LTE系统中的分布式空时中继技术

基金项目：国家重点基础研究发展规划(“973”计划)课题(2007CB310602)

    基于通信产业对“移动通信宽带化”的认识和应对“宽带接入移动化”挑战的需要，3GPP开始了“长期演进(LTE)”的进程[1]。LTE技术将实现一个高数据率、低延迟、分组业务优化的系统，为未来宽带无线业务提供有力的传输手段，满足任何时间、任何地点用户对IP多媒体数据业务的需求。LTE-Advanced系统是LTE的平滑演进，对LTE具有很强的兼容性。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，同时强调降低终端/网络的成本和功耗等需求[2]。根据现有的频谱分配方案，获得此容量的大宽带频谱在较高频段，而该频段路损和穿透损都较大，很难实现好的覆盖。中继技术作为LTE-Advanced系统的关键技术可以很好地解决这一问题，它为小区带来更大的覆盖范围和系统容量[3]。中继节点(RN)的复杂度远低于基站(eNB)，体积小，重量轻，易于选址，降低了运营商的成本和功耗。因此如何合理有效地利用中继进行数据传输成为当前的研究热点[4]。

1 中继分类
    按照中继对接收信号的处理方式，可以把中继分为3类：放大-转发方式(AF)，解码-转发方式(DF)[5]和解调-转发方式(DMF)[6]。假设基站发送的信号S，中继接收的信号yr，基站到中继的信道响应hs r，中继接收端噪声n，中继节点信号Sr，因此：

    AF只是简单的放大信号yr ，将接收信号不经任何处理直接放大发送出去，也就是：

    这种方法的优点是处理算法简单、延时小，缺点是放大有用信号的同时也放大了噪声信号，降低了用户端接收性能。

    DF具有很高的处理复杂度，发射端对发送的数据块用纠错码进行保护，中继在接收到整个数据块后进行解码，如果得到正确的数据信息(CRC校验)，中继重新编码发送出去，否则中继关闭。

    这种方式的优点是完全去掉了信道和噪声的影响，缺点是中继解码和编码的复杂度较高，转发的延迟大。在信道条件较差的情况下，DF方式会引起中继大量数据包丢弃，从而引起链路中断或者数据重传。
DMF是中继站采用最大似然解调接收信号，再转发出去，也就是说：

    由于基站到各中继的信道条件不同，各中继解调输出符号的置信度不同，为了提高系统性能，可以给各中继的解调输出不同的加权。加权系数与信道条件相关，信道条件越好，解调输出符号的置信度越高，则加权系数越大；反之，则加权系数越小。这种考虑中继解调置信度的转发方式，称之为加权解调-转发(WDMF)。

    WDMF与AF比较降低了噪声的影响，相比于DF复杂度和转发延时大大降低。WDMF实现了中继复杂度和性能的较好折中，其性能曲线将在文章后面的仿真部分给出。

    LTE标准中按照中继处理数据在协议中的位置，RN可以分为层一中继、层二中继和层三中继[7]。AF和WDMF可在以上3种RN中工作，即只关注物理层功能。而DF要涉及到少量MAC层功能，如数据分块、CRC校验，所以只能在层二和层三中继上工作。以下我们讨论的仅是物理层的技术，因此对RN的协议栈没有限制，也就是说以下的结论适用于所有的RN。

2 分布式空时码
    利用地理上分离天线的特性，分布式节点可以极大地提高空间复用性能(由于较好的信道条件)和分集性能(由于强衰落的非相关性)。根据协作的方式，分布式空时中继系统可分为两类，用户协作和中继协作。
用户协作就是用户终端(UE)之间共享资源互相帮助传输数据。如图1、图2所示，在前两个时隙UE1和UE2分别发送各自数据，由于无线信道的广播特性UE1和UE2也分别接收到对方的数据，在下一个时隙UE1和UE2同时发送空时码字。用户协作的缺点是增加了用户的处理负担和能量消耗，例如数据解调、用户同步等。用户公平性、数据安全和兼容性等一系列问题都仍需进一步研究。

    中继协作，即多个中继站协作为用户提供数据转发服务。中继协作避免了用户协作带来的数据安全问题，而且RN之间的同步在eNB的控制下容易实现，不会增加用户的处理负担。同时在RN中可以实现功率分配、中继选择和用户管理等能够提高系统容量的功能[8]。最简单的功率分配方案是发射端的发射功率与中继的总发送功率相等而各RN之间发射功率均匀分配。这种方案虽不是最优的，但最易实现。图3、图4是一个中继协作采用分布式空时编码的例子，在上行传输中，UE在第一个时隙将数据发送到RN1和RN2，第2、3时隙中继采用分布式空时码发送数据到eNB。

