多點協(xié)作系統(tǒng)中異步干擾特性及其預編碼設計

在理論上,多輸入多輸出MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)無線系統(tǒng)較傳統(tǒng)的單天線點對點系統(tǒng)而言，在不增加帶寬和發(fā)射功率等開銷情況下，可明顯提高系統(tǒng)容量和頻譜效率[1]。但是，在實際系統(tǒng)中人們卻發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)的基站非協(xié)作傳輸方式下，每個基站為其所屬小區(qū)覆蓋范圍的用戶發(fā)射信號，用戶與為其服務的基站間是一一對應的，對來自鄰近小區(qū)的信號往往被視為加性高斯白噪聲處理，致使MIMO系統(tǒng)性能嚴重受限于相鄰小區(qū)用戶的同道干擾IC-CCI(Inter-cell Co-channel Interference)[2-3]，在信噪比很高的區(qū)域，獲得的信號干擾噪聲比SINR(Signal-Interference-Noise Ratio)卻可能很低，甚至為零。為了能增強信號覆蓋范圍,提高系統(tǒng)空間自由度以及宏分集效果,改善信道秩特性,且更有效抑制小區(qū)間的IC-CCI干擾等，以適應新一代無線移動通信系統(tǒng)的需要,近年來,提出了一種多點協(xié)作傳輸Co-MP(Coordinated Multi-point Transmission and Reception)技術[4-5]。相對于傳統(tǒng)基站非協(xié)作方式而言，Co-MP系統(tǒng)將來自鄰近小區(qū)的干擾信號變成有用信號，從而可有效消除IC-CCI干擾,有望進一步獲得更大的系統(tǒng)容量和更高的頻譜效率，因此，成為協(xié)作通信領域的研究熱點。但是，目前多基站協(xié)作通信研究大多基于假設用戶獲取的期望信號與來自不同基站的干擾信號均能很好地同步[6-7]。
然而，在實際應用中，由于參與協(xié)作的多基站通常分布在不同地理位置，因此信號傳輸具有固有的異步特性[8]。即使定時提前機制能確保從各協(xié)作基站傳輸?shù)侥繕擞脩舻钠谕盘柾瑫r到達，也很難保證目標用戶收到的其他用戶干擾信號與其期望信號的同步性。本文主要針對協(xié)作多基站下行傳輸系統(tǒng)中多用戶信號傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/異步">異步干擾特性進行了詳細的分析和討論，并提出了一種應用于基站發(fā)射端的聯(lián)合預編碼優(yōu)化設計準則，以期待降低多用戶異步干擾對Co-MP系統(tǒng)性能的影響。
1 多點協(xié)作系統(tǒng)分析模型
　假設有一個Co-MP下行傳輸系統(tǒng),系統(tǒng)中有M個相鄰協(xié)作基站，每個基站有Nt根發(fā)射天線，有K個移動用戶任意分布在下行的多小區(qū)中，每個用戶有Nr根接收天線，因此，該協(xié)作多基站系統(tǒng)可表示為(Nt,Nr,M,K)，如圖1所示。在系統(tǒng)中，多基站協(xié)作傳輸Lj個數(shù)據流到用戶j，不同的傳輸路徑可視為是獨立的，且為頻率平坦衰落的瑞利信道。此外,用Hbj表示從基站b到用戶j，維數(shù)為Nr×Nt的信道傳輸矩陣，其元素是復高斯的獨立同分布變量；且假設在慢衰落情況下每個基站均可通過自適應信號跟蹤反饋獲得所有用戶子信道的完美信道狀態(tài)信息CSI(Channel State Information)[9]，包括各傳輸路徑的時延等。

若用bj表示距離用戶j最近的基站(或稱為用戶j的服務基站)，且其傳輸時延為τj；τbj表示從基站b到用戶j的傳輸時延；sj(m)表示在m時刻多基站協(xié)作傳輸給用戶j的零均值數(shù)據符號矢量(維數(shù)為Lj×1)，基站b經過維數(shù)為Nt×Lj的線性預編碼矩陣Wbj處理后得到從該基站到用戶j的發(fā)射矢量xbj(m)，即有xbj(m)=Wbjsj(m)。Wbj=0表示每個基站僅服務于自己用戶(即沒有協(xié)作)的特殊情況。
在給定CSI情況下，為使每個用戶信息傳輸速率最大化，采用發(fā)射功率歸一化的高斯碼本作為傳輸數(shù)據矢量，且不同用戶碼本彼此相互獨立，若用符號“(.)H”表示復共扼轉置，Im表示m×m階的單位陣，則有: