LTE系統(tǒng)中的分布式空時(shí)中繼技術(shù)

摘要:中繼技術(shù)作為L(zhǎng)TE-Advanced系統(tǒng)的關(guān)鍵候選技術(shù)可為小區(qū)帶來(lái)更大的覆蓋范圍和系統(tǒng)容量。分布式空時(shí)中繼技術(shù)不僅可以充分利用中繼技術(shù)帶來(lái)的空間分集，又可以引入部分編碼增益，是中繼技術(shù)中最直接的應(yīng)用技術(shù)。比較目前提出的分布式空時(shí)中繼方案，得出基于解調(diào)-轉(zhuǎn)發(fā)方式的空時(shí)中繼編碼方案最適合LTE-Advanced系統(tǒng)的方案。同時(shí)，針對(duì)解調(diào)-轉(zhuǎn)發(fā)方式中存在的錯(cuò)誤傳遞問(wèn)題，提出基于門(mén)限的選擇性空時(shí)中繼方案，該方案以很小的系統(tǒng)復(fù)雜度換取了優(yōu)異的性能增益。

關(guān)鍵字:長(zhǎng)期演進(jìn)；中繼技術(shù)；分布式空時(shí)編碼；解調(diào)轉(zhuǎn)發(fā)

英文摘要: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.

英文關(guān)鍵字:LTE; relay technology; distributed space-time coding; demodulate-and-forward

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(“973”計(jì)劃)課題(2007CB310602)

基于通信產(chǎn)業(yè)對(duì)“移動(dòng)通信寬帶化”的認(rèn)識(shí)和應(yīng)對(duì)“寬帶接入移動(dòng)化”挑戰(zhàn)的需要，3GPP開(kāi)始了“長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)”的進(jìn)程[1]。LTE技術(shù)將實(shí)現(xiàn)一個(gè)高數(shù)據(jù)率、低延遲、分組業(yè)務(wù)優(yōu)化的系統(tǒng)，為未來(lái)寬帶無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)提供有力的傳輸手段，滿(mǎn)足任何時(shí)間、任何地點(diǎn)用戶(hù)對(duì)IP多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。LTE-Advanced系統(tǒng)是LTE的平滑演進(jìn)，對(duì)LTE具有很強(qiáng)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(shí)強(qiáng)調(diào)降低終端/網(wǎng)絡(luò)的成本和功耗等需求[2]。根據(jù)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)好的覆蓋。中繼技術(shù)作為L(zhǎng)TE-Advanced系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)可以很好地解決這一問(wèn)題，它為小區(qū)帶來(lái)更大的覆蓋范圍和系統(tǒng)容量[3]。中繼節(jié)點(diǎn)(RN)的復(fù)雜度遠(yuǎn)低于基站(eNB)，體積小，重量輕，易于選址，降低了運(yùn)營(yíng)商的成本和功耗。因此如何合理有效地利用中繼進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[4]。

1 中繼分類(lèi)

按照中繼對(duì)接收信號(hào)的處理方式，可以把中繼分為3類(lèi)：放大-轉(zhuǎn)發(fā)方式(AF)，解碼-轉(zhuǎn)發(fā)方式(DF)[5]和解調(diào)-轉(zhuǎn)發(fā)方式(DMF)[6]。假設(shè)基站發(fā)送的信號(hào)S，中繼接收的信號(hào)yr，基站到中繼的信道響應(yīng)hs r，中繼接收端噪聲n，中繼節(jié)點(diǎn)信號(hào)Sr，因此：

AF只是簡(jiǎn)單的放大信號(hào)yr ，將接收信號(hào)不經(jīng)任何處理直接放大發(fā)送出去，也就是：

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是處理算法簡(jiǎn)單、延時(shí)小，缺點(diǎn)是放大有用信號(hào)的同時(shí)也放大了噪聲信號(hào)，降低了用戶(hù)端接收性能。

DF具有很高的處理復(fù)雜度，發(fā)射端對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)塊用糾錯(cuò)碼進(jìn)行保護(hù)，中繼在接收到整個(gè)數(shù)據(jù)塊后進(jìn)行解碼，如果得到正確的數(shù)據(jù)信息(CRC校驗(yàn))，中繼重新編碼發(fā)送出去，否則中繼關(guān)閉。

