多用戶(hù)預(yù)編碼技術(shù)在中繼系統(tǒng)中的應(yīng)用*

王方向，鄭 侃，龍 航，王文博

（北京郵電大學(xué) 北京 100876）

1 引言

處在不利位置（如小區(qū)邊緣）的用戶(hù)與基站之間的信道較差，容易受到噪聲及干擾的影響，因此用戶(hù)信號(hào)一般較差，通話(huà)困難。如果在原有基站的基礎(chǔ)上增加一些新的中繼站，可以增大天線(xiàn)的分布密度，拉近天線(xiàn)和用戶(hù)的距離，此時(shí)下行數(shù)據(jù)從基站先傳給中繼站，中繼站再傳給終端用戶(hù)，上行反之，從而改善鏈路質(zhì)量，降低用戶(hù)掉話(huà)率，提高系統(tǒng)的頻譜效率。

發(fā)送端已知信道狀態(tài)信息時(shí)可以對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理操作，從而提高系統(tǒng)的吞吐量，目前線(xiàn)性預(yù)編碼技術(shù)已經(jīng)被3GPP LTE系統(tǒng)采用[1]。由于協(xié)同通信系統(tǒng)與MIMO系統(tǒng)的相似性，預(yù)編碼技術(shù)被引入用于提高頻譜效率[2]。協(xié)同通信系統(tǒng)中的預(yù)編碼技術(shù)與本地或者虛擬天線(xiàn)陣密切相關(guān)，可以根據(jù)天線(xiàn)陣構(gòu)成方式的不同對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)研究[3]。

目前，協(xié)同通信系統(tǒng)中的預(yù)編碼技術(shù)研究集中在單用戶(hù)場(chǎng)景，即假設(shè)單個(gè)或者多個(gè)中繼站協(xié)作基站與單個(gè)用戶(hù)進(jìn)行通信。如果基站采用空分多址的方式與多個(gè)用戶(hù)通信，可以有效提高頻譜效率，給系統(tǒng)吞吐量帶來(lái)可觀的增益，因此，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的多用戶(hù)中繼系統(tǒng)的研究應(yīng)運(yùn)而生。

相比于單用戶(hù)中繼，多用戶(hù)中繼系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、信號(hào)處理技術(shù)等更加復(fù)雜。基站的處理能力比移動(dòng)終端強(qiáng)得多，因此在下行鏈路中，基站在發(fā)送信號(hào)前做預(yù)處理以消除或者抑制接收端的多用戶(hù)干擾，同時(shí)利用中繼站的本地天線(xiàn)陣或者多個(gè)中繼站構(gòu)成的虛擬天線(xiàn)陣，進(jìn)一步采用信號(hào)處理技術(shù)以提高系統(tǒng)性能。在上行鏈路中，用戶(hù)一般僅知道自己的信道狀態(tài)信息，獲取其他用戶(hù)信道狀態(tài)信息需要付出很大代價(jià)，因此用戶(hù)間很難進(jìn)行協(xié)作，需要依靠中繼站以及基站接收信號(hào)之后進(jìn)行處理來(lái)區(qū)分不同用戶(hù)。下面將從下行鏈路和上行鏈路兩個(gè)方面，針對(duì)不同場(chǎng)景，介紹預(yù)編碼技術(shù)在多用戶(hù)中繼系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2 中繼系統(tǒng)中的下行多用戶(hù)預(yù)編碼技術(shù)

2.1 1-1-N（單個(gè)基站，單個(gè)中繼站，多個(gè)用戶(hù)）

在這種場(chǎng)景下，基站和多個(gè)用戶(hù)之間只有單個(gè)中繼站。中繼站可以實(shí)現(xiàn)基站的部分功能且實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較低，因而在離基站比較遠(yuǎn)的小區(qū)邊緣地區(qū)可以滿(mǎn)足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

如圖1所示，下面以?xún)商鴤鬏敒槔M(jìn)行說(shuō)明。在此場(chǎng)景下，基站和中繼站配備多根天線(xiàn)，移動(dòng)終端可以配備單根或者多根天線(xiàn)?；竞椭欣^站之間利用空分復(fù)用方式進(jìn)行傳輸，中繼站和多個(gè)用戶(hù)之間為MIMO-Broadcast信道（MIMO-BC），因此，此場(chǎng)景可以看成MIMO-BC加入中繼站之后的推廣，預(yù)編碼操作在基站和中繼站的本地天線(xiàn)陣進(jìn)行。

