多用戶預編碼技術在中繼系統中的應用*

王方向，鄭 侃，龍 航，王文博

（北京郵電大學 北京 100876）

1 引言

處在不利位置（如小區邊緣）的用戶與基站之間的信道較差，容易受到噪聲及干擾的影響，因此用戶信號一般較差，通話困難。如果在原有基站的基礎上增加一些新的中繼站，可以增大天線的分布密度，拉近天線和用戶的距離，此時下行數據從基站先傳給中繼站，中繼站再傳給終端用戶，上行反之，從而改善鏈路質量，降低用戶掉話率，提高系統的頻譜效率。

發送端已知信道狀態信息時可以對發送信號進行預處理操作，從而提高系統的吞吐量，目前線性預編碼技術已經被3GPP LTE系統采用[1]。由于協同通信系統與MIMO系統的相似性，預編碼技術被引入用于提高頻譜效率[2]。協同通信系統中的預編碼技術與本地或者虛擬天線陣密切相關，可以根據天線陣構成方式的不同對其進行分類研究[3]。

目前，協同通信系統中的預編碼技術研究集中在單用戶場景，即假設單個或者多個中繼站協作基站與單個用戶進行通信。如果基站采用空分多址的方式與多個用戶通信，可以有效提高頻譜效率，給系統吞吐量帶來可觀的增益，因此，點對多點的多用戶中繼系統的研究應運而生。

相比于單用戶中繼，多用戶中繼系統的拓撲結構、信號處理技術等更加復雜。基站的處理能力比移動終端強得多，因此在下行鏈路中，基站在發送信號前做預處理以消除或者抑制接收端的多用戶干擾，同時利用中繼站的本地天線陣或者多個中繼站構成的虛擬天線陣，進一步采用信號處理技術以提高系統性能。在上行鏈路中，用戶一般僅知道自己的信道狀態信息，獲取其他用戶信道狀態信息需要付出很大代價，因此用戶間很難進行協作，需要依靠中繼站以及基站接收信號之后進行處理來區分不同用戶。下面將從下行鏈路和上行鏈路兩個方面，針對不同場景，介紹預編碼技術在多用戶中繼系統中的應用。

2 中繼系統中的下行多用戶預編碼技術

2.1 1-1-N（單個基站，單個中繼站，多個用戶）

在這種場景下，基站和多個用戶之間只有單個中繼站。中繼站可以實現基站的部分功能且實現復雜度較低，因而在離基站比較遠的小區邊緣地區可以滿足高速數據傳輸的需求。

如圖1所示，下面以兩跳傳輸為例進行說明。在此場景下，基站和中繼站配備多根天線，移動終端可以配備單根或者多根天線。基站和中繼站之間利用空分復用方式進行傳輸，中繼站和多個用戶之間為MIMO-Broadcast信道（MIMO-BC），因此，此場景可以看成MIMO-BC加入中繼站之后的推廣，預編碼操作在基站和中繼站的本地天線陣進行。

基站端的預編碼可以分為線性和非線性兩種。臟紙編碼是非線性預編碼的典型代表。研究表明，在MIMO-BC中基站如果采用臟紙編碼向多個用戶同時傳輸數據，其性能優于時分復用（即基站不同時隙向不同用戶傳輸）[4]。如果基站端采用迫零臟紙編碼，中繼站采用簡單的線性操作，在滿足功率要求的情況下，對基站的預編碼矩陣和中繼站的線性處理矩陣進行聯合設計，可以獲得點對多點多用戶中繼信道容量的上界。由于臟紙編碼實現復雜度過高，在實際系統中，基站端可以采用與臟紙編碼思想相同的Tomlinson-Harashima 預 編 碼[5]。

線性預編碼的應用更為廣泛，常見的線性預編碼包括最小均方誤差（MMSE）、奇異值分解（SVD）和迫零（ZF）預編碼等。如果基站與用戶之間沒有直傳鏈路，基站對信號進行線性處理后轉發給中繼站，中繼站對信號進一步放大轉發，廣播發送給多個用戶。當基站的預編碼矩陣和中繼站的功率分配矩陣都基于MMSE準則聯合設計時，可以采用迭代的方式，即依次固定基站和中繼站發送矩陣中的一個，優化另外一個，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；當基于SVD準則聯合設計時，基站與中繼站選擇合適的轉發矩陣，將基站和多個用戶之間的信道矩陣變成對角陣[6]。

在上述方案中，中繼站對接收信號進行線性放大轉發，信號處理時延小，實現簡單。若中繼站采用解碼轉發（DF）協議，實現復雜度較高，但是在干擾受限的環境中，通過中繼站進行DF操作，可以有效消除多用戶干擾。如果基站與用戶之間有直傳鏈路，第一階段基站向中繼站和用戶發送數據，中繼站首先對接收信號進行解碼，第二階段用戶選擇一個信道狀況較好的基站或者中繼站為其服務，被選中的基站或中繼站應用隨機波束賦形向用戶發送信號，這種方法可以提高蜂窩系統的容量[7]。

2.2 1-N-N（單個基站，多個中繼站，多個用戶）

在這種場景下，基站和多個用戶之間有多個中繼站。這是因為在實際蜂窩通信系統中，為了擴大覆蓋區域，在單個小區內需要放置多個中繼站，因此，單個用戶可能會處在相鄰中繼站的交叉覆蓋地區，需要考慮多個中繼站如何進行協同操作服務多個用戶，以消除用戶間干擾，提高系統容量。

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送多用戶數據流；第二階段各中繼站同時向多個用戶發送數據。一般假設中繼站與用戶數量相同。

如果中繼站位置離服務的用戶較近，那么用戶接收到的來自其他中繼站的干擾可以忽略，只需要基站進行預編碼消除中繼站上的多用戶干擾。假設基站配置多天線，中繼站和移動終端配置單天線，中繼站為特定的用戶服務。為了消除中繼站的多用戶干擾，基站采用基于ZF的預編碼，即預編碼矩陣位于基站到中繼站之間的信道矩陣的零空間內。基于ZF的預編碼要求基站配置的天線個數過高，因此可以采用改進的最大信號泄漏比（maximizing signal-to-leakage ratio）準則，使得中繼站接收到的其服務用戶數據的功率，與其他中繼站收到的來自此用戶功率的比值最小，這樣對基站的天線個數要求較低，且系統容量高于基于ZF的預編碼[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，不會成為多跳傳輸的瓶頸。因此可以在中繼站處采用預處理，以消除用戶接收到的多用戶間干擾。各中繼站的轉發矩陣進行聯合設計時，各個中繼站需要知道其他所有中繼站前向信道的信息，所需信令開銷比較大。當進行獨立設計時，各個中繼站之間無需通信，此時中繼站采用DF協議有利于消除多用戶干擾。假設基站和中繼站配置多天線，移動終端配置單天線。中繼站正確解碼后采用基于ZF的預編碼消除多用戶干擾，然后在此基礎上采用最大比合并（MRC）發送方案，使得用戶的接收信噪比最大，或者采用Alamouti空時碼的方案進行發送,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同步[9]。

在實際系統中，由于基站到不同中繼站的信道狀況、發送時延和速率不同等，不同中繼站接收到的來自基站的廣播信號可能有所重疊但不完全相同。根據各中繼站發送的信號是否相同，可以將協同中繼傳輸分為“對稱”和“非對稱”兩大類。如圖3（a）所示，“對稱”指各個中繼站同時都向兩個用戶廣播發送信號，如圖3（b）所示，“非對稱情況”指中繼站1同時向用戶1和用戶2發送信號，而中繼站2只向用戶2發送信號。第一階段基站采用TDMA模式向中繼站廣播發送數據后，中繼站采用DF協議進行解碼，然后使用線性預編碼技術向多個用戶發送。如果從 “對稱”及“非對稱”情況中選擇最優策略，使得系統吞吐量最大，可以看到發送兩個數據流時，“非對稱”的情況占絕大多數，因此在設計協作通信系統時，需要將非對稱情況考慮在內[10]。

如果信道狀態信息反饋不完全或者移動終端的速度過快等，發送端可能只知道信道狀態的統計信息。在圖3所示的場景中，在中繼站使用MMSE波束成形，分別計算出“對稱”和“非對稱”協同中繼傳輸下的MSE，然后從中選擇最優策略，使得系統容量的上界最大，可以看到非對稱協同傳輸被使用的概率仍然很大[11]。

2.3 N-N-N（源節點和目標節點數量均不為1，且是多個傳輸對）

這種場景在傳感器網絡中較為常見，網絡中的一些節點構成了源/目標傳輸對，其他一些節點作為中繼協助通信。如圖4所示，源節點和目標節點數量均不為1，且一一對應。

[12]中表明在源/目標節點（S-D）傳輸對之間存在多個中繼節點協助通信時，可以獲得分布式陣列增益，從而提高系統容量。如果每個中繼節點都知道其前向和后向信道狀態信息，且采用非再生協議轉發，那么S-D鏈路的容量隨著中繼節點個數的增加呈對數增長。而且各節點配置多天線時可以獲得額外的自由度，進一步提高協同中繼網絡的容量。

