协同多点传输技术综述

协同多点传输技术综述
摘要
协同多点（CoMP）传输技术是下一代无线通信LTE-A的核心技术之一。

该技术通过多个传输点之间的合作为终端用户提供高性能的数据服务，对于实现系统整体性能的提升和小区边缘用户的服务质量的改善都有着非常重要的意义。

本文首先介绍CoMP技术的实现背景，其次对该技术的主要实现方式和应用场景进行详尽描述，最后通过仿真结果给出CoMP技术的性能特性，并讨论CoMP技术在实际应用中存在的问题。

1.引言
随着无线数据业务的发展，特别是移动互联网、物联网时代的到来，如何提供高速、高质量的无线数据传输服务成为当今移动通信领域的所面临的重要课题。

同时，由于无线频谱资源的有限性，如何提高单位频谱的利用率无疑是解决高速无线数据传输问题的核心所在。

在第三代合作伙伴（3GPP）提出的长期技术演进（LTE）版本8（Release 8）中，通过使用正交频分复用技术和多天线（MIMO）技术使的系统容量大幅提升，并且实现全网基于IP协议的分组交换技术[1-2]。

然而，虽然LTE系统在小区内使用OFDM技术能够有效的避免小区内的同频干扰，但LTE 多采用同频组网，小区边缘用户很容易受到相邻小区的干扰，导致小区边缘用户性能较差[]。

为了进一步满足国际电联（ITU）对第四代无线通信系统的要求，3GPP在2008年3月正式开始了LTE-Advanced的研究项目阶段。

相对于LTE，LTE-A中引进了几项关键技术如载波聚合，增强型多天线，中继技术和协同多点（CoMP）传输技术。

其中，CoMP技术作为改善小区边缘用户服务质量，提升系统整体性能的关键技术引起了业界的广泛关注。

CoMP技术又称为“网络MIMO技术”、“多小区MIMO技术”或“多小协作技术”[3]。

该技术的核心思想是通过处于不同地理位置的多个传输点之间的合作来避免相邻基站之间的干扰或将干扰转换为对用户有用信号，以合作的方式实现用户性能的改善。

2008年5月的3GPP RAN1-#53次会议上，CoMP作为一项新型技术被正式提出并讨论。

2009年5月到2010年3月间，3GPP LTE-A 将CoMP作为一项核心技术引入到研究阶段（SI）。

3GPP在2011年2月完成了CoMP传输技术的研究项目（Study Item）阶段，正式转入到工作项目（Work Item）阶段。

在RAN1 #63b 会议上，3GPP形成了关于CoMP技术的技术报告TR 36.819，该报告对CoMP技术在作项目阶段的研发具有指导性意义。

CoMP技术的主要实现方式可以分为联合处理技术（Joint Process, JP）和协同调度/协同波束赋型技术（Coordinated scheduling/beamforming, CS/CB）两种。

其中JP技术又可以分为联合传输（Joint Transmission, JT）技术和动态传输点选择（Dynamic Point Selection, DPS）两种。

我们将在第二节详细的介绍这几种传输方式。

CoMP的应用场景可以按照协同区域的不同划分为小区内协同（Intra-sat cooperation）和小区间协同（Inter-sat cooperation）。

也可以按照合作的场景不同划分为同构场景下的协同和异构场景下的协同。

TR 36.819中按照这两种分类给出了四种适合CoMP使用的场景。

这写场景我们将在第三节具体介绍。

CoMP技术涉及到多个基站的合作，必然造成基站之间、基站与用户之间的信息交互。

TR 36.819中规定了了三种用户信道信息反馈类型分别是显式反馈，隐式反馈和参考信号探测反馈（SRS）。

不同的信道信息反馈设计适用于不同的方案，同样也影响下行参考信号的设计。

具体的反馈类型和参考信号设计将在第四节进行介绍。

另外如何选择合适的小区进行协作是CoMP即使实现的一个关键问题。

协同小区的选择可以分为静态选择，半静态选择和动态选择三种。

关于协同小区选择的问题可以参考第四节的内容。

CoMP技术包含的内容非常广泛，除以上提及实现技术和应用场景之外的还包括协同小区的选择，信道信息的反馈，参考信号的设计等众多内容，本文主要针对实现技术与应用场景进行具体介绍，另外由于上行CoMP设计对标准的影响较小，实现技术与下行类似，本文仅针对下行系统进行介绍。

