C-RAN協(xié)作通信系統(tǒng)中基于正交預(yù)編碼的同步算法*

余 翔,曾銀強(qiáng),鄭寒冰

(重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶　400065)

C-RAN協(xié)作通信系統(tǒng)中基于正交預(yù)編碼的同步算法*

余 翔,曾銀強(qiáng)**,鄭寒冰

(重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶400065)

在C-RAN(Centra1ized,CooPerative,C1oud RAN)無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中,協(xié)作多點(diǎn)傳輸受到符號(hào)定時(shí)偏差和載波頻率偏差的影響。為了降低聯(lián)合傳輸協(xié)作系統(tǒng)對異步信號(hào)的敏感性,將正交預(yù)編碼的同步算法應(yīng)用到聯(lián)合傳輸協(xié)作系統(tǒng)中。首先,發(fā)射機(jī)發(fā)送經(jīng)過重復(fù)編碼和正交預(yù)編碼矩陣處理后的數(shù)據(jù)信息;然后,接收機(jī)利用特定的接收矩陣,實(shí)現(xiàn)分離相互疊加的異步協(xié)作信號(hào);最后,完成對協(xié)作信號(hào)載波頻率偏差和符號(hào)定時(shí)偏差的估計(jì)和補(bǔ)償。理論分析和仿真結(jié)果表明:該方法能夠有效解決協(xié)作傳輸中信號(hào)異步問題,改善系統(tǒng)性能。

C-RAN;協(xié)作多點(diǎn)傳輸;正交預(yù)編碼;同步算法

引用格式:余翔，曾銀強(qiáng)，鄭寒冰.C-RAN協(xié)作通信系統(tǒng)中基于正交預(yù)編碼的同步算法[J].電訊技術(shù)，2016，56(3)：241-245.[YU Xiang，ZENG Yinqiang，ZHENG Hanbing.A synchronization a1gorithm based on orthogona1 Pre-coding in C-RAN cooPerative communication system[J]. Te1ecommunication Engineering，2016，56(3)：241-245.]

1　引 言

下一代綠色無線接入網(wǎng)(Centra1ized，CooPerative，C1oud RAN，C-RAN)[1]明確地提出采用信號(hào)的協(xié)作式發(fā)送和接收(CooPerative Transmission/ReceP-tion，CT/CR)作為提升頻譜資源利用率和小區(qū)邊緣用戶吞吐量的關(guān)鍵技術(shù)。聯(lián)合處理技術(shù)(Joint Pro-cessing，JP)[2]是指相鄰的多個(gè)協(xié)作基站為同一個(gè)用戶傳輸相同的數(shù)據(jù)流，然后通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)度中心按照一定準(zhǔn)則選擇協(xié)作基站群。研究表明，在理想環(huán)境下多點(diǎn)協(xié)作傳輸技術(shù)能夠顯著提高小區(qū)性能和邊緣用戶吞吐量[3-4]。文獻(xiàn)中研究的理想環(huán)境是指假設(shè)協(xié)作基站能夠完全同步，且基站有用戶的完美信道狀態(tài)信息，然而在實(shí)際多點(diǎn)協(xié)作系統(tǒng)中，多個(gè)傳輸基站間存在固有頻率偏差，同時(shí)由于傳輸距離的不同，導(dǎo)致用戶接收的每一路協(xié)作信號(hào)頻偏和延時(shí)不同，這些異步多路協(xié)作信號(hào)的疊加會(huì)惡化接收信號(hào)的信噪比。

針對協(xié)作系統(tǒng)的異步問題，文獻(xiàn)[5-7]廣泛研究了長期演進(jìn)(Long Term Evo1ution，LTE)協(xié)作通信系統(tǒng)中多個(gè)頻率偏移估計(jì)問題，但大多采用復(fù)雜的算法估計(jì)所有頻率偏移值并補(bǔ)償，增加了接收機(jī)的設(shè)計(jì)難度。文獻(xiàn)[8]中接收機(jī)采用一種快速傅里葉變換(Fast Fourier Transformation，F(xiàn)FT)窗口的方法，通過尋找最優(yōu)的FFT窗口處理不同時(shí)延疊加的信號(hào)。文獻(xiàn)[9]提出針對兩個(gè)傳輸點(diǎn)的協(xié)作通信中，利用空頻塊碼(SPace Frequency B1ock Code，SFBC)進(jìn)行頻率偏移估計(jì)。上述算法中，大多只單獨(dú)針對頻率偏移或定時(shí)符號(hào)偏移，并且實(shí)現(xiàn)的計(jì)算復(fù)雜度過高。一種能夠同時(shí)克服頻率和時(shí)間偏移的同步方法，對于實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)協(xié)作傳輸技術(shù)很有必要。

