基于空间分集增益的分布式快速空频编码算法

常本超++王丹++杨新锋

摘 要： 针对多点协作（CoMP）无线通信系统的下行传输问题，提出一种分布式快速空频编码（DF?SFC）的方案。通过将小区边缘用户分组和分享相邻小区间的子载波获得空间分集增益，有效缓解了载波间干扰（ICI），基于此设计分布式解码器，将用户的解码复杂度降低到相同的非分布式空频编码最佳解码器的50%。通过将所提方案与Alamouti多点协作和非多点协作方案做比较，对用户与其基站之间相对距离对比研究了可实现的传输速率，并且推断出它的性能上限和下限，用于确立小区边缘用户的阈值，实现在提出的多点协作和非多点协作模式之间切换，以提高整体性能。仿真结果表明，在服务小区边缘用户方面提出的方案均优于Alamouti多点协作和非多点协作方案。

关键词： 协作多点传输； 载波间干扰； 空频编码； 子载波分配

中图分类号： TN919.3+1?34； TP391 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）23?0029?05

Distributed fast space?frequency encoding algorithm based on space diversity gain

CHANG Benchao1， WANG Dan2， YANG Xinfeng3， 4

（1. Information Management Center， Huanghe Jiaotong University， Jiaozuo 454950， China；

2. Department of Information Engineering， Huanghe Jiaotong University， Jiaozuo 454950， China；

3. School of Computer Science and Technology， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China；

4. College of Computer and Information Engineering， Nanyang Institute of Technology， Nanyang 473004， China）

Abstract： Aiming at the downlink transmission problem of the coordinated multi?point （CoMP） wireless communication system， a distributed fast space?frequency coding （DF?SFC） scheme is presented. The cell?edge users are grouped and the sub?carriers among neighbor cells are shared to obtain the space subset gain， so as to alleviate the inter?carrier interference （ICI）. In distributed decoder design based on above step， the user decoding complexity is reduced by 50% of the same non?distributed space?frequency coding optimal decoder. The proposed scheme is compared with Alamouti multipoint cooperation and non?multipoint cooperation schemes. The achievable transmission rate of the relative distance among the user and its base station is studied. The performance upper and lower limits are inferred to determine the threshold of the cell edge users， realize the switching between the proposed multipoint cooperation mode and non?multipoint cooperation mode， and improve the overall performance. The simulation results show that the proposed scheme is superior to the Alamouti multipoint cooperation and non?multipoint coo?peration schemes in service for the cell edge users.

Keywords： coordinated multi?point transmission； inter?carrier interference； space?frequency coding； subcarrier allocation

0 引 言

多点协作（Coordinated Multi?Point，CoMP）的传输可通过减少小区间干扰（特别是边缘用户）提高覆盖率和数据率[1]。基站之间的CoMP协调策略大致分类为CoMP联合处理（CoMP?JP）和CoMP协调调度（CoMP?CB）两类，前者的用户数据在协同操作的基站之间共享，而后者的每个基站试图独立地最小化与其他小区的ICI（Inter Carrier Interference，载波间干扰）[2]。假设对回程容量没有限制，那么CoMP?JP的效率比CoMP?CB的效率更高。

现在已经出现了多种方法用来减少CoMP系统中的ICI。例如，参考文献[3]基于用户终端到基站的反馈信息，提出分布式功率分配方案。参考文献[4]使用一个简单的预编码本来量化预编码信息和次优功率分配策略，该策略中的基站不需要额外的信息。文献[3]提出了一种新的方法，通过预编码的分布式空时分组码来提高性能。阔永红等针对CoMP系统资源分配问题，提出了一种子载波分配方法[5]，有效增加空间分集，提高了系统传输效率。

然而，考虑到在这些作品中需要反馈开销，CoMP联合处理可能并不总是优于非CoMP[6]。并且已有的文献中提出的几种模式切换方法，都是基于用户的位置来选择传输模式[7?8]。

