LTE系統(tǒng)中的分布式空時(shí)中繼技術(shù)

[摘要] 中繼技術(shù)作為L(zhǎng)TE-Advanced系統(tǒng)的關(guān)鍵候選技術(shù)可為小區(qū)帶來(lái)更大的覆蓋范圍和系統(tǒng)容量。分布式空時(shí)中繼技術(shù)不僅可以充分利用中繼技術(shù)帶來(lái)的空間分集，又可以引入部分編碼增益，是中繼技術(shù)中最直接的應(yīng)用技術(shù)。比較目前提出的分布式空時(shí)中繼方案，得出基于解調(diào)-轉(zhuǎn)發(fā)方式的空時(shí)中繼編碼方案最適合LTE-Advanced系統(tǒng)的方案。同時(shí)，針對(duì)解調(diào)-轉(zhuǎn)發(fā)方式中存在的錯(cuò)誤傳遞問(wèn)題，提出基于門(mén)限的選擇性空時(shí)中繼方案，該方案以很小的系統(tǒng)復(fù)雜度換取了優(yōu)異的性能增益。

[關(guān)鍵詞]長(zhǎng)期演進(jìn);中繼技術(shù);分布式空時(shí)編碼;解調(diào)轉(zhuǎn)發(fā)

Relay is considered as one of the candidate key technologies for LTE-advanced system because it may enlarge cell coverage and enhance system capacity. Distributed Space-Time Coding (DSTC) not only exploits the spatial diversity from the relay structure， but also introduces partial coding gains. According to the performances of existing DSTC schemes， the Demodulate-and-Forward (DMF) scheme is the best candidate for DSTC in LTE-Advanced system. Moreover， a threshold-based selective relaying scheme for DSTC is proposed to solve the error propagation of DMF. This scheme can achieve excellent performance gains with very low system complexity.

LTE; relay technology; distributed space-time coding; demodulate-and-forward

基于通信產(chǎn)業(yè)對(duì)“移動(dòng)通信寬帶化”的認(rèn)識(shí)和應(yīng)對(duì)“寬帶接入移動(dòng)化”挑戰(zhàn)的需要，3GPP開(kāi)始了“長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)”的進(jìn)程[1]。LTE技術(shù)將實(shí)現(xiàn)一個(gè)高數(shù)據(jù)率、低延遲、分組業(yè)務(wù)優(yōu)化的系統(tǒng)，為未來(lái)寬帶無(wú)線業(yè)務(wù)提供有力的傳輸手段，滿足任何時(shí)間、任何地點(diǎn)用戶對(duì)IP多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。LTE-Advanced系統(tǒng)是LTE的平滑演進(jìn)，對(duì)LTE具有很強(qiáng)的兼容性。LTE-Advanced支持下行峰值速率1 Gbit/s和上行峰值速率500 Mbit/s的要求，同時(shí)強(qiáng)調(diào)降低終端/網(wǎng)絡(luò)的成本和功耗等需求[2]。根據(jù)現(xiàn)有的頻譜分配方案，獲得此容量的大寬帶頻譜在較高頻段，而該頻段路損和穿透損都較大，很難實(shí)現(xiàn)好的覆蓋。中繼技術(shù)作為L(zhǎng)TE-Advanced系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)可以很好地解決這一問(wèn)題，它為小區(qū)帶來(lái)更大的覆蓋范圍和系統(tǒng)容量[3]。中繼節(jié)點(diǎn)(RN)的復(fù)雜度遠(yuǎn)低于基站(eNB)，體積小，重量輕，易于選址，降低了運(yùn)營(yíng)商的成本和功耗。因此如何合理有效地利用中繼進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[4]。

1 中繼分類

按照中繼對(duì)接收信號(hào)的處理方式，可以把中繼分為3類:放大-轉(zhuǎn)發(fā)方式(AF)，解碼-轉(zhuǎn)發(fā)方式(DF)[5]和解調(diào)-轉(zhuǎn)發(fā)方式(DMF)[6]。假設(shè)基站發(fā)送的信號(hào)S，中繼接收的信號(hào)yr，基站到中繼的信道響應(yīng)hs r，中繼接收端噪聲n，中繼節(jié)點(diǎn)信號(hào)Sr，因此:

yr =hs r S +n(1)

Sr =f (yr )(2)

AF只是簡(jiǎn)單的放大信號(hào)yr ，將接收信號(hào)不經(jīng)任何處理直接放大發(fā)送出去，也就是:

Sr =ayr (3)

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是處理算法簡(jiǎn)單、延時(shí)小，缺點(diǎn)是放大有用信號(hào)的同時(shí)也放大了噪聲信號(hào)，降低了用戶端接收性能。

