多點協(xié)作通信預(yù)編碼技術(shù)與性能分析.pdf

1、蜂窩系統(tǒng)中各個小區(qū)不可避免地會受到其他相鄰小區(qū)的同信道干擾(Co-ChannelInterference，CCI)，而蜂窩系統(tǒng)又是干擾受限的，因此小區(qū)間干擾是影響無線通信系統(tǒng)性能提升的重要因素，如何解決小區(qū)間干擾問題一直是學(xué)界研究的熱點問題之一。多小區(qū)協(xié)作(或是多基站協(xié)作、多點協(xié)作)技術(shù)是解決該問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。多小區(qū)協(xié)作通常是指相鄰小區(qū)基站共享彼此的信道甚至數(shù)據(jù)信息，聯(lián)合服務(wù)于一個用戶或多個用戶，將原本對本小區(qū)用戶是干擾的信號變?yōu)橛?/p>

2、用信號。因此，多小區(qū)協(xié)作技術(shù)是解決多小區(qū)間干擾，特別是提升小區(qū)邊緣用戶服務(wù)質(zhì)量的有效技術(shù)。近年來，隨著基站處理能力的快速提高以及回程(backhauling)容量的大幅提升，多小區(qū)協(xié)作處理與協(xié)作通信在工程應(yīng)用上已經(jīng)成為可能，也被公認(rèn)為是未來無線通信中實現(xiàn)高速率、高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵募夹g(shù)之一。新一代移動通信技術(shù)中另一項關(guān)鍵技術(shù)一中繼技術(shù)能夠有效克服路徑損耗和大尺度衰落影響，消除、克服通信盲區(qū)，解決熱點區(qū)域的通信瓶頸問題，快速恢復(fù)突發(fā)災(zāi)難地

3、區(qū)的通信連通性等。中繼增強型多基站協(xié)作技術(shù)能夠綜合利用上述兩種技術(shù)的優(yōu)勢進一步提高通信的有效性和可靠性。本論文深入研究了“多點協(xié)作通信”課題。研究內(nèi)容涉及多點協(xié)作的兩個方面，一是多點協(xié)作發(fā)送預(yù)編碼設(shè)計，并考慮了中繼增強型多基站協(xié)作的聯(lián)合預(yù)編碼問題，另一個是多點協(xié)作性能分析。具體研究內(nèi)容和主要貢獻如下：
　　1.研究了多基站單用戶下行鏈路中多基站協(xié)作預(yù)編碼設(shè)計問題，提出了基于系統(tǒng)均方誤差函數(shù)的等價變換準(zhǔn)則的預(yù)編碼優(yōu)化算法，以及聯(lián)合最

4、優(yōu)發(fā)送和接收的迭代實現(xiàn)算法?？紤]多個基站聯(lián)合服務(wù)一個移動用戶的應(yīng)用場景，基站和用戶均配置多天線，研究了多基站協(xié)作預(yù)編碼的最優(yōu)設(shè)計問題。首先基于系統(tǒng)均方誤差函數(shù)最小化準(zhǔn)則建立了數(shù)學(xué)模型；由于該問題需要求解的參數(shù)是對角塊矩陣，解決的辦法是對該數(shù)學(xué)模型進行等價變換。等價變換后，需要求解的問題變成了對由原始問題的對角塊矩陣中所有非零元素組成的列向量求解；最后利用拉格朗日乘子法對變換后的問題進行求解，最終得到問題最優(yōu)解的解析表達式。更進一步，基于

5、該解析表達式，設(shè)計了一個聯(lián)合優(yōu)化多點協(xié)作發(fā)射機與接收機的迭代算法。計算機仿真表明，所提方案在系統(tǒng)誤比特率、誤符號率以及系統(tǒng)頻譜效率方面都有著明顯的增益。
　　2.研究了多基站多用戶下行鏈路中發(fā)送預(yù)編碼和接收機的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計，提出了集中協(xié)作處理時基于MMSE準(zhǔn)則的收發(fā)機聯(lián)合優(yōu)化的迭代實現(xiàn)算法，以及基于最大化信漏噪比和基于匹配準(zhǔn)則的分布式預(yù)編碼設(shè)計方法。針對多個基站聯(lián)合服務(wù)多個用戶，并且基站和用戶均配置多天線的應(yīng)用場景，研究了多基站協(xié)

