LTE系統中的分布式空時中繼技術

[摘要] 中繼技術作為LTE-Advanced系統的關鍵候選技術可為小區帶來更大的覆蓋范圍和系統容量。分布式空時中繼技術不僅可以充分利用中繼技術帶來的空間分集，又可以引入部分編碼增益，是中繼技術中最直接的應用技術。比較目前提出的分布式空時中繼方案，得出基于解調-轉發方式的空時中繼編碼方案最適合LTE-Advanced系統的方案。同時，針對解調-轉發方式中存在的錯誤傳遞問題，提出基于門限的選擇性空時中繼方案，該方案以很小的系統復雜度換取了優異的性能增益。

[關鍵詞]長期演進;中繼技術;分布式空時編碼;解調轉發

Relay is considered as one of the candidate key technologies for LTE-advanced system because it may enlarge cell coverage and enhance system capacity. Distributed Space-Time Coding (DSTC) not only exploits the spatial diversity from the relay structure， but also introduces partial coding gains. According to the performances of existing DSTC schemes， the Demodulate-and-Forward (DMF) scheme is the best candidate for DSTC in LTE-Advanced system. Moreover， a threshold-based selective relaying scheme for DSTC is proposed to solve the error propagation of DMF. This scheme can achieve excellent performance gains with very low system complexity.

LTE; relay technology; distributed space-time coding; demodulate-and-forward

基于通信產業對“移動通信寬帶化”的認識和應對“寬帶接入移動化”挑戰的需要，3GPP開始了“長期演進(LTE)”的進程[1]。LTE技術將實現一個高數據率、低延遲、分組業務優化的系統，為未來寬帶無線業務提供有力的傳輸手段，滿足任何時間、任何地點用戶對IP多媒體數據業務的需求。LTE-Advanced系統是LTE的平滑演進，對LTE具有很強的兼容性。LTE-Advanced支持下行峰值速率1 Gbit/s和上行峰值速率500 Mbit/s的要求，同時強調降低終端/網絡的成本和功耗等需求[2]。根據現有的頻譜分配方案，獲得此容量的大寬帶頻譜在較高頻段，而該頻段路損和穿透損都較大，很難實現好的覆蓋。中繼技術作為LTE-Advanced系統的關鍵技術可以很好地解決這一問題，它為小區帶來更大的覆蓋范圍和系統容量[3]。中繼節點(RN)的復雜度遠低于基站(eNB)，體積小，重量輕，易于選址，降低了運營商的成本和功耗。因此如何合理有效地利用中繼進行數據傳輸成為當前的研究熱點[4]。

1 中繼分類

按照中繼對接收信號的處理方式，可以把中繼分為3類:放大-轉發方式(AF)，解碼-轉發方式(DF)[5]和解調-轉發方式(DMF)[6]。假設基站發送的信號S，中繼接收的信號yr，基站到中繼的信道響應hs r，中繼接收端噪聲n，中繼節點信號Sr，因此:

yr =hs r S +n(1)

Sr =f (yr )(2)

AF只是簡單的放大信號yr ，將接收信號不經任何處理直接放大發送出去，也就是:

Sr =ayr (3)

這種方法的優點是處理算法簡單、延時小，缺點是放大有用信號的同時也放大了噪聲信號，降低了用戶端接收性能。

DF具有很高的處理復雜度，發射端對發送的數據塊用糾錯碼進行保護，中繼在接收到整個數據塊后進行解碼，如果得到正確的數據信息(CRC校驗)，中繼重新編碼發送出去，否則中繼關閉。

這種方式的優點是完全去掉了信道和噪聲的影響，缺點是中繼解碼和編碼的復雜度較高，轉發的延遲大。在信道條件較差的情況下，DF方式會引起中繼大量數據包丟棄，從而引起鏈路中斷或者數據重傳。

DMF是中繼站采用最大似然解調接收信號，再轉發出去，也就是說:

S =argmin‖yr -hs r S‖2(5)

