C-RAN协作通信系统中基于正交预编码的同步算法*

余 翔,曾银强,郑寒冰

(重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆　400065)

C-RAN协作通信系统中基于正交预编码的同步算法*

余 翔,曾银强**,郑寒冰

(重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆400065)

在C-RAN(Centra1ized,CooPerative,C1oud RAN)无线网络架构中,协作多点传输受到符号定时偏差和载波频率偏差的影响。为了降低联合传输协作系统对异步信号的敏感性,将正交预编码的同步算法应用到联合传输协作系统中。首先,发射机发送经过重复编码和正交预编码矩阵处理后的数据信息;然后,接收机利用特定的接收矩阵,实现分离相互叠加的异步协作信号;最后,完成对协作信号载波频率偏差和符号定时偏差的估计和补偿。理论分析和仿真结果表明:该方法能够有效解决协作传输中信号异步问题,改善系统性能。

C-RAN;协作多点传输;正交预编码;同步算法

引用格式:余翔，曾银强，郑寒冰.C-RAN协作通信系统中基于正交预编码的同步算法[J].电讯技术，2016，56(3)：241-245.[YU Xiang，ZENG Yinqiang，ZHENG Hanbing.A synchronization a1gorithm based on orthogona1 Pre-coding in C-RAN cooPerative communication system[J]. Te1ecommunication Engineering，2016，56(3)：241-245.]

1　引 言

下一代绿色无线接入网(Centra1ized，CooPerative，C1oud RAN，C-RAN)[1]明确地提出采用信号的协作式发送和接收(CooPerative Transmission/ReceP-tion，CT/CR)作为提升频谱资源利用率和小区边缘用户吞吐量的关键技术。联合处理技术(Joint Pro-cessing，JP)[2]是指相邻的多个协作基站为同一个用户传输相同的数据流，然后通过网络调度中心按照一定准则选择协作基站群。研究表明，在理想环境下多点协作传输技术能够显著提高小区性能和边缘用户吞吐量[3-4]。文献中研究的理想环境是指假设协作基站能够完全同步，且基站有用户的完美信道状态信息，然而在实际多点协作系统中，多个传输基站间存在固有频率偏差，同时由于传输距离的不同，导致用户接收的每一路协作信号频偏和延时不同，这些异步多路协作信号的叠加会恶化接收信号的信噪比。

针对协作系统的异步问题，文献[5-7]广泛研究了长期演进(Long Term Evo1ution，LTE)协作通信系统中多个频率偏移估计问题，但大多采用复杂的算法估计所有频率偏移值并补偿，增加了接收机的设计难度。文献[8]中接收机采用一种快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation，FFT)窗口的方法，通过寻找最优的FFT窗口处理不同时延叠加的信号。文献[9]提出针对两个传输点的协作通信中，利用空频块码(SPace Frequency B1ock Code，SFBC)进行频率偏移估计。上述算法中，大多只单独针对频率偏移或定时符号偏移，并且实现的计算复杂度过高。一种能够同时克服频率和时间偏移的同步方法，对于实现多点协作传输技术很有必要。

本文研究多点协作系统中的异步问题，提出了一种正交预编码的同步方法。该方法在发射机对数据信号采取重复编码和正交预编码处理，在接收机处利用特定的接收矩阵，实现单独检测每路协作信号；然后分别对每一路协作信号进行时延偏移和频率偏移估计和补偿，达到消除多点协作系统中的异步问题。

2　异步协作系统分析

考虑一个异步多输入多输出(Mu1tiP1e InPut Mu1tiP1e OutPut，MIMO)和正交频分复用(Orthogona1 Frequency Division Mu1tiP1exing，OFDM)系统的下行链路，多基站协作采用JP协作方式。分析协作系统中符号定时偏差(Symbo1 Time Offset，STO)和载波频率偏差(Carrier Frequency Offset，CFO)对下行链路的影响。假设OFDM符号调制，FFT尺寸大小为N，循环前缀长度(Cyc1ic Prefix，CP)为Ng。一定范围内的频率偏差值CFO=ε，符号定时偏差值STO= δ。基带接收信号的OFDM符号表示为

式中：X[ k]、Y[ k]、H[ k]和N[ k]分别表示该OFDM符号上第k个子载波的发射符号、接收符号、信道的频域响应和频域噪声；n[ l]=IDFT{N[ k]}。

