[摘要] 協(xié)同多點(diǎn)傳輸(CoMP)是圍繞LTE-A的目標(biāo)而提出的通過基站內(nèi)不同遠(yuǎn)程射頻單元(RRU)協(xié)作、基站和其所屬中繼協(xié)作和基站間協(xié)作等多種多點(diǎn)協(xié)作方式，減小小區(qū)邊緣干擾、提高小區(qū)邊緣頻譜效率、增加有效覆蓋的技術(shù)措施。CoMP中的聯(lián)合處理技術(shù)(JP)對(duì)系統(tǒng)性能的提升最大，JP對(duì)性能提升的主要途徑是基于信道信息的預(yù)編碼技術(shù)。在不同的CoMP場(chǎng)景下，各種預(yù)編碼方式各有優(yōu)劣。越來越多的研究更集中于從壓縮反饋量和優(yōu)化碼本設(shè)計(jì)兩個(gè)角度來實(shí)現(xiàn)預(yù)編碼的優(yōu)化。

[關(guān)鍵詞]預(yù)編碼;聯(lián)合處理;協(xié)同多點(diǎn)傳輸;信道信息反饋

Coordinated Multi-Point (CoMP) transmission/reception is an efficient way to reduce inter-cell interference， improve the spectrum efficiency and coverage in LTE-A system， through Remote Radio Unit (RRU)， base station or relay cooperation. Compared with other CoMP technologies， Joint Processing (JP)， which carries out precoding based on channel information， can achieve the biggest system performance gain. Different precoding methods are suitable for different CoMP scenarios. Recently， more and more research concentrates on feedback compression and coded book optimization in CoMP precoding.

precoding; joint processing; CoMP transmission; channel information feedback

在LTE標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)中，協(xié)同多點(diǎn)傳輸(CoMP)是一種重要的技術(shù)，其核心思想是通過多點(diǎn)協(xié)作，構(gòu)成虛擬多輸入多輸出(VMIMO)，以提升小區(qū)邊緣性能。協(xié)同多點(diǎn)傳輸有基站內(nèi)不同遠(yuǎn)程射頻單元(RRU)協(xié)作、基站和其所屬中繼協(xié)作和基站間協(xié)作等多種方式。各種不同的協(xié)同多點(diǎn)傳輸方式的實(shí)現(xiàn)均基于以下兩個(gè)條件:

(1)協(xié)作點(diǎn)之間的信息共享(包括到用戶設(shè)備的部分或全部信道狀態(tài)信息，在某些協(xié)作方式下還要求共享到用戶設(shè)備的數(shù)據(jù)信息)。

(2)聯(lián)合資源分配/調(diào)度。

在3GPP RAN1第57次會(huì)議上，各廠商一致通過了在協(xié)同多點(diǎn)傳輸(CoMP)技術(shù)中可能采用以下3種反饋策略[1]:

●顯式信道狀態(tài)/統(tǒng)計(jì)信息反饋;

●隱式信道狀態(tài)/統(tǒng)計(jì)信息反饋，如:信道質(zhì)量指示(CQI)、預(yù)編碼矩陣指示(PMI)、秩指示(RI);

●在TDD模式中利用信道互異性基于上行的探測(cè)參考信號(hào)(SRS)信號(hào)估計(jì)得到下行的信道狀態(tài)信息。

對(duì)于各種不同的反饋方法，相應(yīng)的有不同的預(yù)編碼方式。

按共享信息的程度不同，CoMP可以分為聯(lián)合處理(JP)和協(xié)作波束成型(CBF)兩種方式。其中CBF要求協(xié)作節(jié)點(diǎn)之間共享用戶設(shè)備(UE)的信道狀態(tài)信息;JP要求協(xié)作節(jié)點(diǎn)之間共享UE的信道狀態(tài)信息及數(shù)據(jù)信息。

由于基于JP的多用戶協(xié)作多點(diǎn)傳輸(CoMP-MU)方式能夠獲得更大的性能提升，本文主要研究一個(gè)室內(nèi)基帶處理單元(BBU)+多個(gè)RRU場(chǎng)景中JP方式下的CoMP-MU預(yù)編碼方法。

1 系統(tǒng)模型

CoMP系統(tǒng)中，聯(lián)合預(yù)編碼可以通過同一個(gè)BBU中多個(gè)RRU的以集中化的方式來完成。這些協(xié)作的RRU被叫做“CoMP-RRU”，為一個(gè)使用相同時(shí)頻資源塊的UE組服務(wù)。CoMP-RRU用聯(lián)合信號(hào)預(yù)編碼來減少小區(qū)間干擾，以提高系統(tǒng)頻譜效率，特別是邊緣用戶的吞吐率。

