2. 上海交通大学 电子工程系, 上海 200240
LTE-A中多点协作传输(CoMP)技术可以通过多点协作发送、协作干扰消除等策略提高系统容量, 特别是能增强小区边缘用户的接收信干噪比(SINR), 改善通信质量, 为此, 针对多用户CoMP(MU-CoMP)中多流联合发送波束成形算法设计问题, 以接收信号平均SINR最大化作为目标函数, 通过计算信道状态信息估计值以及多用户干扰、噪声的统计自相关矩阵, 构造正则矩阵束, 将最大化接收SINR的联合传输预编码矩阵求解问题转化为正则矩阵束的广义特征向量求解问题, 设计的权重矩阵既对准最大增益的波束方向, 又能有效抑制用户及流间干扰.计算机仿真验证了该CoMP预编码矩阵联合设计算法能获得协作波束成形增益, 且具有较强的鲁棒特性.
2. Department of Electronic Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
Coordinated multi-point transmission/reception(CoMP) is favored in long term evolution advanced (LTE-A) due to its capability in reducing the inter-cell interference and enhancing the throughput for cell-edge users significantly. Aiming at the downlink precoding matrix design for multi-user multi-point joint transmission, the maximization of the average received signal to interference plus noise ratio (SINR) was formulated as optimization problem. By deriving the regularization matrix pencil with the statistical autocorrelation matrix of the prior channel state information matrix, the noise matrix, the multi-user interference matrix and the joint transmission precoding matrix design problem were further translated into the derivation of generalized eigen matrix. The resulting scheme to design the precoding vector maximizes the user equipment SINR by maximizing the beamforming gain and minimizing the multi-user interference and the inter-strings interference. Simulation confirms that the proposed precoding scheme offers significant throughput enhancement with coordinated beamforming gain, as well as good robustness.
针对TD-LTE-A系统，学者们在3GPP的Release11中提出了多点协作传输(CoMP, coordinated multi-point transmission)技术，通过多个小区、多用户间的协作通信方式，能有效提升吞吐率，增强小区覆盖[1]. CoMP技术特别对改善小区边缘用户通信质量有重要的作用和意义.目前，针对CoMP物理层关键技术的研究工作主要有CoMP系统容量分析[2]、多用户CoMP(MU-CoMP, multi-user CoMP)下的用户配对策略[3]及CoMP下预编码设计策略等[4].
针对MU-CoMP中的多用户配对问题，Li等[3]提出了协作扇区门限筛选准则(CCTC, coordinated cell threshold criteria)，通过综合考虑各协作扇区信道状态信息(CSI, channel state information)特性，以最大化配对用户吞吐率性能设计CCTC策略，从而避免了信道正交性差的协作点对系统容量的恶化.而对于CoMP下预编码算法设计问题的研究往往是以系统可达信道容量最大化作为优化目标展开讨论.文献[5]中以对邻小区的信泄比最小化作为目标函数，讨论了基于用户终端(UE, user equipment)反馈码本信息的CoMP策略，对3GPP Release11中新码本在CoMP下的通信性进行了定性分析.信道互易性是TD-LTE/TD-LTE-A系统的一个重要特性，在针对信道互易性的CoMP算法研究中，文献[6]研究了闭环模型下SU-CoMP的协作波束成形算法，通过各传输点交互CSI，以最大化UE通信速率及最小化邻区干扰为目标函数，基于信泄比最大化准则推导波束成形向量设计方法，算法在高信噪比下能获得较明显的干扰抑制效果.
CoMP波束成形技术研究是CoMP物理层关键技术研究的一个重要内容，以往的研究重点多集中于CoMP信道容量、传输点筛选方法、多用户配对策略及面向单用户的多小区CoMP波束成形技术展开；而多用户干扰抑制问题、CSI自相关矩阵Rank自适应问题、多用户多流下的多点协作波束成形算法等问题均是MU-CoMP预编码算法设计中亟待解决的重点和难点问题.综上所述，笔者重点解决CoMP下的多用户多流波束成形算法的设计问题.针对MU-CoMP中的多用户干扰问题，采用接收信号统计信干噪比(SINR, signal to interference plus noise ratio)最大化作为目标函数，将最大化接收SINR的预编码矩阵求解问题转化为正则矩阵束的广义特征向量求解问题，该预编码矩阵设计算法能有效支持MU-CoMP下的多流传输模式并能获得最大化SINR的性能增益.最后通过计算机仿真验证了算法的有效性.
1 数学模型简介TD-LTE系统可以通过信道互易性设计预编码算法，获得波束成形增益.不失一般性，假设K个eNodeB共同服务于P个UE的MU-CoMP模型，eNodeB侧发送天线数目为M，UE接收天线数为N，则第i个UE的接收信号解析式为
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(1) |
其中：
为了简化问题模型，定义联合预编码矩阵Wi及联合信道信息矩阵Hi为
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(2) |
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(3) |
则式(1) 可以简化为
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(4) |
其中：yi为期望信号部分，zi为干扰噪声部分.进一步定义P个UE的联合接收信号矢量r、期望信号矢量y及干扰噪声矢量z，得到联合接收信号解析式为
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(5) |
因此，MU-CoMP联合波束成形算法设计就是基于式(5) 考虑使所配对用户信道容量最大化的方法研究.
