[摘要] 文章提出了一種多點協(xié)作傳輸中多點聯(lián)合傳輸?shù)姆椒ǎ摲桨笇⒖諘r/頻編碼與波束賦形技術以及預編碼技術與波束賦形技術相結合，首先進行空時/頻編碼和預編碼處理，并將經過處理后獲得的多路數(shù)據分別通過波束賦形映射到多個協(xié)作節(jié)點進行傳輸;然后通過空時/頻編碼與波束賦形技術的結合，接收方獲得更大的分集增益，同時獲得波束賦形增益;最后將預編碼處理與波束賦形應用到多點協(xié)作中，使得各個發(fā)送節(jié)點的信號在接收方合并，從而使得各層之間的信號更加獨立，并獲得波束賦形增益。

[關鍵詞]多點協(xié)作傳輸;多點聯(lián)合傳輸;空時/頻編碼;波束賦形;預編碼

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

隨著LTE-A需求的提出，人們對小區(qū)平均頻譜效率和小區(qū)邊緣頻譜效率越來越重視，相比較而言，小區(qū)邊緣的頻譜效率最受人們關注，這主要是因為LTE-A系統(tǒng)的上下行都是以正交頻分復用(OFDM)為基本多址復用方式的頻分系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的以CDMA為基本多址復用方式的無線通信系統(tǒng)不同，LTE-A系統(tǒng)沒有處理增益，小區(qū)內部因為完全頻分正交，所以幾乎沒有干擾問題，但在小區(qū)邊緣處的干擾處理相對棘手。

多點協(xié)作傳輸技術是利用多個小區(qū)的發(fā)射天線協(xié)作傳輸來實現(xiàn)小區(qū)邊緣處無線鏈路的較高容量和可靠傳輸，可以有效解決小區(qū)邊緣干擾問題。多節(jié)點協(xié)作聯(lián)合傳輸?shù)姆绞街饕梢苑譃閮深?信號相關的傳輸方式和信號非相關的傳輸方式。相關的傳輸方式是指要求各個節(jié)點傳輸?shù)男盘栐诮邮辗骄哂幸欢ǖ南嚓P特性，從而使得各信號能夠獲得較大的合并增益;非相關的傳輸則不需要考慮信號在接收方的相關特性，其主要獲得的是分集增益。

本文結合上述兩類方式，分別提出了基于非相關的多點聯(lián)合傳輸方式和基于相關的多點聯(lián)合傳輸方式。

1 多點協(xié)作傳輸系統(tǒng)

多點傳輸系統(tǒng)，主要是基于解決小區(qū)邊緣干擾問題而提出的，其基本原理是對邊緣用戶干擾較強的多個小區(qū)通過聯(lián)合調度降低對小區(qū)邊緣用戶的干擾，或者聯(lián)合傳輸?shù)姆绞?，進一步地提高小區(qū)邊緣用戶的接收功率，從而改善小區(qū)邊緣用戶的感受。其基本原理示意圖如圖1所示。位于小區(qū)邊緣的用戶1(UE1)同時被多個小區(qū)1、小區(qū)2以及小區(qū)3服務。從而消除其他小區(qū)對邊緣用戶的干擾，同時可以通過聯(lián)合傳輸提高小區(qū)邊緣用戶的信號質量。

2 多節(jié)點聯(lián)合傳輸?shù)姆椒?/p>

多節(jié)點聯(lián)合傳輸是通過對用戶干擾嚴重的小區(qū)之間聯(lián)合調度或者聯(lián)合傳輸解決干擾問題。多節(jié)點聯(lián)合傳輸方法主要可以分為兩類，非相關聯(lián)合傳輸和相關聯(lián)合傳輸。本文分別對給出的非相關聯(lián)合傳輸和協(xié)作聯(lián)合傳輸?shù)姆椒ㄟM行介紹。

