基于CoMP-JT方案的MMSE-IRC預(yù)編碼算法*

韓前方，葛文萍，常有寶

基于CoMP-JT方案的MMSE-IRC預(yù)編碼算法*

韓前方，葛文萍，常有寶

（新疆大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046）

針對LTE-A系統(tǒng)邊緣用戶存在嚴(yán)重的區(qū)間干擾（ICI），而發(fā)送端預(yù)編碼只能減輕用戶間干擾，不能降低區(qū)間干擾的問題，提出一種基于多點協(xié)作技術(shù)-聯(lián)合傳輸方案（CoMP-JT）的MMSE-IRC預(yù)編碼算法。該算法在發(fā)送端結(jié)合MIMO信道特點，利用局部或全局預(yù)編碼的方式來抑制區(qū)間干擾進而提高系統(tǒng)容量，接收端采用干擾抑制合并（IRC）技術(shù)來緩解邊緣用戶的共道干擾（CCI）。仿真結(jié)果表明該算法在全局預(yù)編碼下相對于局部預(yù)編碼可以有效提高邊緣用戶吞吐量，降低誤碼率，而且在共道干擾下MMSE-IRC要比MMSE具有更好的接收性能。

多點協(xié)作傳輸技術(shù) 聯(lián)合傳輸 全局預(yù)編碼 最小均方誤差 干擾抑制合并

責(zé)任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn

1 引言

通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，3GPP（3rd Generation Partnership Project，3GPP）組織對第三代移動通信系統(tǒng)進行研究并發(fā)展成為長期演進（LTE），在其基礎(chǔ)上發(fā)布Rel-10，又名增強型長期演進，即LTE-Advanced（LTE-A）。為滿足LTE-A系統(tǒng)更高的峰值速率和頻譜效率，更低的時延和更高的系統(tǒng)容量等需求，LTE-A采用了一系列先進技術(shù)包括載波聚合（Carrier Aggregation，CA）、多點協(xié)作傳輸技術(shù)（Coordinated Multi-point，CoMP）、增強型干擾協(xié)調(diào)技術(shù)、多天線復(fù)用增強技術(shù)[1]等。CoMP是LTE-A的先進技術(shù)之一，此技術(shù)的實現(xiàn)方案主要有聯(lián)合處理（Joint Processing，JP）和協(xié)作調(diào)度/波束賦形（Coordinated Scheduling/ Beam-forming，CS/CBF）[2]，其中JP又可分為聯(lián)合傳輸（Joint Transmission，JT）和動態(tài)小區(qū)選擇（Dynamic Cell Selection，DCS）。JT是CoMP技術(shù)方案的研究熱點，因為信號傳輸是從多個基站以相干結(jié)合的有效方式傳送給用戶，從而實現(xiàn)高信噪比和吞吐量的目標(biāo)[3]。特別是共道干擾存在時JT是很有效的，此外采用干擾抑制合并（Interference Rejection Combining，IRC）技術(shù)[4]也能夠緩解共道干擾的影響。

LTE-A系統(tǒng)基于OFDM和MIMO技術(shù)，LTE-A系統(tǒng)中下行鏈路采用正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）接入方式，此方式雖然利用正交性和獨立性可以避免區(qū)內(nèi)的多址干擾，卻無法抑制區(qū)間干擾（Inter Cell Interference，ICI）。實際應(yīng)用中為獲得高頻譜效率，系統(tǒng)常常采用同頻組網(wǎng)的方式，這就導(dǎo)致了小區(qū)邊緣用戶會遭受鄰近小區(qū)的干擾，因而邊緣用戶的通信質(zhì)量和吞吐量受到了嚴(yán)重影響。在這樣的背景下CoMP技術(shù)應(yīng)運而生，CoMP技術(shù)也是LTE-A系統(tǒng)的重要技術(shù)之一。在針對LTE-A系統(tǒng)CoMP-JT的研究中，文獻[5]提出了CoMP方案中計算開環(huán)空間復(fù)用框架算法；文獻[6]提出了基于開環(huán)循環(huán)延遲分集（Cyclic Delay Diversity，CDD）預(yù)編碼和閉環(huán)預(yù)編碼的性能對比；文獻[7]提出了K均值聚類算法設(shè)計碼本的預(yù)編碼技術(shù)，文獻[8]提出了分布式自適應(yīng)調(diào)度算法用于JT或者CS/CBF方案。由于這些算法存在較高復(fù)雜度和計算量，CoMP技術(shù)方案通常采用線性預(yù)編碼以降低復(fù)雜度，局部預(yù)編碼方式中用戶選擇的碼字矩陣是由各基站的獨立信道計算得來，而全局預(yù)編碼方式中通過兩個或多個基站協(xié)同配合的聯(lián)合信道獲得需發(fā)送的碼字矩陣。IRC是基于最小均方誤差（Minimum Mean Square Error，MMSE）準(zhǔn)則來抑制邊緣用戶共信道干擾的方法[9]。本文提出了基于多點協(xié)作傳輸技術(shù)-聯(lián)合傳輸方案（CoMP-JT）的MMSE-IRC預(yù)編碼算法能夠抑制區(qū)間干擾從而降低誤碼率，提升系統(tǒng)容量，并通過仿真實驗來驗證其可行性。

