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LTE-Advanced系统多点协作传输技术研究

林崇圣 北京邮电大学信息与通信工程学院研究生
王亚峰 北京邮电大学信息与通信工程学院副教授
金 婧 北京邮电大学信息与通信工程学院博士
杨大成 北京邮电大学信息与通信工程学院教授
摘要：CoMP技术是LTE-A的关键技术之一，能够显著的提高小区吞吐量和边缘用户速率。文章首先阐述了CoMP的技术优势；随后介绍了CoMP的技术原理，系统模型以及传输方案等方面的内容；最后总结CoMP技术面临的机遇和挑战。
关键词：LTE-A，多点协作传输技术，多用户MI-MO，小区间干扰消除
通信技术日新月异，随着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需要的第四代移动通信(4G)开始兴起。为响应ITU对4G技术的征集，3GPP启动了面向4G技术的LTE-Advanced( LTE-A)，将俗称3.9G的LTE正式带人4G。
LTE-A系统基于OFDM和MIMO技术，通过把高速率的数据流分成若干低速率的数据流，调制到一组正交的子载波集上进行传输，可以有效地消除小区内的干扰。但是在实际应用中，为了获得更高的频谱利用率，系统采用了同频组网的方式，使得位于小区边缘的用户将体验到来自相邻小区的同频干扰，严重限制了边缘用户的服务质量和吞吐量，并且OFDM技术无法有效地消除小区间干扰(ICI)。协作多点传输( CoMP)技术正是基于这样的背景提出的，是LTE-A系统的重要候选技术之一。
CoMP方案在多个基站之间引入协作，并通过在协作基站之间共享必要的信息，如信道状态信息、调度信息和数据信息等，对小区间干扰进行有效抑制。根据基站端是否共享用户数据，协作多点传输技术主要分为两种情况：一种是联合传输( JP:Joint Processing)，也称为“干扰利用”，即用户由协作的多个基站共同服务，在协作的基站端通过联合处理消除用户间干扰，将干扰信号作为有用信号加以利用，从而有效利用小区间的干扰，提高小区边缘用户的服务质量和吞吐量，提高系统的频谱利用率，此时需要在基站间共享用户数据。另一种是协作调度／波束成型( Coordinated Scheduling)，也称为“干扰避免”，用户只由单个基站提供服务，通过对系统资源有效分配，减小相邻小区边缘区域使用的资源在时间、频率或者空间上的冲突，从而在尽可能保持系统高频谱利用率的基础上避免小区间干扰，提高信号的接收信噪比，此时不需要在基站间共享用户数据。本文的研究主要针对联合传输的下行传输进行。
1 LTE-A TDD下行CoMP系统模型
在JP-CoMP系统中，我们把相邻几个通过互联方式集中处理的扇区集合称为协作簇，为了不失一般性以及实现简单原则，本文选择了固定三扇区协作方式进行研究。在固定三扇区协作中，又可分为相同站址扇区间协作和不同站址扇区间协作，如图1所示。

受限于X2空口的容量和时延，并且考虑到扇区间要进行大量的数据交换，参考信号的同步等实际问题，对比仿真结果，本文采用相同站址的三扇区协作的组网方式。
我们考虑每扇区配置nT根发射天线，每个移动台配置mR根接收天线，每个协作簇服务的用户数为M，第u个用户支持的独立数据流数为rn，其中1<r≤mRo。这样，JP-CoMP就形成了一个(3nr×Mm)的虚拟MIMO系统，如图2所示。

JP-CoMP系统的核心优势是能够消除小区间干扰，所以发送端的预处理算法显得尤其重要。接下来我们将讨论最典型的算法block-diagonaliza-tion-SVD( BD-SVD)算法以及能够支持更多用户的multi-user eigenmode transmission( MET)算法。
我们定义第个协作簇中第个用户的接收信号向量为：

由计算预编码矩阵的过程可以看到，B。位于其他共同协作用户的零空间和自身信号最强的方向上，所以对于协作簇内的用户，理论上它对其他协作用户的干扰为0，即协作簇内小区间的干扰被消除了，有用信号的功率也并未因此下降多少。
但是我们注意到，假设以基准的4发2收天线配置为例子分析，Vu(0)的零特征值个数是12-2( M-l)，那么系统最大支持用户数为6，但是稍后给出的结果表明，使用BD算法，当协作用户数为6时，系统的性能将下降，为此本文使用了一种基于BD的改进算法，使得系统在增加配对用户数的同时，还能提高增益，这个算法就是MET算法，和前者的主要区别如下。
首先定义：

其中U1(1/i)表示取左奇异值的r1列，余下所有步骤均和BD算法相同。
还是假设采用4发2收的天线配置，每个用户使用单流传输，则Vi(0)的零特征值个数是12-2( M-1)，理论上可以支持12个用户同时协作。由于MET算法压缩了等效信道的维数，用户可使用的零空间变多，支持的用户数也随之增加，由此带来的系统增益我们将在仿真分析部分给出。
2 信道信息测量(CQI)方案
信道信息测量(CQI)是指用户根据信道状态参考信号，对应LTE中的CRS参考信号（LTE-A中将扩展成CSI-RS，密度比CRS小），计算出各子载波上用户接收信号的SINR，经过互信息有效( MI-ESM)SINR合并后，对应到量化的调制编码等级(MCS)，并上报给基站。
CQI是系统的重要组成部分，基站根据用户上报的CQI信息进行调度以及决定使用何种调制编码方式进行数据传输，所以准确的CQI信息反馈更能真实体现系统的性能优势。然而，业界一直没有针对JP-CoMP系统的CQI方案。为此，本文提出了一种新颖的测量方案，供CoMP系统使用。

