多用户预编码技术在中继系统中的应用*

王方向，郑 侃，龙 航，王文博

（北京邮电大学 北京 100876）

1 引言

处在不利位置（如小区边缘）的用户与基站之间的信道较差，容易受到噪声及干扰的影响，因此用户信号一般较差，通话困难。如果在原有基站的基础上增加一些新的中继站，可以增大天线的分布密度，拉近天线和用户的距离，此时下行数据从基站先传给中继站，中继站再传给终端用户，上行反之，从而改善链路质量，降低用户掉话率，提高系统的频谱效率。

发送端已知信道状态信息时可以对发送信号进行预处理操作，从而提高系统的吞吐量，目前线性预编码技术已经被3GPP LTE系统采用[1]。由于协同通信系统与MIMO系统的相似性，预编码技术被引入用于提高频谱效率[2]。协同通信系统中的预编码技术与本地或者虚拟天线阵密切相关，可以根据天线阵构成方式的不同对其进行分类研究[3]。

目前，协同通信系统中的预编码技术研究集中在单用户场景，即假设单个或者多个中继站协作基站与单个用户进行通信。如果基站采用空分多址的方式与多个用户通信，可以有效提高频谱效率，给系统吞吐量带来可观的增益，因此，点对多点的多用户中继系统的研究应运而生。

相比于单用户中继，多用户中继系统的拓扑结构、信号处理技术等更加复杂。基站的处理能力比移动终端强得多，因此在下行链路中，基站在发送信号前做预处理以消除或者抑制接收端的多用户干扰，同时利用中继站的本地天线阵或者多个中继站构成的虚拟天线阵，进一步采用信号处理技术以提高系统性能。在上行链路中，用户一般仅知道自己的信道状态信息，获取其他用户信道状态信息需要付出很大代价，因此用户间很难进行协作，需要依靠中继站以及基站接收信号之后进行处理来区分不同用户。下面将从下行链路和上行链路两个方面，针对不同场景，介绍预编码技术在多用户中继系统中的应用。

2 中继系统中的下行多用户预编码技术

2.1 1-1-N（单个基站，单个中继站，多个用户）

在这种场景下，基站和多个用户之间只有单个中继站。中继站可以实现基站的部分功能且实现复杂度较低，因而在离基站比较远的小区边缘地区可以满足高速数据传输的需求。

如图1所示，下面以两跳传输为例进行说明。在此场景下，基站和中继站配备多根天线，移动终端可以配备单根或者多根天线。基站和中继站之间利用空分复用方式进行传输，中继站和多个用户之间为MIMO-Broadcast信道（MIMO-BC），因此，此场景可以看成MIMO-BC加入中继站之后的推广，预编码操作在基站和中继站的本地天线阵进行。

基站端的预编码可以分为线性和非线性两种。脏纸编码是非线性预编码的典型代表。研究表明，在MIMO-BC中基站如果采用脏纸编码向多个用户同时传输数据，其性能优于时分复用（即基站不同时隙向不同用户传输）[4]。如果基站端采用迫零脏纸编码，中继站采用简单的线性操作，在满足功率要求的情况下，对基站的预编码矩阵和中继站的线性处理矩阵进行联合设计，可以获得点对多点多用户中继信道容量的上界。由于脏纸编码实现复杂度过高，在实际系统中，基站端可以采用与脏纸编码思想相同的Tomlinson-Harashima 预 编 码[5]。

线性预编码的应用更为广泛，常见的线性预编码包括最小均方误差（MMSE）、奇异值分解（SVD）和迫零（ZF）预编码等。如果基站与用户之间没有直传链路，基站对信号进行线性处理后转发给中继站，中继站对信号进一步放大转发，广播发送给多个用户。当基站的预编码矩阵和中继站的功率分配矩阵都基于MMSE准则联合设计时，可以采用迭代的方式，即依次固定基站和中继站发送矩阵中的一个，优化另外一个，在保证所要求的最小信干噪比的条件下，使得功率消耗最小；当基于SVD准则联合设计时，基站与中继站选择合适的转发矩阵，将基站和多个用户之间的信道矩阵变成对角阵[6]。

在上述方案中，中继站对接收信号进行线性放大转发，信号处理时延小，实现简单。若中继站采用解码转发（DF）协议，实现复杂度较高，但是在干扰受限的环境中，通过中继站进行DF操作，可以有效消除多用户干扰。如果基站与用户之间有直传链路，第一阶段基站向中继站和用户发送数据，中继站首先对接收信号进行解码，第二阶段用户选择一个信道状况较好的基站或者中继站为其服务，被选中的基站或中继站应用随机波束赋形向用户发送信号，这种方法可以提高蜂窝系统的容量[7]。