本文研究多點(diǎn)協(xié)作系統(tǒng)中的異步問題，提出了一種正交預(yù)編碼的同步方法。該方法在發(fā)射機(jī)對數(shù)據(jù)信號(hào)采取重復(fù)編碼和正交預(yù)編碼處理，在接收機(jī)處利用特定的接收矩陣，實(shí)現(xiàn)單獨(dú)檢測每路協(xié)作信號(hào)；然后分別對每一路協(xié)作信號(hào)進(jìn)行時(shí)延偏移和頻率偏移估計(jì)和補(bǔ)償，達(dá)到消除多點(diǎn)協(xié)作系統(tǒng)中的異步問題。

2　異步協(xié)作系統(tǒng)分析

考慮一個(gè)異步多輸入多輸出(Mu1tiP1e InPut Mu1tiP1e OutPut，MIMO)和正交頻分復(fù)用(Orthogona1 Frequency Division Mu1tiP1exing，OFDM)系統(tǒng)的下行鏈路，多基站協(xié)作采用JP協(xié)作方式。分析協(xié)作系統(tǒng)中符號(hào)定時(shí)偏差(Symbo1 Time Offset，STO)和載波頻率偏差(Carrier Frequency Offset，CFO)對下行鏈路的影響。假設(shè)OFDM符號(hào)調(diào)制，F(xiàn)FT尺寸大小為N，循環(huán)前綴長度(Cyc1ic Prefix，CP)為Ng。一定范圍內(nèi)的頻率偏差值CFO=ε，符號(hào)定時(shí)偏差值STO= δ。基帶接收信號(hào)的OFDM符號(hào)表示為

式中：X[ k]、Y[ k]、H[ k]和N[ k]分別表示該OFDM符號(hào)上第k個(gè)子載波的發(fā)射符號(hào)、接收符號(hào)、信道的頻域響應(yīng)和頻域噪聲；n[ l]=IDFT{N[ k]}。

當(dāng)協(xié)作基站數(shù)目為MT，協(xié)作終端用戶的接收信號(hào)為

假設(shè)協(xié)作基站i和用戶間的STO=δi、CFO=εi，δi表示歸一化時(shí)延，εi=為歸一化頻偏，fd為頻偏，

Δf為子載波間隔，分析頻率偏差及符號(hào)定時(shí)偏差對JP協(xié)作通信的影響。用戶的頻域接收信號(hào)為式中：I1表示用戶接收到的有用信號(hào)。由式(5)可知STO和CFO引起了第k個(gè)子載波頻率分量的相位失真，此外CFO還導(dǎo)致了幅度失真。

式中：I2表示其他子載波對第k個(gè)子載波的影響。非協(xié)作模式的OFDM系統(tǒng)(即MT=1時(shí))中，CFO會(huì)破壞子載波間的正交性，造成了載波間干擾(Inter-Carrier Interference，ICI)。當(dāng)采用協(xié)作模式時(shí)，基站間不同的CFO將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大ICI的影響。異步協(xié)作通信不僅降低用戶接收信號(hào)的信噪比，而且加大STO和CFO的估計(jì)誤差。對于協(xié)作通信系統(tǒng)下，傳統(tǒng)的STO、CFO估計(jì)算法并不適用。

3　正交預(yù)編碼同步算法

上節(jié)的分析結(jié)果表明，JP協(xié)作方式下的用戶難以實(shí)現(xiàn)不同基站發(fā)射信號(hào)的同步，存在嚴(yán)重的接收信號(hào)失真情況。為了解決異步信號(hào)協(xié)作傳輸問題，本文提出一種基于正交的預(yù)編碼同步方法，通過正交實(shí)現(xiàn)不同物理路徑的發(fā)射信號(hào)的分離，最終解決JP協(xié)作方式下的異步問題。

圖1　正交預(yù)編碼同步算法的處理流程Fig.1 The Process of orthogona1 Pre-coding a1gorithm

具體實(shí)現(xiàn)方法如圖1所示，基站i(1≤i≤MT)的發(fā)射信號(hào)矢量xi(xi∈CN×1)。其中，N為調(diào)制后符號(hào)的個(gè)數(shù)。將xi中每一個(gè)符號(hào)重復(fù)擴(kuò)展M (M≥MT)次，形成一個(gè)新矢量zi(zi∈CNM×1)：