2 CoMP技術(shù)

CoMP技術(shù)也稱作分布式MIMO技術(shù)[10]，該技術(shù)利用MIMO空間信道特點能夠?qū)⒏蓴_信號轉(zhuǎn)換為對小區(qū)有用的信號，在多個基站之間引入?yún)f(xié)作機制，通過協(xié)作基站進行干擾處理或者干擾避免，進而為用戶提供更高的傳輸速率。CoMP技術(shù)就是利用多小區(qū)MIMO技術(shù)來解決區(qū)間干擾問題的，CoMP技術(shù)方案中需要傳輸一些必要信息用于多個基站的協(xié)作和調(diào)度，通過對信道狀態(tài)信息、基站調(diào)度信息和用戶數(shù)據(jù)信息等必要信息在協(xié)作基站之間共享傳輸，進而對區(qū)間干擾進行有效抑制。

CoMP技術(shù)方案主要有三種：

一是聯(lián)合傳輸（JT）[11]技術(shù)，在CoMP協(xié)作集的多個基站可同時向指定用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，該技術(shù)可以提高接收信號質(zhì)量并且消除來自其他用戶的干擾。由香農(nóng)定理可知在信干噪比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）很低時，提升SINR才能大幅度提升吞吐量，從而提升邊緣用戶的吞吐量，所以JT技術(shù)能夠顯著改善小區(qū)邊緣用戶的服務(wù)質(zhì)量，JT方案模型如圖1所示。JT方案中小區(qū)邊緣用戶接收的信號來自服務(wù)基站和遠(yuǎn)程基站，服務(wù)基站可向遠(yuǎn)程基站傳輸數(shù)據(jù)信息。

二是動態(tài)小區(qū)選擇（DCS）技術(shù)，DCS技術(shù)中考慮信道質(zhì)量情況和參考信號接收功率等指標(biāo)進行最佳服務(wù)小區(qū)的動態(tài)選擇，以達到提高傳輸性能的目的，然而DCS卻只適用于小區(qū)邊緣用戶，DCS方案模型如圖2所示。

三是協(xié)作調(diào)度/波束賦形（CS/CBF）技術(shù)，通過對系統(tǒng)資源進行有效分配，在時間、頻率或者空間上減小相鄰小區(qū)邊緣用戶對資源使用的沖突。通過協(xié)作基站間的波束賦形向量優(yōu)化和進行基站調(diào)度，最大程度減少區(qū)間干擾從而提高接收信號的質(zhì)量。對小區(qū)中心用戶和邊緣用戶而言，CS/CBF技術(shù)可以較好地提高系統(tǒng)性能，CS/CBF方案如圖3所示。

圖1 聯(lián)合傳輸（JT）

圖2 動態(tài)小區(qū)選擇（DCS）

圖3 協(xié)作調(diào)度/波束賦形（CS/CBF）

3 CoMP-JT預(yù)編碼算法選擇

閉環(huán)MIMO系統(tǒng)中用戶需要選擇最佳的預(yù)編碼矩陣和反饋指數(shù)發(fā)送給基站，用戶需要從服務(wù)基站估計增益信道矩陣Hs和接收信號信噪比γ，然后計算碼本中每個預(yù)編碼矩陣的度量并且選擇一個最佳指標(biāo)。常用的指標(biāo)中包括最小化均方誤差（MMSE）、MMSE接收機輸出端最大化SINR、MIMO系統(tǒng)容量最大化[12]。前期研究中已經(jīng)證實這些可選擇指標(biāo)的性能差異非常小，本文將采用基于容量最大化準(zhǔn)則的預(yù)編碼策略。在發(fā)射天線數(shù)為nt，接收天線數(shù)為nr，載波數(shù)為k的MIMO系統(tǒng)中，接收的信號表示為：

