基于空間分集增益的分布式快速空頻編碼算法

常本超++王丹++楊新鋒

摘 要： 針對多點協作（CoMP）無線通信系統的下行傳輸問題，提出一種分布式快速空頻編碼（DF?SFC）的方案。通過將小區邊緣用戶分組和分享相鄰小區間的子載波獲得空間分集增益，有效緩解了載波間干擾（ICI），基于此設計分布式解碼器，將用戶的解碼復雜度降低到相同的非分布式空頻編碼最佳解碼器的50%。通過將所提方案與Alamouti多點協作和非多點協作方案做比較，對用戶與其基站之間相對距離對比研究了可實現的傳輸速率，并且推斷出它的性能上限和下限，用于確立小區邊緣用戶的閾值，實現在提出的多點協作和非多點協作模式之間切換，以提高整體性能。仿真結果表明，在服務小區邊緣用戶方面提出的方案均優于Alamouti多點協作和非多點協作方案。

關鍵詞： 協作多點傳輸； 載波間干擾； 空頻編碼； 子載波分配

中圖分類號： TN919.3+1?34； TP391 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）23?0029?05

Distributed fast space?frequency encoding algorithm based on space diversity gain

CHANG Benchao1， WANG Dan2， YANG Xinfeng3， 4

（1. Information Management Center， Huanghe Jiaotong University， Jiaozuo 454950， China；

2. Department of Information Engineering， Huanghe Jiaotong University， Jiaozuo 454950， China；

3. School of Computer Science and Technology， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China；

4. College of Computer and Information Engineering， Nanyang Institute of Technology， Nanyang 473004， China）

Abstract： Aiming at the downlink transmission problem of the coordinated multi?point （CoMP） wireless communication system， a distributed fast space?frequency coding （DF?SFC） scheme is presented. The cell?edge users are grouped and the sub?carriers among neighbor cells are shared to obtain the space subset gain， so as to alleviate the inter?carrier interference （ICI）. In distributed decoder design based on above step， the user decoding complexity is reduced by 50% of the same non?distributed space?frequency coding optimal decoder. The proposed scheme is compared with Alamouti multipoint cooperation and non?multipoint cooperation schemes. The achievable transmission rate of the relative distance among the user and its base station is studied. The performance upper and lower limits are inferred to determine the threshold of the cell edge users， realize the switching between the proposed multipoint cooperation mode and non?multipoint cooperation mode， and improve the overall performance. The simulation results show that the proposed scheme is superior to the Alamouti multipoint cooperation and non?multipoint coo?peration schemes in service for the cell edge users.

Keywords： coordinated multi?point transmission； inter?carrier interference； space?frequency coding； subcarrier allocation

0 引 言

多點協作（Coordinated Multi?Point，CoMP）的傳輸可通過減少小區間干擾（特別是邊緣用戶）提高覆蓋率和數據率[1]。基站之間的CoMP協調策略大致分類為CoMP聯合處理（CoMP?JP）和CoMP協調調度（CoMP?CB）兩類，前者的用戶數據在協同操作的基站之間共享，而后者的每個基站試圖獨立地最小化與其他小區的ICI（Inter Carrier Interference，載波間干擾）[2]。假設對回程容量沒有限制，那么CoMP?JP的效率比CoMP?CB的效率更高。

現在已經出現了多種方法用來減少CoMP系統中的ICI。例如，參考文獻[3]基于用戶終端到基站的反饋信息，提出分布式功率分配方案。參考文獻[4]使用一個簡單的預編碼本來量化預編碼信息和次優功率分配策略，該策略中的基站不需要額外的信息。文獻[3]提出了一種新的方法，通過預編碼的分布式空時分組碼來提高性能。闊永紅等針對CoMP系統資源分配問題，提出了一種子載波分配方法[5]，有效增加空間分集，提高了系統傳輸效率。

然而，考慮到在這些作品中需要反饋開銷，CoMP聯合處理可能并不總是優于非CoMP[6]。并且已有的文獻中提出的幾種模式切換方法，都是基于用戶的位置來選擇傳輸模式[7?8]。