当协作基站数目为MT，协作终端用户的接收信号为

假设协作基站i和用户间的STO=δi、CFO=εi，δi表示归一化时延，εi=为归一化频偏，fd为频偏，

Δf为子载波间隔，分析频率偏差及符号定时偏差对JP协作通信的影响。用户的频域接收信号为式中：I1表示用户接收到的有用信号。由式(5)可知STO和CFO引起了第k个子载波频率分量的相位失真，此外CFO还导致了幅度失真。

式中：I2表示其他子载波对第k个子载波的影响。非协作模式的OFDM系统(即MT=1时)中，CFO会破坏子载波间的正交性，造成了载波间干扰(Inter-Carrier Interference，ICI)。当采用协作模式时，基站间不同的CFO将会进一步扩大ICI的影响。异步协作通信不仅降低用户接收信号的信噪比，而且加大STO和CFO的估计误差。对于协作通信系统下，传统的STO、CFO估计算法并不适用。

3　正交预编码同步算法

上节的分析结果表明，JP协作方式下的用户难以实现不同基站发射信号的同步，存在严重的接收信号失真情况。为了解决异步信号协作传输问题，本文提出一种基于正交的预编码同步方法，通过正交实现不同物理路径的发射信号的分离，最终解决JP协作方式下的异步问题。

图1　正交预编码同步算法的处理流程Fig.1 The Process of orthogona1 Pre-coding a1gorithm

具体实现方法如图1所示，基站i(1≤i≤MT)的发射信号矢量xi(xi∈CN×1)。其中，N为调制后符号的个数。将xi中每一个符号重复扩展M (M≥MT)次，形成一个新矢量zi(zi∈CNM×1)：

生成M×M维Wa1sh码矩阵D，矩阵D的行向量为di(1≤i≤) M。则预编码矩阵Wi可以表示为

令Wi[l]是Wi的第l(0≤l≤NM-1)个对角元素。由于Wa1sh码矩阵行向量之间存在正交性，所以：

经过预编码后的发射信号为

在终端用户接收侧，DFT变换后信号的第l个子载波为

式中：令hi(n)为基站i到用户的信道路径；λi[l]为hi(n)的NM点DFT的第l个元素；n[ l]为加性噪声。

考虑到当发射符号数NM远大于信道多径长度L时，信号的相关带宽很大，此时相邻子信道间基本不变，即相邻子信道间的频率响应变化很少，近似存在

由式(15)可以看出，经过接收机处理后的信号几乎不存在协作基站之间的干扰。为消除多径信道影响，可以选择在发射机采用预均衡或在接收机采用频域均衡来恢复信号。对于存在多个STO和CFO的异步协作系统，正交预编码同步算法可以利用传统OFDM单点传输估计算法，对每一路协作信号分别进行估计并补偿。

4　仿真与结果分析

采用蒙特卡洛法进行仿真，随机产生2 000个OFDM符号。仿真实验参考LTE中20 MHz带宽的帧结构，FFT点数为2 048，循环前缀长度为512，载波频率2 GHz，系统带宽20 MHz，协作基站数目为3，调制方式为QPSK调制。假设用户所在小区为主服务小区，且该小区传输信号不存在CFO和STO的影响。在SCM链路级信道仿真模型下，多径长度设定为6(远远小于OFDM符号的长度)，所以本文假定的信号相关带宽很大是适用的。考虑移动终端的最快行驶速度为500 km/h，则最大多普勒频移1 204 Hz，相对于频率偏移值CFO=0.08；基站覆盖半径为500～700 m，相应最大传输延时约为2 μs，相对于符号定时偏差值STO=10。然而，在实际网络中，CFO和STO都不会高于上值。

传统OFDM系统中可以选择基于CP的估计方法或基于前导的估计方法[10]对CFO、STO进行估计。结合常用的估计算法，本文进一步提出了基于CP估计的正交预编码算法(CP-正交预编码算法)和基于前导的正交预编码算法(Moose-正交预编码算法)。

由图2可知，在同步协作通信系统中，接收机的误码率效果最佳。对于异步协作通信系统而言，当STO=-2、CFO=0.04时，接收机的误码率远高于同步协作通信系统。采用本文提出的正交预编码同步算法，用户可以单独检测协作基站信号，单点传输同步估计算法采用基于CP的估计算法。正交预编码协作通信系统的误码率接近于同步协作系统，优于文献[9]中基于SFBC编码的CFO估计并补偿算法(SFBC-协作系统)，且相比较于SFBC-协作系统只适应两个协作基站，其能够同时实现更多数量的多点协作传输通信。这是因为正交预编码方法以牺牲频谱利用率为代价。仿真结果表明正交预编码同步算法能够解决协作通信系统中的异步问题。

