多點(diǎn)協(xié)作系統(tǒng)中異步干擾特性及其預(yù)編碼設(shè)計

肖尚輝，張忠培

(1.電子科技大學(xué)通信抗干擾國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都611731;2.宜賓學(xué)院物理與電子工程學(xué)院,四川宜賓644007;

在理論上,多輸入多輸出MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)無線系統(tǒng)較傳統(tǒng)的單天線點(diǎn)對點(diǎn)系統(tǒng)而言，在不增加帶寬和發(fā)射功率等開銷情況下，可明顯提高系統(tǒng)容量和頻譜效率[1]。但是，在實(shí)際系統(tǒng)中人們卻發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)的基站非協(xié)作傳輸方式下，每個基站為其所屬小區(qū)覆蓋范圍的用戶發(fā)射信號，用戶與為其服務(wù)的基站間是一一對應(yīng)的，對來自鄰近小區(qū)的信號往往被視為加性高斯白噪聲處理，致使MIMO系統(tǒng)性能嚴(yán)重受限于相鄰小區(qū)用戶的同道干擾IC-CCI(Inter-cell Co-channel Interference)[2-3]，在信噪比很高的區(qū)域，獲得的信號干擾噪聲比SINR(Signal-Interference-Noise Ratio)卻可能很低，甚至為零。為了能增強(qiáng)信號覆蓋范圍,提高系統(tǒng)空間自由度以及宏分集效果,改善信道秩特性,且更有效抑制小區(qū)間的IC-CCI干擾等，以適應(yīng)新一代無線移動通信系統(tǒng)的需要,近年來,提出了一種多點(diǎn)協(xié)作傳輸Co-MP(Coordinated Multi-point Transmission and Reception)技術(shù)[4-5]。相對于傳統(tǒng)基站非協(xié)作方式而言，Co-MP系統(tǒng)將來自鄰近小區(qū)的干擾信號變成有用信號，從而可有效消除IC-CCI干擾,有望進(jìn)一步獲得更大的系統(tǒng)容量和更高的頻譜效率，因此，成為協(xié)作通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但是，目前多基站協(xié)作通信研究大多基于假設(shè)用戶獲取的期望信號與來自不同基站的干擾信號均能很好地同步[6-7]。

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，由于參與協(xié)作的多基站通常分布在不同地理位置，因此信號傳輸具有固有的異步特性[8]。即使定時提前機(jī)制能確保從各協(xié)作基站傳輸?shù)侥繕?biāo)用戶的期望信號同時到達(dá)，也很難保證目標(biāo)用戶收到的其他用戶干擾信號與其期望信號的同步性。本文主要針對協(xié)作多基站下行傳輸系統(tǒng)中多用戶信號傳輸?shù)漠惒礁蓴_特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析和討論，并提出了一種應(yīng)用于基站發(fā)射端的聯(lián)合預(yù)編碼優(yōu)化設(shè)計準(zhǔn)則，以期待降低多用戶異步干擾對Co-MP系統(tǒng)性能的影響。

1 多點(diǎn)協(xié)作系統(tǒng)分析模型

假設(shè)有一個Co-MP下行傳輸系統(tǒng),系統(tǒng)中有M個相鄰協(xié)作基站，每個基站有Nt根發(fā)射天線，有K個移動用戶任意分布在下行的多小區(qū)中，每個用戶有Nr根接收天線，因此，該協(xié)作多基站系統(tǒng)可表示為(Nt,Nr,M,K)，如圖1所示。在系統(tǒng)中，多基站協(xié)作傳輸Lj個數(shù)據(jù)流到用戶j，不同的傳輸路徑可視為是獨(dú)立的，且為頻率平坦衰落的瑞利信道。此外,用Hbj表示從基站b到用戶j，維數(shù)為Nr×Nt的信道傳輸矩陣，其元素是復(fù)高斯的獨(dú)立同分布變量；且假設(shè)在慢衰落情況下每個基站均可通過自適應(yīng)信號跟蹤反饋獲得所有用戶子信道的完美信道狀態(tài)信息CSI(Channel State Information)[9]，包括各傳輸路徑的時延等。

若用bj表示距離用戶j最近的基站(或稱為用戶j的服務(wù)基站)，且其傳輸時延為τj；τbj表示從基站b到用戶j的傳輸時延；sj(m)表示在m時刻多基站協(xié)作傳輸給用戶j的零均值數(shù)據(jù)符號矢量(維數(shù)為Lj×1)，基站b經(jīng)過維數(shù)為Nt×Lj的線性預(yù)編碼矩陣Wbj處理后得到從該基站到用戶j的發(fā)射矢量xbj(m)，即有xbj(m)=Wbjsj(m)。Wbj=0表示每個基站僅服務(wù)于自己用戶(即沒有協(xié)作)的特殊情況。

在給定CSI情況下，為使每個用戶信息傳輸速率最大化，采用發(fā)射功率歸一化的高斯碼本作為傳輸數(shù)據(jù)矢量，且不同用戶碼本彼此相互獨(dú)立，若用符號“(.)H”表示復(fù)共扼轉(zhuǎn)置，Im表示m×m階的單位陣，則有:

若各基站均有每條鏈路的準(zhǔn)確傳輸時延信息，則可采用在3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)上行鏈路中應(yīng)用的定時提前機(jī)制實(shí)現(xiàn)從各協(xié)作基站傳輸給用戶j的期望信號{xbj(m)}(b=1…M)能同時到達(dá)用戶接收端，由此基站b需提前的時間為△τbj=τbj－τj。若采用持續(xù)時間范圍為[0,(1+β)Ts](β為脈沖波形滾降系數(shù)，Ts為符號持續(xù)時間)的單位能量基帶信號波形g(t)進(jìn)行線性調(diào)制，則用戶j收到的等效基帶信號可表示為:

式中，nj(t)為加性高斯白噪聲矢量。若忽略來自其他用戶干擾信號的異步特性，則將上式中t時刻用戶j的接收信號rj(t)通過匹配濾波并采樣后可得到:

2 多用戶的異步干擾特性

在實(shí)際系統(tǒng)中，即使通過定時提前機(jī)制能保證各協(xié)作基站發(fā)射到用戶j的期望信號是同步的，也很難使用戶j收到的各基站發(fā)射給其他用戶的干擾信號與其自身的期望信號完全同步。干擾信號對期望信號的影響程度主要取決于基站b到用戶j和其他用戶k的定時提前差異值τb_kj，即:

用戶j的異步干擾信號ib_kj(m)主要來源于從基站b發(fā)射到用戶k的兩個相鄰(對應(yīng)時刻為mb_kj與mb_kj＋1)傳輸符號，即sk(mb_kj)與sk(mb_kj＋1),且mb_kj=m-「τb-kj/Ts?，「x?表示大于等于x的最小整數(shù)，如圖2所示。

若時延偏移量τb_kj與Ts模運(yùn)算結(jié)果表示為δb_kj(0≤δb_kj≤Ts)，即δb_kj＝τb_kjmod Ts，則有:

式中，α(b1,b2)_kj(k≠j)表示異步干擾信號的相關(guān)系數(shù)，且具有如下特性:

在k=j的特殊情況下,對所有不同的基站,均有α(b1,b2)_jj＝1。由于所有K個用戶都使用相同的波形，因此異步干擾在不同定時參數(shù)情況下的相關(guān)系數(shù)值可進(jìn)行預(yù)先計算并存儲在查找表中。

因此，在考慮來自其他用戶干擾信號異步特性的情況下，式(2)中t時刻用戶j的接收信號rj(t)通過匹配濾波并采樣后即為:

3 聯(lián)合預(yù)編碼優(yōu)化設(shè)計

若設(shè)計的預(yù)編碼矩陣僅滿足HjWk=0(j≠k)，雖然可消除同步情況下的多用戶干擾，但不能完全消除式(8)中多用戶間的異步干擾信號。若預(yù)編碼矩陣設(shè)計采用面向每個基站的更強(qiáng)約束條件，即HbjWbk=0(j≠k)，雖然可達(dá)到完全抵消異步干擾信號的目的[11]，但是所能支持的用戶數(shù)受到嚴(yán)重限制，僅為K≤Nt/Nr。

根據(jù)式(8)，用戶j的信息速率Rj可表示為[12]:

式中，Cj表示噪聲加干擾的協(xié)方差矩陣，即為:

因此，所有K個用戶在給定信道狀態(tài)H1～HK的情況下，設(shè)計的目標(biāo)即是通過聯(lián)合優(yōu)化預(yù)編碼矩陣，以使K個用戶獲得的信息和速率最大化，即滿足:

4 性能分析

在數(shù)值模擬中，以一城市多基站協(xié)作微蜂窩多用戶系統(tǒng)下行傳輸鏈路為分析對象，如圖1所示。小區(qū)內(nèi)的多用戶間干擾可通過MIMO-OFDM技術(shù)加以解決。為了主要討論小區(qū)間的信號異步干擾，以及分析問題的簡化，考慮的仿真場景為:3個相鄰小區(qū)，分布3個發(fā)射基站和2個接收用戶，基站間的距離為500 m，且每基站發(fā)射天線數(shù)和用戶接收天線數(shù)目均為2，即M＝3，K＝2，Nt＝2，Nr=2，進(jìn)一步假設(shè)每個基站發(fā)射功率相同，傳輸信道是瑞利平坦衰落的，數(shù)據(jù)調(diào)制采用QPSK方式，符號脈沖為方波且持續(xù)時間Ts為1 μs。

如圖3和圖4所示的性能仿真，對四種情況進(jìn)行對比分析，即情況(A):基站間無協(xié)作，視鄰近小區(qū)信號為干擾噪聲；情況(B):多基站協(xié)作傳輸，且考慮了到達(dá)目標(biāo)用戶的期望信號和干擾信號間異步特性，但沒有經(jīng)過處理，視為異步干擾對待；情況(C):多基站協(xié)作傳輸，在充分考慮目標(biāo)用戶期望信號與來自其他用戶干擾信號的異步傳輸特性基礎(chǔ)上，通過基站端聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計的預(yù)編碼矩陣進(jìn)行預(yù)處理以盡量減小異步干擾對系統(tǒng)性能影響；情況(D):忽略信號傳輸異步特性的理想同步多基站協(xié)作傳輸。