假設(shè)每一個(gè)RRU有n t個(gè)發(fā)送天線，每一個(gè)UE有n r個(gè)接收天線。一個(gè)CoMP-RRU由M 個(gè)協(xié)作RRU組成，這M個(gè)協(xié)作RRU為M 個(gè)使用相同時(shí)頻資源塊的UE服務(wù)。下行鏈路中，這M 個(gè)協(xié)作RRU和M 個(gè)UE可以形成一個(gè)虛擬(Mn r )×(Mn t )的MIMO系統(tǒng)，如圖1所示。

UE組中第n個(gè)載波上從CoMP-RRU到第u個(gè)用戶的信道矩陣表示為Hu[n ]=Gu[n ]Fu[n ]，其中，Gu[n ]是一個(gè)n t×(Mn r )維矩陣代表歸一化的復(fù)信道增益，F(xiàn)u[n ]是一個(gè)(Mnt ×Mn t )的對(duì)角矩陣，表達(dá)式為:

其中Pu，i [n ]=Ptxu[n ]×Pathlossu，i×Shadowingu，i(1≤i≤Mnt )是第u 個(gè)UE從第i 個(gè)發(fā)送天線的接收到的信號(hào)的平均功率。

因此，這個(gè)協(xié)作(Mn r )×(Mn t )虛擬MIMO系統(tǒng)第n 個(gè)載波上的復(fù)合信道矩陣表示為:

其中，l 代表第u 個(gè)UE的層數(shù)。

第u 個(gè)UE的數(shù)據(jù)矢量的聯(lián)合預(yù)編碼矩陣表示為Bu[n ]∈(Mn t×l )，CoMP-RRU的發(fā)送矢量由下式給出:

其中B [n ]= B 1[n ]，B 2[n ]，…，Bn [n ]，D[n ]= D1T [n ]，D 2T [n ]，…，DMT [n ] T。

第u個(gè)UE的接收矢量表示為:

其中N [n ]是一個(gè)n r×1維的噪聲和干擾矢量。

對(duì)于每一個(gè)UE，用來得到聯(lián)合預(yù)編碼矩陣BU[n ] ∈(Mn t×l)的算法即本文所要研究的預(yù)編碼方法。

2 CoMP-JP預(yù)編碼方法

2.1 基于信道矩陣的預(yù)編碼方法

最直接的預(yù)編碼方法是在發(fā)射端能夠獲得H [n ] 的條件下進(jìn)行預(yù)編碼。在TDD模式下，可以利用信道互異性，通過上行信道的SRS來估計(jì)下行的H [n ] ，在FDD模式下，H [n ] 則必須通過UE的反饋來得到。

下面列出了在這種情況下的預(yù)編碼方法[2]。

(1)迫零(ZF)波束成型算法

ZF波束成型算法通過信道H [n ] 的偽逆形式來引入完整的對(duì)角化。波束成型矩陣B [n ] 由下式給出:

B [n ] =H[n ]H (H[n ]H[n ]H )-1 F[n ](6)

B [n ]是H [n ]的偽逆矩陣，矩陣F [n ]用來保證發(fā)射功率歸一化，由下式給出:

其中f k [n ](1≤k≤Mn r )為:

H[n ] B[n ]是一個(gè)對(duì)角矩陣，表示包括多天線用戶自身內(nèi)部干擾在內(nèi)的所有干擾被完全消除。然而，多接收天線的用戶可以處理其自己的多天線接收信號(hào)，這使得ZF波束成型不是最理想的，所以，塊對(duì)角化的方法被提出。

(2)塊對(duì)角化(BD)算法

塊對(duì)角化(BD)算法是每一個(gè)接收端是多天線的情況下的另一種次優(yōu)解決方案。BD能夠消除掉組內(nèi)的所有用戶間干擾。

BD采用滿足Hi [n ]Bj [n ]=0(i≠j )的預(yù)編碼矩陣，這表示所有用戶間干擾將被消除。Hi [n ]是除了用戶i 的其他所有用戶的信道矩陣:

其中上標(biāo)H 表示Hermitian轉(zhuǎn)置，∑i [n ]是一個(gè)以Hi [n ]的奇異值為對(duì)角線元素的對(duì)角矩陣，維數(shù)等于Hi [n ]的秩。Vi (1)[n ] 由與非零奇異值對(duì)應(yīng)的奇異向量組成，Vi (0)[n ]由零奇異值對(duì)應(yīng)的奇異向量組成。Vi (0)[n ]是Hi [n ]的零空間的一組正交基。

