分布式多天线技术研究

基金项目：国家重大专项(2010ZX03003-002)

    由于在对抗多径衰落、克服快衰影响等方面有着其他技术无法比拟的优势，多输入多输出-正交频分复用(MIMO-OFDM)技术在WiMAX、LTE、Wi-Fi等无线通信标准中已经被广泛应用。在实际组网中，出于提升频谱利用率的考虑，一般采用同频组网，这就引入了同频干扰。部分频率复用(FFR)技术可以在一定程度上克服这个问题，但是它给调度带来了限制，使得正交频分复用(OFDM)系统的频率选择性调度增益减小。LTE R11标准中引入的协作多点传输(CoMP)技术(IEEE 802.16m中称为Multi-BS MIMO)是下一代无线通信标准中的热点技术，对于解决小区边缘干扰有较好的效果，同时又不影响小区中心用户的服务质量。

    根据协作程度，CoMP可以分为协同调度/协同波束赋形(CS/CB)和联合传输/联合处理技术(JT/JP)两种。CS/CB技术不涉及不同小区(或基站)间用户发送数据的交换，JT/JP则需要数据的交换。JT/JP有两种架构，一种是分布式数据处理架构，另一种是集中式数据处理架构。在LTE R10中，使用分布式数据处理方式，基站间数据交换通过X2接口进行；在IEEE 802.16m中没有明确定义基站间的数据接口。但无论是LTE R10还是IEEE 802.16m，如果使用分布式数据处理，均存在数据交换延时过大的问题。在LTE R11中，引入了分布式多天线系统[1]。分布式多天线系统使用集中式(基带)数据处理，从宏观上看，无线接入部分是由位置相对集中的基带池(集中控制单元(CU))和分布式布置的射频、天线组成。拉远的分布式多天线和射频部分称为远端单元(RU)。RU的使用增加了天线间的物理距离，可以充分利用空间分集。

1 分布式多天线系统原理

1.1 基本概念
    分布式多天线系统如图1所示。图1中两个远端单元(RU)同时为两个终端服务，其中集中控制单元(CU)是中央控制单元。CU一般包含基带处理单元，用于处理所有用户的基带信号，H是信道传输矩阵。对于系统中的某个用户，可以把整个系统看作一个大的多输入多输出(MIMO)系统考虑。由于RU地理上分布比较分散，所以大尺度衰落是影响分布式多天线系统的一个重要因素。正是因为大尺度衰落的影响，分布式多天线系统多在小区边缘有比较好的性能表现。2详细分析可参见文献[2]。

1.2 网络架构
    LTE接入网使用更加扁平的网络架构，取消了无线网络控制器(RNC)。WCDMA与LTE接入网示意图如图2所示。不同NodeB间通过X2接口交换数据。RNC的主要作用是无线资源管理和移动性管理。RNC取消后，这些功能被集成到NodeB中，并称为eNodeB。

    在文献[1，3]中，定义了4种常用的CoMP系统配置方式：
    (1)同一个基站内的不同小区组成分布式多天线系统，该方式也被称为区域内协作多点传输(Intra-site CoMP)，因为是同属一个基站，数据的交换是最便捷的，也是对现有网络结构改动最少的配置方式。

    (2)在现有基站的基础上，用光纤把邻近的基站直接连接起来，做成分布式多天线系统，每个基站使用相同的高功率发送数据。

    (3)以一个高功率基站为中心，用光纤连接邻近的小功率基站(超微型(picocell)或家用型(femtocell))。小功率基站使用全向天线。

    (4)以一个高功率基站为中心，用光纤连接射频拉远单元，各射频单元使用全向天线。

    方式(2)、(3)中的各个基站均有基带处理功能。对比LTE R11以前的方案，上述4种配置方式都舍弃了X2接口，而光纤数据传输的延时相对X2接口要小得多，虽然不一定需要采用集中式数据处理，但从这个角度来看，方式(2)、(3)、(4)都可以称为分布式多天线系统。每个RU或者独立的基站拥有单个或者多个天线。
从网络架构来看，分布式多天线与GSM/WCDMA系统中的宏分集概念类似，尤其是WCDMA系统中，软/更软切换下的NodeB合作场景，与分布式多天线系统基本对等。从基带处理的角度看，方式(4)是一个射频单元进行了拉远的基站。从这里也可以看出，分布式多天线系统并不限于某一通信标准。为了增加覆盖，充分利用现有站址和网络基础设施，分布式多天线的中央处理单元也可支持多种通信标准之间的垂直切换，例如LTE和Wi-Fi间的切换，从而集合不同通信标准的优点。

2 分布式多天线系统关键技术

2.1 光载无线电/预失真技术
    从舍弃使用X2接口的CoMP技术可知，因为无线信道快变的原因，数据交换尤其在信道反馈信息方面的获取，延时要尽量缩短，因此不同的基站或者RU如何连接是分布式多天线系统设计的重点。考虑到无线宽带系统的数据量和成本，光纤连接是一个较优的方案。光纤可以传送模拟信号或者数字信号。根据文献[4]，一个100 MHz带宽的系统，如果使用公共通用无线接口(CPRI)/开放式基站架构(OBSAI)接口规范，一个射频信道需要传输的数据为6 144 Mb/s，4路信号的话则需要24 Gb/s。由于需要使用40G的以太网，加上数字复接器等设备，成本较高。相对数字传输方案，模拟传输方案需要的带宽低得多，而且不需要高速的数字复接器，成本低廉。模拟传输容易引入失真，并且以非线性失真为主，纠正这些失真需要增加额外的资源。但考虑到宽带系统的功放也需要纠正非线性失真(一般称为预失真)，这些资源可以重用。