2 MU-CoMP联合传输算法分析计算多用户下的联合信号与干扰及噪声功率比为
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(6) |
定义J(W1, W2, …, WP)是以预编码矩阵为变量的目标函数，将式(6) 进一步化简为
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(7) |
其中：σi2=E{niHni}，Ci=E{HiHHi}.
简化式(6) 以便于分析，定义
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(8) |
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(9) |
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(10) |
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(11) |
式(11) 中⊕表示矩阵直和运算.则式(7) 的信号功率与干扰噪声部分可以分别化简为
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(12) |
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(13) |
定义
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(14) |
至此，式(7) 中最大化SINR的MU-CoMP联合传输(JT, joint transmission)预编码矩阵设计问题就转化为最大化式(14) 的W求解问题，将W的求解表示为带约束极值优化问题，如式(15) 所示.
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(15) |
注意到B是Hermitian矩阵且正定，A是Hermitian矩阵，则(A, (B+γLI))构成正则矩阵束.由正则矩阵束性质易知存在矩阵T使式(16) 成立.
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(16) |
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(17) |
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(18) |
其中Σ为主对角线元素为正则矩阵束广义特征值的对角矩阵.
令
步骤1 计算
步骤2 计算正则矩阵束(A, (B+γLI))广义特征值λ1, λ2, …, λMKP；
步骤3 根据式(17) 计算正则矩阵束的特征矩阵T；
步骤4 根据式(18) 计算得到联合预编码矩阵
链路级仿真采用3GPP Release11协议中约定的PDSCH(physical downlink shared channel)信号发送和接收流程，信道模型采用SCME Urban Macro模型，下行8发2收，UE移动速度3 km/h情况下，采用TM8传输模式，按照第2节所述的CoMP联合波束成形算法对单用户双流以及双用户单流下的吞吐率性能进行仿真.
图 1、图 2分别为采用第2节中所述算法，在TM8下采用固定调制编码方式(MCS, modulation and coding scheme)，针对CoMP模型下多小区协作的吞吐率性能进行仿真，并分别与单小区非协作的相应仿真结果进行对比.
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图 1 TM8传输模式下的多用户吞吐率性能仿真 |
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图 2 TM8传输模式下单用户吞吐率性能仿真 |
TM8传输模式最大支持单个UE双流的传输能力.由图 1中的双用户单流仿真结果可以看出，无论是UE1还是UE2在CoMP模型下均比单小区非协作的吞吐率性能获得较大的改善.其中以0 dB为例，UE1通过CoMP协作能获得1.5 dB的性能改善，UE2能获得将近0.8 dB的性能提升.当信噪比大于10 dB时，吞吐率达到15.3 Mbit/s.而对于图 2中的单用户双流通信模式，用户吞吐率随着信噪比的增大不断提升，当信噪比大于15 dB时，系统容量约可达30.5 Mbit/s.相较单小区通信，单用户下的CoMP协作能获得3 dB左右的性能增益.
仿真结果表明，所提算法能利用信道互易特性设计JT波束成形算法，较好地提升多点协作下的多用户吞吐率，系统性能随信噪比提升改善明显.需要指出的是，在单用户通信时，算法性能主要取决于UE侧的接收信噪比，采用多点协作能有效改善UE的信号接收质量，提高吞吐率性能.
4 结束语LTE-A中提出了CoMP技术，通过扇区间协作通信、干扰消除以增强UE接收SINR，最终达到提升系统吞吐率性能的目的.重点针对TD-LTE-A下CoMP JT波束成形算法设计问题展开研究，算法能有效支持MU-CoMP下的多流传输模式并能获得最大化SINR.计算机仿真验证了算法在MU/SU-CoMP下均能有效提升UE吞吐率.
| [1] | Lee J, Kim Y. Coordinated multipoint transmission and reception in LTE-advanced systems [M]. IEEE Communications Magazine, 2012, 50(11): 44-50. |
| [2] | Anais V, Salah E E. Evaluating the capacity gains from coordinated multipoint transmission and reception[C]//2010 Proceedings of the 8th International Symposium on Modeling and Optimization in Mobile, Ad Hoc and Wireless Networks. Avignon, France: IEEE, 2010: 603-609. |
| [3] | Li Shiyuan, Cui Qimei, Wang Chao, et al. Coordinated cell threshold user pairing criteria for uplink CoMP MU-MIMO[C]//International Conference on Computer Science and Network Technology. Harbin, China: IEEE, 2011: 1740-1744. |
| [4] | Patrick M, Gerhard P F. Coordinated multi-point on mobile communications from theory to practice[M]. New York: Cambridge University Press, 2011: 42-54. |
| [5] | Masayuki H, Hui T, Tomohumi T, et al. Study of leakage-based precoding scheme that supports coordinated multi-point operation for LTE[C]//2012 IEEE 75th Vehicular Technology Conference. Yokohama: IEEE, 2012: 1-5. |
| [6] | Li Qiang, Yang Yang, Fang Shu, et al. Coordinated beamforming in downlink CoMP transmission system[C]//IEEE 5th International ICST on Communications and Networking in China. Beijing: IEEE, 2010: 1-5. |