多小区协同

3.2课题主要研究技术的国内外发展现状与趋势，课题主要研究技术国内外专利申请和授权情况一、课题主要研究技术的国内外发展现状与趋势下一代移动通信系统需要更大的系统带宽，以支持更大的传输速率和系统容量（下行链路达100Mbps，热点区域达到1Gbps），如此高的系统带宽对多小区间的频率复用效率提出了更高的要求，而全频率复用是满足上述需求的有力技术，但是在全频率复用环境下，小区间的干扰会严重影响通信系统的传输速率和用户的服务质量。由于在下一代移动通信系统中普遍采用OFDMA、SC-FDMA等多址接入技术，确保小区内用户之间的正交性，有效地抑制了小区内干扰。小区间干扰就成了未来移动通信系统中的主要干扰源，目前小区间的干扰抑制技术主要分为四类：干扰随机化、干扰消除、干扰协调和宏分集。干扰随机化技术不能降低干扰的能量，但能将干扰随机化为“白噪声”，从而抑制小区间干扰的危害，因此又称为“干扰白化”。干扰随机化的方法包括：加扰、交织多址(IDMA)和跳频等。干扰消除技术是通过在用户端利用处理增益来进行干扰压制的一类技术，干扰消除技术复杂度高、应用条件严格，而且只能消除一些强干扰源，而实际系统中干扰主要是由很多小的干扰叠加在一起产生的，因此这项技术在实际应用中效果有限。干扰协调技术是通过在小区间合理分配资源，尽量使相邻小区间所用资源正交，从而减少小区间的干扰[1-8]。当前的干扰协调技术研究主要是通过对频谱资源的协调减少干扰，根据资源分配方法的不同,小区间干扰协调技术可分为静态协调、半静态协调和全动态协调三种。静态干扰协调主要包括Ericsson和华为的方案[1,2]，阿尔卡特方案[3,9]等。Ericsson和华为的方案简单明了，信令开销小，效果较好，所以通常作为其他方案的基础。阿尔卡特方案的核心是对小区边缘进行了细分，这使得在确保小区间干扰减少的前提下，小区边缘可用频率大为提高(从l/3提高到6/7)，但由此也带来了对用户位置判定较为敏感的缺点。半静态干扰协调包括Siemens方案[4]，TexasInstruments方案[7]等。Siemens方案的优点是比较灵活，对负载变化不敏感。缺点则是频谱利用率不高；TexasInstruments方案的优点是小区边缘的用户吞吐量大，缺点主要是对小区间信令通信依赖较大，需产生额外的信令开销。动态干扰协调包括Nortel方案[10]、Lucent公司干扰抑制方案[11]等。动态干扰协调方法可以很好地适应系统内负载的变化。缺点是由于子载波的分割需要在整个系统内进行，不能在某一个小区单独调整，这就需要额外的信令开销，过多的信令开销将导致系统效率的严重降低，对系统性能的提高甚至起负作用，同时每个传输时间间隔内进行子载波的分割也将增大系统的传输时延。然而上述干扰协调技术本质上还是一种分数频率复用技术，其频谱效率仍然不是很高。在宏分集技术方面西安交大的朱世华教授提出了一种多小区部分宏分集功率控制算法，该算法能有效提高小区边缘地带的容量[12]。清华大学的姚彦教授详细分析了宏分集对于CDMA系统容量的影响[13]。此外北邮的陶小峰、张平、李道本教授提出了一种软分数频率复用方案以进一步提高多小区的频率复用效率[14-15]，并进而提出了一种支持宏分集策略的软分数频率复用方法用于多小区间的干扰协调，通过OFDM环境下的仿真证明其具有一定的优势[16]。而本课题拟研究MIMO环境下，通过跨小区用户调度和宏分集技术在全频率复用条件下实现多小区动态干扰协调。除了上述干扰抑制技术外，当前还有两个主要技术也是下一代移动通信系统的重要基础，本课题将结合以下两个技术提出满足下一代移动通信网络多用户、多小区间干扰协调的解决方案。第一个是近十年来得到充分发展的多输入多输出(MIMO)通信技术[17,18]。它是利用空间资源实现高速率链路传输的一种有效方式，能够在不增加额外频谱和功率的情况下显著增加通信系统的传输速率和可靠性，被公认为是下一代移动通信中的关键技术之一。