DF具有很高的處理復(fù)雜度，發(fā)射端對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)塊用糾錯(cuò)碼進(jìn)行保護(hù)，中繼在接收到整個(gè)數(shù)據(jù)塊后進(jìn)行解碼，如果得到正確的數(shù)據(jù)信息(CRC校驗(yàn))，中繼重新編碼發(fā)送出去，否則中繼關(guān)閉。

這種方式的優(yōu)點(diǎn)是完全去掉了信道和噪聲的影響，缺點(diǎn)是中繼解碼和編碼的復(fù)雜度較高，轉(zhuǎn)發(fā)的延遲大。在信道條件較差的情況下，DF方式會(huì)引起中繼大量數(shù)據(jù)包丟棄，從而引起鏈路中斷或者數(shù)據(jù)重傳。

DMF是中繼站采用最大似然解調(diào)接收信號(hào)，再轉(zhuǎn)發(fā)出去，也就是說(shuō):

S =argmin‖yr -hs r S‖2(5)

由于基站到各中繼的信道條件不同，各中繼解調(diào)輸出符號(hào)的置信度不同，為了提高系統(tǒng)性能，可以給各中繼的解調(diào)輸出不同的加權(quán)。加權(quán)系數(shù)與信道條件相關(guān)，信道條件越好，解調(diào)輸出符號(hào)的置信度越高，則加權(quán)系數(shù)越大;反之，則加權(quán)系數(shù)越小。這種考慮中繼解調(diào)置信度的轉(zhuǎn)發(fā)方式，稱之為加權(quán)解調(diào)-轉(zhuǎn)發(fā)(WDMF)。

WDMF與AF比較降低了噪聲的影響，相比于DF復(fù)雜度和轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)大大降低。WDMF實(shí)現(xiàn)了中繼復(fù)雜度和性能的較好折中，其性能曲線將在文章后面的仿真部分給出。

LTE標(biāo)準(zhǔn)中按照中繼處理數(shù)據(jù)在協(xié)議中的位置，RN可以分為層一中繼、層二中繼和層三中繼[7]。AF和WDMF可在以上3種RN中工作，即只關(guān)注物理層功能。而DF要涉及到少量MAC層功能，如數(shù)據(jù)分塊、CRC校驗(yàn)，所以只能在層二和層三中繼上工作。以下我們討論的僅是物理層的技術(shù)，因此對(duì)RN的協(xié)議棧沒(méi)有限制，也就是說(shuō)以下的結(jié)論適用于所有的RN。

2 分布式空時(shí)碼

利用地理上分離天線的特性，分布式節(jié)點(diǎn)可以極大地提高空間復(fù)用性能(由于較好的信道條件)和分集性能(由于強(qiáng)衰落的非相關(guān)性)。根據(jù)協(xié)作的方式，分布式空時(shí)中繼系統(tǒng)可分為兩類，用戶協(xié)作和中繼協(xié)作。

用戶協(xié)作就是用戶終端(UE)之間共享資源互相幫助傳輸數(shù)據(jù)。如圖1、圖2所示，在前兩個(gè)時(shí)隙UE1和UE2分別發(fā)送各自數(shù)據(jù)，由于無(wú)線信道的廣播特性UE1和UE2也分別接收到對(duì)方的數(shù)據(jù)，在下一個(gè)時(shí)隙UE1和UE2同時(shí)發(fā)送空時(shí)碼字。用戶協(xié)作的缺點(diǎn)是增加了用戶的處理負(fù)擔(dān)和能量消耗，例如數(shù)據(jù)解調(diào)、用戶同步等。用戶公平性、數(shù)據(jù)安全和兼容性等一系列問(wèn)題都仍需進(jìn)一步研究。

中繼協(xié)作，即多個(gè)中繼站協(xié)作為用戶提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。中繼協(xié)作避免了用戶協(xié)作帶來(lái)的數(shù)據(jù)安全問(wèn)題，而且RN之間的同步在eNB的控制下容易實(shí)現(xiàn)，不會(huì)增加用戶的處理負(fù)擔(dān)。同時(shí)在RN中可以實(shí)現(xiàn)功率分配、中繼選擇和用戶管理等能夠提高系統(tǒng)容量的功能[8]。最簡(jiǎn)單的功率分配方案是發(fā)射端的發(fā)射功率與中繼的總發(fā)送功率相等而各RN之間發(fā)射功率均勻分配。這種方案雖不是最優(yōu)的，但最易實(shí)現(xiàn)。圖3、圖4是一個(gè)中繼協(xié)作采用分布式空時(shí)編碼的例子，在上行傳輸中，UE在第一個(gè)時(shí)隙將數(shù)據(jù)發(fā)送到RN1和RN2，第2、3時(shí)隙中繼采用分布式空時(shí)碼發(fā)送數(shù)據(jù)到eNB。