其中，s(k)是nt×1預(yù)設(shè)的單位矢量符號，矢量s(k)的協(xié)方差矩陣表示如下：Cs=Int×nt，Hsk是nr×nt服務(wù)基站的信道矩陣，Ws是nt×nt服務(wù)基站的預(yù)編碼矩陣，vk是nr×1向量表示的加性高斯白噪聲（AWGN），其相關(guān)信道矩陣表示為：Cv=1/γInt×nt，式中I是單位矩陣，γ是接收信號的平均信噪比。本文假設(shè)用戶端是理想的信道估計和忽略預(yù)編碼矩陣的反饋延遲，采用最大容量標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)編碼策略并將其發(fā)送給基站。最大容量標(biāo)準(zhǔn)表示為：

3.1 CoMP-JT的局部預(yù)編碼

JT技術(shù)按照接收端信號疊加方式可以分為非相干傳輸和相干傳輸，非相干傳輸是利用各自小區(qū)的獨立信道通過計算獲得各小區(qū)所需要的預(yù)編碼矩陣，再通過協(xié)作小區(qū)進行傳輸。非相干傳輸方案即局部預(yù)編碼（Local Precoding，LP），LP方案是對每個基站天線到用戶天線所構(gòu)成的局部信道進行預(yù)編碼。LP方案如圖4所示：

圖4 CoMP-JT系統(tǒng)局部預(yù)編碼示意圖

CoMP系統(tǒng)包含服務(wù)基站和遠(yuǎn)程基站兩類協(xié)作基站，接收信號可表示為：

式中，下標(biāo)r表示遠(yuǎn)程基站，Ws和Wr表示服務(wù)基站的預(yù)編碼矩陣和遠(yuǎn)程基站預(yù)編碼矩陣，Hs和Hr分別表示服務(wù)基站信道矩陣和遠(yuǎn)程基站信道矩陣。

3.2 CoMP-JT的全局預(yù)編碼

相干傳輸技術(shù)能夠獲得更大的協(xié)作增益，其方法就是全局預(yù)編碼（Global Precoding，GP）。GP方案是把多個協(xié)作小區(qū)看作虛擬的MIMO協(xié)作信道，MIMO協(xié)作信道就是聯(lián)合信道H，GP算法中是將Hs和Hr兩個信道考慮為大小為nr×2nt聯(lián)合信道H，經(jīng)過全局預(yù)編碼之后，接收信號表示為：

Hk是聯(lián)合信道，W是全局碼字，如下表示：

公式(5)中WT是W矩陣的轉(zhuǎn)置，全局預(yù)編碼矩陣W的選擇基于公式(2)將局部信道矩陣改為聯(lián)合信道矩陣即可。

4 接收機干擾抑制

干擾消除和干擾抑制問題一直以來備受關(guān)注，LTE系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)端采用CoMP技術(shù)或者終端采用MMSE接收機[13]等技術(shù)來緩解共信道干擾問題。IRC算法是一種先進的干擾抑制方法，它屬于接收分集技術(shù)，其原理是對接收信號采用線性合并的方式去除信道的相關(guān)性，而抑制不同天線間信道相關(guān)性引起的干擾。理論上，其天線接收數(shù)量越多干擾消除效果越好。LTE-A中緩解共道干擾是以IRC[14]為標(biāo)準(zhǔn)的。

在共道干擾下，接收信號表示為：

式中，G=HsWs+HrWr表示總期望信號矩陣，同前文所講一樣，s(k)即預(yù)設(shè)的調(diào)制矢量符號，Gi=HiWi表示總干擾矩陣，si(k)表示干擾調(diào)制矢量符號，f表示期望信號功率與干擾信號功率之比，干擾預(yù)編碼矩陣Wi是從LTE-A碼本中選擇的，期望信號的預(yù)編碼矩陣Ws和Wr與前文所講一致。MMSE一般估計表示如下：