由于基站到各中繼的信道條件不同，各中繼解調輸出符號的置信度不同，為了提高系統性能，可以給各中繼的解調輸出不同的加權。加權系數與信道條件相關，信道條件越好，解調輸出符號的置信度越高，則加權系數越大;反之，則加權系數越小。這種考慮中繼解調置信度的轉發方式，稱之為加權解調-轉發(WDMF)。

WDMF與AF比較降低了噪聲的影響，相比于DF復雜度和轉發延時大大降低。WDMF實現了中繼復雜度和性能的較好折中，其性能曲線將在文章后面的仿真部分給出。

LTE標準中按照中繼處理數據在協議中的位置，RN可以分為層一中繼、層二中繼和層三中繼[7]。AF和WDMF可在以上3種RN中工作，即只關注物理層功能。而DF要涉及到少量MAC層功能，如數據分塊、CRC校驗，所以只能在層二和層三中繼上工作。以下我們討論的僅是物理層的技術，因此對RN的協議棧沒有限制，也就是說以下的結論適用于所有的RN。

2 分布式空時碼

利用地理上分離天線的特性，分布式節點可以極大地提高空間復用性能(由于較好的信道條件)和分集性能(由于強衰落的非相關性)。根據協作的方式，分布式空時中繼系統可分為兩類，用戶協作和中繼協作。

用戶協作就是用戶終端(UE)之間共享資源互相幫助傳輸數據。如圖1、圖2所示，在前兩個時隙UE1和UE2分別發送各自數據，由于無線信道的廣播特性UE1和UE2也分別接收到對方的數據，在下一個時隙UE1和UE2同時發送空時碼字。用戶協作的缺點是增加了用戶的處理負擔和能量消耗，例如數據解調、用戶同步等。用戶公平性、數據安全和兼容性等一系列問題都仍需進一步研究。

中繼協作，即多個中繼站協作為用戶提供數據轉發服務。中繼協作避免了用戶協作帶來的數據安全問題，而且RN之間的同步在eNB的控制下容易實現，不會增加用戶的處理負擔。同時在RN中可以實現功率分配、中繼選擇和用戶管理等能夠提高系統容量的功能[8]。最簡單的功率分配方案是發射端的發射功率與中繼的總發送功率相等而各RN之間發射功率均勻分配。這種方案雖不是最優的，但最易實現。圖3、圖4是一個中繼協作采用分布式空時編碼的例子，在上行傳輸中，UE在第一個時隙將數據發送到RN1和RN2，第2、3時隙中繼采用分布式空時碼發送數據到eNB。

在蜂窩小區中可能存在多個中繼站，考慮如圖5所示的蜂窩結構，一個小區中分布了6個RN。圖中虛線表示一個RN所控制和管理UE的范圍，但是并不表示RN僅和該范圍內的UE通信。為了降低RN之間的干擾和整個小區的干擾水平，我們僅考慮一個UE可以和2到4個RN之間可能存在中繼的鏈路。同時，由于空時編碼的復雜度與參與RN數量有關，較少的RN可以降低空時編碼的設計難度。

合理地設計分布式空時碼能夠取得滿分集增益和較大的編碼增益，同時具有非常低的編碼和譯碼復雜度[9]。現有的設計方法包括正交空時碼，準正交空時碼[10]、隨機空時碼和線性離散碼[11]。定義Sr1，Sr2，…，Sr N 分別為各中繼的發送符號，分布式空時碼[12]就是一種將矢量Sr1，Sr2，…，Sr N 映射為碼字矩陣的過程，即:

正交設計保證碼字生成矩陣的列向量相互正交，它的特點是僅使用線性處理就有各符號相互獨立譯碼，能夠獲得滿分集增益。但是當RN個數大于2時，不存在滿速率復正交生成矩陣，RN個數等于2、4和8時僅有實正交陣，因此嚴重的限制了系統調制方案的選擇。

為了設計滿速率碼，提出了準正交空時碼，其生成矩陣的子空間正交。該碼能夠進行符號對的獨立譯碼，但不能保證滿分集增益。正交空時設計和準正交空時設計在分布式情況下，必須存在一個中心控制節點指定中繼發送碼字矩陣的行數。