P技术的实现方式
CoMP技术旨在实现不同地理位置的各传输点之间协同传输。

CoMP通过传输点之间的信息交互来避免相互的之间的干扰，提高用户的服务质量和吞吐量。

目前主流的CoMP技术实现方式可以分为两大类JP技术和CS/CB技术。

JP技术和CS/CB技术的实现上都存在两种资源调度方式，集中式资源调度和分布式资源调度。

在集中式资源调度方式中，系统布置一个实际的或虚拟的中心调度控制器集中控制协同小区内的资源。

中心控制器一般通过光纤与多个传输结点进行连接，将信息汇总到中心控制器进行协同调度，这种控制方式减小了传输点之间通过无线接口的数据传输，提升了信息反馈的速率，是目前3GPP中的CoMP资源分配方式中的主流方案。

分布式调度一般采用迭代调度机制，调度在各个传输点中结合其他传输点的信息进行独立资源调度。

这种调度方式增加了系统的灵活性，但是也增加了系统的复杂性和系统性能的不确定性。

因此分布式调度方案的研究主要集中于理论分析领域，当然随着通信技术的飞速发展和分布式系统的广泛使用的到来，有理由相信分布式调度方案由于其自身的灵活性能将更好的应用在CoMP 系统中。

下面介绍CoMP技术的具体实现方式。

2.1JP技术
JP技术称为协同处理技术，其核心思想是协同小区簇中的各个传输点在同一资源块上共享用于某个用户传输的数据，也即用户的数据在多个传输点上可用。

根据用户传输数据是否同时来自于不同的传输结点，JP技术又可以分为联合传输(Joint Transmission ,JT)技术与动态传输点选择(Dynamic Point Select, DPS)两类。

2.1.1 JT传输技术
在JT传输模式下，多个传输点在同一时频资源块上为同一个用户发送数据，它将之前小区间的干扰信号转换为有用信号来明显提升小区边缘用户的性能。

这一技术与CDMA系统中实现软频率切换的宏分集技术类似。

根据接收端对来自多个传输点的信息的组合方式的不同，JT可以分为相干传输和非相干传输两类。

1，非相干传输是一类比较简单的JT传输方式，在非相干传输中，各个传输点采用各自独立的预编码方案，在接收端接收信号实现比特级合并。

非相干JT传输可以获得小区分集增益，提高接收端的接收功率，实现系统简单。

但是与相干JT相比非相干JT无法获得多小区阵列增益。

非相干JT的实现方法有以下三种：
1），单频网（Single Frequency Network, SFN）+预编码方案
每个传输点的预编码矩阵基于传输点到目标用户的信道信息进行独立计算。

协同小区之间传输相同的数据，即预处理模块只是简单的将数据流在多个协作小区间进行拷贝。

接收端对信息进行分集处理。

在两个小区协同的情况下每个小区的预编码增益将获得3db的协同增益，该增益主要来自于功率的双份传输。

单频网方案如下图所示。

2），CDD+预编码
与SFN 传输类似，传输点传输相同数据，其不同处在于协同小区发出的信号是循环延迟的。

以两小区协同为例，如下图2所示，在传输点2子载波K 上的传输数据进行了一定的相位调整，在时域上对应t 时间段的延迟。

同一时刻在小区1上的传输数据没有进行相位调整。

图2 CDD+预编码模式
3），SFBC+预编码 通过SFBC 机制传输的数据将在协同小区之间分割开，预处理模块是一个SFBC 编码模组。

每一个协同小区传输一组由SFBC 编码的的数据流。

为了在接收端正确的解调，UE 需要独立检测多小区信道。

如果UE 专属参考信号被使用，他们应该在各个小区内正交。

也就是说协同小区应该是可以被区分的。

因此在SFBC 中可用传输数据的资源元素是比小延迟CDD 中少的，同时，由于多于两个分支以上的全速率SFBC 编码是不存在的因此SFBC 的应用是受限的。

在使用SFBC 方式时协同小区应该是动态决定的。

例如当协同小区从2个变成3个，使用的协同传输技术应该产生相应的改变。

而在SFN 和CDD
方式中无需变换。

但是SFBC 传输使得不同小区传输的数据不同，因此这种传输方式对于时延误差具有健壮性。

图3 SFBC+预编码方案
2，相干JT传输中网络需要获得所有协同传输点的信道状态信息（CSI），根据这些信道信息调整各个传输信号的相位，这样，到达接收端的各路信号就可以结合在一起。

