道的随机特性,无法保证信号的有效合并。Alamouti提出的空时频编码的方案可以在2个发射天线时获得最大的分集增益,而波束赋形技术,可以使发射信号的功率集中在一定角度范围的方向上,从而使接收方获得更大接收功率。空时频分组编码后得到的多路数据在接收方是通过接收算法获得合并增益的,因此可以考虑将空时频分组编码后的多路数据分别映射到不同的节点上进行传输。

假设待发送的数据序列为[s 1,s 2,…,s n ],首先进行空时分组码/空频块编码(STBC/SFBC)编码,经过分集处理后的数据表示为

分别将S 1和S 2映射到不同的节点上,假设进行多点协作传输的各个节点的发射天线数目为Nti,其中i 表示第i个发射节点。为了将一路数据Sk映射到Nti 个天线上,设置波束赋形权值Bi,并用Bi 对数据Sk进行处理,其中Bi为Nti×1的矩阵。则节点i 发出的信号经过空间信道后,在UE测得的表示形式为:

由公式(2)可以看出,此时UE侧可以利用He i直接按照Alamouti的检测方法进行检测。而He i 为多个发射天线与接收天线之间信道通过Bi 处理得到的相关合并信道,因此可以获得较大的功率增益,同时由于两个节点之间处于不同的物理位置,可以获得更大的分集增益。

当参与协作的节点数目较多时,可以在上述方法的基础上,对节点进行分组,即将协作节点分为两组,同一组内传输相同的一路经过SFBC编码的数据。或者为了获得更大的分集增益,对数据[s 1,s 2,…,s n ]进行SFBC+FSTD的编码,即将

2.2 基于相关的多点联合传输方法

预编码技术是指为了简化接收机的检测算法,发射机事先根据信道信息进行一定的预处理。预编码技术分为线性预编码和非线性预编码技术[7-11]。常用的线性预编码技术包括基于信道奇异值分解(SVD)的预编码、基于迫零算法的预编码、基于MMSE算法的预编码等,而非线性预编码中常用的是汤姆林森-哈拉希玛预编码(THP)或脏纸预编码。在当前标准协议的研究讨论过程中,对于预编码技术主要考虑的是基于线性处理的预编码。

本文提出的多点联合传输中的预编码处理方式是将预编码技术与波束赋形技术结合用于多点协作传输。该方案的基本思想是,不同的参与协作传输的节点分别传输经过预编码后得到的一路数据,并将该路数据进行波束赋形之后发送出去。原理框图结构如图2所示。

假设预编码的可用层数目为L,在某载波上待发送的数据为[s 1,s 2,…,s L ]T,预编码矩阵为W 为P×L 维预编码矩阵,其中P 为发送端口(或协作节点)的个数;,为某个发送端口进行波束赋形所用的波束矢量,其中[.]T 表示对矩阵的转置。

在这种方法中,假设协作节点的个数为P,首先,对应每个节点p,可以根据其对应的信道Hp获得波束赋形矢量Bp,也可以通过信道互益性或DOA估计方法获取。经过波束赋形后的等效信道为He p =Hp•Bp,其中Hp为N r×N的矩阵,则He p 为N r×1的信道矩阵,于是所有节点的等效信道构成N r×P 的信道矩阵He。进一步地,根据He 可以获得用于进行预编码的预编码权值矩阵W。对应于协作节点p,使用预编码权值矩阵中的W 的第p 行Wp 进行预编码处理。因此最终的接收信号为:

式中,Hn"=Hn Bn ,1≤n≤P 为终端测得的参与协作的第n 个节点的信道,为Nr×1维矩阵;Hn,1≤n≤P 为第n个协作节点与终端间的信道,为N r×N t,n 维矩阵;Bn 为方向权值矢量,为N t ,n×1维矢量;Wn",1≤n≤N为1×L 维矩阵。

在上述处理中,每个节点的预处理分为两个过程:(1)预编码处理。每个节点使用预编码权值矩阵中的一行进行预编码处理,从而保证各个节点信号的相关特性。(2)波束赋形处理。保证每个节点的信号在终端所对应的一定角度内,从而获得波束赋形的功率增益。

3 仿真结果

文献[12-14]中分别给出了基于系统帧标号(SFN)和基于循环延迟分集(CDD)的非相关传输方案、基于联合预编码和独立预编码的处理方案以及系统帧标号预编码方案,本文分别基于相关和非相关传输方案与其他方案进行了比较,仿真结果如图3和图4所示。

仿真中所使用的参数配置为每个节点配置2对双极化天线,参与协作传输的小区数目为2,信道模型为城市宏小区空间信道模型(SCM),系统带宽为5 MHz,并采用理想信道估计方法,基站侧天线间距配置为0.5波长,终端侧为0.5波长,检测算法采用迫零算法(ZF)检测,波束权值采用基于基于特征值分解的波束赋形(EBB)的方法获得,非相关传输时,仅仅传输1个数据流,而相关模式下,传输2个数据流。

从仿真结果来看,当采用理想波束权值时,在非相关方式下,本文提出的方案可以获得很大的增益,而在相关模式下,性能仅次于联合预编码方案。

4 结束语

本文给出了多点协作传输系统中一种多点协作联合传输的方法,利用波束赋形技术与空时频编码或预编码技术结合,将空时频编码或预编码处理后得到的各路数据映射到不同的节点传输,从而同时获得分集增益和波束赋形功率增益。另外,通过波束赋形技术,当各个节点对导频信号采用相同的赋形处理后,可以实现终端在接收信号处理方法上对多点协作传输与非多点协作联合传输透明,从而简化终端的处理复杂度[15-17]。从仿真结果来看,预编码与波束赋形结合的方法可以获得与联合预编码相近的性能,而UE接收的处理复杂度以及码本的设计复杂度要远远低于联合预编码的性能。而非相关方式下,将SFBC与波束赋形技术结合的性能远远好于基于SFN或基于CDD的方案的性能。

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收稿日期:2009-10-28

孙云锋,西安电子科技大学毕业,中兴通讯股份有限公司无线预研部高级工程师,主要研究方向为移动通信物理层关键技术,已发表论文40余篇。

姜静,西北工业大学毕业,中兴通讯股份有限公司无线预研部高级工程师,主要研究方向为移动通信物理层关键技术,已发表论文40余篇。

胡留军,哈尔滨工程大学毕业,中兴通讯股份有限公司无线预研部部长、高级工程师,主要研究方向为移动通信网络及其关键技术,已发表论文80余篇。

推荐访问:传输 多点 协作 联合 方法