IMT-Advanced协作多点传输技术——信道互异性校准

基金项目：国家重大专项(2009ZX03003003-02)

    随着国际电信联盟(ITU)启动4G的IMT-Advanced工作计划，3GPP开始着手LTE-Advanced标准制订。为提升小区边缘用户的性能，满足小区边缘频谱效率指标，LTE-A中引入了协作多点传输(CoMP)技术[1]。在基于CoMP的联合预编码(JP)相关算法中[2]，基站的发送端信道状态信息(CSIT)的精确性直接影响预编码算法的信道容量、误码率等性能[3-4]。而CSIT的获取分别来自于频分复用(FDD)系统的有限反馈和时分双工(TDD)系统的信道互异性。与FDD系统的有限反馈相比，TDD系统的信道互异性，更利于协作多点传输的实际应用，拥有系统复杂度低，系统开销少等优点。

    协作多点传输系统如图1所示。协作多点传输的核心思想是通过多点协作构成虚拟多输入多输出(MIMO)，降低基站间的干扰，以提升小区边缘性能。基站间的干扰强弱通常由终端接收的信干噪比(SINR)来衡量。在CoMP的JP中，常用的基于SINR的算法有迫零算法(ZF)、块对角化算法(BD)和块对角化奇异值分解算法(BD+SVD)[5]。在ZF算法中，预编码矩阵为CoMP信道矩阵的伪逆矩阵，实现信道矩阵绝对的对角化。在低信道增益时，ZF会引起噪声增大，所以在BD算法中，块对角化只是消除各用户间的干扰，用户自身的信道矩阵并不进行对角化，从而保留其信道相关性。BD+SVD算法，是在块对角化以后，对用户自身的信道进行波束赋型。

    尽管ZF、BD等算法能将CoMP系统的信道矩阵转化为对角阵或者块对角阵，但这类算法存在天线维度的限制。为了得出最优化解，通常要求基站的总天线数大于终端的总天线，限制了CoMP的实际应用。因此通过对SINR的转化，我们得到了信泄噪比(SLNR)[6]。基于SLNR设计的JP算法克服了天线维度的限制，因此在某些条件下，同样能够获得较好的信道正交性。

1 无线信道互异性模型
    尽管在理论上，TDD系统的信道互异性能使发射端通过上行信道的信道估计获取准确的下行CSIT。但在实际的系统中，理想的信道互异性通常是不可实现的。由于上下行信道的时变性[7]，上下行信道干扰的非对称性[8]，特别是上下行信道射频器件的非理想特性[9]，直接影响了TDD系统的信道互异性，降低了TDD系统优势。

    射频器件的非对称性中较常见的一类为各天线对的射频器件的时延非对称。天线j到天线i的上下行射频模块时延误差为α秒，而天线j+1到天线i的上下行射频模块时延误差为β秒，则称天线对ji与(j+1)i之间的时间非对称为β-α。时延非对称会使信道在频域乘以相位旋转因子。即使很小的时延非对称，也会造成较大的相位旋转。以WCDMA为例，两天线射频链路之间的时延非对称需小于65 ns。而如果整个系统带宽为20 MHz，则两天线射频链路之间的相位旋转为360×65×10-9×206=470°。在CoMP场景中，各天线对的频域信道乘以不同的相位旋转因子，会严重破坏了信道的互异性。

    为了避免时延非对称对预编码的影响，最直接的方案为严格规定两天线射频链路之间的时延非对称需小于5 ns，显然这是不现实的；其次通过硬件的检测，实现时延的校准，同样需要付出很大的代价。现阶段，对抗时延非对称性较为可行的方法为本文后续会涉及的天线反馈的互校准算法[10]。

    射频器件的非对称性中较常见的另一类为各天线对的射频增益非对称。信道校准模型如图2所示。在实际的TDD系统中，实际的上行信道为HU=RBS×H T×TUE，实际的下行信道为HD=RUE×H×TBS，其中RBS、TBS、RUE、TUE分别代表基站与终端的接收发射模块的复增益对角阵。各对角阵元素为r BSj , t BSj , r UEi , t UEi 均为时间、功率、温度的函数。

    如果忽略非对称性对发射功率的改变，通过系统信道容量的推导[11]，终端和基站的射频器件的非对称性误差E UE和E BS，分别以EUEEUEH和E BSQ ULE BS的形式对信道容量产生影响。其中Q UL表示由上行信道得到的预编码矩阵的协方差矩阵。显然终端的射频器件的非对称性误差E UE并不影响预编码矩阵的正交性，不会带来基站间干扰。而基站的射频器件的非对称性误差E BS会直接影响预编码矩阵的正交性，带来基站间干扰，降低信道容量。