生成M×M維Wa1sh碼矩陣D，矩陣D的行向量為di(1≤i≤) M。則預(yù)編碼矩陣Wi可以表示為

令Wi[l]是Wi的第l(0≤l≤NM-1)個(gè)對角元素。由于Wa1sh碼矩陣行向量之間存在正交性，所以：

經(jīng)過預(yù)編碼后的發(fā)射信號(hào)為

在終端用戶接收側(cè)，DFT變換后信號(hào)的第l個(gè)子載波為

式中：令hi(n)為基站i到用戶的信道路徑；λi[l]為hi(n)的NM點(diǎn)DFT的第l個(gè)元素；n[ l]為加性噪聲。

考慮到當(dāng)發(fā)射符號(hào)數(shù)NM遠(yuǎn)大于信道多徑長度L時(shí)，信號(hào)的相關(guān)帶寬很大，此時(shí)相鄰子信道間基本不變，即相鄰子信道間的頻率響應(yīng)變化很少，近似存在

由式(15)可以看出，經(jīng)過接收機(jī)處理后的信號(hào)幾乎不存在協(xié)作基站之間的干擾。為消除多徑信道影響，可以選擇在發(fā)射機(jī)采用預(yù)均衡或在接收機(jī)采用頻域均衡來恢復(fù)信號(hào)。對于存在多個(gè)STO和CFO的異步協(xié)作系統(tǒng)，正交預(yù)編碼同步算法可以利用傳統(tǒng)OFDM單點(diǎn)傳輸估計(jì)算法，對每一路協(xié)作信號(hào)分別進(jìn)行估計(jì)并補(bǔ)償。

4　仿真與結(jié)果分析

采用蒙特卡洛法進(jìn)行仿真，隨機(jī)產(chǎn)生2 000個(gè)OFDM符號(hào)。仿真實(shí)驗(yàn)參考LTE中20 MHz帶寬的幀結(jié)構(gòu)，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)為2 048，循環(huán)前綴長度為512，載波頻率2 GHz，系統(tǒng)帶寬20 MHz，協(xié)作基站數(shù)目為3，調(diào)制方式為QPSK調(diào)制。假設(shè)用戶所在小區(qū)為主服務(wù)小區(qū)，且該小區(qū)傳輸信號(hào)不存在CFO和STO的影響。在SCM鏈路級信道仿真模型下，多徑長度設(shè)定為6(遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于OFDM符號(hào)的長度)，所以本文假定的信號(hào)相關(guān)帶寬很大是適用的。考慮移動(dòng)終端的最快行駛速度為500 km/h，則最大多普勒頻移1 204 Hz，相對于頻率偏移值CFO=0.08；基站覆蓋半徑為500～700 m，相應(yīng)最大傳輸延時(shí)約為2 μs，相對于符號(hào)定時(shí)偏差值STO=10。然而，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，CFO和STO都不會(huì)高于上值。

傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)中可以選擇基于CP的估計(jì)方法或基于前導(dǎo)的估計(jì)方法[10]對CFO、STO進(jìn)行估計(jì)。結(jié)合常用的估計(jì)算法，本文進(jìn)一步提出了基于CP估計(jì)的正交預(yù)編碼算法(CP-正交預(yù)編碼算法)和基于前導(dǎo)的正交預(yù)編碼算法(Moose-正交預(yù)編碼算法)。

由圖2可知，在同步協(xié)作通信系統(tǒng)中，接收機(jī)的誤碼率效果最佳。對于異步協(xié)作通信系統(tǒng)而言，當(dāng)STO=-2、CFO=0.04時(shí)，接收機(jī)的誤碼率遠(yuǎn)高于同步協(xié)作通信系統(tǒng)。采用本文提出的正交預(yù)編碼同步算法，用戶可以單獨(dú)檢測協(xié)作基站信號(hào)，單點(diǎn)傳輸同步估計(jì)算法采用基于CP的估計(jì)算法。正交預(yù)編碼協(xié)作通信系統(tǒng)的誤碼率接近于同步協(xié)作系統(tǒng)，優(yōu)于文獻(xiàn)[9]中基于SFBC編碼的CFO估計(jì)并補(bǔ)償算法(SFBC-協(xié)作系統(tǒng))，且相比較于SFBC-協(xié)作系統(tǒng)只適應(yīng)兩個(gè)協(xié)作基站，其能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)更多數(shù)量的多點(diǎn)協(xié)作傳輸通信。這是因?yàn)檎活A(yù)編碼方法以犧牲頻譜利用率為代價(jià)。仿真結(jié)果表明正交預(yù)編碼同步算法能夠解決協(xié)作通信系統(tǒng)中的異步問題。