基站端的預(yù)編碼可以分為線(xiàn)性和非線(xiàn)性?xún)煞N。臟紙編碼是非線(xiàn)性預(yù)編碼的典型代表。研究表明，在MIMO-BC中基站如果采用臟紙編碼向多個(gè)用戶(hù)同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，其性能優(yōu)于時(shí)分復(fù)用（即基站不同時(shí)隙向不同用戶(hù)傳輸）[4]。如果基站端采用迫零臟紙編碼，中繼站采用簡(jiǎn)單的線(xiàn)性操作，在滿(mǎn)足功率要求的情況下，對(duì)基站的預(yù)編碼矩陣和中繼站的線(xiàn)性處理矩陣進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)，可以獲得點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)多用戶(hù)中繼信道容量的上界。由于臟紙編碼實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度過(guò)高，在實(shí)際系統(tǒng)中，基站端可以采用與臟紙編碼思想相同的Tomlinson-Harashima 預(yù) 編 碼[5]。

線(xiàn)性預(yù)編碼的應(yīng)用更為廣泛，常見(jiàn)的線(xiàn)性預(yù)編碼包括最小均方誤差（MMSE）、奇異值分解（SVD）和迫零（ZF）預(yù)編碼等。如果基站與用戶(hù)之間沒(méi)有直傳鏈路，基站對(duì)信號(hào)進(jìn)行線(xiàn)性處理后轉(zhuǎn)發(fā)給中繼站，中繼站對(duì)信號(hào)進(jìn)一步放大轉(zhuǎn)發(fā)，廣播發(fā)送給多個(gè)用戶(hù)。當(dāng)基站的預(yù)編碼矩陣和中繼站的功率分配矩陣都基于MMSE準(zhǔn)則聯(lián)合設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用迭代的方式，即依次固定基站和中繼站發(fā)送矩陣中的一個(gè)，優(yōu)化另外一個(gè)，在保證所要求的最小信干噪比的條件下，使得功率消耗最小；當(dāng)基于SVD準(zhǔn)則聯(lián)合設(shè)計(jì)時(shí)，基站與中繼站選擇合適的轉(zhuǎn)發(fā)矩陣，將基站和多個(gè)用戶(hù)之間的信道矩陣變成對(duì)角陣[6]。

在上述方案中，中繼站對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行線(xiàn)性放大轉(zhuǎn)發(fā)，信號(hào)處理時(shí)延小，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。若中繼站采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF）協(xié)議，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高，但是在干擾受限的環(huán)境中，通過(guò)中繼站進(jìn)行DF操作，可以有效消除多用戶(hù)干擾。如果基站與用戶(hù)之間有直傳鏈路，第一階段基站向中繼站和用戶(hù)發(fā)送數(shù)據(jù)，中繼站首先對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解碼，第二階段用戶(hù)選擇一個(gè)信道狀況較好的基站或者中繼站為其服務(wù)，被選中的基站或中繼站應(yīng)用隨機(jī)波束賦形向用戶(hù)發(fā)送信號(hào)，這種方法可以提高蜂窩系統(tǒng)的容量[7]。

2.2 1-N-N（單個(gè)基站，多個(gè)中繼站，多個(gè)用戶(hù)）

在這種場(chǎng)景下，基站和多個(gè)用戶(hù)之間有多個(gè)中繼站。這是因?yàn)樵趯?shí)際蜂窩通信系統(tǒng)中，為了擴(kuò)大覆蓋區(qū)域，在單個(gè)小區(qū)內(nèi)需要放置多個(gè)中繼站，因此，單個(gè)用戶(hù)可能會(huì)處在相鄰中繼站的交叉覆蓋地區(qū)，需要考慮多個(gè)中繼站如何進(jìn)行協(xié)同操作服務(wù)多個(gè)用戶(hù)，以消除用戶(hù)間干擾，提高系統(tǒng)容量。

如圖2所示，基站到中繼站之間為MIMO-BC信道，第一階段基站向各中繼站廣播發(fā)送多用戶(hù)數(shù)據(jù)流；第二階段各中繼站同時(shí)向多個(gè)用戶(hù)發(fā)送數(shù)據(jù)。一般假設(shè)中繼站與用戶(hù)數(shù)量相同。