    针对射频增益的非对称性，较为有效的措施是通过分别在基站与终端乘以校准对角阵K D、K U，使得上下行无线信道满足H D’=c×H U’，H D’=H D×K D，H U’=H U×K D，其中c为复标量，称为互异性校准参数，近似实现信道互易，称为信道互异性校准。

2 无线信道互异性校准算法
    现阶段，基于获取校准矩阵的方法不同，对天线互异性进行补偿的方法可分为基于硬件检测的自校准方法[12]、基于天线自检测反馈的自校准方法[13]、基于校准天线检测反馈的互校准方法[14]。由前文分析可知终端的非对称误差对预编码和波束成形的影响很小，因此本文中仅讨论基站的互异性校准算法。

2.1 自校准算法
    自校准算法实现单基站的多天线互异性校准，分为硬件自校准和反馈自校准。

2.1.1 硬件自校准算法
    基站的硬件自校准是指在基站中配置专用的硬件校准电路实现硬件测量各天线的耦合参数和射频收发模块模拟参数，得到各天线和射频收发模块的校准矩阵，实现互异性校准。通常的硬件自校准算法将天线的校准和射频收发模块的校准分开进行。

    由天线互耦合造成的天线的非对称性误差通常在基站运行过程中被视为常数。天线的校准采用离线校准，即为在基站正常工作之前进行校准。

    由于射频收发模块模拟参数是时间、功率、温度的函数。所以其校准必须采用实时校准，即为在基站正常工作中不间断地进行校准。硬件自校准算法如图3所示。以射频接收模块模拟参数校准为例，校准信号在基站内部产生，并通过功率分配器插入到多路接收模块。检测多路接收模块输出信号，利用已知的校准信号和天线互耦合的非对称性误差参数，可估计出基站射频接收模块的复增益对角阵R BS。

    其中y (t )为射频多路接收模块输出信号，c (t )为校准信号。a (qi )为经天线校准后的理想天线耦合参数。a =[a1,a2…an]为功率分配器到耦合器的校准信号链路响应系数。在基站系统运行前，a通过检测获得，在此视为已知参数。

    显然基站射频接收模块的校准矩阵为RBS-1。同理基站射频发送模块的硬件自校准算法与上述类似，本文不再累述[15]。

2.1.2 反馈自校准算法
    尽管硬件自校准算法能实现较为准确的天线射频模块校准，但也付出了相当的代价。不仅需要在射频电路中添加独立的硬件校准模块，同时还要较为精确控制校准信号的功率，避免其对接收信号的影响。

    因此为了降低复杂度和成本，反馈自校准算法被提出。反馈自校准算法如图4所示，其中eNB为演进型基站。在基站端的反馈自校准算法中，选取本基站多根天线中的第i根天线作为校准天线，通过设置校准天线的射频收发开关，以实现与剩余基站天线的校准参考信号(CS)收发和信道检测。不同天线向校准天线发送的CS通常为正交校准参考序列。该基站同时获取基准天线到剩余天线的上行实际信道向量和剩余天线到校准天线的下行实际信道向量。

    反馈自校准算法存在的问题在于它受到非线性功放和射频模块功率特性的限制。由于自校准信号的功率通常远远低于实际的信息传输功率。所以尽管经过了反馈自校准，但当基站在传输实际的信息时仍然会存在非对称误差[16]。

    由于反馈自校准算法针对的是单基站，所以参考天线的非对称参数em-1在单基站的系统中对信道的互异性不产生影响。但在CoMP系统中，由于多个协作基站的引入，不同基站的非对称参数em-1仍会大幅度降低CoMP的JP的性能。

2.2 互校准算法
    对单基站而言，互校准算法能克服功率对自校准的影响。在多基站协作的CoMP中，通过自校准过后，多基站的互异性校准参数cm相互独立且不相同，仍然不能满足JP类算法对CSIT的要求，互校准算法为CoMP的实际应用提供了切实可行的技术方案。

2.2.1互校准算法描述
    基站端的互校准算法如图5所示，首先选取适当的校准参考天线。该校准参考天线通常为区域内某移动终端q的某根天线i。校准参考天线根据各基站发射的校准参考信号(RS)进行实际下行信道向量的估计。其中RS需处于与上行的探测参考信号(SRS)相同的相关时间间隔。参考天线所在的终端在发送SRS的同时将下行信道向量的估计反馈给需校准基站。同时各校准基站根据SRS信号进行上行信道向量的估计。