在相干传输条件下，单小区预编码增益、多小区功率增益、多小区阵列增益和多小区分集增益都可以获得。

相干JT 传输方式是CoMP技术中性能最好，同时也是系统构成最复杂，反馈和交互信息最多，对延迟最敏感的一种传输技术。

相干传输的实现方式主要有以下两种。

1）相位纠正+预编码
与SFN类似，相同的数据由协同小区传输，其不同在于从各个小区传输的数据被乘以了一个相位因子来保证传输信号的相干性。

相位因子可以由用户端直接反馈获取或由网络端根据用户的计算得到。

图4 相位纠正预编码方案
2）全局预编码
与上面四种技术不同，全局预编码方案的计算基于所有协同小区传输点与服务用户之间的信道状态信息。

每一个小区使用预编码矩阵的一部分作为它的预编码，相同的数据从协同小区各自独立的发送。

如下图所示。

全局预编码方案
2.1.2
而在DPS模式下，在某一时刻只有一个传输点为用户发送数据，其他传输点不对该用户进行数据传输，但是发送数据的传输点是随时隙的变换在协同传输点之间进行变换的，系统总是选取对用户最有利的传输点为用户传输数据。

DPS又被称为DCS（Dynamic Cell Select）或TPS(Trans Point Selection )，在3GPP36.819报告中采用了DPS这一缩写形式。

DPS技术来自于HSPA（High Speed Package Access）中的快速小区选择，当一个用户处于多点覆盖，或者处于切换区域时，系统为用户选择信道条件最好的传输点提供数据服务。

传统的DPS分为网络控制DPS和用户控制DPS两种。

在网络控制的DPS中，用户反馈所有传输点的信道状态信息，网络接收到该信息后进行协同调度，为用户选择最佳的传输点。

在用户控
制的DPS中用户反馈的最佳接收传输点的信息，网络按照用户反馈的信息进行分配。

用户控制的DPS模式比较灵活，但是不利于网络端对整体性能的控制。

由于传统DPS传输过程中没有考虑用户之间的干扰，在文献[5]中提出了采用DPS与Muting方式相结合的DPS方案。

在该方案中，用户被区分为中心用户和边缘用户两部分，只有边缘用户进行DPS传输。

当某小区使用DPS为边缘用户进行数据传输时，相邻用户在该资源块上不发送数据，不进行功率分配，即采用muting方式。

这种DPS方式有效的提高了边缘小区的吞吐量，但是由于存在资源块的浪费对于系统整体性能的提升有一定的局限性，针对这一点，文献[6]中给出了一种通过判定用户性能增益的自适应方式的muting方案，该方案在一定程度上提升了系统性能。

在SI阶段DPS没有被给予足够的关注，在同构场景仿真过程中，DPS也没有带来很理想的性能增益。

但是WI阶段的性能仿真发现，在异构场景下DPS能够带来明显的性能增益。

因此文献[7]在总结传统DPS方案的同时给出了基于宏基站muting的DPS异构场景方案。

在这种方案中宏基站根据用户反馈的信息采用动态的muting方式以便于微蜂窝用户的DPS方案的执行。

这种场景很好的提升了异构网络的服务性能。

2.2CS/CB传输技术
CS/CB传输方案是一种有别于JP的协同传输方式，在CS/CB传输技术中只有一个传输点为用户发送数据，主要采用干扰抑制或干扰避免的方式降低服务用户的干扰来提升用户的性能。

CS/CB 的传输方式主要分为两种，一种是最好或最坏预编码矩阵指示（Precoding matrix indicator, PMI）的CS/CB，称为最差最好合作伙伴CS/CB实现方式。

另一种是CS/CB采用协同调度和协同波束赋型相结合的方式，通过多个基站协同资源分配、协同波束赋型相结合的方式实现边缘小区用户的干扰避免，提升系统性能增益。

1，在最差最好合作伙伴CS/CB实现方式中，相应的传输点被限制使用被推荐的最佳伙伴或限制不使用被推荐的最差伙伴。

在这种协作方式中，用户计算服务小区信道特性的同时也需要计算干扰小区的信道性能。

在反馈服务小区PMI时附加反馈相邻干扰小区的对其性能影响最小或最大的PMI值。

服务小区通过交互的方式将信息进行交换，并且避免采用相邻小区所提供的最差PMI或优先使用相邻小区提供的最优PMI。

这种协作方式在实际应用中多采用分布式迭代调度方式，PMI信息按照各个传输点优先级的大小进行传递，优先级高的传输点首先确定小区内资源分配方式，优先级低的小区参考优先级高的小区的信息进行本小区内的资源分配。

2，2，另一种CS/CB方式一般分别进行协作调度和协作波束赋型。

协同调度将调度分为两个阶段，第一个阶段在单小区内进行各个小区的独立调度，一般采用轮询算法、最大载干比算法或比例公平算法，第二个阶段在多个小区内进行调度，根据各个用户的空间信息进行用户配对，降低小区之间用户干扰。

在协同波束赋型过程中针对已经调度完成的多小区用户对进行波束赋型。

所采用的方法一般是基于迫零预编码算法或基于信漏噪比最大化的预编码算法。