如果中繼站位置離服務(wù)的用戶(hù)較近，那么用戶(hù)接收到的來(lái)自其他中繼站的干擾可以忽略，只需要基站進(jìn)行預(yù)編碼消除中繼站上的多用戶(hù)干擾。假設(shè)基站配置多天線(xiàn)，中繼站和移動(dòng)終端配置單天線(xiàn)，中繼站為特定的用戶(hù)服務(wù)。為了消除中繼站的多用戶(hù)干擾，基站采用基于ZF的預(yù)編碼，即預(yù)編碼矩陣位于基站到中繼站之間的信道矩陣的零空間內(nèi)。基于ZF的預(yù)編碼要求基站配置的天線(xiàn)個(gè)數(shù)過(guò)高，因此可以采用改進(jìn)的最大信號(hào)泄漏比（maximizing signal-to-leakage ratio）準(zhǔn)則，使得中繼站接收到的其服務(wù)用戶(hù)數(shù)據(jù)的功率，與其他中繼站收到的來(lái)自此用戶(hù)功率的比值最小，這樣對(duì)基站的天線(xiàn)個(gè)數(shù)要求較低，且系統(tǒng)容量高于基于ZF的預(yù)編碼[8]。

如果中繼站位置離基站比較近，那么基站到中繼站之間的信道狀況良好，不會(huì)成為多跳傳輸?shù)钠款i。因此可以在中繼站處采用預(yù)處理，以消除用戶(hù)接收到的多用戶(hù)間干擾。各中繼站的轉(zhuǎn)發(fā)矩陣進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)時(shí)，各個(gè)中繼站需要知道其他所有中繼站前向信道的信息，所需信令開(kāi)銷(xiāo)比較大。當(dāng)進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)時(shí)，各個(gè)中繼站之間無(wú)需通信，此時(shí)中繼站采用DF協(xié)議有利于消除多用戶(hù)干擾。假設(shè)基站和中繼站配置多天線(xiàn)，移動(dòng)終端配置單天線(xiàn)。中繼站正確解碼后采用基于ZF的預(yù)編碼消除多用戶(hù)干擾，然后在此基礎(chǔ)上采用最大比合并（MRC）發(fā)送方案，使得用戶(hù)的接收信噪比最大，或者采用Alamouti空時(shí)碼的方案進(jìn)行發(fā)送,其中MRC方案要求中繼站之間相位同步，而Alamouti方案只需要中繼站之間符號(hào)同步[9]。

在實(shí)際系統(tǒng)中，由于基站到不同中繼站的信道狀況、發(fā)送時(shí)延和速率不同等，不同中繼站接收到的來(lái)自基站的廣播信號(hào)可能有所重疊但不完全相同。根據(jù)各中繼站發(fā)送的信號(hào)是否相同，可以將協(xié)同中繼傳輸分為“對(duì)稱(chēng)”和“非對(duì)稱(chēng)”兩大類(lèi)。如圖3（a）所示，“對(duì)稱(chēng)”指各個(gè)中繼站同時(shí)都向兩個(gè)用戶(hù)廣播發(fā)送信號(hào)，如圖3（b）所示，“非對(duì)稱(chēng)情況”指中繼站1同時(shí)向用戶(hù)1和用戶(hù)2發(fā)送信號(hào)，而中繼站2只向用戶(hù)2發(fā)送信號(hào)。第一階段基站采用TDMA模式向中繼站廣播發(fā)送數(shù)據(jù)后，中繼站采用DF協(xié)議進(jìn)行解碼，然后使用線(xiàn)性預(yù)編碼技術(shù)向多個(gè)用戶(hù)發(fā)送。如果從 “對(duì)稱(chēng)”及“非對(duì)稱(chēng)”情況中選擇最優(yōu)策略，使得系統(tǒng)吞吐量最大，可以看到發(fā)送兩個(gè)數(shù)據(jù)流時(shí)，“非對(duì)稱(chēng)”的情況占絕大多數(shù)，因此在設(shè)計(jì)協(xié)作通信系統(tǒng)時(shí)，需要將非對(duì)稱(chēng)情況考慮在內(nèi)[10]。