    在互校准算法中，参考天线数通常会大于1，并且来自于不同的终端。所以为了摆脱参考天线自身的非对称参数的对基站校准矩阵的影响，基站的校准矩阵通常需对校准参数进行标准化，即：

    互校准算法的校准参考信号功率与实际的信息传输功率保持一致，因此克服了自校准算法对非线性功放和射频模块功率特性的缺陷。同时在CoMP系统中，尽管单个基站内的天线可通过自校准反馈算法进行校准，但基站间的天线仍处于非对称的状态。互校准算法可实现基站间天线的对称性校准。

    尽管互校准算法克服了反馈自校准算法的缺点，但它受限于信道估计和参考天线端的反馈。通常信道估计采用最小均方误差估计(MMSE)，反馈通常采用6 bit I/Q量化或者8 bit幅度10 bit相位量化。显然量化反馈的误差和信道估计误差会对互校准算法带来影响。由于本文内容有限，不在此展开，该问题留作后续研究讨论。本文中假设信道估计和反馈均为理想条件。

2.2.2 校准参考天线选择
    互校准算法需要校准基站与参考终端之间相互通信，所以校准基站与参考终端之间的信道条件成为影响反馈互校准算法的因素。

    在单基站的系统中，参考终端的选择基于下行信道SINR的强度。只有当基站到某终端的SINR强度大于某门限Г时，该终端才会成为候选的参考终端。通常反馈互校准算法的参考天线来自于区域内拥有SINRmax的终端。为了更为精确的获取校准矩阵，通常会选取多个不同的终端参考天线取平均。

    在CoMP的系统中，参考终端的选择变得较为复杂。由于协作基站的位置不同，区域内终端的SINR通常无法满足各基站的门限Г(m)。若达到门限要求，也很难同时达到各基站的最大信干噪比要求SINRmax(m)。选中的参考天线需满足以下条件：单个参考终端对应两个校准基站；满足SINR m1>Гm1，SINR m2>Гm1；maximize
∑SINRmq。同时，在CoMP系统中，由于多校准终端天线的存在，及不同的互校准矩阵KDm带有不同的非对称参数eqi，为实现基站间的统一校准，要消除不同的eqi。整个信道互易性的影响，各基站与各参考终端对应关系需构成连通图[17]。

2.2.3 宽带互校准算法
    LTE采用正交频分复用(OFDM)技术，支持的最大带宽为20 MHz，信道的非对称存在频率选择性。前文讨论的各类校准算法均基于窄带系统，对于实际系统的运用是远远不够的。在实际的系统中，在频点f的基站端第j根天线校准参数可表示为幅度和相位的函数。由前文无线信道校准模型所述，幅度为时间、功率、温度的函数，在互异性校准的时域间隔内和整个带宽的频域间隔内可看作常数。相位随频率做线性的相位偏转，旋转速度由上下行链路之间的时延非对称和频点决定。

    为了获取基站m的第j天线整个带宽的校准参数kDmj (f )，须为天线j选择L个校准频点(fj (1),fj (2)…fj (L ) )，在每频点分别用互校准算法获取各频点的校准参数kDmj (fj (1)),kDmj (fj (2))…kDmj (fj (L))，最后用适合的插值算法来获取参数kDmj (f ) [18]。

    互校准算法，需校准终端将估计的下行信道反馈给校准基站。若选择8 bit幅度10 bit相位量化反馈，照上述的宽带互校准算法，设CoMP基站数为M=2，各基站的天线数N=4，单天线校准频点数L=22，则总的反馈数据为2×4×22×16=2 816 bit。假设反馈校准的间隔时间为100 s，则对高速的无线系统而言28 bit/s的负载显然是可以接受的。

3 互异性参数统计特性
    由互异性校准算法可知，互异性校准参数由天线对之间的射频复增益决定，其中射频复增益包括基站端的收发射频增益RBS、TBS和终端的收发射频增益RUE、TUE。

    如图6所示，在基站与终端未校准时，基站与终端的各天线拥有不同的收发射频增益，各天线对的互异性参数各异。基站和终端进行自校准过后，如基站与终端上的天线拥有相同的收发射频增益，则某基站与某终端之间天线对的互异性参数相等，而不同基站与终端的天线对的互异性参数不同。在基站和终端进行互校准过后，所有基站和终端各天线拥有相同的收发射频增益，各天线对的互异性参数相等。