如圖3所示為四種情況下用戶信噪比(Es/No)與系統(tǒng)平均最小均方誤差(MMSE)變化關(guān)系；如圖4所示為四種情況下用戶信噪比(Es/No)與系統(tǒng)平均頻譜效率((b/s)/Hz)變化關(guān)系。從圖3和圖4可知，理想的多基站同步協(xié)作模式獲得的系統(tǒng)均方誤差特性和平均頻譜效率最好，在異步環(huán)境中受制于信號異步干擾影響的多基站協(xié)作傳輸所獲得的系統(tǒng)性能明顯降低。但若能進(jìn)一步考慮系統(tǒng)中的信號傳輸異步特性，并通過一定的預(yù)編碼矩陣聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行預(yù)處理，則可明顯改善系統(tǒng)性能，有利于減小異步干擾信號的影響。

從以上討論可看出，即使在完美的定時提前機(jī)制下能保證各協(xié)作基站到達(dá)目標(biāo)用戶期望信號是同步的，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于不同的路徑傳輸時延，也很難確保來自其他用戶的干擾信號與期望信號同時到達(dá)目標(biāo)用戶，因此在協(xié)作多基站聯(lián)合向多用戶發(fā)射數(shù)據(jù)時不可避免地會產(chǎn)生干擾信號傳輸?shù)漠惒叫浴Ｏ鄳?yīng)地，若能在Co-MP系統(tǒng)中充分得知各干擾信號傳輸?shù)臅r間異步結(jié)構(gòu)，并聯(lián)合一定的預(yù)編碼優(yōu)化設(shè)計準(zhǔn)則進(jìn)行預(yù)處理，則可減小異步干擾對系統(tǒng)性能的影響。特別是在高速率數(shù)據(jù)傳輸情況下，更應(yīng)全面而充分地考慮協(xié)作系統(tǒng)中各信號傳輸?shù)臅r間異步特性。若系統(tǒng)存在定時提前誤差，則還應(yīng)進(jìn)一步考慮定時抖動對目標(biāo)用戶期望信號的接收影響。此外，在考慮信號傳輸異步特性基礎(chǔ)上如何找到一種低復(fù)雜度、高可靠性的預(yù)編碼優(yōu)化設(shè)計算法，還值得進(jìn)一步深入研究。

[1]DAVID G,MANSOOR S,SHIU Da Shan,et al.From theory to practice:an overview of MIMO space-time coded wireless system[J].IEEE J.Select.Areas Commun,2003,21(3):281-302.

[2]DAI H,MOLISCH A F,POOR H V.Downlink capacity of interference-limited MIMO systems with joint detection[J].IEEE Trans.Wireless Commun.,2004,3(2):442-453.

[3]SOMEKH O,ZAIDEL B M,SHAMAI S.Sum rate characterization of joint multiple cell-site processing[J].IEEE Tran.on Info.Theory,2007,53(12):4473-4497.

[4]Further Advancements for E-UTRA Physical Layer Aspects(Release 9)[S].3GPP Technical Specification,TR 36.814 V0.4.1,Feb.2009.[Online].Available:http://www.3gpp.org.

[5]XIAO Shang Hui,ZHANG Zhong Pei,SHI Zhi Pei.Clustered multi-point coordinating transmission systems with the Reduced Overhead[J].Journal of Communications.2010,5(6):493-500.

[6]Boon Loong Ng,JAMIE S,STEPHEN E,HANLY V,et al.Distributed downlink beamforming with cooperative base stations[J].IEEE Trans.on Information Theory,2008,54(12):5491-5499.

[7]SIMEONE O,SOMEKH O,POOR H V,et al.Downlink multicell processing with limited-backhaul capacity[J].EURASIP J.on Adv.in Signal Process.,Article ID:840814,2009:1-10.

[8]肖尚輝,張忠培,史治平.多基站協(xié)作下行系統(tǒng)中異步空時碼構(gòu)造與分析[J].電子科技大學(xué)學(xué)報,2010,39(3):335-339.

[9]NG B L,EVANS J S,HANLY S V,et al.Transmit beamforming with cooperative base stations[C].in Proc.IEEE Intl.Symp.Inf.Th.,(Adelaide,Australia),2005:1431-1435.

[10]SPENCER Q H,SWINDLEHURST A L,HAARDT M.Zero-forcing methods for downlink spatial multiplexing in multiuser MIMO channels[J].IEEE Transactions On Signal Processing,2004,52(2):461-471.

[11]SHAO L,ROY S.Downlink multicell MIMO-OFDM:An architecture for next generation wireless networks[C].in Proc.IEEE WCNC,Mar.2005.

[12]WINDPASSINGER C,FISCHER R F H,VENCEL T,et al.Precoding in multiantenna and multiuser communications[J].IEEE Trans.Wireless Commun.,2004,3(4):1305-1316.