2.2 1-N-N（单个基站，多个中继站，多个用户）

在这种场景下，基站和多个用户之间有多个中继站。这是因为在实际蜂窝通信系统中，为了扩大覆盖区域，在单个小区内需要放置多个中继站，因此，单个用户可能会处在相邻中继站的交叉覆盖地区，需要考虑多个中继站如何进行协同操作服务多个用户，以消除用户间干扰，提高系统容量。

如图2所示，基站到中继站之间为MIMO-BC信道，第一阶段基站向各中继站广播发送多用户数据流；第二阶段各中继站同时向多个用户发送数据。一般假设中继站与用户数量相同。

如果中继站位置离服务的用户较近，那么用户接收到的来自其他中继站的干扰可以忽略，只需要基站进行预编码消除中继站上的多用户干扰。假设基站配置多天线，中继站和移动终端配置单天线，中继站为特定的用户服务。为了消除中继站的多用户干扰，基站采用基于ZF的预编码，即预编码矩阵位于基站到中继站之间的信道矩阵的零空间内。基于ZF的预编码要求基站配置的天线个数过高，因此可以采用改进的最大信号泄漏比（maximizing signal-to-leakage ratio）准则，使得中继站接收到的其服务用户数据的功率，与其他中继站收到的来自此用户功率的比值最小，这样对基站的天线个数要求较低，且系统容量高于基于ZF的预编码[8]。

如果中继站位置离基站比较近，那么基站到中继站之间的信道状况良好，不会成为多跳传输的瓶颈。因此可以在中继站处采用预处理，以消除用户接收到的多用户间干扰。各中继站的转发矩阵进行联合设计时，各个中继站需要知道其他所有中继站前向信道的信息，所需信令开销比较大。当进行独立设计时，各个中继站之间无需通信，此时中继站采用DF协议有利于消除多用户干扰。假设基站和中继站配置多天线，移动终端配置单天线。中继站正确解码后采用基于ZF的预编码消除多用户干扰，然后在此基础上采用最大比合并（MRC）发送方案，使得用户的接收信噪比最大，或者采用Alamouti空时码的方案进行发送,其中MRC方案要求中继站之间相位同步，而Alamouti方案只需要中继站之间符号同步[9]。

在实际系统中，由于基站到不同中继站的信道状况、发送时延和速率不同等，不同中继站接收到的来自基站的广播信号可能有所重叠但不完全相同。根据各中继站发送的信号是否相同，可以将协同中继传输分为“对称”和“非对称”两大类。如图3（a）所示，“对称”指各个中继站同时都向两个用户广播发送信号，如图3（b）所示，“非对称情况”指中继站1同时向用户1和用户2发送信号，而中继站2只向用户2发送信号。第一阶段基站采用TDMA模式向中继站广播发送数据后，中继站采用DF协议进行解码，然后使用线性预编码技术向多个用户发送。如果从 “对称”及“非对称”情况中选择最优策略，使得系统吞吐量最大，可以看到发送两个数据流时，“非对称”的情况占绝大多数，因此在设计协作通信系统时，需要将非对称情况考虑在内[10]。

如果信道状态信息反馈不完全或者移动终端的速度过快等，发送端可能只知道信道状态的统计信息。在图3所示的场景中，在中继站使用MMSE波束成形，分别计算出“对称”和“非对称”协同中继传输下的MSE，然后从中选择最优策略，使得系统容量的上界最大，可以看到非对称协同传输被使用的概率仍然很大[11]。

2.3 N-N-N（源节点和目标节点数量均不为1，且是多个传输对）

这种场景在传感器网络中较为常见，网络中的一些节点构成了源/目标传输对，其他一些节点作为中继协助通信。如图4所示，源节点和目标节点数量均不为1，且一一对应。

[12]中表明在源/目标节点（S-D）传输对之间存在多个中继节点协助通信时，可以获得分布式阵列增益，从而提高系统容量。如果每个中继节点都知道其前向和后向信道状态信息，且采用非再生协议转发，那么S-D链路的容量随着中继节点个数的增加呈对数增长。而且各节点配置多天线时可以获得额外的自由度，进一步提高协同中继网络的容量。