式中，Cs=Int×nr是信號的協(xié)方差矩陣，Cn是干擾加噪聲的協(xié)方差矩陣。由干擾加噪聲是否相關(guān)可分為如下兩種：

（1）干擾被視為是不相關(guān)的（白噪聲），Cn表示為：

則MMSE接收機表示為：

（2）干擾被認(rèn)為是相關(guān)的（有色噪聲），Cn表示為：Cn=Ci+Cv。通常情況下干擾協(xié)方差矩陣Ci需要估計。為方便計算，本文假設(shè)已知理想干擾相關(guān)矩陣，Cn表示為：

則MMSE-IRC接收機表示為：

本文將應(yīng)用CoMP-JT的局部預(yù)編碼和全局預(yù)編碼算法，將MMSE接收機和MMSE-IRC接收機下的性能表現(xiàn)進行比較，并通過實驗數(shù)據(jù)證明其算法的優(yōu)劣性。

5 系統(tǒng)仿真及性能分析

為了分析MMSE-IRC算法所帶來的性能優(yōu)勢，仿真對比了MMSE算法，為驗證MMSE-IRC算法的可行性，采用Matlab R2014b實驗工具進行仿真，在CoMPJT方案中對接收端誤碼率和系統(tǒng)容量進行了仿真。仿真參數(shù)如表1所示：

表1 仿真參數(shù)

圖5表示不同預(yù)編碼算法的誤碼率比較，從仿真結(jié)果中可以看出GP-IRC的優(yōu)勢所在。不難看出與MMSE相比，MMSE-IRC在誤碼率上約有一個數(shù)量級的提升，具有更低的誤碼率。GP-MMSE略優(yōu)于LP-MMSE，隨著信噪比的增加，LP-IRC優(yōu)于GPMMSE，但是GP-IRC具有更優(yōu)的性能曲線。以誤碼率為指標(biāo)分析，GP-IRC算法比LP-IRC算法至少提高1 dB的性能增益，而這1 dB的性能增益表現(xiàn)在降低1個數(shù)量級誤碼率，這恰恰表現(xiàn)了GP-IRC算法的優(yōu)勢，也驗證了MMSE-IRC算法確實有提升之處。

在圖6的仿真中，采用基于公式(2)所示的容量最大化預(yù)編碼策略，以時間遍歷系統(tǒng)容量為指標(biāo)，由仿真結(jié)果可知系統(tǒng)容量隨著平均信干噪比的增長而線性增長，GP-IRC具有最佳系統(tǒng)容量曲線。在MMSE接收機下，GP-MMSE系統(tǒng)容量高于LP-MMSE，當(dāng)平均信干噪比高于4 dB，LP-IRC算法優(yōu)于GP-MMSE。在IRC接收機下，GP-IRC優(yōu)于LP-IRC，在系統(tǒng)容量同為26 b/s·Hz-1，GP-IRC則需要更小的平均信干噪比，比LP-IRC節(jié)約了2 dB，以平均信干噪比為指標(biāo)分析，MMSE-IRC相比于MMSE的系統(tǒng)容量約提高了5 b/s·Hz-1，MMSE-IRC相較MMSE顯示出較好的改進效果。

圖5 不同預(yù)編碼方案的誤碼率比較

圖6 不同預(yù)編碼方案的系統(tǒng)容量比較

6 結(jié)束語

本文針對LTE-A系統(tǒng)中區(qū)間干擾問題提出了基于CoMP-JT的MMSE-IRC算法。仿真結(jié)果表明，在CoMP-JT方案中全局預(yù)編碼方案要優(yōu)于局部預(yù)編碼方案，與MMSE算法相比，全局預(yù)編碼結(jié)合MMSE-IRC算法具有更低的誤碼率，能夠提高用戶信噪比和提升系統(tǒng)容量，從而提高抗干擾能力。雖然全局預(yù)編碼方案的MMSE-IRC算法具有較好表現(xiàn)，挑戰(zhàn)在于權(quán)衡取舍聯(lián)合信道的差異和噪聲控制從而實現(xiàn)更好的研究。通過對誤碼率和系統(tǒng)容量數(shù)據(jù)的比較，MMSE-IRC算法具備更出色的性能，此研究具有一定的應(yīng)用前景。

[1] L Liu, R Chen, K Sayana, et al. Downlink MIMO in LTE-Advanced： SU-MIMO vs MU-MIMO[J]. IEEE Communications Magazine, 2012(2)： 140-147.