在蜂窩小區(qū)中可能存在多個(gè)中繼站，考慮如圖5所示的蜂窩結(jié)構(gòu)，一個(gè)小區(qū)中分布了6個(gè)RN。圖中虛線表示一個(gè)RN所控制和管理UE的范圍，但是并不表示RN僅和該范圍內(nèi)的UE通信。為了降低RN之間的干擾和整個(gè)小區(qū)的干擾水平，我們僅考慮一個(gè)UE可以和2到4個(gè)RN之間可能存在中繼的鏈路。同時(shí)，由于空時(shí)編碼的復(fù)雜度與參與RN數(shù)量有關(guān)，較少的RN可以降低空時(shí)編碼的設(shè)計(jì)難度。

合理地設(shè)計(jì)分布式空時(shí)碼能夠取得滿分集增益和較大的編碼增益，同時(shí)具有非常低的編碼和譯碼復(fù)雜度[9]。現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法包括正交空時(shí)碼，準(zhǔn)正交空時(shí)碼[10]、隨機(jī)空時(shí)碼和線性離散碼[11]。定義Sr1，Sr2，…，Sr N 分別為各中繼的發(fā)送符號(hào)，分布式空時(shí)碼[12]就是一種將矢量Sr1，Sr2，…，Sr N 映射為碼字矩陣的過(guò)程，即:

正交設(shè)計(jì)保證碼字生成矩陣的列向量相互正交，它的特點(diǎn)是僅使用線性處理就有各符號(hào)相互獨(dú)立譯碼，能夠獲得滿分集增益。但是當(dāng)RN個(gè)數(shù)大于2時(shí)，不存在滿速率復(fù)正交生成矩陣，RN個(gè)數(shù)等于2、4和8時(shí)僅有實(shí)正交陣，因此嚴(yán)重的限制了系統(tǒng)調(diào)制方案的選擇。

為了設(shè)計(jì)滿速率碼，提出了準(zhǔn)正交空時(shí)碼，其生成矩陣的子空間正交。該碼能夠進(jìn)行符號(hào)對(duì)的獨(dú)立譯碼，但不能保證滿分集增益。正交空時(shí)設(shè)計(jì)和準(zhǔn)正交空時(shí)設(shè)計(jì)在分布式情況下，必須存在一個(gè)中心控制節(jié)點(diǎn)指定中繼發(fā)送碼字矩陣的行數(shù)。

正交設(shè)計(jì)和準(zhǔn)正交設(shè)計(jì)具有簡(jiǎn)單的譯碼結(jié)構(gòu)，但是碼率小于1，是低發(fā)送速率情況下的候選方案，如果不考慮譯碼復(fù)雜度，可以設(shè)計(jì)碼率大于1的碼字，分布式線性離散碼就是其中一種。分布式線性離散碼是發(fā)送符號(hào)及其共軛的線性組合，碼率由發(fā)送符號(hào)數(shù)決定，較高的碼率對(duì)應(yīng)較高的譯碼復(fù)雜度，因此譯碼器的實(shí)用性決定了最大符號(hào)數(shù)。分布式線性離散碼可以根據(jù)信道質(zhì)量靈活地改變碼率，提高平均吞吐量。而且分布式線性離散碼不需要重復(fù)分配編碼矩陣。

需要注意的是RN之間的不同步會(huì)嚴(yán)重影響分布式空時(shí)碼的性能。為了避免RN之間的載波同步，可以將碼字矩陣設(shè)計(jì)為對(duì)角陣，即在每個(gè)時(shí)隙只有一個(gè)RN轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，其他RN關(guān)閉，這樣僅僅需要符號(hào)同步和幀同步。最簡(jiǎn)單的情況是碼字生成矩陣為單位陣，即對(duì)發(fā)送信號(hào)不做處理直接轉(zhuǎn)發(fā)，這種編碼方案成為重復(fù)編碼。對(duì)角陣編碼方案是使用DFT矩陣進(jìn)行編碼[13]，此方案雖然可以緩解同步的壓力但是在編碼增益上不如其他編碼方案。