這種方式的優(yōu)點(diǎn)是完全去掉了信道和噪聲的影響，缺點(diǎn)是中繼解碼和編碼的復(fù)雜度較高，轉(zhuǎn)發(fā)的延遲大。在信道條件較差的情況下，DF方式會(huì)引起中繼大量數(shù)據(jù)包丟棄，從而引起鏈路中斷或者數(shù)據(jù)重傳。

DMF是中繼站采用最大似然解調(diào)接收信號(hào)，再轉(zhuǎn)發(fā)出去，也就是說(shuō)：

由于基站到各中繼的信道條件不同，各中繼解調(diào)輸出符號(hào)的置信度不同，為了提高系統(tǒng)性能，可以給各中繼的解調(diào)輸出不同的加權(quán)。加權(quán)系數(shù)與信道條件相關(guān)，信道條件越好，解調(diào)輸出符號(hào)的置信度越高，則加權(quán)系數(shù)越大；反之，則加權(quán)系數(shù)越小。這種考慮中繼解調(diào)置信度的轉(zhuǎn)發(fā)方式，稱(chēng)之為加權(quán)解調(diào)-轉(zhuǎn)發(fā)(WDMF)。

WDMF與AF比較降低了噪聲的影響，相比于DF復(fù)雜度和轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)大大降低。WDMF實(shí)現(xiàn)了中繼復(fù)雜度和性能的較好折中，其性能曲線(xiàn)將在文章后面的仿真部分給出。

LTE標(biāo)準(zhǔn)中按照中繼處理數(shù)據(jù)在協(xié)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(guān)注物理層功能。而DF要涉及到少量MAC層功能，如數(shù)據(jù)分塊、CRC校驗(yàn)，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(shù)，因此對(duì)RN的協(xié)議棧沒(méi)有限制，也就是說(shuō)以下的結(jié)論適用于所有的RN。

2 分布式空時(shí)碼

利用地理上分離天線(xiàn)的特性，分布式節(jié)點(diǎn)可以極大地提高空間復(fù)用性能(由于較好的信道條件)和分集性能(由于強(qiáng)衰落的非相關(guān)性)。根據(jù)協(xié)作的方式，分布式空時(shí)中繼系統(tǒng)可分為兩類(lèi)，用戶(hù)協(xié)作和中繼協(xié)作。

用戶(hù)協(xié)作就是用戶(hù)終端(UE)之間共享資源互相幫助傳輸數(shù)據(jù)。如圖1、圖2所示，在前兩個(gè)時(shí)隙UE1和UE2分別發(fā)送各自數(shù)據(jù)，由于無(wú)線(xiàn)信道的廣播特性UE1和UE2也分別接收到對(duì)方的數(shù)據(jù)，在下一個(gè)時(shí)隙UE1和UE2同時(shí)發(fā)送空時(shí)碼字。用戶(hù)協(xié)作的缺點(diǎn)是增加了用戶(hù)的處理負(fù)擔(dān)和能量消耗，例如數(shù)據(jù)解調(diào)、用戶(hù)同步等。用戶(hù)公平性、數(shù)據(jù)安全和兼容性等一系列問(wèn)題都仍需進(jìn)一步研究。

中繼協(xié)作，即多個(gè)中繼站協(xié)作為用戶(hù)提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。中繼協(xié)作避免了用戶(hù)協(xié)作帶來(lái)的數(shù)據(jù)安全問(wèn)題，而且RN之間的同步在eNB的控制下容易實(shí)現(xiàn)，不會(huì)增加用戶(hù)的處理負(fù)擔(dān)。同時(shí)在RN中可以實(shí)現(xiàn)功率分配、中繼選擇和用戶(hù)管理等能夠提高系統(tǒng)容量的功能[8]。最簡(jiǎn)單的功率分配方案是發(fā)射端的發(fā)射功率與中繼的總發(fā)送功率相等而各RN之間發(fā)射功率均勻分配。這種方案雖不是最優(yōu)的，但最易實(shí)現(xiàn)。圖3、圖4是一個(gè)中繼協(xié)作采用分布式空時(shí)編碼的例子，在上行傳輸中，UE在第一個(gè)時(shí)隙將數(shù)據(jù)發(fā)送到RN1和RN2，第2、3時(shí)隙中繼采用分布式空時(shí)碼發(fā)送數(shù)據(jù)到eNB。