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LTE-A系統之場域內多使用者協調式多點傳送:一個基於天線選擇的方法

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全文

(1)

國 立 交 通 大 學

電信工程研究所

碩 士 論 文

LTE-A 系統之場域內多使用者協調式多點傳送

:一個基於天線選擇的方法

Intra-Site Multiuser CoMP for LTE-A Systems: An

Antenna Selection Approach

研究生:莊宗羲

指導教授:吳文榕 博士

中 華 民 國 101 年 7 月

(2)

LTE-A 系統之場域內多使用者協調式多點傳送

:一個基於天線選擇的方法

Intra-Site Multiuser CoMP for LTE-A Systems

: An Antenna Selection Approach

研 究 生:莊宗羲 Student:Tsung-Hsi Chuang

指導教授:吳文榕 博士 Adivsor:Dr. Wen-Rong Wu

國 立 交 通 大 學

電信工程學系碩士班

碩 士 論 文

A Thesis

Submitted to Institute of Communications Engineering College of Electrical and Computer Engineering

National Chiao Tung University In Partial Fulfillment of the Requirements

For the Degree of Master of Science In Communications Engineering July 2012 Hsinchu,Taiwan,Republic of China

中 華 民 國 101 年 7 月

(3)

LTE-A 系統之場域內多使用者協調式多點傳送

:一個基於天線選擇的方法

研究生:莊宗羲 指導教授:吳文榕 教授

國立交通大學電信工程學系碩士班

摘要

在傳統蜂巢式網路的系統中,細胞邊緣的使用者容易受到鄰近細胞的干擾, 為了解決這個問題,LTE-A 系統提出協調式多點傳送與接收(CoMP)的技術來盡 量減少細胞之間的干擾。另外,近年來多使用者系統多輸入多輸出(MU-MIMO) 技術已發展成熟,此技術可以讓多個使用者在同一時間以及同一頻率上傳輸資 料,有效地提高系統的效能。有鑑於此,LTE-A 系統試著將 MU-MIMO 與 CoMP 這兩項技術作整合,期望能夠達到更好的峰值速率以及頻譜使用效率。本論文旨 在探討場域內 CoMP 的多使用者聯合處理技術,我們提出了基於天線選擇的新 的聯合處理方法,由於多了天線選擇這個自由度,使得系統資源可以更有效的運 用,除此之外,天線選擇可以幫助我們將多傳送點的問題簡化為一個虛擬的單傳 送點問題,因此使得現有單傳送點多使用者的技術可以直接應用。模擬結果顯 示,我們所提出的方法可能比傳統的作法在更少的資訊回報量之下,提供更好的 系統吞吐量。

(4)

Intra-Site Multiuser CoMP for LTE-A Systems

: An Antenna Selection Approach

Student:Tsung-Hsi Chuang Advisor:Dr. Wen-Rong Wu

Department of Communication Engineering

National Chiao Tung University

Abstract

In conventional cellular network systems, the cell edge users are vulnerable to interference from neighboring cells. In order to deal with this problem, coordinate multipoint transmission/reception(CoMP) has been proposed in LTE-A system. Yet, in recent years, multiuser multiple- input-multiple output (MU-MIMO) has been well developed. The MU-MIMO technique allows the simultaneous transmission of multiple user signals in the same time at the same frequency band, and hence enhances the system performance effectively. Thus, LTE-A tries to integrate MU-MIMO and CoMP hoping for better peak data rate and higher spectrum

efficiency. This thesis aims to investigate intra-site MU CoMP joint processing (JP) techniques. We propose a new antenna-selection-based JP method that can better use the system resource and reduce the feedback overhead. Thanks to the antenna

selection technique, we can translate a multipoint CoMP problem to a virtual

single-point CoMP problem such that the existing single-point MU-MIMO technique can be directly applied. Numerical results show that the proposed method outperforms the conventional approach and at the same time requires less feedback overhead.

(5)

誌謝

誌謝

誌謝

誌謝

本篇論文得以順利完成,特別感謝我的指導教授吳文榕 博士,當我在研究 上碰到問題時,老師總是不厭其煩地回答我的問題,給予我適當的方向。 另外,我要感謝寬頻通訊及訊號處理實驗室的所有同儕 鈞陶、其翰、勝隆、 汀華、錫沅、嫈珮、彥廷、婉綺、家彰、運凱、偉豪、侑君、家妤,在研究上以 及生活上給予我許多的幫助,有你/妳們的陪伴讓我的碩士生涯十分幸福。 最後感謝我的家人,給予我在精神上最大的鼓勵與支持,使得我可以順利地 完成碩士學位。

(6)

目錄

目錄

目錄

目錄

摘要... i Abstract ... ii 誌謝... iii 目錄... iv 表目錄... v 圖目錄... vi 第一章 簡介... 1 第二章 LTE/LTE-A、CoMP 規格標準介紹 ... 4 2.1 LTE/LTE-A 介紹 ... 4 2.1.1 LTE/LTE-A 設計目標 ... 4 2.1.2 LTE/LTE-A 訊框結構 ... 6 2.1.3 LTE/LTE-A 下行傳輸 ... 8 2.2 下行 CoMP 介紹 ... 15 2.2.1 CoMP 方案 ... 15 2.2.2 CoMP 類別 ... 17 2.2.3 CoMP 集合 ... 18 2.2.4 下行 CoMP 的通道資訊回報方式 ... 19 2.2.5 COMP 集合的決定方式 ... 20 2.2.6 場域間/場域內網路幹線的支援 ... 20 第三章 多使用者協調式多點傳送與接收... 22 3.1 多使用者多輸入多輸出系統 ... 22 3.1.1 訊號系統模型 ... 23 3.1.2 PU2RC ... 24 3.1.3 基於二次回報的 PU2RC(PU2RC-T) ... 28

(7)

3.2 傳統多使用者聯合處理系統(MU CJP) ... 29 3.2.1 CoMP 系統環境 ... 29 3.2.2 訊號系統模型 ... 32 3.2.3 基於最差情況回報的傳統多使用者聯合處理系統(CJP-W) ... 33 3.2.4 基於二次回報的傳統多使用者聯合處理系統(CJP-T) ... 35 3.3 新版多使用者聯合處理系統(MU NJP) ... 36 3.3.1 訊號系統模型 ... 36 3.3.2 基於最差情況回報的新版多使用者聯合處理系統(NJP-W) ... 37 3.3.3 基於簡化天線選擇回報的新版多使用者聯合處理系統(NJP-R) ... 40 3.3.4 基於二次回報的新版多使用者聯合處理系統(NJP-T) ... 43 3.4 綜合比較 ... 43 第四章 模擬結果... 49 4.1 PU2RC 與 PU2RC-T ... 49 4.2 多使用者聯合處理系統 ... 53 第五章 結論... 68 References ... 69

表目錄

表目錄

表目錄

表目錄

表 2-1:頻寬與資源區塊對應表 ... 9 表 2-2:實體層資源區塊參數 ... 10 表 2-3:下行實體通道調變方法 ... 10 表 2-4:空間多工傳輸層對應 ... 11 表 2-5:傳送多樣性傳輸層對應 ... 12 表 2-6:兩個天線阜的空間多工碼書 ... 12 表 2-7:四個天線阜的空間多工碼書 ... 13 表 2-8:CoMP 各種類別比較 ... 18

