LTE-A中協(xié)同多點傳輸?shù)穆?lián)合處理預編碼方法

[摘要] 協(xié)同多點傳輸(CoMP)是圍繞LTE-A的目標而提出的通過基站內(nèi)不同遠程射頻單元(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)對系統(tǒng)性能的提升最大，JP對性能提升的主要途徑是基于信道信息的預編碼技術(shù)。在不同的CoMP場景下，各種預編碼方式各有優(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)計兩個角度來實現(xiàn)預編碼的優(yōu)化。

[關(guān)鍵詞]預編碼;聯(lián)合處理;協(xié)同多點傳輸;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標準的演進中，協(xié)同多點傳輸(CoMP)是一種重要的技術(shù)，其核心思想是通過多點協(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)同多點傳輸有基站內(nèi)不同遠程射頻單元(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)同多點傳輸方式的實現(xiàn)均基于以下兩個條件:

(1)協(xié)作點之間的信息共享(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次會議上，各廠商一致通過了在協(xié)同多點傳輸(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)計信息反饋;

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

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

對于各種不同的反饋方法，相應的有不同的預編碼方式。

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，本文主要研究一個室內(nèi)基帶處理單元(BBU)+多個RRU場景中JP方式下的CoMP-MU預編碼方法。

1 系統(tǒng)模型

CoMP系統(tǒng)中，聯(lián)合預編碼可以通過同一個BBU中多個RRU的以集中化的方式來完成。這些協(xié)作的RRU被叫做“CoMP-RRU”，為一個使用相同時頻資源塊的UE組服務。CoMP-RRU用聯(lián)合信號預編碼來減少小區(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RRU有n t個發(fā)送天線，每一個UE有n r個接收天線。一個CoMP-RRU由M 個協(xié)作RRU組成，這M個協(xié)作RRU為M 個使用相同時頻資源塊的UE服務。下行鏈路中，這M 個協(xié)作RRU和M 個UE可以形成一個虛擬(Mn r )×(Mn t )的MIMO系統(tǒng)，如圖1所示。

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

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

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

其中，l 代表第u 個UE的層數(shù)。

第u 個UE的數(shù)據(jù)矢量的聯(lián)合預編碼矩陣表示為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UE的接收矢量表示為:

其中N [n ]是一個n r×1維的噪聲和干擾矢量。

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

2 CoMP-JP預編碼方法

2.1 基于信道矩陣的預編碼方法

最直接的預編碼方法是在發(fā)射端能夠獲得H [n ] 的條件下進行預編碼。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 ]是一個對角矩陣，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，這使得ZF波束成型不是最理想的，所以，塊對角化的方法被提出。

(2)塊對角化(BD)算法

塊對角化(BD)算法是每一個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H 表示Hermitian轉(zhuǎn)置，∑i [n ]是一個以Hi [n ]的奇異值為對角線元素的對角矩陣，維數(shù)等于Hi [n ]的秩。Vi (1)[n ] 由與非零奇異值對應的奇異向量組成，Vi (0)[n ]由零奇異值對應的奇異向量組成。Vi (0)[n ]是Hi [n ]的零空間的一組正交基。

用戶i 的獨立數(shù)據(jù)流個數(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預編碼矩陣:

用預編碼矩陣B[n ]，等效信道矩陣H[n ]B[n ]是塊對角化的，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，對于所有(i≠j )，Hj [n ]Vi(0)[n ]=0，此時可以進一步采用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奇異值對應的奇異矢量組成，可以用來最大化用戶i接收的信號與干擾噪聲比(SINR)。

第n 個載波上的預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 ]或同時反饋某些附加的時域信息。

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

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

在時域、頻域上的平均或?qū)進行量化都可能會導致H的嚴重失真，文獻[4]分析了平均和量化兩種壓縮反饋量的方法在不同的場景下對性能的影響。

在TDD模式CoMP中，如果采用Rel.8中的SRS設(shè)計會帶來協(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，可能需要對現(xiàn)有的SRS信號進行某種增強。

2.2 基于空間相關(guān)矩陣的預編碼方法

某些條件下，信道矩陣在時域、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)矩陣在頻域或時域上的平均卻不會造成很大失真，所以基于信道協(xié)方差矩陣進行預編碼可能成為了一種更為有效的預編碼方法[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，這樣就可以對反饋量進行更為靈活的調(diào)整或壓縮。