在LTE系統(tǒng)中，eNB可以對(duì)RN進(jìn)行管理，因此RN之間在一定程度上可以假設(shè)為同步狀態(tài)。

下面是分布式空時(shí)碼在AF、DF、DMF和WDMF轉(zhuǎn)發(fā)方式下的性能。仿真條件:所有信道服從單位復(fù)高斯分布，調(diào)制方式為二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為2，數(shù)據(jù)塊符號(hào)數(shù)為10，信噪比(SNR)定義為總發(fā)射功率與噪聲功率的比值。

圖6—9分別是AF、DF、DMF和WDMF 4種轉(zhuǎn)發(fā)方式下分布式離散碼(L-DSTC)、單位陣碼(I-DSTC)、正交碼(O-DSTC)和DFT對(duì)角陣碼(D-DSTC)的誤碼率(BER)性能曲線。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，在低SNR情況下，由于eNB到RN的信道較差，DF方式下BER接近1，即RN無(wú)法正確解碼，數(shù)據(jù)塊完全被丟棄。在高SNR條件下，DF方式在RN能夠正確恢復(fù)基站發(fā)送的數(shù)據(jù)，同時(shí)去掉了eNB到RN信道衰落和噪聲的影響，在用戶處獲得最好的BER性能。DMF和WDMF方式在低SNR條件下部分去掉了噪聲影響，性能優(yōu)于AF方式。但是在高SNR條件下，噪聲的影響較小，而DMF方式中繼解調(diào)錯(cuò)誤是引起性能損失的主要因素，所以DMF較AF有5 dB左右性能損失。WDMF方式部分抑制了中繼解調(diào)錯(cuò)誤對(duì)用戶的影響，因此WDMF性能優(yōu)于AF，在高SNR條件下與AF相比可以獲得大約2 dB增益。WDMF方式在高SNR條件下與最優(yōu)的DF性能比較性能損失小于1 dB。因此WDMF方式從性能和處理復(fù)雜度方面考慮，完全適于LTE中繼技術(shù)低復(fù)雜度、高性能的要求。

圖10是L-DSTC、I-DSTC、O-DSTC和D-DSTC在WDMF方式下的BER性能曲線。4種分布式空時(shí)碼生成矩陣的秩等于2，在高SNR下近似獲得滿分集增益;O-DSTC具有更大的編碼增益，因此性能優(yōu)于其他三種空時(shí)碼。LTE蜂窩小區(qū)與全分布式網(wǎng)絡(luò)不同，eNB可以作為所有RN的中心控制節(jié)點(diǎn)，它可以完成RN的同步以及空時(shí)碼字指派。另外正交空時(shí)碼的低復(fù)雜度接收機(jī)降低了用戶端的功耗。因此當(dāng)需要的RN個(gè)數(shù)為2(適于任意調(diào)制星座)或者4(僅適用于實(shí)調(diào)制星座)時(shí)O-DSTC可以作為L(zhǎng)TE系統(tǒng)的最優(yōu)選擇。當(dāng)然，如果考慮自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)(AMC)和RN的選擇技術(shù)，L-DSTC更具有靈活性，可以應(yīng)用于任何的調(diào)制模式和RN個(gè)數(shù)的配置。

3 選擇性空時(shí)中繼方式

雖然基于DMF的分布式空時(shí)編碼在復(fù)雜度和性能的折中方面適于LTE系統(tǒng)，但是在中繼站解調(diào)時(shí)發(fā)生的錯(cuò)誤會(huì)被傳遞到eNB，這樣會(huì)對(duì)接收性能產(chǎn)生較大的損失，文獻(xiàn)[14]證明了DMF模式下的多中繼傳輸最大能獲得的空間分集增益為其中繼數(shù)量的一半。WDMF雖然一定程度上改善了DMF的性能，然而其在高信噪比的性能仍然被錯(cuò)誤傳遞所限制。為了改善WDMF方式的錯(cuò)誤傳遞，一些增強(qiáng)型的WDMF中繼方式被提了出來(lái)。主要的方法可以分為兩類，自適應(yīng)中繼模式和選擇性中繼模式。文獻(xiàn)[15]提出了根據(jù)接收信噪比大小，增加或者減少中繼的發(fā)射功率，這樣可以增強(qiáng)可靠中繼信號(hào)的功率，降低不可靠中繼信號(hào)的功率。文獻(xiàn)[15]提出了以最小化eNB的誤碼率作為目標(biāo)選擇性DMF中繼，如果RN接收信噪比大于一個(gè)預(yù)先設(shè)定，那么該節(jié)點(diǎn)能進(jìn)行信號(hào)中繼，否則不然。選擇性的中繼模式比自適應(yīng)的中繼模式更容易實(shí)現(xiàn)，并且可以在直接信道不存在時(shí)仍然可以工作，因此選擇中繼DMF中繼模式更適于應(yīng)用于LTE系統(tǒng)。然而由于傳遞的錯(cuò)誤和接收噪聲相乘，因此在分布式空時(shí)中繼系統(tǒng)下很難給出精確地誤碼率表達(dá)式。