6、作預(yù)編碼與用戶協(xié)作接收機的優(yōu)化設(shè)計問題；考慮到基站間回傳容量限制，基站間不共享數(shù)據(jù)信息，只共享信道信息，考慮了集中式處理和分布式實現(xiàn)這兩種基站間協(xié)作處理方式。首先考慮存在一個中央控制器，實現(xiàn)對多個基站和用戶聯(lián)合預(yù)編碼設(shè)計的場景，利用系統(tǒng)均方誤差函數(shù)最小化準(zhǔn)則建立數(shù)學(xué)模型，研究了多基站協(xié)作預(yù)編碼與多用戶協(xié)作接收機聯(lián)合最優(yōu)化設(shè)計。第一步，假設(shè)多用戶接收端采用固定接收機，推導(dǎo)了多基站協(xié)作系統(tǒng)的最優(yōu)預(yù)編碼設(shè)計的解析表達式；第二步，假設(shè)多基站發(fā)送

7、預(yù)編碼矩陣固定時，推導(dǎo)了最優(yōu)的接收機解析表達式。再結(jié)合上述兩個解析表達式，利用迭代算法設(shè)計了多基站多用戶MIMO系統(tǒng)收發(fā)機的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計方案。第一種協(xié)作方式由于基站間的信令開銷較大，且需要一個中央控制器，所以研究的第二種協(xié)作方式是考慮基站間采用分布式協(xié)作，針對分布式多基站協(xié)作場景研究了多基站協(xié)作的分布式預(yù)編碼設(shè)計方法。將基于最大化信漏噪比(SLNR)的預(yù)編碼設(shè)計準(zhǔn)則引入多小區(qū)協(xié)作中，提出了基于SLNR的預(yù)編碼矩陣設(shè)計方法；又給出了基于匹

8、配準(zhǔn)則的預(yù)編碼矩陣設(shè)計方案。計算機仿真表明，所提方案在系統(tǒng)誤比特率、誤符號率以及頻譜效率方面都有明顯增益。
　　3.研究了中繼增強型多基站協(xié)作下行鏈路的聯(lián)合預(yù)編碼問題，提出了聯(lián)合優(yōu)化協(xié)作多基站和中繼的預(yù)編碼矩陣的迭代算法?？紤]多個多天線基站與多天線中繼組成的中繼增強型協(xié)作MIMO通信場景下的聯(lián)合預(yù)編碼設(shè)計問題?；谙到y(tǒng)均方誤差準(zhǔn)則分別推導(dǎo)了最優(yōu)的協(xié)作MIMO基站和協(xié)作中繼的發(fā)射預(yù)編碼矩陣的解析表達式。利用迭代算法，設(shè)計了協(xié)作多基站

9、和中繼最優(yōu)發(fā)射預(yù)編碼的聯(lián)合優(yōu)化方案。為了所提方案更具工程實用價值，基站之間以及基站與中繼之間均不共享數(shù)據(jù)信息。計算機仿真表明，所提方案在系統(tǒng)誤比特率、誤符號率以及頻譜效率方面都有明顯增益。
　　4.針對存在來自相鄰蜂窩小區(qū)的同信道、不同功率信道干擾的單用戶下行鏈路場景，分析了基站和用戶均為單天線時的系統(tǒng)中斷概率和平均誤符號率性能。系統(tǒng)模型為兩個基站、兩個用戶，基站與用戶均為單天線。在期望信號和干擾信號均為Rayleigh分布時，運

10、用基于概率密度函數(shù)性能分析法推導(dǎo)了系統(tǒng)中斷概率；推導(dǎo)了瞬時SINR，并對瞬時誤符號率取平均的方法推導(dǎo)了平均誤符號率的閉合表達式和用戶的接收SINR的n階矩；根據(jù)用戶接收平均SINR的n階矩表達式，推導(dǎo)并分析了用戶接收平均SINR的衰落量(AF)性能。最后，仿真了該場景下的中斷概率和ASER性能，仿真了在不同干擾功率下系統(tǒng)中斷概率和ASER性能。仿真結(jié)果表明：系統(tǒng)的中斷概率和ASER的解析曲線均與數(shù)值仿真結(jié)果一致。系統(tǒng)性能隨著干擾基站功率

11、的降低而提升，并隨發(fā)送功率的增加而顯著增加。
　　5.考慮存在來自其他蜂窩的不同功率同信道干擾的多用戶上行鏈路，分析了基站采用多用戶調(diào)度和最大比合并接收時系統(tǒng)的平均誤符號率和中斷概率性能。在期望信號和干擾信號分別經(jīng)歷Nakagami-m和Rayleigh信道時，運用基于概率密度函數(shù)的性能分析法推導(dǎo)了系統(tǒng)中斷概率和平均誤符號率的閉合表達式。仿真結(jié)論顯示，系統(tǒng)中斷概率和平均誤符號率的解析曲線與數(shù)值仿真結(jié)果一致，系統(tǒng)性能隨著天線數(shù)和用戶