(8)

表 3-1:4 個位元組的 CQI 對應表 ... 31 表 3-2:天線分組表 ... 39 表 3-3:各種方法所需回報的資訊 ... 44 表 3-4:各種方法所需之回報量 ... 45 表 3-5:前置編碼器選取方法 ... 48 表 4-1:場域內 CoMP 模擬環境設定 ... 53

圖目錄

目錄

目錄

目錄

圖 2-1:FDD 訊框結構 ... 7 圖 2-2:TDD 訊框結構 ... 7 圖 2-3:下行鏈路資源網格 ... 9 圖 2-4:下行實體通道架構 ... 10 圖 2-5:CoMP 方案一:場域內 CoMP,同質性網路 ... 15 圖 2-6:CoMP 方案二:場域間 CoMP,同質性網路 ... 16 圖 2-7:CoMP 方案三、四,大功率的基地台搭配低功率的 RRH,異質性網路16 圖 3-1:多使用者多輸入多輸出系統 ... 22 圖 3-2:通道方向與量化過後通道方向 ... 25 圖 3-3:CoMP 方案一:場域內 CoMP ... 29 圖 3-4:傳統多使用者聯合處理系統 ... 32 圖 3-5:天線選擇之多使用者多輸入多輸出系統 ... 36 圖 3-6:CJP-W 使用者安排示意圖 ... 46 圖 3-7:CJP-T 使用者安排示意圖 ... 46 圖 3-8:NJP-W 使用者安排示意圖 ... 47 圖 3-9:NJR-W 使用者安排示意圖 ... 47 圖 3-10:NJP-T 使用者安排示意圖 ... 47 圖 4-1:PU2RC,較少的使用者人數 ... 50

(9)

圖 4-2:PU2RC,較多的使用者人數 ... 50 圖 4-3:PU2RC 與 ZF-SUS 效能比較 ... 51 圖 4-4:PU2RC 與 ZF-SUS 平均使用者安排的數量 ... 51 圖 4-5:PU2RC 與 PU2RC-T 回報開銷量與效能的關係... 52 圖 4-6:PU2RC 與 PU2RC-T 使用者人數與效能的關係... 52 圖 4-7:基地台天線場型強度 ... 57 圖 4-8:場域內基地台天線場型強度 ... 57 圖 4-9:多路徑通道,時速 3km/hr ... 58 圖 4-10:第一個路徑取樣 100 次,時速 3km/hr ... 58 圖 4-11:CoMP 與非 CoMP 使用者,門檻值=6dB ... 59 圖 4-12:CoMP 與非 CoMP 使用者,門檻值=9dB ... 59 圖 4-13:CJP-W, 2、4 位元 PMI 時的系統吞吐量... 60 圖 4-14:CJP-W, 2、4 位元 PMI 時的平均使用者安排人數... 60 圖 4-15:NJP-W,不同天線組別個數時的系統吞吐量 ... 61 圖 4-16:NJP-W, 2、4 位元 PMI 時的系統吞吐量 ... 61 圖 4-17:NJP-W, 2、4 位元 PMI 時的平均使用者安排人數 ... 62 圖 4-18:NJP-R, 4 位元 PMI 與不同位元 AMI 時的系統吞吐量 ... 62 圖 4-19:NJP-R, 4 位元 PMI 與不同位元 AMI 時的平均使用者安排人數 ... 63 圖 4-20:NJP-R, 2 位元 PMI 與不同位元 AMI 時的系統吞吐量 ... 63 圖 4-21:NJP-R, 2 位元 PMI 與不同位元 AMI 時的平均使用者安排人數 ... 64

圖 4-22:CJP-T&NJP-T, 4+2 位元 PMI 與不同位元 AMI 時的系統吞吐量 ... 64

圖 4-23:CJP-W/CJP-T/NJP-W/NJP-R/NJP-T,使用四個子碼書 ... 65

圖 4-24:CJP-W/NJP-W/NJP-R,使用一個子碼書 ... 65

圖 4-25:CJP-W/CJP-T/NJP-W/NJP-R/NJP-T,4 個使用者的環境 ... 66

圖 4-26:CJP-W/CJP-T/NJP-W/NJP-R/NJP-T,8 個使用者的環境 ... 66

(10)

第一章

第一章

第一章

第一章

簡介

簡介

簡介

簡介

近年來,人們對於手持設備、行動裝置的傳輸品質及資料量需求不斷地增 加,行動無線通訊技術已經成為目前主要的潮流。為了因應快速發展的無線通訊 環境,3GPP 長期演進技術與其進階版(3GPP LTE/LTE-A)使用了多輸入多輸出-正 交分頻系統(Multiple-Input-Multiple Output Orthogonal Frequency Division

Multiplexing, MIMO-OFDM)使其具有高傳輸資料率和高頻譜使用效率等優點,

並包涵了許多新的技術以因應日趨複雜的網路環境。

LTE/LTE-A 系統定義了多種傳輸模式,其中傳輸模式 5 使用多使用者-多輸

入多輸出系統(Multiuser MIMO, MU-MIMO)。最近幾年 MU-MIMO 已引起廣泛 地研究與討論,此技術運用了空間上的自由度可以在同一時間以及同一頻率上讓 多個使用者傳輸資料,除了能夠提高通道的容量之外,相較於單使用者-多輸入 多輸出系統(SU-MIMO),更能有效地增加頻譜的使用效率。

然而,使用者之間會有相互的干擾(co-channel interference, CCI),此干擾是 影響 MU-MIMO 系統好壞最主要的因素,欲抑制 CCI 傳送端需要知道適當的通 道資訊(channel state information, CSI),而完整的通道資訊取得不易,在實際上, 使用者是透過低速率的回報通道將部份的通道資訊回報給基地台,這些通道資訊 通常包涵了: 前置編碼矩陣指標(Precoder Matrix Indicator, PMI)、通道品質指標

(Channel Quality Indicator, CQI)以及通道矩陣秩指標(Rank Indicator, RI),基地台

在收到各個使用者回報的資訊之後,便可以根據這些資訊作適當的處理以盡量減 少干擾。

MU-MIMO 的最佳設計方法是藉由髒紙編碼(Dirty Paper Coding, DPC)的技

術來達成,其主要的概念是傳送端在傳送資料給多個使用者之前,利用預先編碼 的方式將干擾消除,理論已證明 DPC 為 MU-MIMO 最佳的處理方法[1] ,然而, 使用此方法傳送端需要完整的通道資訊,在實作上是幾乎不可能的。其它的作法

(11)

如 Tomlinson-Harashima 的預先編碼(THP)、向量擾動(Vector Perturbation, VP), 雖然效能上能接近最佳,但卻較易受到通道資訊的準確性而影響效能,所以也不 適合運用在實際系統上。

比較實際的作法是透過整合有效的回報機制、安排適當的使用者以及傳送波 束成型來達成,譬如每個使用者單一速率控制(Per User Unitary and Rate Control,