图2　不同协作方案的系统误码率对比Fig.2 ComParison of BER among different schemes

图3所示为SCM信道环境下基于CP-正交预编码算法和Moose-正交预编码算法的误码率对比图。由仿真结果可知，Moose-正交预编码算法的误码性能优于CP-正交预编码算法。这是因为在相同信噪比条件下，Moose算法优于基于CP估计算法的估计效果。仿真结果表明：通过正交预编码方法消除异步协作间信号干扰后，采用更高估计精确度的单点传输估计方法，能够进一步提升正交预编码同步算法的性能。

图3　基于不同CFO和STO估计的正交预编码算法误码率Fig.3 BER of Pre-coding a1gorithm based on different CFO and STO estimation

5　结束语

本文在深入分析C-RAN系统下联合处理多点协作传输技术以及异步OFDM系统中因存在STO

和CFO而造成的用户接收信号信噪比恶化的基础上，提出了一种基于正交的预编码同步算法。相比较于其他文献提出的方法，正交预编码同步算法以牺牲一定的频谱资源为代价，能获得更高的系统传输误码率性能。同时比较了两种不同的正交预编码算法在异步协作系统中的误码率性能。理论分析和仿真结果表明：本算法能够减小异步协作系统中的误码率，且基于前导的正交预编码同步算法性能更优，可以解决MIMO-OFDM协作系统中的异步问题。本文考虑方案在协作基站数量较多时，可能会导致频率资源利用率降低。未来的研究工作将会关注较多基站协作通信系统的同步问题。

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余 翔(1964—)，男，重庆人，1999年于电子科技大学获博士学位，现为教授，主要研究方向为宽带无线通信；

YU Xiang was born in Chongqing，in 1964. He received the Ph.D.degree from University of E1ectronic Science and Techno1ogy of China in 1999.He is now a Professor.His research concerns wideband wire1ess communications techno1ogy.

Emai1：yuxiang@cquPt.edu.cn

曾银强(1990—)，男，四川德阳人，硕士研究生，主要研究方向为宽带移动通信；

ZENG Yinqiang was born in Deyang，Sichuan Province，in 1990.He is now a graduate student.His research concerns wideband wire1ess communications techno1ogy.

Emai1：wowisgreat@163.com

郑寒冰(1991—)，女，安徽宿州人，硕士研究生，主要研究方向为宽带移动通信。

ZHENG Hanbing was born Suzhou，Anhui Province，in 1991.She is now a graduate student.Her research concerns wideband wire1ess communications techno1ogy.

Emai1：645955527@qq.com

A Synchronization Algorithm Based on Orthogonal Pre-coding in C-RAN Cooperative Communication System

YU Xiang，ZENG Yinqiang，ZHENG Hanbing
(Schoo1 of Communication and Information Engineering，Chongqing University of Posts and Te1ecommunications，Chongqing 400065，China)

CooPerative mu1ti-Point Processing(CoMP)techno1ogy is inf1uenced by symbo1 timing offset and carrier frequency offset in the wire1ess network infrastructure centra1ized，cooPerative，c1oud radio access network(C-RAN).In order to reduce the sensitivity to asynchronous signa1 in joint transmission system，the orthogona1 Pre-coding synchronization a1gorithm is used to mitigate the effect of asynchronous signa1s. First1y，the transmitter sends data which has been Processed by rePetition coding and orthogona1 Pre-coding matrix.Then，the receiver estimates and comPensates the frequency and time offset for the cooPerative signa1s which been seParated by a Particu1ar accePting matrix.Simu1ation resu1ts demonstrate that this method can effective1y so1ve the Prob1em of asynchronous transmission and imProve the Performance of co11aborative transmission systems.

C-RAN；CoMP；orthogona1 Pre-coding；synchronization a1gorithm

The Nationa1 Science and Techno1ogy Major Project(2014ZX03003004-003)

TN911.22

A

1001-893X(2016)03-0241-05

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.03.002

2015-10-13;

2015-12-04 Received date:2015-10-13;Revised date:2015-12-04

国家科技重大专项(2014ZX03003004-003)

**通信作者:wowisgreat@163.com Corresponding author:wowisgreat@163.com