[2] M Sawahashi, Y Kishiyama, D Nishikawa, et al. Coordinated Multipoint Transmission /Reception Techniques for Lte-Advanced[J]. IEEE Wireless Communications, 2010(3)： 26-34.

[3] J Wang. Decorrelation Based Receive Transformation for MIMO System under Multi-user Co-Channel Interference[J]. IEEE Wireless Communications Letters, 2014(3)： 305-308.

[4] Y Sagae, Y Ohwatari, Y Sano. Improved Interference Rejection and Suppression Technology in LTE Release 11 Specifications[J]. NTT DOCOMO Technical Journal, 2013,15(2).

[5] Motorola. 3GPP R1-093989 DL passive open loop CoMP and performance[Z]. 2009.

[6] G Bauch, T Abe, U Munich, et al. On the parameter Choice for Cyclic Delay Diversity Based Precoding with Spatial Multiplexing[C]//Global Telecommunications Conference(GLOBECOM 2009), Honolulu, 2009.

[7] H Dung, C Zhu, Y Xu, et al. Joint Transmission Using Global Code word and Codebook Design for Coordinated Multipoint Processing (CoMP)[J]. Globecom Workshops, 2013,55(11)： 1118-1122.

[8] Kyuhwan Kwak, Hyewon Lee, Hui Won Je, et al. Adaptive and Distributed CoMP Scheduling in LTE Advanced Systems[J]. Vehicular Technology Conference, 2013,14(6)： 1-5.

[9] Y Ohwatari, N Miki, Y Sagae, et al. Investigation on Interference Rejection Combining Receiver for Space-Frequency Block Code Transmit Diversity in LTEAdvanced Downlink[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2014： 191-203.

[10] 萬仁輝,李軼群,李福昌. LTE-Advanced CoMP技術(shù)的研究[J]. 郵電設(shè)計技術(shù), 2012(2)： 17-20.

[11] 魯維民,魏守明. CoMP中聯(lián)合傳輸技術(shù)的研究[J].通信技術(shù), 2012(9)： 109-111.

[12] F Chen, J You, Q Fang. A Novel Precoding Selection Algorithm in MIMO Systems[C]// Wireless Communications, Networking and Mobile Computing (WiCOM), 2011.

[13] 3GPP TR 36.829 V.11.1.0. Enhanced performance requirement for LTE User Equipment (UE)[S]. 2012.

[14] H Kai, J Fujiang. An Improved Signal Detection Algorithm of LTE System in Interference Environment[J]. Journal of Networks, 2014(9)： 793-798.★

韓前方：碩士研究生就讀于新疆大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，主要研究方向為移動通信。

葛文萍：新疆大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為光纖通信、數(shù)字通信。

常有寶：碩士研究生就讀于新疆大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，研究方向為LTE中繼技術(shù)。

MMSE-IRC Precoding Algorithm Based on CoMP-JT Scheme

HAN Qianfang, GE Wenping, CHANG Youbao
(School of Information Science and Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830046, China)

Since LTE-A system cell-edge users suffer from severe ICI, the precoding of transmitter only alleviates the interuser interference and does not decrease the interval interference. A MMSE-IRC precoding algorithm based on Coordinated Multi-Point technique of Joint Transmission scheme (CoMP-JT) was proposed. Combined with MIMO channel characteristics, the local or global precoding scheme is used to suppress the interval interference and improve the system capacity. At the receiver, the interference suppression combined (IRC) technique is used to alleviate co-channel interference (CCI). Simulation results demonstrate the proposed algorithm not only effectively enhances cell-edge users’ throughput and decreases the bit error rate compared with the local precoding under the global precoding, but has the better receiving performance compared with MMSE under CCI.

CoMP joint transmission global precoding MMSE IRC

新疆自治區(qū)自然科學(xué)基金項目（2012211A013）

2017-03-09

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.16.016

TN911

A

1006-1010(2017)16-0081-05

韓前方,葛文萍,常有寶. 基于CoMP-JT方案的MMSE-IRC預(yù)編碼算法[J]. 移動通信, 2017,41(16): 81-85.