PU2RC)[2] 、強制歸零半正交使用者選擇(Zero-Forcing with Semi-orthogonal User Selection, ZF-SUS)[3] ,上述兩種方法皆是考慮了有限資料的回報(limited

feedback),意即基地台僅能夠從使用者端得到部份的通道資訊,並利用這些僅有

的資訊進一步的作使用者的安排及傳送的波束成型。

傳統蜂巢式網路系統,使用者通常由其服務的基地台來傳輸資料,當使用者 在靠近基地台的時後通常可以保持不錯的通訊品質,然而當使用者移動到細胞邊 緣時,此時除了因遠離基地台訊號會減弱之外,還會受到來自鄰近細胞訊號的干 擾(inter-cell interference, ICI),造成訊號雜訊比(signal-to-noise ratio, SNR)會大幅 的下降,通訊品質變差。為了解決這個問題,LTE-A 系統提出協調式多點傳送與 接收(coordinated multipoint transmission and reception, CoMP)的技術,CoMP 主要 的概念是相鄰的基地台以彼此互相協調合作的方式來傳送/接收使用者的資料, 其協調的模式大致可分為兩大類: 聯合處理(Joint Processing ,JP)以及協調式排程 及波束合成(Coordinated Scheduling/ Coordinated Beamforming, CS/CB),前者是利 用基地台間資料一起處理的方式來避免 ICI 的發生,後者則是透過安排使用者的 資料傳送時段或決定傳送波束成型的方向來減少 ICI。

本篇論文旨在研究如何將 MU-MIMO 技術整合到場域內 CoMP JP (Intra-Site

CoMP JP) 的系統中。目前 MU-MIMO 技術大多都是考慮單一細胞的處理為主,

為了提升效率我們將之拓展到 CoMP 這樣一個多細胞的系統中。我們藉由 PU2RC 的概念設計了一個多使用者傳統 JP 的系統(MU-CJP)。除此之外,有別於傳統的

JP(CJP),同時我們也提出一個新的 JP (New JP, NJP)處理方法,主要是利用天線

(12)

結合後形成基於天線選擇的多使用者 JP 系統(MU-NJP)。在 NJP 中,因為多了天 線選擇這個自由度,使得系統效能可以變得更好,除此之外,適當地調整天線選 擇的候選數,可將 CoMP 這樣的一個多細胞系統簡化為一個虛擬的單細胞系統, 讓 PU2RC 可以完全地應用在此系統。MU-CJP 以及 MU-NJP 皆是結合 PU2RC 的概念,而 PU2RC 會有使用者安排不足的窘境,為了解決這個問題,我們也提 出二次的回報的機制,讓尚未被安排到的使用者可以作第二次的回報。 本論文其他章節的安排如下:第二章介紹 CoMP 在 LTE-A 系統的背景環境 以及相關規格的介紹,第三章介紹目前現有的 MU-MIMO 技術以及我們如何將 其整合到 CoMP 的系統中,第四章是模擬結果,第五章是結論,最後則是參考 文獻。

(13)

第二章

第二章

第二章

第二章 LTE、

、LTE-A、

、CoMP 規格標準介紹

規格標準介紹

規格標準介紹

規格標準介紹

2.1 LTE/LTE-A 介紹

介紹

介紹

介紹

3GPP 長期演進技術(3GPP Long Term Evolution, LTE),為第三代合作夥伴計 劃標準,使用正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)的 射頻接收技術,以及多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)的分集天 線技術規格,同時支援分頻多工(FDD)以及分時多工(TDD)系統,是 GSM 超越

3G(beyond 3G)與 HSDPA 階段邁向 4G 的進階版本。LTE 在 2010 年 12 月 6 日正

式被國際電信聯盟認定為 4G 的標準。

3GPP 長期演進技術進階版(3GPP Long Term Evolution-Advanced, LTE-A),是

LTE 系統的演進版本,其目的是為了滿足未來無線通訊市場更高的需求及應用,

同時保持對 LTE 系統的向後兼容性(backward compatibility)。LTE-A 採用載波聚 合(carrier aggregation)、上下行天線增強技術(Enhanced UL/DL MIMO)、協調式多 點傳送與接收(coordinate multipoint transmission/reception, CoMP)、中繼技術

(Relay)與異質性網路干擾協調增強(Enhanced Inter -Cell Interference Coordination for Heterogeneous Network)等關鍵技術,能大幅提高無線通訊系統的峰值速率、

頻譜效率以及細胞邊緣使用者的效能,因此 LTE-A 系統成為未來無線通訊發展 的主流之一。以下就 LTE/LTE-A 的設計目標、訊框結構、下行傳輸作簡單的介 紹。

2.1.1 LTE/LTE-A 設計目標

設計目標

設計目標

設計目標

LTE 設計目標

設計目標

設計目標

設計目標

支援多種上行及下行頻寬傳輸 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz 增加上行及下行的尖峰速率

(14)

下行 : 100Mbps 上行 : 50Mbps 支援多種天線設定 下行: 4x2, 2x2, 1x2, 1x1 上行: 1x2, 1x1 支援高速移動環境 時速小於 15km/hr 可達最佳系統效能 時速 120km/hr 可維持高系統效能 最高時速可支援到 350km/hr 更好的頻譜使用效率 下行: 3 to 4 x HSDPA Rel. 6 上行: 2 to 3 x HSUPA Rel. 6 覆蓋範圍 5km 內可維持最佳效能 5km-30km 部份效能減損 標準制定上需考慮至少須達 100km 之覆蓋範圍 可和 GSM/HSPA/WCDMA 同時存在並且是 All IP 網路系統

LTE-A

設計目標

設計目標

設計目標

設計目標

峰值資料傳輸率 下行:1Gbps 上行:500Mbps 頻譜使用效率 頻譜使用效率須達 LTE 系統的 3 倍 峰值頻譜使用效率

(15)

下行:30bps/Hz 上行:15bps/Hz 延遲 從待機到連線時間須少於 50ms 細胞邊緣使用者的吞吐量 須為 LTE 系統的兩倍 使用者平均的吞吐量 須為 LTE 系統的三倍 移動速度 同 LTE 系統 兼容性 LTE-A 需要能夠和 LTE 及其他 3G 系統共存

2.1.2 LTE/LTE-A 訊框結構

訊框結構

訊框結構

訊框結構

LTE/LTE-A 標準制定基本的時間長度為 Ts=1/15000/2048 秒,上下行傳輸皆 是以訊框(frame)為單位,單一訊框共 Tf=307200xTs=10 毫秒。目前支援兩種訊 框結構:

類型

類型

類型

類型一

一:

::

:應用在

應用在

應用在

應用在 FDD 系統的訊框結構

系統的訊框結構

系統的訊框結構

系統的訊框結構

第一種類型的訊框可應用在半雙工(half-duplex)以及全雙工(full-duplex)的 FDD 系統中。一個訊框長度為 10ms,包涵 10 個子訊框(subframe),共 20 個時 槽(slot),因此每個子訊框為 1ms,每個時槽為 0.5ms,完整的結構如下圖所示:

(16)

圖 2-1:FDD 訊框結構

類型

類型

類型

類型二

二:

:應用在

應用在

應用在 TDD 系統的訊框結構

應用在

系統的訊框結構

系統的訊框結構

系統的訊框結構

訊框長度同類型一為 10ms,包涵 10 個子訊框,每個子訊框 1ms,其中子訊 框-1 及子訊框-6 稱為特別子訊框,包涵了三個部份:

DwPTS (downlink pilot time-slot) GP(Guard period)

UpPTS(Uplink pilot time-slot)

(17)

2.1.3

LTE/LTE-A 下行傳輸

下行傳輸

下行傳輸

下行傳輸

實體通道及實體層訊號

實體通道及實體層訊號

實體通道及實體層訊號

實體通道及實體層訊號:

LTE/LTE-A 系統定義了下列的下行實體通道:

實體層分享通道(Physical Downlink Shared Channel, PDSCH) 實體層廣播通道(Physical Broadcast Channel, PBCH)

實體層多點傳送通道(Physical Multicast Channel, PMCH)

實體層控制格式指標通道(Physical Control Format Indicator Channel,

PCFICH)

實體層控制通道(Physical Downlink Control Channel, PDCCH)

實體層混合式自動重送通道(Physical Hybrid ARQ Indicator Channel, PHICH)

LTE/LTE-A 系統定義了下列的下行實體訊號: 參考訊號(Reference Signal, RS) 同步訊號(Synchronization Signal, SS)

時槽結構與實體資源單元

時槽結構與實體資源單元

時槽結構與實體資源單元

時槽結構與實體資源單元

LTE/LTE-A 資源網格結構如圖 2-3 所示,其中最小的時間-頻率單元為一個

資源元素(resource element, RE),多個資源元素可組合成一個資源區塊(resource

block, RB),資源區塊是 LTE/LTE-A 系統裡最小的資源分配單位,其大小由

RB sc DL RBN

N 個子載波以及NsymbDL 個 OFDM 符元所決定,依照不同的應用,NsymbDL 、 RB sc N 以及 DL RB N 會有不同的設定(表 2-1、表 2-2)。

(18)

DL symb N slot T 0 = l DL 1 symb− =N l R B sc D L R B N N × RB sc N RB sc DL symb N N × ) , (k l 0 = k 1 RB sc DL RB − =N N k 圖 2-3:下行鏈路資源網格 Bandwidth (MHz) 1.4 3 5.0 10.0 15.0 20.0 Number of available physical

resource blocks 6 15 25 50 75 100 Number of occupied

subcarriers 72 180 300 600 900 1200 IDFT(Tx)/DFT(Rx) size 128 256 512 1024 1536 2048 Sampling rate[MHz] 1.92 3.84 7.68 15.36 23.04 30.72 Samples per slot 960 1920 3840 7680 11520 15360

(19)

Configuration RB sc N DL symb N Normal cyclic prefix kHz 15 = ∆f 12 7 Extended cyclic prefix kHz 15 = ∆f 6 kHz 5 . 7 = ∆f 24 3 表 2-2:實體層資源區塊參數

下行實體通道一般結構

下行實體通道一般結構

下行實體通道一般結構

下行實體通道一般結構

如下圖所示,用以表示下行實體通道的基頻訊號由以下幾項步驟所產生: 圖 2-4:下行實體通道架構 打亂(scrambling) 調變(modulation)

Physical channel Modulation schemes

PDSCH QPSK, 16QAM, 64QAM PMCH QPSK, 16QAM, 64QAM 表 2-3:下行實體通道調變方法 傳輸層對應(layer mapping) 傳輸層對應大致可分為兩種,一種是為了達到空間上的多工(spatial multiplexing)所作的層對應,另一種則是為了達到傳送的多樣性(transmit diversity),對應方式如表 2-3、表 2-4:

(20)
(21)

表 2-5:傳送多樣性傳輸層對應 前置編碼(precoding) 可分為空間多工的前置編碼以及傳送多樣性的前置編碼: 空間多工的前置編碼: 工作在 MIMO 天線配置下,能夠在不增加頻寬的條件下,相比 SISO 系統成倍地提升資訊傳輸速率,從而極大地提高了頻譜利用率,由下列關 係所定義:           =           − − () ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 ( ) 0 ( ) 1 ( ) 0 ( i x i x i W i y i y P υ ⋮ ⋮ , 其中 x 代表分層對應後的符元向量,W 是前置編碼器,y則是經過編 碼之後的符元向量。而前置編碼器W 通常透過碼書(codebook)來選擇, LTE 分別對兩個天線阜及四個天線阜的系統提出了相對應的碼書: 表 2-6:兩個天線阜的空間多工碼書

(22)

表 2-7:四個天線阜的空間多工碼書

2 H / H .

n n n n n

(23)

傳送多樣性的前置編碼: 傳送多樣性是利用發射或接收端的多根天線所提供的多重傳輸途徑 發送相同的資料,以增強資料的傳輸品質。LTE/LTE-A 支援兩個及四個天 線阜的傳送多樣性的前置編碼: 兩個傳送天線阜的傳送多樣性的前置編碼:

(

)

( )

(

)

( )

                         − − =               + + ) ( Im ) ( Im ) ( Re ) ( Re 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 2 1 ) 1 2 ( ) 1 2 ( ) 2 ( ) 2 ( ) 1 ( ) 0 ( ) 1 ( ) 0 ( ) 1 ( ) 0 ( ) 1 ( ) 0 ( i x i x i x i x j j j j i y i y i y i y

,fori=0,1,...,Msymblayer−1 with Msymbap =2Msymblayer.

四個傳送天線阜的傳送多樣性的前置編碼:

(

)

( )

(

)

(

)

(

)

( )

(

)

(

)

                                                                           − − − − =                                                     + + + + + + + + + + + + ) ( Im ) ( Im ) ( Im ) ( Im ) ( Re ) ( Re ) ( Re ) ( Re 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 1 ) 3 4 ( ) 3 4 ( ) 3 4 ( ) 3 4 ( ) 2 4 ( ) 2 4 ( ) 2 4 ( ) 2 4 ( ) 1 4 ( ) 1 4 ( ) 1 4 ( ) 1 4 ( ) 4 ( ) 4 ( ) 4 ( ) 4 ( ) 3 ( ) 2 ( ) 1 ( ) 0 ( ) 3 ( ) 2 ( ) 1 ( ) 0 ( ) 3 ( ) 2 ( ) 1 ( ) 0 ( ) 3 ( ) 2 ( ) 1 ( ) 0 ( ) 3 ( ) 2 ( ) 1 ( ) 0 ( ) 3 ( ) 2 ( ) 1 ( ) 0 ( i x i x i x i x i x i x i x i x j j j j j j j j i y i y i y i y i y i y i y i y i y i y i y i y i y i y i y i y

,for i=0,1,...,Msymblayer−1 with

(

)

    ≠ − = = 0 4 mod if 2 4 0 4 mod if 4 ) 0 ( symb layer symb ) 0 ( symb layer symb ap symb M M M M M

資源元素對應(resource element mapping) 產生 OFDM 訊號(OFDM signal generation)

(24)