為了計(jì)算誤碼率，文獻(xiàn)[15]引入了大量的高信噪比近似，并且其結(jié)果僅適于二進(jìn)制調(diào)制的中繼系統(tǒng)。更重要的是以上的研究只是考慮重復(fù)編碼的情況，由于解調(diào)錯(cuò)誤會(huì)被RN編碼，因此在分布式空時(shí)中繼系統(tǒng)中錯(cuò)誤傳遞更加嚴(yán)重。

文獻(xiàn)[15]針對(duì)分布式空時(shí)編碼系統(tǒng)中的錯(cuò)誤傳遞提出了兩種基于預(yù)設(shè)門(mén)限的選擇性DMF中繼模式，稱之為集中式選擇中繼和分布式選擇中繼。這兩種模式適于任意調(diào)制星座，任何中繼數(shù)量，并且繼承了文獻(xiàn)[15]提出的門(mén)限選擇機(jī)制。集中式的選擇中繼模式將解調(diào)錯(cuò)誤當(dāng)作一種等效的干擾噪聲并將其歸到噪聲項(xiàng)，這樣就可以定義新的信噪比，門(mén)限選擇的目標(biāo)就是使這種等效的信噪比最大化。由于需要知道所有中繼系統(tǒng)的所有平均信道信息，因此集中式的選擇中繼需要在eNB或者某個(gè)RN加裝集中控制模塊用于計(jì)算各個(gè)RN的接收信噪比門(mén)限并廣播給各個(gè)RN。分布式選擇性中繼模式將每一條中繼信道和中繼看作一個(gè)等效的信道，每個(gè)中繼只需判斷自己發(fā)射到接收機(jī)的信號(hào)是是否會(huì)引起等效信道的錯(cuò)誤概率增加。在分布式選擇性中繼模式中每個(gè)中繼僅需要知道自己的接收和發(fā)射信道的平均信道信息，因此不需要RN之間的信道信息交互。需要注意的是，如果使用O-DSTC或者D-DSTC作為編碼方案，需要在工作的RN數(shù)量變化時(shí)重新設(shè)計(jì)編碼矩陣和重新分配碼字。為了避免RN與eNB之間過(guò)多的信息交互，我們考慮使用L-DSTC以避免以上問(wèn)題。LTE-A系統(tǒng)目前還未確定RN之間的交互過(guò)程，因此提出的兩種選擇性中繼模式為L(zhǎng)TE-A系統(tǒng)提供了有用的參考。圖11給出了在4個(gè)中繼，數(shù)據(jù)塊大小為4時(shí)的系統(tǒng)仿真。從圖中可知，選擇性中繼方式可以提高大約2 dB的功率增益，并且集中式選擇中繼略好于分布式選擇中繼。具體細(xì)節(jié)請(qǐng)參見(jiàn)文獻(xiàn)[15]，這里不再贅述。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析和比較各種分布式空時(shí)中繼方案，我們得出以下結(jié)論:(1)基于RN的中繼協(xié)作技術(shù)適用于現(xiàn)有的LTE標(biāo)準(zhǔn);(2)從復(fù)雜度和性能折中的角度來(lái)看，加權(quán)解調(diào)-轉(zhuǎn)發(fā)方式最適合于LTE系統(tǒng)中的分布式空時(shí)中繼系統(tǒng);(3)對(duì)于2-RN中繼系統(tǒng)，基于正交設(shè)計(jì)的分布式空時(shí)碼最優(yōu)，而為了減少RN之間的信息互通以及適應(yīng)任意數(shù)量RN和任意調(diào)制星座的環(huán)境，建議使用分布式離散碼作為候選技術(shù);(4)通過(guò)一定準(zhǔn)則的中繼選擇可以較大地提高解調(diào)轉(zhuǎn)發(fā)方式下分布式空時(shí)編碼的性能。

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收稿日期:2009-11-03

衛(wèi)國(guó)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，多媒體計(jì)算與通信教育部微軟重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，國(guó)家寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)重大專項(xiàng)總體專家組成員，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信技術(shù)，移動(dòng)通信網(wǎng)和信號(hào)處理。

張超，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)在讀博士研究生，主要從事協(xié)作通信和超寬帶技術(shù)研究。已發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇。

王磊，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)在讀博士研究生，主要從事協(xié)作通信和信道編碼技術(shù)研究，已發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇。