【摘要】文章提出了一类基于分布式多天线的多基站协作传输方案，主要分析了该类方案在小区边缘用户链路可靠性方面的性能。仿真表明，该类方案不仅可以显著提高链路可靠性，在保持甚至提高吞吐量的情况下也可以提供优异的性能，未来将有很好的应用前景。
【关键词】协作MIMO 分布式MIMO 多基站协作传输 链路可靠性
1引言
无线通信技术在不断地沿着提高频谱效率和链路可靠性的方向进步。多输入多输出（MIMO，Multiple-Input Multiple-Output）系统能显著提高通信质量，在不增加带宽和功率等开销的情况下获得更高的链路可靠性，从而提高频谱利用率。MIMO系统是在发射端和接收端采用多根天线，在收发两端建立多个传输通道，同时进行数据传输，从而显著提高系统容量。MIMO技术可分为分集和复用两种，如分集技术中的空时块编码（STBC，Space-Time Block Codes）[ ]和复用技术中的分层空时码（BLAST，Bell Layer Antenna Space-Time Codes）[ ]。
然而，传输通道在实际中往往不是独立而是相关的，相关信道下STBC和BLAST的性能都会下降。不过STBC抗信道相关的能力强于后者，BLAST复用技术则能带来码率的成倍增加，所以如何将二者优点相结合也就成了研究热点。分布式多天线（D-MIMO，Distributed Multiple-Input Multiple-Output）[ ]由此而被提了出来，研究发现，分布式MIMO通过对蜂窝系统信道和空间相关特性的充分挖掘利用而体现了优异的性能，代表了技术的应用方向。
与此同时，传统的多小区多用户系统是一个干扰受限的系统，而且边缘用户由于距中心基站较远而离干扰小区较近，其链路可靠性不强，单纯的采取抗干扰技术不能从根本上解决该问题。为此，最新的标准化工作LTE Advanced和IMT Advanced中都将协作多天线（Co-MIMO，Cooperative Multiple-Input Multiple-Output）作为提高小区边缘用户链路可靠性的解决方案之一。
协作MIMO通过小区间基站的协作来达到分布式MIMO的目的，并通过将原本是相邻小区的干扰转变为有用信息，从理论上突破了单点非协作系统的干扰受限容量，实现了链路可靠性和码率的增加。多基站协作技术，是基于尽可能利用每个基站每个天线发送有用信号的思想，通过多基站对链路信道状态信息（CSI，Channel-State Information）和用户数据信息的不同程度共享，实现多基站协作传输模式，本质上突破了单点传输对频谱效率的限制。较之传统的干扰抵消技术，多基站协作技术被认为是降低小区间干扰、提升小区边缘吞吐量和网络系统吞吐量更本质更有效的技术。
基站间的高速可靠连接由于蜂窝移动通信系统中基站的位置固定不动而成为可能，多个基站可以共享与移动用户间的CSI，多基站的后台中央处理器根据一组CSI在基站间优化分配用户数据流，然后经由多个基站共同发送。因此，下行多基站协作传输在实际系统中是可行的。本文给出了一类下行多基站协作传输方案，而上行链路中由于用户端到基站实际实现难度很大，这里不予分析。
2系统模型及协作方案
2.1 系统模型
图1是基于D-MIMO的多基站协作传输系统的系统模型。之前的一些研究中D-MIMO系统模型没有中央调度器这一模块，也就是说各个基站发送到用户端的信息在内容上是独立的，没有直接关系。
图1蜂窝多基站协作传输系统
在该模型中，每3个基站对应一个协作区域，该区域内的用户由这3个基站通过协作共同收发信息，协作通过中央调度器的总体统筹来实现。协作区域就是通常的小区边缘、交界区域（如现有蜂窝移动通信系统中的切换区域），由于距基站较远且干扰较多的原因信道质量很差。通过协作处理可以将目前小区间的干扰转变成对用户有用的信息，从而提高链路可靠性。
图2是蜂窝多基站协作传输流程图，发送给用户的数据通过中央调度器来分配到各个基站。调度器对于信息数据的分配方案是按照各个基站反馈回来的基站与用户间的信道信息来决定的。
图2蜂窝多基站协作传输流程图
这里认为由用户端反馈回来的信道信息是完整、可靠的。D-MIMO仅是利用了分布式多天线基站间天线的相关性很低这个特性，而引入协作的概念之后，不同基站的天线所发的信息将是相互关联的，彼此间存在着某种校验的关系，这就可以有效地抵抗衰落，增加链路鲁棒性。
假设每个基站有Nt个发射天线，用户有Nr个接收天线，基站与用户间的信道为平坦瑞利衰落信道。如果信号经历多径频率选择性信道，则可以先通过正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术转变为单个频点上的单径衰落后再应用该多基站协作技术。基站到用户的信道被认为是独立的，而且认为接收端通过信道估计可以完全得知信道情况。
不考虑信道相关性时系统传输模型表示为：
Y=HS+N （1）