2.2 CoMP

介紹

介紹

介紹

介紹

LTE/LTE-A 系統其中一項重要的訴求為高資料傳輸率,當使用者距離基地台 不遠時,通常可以達到此項訴求,然而當使用者距離基地台越來越遠時,效能就 很難維持,特別是位於細胞邊緣的使用者,除了接收到來自服務基地台的訊號強 度減弱,且容易受到臨近細胞基地台的干擾。對此 LTE-A 提出了 CoMP 這項重 要技術,CoMP 是指多個在地裡位置上分開的基地台,彼此透過動態的協調傳送 與接收,以增強訊號並減少干擾的發生,使得整個系統的效能變好且資源的使用 更有效率,讓使用者享有更好的服務品質,CoMP 的實現有四種方案(scenario), 如下所述。

2.2.1 CoMP

方案

方案

方案

方案

方案一:

場域內的 CoMP(intra-site CoMP) ,應用在同質性網路(homogeneous

network)。

eNB

Coordination area

(25)

方案二:

場域間的 CoMP(inter-site CoMP),應用在同質性網路(homogeneous network)。

High Tx

power RRH

Optical fiber

圖 2-6:CoMP 方案二:場域間 CoMP,同質性網路 方案三、方案四: 方案三、方案四皆是在大細胞(macro cell)的範圍內,大功率的基地台搭配多 個低功率的遠方無線電傳送端(remote radio head; RRH),RRH 之間則是以光纖連 接,應用在異質性網路(heterogeneous network)。兩個方案的區別在於大功率的基 地台與 RRH 是否使用相同的細胞身份(cell id),在方案三中採用相同的細胞身 份,而方案四則是使用不同的細胞身份。

Low Tx power

RRH

(Omni-antenna)

eNB

Optical fiber

圖 2-7:CoMP 方案三、四,大功率的基地台搭配低功率的 RRH,異質 性網路

(26)

2.2.2

CoMP 類別

類別

類別

類別

聯合處理

聯合處理

聯合處理

聯合處理(Joint Processing, JP)::::

資料由 CoMP 合作集(CoMP cooperating set)裡的一個或多個傳送點傳送給 使用者,傳送點間資料透過共同處理的方式來處理訊號,以避免干擾的發生,JP 主要有下列幾種模式: 聯合傳輸(Joint Transmission, JT): 在一時間-頻率的資源裡,資料由多個傳送點(部份或整個 CoMP 合作 集)共同傳送給一個或多個使用者,如此一來,不但接收到的訊號增強了, 而且原本鄰近細胞基地台的干擾訊號也消失了,因此能有效地提昇使用者的 效能。接收端在收到不同基地台傳送的訊號時,有下列兩種處理方法: 同調(Coherent)-JT:使用者以同調的方式結合各個基地台傳送的訊號, 使用同調-JT 需要額外知道基地台間相位的資訊才能夠將訊號有效地 結合。同調-JT 在目前 CoMP 所有方案皆能夠提供不錯的效果。 非同調(Non Coherent)-JT: 使用者以非同調的方式結合各個基地台傳 送的訊號,不需要知道基地台間相位的資訊,因此可以減少回報的開銷。 動態傳送點選擇(Dynamic Point Selection; DPS):

在一時間-頻率的資源裡,資料由 CoMP 合作集裡的單一傳送點傳送資 料給使用者,這意味著使用者可從 CoMP 合作集裡的任一個傳送點得到資 料,DPS 即是動態的選擇傳送點,而傳送點的選擇可由當前的通道狀況決 定,目前有兩種決定的模式: 使用者先決(UE Centric):使用者根據其通道狀況自行決定對其最佳的 傳送點,並將此資訊回報給基地台。 網路先決(Network Centric):使用者回報相關的通道資訊給基地台,基 地台整合各個使用者回報的資訊之後再分配不同的傳送點給不同的使

(27)

用者。 目前由各家公司模擬出來的結果,DPS 能夠在方案 3、方案 4 這種異質性的 網路上會有不錯的效能,但是在方案 1、方案 2 這類同質性的網路上效果有 限。

協調式排程及波束合成

協調式排程及波束合成

協調式排程及波束合成

協調式排程及波束合成(Coordinated Scheduling/Beamforming,

CS/CB)

資料由 CoMP 合作集裡的單一傳送點傳送給使用者,傳送點間經由協調合 作的方式來安排使用者的資料傳送時段或決定傳送波束成型的方向,以盡量減少 干擾。CS/CB 能夠提供不錯的系統效能,且其對於網路幹線(backhaul)的要求沒 有像 JT 或 DPS 那麼高。 表 2-8 整理 JT、DPS、CS/CB 效能表現以及應用需求的比較表: JT DPS CS/CB 效能 高 低 中 回報開銷 高 高 高 對於時間或頻率上同步的要求 高 高 低 網路幹線的需求 高 高 中 適合應用的方案 1, 2, 3, 4 3, 4 1, 2, 3, 4 相關的相位資訊 需要 不需要 不需要 表 2-8:CoMP 各種類別比較

2.2.3

CoMP 集合

集合

集合

集合

CoMP 合作集(CoMP Cooperating Set)

CoMP 合作集是指在一時間-頻率的資源裡,地理位置上分開的傳送點

(28)

直接參與:確實傳送訊號的傳送點。

非直接參與:候選的傳送點並不傳送資料,而是協助整個合作集合作使 用者的安排或傳送波束成型的決斷。

CoMP 傳送點(CoMP transmission points)

傳送資料給使用者的一個或多個的傳送點,因此 CoMP 傳送點在定義 上為 CoMP 合作集的一個子集合。

對於 JT:CoMP 傳送點可能包涵了 CoMP 合作集裡的多個傳送點。 對於 CS/CB、DPS:CoMP 傳送點僅是 CoMP 合作集裡的某單一傳送點。

CoMP 測量集合(CoMP Measurement Set)

使用者必須回報、測量通道資訊(channel state information, CSI)的傳送點集 合。

2.2.4

下行

下行

下行

下行 CoMP 的通道資訊回報方式

的通道資訊回報方式

的通道資訊回報方式

的通道資訊回報方式

CoMP 回報機制大致可分為兩大類:

外顯式的通道資訊/通道統計特性的回報(explicit channel state/statistical

information feedback)

在假設沒有傳送/接收處理之下,接收機對於每一個在 CoMP 量測集合 裡的傳送點,回報其通道的特性。通道特性包涵通道矩陣、通道共變異數… 等資訊。

隱含式的通道資訊/通道統計特性的回報(implicit channel state/statistical

information feedback)

基於不同的假設之下,接收機對於每一個在 CoMP 量測集合裡的傳送 點,回報各種不同的傳輸格式(譬如:PMI,CQI,RI)。使用者應基於下列一種 或多種假設的組合作適當的回報:

(29)

單細胞/單傳送點或合作式傳輸

- 單點傳輸(CS/CB、DPS)或多點傳輸(JT) 前置編碼器

- JT:多個單傳送點的 PMI 以及傳送點間的振幅/相位資訊或多點聚

合(multi-point aggregated)的 PMI 回報以攫取不同傳送點間同調或 不同調的資訊 - CS/CB 與 DPS:多個單傳送點或多個傳送點的 PMI 的回報 CQI 回報

2.2.5

CoMP 集合的決定方式

集合的決定方式

集合的決定方式

集合的決定方式

CoMP 測量集的管理可基於上行 SRS/DMRS/PUCCH 傳送或下行 RRM 的測 量(譬如 RSRP/RSRQ 資訊),其他基於 CRS 或 CSI-RS 的測量也可以納入考慮。

