LTE系统中的分布式空时中继技术

在蜂窝小区中可能存在多个中继站，考虑如图5所示的蜂窝结构，一个小区中分布了6个RN。图中虚线表示一个RN所控制和管理UE的范围，但是并不表示RN仅和该范围内的UE通信。为了降低RN之间的干扰和整个小区的干扰水平，我们仅考虑一个UE可以和2到4个RN之间可能存在中继的链路。同时，由于空时编码的复杂度与参与RN数量有关，较少的RN可以降低空时编码的设计难度。

合理地设计分布式空时码能够取得满分集增益和较大的编码增益，同时具有非常低的编码和译码复杂度[9]。现有的设计方法包括正交空时码，准正交空时码[10]、随机空时码和线性离散码[11]。定义Sr  1,Sr  2,…,Sr N 分别为各中继的发送符号，分布式空时码[12]就是一种将矢量Sr  1,Sr  2,…,Sr N 映射为码字矩阵的过程，即：

正交设计保证码字生成矩阵的列向量相互正交，它的特点是仅使用线性处理就有各符号相互独立译码，能够获得满分集增益。但是当RN个数大于2时，不存在满速率复正交生成矩阵，RN个数等于2、4和8时仅有实正交阵，因此严重的限制了系统调制方案的选择。

为了设计满速率码，提出了准正交空时码，其生成矩阵的子空间正交。该码能够进行符号对的独立译码，但不能保证满分集增益。正交空时设计和准正交空时设计在分布式情况下，必须存在一个中心控制节点指定中继发送码字矩阵的行数。

正交设计和准正交设计具有简单的译码结构，但是码率小于1，是低发送速率情况下的候选方案，如果不考虑译码复杂度，可以设计码率大于1的码字，分布式线性离散码就是其中一种。分布式线性离散码是发送符号及其共轭的线性组合，码率由发送符号数决定，较高的码率对应较高的译码复杂度，因此译码器的实用性决定了最大符号数。分布式线性离散码可以根据信道质量灵活地改变码率，提高平均吞吐量。而且分布式线性离散码不需要重复分配编码矩阵。

需要注意的是RN之间的不同步会严重影响分布式空时码的性能。为了避免RN之间的载波同步，可以将码字矩阵设计为对角阵，即在每个时隙只有一个RN转发信号，其他RN关闭，这样仅仅需要符号同步和帧同步。最简单的情况是码字生成矩阵为单位阵，即对发送信号不做处理直接转发，这种编码方案成为重复编码。对角阵编码方案是使用DFT矩阵进行编码[13]，此方案虽然可以缓解同步的压力但是在编码增益上不如其他编码方案。

在LTE系统中，eNB可以对RN进行管理，因此RN之间在一定程度上可以假设为同步状态。

下面是分布式空时码在AF、DF、DMF和WDMF转发方式下的性能。仿真条件：所有信道服从单位复高斯分布，调制方式为二进制相移键控(BPSK)，节点数为2，数据块符号数为10，信噪比(SNR)定义为总发射功率与噪声功率的比值。

图6—9分别是AF、DF、DMF和WDMF 4种转发方式下分布式离散码(L-DSTC)、单位阵码(I-DSTC)、正交码(O-DSTC)和DFT对角阵码(D-DSTC)的误码率(BER)性能曲线。通过比较可以发现，在低SNR情况下，由于eNB到RN的信道较差，DF方式下BER接近1，即RN无法正确解码，数据块完全被丢弃。在高SNR条件下，DF方式在RN能够正确恢复基站发送的数据，同时去掉了eNB到RN信道衰落和噪声的影响，在用户处获得最好的BER性能。DMF和WDMF方式在低SNR条件下部分去掉了噪声影响，性能优于AF方式。但是在高SNR条件下，噪声的影响较小，而DMF方式中继解调错误是引起性能损失的主要因素，所以DMF较AF有5 dB左右性能损失。WDMF方式部分抑制了中继解调错误对用户的影响，因此WDMF性能优于AF，在高SNR条件下与AF相比可以获得大约2 dB增益。WDMF方式在高SNR条件下与最优的DF性能比较性能损失小于1 dB。因此WDMF方式从性能和处理复杂度方面考虑，完全适于LTE中继技术低复杂度、高性能的要求。

图10是L-DSTC、I-DSTC、O-DSTC和D-DSTC在WDMF方式下的BER性能曲线。4种分布式空时码生成矩阵的秩等于2，在高SNR下近似获得满分集增益；O-DSTC具有更大的编码增益，因此性能优于其他三种空时码。LTE蜂窝小区与全分布式网络不同，eNB可以作为所有RN的中心控制节点，它可以完成RN的同步以及空时码字指派。另外正交空时码的低复杂度接收机降低了用户端的功耗。因此当需要的RN个数为2(适于任意调制星座)或者4(仅适用于实调制星座)时O-DSTC可以作为LTE系统的最优选择。当然，如果考虑自适应编码调制技术(AMC)和RN的选择技术，L-DSTC更具有灵活性，可以应用于任何的调制模式和RN个数的配置。

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