如果信道狀態(tài)信息反饋不完全或者移動(dòng)終端的速度過(guò)快等，發(fā)送端可能只知道信道狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)信息。在圖3所示的場(chǎng)景中，在中繼站使用MMSE波束成形，分別計(jì)算出“對(duì)稱(chēng)”和“非對(duì)稱(chēng)”協(xié)同中繼傳輸下的MSE，然后從中選擇最優(yōu)策略，使得系統(tǒng)容量的上界最大，可以看到非對(duì)稱(chēng)協(xié)同傳輸被使用的概率仍然很大[11]。

2.3 N-N-N（源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)量均不為1，且是多個(gè)傳輸對(duì)）

這種場(chǎng)景在傳感器網(wǎng)絡(luò)中較為常見(jiàn)，網(wǎng)絡(luò)中的一些節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了源/目標(biāo)傳輸對(duì)，其他一些節(jié)點(diǎn)作為中繼協(xié)助通信。如圖4所示，源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)量均不為1，且一一對(duì)應(yīng)。

[12]中表明在源/目標(biāo)節(jié)點(diǎn)（S-D）傳輸對(duì)之間存在多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)助通信時(shí)，可以獲得分布式陣列增益，從而提高系統(tǒng)容量。如果每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)都知道其前向和后向信道狀態(tài)信息，且采用非再生協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)，那么S-D鏈路的容量隨著中繼節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)。而且各節(jié)點(diǎn)配置多天線(xiàn)時(shí)可以獲得額外的自由度，進(jìn)一步提高協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)的容量。

中繼節(jié)點(diǎn)知道自身的前向和后向信道狀態(tài)信息時(shí)，采用常用的MF、ZF、MMSE等準(zhǔn)則對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行線(xiàn)性轉(zhuǎn)發(fā)，性能優(yōu)于直接準(zhǔn)發(fā)。如果中繼節(jié)點(diǎn)可以獲得理想的信道狀態(tài)信息，那么協(xié)同中繼系統(tǒng)可以得到的分集度等于中繼節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)[13]。如果中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步對(duì)前向和后向信道進(jìn)行QR分解，不僅可以獲得分布式陣列增益和接收陣列增益，還可以最大化空間復(fù)用增益。此時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)首先采用基于零空間的分塊對(duì)角化消除各傳輸對(duì)之間的干擾，將MIMO-BC中繼信道分解為多個(gè)并行獨(dú)立的S-D中繼信道，然后在分解后的每個(gè)S-D中繼信道上應(yīng)用前向和后向信道的QR分解，同時(shí)進(jìn)行相位控制，在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)采用連續(xù)干擾消除，可以看到系統(tǒng)容量遠(yuǎn)高于基于ZF準(zhǔn)則的轉(zhuǎn)發(fā)策略[14]。

如果需要完全消除多個(gè)傳輸對(duì)之間的干擾，可以采用基于零空間的迫零中繼。即中繼節(jié)點(diǎn)采用線(xiàn)性放大協(xié)議，轉(zhuǎn)發(fā)矩陣用來(lái)消除多個(gè)傳輸對(duì)之間的干擾，在分布式的單天線(xiàn)中繼節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景下也可以獲得空間復(fù)用增益。在典型的室內(nèi)環(huán)境（多徑延時(shí)<500 ns）中，即使考慮到信道矩陣的信令開(kāi)銷(xiāo)和傳輸時(shí)延，多用戶(hù)迫零中繼也可以提高網(wǎng)絡(luò)容量近6倍，因此在設(shè)計(jì)未來(lái)個(gè)人無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，多用戶(hù)迫零中繼是可以考慮的一種方案[15]。如果中繼節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)多于所需最小數(shù)量，可以基于不同的目標(biāo)函數(shù)對(duì)中繼轉(zhuǎn)發(fā)系數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，比如使得總傳輸速率、最小傳輸速率、總接收信噪比或者最小接收信噪比最大，以獲得分布式的分集增益或者增大傳輸速率[16]。