流传输的容量，从而决定使用单流还是双流进行传输，最后根据相应数据流数的SINR对应到MCS等级。
3 MCS重新确定方案
LTE的R8中规定了基站端可以对用户上报的CQI根据某种准则进行调整，以期更符合实际传输的要求。由于用户在作CQI测量的时候，基站还未开始调度，虽然我们模拟了用户体验到的干扰情形，但还是有相当的误差，尤其是协作簇内的干扰，基于此本文设计了一套方案，对用户上报的MCS进行调整。
在TDD系统中，根据上下行信道的互易性，基站端可以根据用户上行的sounding参考信号(SRS)来估计用户下行信道。在调度结束协作用户已知后，根据sounding信息我们可以算出每个用户的预编码矩阵，即协作用户的有用信号和协作簇内的干扰在基站端是已知的。另外，在这个MCS重新确定的方案中，我们需要重新设计一下CQI上报的周期和方式。传统的CQI上报周期是5 ms，且只上报MCS和传输流数，在本方案中，CQI上报周期依然是5 ms，但是用户还将上报干扰相关阵，即这个矩阵的维数是2xl或者2x2，用户将交替上报CQI信息和干扰相关阵，相当于传统的CQI信息的上报周期被拉大到10 ms，而干扰上报的周期也是10 ms。根据上报的干扰信息，我们就可以在基站端模拟用户端进行一次MMSE检测，得到用户在调度资源上的接收信号SINR，经过MI-ESM合并之后，对应到MCS等级即完成了基站端的MCS重新确定工作。本方案在现有的反馈方案下，不增加额外的空口开销即可完成，由于有用信号和协作簇内干扰都是真实的信息，干扰在一段时间内也可认为是相关的，所以该方案重新确定的MCS将比CQI上报的更准确，能够提高传输的成功率，降低误块率。
4 仿真参数
在JP-CoMP系统中，我们只评估固定三扇区协作的方式，另外定义如果平均每个扇区服务一个用户，即协作用户数为3，我们则称为SU-JP，如果平均每个扇区服务的用户数大于1，且协作用户数最多为6，我们则称为MU-JP。综合考虑算法复杂度和性能的影响，我们SU-JP选用PFc7]调度算法，MU-JP选用PF+角度的调度算法，即先PF选出3个用户，后续的用户则尽量在优先级高的用户里，选出与已有用户空间角度相差大的，这样是为了协调各用户的波束尽量远离其它用户的，降低干扰。
我们仿真基于OFDMA帧结构，最小供调度的资源单元是1个RB，包括频域上12个连续的子载波，时域上14个OFDM符号。采用自适应调制编码(AMC)实现高频谱效率，量化了28个MCS等级供基站选择。采用4发2收，小天线间距的配置，更多仿真参数设置参见表1。

5 仿真结果及分析
基于LTE-A系统级仿真平台的结果将以频谱效率(SE，bps/Hz/sector)的形式给出，其中SE=TP×5/3/10 MHz定义用户平均吞吐量的累计分布曲线(CDF)中5%那个点的用户为边缘用户的吞吐量。所有结果都将和传统非协作的基于码本传输的系统进行对比，并且MU-JP-CoMP统一调度6个用户。

从仿真结果（见表2）可以看出，对比传统非协作系统，基于BD的SU-JP-CoMP系统，增益明显，小区平均吞吐量和边缘用户的吞吐量增益分别为73%和48010。可见在干扰受限的城区微蜂窝系统中，相同站址的其它两个扇区的干扰相当大，利用干扰消除效果很好的BD算法能极大地提高系统的性能。但是，JP-CoMP系统还有潜力可挖，对于BD算法，SU-JP和MU-JP的结果相差不大，并且SU-JP的略高，这和我们的理论分析完全吻合，当协作用户数增加到6以后，BD算法遇到了瓶颈，性能已无法提高。在使用MET算法后，SU-JP的情况下，增益不明显，而在MU-JP的情况下增益显著，尤其是边缘用户的吞吐量，小区和边缘的增益分别是109%和111%。MET算法压缩等效信道的维数，使得可用零空间变大，故而能够支持更多用[]户。由用户吞吐量的CDF曲线（如图3所示）我们能更直观地看出，协作系统对非协作系统的性能优势，以及MET算法对BD算法的增益。

6 结语
本文对协作式多点传输技术在LTE-A系统进行了建模，并且在系统级仿真平台中进行了评估，重点关注了小区平均吞吐量和边缘用户吞吐量这两个性能指标，通过接收端的预编码算法，很好地消除了小区间的干扰，给系统性能带来了巨大的增益。分析结果显示CoMP技术由于其巨大的性能潜力，确实是LTE-A系统中具有前途的候选技术，但是CoMP技术在标准化进程中遇到的难题也提醒我们，CoMP的路还很长，面临的问题还很多，我们需要做的工作还很多。
CoMP的联合处理技术能够消除掉协作小区间的干扰，使得系统的性能大大提升，尤其是对边缘用户性能的改观，但是CoMP迟迟没有进入标准，说明它在实现时也有很多现实的问题，比如BD算法的复杂度问题，在硬件层面实现SVD算法对各通信厂商来说都是一个不小的难题，尤其是BD算法要求至少2次SVD，我们应该在BD的算法简化方面做深入研究；还有现行的仿真假设都太理想，包括CRS、SRS、DMRS参考信号的估计以及TDD信道互易性，都假设是理想的，应该对RS信号估计误差以及天线校准误差进行建模工作，以更准确的评估系统性能。还有如协作基站之间的信息交互，导频设计等问题都是CoMP在标准化进程中面临的挑战，我们将在接下的研究中重点去关注这些问题。
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-全文完-