    设计互异性参数的统计模型cij =gij ×tij ，其中gij 为复随机变量，表示基站和终端收发射频增益的物理统计特性，称为校准误差。幅度符合对数均匀分布，角度符合均匀分布；tij 表示基站和终端收发射频增益的时变统计特性，称为时变误差。其幅度符合对数均匀分布，角度符合均匀分布。对数均匀分布和均匀分布的参数由具体设备特性与实际通信环境决定[19]。

4 仿真与分析
    通过仿真实验，本文分析在CoMP系统中，信道互异性校准对各JP算法的影响,同时也给出了在不同的校准算法下，系统的性能指标。

    仿真的场景设置为3基站3终端。基站和终端的天线数分别为4和2。基站之间的距离为500 m。终端在小区内随机分布，发射功率设为16 dB,噪声功率为9 dB。路径衰落36.3+37.6log10(d ) dB。信道元素为独立分布的标准复高斯随机变量。校准误差gij，幅度满足对数均匀分布，分布区间为[-3,3] dB；角度满足均匀分布，分布区间为[-180,180]度。时变误差tij，幅度满足对数均匀分布，分布区间为[-1,1] dB；角度满足均匀分布，分布区间为[-10,10]度。

    不同条件下不同的JP算法对应的平均信道容量如图7所示。首先在理想的信道互异性条件下，CoMP的迫零算法(ZF)与基于SLNR的预编码算法均能获得比普通的波束成形(Beamforming)更好的平均信道容量。而如果不进行校准，由于信道的非对称性，ZF、SLNR和Beamforming的性能均大幅下降。在经过基站和终端自校准后，SLNR表现比ZF更加优异。而在经过基站和终端互校准后，信道满足广义互异性。尽管存在着时变误差，系统的性能与理想的系统性能接近。

    根据容量仿真的条件，进行误码率的仿真。设置单数据流，符号映射采用QPSK，无信道编码与信道均衡，接收端采用最大比合并(MRC)。由图8所示，当在理想的信道互异性条件下，CoMP的ZF与SLNR的预编码算法由于尽可能地消除了基站间的干扰，使系统拥有较低的误码率；在信道不校准和信道自校准条件下，由于射频模块的不对称，破坏了JP算法的正交性，使系统的误码率急剧的增加。当信道互校准后，JP算法重新恢复其正交性，接近理想的信道性能。

    由本文第1节分析，终端的互异性非对称对基站的JP算法几乎没有影响。具有终端互异性差错的系统与理想系统的误码率接近，而具有基站互异性差错的系统将使系统的误码率急剧地增大。

5 结束语
    解决小区的边缘性能问题，CoMP作为候选技术面临着信道估计的难题。而TDD的信道互异性恰好为此提供了可行的方案。但信道的非理想对称，几乎完全破坏JP算法对信道的正交化处理，大幅度消除了JP算法带来的系统性能提升。可见信道校准算法是TDD CoMP急需进行研究的方向。

    现阶段已有的信道校准算法，如本文介绍的各类自校准和互校准算法，均存在各自的优点和缺点。同时回馈类的校准算法均假设理想的信道估计和完美的回馈。在实际运用中，同步误差、估计误差与有限反馈对校准算法带来的影响是此类校准算法所面临的又一问题。

    此外由于互校准算法实现的困难，可以寻求在自校准算法基础下的非理想信道的鲁棒JP算法，这也是解决CoMP中非理想对称问题的另一种研究途径。

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收稿日期：2011-07-15

[摘要] 文章以协作多点传输技术为背景，基于信道互异性模型，介绍了3类较为典型的校准算法：基于硬件检测的自校准方法、基于天线自检测反馈的自校准方法、基于校准天线检测反馈的互校准方法。以此为基础，文章分析和研究了各校准算法的特性，评估和仿真了各校准算法协作多点传输技术在各类联合预编码算法下的系统性能，同时预测了校准算法未来的研究进程及可能面临的挑战。

[关键词] 信道互异性校准；协作多点传输；联合预编码

[Abstract] This paper gives an overview of three typical digital calibration schemes used in collaborative multipoint transmission (CoMP) technology: hardware-based test calibration, antenna-based self-test calibration and cooperation feedback calibration.These schemes are based on a reciprocity module and calibration algorithm. This paper analyzes the properties of the calibration algorithm and the interference at the joint procoding (JP) in multipoint transmission technology. The process and challenges of the calibration algorithm are discussed.

[Keywords] channel reciprocity calibration; coordinated multipoint; joint precoding