圖2　不同協(xié)作方案的系統(tǒng)誤碼率對比Fig.2 ComParison of BER among different schemes

圖3所示為SCM信道環(huán)境下基于CP-正交預(yù)編碼算法和Moose-正交預(yù)編碼算法的誤碼率對比圖。由仿真結(jié)果可知，Moose-正交預(yù)編碼算法的誤碼性能優(yōu)于CP-正交預(yù)編碼算法。這是因?yàn)樵谙嗤旁氡葪l件下，Moose算法優(yōu)于基于CP估計(jì)算法的估計(jì)效果。仿真結(jié)果表明：通過正交預(yù)編碼方法消除異步協(xié)作間信號(hào)干擾后，采用更高估計(jì)精確度的單點(diǎn)傳輸估計(jì)方法，能夠進(jìn)一步提升正交預(yù)編碼同步算法的性能。

圖3　基于不同CFO和STO估計(jì)的正交預(yù)編碼算法誤碼率Fig.3 BER of Pre-coding a1gorithm based on different CFO and STO estimation

5　結(jié)束語

本文在深入分析C-RAN系統(tǒng)下聯(lián)合處理多點(diǎn)協(xié)作傳輸技術(shù)以及異步OFDM系統(tǒng)中因存在STO

和CFO而造成的用戶接收信號(hào)信噪比惡化的基礎(chǔ)上，提出了一種基于正交的預(yù)編碼同步算法。相比較于其他文獻(xiàn)提出的方法，正交預(yù)編碼同步算法以犧牲一定的頻譜資源為代價(jià)，能獲得更高的系統(tǒng)傳輸誤碼率性能。同時(shí)比較了兩種不同的正交預(yù)編碼算法在異步協(xié)作系統(tǒng)中的誤碼率性能。理論分析和仿真結(jié)果表明：本算法能夠減小異步協(xié)作系統(tǒng)中的誤碼率，且基于前導(dǎo)的正交預(yù)編碼同步算法性能更優(yōu)，可以解決MIMO-OFDM協(xié)作系統(tǒng)中的異步問題。本文考慮方案在協(xié)作基站數(shù)量較多時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致頻率資源利用率降低。未來的研究工作將會(huì)關(guān)注較多基站協(xié)作通信系統(tǒng)的同步問題。

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余 翔(1964—)，男，重慶人，1999年于電子科技大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為教授，主要研究方向?yàn)閷拵o線通信；

YU Xiang was born in Chongqing，in 1964. He received the Ph.D.degree from University of E1ectronic Science and Techno1ogy of China in 1999.He is now a Professor.His research concerns wideband wire1ess communications techno1ogy.

Emai1：yuxiang@cquPt.edu.cn

曾銀強(qiáng)(1990—)，男，四川德陽人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閷拵б苿?dòng)通信；

ZENG Yinqiang was born in Deyang，Sichuan Province，in 1990.He is now a graduate student.His research concerns wideband wire1ess communications techno1ogy.

Emai1：wowisgreat@163.com

鄭寒冰(1991—)，女，安徽宿州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閷拵б苿?dòng)通信。

ZHENG Hanbing was born Suzhou，Anhui Province，in 1991.She is now a graduate student.Her research concerns wideband wire1ess communications techno1ogy.

Emai1：645955527@qq.com

A Synchronization Algorithm Based on Orthogonal Pre-coding in C-RAN Cooperative Communication System

YU Xiang，ZENG Yinqiang，ZHENG Hanbing
(Schoo1 of Communication and Information Engineering，Chongqing University of Posts and Te1ecommunications，Chongqing 400065，China)

CooPerative mu1ti-Point Processing(CoMP)techno1ogy is inf1uenced by symbo1 timing offset and carrier frequency offset in the wire1ess network infrastructure centra1ized，cooPerative，c1oud radio access network(C-RAN).In order to reduce the sensitivity to asynchronous signa1 in joint transmission system，the orthogona1 Pre-coding synchronization a1gorithm is used to mitigate the effect of asynchronous signa1s. First1y，the transmitter sends data which has been Processed by rePetition coding and orthogona1 Pre-coding matrix.Then，the receiver estimates and comPensates the frequency and time offset for the cooPerative signa1s which been seParated by a Particu1ar accePting matrix.Simu1ation resu1ts demonstrate that this method can effective1y so1ve the Prob1em of asynchronous transmission and imProve the Performance of co11aborative transmission systems.

C-RAN；CoMP；orthogona1 Pre-coding；synchronization a1gorithm

The Nationa1 Science and Techno1ogy Major Project(2014ZX03003004-003)

TN911.22

A

1001-893X(2016)03-0241-05

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.03.002

2015-10-13;

2015-12-04 Received date:2015-10-13;Revised date:2015-12-04

國家科技重大專項(xiàng)(2014ZX03003004-003)

**通信作者:wowisgreat@163.com Corresponding author:wowisgreat@163.com