点到点的多天线传输（MIMO）技术的研究已日趋成熟，它通过获得空间复用增益、分集增益和阵列增益，可以有效地提高频谱有效性、链路可靠性和功率有效性。针对多用户的MIMO通信技术，近几年也有较大的发展，但还不是太成熟，在蜂窝网的框架下简单地通过频分、时分和码分的多址技术将点到点的MIMO通信技术扩展为多用户MIMO通信，并没有充分利用空间资源提高频谱利用率，甚至因多用户间不能协作接收或发射并相互干扰而降低频谱效率。近期发展的MIMO多用户分集技术可较好地改善其性能，但能显著提高其容量的还是有效实现空分多址(SDMA)的多用户MIMO通信技术[18]，而对此只有针对较少发射天线数的简单实现方案，如基于信道信息(CSI)反馈的多用户MIMO预编码[19,20]和基于有限反馈的随机多波束形成[21-24]等，如何进一步提高其干扰抑制效果，这方面的研究还有较多问题要解决。另一个研究进展是协作通信，即通过在传统的蜂窝网中引入基站之间的协作处理来提高系统的频谱利用率以及网络覆盖面。在实际的蜂窝系统中，由于多个用户之间的资源共享以及相邻蜂窝小区之间的频率资源共享，用户通信会受到小区间的干扰，甚至出现一些“死区”。这类小区间干扰问题在多天线MIMO通信系统中尤为重要，因为虽然理论研究表明独立衰落的MIMO信道容量是随收发端较小天线数成倍线性增长，但在实际系统中MIMO技术会由于干扰的原因而极大地限制其性能增益。为了在保证资源共享的同时有效降低小区间干扰，有关学者提出了多基站协作或者分布式基站的解决方法。本课题拟研究的是在MIMO环境下，小区间全频率复用条件下多用户、多小区动态干扰协调问题在网络协议架构和各协议层的解决方案及其关键技术，其中所涉及的多用户MIMO通信技术以及各个层次的干扰协调技术在国内外都有一些分散的局部研究，因此下面按如下标题逐个地介绍它们的国内外研究现状，并对存在的问题和技术难题进行简要的分析。1、多用户、多小区协同通信传输技术研究现状MIMO的提出被认为是通信理论发展史上具有里程碑意义的技术，信息论的推导与相关实验结果都表明[25-26]：通过在收发端都引入多天线，系统可在不额外增加功率和带宽的前提下实现频谱效率随天线数的线性增长。而不久后的另一个理论结果则给业界带来了更大的信心与热情：对于点对多点链路（或信息论上的广播信道），Viswanath、Jindal、Weingarten等人的工作表明上述点对点链路下的线性增长规律仍然是有效的，即系统的总速率会随基站天线数和移动台天线总数的较小者线性增长[27-29]。值得注意的是，上述关于MIMO下行链路的结论是在没有考虑小区间干扰的前提下得到的，如果小区间采用全频率复用，则小区间的干扰将使得MIMO系统性能大幅下降。在传统的蜂窝组网中，为了减少小区间干扰，大多采用分数频率复用（常用的复用因子有1/7,1/3等），但从更为积极利用频谱的角度看，采用全复用显然更具吸引力。全复用系统需要解决的问题主要是如何减小因小区间干扰而带来的传输性能恶化问题，尤其对于小区边缘用户。目前已有的商用宽带系统中一般是利用系统固有或人为创造的“干扰平均效应”（即干扰信号的随机性减弱有利于提高接收机的信干噪比）来使干扰问题得到部分缓解（如基于CDMA的IS-95系统和基于跳频OFDMA的Flash-OFDM系统等）。从更为积极对抗干扰的角度看，还可以采用更为先进的信号处理技术如多用户检测来减小干扰带来的影响（如Dai&Poor[30]的工作中讨论过的成组MMSE检测、成组串行干扰抵消检测等），但这样处理的一个最大问题便是对接收机（移动终端）的处理复杂度以及对信道状态信息的质量要求都非常高，而且其性能改善主要是体现于接收端拥有多根天线的情形，在接收端为单根天线时其增益甚微。为了更为有效地对抗干扰，最为彻底而根本的办法是“化敌为友”—即将干扰视作有用信号进行处理，这个目标可以通过在基站间引入协作来实现：在理想情况下，多个分散的基站阵列可被看成为一个更大的天线阵列，而中心基站（或调度站）则负责相关小区内所有用户信号的发射与接收（即可以建模为MIMO广播信道与MAC信道）。