用戶i 的獨(dú)立數(shù)據(jù)流個(gè)數(shù)li不能大于Vi (0)[n ]的列數(shù)，因此我們從Vi (0)[n ]的右邊選擇li 列表示為Vi (0)[n ]，作為用戶i 的BD預(yù)編碼矩陣:

用預(yù)編碼矩陣B[n ]，等效信道矩陣H[n ]B[n ]是塊對(duì)角化的，這意味著用戶間的干擾可以完全消除，而用戶自身的多天線干擾則繼續(xù)存在。

(3)BD+SVD算法

得到Vi (0)[n ]之后，對(duì)于所有(i≠j )，Hj [n ]Vi(0)[n ]=0，此時(shí)可以進(jìn)一步采用MIMO特征波束成型的方法來提高容量。等效信道矩陣Hi [n ]Vi(0)[n ]的SVD分解可得到:

其中Vi (1)[n ] 由非0奇異值對(duì)應(yīng)的奇異矢量組成，可以用來最大化用戶i接收的信號(hào)與干擾噪聲比(SINR)。

第n 個(gè)載波上的預(yù)編碼矩陣可以定義為:

直接H[n ]反饋[3]又存在幾種變化:如僅反饋有一定間隔的子載波上的H[n ]或同時(shí)反饋某些附加的時(shí)域信息。

由于發(fā)送端可以獲得預(yù)編碼后的等效信道，從而得到預(yù)編碼后UE的容量，所以可以基于容量最大化的原則選取用戶進(jìn)行配對(duì)。

直接信道矩陣反饋可以提供豐富的信道信息，但是對(duì)于FDD模式完美的信道矩陣信息反饋是不可能的，必須利用時(shí)域或頻域的信道相關(guān)性對(duì)反饋量進(jìn)行壓縮并采用合適的量化技術(shù)。

在時(shí)域、頻域上的平均或?qū)進(jìn)行量化都可能會(huì)導(dǎo)致H的嚴(yán)重失真，文獻(xiàn)[4]分析了平均和量化兩種壓縮反饋量的方法在不同的場(chǎng)景下對(duì)性能的影響。

在TDD模式CoMP中，如果采用Rel.8中的SRS設(shè)計(jì)會(huì)帶來協(xié)作小區(qū)SRS接收功率不足[5]和不同小區(qū)的SRS序列相關(guān)性性能較差[6]的問題，為了支持CoMP-JP，可能需要對(duì)現(xiàn)有的SRS信號(hào)進(jìn)行某種增強(qiáng)。

2.2 基于空間相關(guān)矩陣的預(yù)編碼方法

某些條件下，信道矩陣在時(shí)域、頻域上的平均或壓縮將極大的降低其有效性，這也使信道矩陣的反饋壓縮變得較為困難。但是信道的空間相關(guān)矩陣在頻域或時(shí)域上的平均卻不會(huì)造成很大失真，所以基于信道協(xié)方差矩陣進(jìn)行預(yù)編碼可能成為了一種更為有效的預(yù)編碼方法[7]。信道協(xié)方差矩陣定義為:

其中Ri 可以通過集合S的選取而在不同的子載波集合上做平均來得到，這樣就可以對(duì)反饋量進(jìn)行更為靈活的調(diào)整或壓縮。

以兩用戶為例，在基于R的預(yù)編碼方法中，假設(shè)UEi 和UEj 在同一時(shí)頻資源塊上進(jìn)行下行傳輸，兩用戶的預(yù)編碼矩陣分別為:

Bi =eig{(Rj +αNo iI )-1Ri }

Bj =eig{(Ri +αNo jI )-1Rj }(15)

其中Noi是在UEi 在接收到的干擾(不包含UEj 信號(hào)帶來的干擾)和噪聲功率和;α是比例調(diào)整因子;Ri，Rj是UEi和UEj的空間相關(guān)矩陣;eig(M )是矩陣M 的與最大的L 個(gè)特征值相對(duì)應(yīng)的特征向量，L 是到UE的數(shù)據(jù)流數(shù)。可以以下式的容量結(jié)果來作為用戶配對(duì)的依據(jù):

由于信道空間相關(guān)矩陣是一個(gè)n t×n r的復(fù)對(duì)稱矩陣，可以利用這一特性對(duì)反饋量進(jìn)行壓縮，例如當(dāng)n t =4時(shí)，只需要反饋16個(gè)實(shí)數(shù)。

由于與Rel.8相比，反饋信道空間相關(guān)矩陣的反饋量仍然較大，此外，部分廠商在基于碼本反饋方面存在固有利益，所以，目前對(duì)于是否采用這種方法各廠商仍有較大分歧。