2.2.6 場域間

場域間

場域間/

場域間

//

/場域內網路幹線的支援

場域內網路幹線的支援

場域內網路幹線的支援

場域內網路幹線的支援

CoMP 各種方法,基地台間需要交換資訊,根據不同的傳送方法或方案,對 於網路幹線的容量以及延遲的要求有不同的限制。CoMP 方案 1 是場域內的 CoMP,其對於幹線的需求較小,而其他 CoMP 方案對於幹線的需求則有比較大 的限制。以下為網路幹線主要的考量: 延遲的需求 CoMP 必需要和混和式自動重傳機制(HARQ)作整合,因此幹線的延遲 長度會對其有很大的影響,一般會希望最大的延遲時間為 1ms。 若幹線的延遲過大,會造成基地台間所交換的資訊容易過時。譬如考慮 X2 幹線 6ms 的延遲就會造成部份的效能減損。另外如在下行 CoMP JT 模式之下,5ms 的延遲就會造成 20%的系統容量減損。

(30)

容量的需求 不同的 CoMP 方法對於幹線容量的需求差異極大,從幾個 Mbps 到 4Gbps 的需求都有。 通常 JP(包涵 JT 以及 DPS)對於幹線的需求較大,而 CS/CB 對於幹線 的要求比較沒有那麼嚴格。 線路類型 點對點的光纖線路能夠提供零延遲、高容量的優點 現有佈設的 X2 線路亦可以考慮使用

(31)

第三章

第三章

第三章

第三章

多使

多使

多使

多使用者協調式多點傳送與接收

用者協調式多點傳送與接收

用者協調式多點傳送與接收

用者協調式多點傳送與接收(

((

(Multiuser CoMP))))

在多天線廣播通道的環境之下,多個使用者可以利用空間上的自由度同時在 同頻帶傳輸資料。理論上最佳的多使用者系統可以藉由髒紙編碼(Dirty Paper Coding, DPC)的方法來達成,但是欲實現 DPC 傳送端需要知道完整的通道資訊, 因此在現實環境中並不適用。比較可行的作法是透過整合有效的回報機制、安排 適當的使用者以及傳送端的波束成型來達成,譬如 PU2RC、ZF-SUS 等,皆能在 有限的回報的環境之下提供不錯的效果。本篇論文將 PU2RC 的概念整合到場域 內 CoMP JP 的系統中,提出了一些多使用者處理方法,以下就這些方法作討論 與介紹。

3.1 多使用者多輸入多輸出系統

多使用者多輸入多輸出系統

多使用者多輸入多輸出系統

多使用者多輸入多輸出系統

圖 3-1:多使用者多輸入多輸出系統 圖 3-1 為 MU-MIMO 的基本架構,基地台將多使用者的資料作預先編碼後傳 送出去,因此每一個使用者會收到自己的資料以及其它使用者的資料,然而其它 使用者的資料並不是自己所想要收到的資訊,因此這些多餘的資訊即稱為使用者 間的干擾(CCI),為了要將干擾控制在可接受的範圍,使用者利用基地台所傳送 的參考信號(reference signal, RS)來估計當前的通道狀況,將量化過後的通道資訊 利用低速率的回報通道回傳給基地台,基地台再利用這些資訊作相對應的處理以 抑制干擾。

(32)

通道資訊通常包涵了前置編碼矩陣指標(PMI)、通道品質指標(CQI)以及通道 矩陣秩指標(RI),PMI 可以提供方向性,讓基地台可以盡量將訊號轉向使用者的 方向;CQI 則是用來表示使用者目前的通道品質,使用者根據其所估計的 SINR 來回報 CQI,基地台根據不同的 CQI 會使用不同的調變以及編碼方式;而 RI 是 用來指示基地台使用多少個資料傳輸層傳遞資料較為適當。 在收到各個使用者回報的資訊以後,基地台必需要能夠利用這些有限的通道 資訊作最有效率的處理。有效的回報機制、安排適當的使用者以及其相對應前置 編碼器是在設計多使用者系統需要關心的重點。在以下的章節中將會介紹基於有 限資料回報之下所設計的多使用者系統,並且進一步地將多使用者系統整合到場 域內 CoMP JP 的環境中。

3.1.1

訊號系統模型

訊號系統模型

訊號系統模型

訊號系統模型

如圖 3-1 所示,假設基地台設置Nt根傳送天線,而接收端均為單根天線的行 動裝置,基地台從K個單天線的使用者中挑選出最多Nt個使用者來做資料的傳 送。基地台利用傳送波束成型的技術,分配波束成型向量給與傳輸資料的使用 者,而波束成型向量

{ }

n 1 t N = n w 是從多個正交向量的集合所挑選出來,因此使用者 的資料皆是載在彼此正交的通道上做資料的傳送。假設每一個使用者都分配相同 的傳送能量,則第k個使用者所接收到的訊號可以表示為: † † † . k k n n k n S t k k k k i i k i k t P y s n N P s s n N ∈ ≠ = +   =  + +  

h w h w h w (3.1) 上式所用到的符號定義如下:

(33)

(

)

1 1 2 2 : E 1 . † : 1 ~ (0,1) : : : : : : : t t k k k k k N k t N C s s y C n AWGN n CN P N S × × ∈  =   = ∈ k k k k h h w w w 傳送天線數,亦為最大可安排使用者的數目 使用者下行通道, 傳送訊號, 接收訊號 共軛轉置符號 波束成型向量, , 安排傳送資料的使用者集合 相加性白色高斯雜訊 , 總傳送能量 由式子(3.1)可以知道,對於使用者k而言,h wkkxk是所欲收到的訊號,而 † k i i i k x

h w 則是來自其他使用者的干擾,因此利用訊號對干擾加上雜訊的比值

(Signal to Interference Plus Noise Ratio, SINR)即可衡量使用者k所收到的訊號品 質。

3.1.2 PU2RC (Per User Unitary and Rate Control)[2] [10]

PU2RC 這項多使用者處理的方法在 2006 年 3GPP-LTE 標準的會議上提出, 其主要的特點為有限資料的回報,支援多使用者資料的傳輸,以及能夠有效的運 用使用者的多樣性。PU2RC 使用正交波束成型的技術,讓使用者從多個正交基 底集合所建構的碼書選擇一個最佳的波束成型向量。基於以上特點,PU2RC 已 成為 3GPP-LTE 高速下行通道有可能的解決方案之一。 為了方便分析 PU2RC,以下僅針對第k個使用者作討論,相同分析亦可套 用到其他使用者。假設第k個使用者可以完美地估計其通道hk,我們可以將通道 k h 分解成兩個部份:hk =gkdk,其中gk = hk 代表通道增益的大小,而 k k k = h d h 則代表通道的方向,而使用者將其量化過後的通道回報給基地台,回報的資訊包 涵了通道方向dk(作為 PMI)以及 SINR(作為 CQI)。

(34)

假設F代表碼書,V( )mCNt×Nt代表碼書的第 m 個正交基底,M 代表正交基底集 合的個數(也就是說碼書可以由M 個正交子碼書組成),vn(m)代表在第 m 組正交基 底的第 n 個波束成型向量,N = F =M×Nt 代表碼書的大小,因此碼書可以表 示為: ( )