中繼節點知道自身的前向和后向信道狀態信息時，采用常用的MF、ZF、MMSE等準則對接收信號進行線性轉發，性能優于直接準發。如果中繼節點可以獲得理想的信道狀態信息，那么協同中繼系統可以得到的分集度等于中繼節點的個數[13]。如果中繼節點進一步對前向和后向信道進行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用增益。此時，中繼節點首先采用基于零空間的分塊對角化消除各傳輸對之間的干擾，將MIMO-BC中繼信道分解為多個并行獨立的S-D中繼信道，然后在分解后的每個S-D中繼信道上應用前向和后向信道的QR分解，同時進行相位控制，在目標節點采用連續干擾消除，可以看到系統容量遠高于基于ZF準則的轉發策略[14]。

如果需要完全消除多個傳輸對之間的干擾，可以采用基于零空間的迫零中繼。即中繼節點采用線性放大協議，轉發矩陣用來消除多個傳輸對之間的干擾，在分布式的單天線中繼節點場景下也可以獲得空間復用增益。在典型的室內環境（多徑延時<500 ns）中，即使考慮到信道矩陣的信令開銷和傳輸時延，多用戶迫零中繼也可以提高網絡容量近6倍，因此在設計未來個人無線接入網絡時，多用戶迫零中繼是可以考慮的一種方案[15]。如果中繼節點個數多于所需最小數量，可以基于不同的目標函數對中繼轉發系數進一步優化，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]。

多用戶迫零中繼要求多個中繼節點之間交互信道狀態信息，信令開銷比較大。解決方案將多個中繼節點分為兩組，第一組僅需要知道自身信道狀態信息，用來增加目標節點接收信號功率，第二組需要知道所有中繼節點的信道狀態信息，以消除不同傳輸對之間的干擾[17]。此方案在性能上幾乎沒有損失，但是極大地減小了信令開銷。多用戶迫零中繼的另外一個缺點是僅適用于源節點與某個特定的目標節點配對，不適用于更復雜的場景，例如多個源節點為單個目標節點服務，而且只適用于單天線的中繼節點。解決方案為在源和目標節點配置單天線、中繼節點配置多天線的場景下，對多個中繼節點的轉發矩陣進行聯合設計，使目標節點接收到的干擾和噪聲功率最小，同時保證有用信號的功率。此方案性能優于多用戶迫零中繼，且適用于多天線中繼節點以及源節點和目標節點數量不同的場景[18]。

3 中繼系統中的上行多用戶預編碼技術

目前，上行預編碼技術的研究遠少于下行，已有的研究大多集中在如圖5（a）所示的場景中，即用戶互為中繼站。在每個小區中，每個用戶有一個“合作伙伴”。用戶在除了需要發送自身數據，還有責任幫助其合作伙伴發送信息。用戶收到其合作伙伴的信息后，與自身信息一起進行編碼向基站發送，或者簡單進行轉發。這樣通過使用合作伙伴的天線，可以獲得空間分集增益。相比于非協作方式來說，用戶間協作可以有效提高系統容量，減小對信道變化的敏感度，因此在同等性能要求下，移動終端的耗電量更 小[19，20]。

用戶間協作的方式在實際系統中存在的問題在于：用戶需要檢測其合作伙伴的上行信號，增加了移動終端的復雜性；為保證數據發生的安全性，用戶發送數據之前需要對其進行加密，這樣合作伙伴雖然可以檢測到其信號，但無法獲取其內容；為保證各用戶利益，小區內的資源需要有效分配，協調用戶發送自身及合作伙伴數據之間的矛盾。因此，當小區中存在中繼站時，上行預編碼亦可在如圖5（b）所示的場景中進行研究，此時多個用戶通過一個或者多個中繼站與基站進行通信。研究重點包括多用戶的接入、發送方式以及中繼站的轉發方式。當存在多個中繼站時，各中繼站的信號轉發矩陣可以聯合設計，并且將移動終端的預編碼操作考慮在內。

4 總結與展望

本文對中繼系統中多用戶預編碼技術的研究現狀進行了分析總結。與傳統MIMO系統類似，協同中繼系統中的預編碼研究也多集中在下行鏈路。基站及中繼站的預編碼矩陣一般根據不同系統拓撲結構獨立或者聯合設計，用來消除或者最大限度地減小多用戶干擾，同時保證有用數據的接收。上行鏈路中，由于受移動終端體積、功率各因素的影響，研究空間相對較小。在未來的協同中繼系統中，多用戶預編碼技術仍將是研究熱點之一，重點在于如何采用先進的數字信號處理技術，進一步提升下行鏈路的信道容量，同時探討上行鏈路的傳輸技術。

參考文獻

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