    在蜂窝小区中可能存在多个中继站，考虑如图5所示的蜂窝结构，一个小区中分布了6个RN。图中虚线表示一个RN所控制和管理UE的范围，但是并不表示RN仅和该范围内的UE通信。为了降低RN之间的干扰和整个小区的干扰水平，我们仅考虑一个UE可以和2到4个RN之间可能存在中继的链路。同时，由于空时编码的复杂度与参与RN数量有关，较少的RN可以降低空时编码的设计难度。

    合理地设计分布式空时码能够取得满分集增益和较大的编码增益，同时具有非常低的编码和译码复杂度[9]。现有的设计方法包括正交空时码，准正交空时码[10]、随机空时码和线性离散码[11]。定义Sr  1,Sr  2,…,Sr N 分别为各中继的发送符号，分布式空时码[12]就是一种将矢量Sr  1,Sr  2,…,Sr N 映射为码字矩阵的过程，即：

    正交设计保证码字生成矩阵的列向量相互正交，它的特点是仅使用线性处理就有各符号相互独立译码，能够获得满分集增益。但是当RN个数大于2时，不存在满速率复正交生成矩阵，RN个数等于2、4和8时仅有实正交阵，因此严重的限制了系统调制方案的选择。

    为了设计满速率码，提出了准正交空时码，其生成矩阵的子空间正交。该码能够进行符号对的独立译码，但不能保证满分集增益。正交空时设计和准正交空时设计在分布式情况下，必须存在一个中心控制节点指定中继发送码字矩阵的行数。

    正交设计和准正交设计具有简单的译码结构，但是码率小于1，是低发送速率情况下的候选方案，如果不考虑译码复杂度，可以设计码率大于1的码字，分布式线性离散码就是其中一种。分布式线性离散码是发送符号及其共轭的线性组合，码率由发送符号数决定，较高的码率对应较高的译码复杂度，因此译码器的实用性决定了最大符号数。分布式线性离散码可以根据信道质量灵活地改变码率，提高平均吞吐量。而且分布式线性离散码不需要重复分配编码矩阵。

    需要注意的是RN之间的不同步会严重影响分布式空时码的性能。为了避免RN之间的载波同步，可以将码字矩阵设计为对角阵，即在每个时隙只有一个RN转发信号，其他RN关闭，这样仅仅需要符号同步和帧同步。最简单的情况是码字生成矩阵为单位阵，即对发送信号不做处理直接转发，这种编码方案成为重复编码。对角阵编码方案是使用DFT矩阵进行编码[13]，此方案虽然可以缓解同步的压力但是在编码增益上不如其他编码方案。

    在LTE系统中，eNB可以对RN进行管理，因此RN之间在一定程度上可以假设为同步状态。
下面是分布式空时码在AF、DF、DMF和WDMF转发方式下的性能。仿真条件：所有信道服从单位复高斯分布，调制方式为二进制相移键控(BPSK)，节点数为2，数据块符号数为10，信噪比(SNR)定义为总发射功率与噪声功率的比值。

    图6—9分别是AF、DF、DMF和WDMF 4种转发方式下分布式离散码(L-DSTC)、单位阵码(I-DSTC)、正交码(O-DSTC)和DFT对角阵码(D-DSTC)的误码率(BER)性能曲线。通过比较可以发现，在低SNR情况下，由于eNB到RN的信道较差，DF方式下BER接近1，即RN无法正确解码，数据块完全被丢弃。在高SNR条件下，DF方式在RN能够正确恢复基站发送的数据，同时去掉了eNB到RN信道衰落和噪声的影响，在用户处获得最好的BER性能。DMF和WDMF方式在低SNR条件下部分去掉了噪声影响，性能优于AF方式。但是在高SNR条件下，噪声的影响较小，而DMF方式中继解调错误是引起性能损失的主要因素，所以DMF较AF有5 dB左右性能损失。WDMF方式部分抑制了中继解调错误对用户的影响，因此WDMF性能优于AF，在高SNR条件下与AF相比可以获得大约2 dB增益。WDMF方式在高SNR条件下与最优的DF性能比较性能损失小于1 dB。因此WDMF方式从性能和处理复杂度方面考虑，完全适于LTE中继技术低复杂度、高性能的要求。

    图10是L-DSTC、I-DSTC、O-DSTC和D-DSTC在WDMF方式下的BER性能曲线。4种分布式空时码生成矩阵的秩等于2，在高SNR下近似获得满分集增益；O-DSTC具有更大的编码增益，因此性能优于其他三种空时码。LTE蜂窝小区与全分布式网络不同，eNB可以作为所有RN的中心控制节点，它可以完成RN的同步以及空时码字指派。另外正交空时码的低复杂度接收机降低了用户端的功耗。因此当需要的RN个数为2(适于任意调制星座)或者4(仅适用于实调制星座)时O-DSTC可以作为LTE系统的最优选择。当然，如果考虑自适应编码调制技术(AMC)和RN的选择技术，L-DSTC更具有灵活性，可以应用于任何的调制模式和RN个数的配置。