{

}

{

}

( ) 1 m (1) ( ) (1) (1) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 1 1 . M m m M F V V V V = = = … …       = …… t m …… mt M …… Mt N N N v v v v v v

, , , , , , , , (3.2) 使用者從碼書裡挑選一個和自己通道方向最為接近的波束成型向量,用以當 作量化過後的結果,挑選的準則可以由下列的數學式子表示:

(

)

2 2

(

(

)

)

2 arg min ( , ) , 1 , . F k d d sin

sin

θ

∈ = = − = = k k v k k k d v d v d v d v d (3.3) 所以我們是從碼書裡挑選一個與dk夾角最小的波束成型向量 v,,,,如此一來量 化過後的通道方向d 會與原本的通道方向最為接近,失真最小。由(3.3)式可知,k 量化誤差的大小為 2

(

(

)

)

, k ε =sind dk k ,若dkd 完全平行則k ε =0,代表完全 沒有誤差;反之,若dkd 完全正交則k ε =1,此時量化誤差最大。使用者將量化 過後的通道方向d ,透過低速率的回報通道回傳給基地台。碼書是基地台與使k 用者事前就已規範好的一組正交基底集合,因此我們只需要回報d 的指標即k 可,對於每一個使用者,回報d 所需要的位元數為k log N2 。 圖 3-2:通道方向與量化過後通道方向

(35)

除了通道方向的量化之外,使用者還必須要回報 SINR 這項資訊給基地台, 讓基地台知道目前的通道品質為何。對於正交波束成型而言,SINR 值可以經由 下列式子準確地計算出來:

(

)

2 2 2 , . 1 k k k k t k k k SINR = N P ρ ρ ρ = − + k k h h w h h (3.4) 證明: 假設使用者可以完美地估計其通道hk,由(3.1)式可知第k個使用者所接收到 的訊號可以表示為: † † k k k k k i i k i k t P y x x n N ≠   =  + + h w

h w  ,因此訊號對干擾加上雜 訊的比值可以寫成, † 2 † 2 2 k k t k k i n i k t P N SINR P N ≠ σ = +

h w h w (3.5)

{

}

2 2 † † † 2 † 2 [ ... ] , k t k k k k n t P N P WW N W σ − + = t k k k 1 N h h w h w w h h h w ≜ (3.6) 2 2 2 2 2 † 2 † † , k t k k k k n t k P N WW I P N

σ

= =     − × +       k k k h h w h h h h w h (3.7)

(

)

† 2 2 † 2 2 2 , 1 , k t k k k k k k k n t P N cos P N ρ ρ ∠ ρ σ    =      − + = k k k h h h w w h h h(3.8)

(

)

(

)

2 2 2 2 2 , 1. 1 1 1 k k t n t k k k k t P N = P N N P ρ ρ σ ρ ρ − + − + = = k k h h h h (3.9)

(36)

其中 † 2 k k k ρ ≜ d w 代表原本的通道與量化過後的通道之間的相關性,所以 0≤

ρ

k ≤1,當相關性越高,通道量化誤差也就越小,基地台越能夠將資料打向使 用者的方向,使用者才能擁有較好的 SINR 值。 根據上述的回報方法,各個使用者回報量化過後的通道資訊給基地台,基地 台在收集到使用者回報的資訊以後,便可以安排欲傳送的使用者以及計算其對應 的波束成型向量。為了要達到最好的系統效能,基地台需要透過完整搜尋的方式 來尋找一組最佳的使用者,然而,當系統使用者人數非常多的時候,完整搜尋是 非常耗時且沒有效率的。對此,PU2RC 提出一個簡單的演算法來完成使用者的 安排與前置編碼的選擇。 演算法第一個步驟是波束成型向量的分配。考慮碼書內的任一個波束成型向 量 ( ) Fm n v ,此向量有可能是多個使用者量化過後的結果,將使用此向量的使用 者集合表示為, ( )

(

)

(

)

( )

{

}

( ) ( ) {1 | } 1 | , , , , . m n I k K k K d d F = ≤ ≤ = = ≤ ≤ < ∀ ∈ ≠ m k n m m n k k n d v v d v d v v v (3.10) 而波束成型向量 (m) n v 是分配給使用者集合In( )m 中擁有最大 SINR 的使用者,意即, ( ) ( ) arg max m n m n k k I i SINR ∈ = (3.11) ( ) ( ) max m n m n k k I γ SINR ∈ = (3.12) 若 ( )m n I = ∅,則vn(m)將不分配給任一個使用者,且 ( ) γm 0 n = 。 演算法第二個步驟是前置編碼器的選擇,基地台從

{

( )1 ( )m ( )M

}

V , ,… V , ,… V 中 挑選一個能夠讓系統容量最大的正交基底來當作前置編碼器,即 ( ) 2 1 1

arg max log (1 ).

t N m n m M n m γ ≤ ≤ = =

+ (3.13) 當前置編碼器決定了以後,同時間也就完成了使用者的安排,即安排集合

(37)

( ) {inm |1≤ ≤n Nt}的使用者使用 ( )m V 這組正交基底,做同時間同頻率資料的傳送。 根據上述之演算法,PU2RC 的平均系統吞吐量可由下列式子求得: ( ) ( ) † 2 1 1 2 2 2 † 2 2 1 1

R E max log (1 max )

E max log 1 max . 1 t m n t m n N k m M n k I k N k m M n k I t k k k SINR N P ≤ ≤ = ∈ ≤ ≤ =   =  +                  =  +                           +         

k k k h h w h h h w h (3.14)

3.1.3 基於二次回報的

基於二次回報的

基於二次回報的 PU2RC (PU2RC-T)

基於二次回報的

如前一個章節所述,PU2RC 具有支援有限制的回報、準確的 SINR 計算、有 效使用使用者多樣性等優點,然而,PU2RC 的演算法卻會有使用者安排不足的 窘境。為了解決這個問題,我們假設基地台在做完第一次的使用者安排以後,將 前置編碼器內尚未被使用到的波束成型向量,藉由廣播的方式,通知尚未被安排 到的使用者作第二次的回報,由於第二次的回報是針對特定的波束成型向量作回 報,因此能夠使得大部分的字碼都能夠分配給使用者,所以在作使用者安排時會 更有效率。 假設

{

in( )m |1≤ ≤n Nt

}

與 ( )m V 分別代表第一次安排之使用者集合與所選擇之前 置編碼器,定義In ≜{1≤ ≤n N it| n( )m = ∅}為尚未被使用之波束成型向量指標集, 則基地台需要廣播使用者作第二次回報的條件為: ( )

{

m

}

{

}

| . 1 1 . n n t I S i n N S k K ≠ ∅ − ≤ ≤ ≠ ∅, = ≤ ≤ (3.15) 意即當仍有未被使用的波束成型向量可供其它使用者使用時,基地台便將尚 未被使用的波束成型向量廣播出去,讓尚未被安排到的使用者作第二次的選擇與 回報,即是使用者集合

{

S

{

in( )m |1≤ ≤n Nt

}

}

對波束成型向量

{

( )| nIn

}

m n v 作第二

(38)