多用戶(hù)迫零中繼要求多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)之間交互信道狀態(tài)信息，信令開(kāi)銷(xiāo)比較大。解決方案將多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)分為兩組，第一組僅需要知道自身信道狀態(tài)信息，用來(lái)增加目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)功率，第二組需要知道所有中繼節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)信息，以消除不同傳輸對(duì)之間的干擾[17]。此方案在性能上幾乎沒(méi)有損失，但是極大地減小了信令開(kāi)銷(xiāo)。多用戶(hù)迫零中繼的另外一個(gè)缺點(diǎn)是僅適用于源節(jié)點(diǎn)與某個(gè)特定的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)配對(duì)，不適用于更復(fù)雜的場(chǎng)景，例如多個(gè)源節(jié)點(diǎn)為單個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)服務(wù)，而且只適用于單天線(xiàn)的中繼節(jié)點(diǎn)。解決方案為在源和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)配置單天線(xiàn)、中繼節(jié)點(diǎn)配置多天線(xiàn)的場(chǎng)景下，對(duì)多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)矩陣進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)，使目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到的干擾和噪聲功率最小，同時(shí)保證有用信號(hào)的功率。此方案性能優(yōu)于多用戶(hù)迫零中繼，且適用于多天線(xiàn)中繼節(jié)點(diǎn)以及源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)量不同的場(chǎng)景[18]。

3 中繼系統(tǒng)中的上行多用戶(hù)預(yù)編碼技術(shù)

目前，上行預(yù)編碼技術(shù)的研究遠(yuǎn)少于下行，已有的研究大多集中在如圖5（a）所示的場(chǎng)景中，即用戶(hù)互為中繼站。在每個(gè)小區(qū)中，每個(gè)用戶(hù)有一個(gè)“合作伙伴”。用戶(hù)在除了需要發(fā)送自身數(shù)據(jù)，還有責(zé)任幫助其合作伙伴發(fā)送信息。用戶(hù)收到其合作伙伴的信息后，與自身信息一起進(jìn)行編碼向基站發(fā)送，或者簡(jiǎn)單進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。這樣通過(guò)使用合作伙伴的天線(xiàn)，可以獲得空間分集增益。相比于非協(xié)作方式來(lái)說(shuō)，用戶(hù)間協(xié)作可以有效提高系統(tǒng)容量，減小對(duì)信道變化的敏感度，因此在同等性能要求下，移動(dòng)終端的耗電量更 小[19，20]。

用戶(hù)間協(xié)作的方式在實(shí)際系統(tǒng)中存在的問(wèn)題在于：用戶(hù)需要檢測(cè)其合作伙伴的上行信號(hào)，增加了移動(dòng)終端的復(fù)雜性；為保證數(shù)據(jù)發(fā)生的安全性，用戶(hù)發(fā)送數(shù)據(jù)之前需要對(duì)其進(jìn)行加密，這樣合作伙伴雖然可以檢測(cè)到其信號(hào)，但無(wú)法獲取其內(nèi)容；為保證各用戶(hù)利益，小區(qū)內(nèi)的資源需要有效分配，協(xié)調(diào)用戶(hù)發(fā)送自身及合作伙伴數(shù)據(jù)之間的矛盾。因此，當(dāng)小區(qū)中存在中繼站時(shí)，上行預(yù)編碼亦可在如圖5（b）所示的場(chǎng)景中進(jìn)行研究，此時(shí)多個(gè)用戶(hù)通過(guò)一個(gè)或者多個(gè)中繼站與基站進(jìn)行通信。研究重點(diǎn)包括多用戶(hù)的接入、發(fā)送方式以及中繼站的轉(zhuǎn)發(fā)方式。當(dāng)存在多個(gè)中繼站時(shí)，各中繼站的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)矩陣可以聯(lián)合設(shè)計(jì)，并且將移動(dòng)終端的預(yù)編碼操作考慮在內(nèi)。

4 總結(jié)與展望

本文對(duì)中繼系統(tǒng)中多用戶(hù)預(yù)編碼技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析總結(jié)。與傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)類(lèi)似，協(xié)同中繼系統(tǒng)中的預(yù)編碼研究也多集中在下行鏈路?；炯爸欣^站的預(yù)編碼矩陣一般根據(jù)不同系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)獨(dú)立或者聯(lián)合設(shè)計(jì)，用來(lái)消除或者最大限度地減小多用戶(hù)干擾，同時(shí)保證有用數(shù)據(jù)的接收。上行鏈路中，由于受移動(dòng)終端體積、功率各因素的影響，研究空間相對(duì)較小。在未來(lái)的協(xié)同中繼系統(tǒng)中，多用戶(hù)預(yù)編碼技術(shù)仍將是研究熱點(diǎn)之一，重點(diǎn)在于如何采用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，進(jìn)一步提升下行鏈路的信道容量，同時(shí)探討上行鏈路的傳輸技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

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