蜂窩系統(tǒng)基站協(xié)作干擾抑制技術(shù)研究.pdf

1、為了解決有限的無線資源及不斷增長的業(yè)務(wù)需求之間的矛盾，能夠大大提高系統(tǒng)容量的多入多出(MIMO, Multiple-Input Multiple-Output)技術(shù)近年來受到了廣泛關(guān)注。但是在多天線蜂窩系統(tǒng)中，小區(qū)間干擾(ICI, Inter-Cell Interference)嚴(yán)重影響了MIMO對系統(tǒng)性能的改善?；緟f(xié)作(BSC, Base Station Coordination)作為3GPP LTE(3rd Generation

2、Partnership Project Long Term Evolution)的關(guān)鍵技術(shù)，以及協(xié)作通信的重要分支，可以在復(fù)雜的無線通信環(huán)境下，有效地抑制ICI，改善系統(tǒng)的頻譜效率。然而，基站協(xié)作在標(biāo)準(zhǔn)化和實(shí)用化的道路上仍然面臨著很多問題與挑戰(zhàn)。因此，設(shè)計(jì)低復(fù)雜度高性能的基站協(xié)作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以及研究公平有效的干擾抑制技術(shù)是重要的研究課題。
　　基站協(xié)作具有在地理位置上分散的天線，相對于傳統(tǒng)MIMO具有很多潛在優(yōu)勢，然而也為其實(shí)現(xiàn)帶來

3、很多阻礙。首先面臨的問題是如何對協(xié)作基站進(jìn)行選擇，來保證以盡可能低的復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的整體優(yōu)化；其次，為了抑制ICI，協(xié)作基站之間往往需要交換大量信息，對基站間鏈路造成嚴(yán)重負(fù)擔(dān)；另外，上下行鏈路采用的干擾抑制技術(shù)本身存在復(fù)雜度或空間自由度等制約條件。本文針對上述問題進(jìn)行了深入研究，從基站協(xié)作的容量及潛在優(yōu)勢入手，著重研究了協(xié)作分簇算法、上行鏈路的協(xié)作檢測以及下行鏈路協(xié)作發(fā)送算法。這些算法有效地抑制了ICI，提高了頻譜效率，同時對改善用

4、戶公平性、降低系統(tǒng)復(fù)雜度、減小鏈路開銷具有積極意義。本文主要研究了以下幾個方面：
　　第一，對ICI及基站協(xié)作模型的研究。首先，給出了多小區(qū)環(huán)境中ICI模型，干擾矩陣的數(shù)學(xué)求解，以及MIMO的干擾受限性能。ICI不可以簡單近似為高斯白噪聲，并且嚴(yán)重影響了MIMO性能的提升。現(xiàn)有的ICI抑制算法很難再取得新的進(jìn)展，可以考慮把它們與基站間基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作算法相結(jié)合。然后，研究了基站協(xié)作的Wyner模型，并給出了基站協(xié)作性能的信息論分析結(jié)

5、果，從而得到理論上的極限容量。最后，從功率增益、空間相關(guān)性、信道秩和奇異值分布等方面討論了基站協(xié)作相對于傳統(tǒng)MIMO具有的潛在優(yōu)勢，從根本上分析了基站協(xié)作產(chǎn)生容量增益的原因。這些工作有助于對基站協(xié)作基本原理的深刻理解，對后文的研究具有一定指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。
　　第二，對協(xié)作基站的選擇及分簇算法的研究。如果令系統(tǒng)中的所有基站全部參與協(xié)作，所需的開銷將難以承受。因此，需要選擇一部分基站進(jìn)行協(xié)作。針對現(xiàn)有的靜態(tài)分簇和動態(tài)分簇策略的各自

6、優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種改進(jìn)的靜態(tài)分簇協(xié)作策略。以上行鏈路為例，在靜態(tài)分簇的基礎(chǔ)上，根據(jù)簇間協(xié)作距離，將每個簇的用戶分為簇內(nèi)用戶和簇間用戶。對簇內(nèi)用戶采用迫零線性接收算法，抑制簇內(nèi)多用戶間的干擾。對簇間用戶采用擴(kuò)展的迫零接收與連續(xù)干擾消除相結(jié)合的方法，對簇間干擾進(jìn)行抑制。相對于靜態(tài)分簇，改進(jìn)的策略改善了分簇邊緣用戶的性能，提高了系統(tǒng)頻譜效率，用戶公平性更好。相對于動態(tài)分簇，兩者性能相近，然而改進(jìn)的策略在分簇的過程中不需要利用貪婪算法，大大降低

7、了復(fù)雜度。
　　第三，對上行鏈路協(xié)作檢測算法的研究。為了減少基站間鏈路大量的數(shù)據(jù)交換開銷，降低集中式協(xié)作檢測中央單元的信號處理復(fù)雜度，研究了分布式協(xié)作檢測算法。為了進(jìn)一步減小開銷，提出了基于用戶分組的分布式協(xié)作檢測算法。根據(jù)本地用戶信道增益與所有用戶信道增益之和的比值設(shè)定一個門限，將用戶分為兩組。對高于門限的用戶采用單小區(qū)處理，并進(jìn)行干擾重構(gòu)。分離了較強(qiáng)用戶信號的干擾之后，對低于門限的用戶采用低復(fù)雜度延時分布式連續(xù)檢測(LCD-D

8、SD, Low Complexity Delayed-Distributive Successive Detection)進(jìn)行協(xié)作檢測。通過對強(qiáng)弱用戶信號的區(qū)分以及采用不同的處理方式，達(dá)到有效的干擾抑制目的。仿真表明，當(dāng)門限Th≈時，協(xié)作檢測的用戶數(shù)大約減小了一半，卻獲得了與全部0.9用戶進(jìn)行協(xié)作檢測相近的性能，大大降低了鏈路負(fù)擔(dān)及信號處理復(fù)雜度。
　　第四，對下行鏈路協(xié)作發(fā)送算法的研究。通過對幾種協(xié)作預(yù)編碼性能的驗(yàn)證，得知聯(lián)合發(fā)

9、送塊對角化(JT-BD, Joint Transmission-Block Diagonalization)預(yù)編碼是一種性能優(yōu)良的算法，可以有效地抑制ICI。針對線性預(yù)編碼算法固有的發(fā)射天線數(shù)目的制約條件，提出了基于基站協(xié)作JT-BD的兩種低復(fù)雜度次最優(yōu)的用戶和天線聯(lián)合選擇算法。當(dāng)系統(tǒng)中用戶數(shù)較少，比如滿足預(yù)編碼約束條件時，可以只采用接收天線選擇去掉一些對容量貢獻(xiàn)較小的天線，同時減小對其他用戶的干擾，提高系統(tǒng)和容量。當(dāng)系統(tǒng)中用戶數(shù)較多時