关于基站间协作的想法尽管在1994年Wyner的一篇文章中[26]就有提及，但真正引起关注与研究热情则还是近几年的事情，其主要促进因素有二：一是关于MIMO广播信道的信息论研究取得了几项非常重要且令人鼓舞的理论成果[27-29]，其中以Weingarten等人于2004年确定MIMO高斯广播信道容量区的工作为代表[29]；另外的原因则是对于高传输速率与高频谱效率的追求在近些年有逐渐增强之势，文献[32-33]对MIMO广播系统中基于TDMA、ZF预编码和DPC预编码三种不同传输策略进行了深入研究，提出了一种实现复杂度较低的基于信道误差模型的TDMA和迫零预编码的自适应传输方法。关于基站间协作的研究，比较有代表性的工作主要有：Somekh、Shamai等人基于Wyner模型对单天线基站协作系统进行了高斯及衰落信道下的上行与下行总速率分析[34]，并侧重比较了TDMA与宽带接入（即类似于CDMA的非正交多址）之间、单小区处理与多小区处理之间的性能差异；Aktas、Hanly等人[35]基于一般对称模型分析了多天线基站协作系统的上行链路（即宏分集）总速率，并发现了与单基站MIMO系统上行信道类似的“资源共享”（resourcepooling）现象；另外Jing、Tse[36]等人考虑简化的Wyner模型，分析了在DPC（污纸编码）策略、ZF策略以及同相传输等几种协作发射方案下各自的下行链路总速率，另外还给出了存在小区边缘与小区内部两类用户时的速率区结果。除了上述基于信号处理的合作，Gesbert等人基于减小实现复杂度的考虑提出了基于资源分配的协作[37]，即各个基站根据信道状态信息进行用户调度与功率控制，这样通过控制各被调度用户的SINR来实现目标函数（如系统总速率）的优化。在上述关于小区间协作通信的研究中，已有的工作或假设基站为单天线，或假设基站虽有多天线但采取正交多址方式（即在每个小区中仅支持一个用户）。对于前者，基站采用多天线我们以为将是大势所趋，而对于后者，从系统自由度（或复用增益）的角度看，采用非正交多址应当更为高效[38-41]。因此，我们感兴趣的问题是：在基站多天线、小区内非正交多址（或广义的SDMA）情形下小区协作的极限性能（主要是系统总速率的近似公式以及其关于关键参数的缩放规律）将会如何以及怎样设计其次优策略。其次是以往文献中考虑较少的小区间协作通信在实际应用中的两个问题：一是信道时变性的影响在多小区协作情形下比单小区情形要严重很多，因此最优协作策略的选择与信道时变程度是有着很大关系的；二是由于多基站与多用户的分布特性，实现时域的同步将变得异常困难（具体将在下一部分的研究内容中予以论述），因此评估信号异步所带来的性能下降影响并努力减小之具有十分重要的意义。2、多用户、多小区网络协调技术研究现状本课题中所研究的干扰协调技术主要是通过对跨小区用户进行协调，再利用宏分集接收技术减少小区间的干扰，提高小区边缘用户的QoS。这其中的用户调度技术和流量负载控制技术在国内外已有大量的研究成果，而以协同思想为基础的多用户、多小区改进方案近些年已经受到国外内专家学者的广泛关注。下面就来介绍其国内外研究现状。在移动通信系统中，传统的多用户调度方法主要有轮询调度，最大载干比调度，比例公平调度。其中轮询调度是指基站以相等的时间间隔来调度每个用户,每个用户占有资源的公平性满足概率最优。但是,由于没有考虑到不同用户之间信道链路状况的不同,该算法只带来机会公平,没有保证用户间的容量公平,造成系统带宽的浪费[42]。最大载干比调度是指基站在进行资源分配时,根据不同用户在某个时刻的信道状态,每次都把资源分配给信道条件最好的用户传输。该算法的优点是使系统吞吐量接近理论的最大值。但是,由于该算法无法为信道条件差的用户(比如边缘用户)分配资源,造成该类用户无法发送数据,最终导致信道条件相对恶劣的用户“