2.3 基于碼本的預(yù)編碼方法

基于碼本的預(yù)編碼方法其原理是在收發(fā)端預(yù)先存儲(chǔ)一個(gè)碼本(即預(yù)編碼矩陣的集合)，接收端根據(jù)當(dāng)前的信道狀態(tài)以某種準(zhǔn)則選擇最好的預(yù)編碼矩陣，將預(yù)編碼矩陣編號(hào)(PMI)反饋回發(fā)射端。由于其反饋量小，同時(shí)與Rel.8兼容性好，在標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程中得到了很多公司的支持。Rel.8碼本主要是針對(duì)SU-MIMO的進(jìn)行設(shè)計(jì)，而對(duì)MU-MIMO或CoMP-MU來說，其性能并不是很好。

從CoMP來看，由于多點(diǎn)傳輸，碼本需要支持的天線數(shù)會(huì)到8根，4比特反饋8天線碼本與4比特反饋4天線碼本相比所帶來的性能提升非常有限[8]，所以需要更多的反饋比特?cái)?shù)來支持CoMP-MU。

一種方案是固定碼本設(shè)計(jì)，增加的反饋比特?cái)?shù)用于支持更大的碼本。這種方案的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、反饋開銷小。但是這種方案碼本對(duì)場(chǎng)景的適應(yīng)能力，及對(duì)系統(tǒng)性能的提升是有限的。研究表明，隨著碼本的增大，獲得的性能提升很快會(huì)趨于飽和，同時(shí)，對(duì)于不同的碼本設(shè)計(jì)(例如:基于DFT的碼本設(shè)計(jì)，基于Householder變換的碼本設(shè)計(jì)等)在飽和區(qū)域時(shí)其性能非常接近。

另外一種方案是設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)碼本，利用信道相關(guān)矩陣的長(zhǎng)時(shí)反饋值來調(diào)整當(dāng)前采用的碼本[9-11]。由于在慢衰落信道中信道相關(guān)矩陣R的變化緩慢，所以R的反饋時(shí)間間隔(即碼本自適應(yīng)的時(shí)間間隔)可以在設(shè)置得較長(zhǎng)，這樣與固定碼本方法相比增加的反饋量非常小。

在某些情況下上行SRS信號(hào)可以用來估計(jì)R。

自適應(yīng)碼本設(shè)計(jì)首先要確定一個(gè)基碼本，以8×16的基于復(fù)Hadamard變換(CHT)的碼本為例。在沒有利用信道空間相關(guān)矩陣R時(shí)，碼本為WDS;在采用R時(shí)，將采用碼本:

W=normalize(RWCHT )(17)

其中，函數(shù)normalize(g )表示將各列的二范數(shù)歸一化為1。此外R也可由前k 個(gè)特征向量構(gòu)成的Rk代替:

與固定碼本方法相比，自適應(yīng)碼本方法可以獲得較大的性能提升，但與前兩種方法相比，其能夠達(dá)到的性能還是很有限的。另外在基于碼本的預(yù)編碼方法中，用戶配對(duì)是一個(gè)較難解決的問題，這也限制了基于碼本的預(yù)編碼方法提升性能的能力。

對(duì)于固定碼本的預(yù)編碼方法，只能基于各用戶選取的預(yù)編碼矩陣的波束距離最小準(zhǔn)則(MBD)來進(jìn)行用戶配對(duì);對(duì)于自適應(yīng)碼本預(yù)編碼方法，先基于R做用戶配對(duì)是一種解決的思路，但是由于R的反饋時(shí)間間隔較大，這一方法的有效性還有待于進(jìn)一步的驗(yàn)證。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在LTE-A中各種CoMP-JP預(yù)編碼方法的復(fù)雜度、信令及資源要求以及能夠獲得的性能各有不同。從技術(shù)方向上看，目前仍主要集中在壓縮反饋量和優(yōu)化碼本設(shè)計(jì)。由于各廠商在CoMP預(yù)編碼的實(shí)現(xiàn)途徑上的觀點(diǎn)各不相同，且分歧較大，實(shí)際上導(dǎo)致了CoMP的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程比較緩慢，仍有待于進(jìn)一步的深入研究。

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收稿日期:2009-11-09

魏寧，電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室講師、博士，研究方向?yàn)橐苿?dòng)及無(wú)線通信系統(tǒng)、協(xié)同通信、信道編碼及MIMO-OFDM技術(shù)。

李少謙，電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、教授，研究方向?yàn)橐苿?dòng)及無(wú)線通信系統(tǒng)、通信系統(tǒng)集成電路、無(wú)線資源管理。

岳剛，電子科技大學(xué)抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在讀碩士研究生，研究方向?yàn)長(zhǎng)TE-A物理層算法、MIMO-OFDM系統(tǒng)。