3 选择性空时中继方式
    虽然基于DMF的分布式空时编码在复杂度和性能的折中方面适于LTE系统，但是在中继站解调时发生的错误会被传递到eNB，这样会对接收性能产生较大的损失，文献[14]证明了DMF模式下的多中继传输最大能获得的空间分集增益为其中继数量的一半。WDMF虽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错误传递所限制。为了改善WDMF方式的错误传递，一些增强型的WDMF中继方式被提了出来。主要的方法可以分为两类，自适应中继模式和选择性中继模式。文献[15]提出了根据接收信噪比大小，增加或者减少中继的发射功率，这样可以增强可靠中继信号的功率，降低不可靠中继信号的功率。文献[15]提出了以最小化eNB的误码率作为目标选择性DMF中继，如果RN接收信噪比大于一个预先设定，那么该节点能进行信号中继，否则不然。选择性的中继模式比自适应的中继模式更容易实现，并且可以在直接信道不存在时仍然可以工作，因此选择中继DMF中继模式更适于应用于LTE系统。然而由于传递的错误和接收噪声相乘，因此在分布式空时中继系统下很难给出精确地误码率表达式。

    为了计算误码率，文献[15]引入了大量的高信噪比近似，并且其结果仅适于二进制调制的中继系统。更重要的是以上的研究只是考虑重复编码的情况，由于解调错误会被RN编码，因此在分布式空时中继系统中错误传递更加严重。

    文献[15]针对分布式空时编码系统中的错误传递提出了两种基于预设门限的选择性DMF中继模式，称之为集中式选择中继和分布式选择中继。这两种模式适于任意调制星座，任何中继数量，并且继承了文献[15]提出的门限选择机制。集中式的选择中继模式将解调错误当作一种等效的干扰噪声并将其归到噪声项，这样就可以定义新的信噪比，门限选择的目标就是使这种等效的信噪比最大化。由于需要知道所有中继系统的所有平均信道信息，因此集中式的选择中继需要在eNB或者某个RN加装集中控制模块用于计算各个RN的接收信噪比门限并广播给各个RN。分布式选择性中继模式将每一条中继信道和中继看作一个等效的信道，每个中继只需判断自己发射到接收机的信号是是否会引起等效信道的错误概率增加。在分布式选择性中继模式中每个中继仅需要知道自己的接收和发射信道的平均信道信息，因此不需要RN之间的信道信息交互。需要注意的是，如果使用O-DSTC或者D-DSTC作为编码方案，需要在工作的RN数量变化时重新设计编码矩阵和重新分配码字。为了避免RN与eNB之间过多的信息交互，我们考虑使用L-DSTC以避免以上问题。LTE-A系统目前还未确定RN之间的交互过程，因此提出的两种选择性中继模式为LTE-A系统提供了有用的参考。图11给出了在4个中继，数据块大小为4时的系统仿真。从图中可知，选择性中继方式可以提高大约2 dB的功率增益，并且集中式选择中继略好于分布式选择中继。具体细节请参见文献[15]，这里不再赘述。

4 结束语
    通过分析和比较各种分布式空时中继方案，我们得出以下结论：(1)基于RN的中继协作技术适用于现有的LTE标准；(2)从复杂度和性能折中的角度来看，加权解调-转发方式最适合于LTE系统中的分布式空时中继系统；(3)对于2-RN中继系统，基于正交设计的分布式空时码最优，而为了减少RN之间的信息互通以及适应任意数量RN和任意调制星座的环境，建议使用分布式离散码作为候选技术；(4)通过一定准则的中继选择可以较大地提高解调转发方式下分布式空时编码的性能。

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收稿日期：2009-11-03

[摘要] 中继技术作为LTE-Advanced系统的关键候选技术可为小区带来更大的覆盖范围和系统容量。分布式空时中继技术不仅可以充分利用中继技术带来的空间分集，又可以引入部分编码增益，是中继技术中最直接的应用技术。比较目前提出的分布式空时中继方案，得出基于解调-转发方式的空时中继编码方案最适合LTE-Advanced系统的方案。同时，针对解调-转发方式中存在的错误传递问题，提出基于门限的选择性空时中继方案，该方案以很小的系统复杂度换取了优异的性能增益。

[关键词] 长期演进；中继技术；分布式空时编码；解调转发

[Abstract] 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.

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