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

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 個特征值相對應的特征向量，L 是到UE的數(shù)據(jù)流數(shù)?？梢砸韵率降娜萘拷Y(jié)果來作為用戶配對的依據(jù):

由于信道空間相關(guān)矩陣是一個n t×n r的復對稱矩陣，可以利用這一特性對反饋量進行壓縮，例如當n t =4時，只需要反饋16個實數(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 基于碼本的預編碼方法

基于碼本的預編碼方法其原理是在收發(fā)端預先存儲一個碼本(即預編碼矩陣的集合)，接收端根據(jù)當前的信道狀態(tài)以某種準則選擇最好的預編碼矩陣，將預編碼矩陣編號(PMI)反饋回發(fā)射端。由于其反饋量小，同時與Rel.8兼容性好，在標準化進程中得到了很多公司的支持。Rel.8碼本主要是針對SU-MIMO的進行設(shè)計，而對MU-MIMO或CoMP-MU來說，其性能并不是很好。

從CoMP來看，由于多點傳輸，碼本需要支持的天線數(shù)會到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數(shù)來支持CoMP-MU。

一種方案是固定碼本設(shè)計，增加的反饋比特數(shù)用于支持更大的碼本。這種方案的特點是實現(xiàn)簡單、反饋開銷小。但是這種方案碼本對場景的適應能力，及對系統(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趨于飽和，同時，對于不同的碼本設(shè)計(例如:基于DFT的碼本設(shè)計，基于Householder變換的碼本設(shè)計等)在飽和區(qū)域時其性能非常接近。

另外一種方案是設(shè)計一種自適應碼本，利用信道相關(guān)矩陣的長時反饋值來調(diào)整當前采用的碼本[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的反饋時間間隔(即碼本自適應的時間間隔)可以在設(shè)置得較長，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信號可以用來估計R。

自適應碼本設(shè)計首先要確定一個基碼本，以8×16的基于復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，碼本為WDS;在采用R時，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 個特征向量構(gòu)成的Rk代替:

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

對于固定碼本的預編碼方法，只能基于各用戶選取的預編碼矩陣的波束距離最小準則(MBD)來進行用戶配對;對于自適應碼本預編碼方法，先基于R做用戶配對是一種解決的思路，但是由于R的反饋時間間隔較大，這一方法的有效性還有待于進一步的驗證。

3 結(jié)束語

綜上所述，在LTE-A中各種CoMP-JP預編碼方法的復雜度、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。由于各廠商在CoMP預編碼的實現(xiàn)途徑上的觀點各不相同，且分歧較大，實際上導致了CoMP的標準化進程比較緩慢，仍有待于進一步的深入研究。

4 參考文獻

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[2] 3GPP R1-090922. Downlink CoMP-MU-MIMO transmission schemes[S]. 2009.

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[9] XIA Pengfei， GIANNAKIS G B. Design and analysis of transmit- beamforming based on iimited-rate feedback[C]//Proceedings of the 60th Vehicular Technology Conference (VTC-Fall’04): Vol 3， Sep 26-29，2004， Los Angeles， CA，USA. Piscataway， NJ， USA:IEEE， 2004: 1653- 1657.

[10] LOVE D J， HEATH R W. Limited feedback diversity techniques for correlated channels[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2006，55(2): 718-722.

[11] 3GPP R1-091820. Adaptive codebook designs for DL MIMO[S]. 2009.

收稿日期:2009-11-09

魏寧，電子科技大學通信抗干擾技術(shù)國家級重點實驗室講師、博士，研究方向為移動及無線通信系統(tǒng)、協(xié)同通信、信道編碼及MIMO-OFDM技術(shù)。

李少謙，電子科技大學通信抗干擾技術(shù)國家級重點實驗室主任、教授，研究方向為移動及無線通信系統(tǒng)、通信系統(tǒng)集成電路、無線資源管理。

岳剛，電子科技大學抗干擾技術(shù)國家級重點實驗室在讀碩士研究生，研究方向為LTE-A物理層算法、MIMO-OFDM系統(tǒng)。