多點(diǎn)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(gè)小區(qū)不可避免地會(huì)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(wú)線(xiàn)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(wèn)題一直是學(xué)界研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。多小區(qū)協(xié)作(或是多基站協(xié)作、多點(diǎn)協(xié)作)技術(shù)是解決該問(wèn)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(gè)用戶(hù)或多個(gè)用戶(hù)，將原本對(duì)本小區(qū)用戶(hù)是干擾的信號(hào)變?yōu)橛?/p>

2、用信號(hào)。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(hù)服務(wù)質(zhì)量的有效技術(shù)。近年來(lái)，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(lái)無(wú)線(xiàn)通信中實(shí)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(dòng)通信技術(shù)中另一項(xiàng)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(diǎn)區(qū)域的通信瓶頸問(wèn)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(qiáng)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(shì)進(jìn)一步提高通信的有效性和可靠性。本論文深入研究了“多點(diǎn)協(xié)作通信”課題。研究?jī)?nèi)容涉及多點(diǎn)協(xié)作的兩個(gè)方面，一是多點(diǎn)協(xié)作發(fā)送預(yù)編碼設(shè)計(jì)，并考慮了中繼增強(qiáng)型多基站協(xié)作的聯(lián)合預(yù)編碼問(wèn)題，另一個(gè)是多點(diǎn)協(xié)作性能分析。具體研究?jī)?nèi)容和主要貢獻(xiàn)如下：
　　1.研究了多基站單用戶(hù)下行鏈路中多基站協(xié)作預(yù)編碼設(shè)計(jì)問(wèn)題，提出了基于系統(tǒng)均方誤差函數(shù)的等價(jià)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(shí)現(xiàn)算法?？紤]多個(gè)基站聯(lián)合服務(wù)一個(gè)移動(dòng)用戶(hù)的應(yīng)用場(chǎng)景，基站和用戶(hù)均配置多天線(xiàn)，研究了多基站協(xié)作預(yù)編碼的最優(yōu)設(shè)計(jì)問(wèn)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(wèn)題需要求解的參數(shù)是對(duì)角塊矩陣，解決的辦法是對(duì)該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行等價(jià)變換。等價(jià)變換后，需要求解的問(wèn)題變成了對(duì)由原始問(wèn)題的對(duì)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(duì)變換后的問(wèn)題進(jìn)行求解，最終得到問(wèn)題最優(yōu)解的解析表達(dá)式。更進(jìn)一步，基于

5、該解析表達(dá)式，設(shè)計(jì)了一個(gè)聯(lián)合優(yōu)化多點(diǎn)協(xié)作發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的迭代算法。計(jì)算機(jī)仿真表明，所提方案在系統(tǒng)誤比特率、誤符號(hào)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(hù)下行鏈路中發(fā)送預(yù)編碼和接收機(jī)的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了集中協(xié)作處理時(shí)基于MMSE準(zhǔn)則的收發(fā)機(jī)聯(lián)合優(yōu)化的迭代實(shí)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(jì)方法。針對(duì)多個(gè)基站聯(lián)合服務(wù)多個(gè)用戶(hù)，并且基站和用戶(hù)均配置多天線(xiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景，研究了多基站協(xié)

6、作預(yù)編碼與用戶(hù)協(xié)作接收機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)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(shí)現(xiàn)這兩種基站間協(xié)作處理方式。首先考慮存在一個(gè)中央控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)基站和用戶(hù)聯(lián)合預(yù)編碼設(shè)計(jì)的場(chǎng)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(hù)協(xié)作接收機(jī)聯(lián)合最優(yōu)化設(shè)計(jì)。第一步，假設(shè)多用戶(hù)接收端采用固定接收機(jī)，推導(dǎo)了多基站協(xié)作系統(tǒng)的最優(yōu)預(yù)編碼設(shè)計(jì)的解析表達(dá)式；第二步，假設(shè)多基站發(fā)送

7、預(yù)編碼矩陣固定時(shí)，推導(dǎo)了最優(yōu)的接收機(jī)解析表達(dá)式。再結(jié)合上述兩個(gè)解析表達(dá)式，利用迭代算法設(shè)計(jì)了多基站多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)收發(fā)機(jī)的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。第一種協(xié)作方式由于基站間的信令開(kāi)銷(xiāo)較大，且需要一個(gè)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(duì)分布式多基站協(xié)作場(chǎng)景研究了多基站協(xié)作的分布式預(yù)編碼設(shè)計(jì)方法。將基于最大化信漏噪比(SLNR)的預(yù)編碼設(shè)計(jì)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(jì)方法；又給出了基于匹

8、配準(zhǔn)則的預(yù)編碼矩陣設(shè)計(jì)方案。計(jì)算機(jī)仿真表明，所提方案在系統(tǒng)誤比特率、誤符號(hào)率以及頻譜效率方面都有明顯增益。
　　3.研究了中繼增強(qiáng)型多基站協(xié)作下行鏈路的聯(lián)合預(yù)編碼問(wèn)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(gè)多天線(xiàn)基站與多天線(xiàn)中繼組成的中繼增強(qiáng)型協(xié)作MIMO通信場(chǎng)景下的聯(lián)合預(yù)編碼設(shè)計(jì)問(wèn)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(dá)式。利用迭代算法，設(shè)計(jì)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(shí)用價(jià)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(jì)算機(jī)仿真表明，所提方案在系統(tǒng)誤比特率、誤符號(hào)率以及頻譜效率方面都有明顯增益。
　　4.針對(duì)存在來(lái)自相鄰蜂窩小區(qū)的同信道、不同功率信道干擾的單用戶(hù)下行鏈路場(chǎng)景，分析了基站和用戶(hù)均為單天線(xiàn)時(shí)的系統(tǒng)中斷概率和平均誤符號(hào)率性能。系統(tǒng)模型為兩個(gè)基站、兩個(gè)用戶(hù)，基站與用戶(hù)均為單天線(xiàn)。在期望信號(hào)和干擾信號(hào)均為Rayleigh分布時(shí)，運(yùn)

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(shí)SINR，并對(duì)瞬時(shí)誤符號(hào)率取平均的方法推導(dǎo)了平均誤符號(hào)率的閉合表達(dá)式和用戶(hù)的接收SINR的n階矩；根據(jù)用戶(hù)接收平均SINR的n階矩表達(dá)式，推導(dǎo)并分析了用戶(hù)接收平均SINR的衰落量(AF)性能。最后，仿真了該場(chǎng)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(xiàn)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(lái)自其他蜂窩的不同功率同信道干擾的多用戶(hù)上行鏈路，分析了基站采用多用戶(hù)調(diào)度和最大比合并接收時(shí)系統(tǒng)的平均誤符號(hào)率和中斷概率性能。在期望信號(hào)和干擾信號(hào)分別經(jīng)歷Nakagami-m和Rayleigh信道時(shí)，運(yùn)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(hào)率的閉合表達(dá)式。仿真結(jié)論顯示，系統(tǒng)中斷概率和平均誤符號(hào)率的解析曲線(xiàn)與數(shù)值仿真結(jié)果一致，系統(tǒng)性能隨著天線(xiàn)數(shù)和用戶(hù)