2.1 基于非相關的多點聯(lián)合傳輸方法

在單小區(qū)的傳輸中，常用的非相關傳輸?shù)姆绞街饕情_環(huán)傳輸方案，其中文獻[1-3]給出了基于空時/頻編碼的傳輸分集方案，而文獻[4-6]則給出了基于循環(huán)時延的傳輸分集方案。多點協(xié)作傳輸系統(tǒng)中，最簡單的采用類似于組播和廣播業(yè)務(MBMS)中的傳輸方式，即各個節(jié)點發(fā)送相同的信號，通過空間進行合并，但是在實際應用場景中，由于空間信道的隨機特性，無法保證信號的有效合并。Alamouti提出的空時頻編碼的方案可以在2個發(fā)射天線時獲得最大的分集增益，而波束賦形技術，可以使發(fā)射信號的功率集中在一定角度范圍的方向上，從而使接收方獲得更大接收功率?？諘r頻分組編碼后得到的多路數(shù)據在接收方是通過接收算法獲得合并增益的，因此可以考慮將空時頻分組編碼后的多路數(shù)據分別映射到不同的節(jié)點上進行傳輸。

假設待發(fā)送的數(shù)據序列為[s 1，s 2，…，s n ]，首先進行空時分組碼/空頻塊編碼(STBC/SFBC)編碼，經過分集處理后的數(shù)據表示為

分別將S 1和S 2映射到不同的節(jié)點上，假設進行多點協(xié)作傳輸?shù)母鱾€節(jié)點的發(fā)射天線數(shù)目為Nti，其中i 表示第i個發(fā)射節(jié)點。為了將一路數(shù)據Sk映射到Nti 個天線上，設置波束賦形權值Bi，并用Bi 對數(shù)據Sk進行處理，其中Bi為Nti×1的矩陣。則節(jié)點i 發(fā)出的信號經過空間信道后，在UE測得的表示形式為:

由公式(2)可以看出，此時UE側可以利用He i直接按照Alamouti的檢測方法進行檢測。而He i 為多個發(fā)射天線與接收天線之間信道通過Bi 處理得到的相關合并信道，因此可以獲得較大的功率增益，同時由于兩個節(jié)點之間處于不同的物理位置，可以獲得更大的分集增益。

當參與協(xié)作的節(jié)點數(shù)目較多時，可以在上述方法的基礎上，對節(jié)點進行分組，即將協(xié)作節(jié)點分為兩組，同一組內傳輸相同的一路經過SFBC編碼的數(shù)據?；蛘邽榱双@得更大的分集增益，對數(shù)據[s 1，s 2，…，s n ]進行SFBC+FSTD的編碼，即將

2.2 基于相關的多點聯(lián)合傳輸方法

預編碼技術是指為了簡化接收機的檢測算法，發(fā)射機事先根據信道信息進行一定的預處理。預編碼技術分為線性預編碼和非線性預編碼技術[7-11]。常用的線性預編碼技術包括基于信道奇異值分解(SVD)的預編碼、基于迫零算法的預編碼、基于MMSE算法的預編碼等，而非線性預編碼中常用的是湯姆林森-哈拉希瑪預編碼(THP)或臟紙預編碼。在當前標準協(xié)議的研究討論過程中，對于預編碼技術主要考慮的是基于線性處理的預編碼。

本文提出的多點聯(lián)合傳輸中的預編碼處理方式是將預編碼技術與波束賦形技術結合用于多點協(xié)作傳輸。該方案的基本思想是，不同的參與協(xié)作傳輸?shù)墓?jié)點分別傳輸經過預編碼后得到的一路數(shù)據，并將該路數(shù)據進行波束賦形之后發(fā)送出去。原理框圖結構如圖2所示。

假設預編碼的可用層數(shù)目為L，在某載波上待發(fā)送的數(shù)據為[s 1，s 2，…，s L ]T，預編碼矩陣為W 為P×L 維預編碼矩陣，其中P 為發(fā)送端口(或協(xié)作節(jié)點)的個數(shù);，為某個發(fā)送端口進行波束賦形所用的波束矢量，其中[.]T 表示對矩陣的轉置。