雖然大部分涉及多點協作的文獻都運用時空編碼（STC）或空頻編碼（SFC）[9]，但是緩解ICI主要是通過使用閉環分布式預編碼或分配功率來實現而不是設計代碼。另一方面， 時空編碼或者空頻編碼也可用于開環的方式中，從而有效地降低反饋開銷，因為它們并不需要用戶終端的信道狀態信息。

本文對文獻[10]提出的快速碼空頻編碼（Distributed Fast Space?frequency Coding，DF?SFC）進行了修改，將解碼符號進行分組，由此得出新的分布式快速碼空頻編碼方案，從而適用于CoMP模式，不但可以緩解ICI，還可以通過分組邊緣用戶終端和分享相鄰小區間的子載波獲得空間分集。由此消除了在邊緣用戶終端之間的ICI，從而維持了頻率復用因子和高速傳輸。由于提出的分布式DF?SFC不是正交的，所以相比其他編碼的解碼復雜度更高。因此提出了一種分布式譯碼器，它可以將邊緣用戶的譯碼復雜度降低到相同的非分布式SFC最佳譯碼器的50%。對應用戶與其基站之間相對距離，對比研究了可實現的傳輸速率（b/s/Hz），并且推斷出它的性能上限和下限。結果表明， 在服務邊緣用戶方面，提出的方案均優于AlamoutiCoMP和非CoMP方案。推斷出的性能界限用于確立小區邊緣用戶的閾值，實現在提出的CoMP和非CoMP模式之間切換，以提高整體的性能。

1 系統模型

在CoMP無線通信系統中，邊緣用戶終端均勻地分布在小區之間。為了實現高頻譜效率，假定相鄰小區在它們自己的小區中可以使用相同的子載波聯系邊緣用戶終端，那么可能會出現ICI。在[ith]小區中的[jth]用戶被稱為邊緣用戶，如果利率[ρ=di，jDi]大于閾值[ρth，]其中[Di]表示相應的小區大小；[di，j]表示用戶到其基站的距離。如果不是邊緣用戶的話，那么用戶被稱為以小區為中心的用戶。

本文考慮到下行的兩種通信模式：非CoMP模式中以小區為中心的用戶從其相應的基站接收數據；CoMP模式中邊緣用戶可以通過兩個應用提出的分布式DF?SFC方案的基站獲得服務。注意，在非CoMP模式中， 由于相鄰的小區使用相同的子載波，因此用戶終端可能會出現小區間干擾（ICI）。同時，在CoMP模式中，以小區為中心的用戶終端只能從其相應的基站獲得服務。傳送到邊緣用戶終端和以小區為中心的用戶終端的數據處在不同的頻率中，因此可以假設其同時存在時，以小區為中心的用戶終端和邊緣用戶終端之間沒有干擾。在CoMP模式中被一個以上基站服務的用戶數量取決于閾值[ρth，]可以選擇閾值以提高整體性能。

在兩種模式下， 假定有一個2×2 MIMO系統，對于非CoMP模式而言，兩根傳輸天線位于同一個基站上，而且出現了ICI，而對于CoMP模式而言，每根傳輸天線位于一個基站上，ICI被消除（后續將對此作出解釋）。圖1和圖2體現了CoMP模式和非CoMP模式中的用戶終端。

用戶終端通過使用分布式DF?SFC被組合在一起）

基站通過IFFT 模塊傳輸數據，并且使用相應的模式進行傳播。在[ith]小區中的[jth]用戶與[i′th]小區相鄰，在頻率范圍內接收到的信號可以表示成：

4 結 論

本文提出DF?SFC方案適用于CoMP模式。在提出的方案中，邊緣用戶終端在相鄰的小區中組合在一起。通過共享子載波獲得空間分集增益。模擬結果表明，提出的分布式DF?SFC方案優于邊緣用戶終端所用的Alamouti多點協作方案。對提出方案的傳輸速率進行研究，速率達到了上下限。通過模擬表明，提出的方案比非CoMP方案和Alamouti多點協作方案能提供更高的傳輸速率。傳輸速率曲線用于查找到基站的距離閾值，實現在模式切換場景中確認用戶是否為邊緣用戶。

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