中继节点知道自身的前向和后向信道状态信息时，采用常用的MF、ZF、MMSE等准则对接收信号进行线性转发，性能优于直接准发。如果中继节点可以获得理想的信道状态信息，那么协同中继系统可以得到的分集度等于中继节点的个数[13]。如果中继节点进一步对前向和后向信道进行QR分解，不仅可以获得分布式阵列增益和接收阵列增益，还可以最大化空间复用增益。此时，中继节点首先采用基于零空间的分块对角化消除各传输对之间的干扰，将MIMO-BC中继信道分解为多个并行独立的S-D中继信道，然后在分解后的每个S-D中继信道上应用前向和后向信道的QR分解，同时进行相位控制，在目标节点采用连续干扰消除，可以看到系统容量远高于基于ZF准则的转发策略[14]。

如果需要完全消除多个传输对之间的干扰，可以采用基于零空间的迫零中继。即中继节点采用线性放大协议，转发矩阵用来消除多个传输对之间的干扰，在分布式的单天线中继节点场景下也可以获得空间复用增益。在典型的室内环境（多径延时<500 ns）中，即使考虑到信道矩阵的信令开销和传输时延，多用户迫零中继也可以提高网络容量近6倍，因此在设计未来个人无线接入网络时，多用户迫零中继是可以考虑的一种方案[15]。如果中继节点个数多于所需最小数量，可以基于不同的目标函数对中继转发系数进一步优化，比如使得总传输速率、最小传输速率、总接收信噪比或者最小接收信噪比最大，以获得分布式的分集增益或者增大传输速率[16]。

多用户迫零中继要求多个中继节点之间交互信道状态信息，信令开销比较大。解决方案将多个中继节点分为两组，第一组仅需要知道自身信道状态信息，用来增加目标节点接收信号功率，第二组需要知道所有中继节点的信道状态信息，以消除不同传输对之间的干扰[17]。此方案在性能上几乎没有损失，但是极大地减小了信令开销。多用户迫零中继的另外一个缺点是仅适用于源节点与某个特定的目标节点配对，不适用于更复杂的场景，例如多个源节点为单个目标节点服务，而且只适用于单天线的中继节点。解决方案为在源和目标节点配置单天线、中继节点配置多天线的场景下，对多个中继节点的转发矩阵进行联合设计，使目标节点接收到的干扰和噪声功率最小，同时保证有用信号的功率。此方案性能优于多用户迫零中继，且适用于多天线中继节点以及源节点和目标节点数量不同的场景[18]。

3 中继系统中的上行多用户预编码技术

目前，上行预编码技术的研究远少于下行，已有的研究大多集中在如图5（a）所示的场景中，即用户互为中继站。在每个小区中，每个用户有一个“合作伙伴”。用户在除了需要发送自身数据，还有责任帮助其合作伙伴发送信息。用户收到其合作伙伴的信息后，与自身信息一起进行编码向基站发送，或者简单进行转发。这样通过使用合作伙伴的天线，可以获得空间分集增益。相比于非协作方式来说，用户间协作可以有效提高系统容量，减小对信道变化的敏感度，因此在同等性能要求下，移动终端的耗电量更 小[19，20]。

用户间协作的方式在实际系统中存在的问题在于：用户需要检测其合作伙伴的上行信号，增加了移动终端的复杂性；为保证数据发生的安全性，用户发送数据之前需要对其进行加密，这样合作伙伴虽然可以检测到其信号，但无法获取其内容；为保证各用户利益，小区内的资源需要有效分配，协调用户发送自身及合作伙伴数据之间的矛盾。因此，当小区中存在中继站时，上行预编码亦可在如图5（b）所示的场景中进行研究，此时多个用户通过一个或者多个中继站与基站进行通信。研究重点包括多用户的接入、发送方式以及中继站的转发方式。当存在多个中继站时，各中继站的信号转发矩阵可以联合设计，并且将移动终端的预编码操作考虑在内。

4 总结与展望

本文对中继系统中多用户预编码技术的研究现状进行了分析总结。与传统MIMO系统类似，协同中继系统中的预编码研究也多集中在下行链路。基站及中继站的预编码矩阵一般根据不同系统拓扑结构独立或者联合设计，用来消除或者最大限度地减小多用户干扰，同时保证有用数据的接收。上行链路中，由于受移动终端体积、功率各因素的影响，研究空间相对较小。在未来的协同中继系统中，多用户预编码技术仍将是研究热点之一，重点在于如何采用先进的数字信号处理技术，进一步提升下行链路的信道容量，同时探讨上行链路的传输技术。

参考文献

1 3GPP TS 36.211 v8.4.0.Physical channels and modulation(Release 8),2008

2 郑侃,蒋辉,龙航等.预编码技术在协同中继系统中的应用.电信科学,2008(8):65～69

3 龙航,郑侃,王方向等.协同系统中预编码技术的发展.电信科学,2009(6):39～44

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