在這種方法中，假設協(xié)作節(jié)點的個數(shù)為P，首先，對應每個節(jié)點p，可以根據其對應的信道Hp獲得波束賦形矢量Bp，也可以通過信道互益性或DOA估計方法獲取。經過波束賦形后的等效信道為He p =Hp#8226;Bp，其中Hp為N r×N的矩陣，則He p 為N r×1的信道矩陣，于是所有節(jié)點的等效信道構成N r×P 的信道矩陣He。進一步地，根據He 可以獲得用于進行預編碼的預編碼權值矩陣W。對應于協(xié)作節(jié)點p，使用預編碼權值矩陣中的W 的第p 行Wp 進行預編碼處理。因此最終的接收信號為:

式中，Hn'=Hn Bn ，1≤n≤P 為終端測得的參與協(xié)作的第n 個節(jié)點的信道，為Nr×1維矩陣;Hn，1≤n≤P 為第n個協(xié)作節(jié)點與終端間的信道，為N r×N t，n 維矩陣;Bn 為方向權值矢量，為N t ，n×1維矢量;Wn'，1≤n≤N為1×L 維矩陣。

在上述處理中，每個節(jié)點的預處理分為兩個過程:(1)預編碼處理。每個節(jié)點使用預編碼權值矩陣中的一行進行預編碼處理，從而保證各個節(jié)點信號的相關特性。(2)波束賦形處理。保證每個節(jié)點的信號在終端所對應的一定角度內，從而獲得波束賦形的功率增益。

3 仿真結果

文獻[12-14]中分別給出了基于系統(tǒng)幀標號(SFN)和基于循環(huán)延遲分集(CDD)的非相關傳輸方案、基于聯(lián)合預編碼和獨立預編碼的處理方案以及系統(tǒng)幀標號預編碼方案，本文分別基于相關和非相關傳輸方案與其他方案進行了比較，仿真結果如圖3和圖4所示。

仿真中所使用的參數(shù)配置為每個節(jié)點配置2對雙極化天線，參與協(xié)作傳輸?shù)男^(qū)數(shù)目為2，信道模型為城市宏小區(qū)空間信道模型(SCM)，系統(tǒng)帶寬為5 MHz，并采用理想信道估計方法，基站側天線間距配置為0.5波長，終端側為0.5波長，檢測算法采用迫零算法(ZF)檢測，波束權值采用基于基于特征值分解的波束賦形(EBB)的方法獲得，非相關傳輸時，僅僅傳輸1個數(shù)據流，而相關模式下，傳輸2個數(shù)據流。

從仿真結果來看，當采用理想波束權值時，在非相關方式下，本文提出的方案可以獲得很大的增益，而在相關模式下，性能僅次于聯(lián)合預編碼方案。

4 結束語

本文給出了多點協(xié)作傳輸系統(tǒng)中一種多點協(xié)作聯(lián)合傳輸?shù)姆椒?，利用波束賦形技術與空時頻編碼或預編碼技術結合，將空時頻編碼或預編碼處理后得到的各路數(shù)據映射到不同的節(jié)點傳輸，從而同時獲得分集增益和波束賦形功率增益。另外，通過波束賦形技術，當各個節(jié)點對導頻信號采用相同的賦形處理后，可以實現(xiàn)終端在接收信號處理方法上對多點協(xié)作傳輸與非多點協(xié)作聯(lián)合傳輸透明，從而簡化終端的處理復雜度[15-17]。從仿真結果來看，預編碼與波束賦形結合的方法可以獲得與聯(lián)合預編碼相近的性能，而UE接收的處理復雜度以及碼本的設計復雜度要遠遠低于聯(lián)合預編碼的性能。而非相關方式下，將SFBC與波束賦形技術結合的性能遠遠好于基于SFN或基于CDD的方案的性能。

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收稿日期:2009-10-28

孫云鋒，西安電子科技大學畢業(yè)，中興通訊股份有限公司無線預研部高級工程師，主要研究方向為移動通信物理層關鍵技術，已發(fā)表論文40余篇。

姜靜，西北工業(yè)大學畢業(yè)，中興通訊股份有限公司無線預研部高級工程師，主要研究方向為移動通信物理層關鍵技術，已發(fā)表論文40余篇。

胡留軍，哈爾濱工程大學畢業(yè)，中興通訊股份有限公司無線預研部部長、高級工程師，主要研究方向為移動通信網絡及其關鍵技術，已發(fā)表論文80余篇。