正交設計和準正交設計具有簡單的譯碼結構，但是碼率小于1，是低發送速率情況下的候選方案，如果不考慮譯碼復雜度，可以設計碼率大于1的碼字，分布式線性離散碼就是其中一種。分布式線性離散碼是發送符號及其共軛的線性組合，碼率由發送符號數決定，較高的碼率對應較高的譯碼復雜度，因此譯碼器的實用性決定了最大符號數。分布式線性離散碼可以根據信道質量靈活地改變碼率，提高平均吞吐量。而且分布式線性離散碼不需要重復分配編碼矩陣。

需要注意的是RN之間的不同步會嚴重影響分布式空時碼的性能。為了避免RN之間的載波同步，可以將碼字矩陣設計為對角陣，即在每個時隙只有一個RN轉發信號，其他RN關閉，這樣僅僅需要符號同步和幀同步。最簡單的情況是碼字生成矩陣為單位陣，即對發送信號不做處理直接轉發，這種編碼方案成為重復編碼。對角陣編碼方案是使用DFT矩陣進行編碼[13]，此方案雖然可以緩解同步的壓力但是在編碼增益上不如其他編碼方案。

在LTE系統中，eNB可以對RN進行管理，因此RN之間在一定程度上可以假設為同步狀態。

下面是分布式空時碼在AF、DF、DMF和WDMF轉發方式下的性能。仿真條件:所有信道服從單位復高斯分布，調制方式為二進制相移鍵控(BPSK)，節點數為2，數據塊符號數為10，信噪比(SNR)定義為總發射功率與噪聲功率的比值。

圖6—9分別是AF、DF、DMF和WDMF 4種轉發方式下分布式離散碼(L-DSTC)、單位陣碼(I-DSTC)、正交碼(O-DSTC)和DFT對角陣碼(D-DSTC)的誤碼率(BER)性能曲線。通過比較可以發現，在低SNR情況下，由于eNB到RN的信道較差，DF方式下BER接近1，即RN無法正確解碼，數據塊完全被丟棄。在高SNR條件下，DF方式在RN能夠正確恢復基站發送的數據，同時去掉了eNB到RN信道衰落和噪聲的影響，在用戶處獲得最好的BER性能。DMF和WDMF方式在低SNR條件下部分去掉了噪聲影響，性能優于AF方式。但是在高SNR條件下，噪聲的影響較小，而DMF方式中繼解調錯誤是引起性能損失的主要因素，所以DMF較AF有5 dB左右性能損失。WDMF方式部分抑制了中繼解調錯誤對用戶的影響，因此WDMF性能優于AF，在高SNR條件下與AF相比可以獲得大約2 dB增益。WDMF方式在高SNR條件下與最優的DF性能比較性能損失小于1 dB。因此WDMF方式從性能和處理復雜度方面考慮，完全適于LTE中繼技術低復雜度、高性能的要求。

圖10是L-DSTC、I-DSTC、O-DSTC和D-DSTC在WDMF方式下的BER性能曲線。4種分布式空時碼生成矩陣的秩等于2，在高SNR下近似獲得滿分集增益;O-DSTC具有更大的編碼增益，因此性能優于其他三種空時碼。LTE蜂窩小區與全分布式網絡不同，eNB可以作為所有RN的中心控制節點，它可以完成RN的同步以及空時碼字指派。另外正交空時碼的低復雜度接收機降低了用戶端的功耗。因此當需要的RN個數為2(適于任意調制星座)或者4(僅適用于實調制星座)時O-DSTC可以作為LTE系統的最優選擇。當然，如果考慮自適應編碼調制技術(AMC)和RN的選擇技術，L-DSTC更具有靈活性，可以應用于任何的調制模式和RN個數的配置。

