多用户预编码技术在中继系统中的应用

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1、研 究 与 开 发多 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）效 消 除 用 户 间行 与 上 行 链 路 两 个 方 面 分 析道 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

2、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 ，1 引 言处 在 不 利 位 置 （ 如 小 区 边 缘 ） 的 用 户 与 基 站 之 间 的 信* 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （ No. 60802082） , 教 育 部 博 士 学科点 新 教 师 基 金 资 助 项 目 （ No. 200800131023） 作 者 简 介 林 晓 鹏 ， 厦 门 大 学 博 士 研 究 生 ， 讲 师 ， 研 究 方 向为 网 络 资 源 管 理 和 任 务 调 度 、 通

3、信 协 议 等 ； 郭 东 辉 ， 教 授 ， 厦 门 大学 博 士 生 导 师 ， 研 究 方 向 为 人 工 智 能 、 计 算 机 网 络 通 信 、 集 成 电路设 计 自 动 化 等 。Research of Grid Resource Allocation MechanismBased on Bounded Rational GameLin Xiaopeng1，3, Guo Donghui2(1. Department of Physics, Xiamen University, Xiamen 361005, China; 2. Department of Electronic E

4、ngineering, XiamenUniversity, Xiamen 361005, China; 3. Xiamen Ocean Vocational College, Xiamen 361012, China)Abstract A grid resource allocation mechanism based on the best-response dynamics is introduced in this paper, with whichthe grid users study and adjust strategy through repeated game to achi

5、eve stable equilibrium without the completed information of the others. The performance result validate this mechanism is efficient to lead to an optimal grid resource allocation whichmaximums the utility of bounded rational grid user, and revise the defected strategy if the grid user take some inac

6、curate action.Key words grid, resource allocation, bounded rationality, best-response dynamics （收 稿 日 期 ： 2010- 01- 09 ）户摘 要 在 协 同 中 继 系 统 中 ， 多 个 用 户 采 用 相 同 时 频 资 源 传 输 信 息 时 ， 采 用 预 编 码 技 术 可 以 有干 扰 。 本 文 对 多 用 户 预 编 码 技 术 在 中 继 系 统 中 的 应 用 进 行 了 总 结 ， 从 下了 不 同 网 络 拓 扑 结 构 下 预 编 码 技 术 的 应 用 。关 键

7、词 协 同 中 继 ； 预 编 码 ； 多 用图 1 单 个 基 站 ， 单 个 中 继 站 ， 多 个 用 户 场 景提 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

8、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

9、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

10、 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 。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

11、 （ 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

12、 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

13、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

14、 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

15、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 。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