其中， ，为信道矩阵；S为调制信号；N为复高斯白噪声，且满足均值为零、 。hij为接收天线i到发射天线j的信道传输系数，也就是两根天线间的小尺度衰落系数，这里假设STBC码块中一次传输两个符号期间内hij是不变的。
实际的无线传输系统中，由于收发天线的物理参数、天线之间的距离等，天线之间并不是互相独立的，而是存在着相关性，信道的相关性将会导致链路质量下降[ ]。此时（1）式中的H修改如下：
（2）
其中RTx和RRx为发射天线间和接收天线间的相关系数矩阵。天线间的相关性跟天线间的距离d和载波波长λ都有关系。天线i和j的相关系数通过第一类零阶贝塞尔函数得到：
（3）
当d/λ的值分别为0.25、1、4时，相关系数分别为0.47、0.22和0.11，相关系数越大，系统性能损失越严重[4]。分布式多天线系统中，基站间彼此相隔很远，d是数公里甚至数十公里，而λ却是厘米级，因此不同基站的天线间的相关性可以忽略不计。比如当d和λ的取值分别为10公里和10厘米时，相关系数仅为7.1176×10-4。
当RTx和RRx为单位阵时，H就是平坦独立的信道矩阵。Hw相当于信道不相关时的信道矩阵，其元素服从复高斯独立同分布，均值为0，方差为 。H的本征值由相关矩阵决定，如果H的相关性高，信道就是病态的。如果发射端相关，接收端不相关，则信道的列之间是相关的；而如果接收端相关，发射端不相关，则信道的行是相关的。
文献[4]对于STBC和BLAST算法在空间相关信道下的性能做了对比分析，STBC码抗相关性的能力比较强，但没有复用增益，而BLAST则性能损失很大。于是在D-MIMO系统中提出了组内采用STBC编码、组间采用BLAST编码的方案。
本文中基站采用2发的STBC方案，共有3个协作基站，等价于发射端6根天线，用户接收采用4根天线接收。编码方案为：
则信道组合矩阵可以改写为：
S=[s1s2s3s4s5s6]H
Y=[y1y2y3y4]H
则（1）式改写为
（4）
经典的BLAST接收算法有迫零（ZF，Zero Forcing）算法和最小均方误差（MMSE，Minimum Mean Square Error）算法[ ]，前者复杂度较低而后者性能较好，本文仿真采用MMSE算法。对于接收到的信号Y，判决信号 为
（5）
其中
G=HH(HHH+δ2INr)（6）
2.2 协作方案
在多基站协作传输中，各个基站到用户端的信道质量各不相同，中央调度器对各信道分配的信号是与各信道质量相匹配的。可以将三个基站到用户端的信道分为最优信道、次优信道和最差信道。对于最优信道分配最重要的数据，最差信道用来发送优先级或意义最低的数据，次优信道则居中。信道的好坏通过平均接收信噪比来确定，平均接收信噪比定义为：
其中H为信道矩阵，L为编码块符号长度，δ2为高斯白噪声方差。
在充分考虑实现复杂度和性能提升后，这里提出两种性能各异的协作方案——Co-MIMO-1、Co-MIMO-2。在D-MIMO中，各基站发送的符号相互独立；在Co-MIMO-1中，两个基站发送独立信息，另外一个基站发送前两个基站发送信息的校验信息；在Co-MIMO-2中，一个基站发送独立信息，另外两个基站发送副本及校验信息。D-MIMO在此作为分布式MIMO，是比较基准，以显示协作MIMO的链路可靠性的性能增益。较之Co-MIMO-1，Co-MIMO-2牺牲更大的带宽去换取误码率的提升。
下面给出一类具体的实现方案（此时信道编码采用码率为1/2的Turbo码），如表1所示。表中的Xi是信息比特块，Pi1和Pi2分别为Xi的Turbo码校验比特块和删余比特块。
表1三种多基站传输的方案
方案最优信道次优信道最差信道
3仿真结果
图3为各协作方案在不同调制方式下的仿真性能图。由图3可以看出，在各方案调制方式一致的情况下，协作方案Co-MIMO-1和Co-MIMO-2较D-MIMO均能显著提高链路可靠性，在低信噪比时实现BER的迅速下降。在性能的提升方面，Co-MIMO-2比Co-MIMO-1更好，只不过这种性能的提升是以频谱效率的牺牲为代价的。实际应用中可以基于应用需求来选择协作方案。
图4为各协作方案在频谱效率一致的情况下的性能仿真图。其中，D-MIMO、Co-MIMO-1、Co-MIMO-2的调制方式分别为QPSK、8PSK和64QAM，此时对应的频谱效率均为6bit/s/Hz。
图4数据速率一致时各方案性能
从图4可以看出，此时Co-MIMO-1性能最好，D-MIMO居中，Co-MIMO-2性能最差。在保证各个方案的码率一定的情况下，方案Co-MIMO-1较D-MIMO能显著提高链路可靠性，有着优异的性能。
这正好符合设计的思路，即在保持甚至提高吞吐量的情况下提高边缘小区用户的性能，使得基于分布式多天线的多基站协作传输在未来的移动通信中能有很好的应用前景。
此外，在多基站协作传输系统中引入中继，复杂的蜂窝网络就可以应用网络编码技术进一步提高系统性能，这也是我们今后研究协作多天线的方向。