虽然大部分涉及多点协作的文献都运用时空编码（STC）或空频编码（SFC）[9]，但是缓解ICI主要是通过使用闭环分布式预编码或分配功率来实现而不是设计代码。另一方面， 时空编码或者空频编码也可用于开环的方式中，从而有效地降低反馈开销，因为它们并不需要用户终端的信道状态信息。

本文对文献[10]提出的快速码空频编码（Distributed Fast Space?frequency Coding，DF?SFC）进行了修改，将解码符号进行分组，由此得出新的分布式快速码空频编码方案，从而适用于CoMP模式，不但可以缓解ICI，还可以通过分组边缘用户终端和分享相邻小区间的子载波获得空间分集。由此消除了在边缘用户终端之间的ICI，从而维持了频率复用因子和高速传输。由于提出的分布式DF?SFC不是正交的，所以相比其他编码的解码复杂度更高。因此提出了一种分布式译码器，它可以将边缘用户的译码复杂度降低到相同的非分布式SFC最佳译码器的50%。对应用户与其基站之间相对距离，对比研究了可实现的传输速率（b/s/Hz），并且推断出它的性能上限和下限。结果表明， 在服务边缘用户方面，提出的方案均优于AlamoutiCoMP和非CoMP方案。推断出的性能界限用于确立小区边缘用户的阈值，实现在提出的CoMP和非CoMP模式之间切换，以提高整体的性能。

1 系统模型

在CoMP无线通信系统中，边缘用户终端均匀地分布在小区之间。为了实现高频谱效率，假定相邻小区在它们自己的小区中可以使用相同的子载波联系边缘用户终端，那么可能会出现ICI。在[ith]小区中的[jth]用户被称为边缘用户，如果利率[ρ=di，jDi]大于阈值[ρth，]其中[Di]表示相应的小区大小；[di，j]表示用户到其基站的距离。如果不是边缘用户的话，那么用户被称为以小区为中心的用户。

本文考虑到下行的两种通信模式：非CoMP模式中以小区为中心的用户从其相应的基站接收数据；CoMP模式中边缘用户可以通过两个应用提出的分布式DF?SFC方案的基站获得服务。注意，在非CoMP模式中， 由于相邻的小区使用相同的子载波，因此用户终端可能会出现小区间干扰（ICI）。同时，在CoMP模式中，以小区为中心的用户终端只能从其相应的基站获得服务。传送到边缘用户终端和以小区为中心的用户终端的数据处在不同的频率中，因此可以假设其同时存在时，以小区为中心的用户终端和边缘用户终端之间没有干扰。在CoMP模式中被一个以上基站服务的用户数量取决于阈值[ρth，]可以选择阈值以提高整体性能。

在两种模式下， 假定有一个2×2 MIMO系统，对于非CoMP模式而言，两根传输天线位于同一个基站上，而且出现了ICI，而对于CoMP模式而言，每根传输天线位于一个基站上，ICI被消除（后续将对此作出解释）。图1和图2体现了CoMP模式和非CoMP模式中的用户终端。

用户终端通过使用分布式DF?SFC被组合在一起）

基站通过IFFT 模块传输数据，并且使用相应的模式进行传播。在[ith]小区中的[jth]用户与[i′th]小区相邻，在频率范围内接收到的信号可以表示成：

4 结 论

本文提出DF?SFC方案适用于CoMP模式。在提出的方案中，边缘用户终端在相邻的小区中组合在一起。通过共享子载波获得空间分集增益。模拟结果表明，提出的分布式DF?SFC方案优于边缘用户终端所用的Alamouti多点协作方案。对提出方案的传输速率进行研究，速率达到了上下限。通过模拟表明，提出的方案比非CoMP方案和Alamouti多点协作方案能提供更高的传输速率。传输速率曲线用于查找到基站的距离阈值，实现在模式切换场景中确认用户是否为边缘用户。

参考文献

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