    预失真的原理如图3所示。图3中预失真模块和功放/光电器件的联合输出为输入信号的线性函数。

    预失真技术包括数字预失真(DPD)和模拟预失真两种。模拟预失真使用专用的射频电路直接对射频信号进行处理，适用性比较差，但是成本低，容易实现。数字预失真技术分为符号级处理和基带(中频)信号处理。由于前者适用性比较差，目前多使用基带信号处理的方法。

    简单的DPD系统框图4所示。

    用数字信号处理非线性失真，要先对线性失真进行建模。对于非线性失真的建模，主要有3种方法：

(1)物理模型。
(2)等效电路建模。
(3)器件行为建模。

    目前比较通行的方法是器件行为建模，系统比较简单，处理方便。

2.2 预编码技术
    预编码是将要发送的数据映射到基站的天线上，目标是令发送信号独立，并且最大化信道容量。预编码技术可以分为线性预编码和非线性预编码两种。在实际系统中，出于计算复杂度的考虑，多数采用线性预编码。相对于单小区的MIMO预编码，分布式多天线的预编码面临更多的问题，尤其是多用户MIMO的情况下，若采用基带池的形式，信道信息的交互更加方便；若采用独立基带处理，则正交化各个用户的信道更为困难。目前的文献主要考虑基于信道消息已知的情况。在采用时分双工的系统中，在信道变化较慢的情况下，可以认为，上行和下行的信道具有互逆性，即上行信道等于下行信道传输矩阵的共轭转置。而在采用频分双工的系统中，这一假设不再成立。在分布式多天线系统中，由于天线在物理位置分隔较远，可以认为，各个RU到用户的信道独立，从这角度出发，则每个RU的预编码可以独立求取。在JT/JP的场景下，和普通的多用户MIMO预编码类似，可以使用迫零、块对角化、信漏噪比等技巧使用户预编码后的信道(近似)正交化。在实际系统中，还需要考虑信道估计和反馈量化造成的误差。

2.3 功率控制/功率分配技术
    由于实际系统功率受限，因此有必要进行功率控制和功率分配以获得最优性能。一般来说，功率控制主要用于CS/CB场景，它与传统基站的功控类似。功率分配则主要用于JT/JP场景，一般来说有两种功率分配方式：(1)在为同一用户服务的不同RU间进行；(2)在同一RU内不同用户间进行。功率分配尤其是第一种功率分配是分布式多天线系统独有的问题。第一种功率分配还涉及RU选择和终端工作模式的选择。目前的功率分配方案多分开讨论两种功率分配方式，而在实际问题中，两种分配方式是互相限制的。

2.4 资源分配和调度
    在OFDM系统中，尤其是宽带系统中，由于子载波数目较多，一般将整个频段化成若干个子带，再以子带为基础进行资源调度。分布式多天线系统中，由于RU数目较多，需要调度的用户也就更多，如何优化调度算法，利用宏分集增益，减少运算复杂度也是资源调度的重点。

3 结束语
    分布式多天线系统特别适用于数据热点场景，而且不限于使用同一种无线标准，对于提升城区覆盖，降低基站功耗，提升用户切换体验，有着天然的优势。除了上文所述外，分布式预编码、切换技术(包括垂直切换)、RU选择等也是实现分布式多天线系统的非常值得研究的技术。

4 参考文献

[1] NTT DOCOMO. CoMP simulation assumptions [C]//3GPP TSG RAN WG1 #64 Meeting, Feb 21-25,2011, Taipei China. 2011:R1-110598.
[2] CASTANHEIRA D, GAMEIRO A. Distributed antenna system capacity scaling [J]. IEEE Wireless Communications, 2010, 17(3):68-75.
[3] 3GPP TR36.814. 3rd generation partnership project; Technical specification group radio access network; Further advancements for E-UTRA: Physical layer aspects [S]. 2011.
[4] WAKE D, NKANSAH A, GOMES N J. Radio over fiber link design for next generation wireless systems [J]. IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, 2010, 28(16): 2456-2464.

收稿日期：2011-07-05

[摘要] 在基于多输入多输出-正交频分复用(MIMO-OFDM)技术的下一代宽频无线通信系统中，为了提高频谱利用率，一般采用同频组网，这就在小区边缘引入了同频干扰，影响了系统覆盖范围、容量以及边缘用户的切换体验。分布式多天线系统可以有效地解决上述问题，它通过拉远天线的距离，充分利用多输入多输出(MIMO)技术的空间分集和宏分集优势，通过集中式的预编码、用户调度、功率控制等策略较好地控制基站内不同小区间的干扰，尤其适合于增强数据热点地区的覆盖，减少用户的切换次数，提升小区边缘用户的服务质量。

[关键词] 多输入多输出；正交频分复用；分布式多天线系统；预编码

[Abstract] Multiple-input multiple-output orthogonal frequency division multiplexing (MIMO-OFDM) is the key technology for next-generation wireless communication systems. To improve spectral efficiency, base stations use the same frequency band, which causes co-channel interference, reduces coverage area and system throughput, and weakens handover performance for cell-edge users. To overcome these problems, distributed antenna system (DAS) is employed. DAS can make full use of the space diversity and macro diversity of MIMO technology by dividing antennas into several independent sets and locating them in different geographic positions. Moreover, mutual interference between neighbor cells can be controlled by centralized precoding, joint scheduling, power control, and other advanced technologies. DAS is especially useful for enhancing the coverage of hotspots, decreasing unnecessary handover, and increasing QoS for cell-edge users.

[Keywords] multiple-input multiple-output; OFDM; DAS; precoding;