3 選擇性空時中繼方式

雖然基于DMF的分布式空時編碼在復雜度和性能的折中方面適于LTE系統，但是在中繼站解調時發生的錯誤會被傳遞到eNB，這樣會對接收性能產生較大的損失，文獻[14]證明了DMF模式下的多中繼傳輸最大能獲得的空間分集增益為其中繼數量的一半。WDMF雖然一定程度上改善了DMF的性能，然而其在高信噪比的性能仍然被錯誤傳遞所限制。為了改善WDMF方式的錯誤傳遞，一些增強型的WDMF中繼方式被提了出來。主要的方法可以分為兩類，自適應中繼模式和選擇性中繼模式。文獻[15]提出了根據接收信噪比大小，增加或者減少中繼的發射功率，這樣可以增強可靠中繼信號的功率，降低不可靠中繼信號的功率。文獻[15]提出了以最小化eNB的誤碼率作為目標選擇性DMF中繼，如果RN接收信噪比大于一個預先設定，那么該節點能進行信號中繼，否則不然。選擇性的中繼模式比自適應的中繼模式更容易實現，并且可以在直接信道不存在時仍然可以工作，因此選擇中繼DMF中繼模式更適于應用于LTE系統。然而由于傳遞的錯誤和接收噪聲相乘，因此在分布式空時中繼系統下很難給出精確地誤碼率表達式。

為了計算誤碼率，文獻[15]引入了大量的高信噪比近似，并且其結果僅適于二進制調制的中繼系統。更重要的是以上的研究只是考慮重復編碼的情況，由于解調錯誤會被RN編碼，因此在分布式空時中繼系統中錯誤傳遞更加嚴重。

文獻[15]針對分布式空時編碼系統中的錯誤傳遞提出了兩種基于預設門限的選擇性DMF中繼模式，稱之為集中式選擇中繼和分布式選擇中繼。這兩種模式適于任意調制星座，任何中繼數量，并且繼承了文獻[15]提出的門限選擇機制。集中式的選擇中繼模式將解調錯誤當作一種等效的干擾噪聲并將其歸到噪聲項，這樣就可以定義新的信噪比，門限選擇的目標就是使這種等效的信噪比最大化。由于需要知道所有中繼系統的所有平均信道信息，因此集中式的選擇中繼需要在eNB或者某個RN加裝集中控制模塊用于計算各個RN的接收信噪比門限并廣播給各個RN。分布式選擇性中繼模式將每一條中繼信道和中繼看作一個等效的信道，每個中繼只需判斷自己發射到接收機的信號是是否會引起等效信道的錯誤概率增加。在分布式選擇性中繼模式中每個中繼僅需要知道自己的接收和發射信道的平均信道信息，因此不需要RN之間的信道信息交互。需要注意的是，如果使用O-DSTC或者D-DSTC作為編碼方案，需要在工作的RN數量變化時重新設計編碼矩陣和重新分配碼字。為了避免RN與eNB之間過多的信息交互，我們考慮使用L-DSTC以避免以上問題。LTE-A系統目前還未確定RN之間的交互過程，因此提出的兩種選擇性中繼模式為LTE-A系統提供了有用的參考。圖11給出了在4個中繼，數據塊大小為4時的系統仿真。從圖中可知，選擇性中繼方式可以提高大約2 dB的功率增益，并且集中式選擇中繼略好于分布式選擇中繼。具體細節請參見文獻[15]，這里不再贅述。

4 結束語

通過分析和比較各種分布式空時中繼方案，我們得出以下結論:(1)基于RN的中繼協作技術適用于現有的LTE標準;(2)從復雜度和性能折中的角度來看，加權解調-轉發方式最適合于LTE系統中的分布式空時中繼系統;(3)對于2-RN中繼系統，基于正交設計的分布式空時碼最優，而為了減少RN之間的信息互通以及適應任意數量RN和任意調制星座的環境，建議使用分布式離散碼作為候選技術;(4)通過一定準則的中繼選擇可以較大地提高解調轉發方式下分布式空時編碼的性能。

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收稿日期:2009-11-03

衛國，中國科學技術大學教授、博士生導師，多媒體計算與通信教育部微軟重點實驗室主任，無線網絡通信安徽省重點實驗室主任，國家寬帶無線通信系統重大專項總體專家組成員，主要研究方向為無線通信技術，移動通信網和信號處理。

張超，中國科學技術大學在讀博士研究生，主要從事協作通信和超寬帶技術研究。已發表學術論文20余篇。

王磊，中國科學技術大學在讀博士研究生，主要從事協作通信和信道編碼技術研究，已發表學術論文10余篇。