LTE系统中的分布式空时中继技术

摘要:中继技术作为LTE-Advanced系统的关键候选技术可为小区带来更大的覆盖范围和系统容量。分布式空时中继技术不仅可以充分利用中继技术带来的空间分集，又可以引入部分编码增益，是中继技术中最直接的应用技术。比较目前提出的分布式空时中继方案，得出基于解调-转发方式的空时中继编码方案最适合LTE-Advanced系统的方案。同时，针对解调-转发方式中存在的错误传递问题，提出基于门限的选择性空时中继方案，该方案以很小的系统复杂度换取了优异的性能增益。

关键字:长期演进；中继技术；分布式空时编码；解调转发

英文摘要:Relay is considered as one of the candidate key technologies for LTE-advanced system because it may enlarge cell coverage and enhance system capacity. Distributed Space-Time Coding (DSTC) not only exploits the spatial diversity from the relay structure, but also introduces partial coding gains. According to the performances of existing DSTC schemes, the Demodulate-and-Forward (DMF) scheme is the best candidate for DSTC in LTE-Advanced system. Moreover, a threshold-based selective relaying scheme for DSTC is proposed to solve the error propagation of DMF. This scheme can achieve excellent performance gains with very low system complexity.

英文关键字:LTE; relay technology; distributed space-time coding; demodulate-and-forward

基金项目：国家重点基础研究发展规划("973"计划)课题(2007CB310602)

基于通信产业对"移动通信宽带化"的认识和应对"宽带接入移动化"挑战的需要，3GPP开始了"长期演进(LTE)"的进程[1]。LTE技术将实现一个高数据率、低延迟、分组业务优化的系统，为未来宽带无线业务提供有力的传输手段，满足任何时间、任何地点用户对IP多媒体数据业务的需求。LTE-Advanced系统是LTE的平滑演进，对LTE具有很强的兼容性。LTE-Advanced支持下行峰值速率1 Gbit/s和上行峰值速率500 Mbit/s的要求，同时强调降低终端/网络的成本和功耗等需求[2]。根据现有的频谱分配方案，获得此容量的大宽带频谱在较高频段，而该频段路损和穿透损都较大，很难实现好的覆盖。中继技术作为LTE-Advanced系统的关键技术可以很好地解决这一问题，它为小区带来更大的覆盖范围和系统容量[3]。中继节点(RN)的复杂度远低于基站(eNB)，体积小，重量轻，易于选址，降低了运营商的成本和功耗。因此如何合理有效地利用中继进行数据传输成为当前的研究热点[4]。

1 中继分类

按照中继对接收信号的处理方式，可以把中继分为3类：放大-转发方式(AF)，解码-转发方式(DF)[5]和解调-转发方式(DMF)[6]。假设基站发送的信号S，中继接收的信号yr，基站到中继的信道响应hs r，中继接收端噪声n，中继节点信号Sr，因此：

AF只是简单的放大信号yr ，将接收信号不经任何处理直接放大发送出去，也就是：

这种方法的优点是处理算法简单、延时小，缺点是放大有用信号的同时也放大了噪声信号，降低了用户端接收性能。

DF具有很高的处理复杂度，发射端对发送的数据块用纠错码进行保护，中继在接收到整个数据块后进行解码，如果得到正确的数据信息(CRC校验)，中继重新编码发送出去，否则中继关闭。

这种方式的优点是完全去掉了信道和噪声的影响，缺点是中继解码和编码的复杂度较高，转发的延迟大。在信道条件较差的情况下，DF方式会引起中继大量数据包丢弃，从而引起链路中断或者数据重传。

DMF是中继站采用最大似然解调接收信号，再转发出去，也就是说：

由于基站到各中继的信道条件不同，各中继解调输出符号的置信度不同，为了提高系统性能，可以给各中继的解调输出不同的加权。加权系数与信道条件相关，信道条件越好，解调输出符号的置信度越高，则加权系数越大；反之，则加权系数越小。这种考虑中继解调置信度的转发方式，称之为加权解调-转发(WDMF)。

WDMF与AF比较降低了噪声的影响，相比于DF复杂度和转发延时大大降低。WDMF实现了中继复杂度和性能的较好折中，其性能曲线将在文章后面的仿真部分给出。

LTE标准中按照中继处理数据在协议中的位置，RN可以分为层一中继、层二中继和层三中继[7]。AF和WDMF可在以上3种RN中工作，即只关注物理层功能。而DF要涉及到少量MAC层功能，如数据分块、CRC校验，所以只能在层二和层三中继上工作。以下我们讨论的仅是物理层的技术，因此对RN的协议栈没有限制，也就是说以下的结论适用于所有的RN。

2 分布式空时码

利用地理上分离天线的特性，分布式节点可以极大地提高空间复用性能(由于较好的信道条件)和分集性能(由于强衰落的非相关性)。根据协作的方式，分布式空时中继系统可分为两类，用户协作和中继协作。

用户协作就是用户终端(UE)之间共享资源互相帮助传输数据。如图1、图2所示，在前两个时隙UE1和UE2分别发送各自数据，由于无线信道的广播特性UE1和UE2也分别接收到对方的数据，在下一个时隙UE1和UE2同时发送空时码字。用户协作的缺点是增加了用户的处理负担和能量消耗，例如数据解调、用户同步等。用户公平性、数据安全和兼容性等一系列问题都仍需进一步研究。

中继协作，即多个中继站协作为用户提供数据转发服务。中继协作避免了用户协作带来的数据安全问题，而且RN之间的同步在eNB的控制下容易实现，不会增加用户的处理负担。同时在RN中可以实现功率分配、中继选择和用户管理等能够提高系统容量的功能[8]。最简单的功率分配方案是发射端的发射功率与中继的总发送功率相等而各RN之间发射功率均匀分配。这种方案虽不是最优的，但最易实现。图3、图4是一个中继协作采用分布式空时编码的例子，在上行传输中，UE在第一个时隙将数据发送到RN1和RN2，第2、3时隙中继采用分布式空时码发送数据到eNB。

作者：卫国　张超　王磊   来源：中兴通讯技术——2010年 第1期　总第89期