次的回報。 在經過使用者第二次的回報以後,基地台將同樣將

{

( )| nIn

}

m n v 分配給擁有最 大 SINR 的使用者,並同樣使用 ( )m V 這組正交基底作為前置編碼器。藉由二次回 報,基地台便能盡可能地將波束成型向量分配給使用者使用,因此能更有效率地 安排使用者。

3.2 傳統

傳統

傳統多使用者

傳統

多使用者

多使用者

多使用者聯合處理系統

聯合處理系統

聯合處理系統

聯合處理系統(MU CJP)

如第二章所介紹,CoMP 共有四種方案、兩個大類別,在 3GPP LTE/LTE-A 會議的討論中,MU-CoMP JP 系統已被認定為能夠在 CoMP 各種方案中提供不錯 的效果,然而目前最終的處理方法仍未確定。因此在本篇論文中將討論在場域內 CoMP 的環境之下,多使用者 CoMP JP 系統的處理方法。

3.2.1

CoMP 系統

系統

系統

系統環境

環境

環境

環境

eNB Coordination area 圖 3-3:CoMP 方案一:場域內 CoMP

如圖 3-3 所示,場域內 CoMP 的合作區域為由三個細胞(cell)組成的區塊,一 個細胞有一個傳送點,每一個傳送點可設置四根方向性天線。使用者根據其所量 測的參考信號強度(reference signal receive power, RSRP),來決定是否要不要加入

CoMP,一旦決定要加入 CoMP,則使用者必須決定其 CoMP 合作集,以及 CoMP

測量集回報相關的通道資訊,為了分析方便,在此假設 CoMP 合作集與 CoMP 測 量集為相同的集合。對於使用者 k而言,若第 i 個細胞屬於其 CoMP 合作集/

(39)

測量集,則必須滿足下列條件:

_ _ .

cell serving cell i

RSRPRSRP <threshold (3.16) 上式所透露的訊息是,如果第i個細胞和原本服務基地台的參考信號強度差 異小於某個門檻值,則在沒有合作的情況之下,使用者很容易會受到來自第i個 細胞的干擾,為了避免這樣的情形發生,將第i個細胞納入其 CoMP 合作集/測量 集是合理的作法,如此一來可以有效的避免干擾。門檻值在不同的環境之下有不 同的設定方法,對於場域內 CoMP,6dB、9dB 皆是可以考慮的門檻值[11] 。由 (3.16)式我們可以定義使用者的 CoMP 合作集/測量集:

{

i| cell serving_ cell i_

}

.

Τ = cell RSRPRSRP <threshold (3.17) 另外,由(3.17)式,我們可以定義 CoMP 與非 CoMP 的使用者。以Τ 代表 CoMP 合作集/測量集內細胞個數。若Τ =1,則代表使用者僅由其所服務的傳送 點傳遞資料,並沒有加入 CoMP,因此使用者是一個非 CoMP 使用者,若Τ >1, 則代表多個傳送點彼此協調合作傳送資料給使用者,因此使用者是一個 CoMP 使用者。在一般的情況之下,CoMP 使用者通常都是那些較靠近細胞邊緣的使用 者,因此容易受到鄰近細胞的干擾,而藉由 CoMP 的機制,可以改善其訊號品 質。

在 PMI 的回報上,我們使用 LTE Rel.8 的單一傳送層的字碼作為多使用者

CoMP JP 系統的碼書,其中藉由觀察可以發現,每四個字碼間彼此有正交關係, 因此我們可以設定四組正交基底: { } { } { }

{

}

{ } { } { }

{

}

{ } { } { }

{

}

{ } { } { }

{

}

1 1 1 (1 ) {1} 0 1 2 3 1 1 1 ( 2 ) {1} 4 5 6 7 1 1 1 ( 3 ) {1} 8 9 1 0 1 1 1 1 1 ( 4 ) {1} 1 2 1 3 1 4 1 5 . V W W W W V W W W W V W W W W V W W W W = = = = (3.18)

(40)

在 CQI 的回報上,LTE 共制定 16 種調變以及編碼的方法,使用者將根據其 所估計的 SINR,挑選一個最適合的 CQI 指標回報給基地台,如表 3-1 所示:

CQI index modulation code rate x 1024 efficiency 0 out of range 1 QPSK 78 0.1523 2 QPSK 120 0.2344 3 QPSK 193 0.3770 4 QPSK 308 0.6016 5 QPSK 449 0.8770 6 QPSK 602 1.1758 7 16QAM 378 1.4766 8 16QAM 490 1.9141 9 16QAM 616 2.4063 10 64QAM 466 2.7305 11 64QAM 567 3.3223 12 64QAM 666 3.9023 13 64QAM 772 4.5234 14 64QAM 873 5.1152 15 64QAM 948 5.5547 表 3-1:4 個位元組的 CQI 對應表

(41)

3.2.2 訊號系統模型

訊號系統模型

訊號系統模型

訊號系統模型

圖 3-4:傳統多使用者聯合處理系統 如圖 3-4 所示,MU CJP 是透過多個傳送點以資料共同處理的方式,在同一 時間以及同一頻率上讓多個使用者傳輸資料,由於鄰近傳送點的資料在 CoMP 的機制之下變成了有用的訊號,因此細胞間干擾的問題就得以解決了,所以我們 接下來要處理的問題便是多使用者之間的干擾。 假設各傳送點均設有四根方向性天線,而使用者都是單天線的行動裝置, 且使用者之間沒有合作關係,則第k個使用者所收到的訊號可以表示為: j , , , j 1 i 1 † . n c t N N k MU CJP k j i j i k t P y s N − = = =

h w + (3.19) 上式中符號的定義如下: 2 1 , , CoMP 1 : : : : : † : t c j t N i j i j N N j k j P j × = ∈ k, j i, j h w w w 傳送天線數,亦為最大可安排使用者的數目 合作集/測量集內傳送點個數 傳送點 到使用者 的下行通道 傳送點 到使用者i的波束成型向量 共軛轉置符號 來自第 個傳送點的能量 C , , 在場域內 CoMP 的環境下,天線方向偏離使用者較遠的傳送點對於使用者幫 助並不大,因此在本篇論文中均假設兩個傳送點的協調合作,即Nc=2。

(42)

3.2.3 基於最差情況回報的傳統多使用者

基於最差情況回報的傳統多使用者

基於最差情況回報的傳統多使用者聯合處理

基於最差情況回報的傳統多使用者

聯合處理

聯合處理

聯合處理系統

系統(MU CJP

系統

系統

(MU CJP

(MU CJP

(MU CJP-

--

-W)

W)

W)

W)

使用者必須向其 CoMP 測量集回報相關的通道資訊,因此除了原本服務的傳 送點之外,亦必須回報其它合作點的通道資訊,各個傳送點在彙整所有資訊之後 上傳到 eNB 中央處理單元,作統籌性的協調處理。如 2.2.4 節所述,使用者大致 上需要回報通道方向(PMI)以及 SINR(CQI)這兩項通道資訊。 利用 3.1.2 節所描述的方法,為服務的傳送點以及合作的傳送點各挑選一個 波束成型方向。對於使用者k,其需要回報的 PMI 可以寫成:

{

, ,

}

, , , , , ,

PM I

arg m in

(

)

arg min

(

)

k k serving k coordination k serving k serving F k serving k coordination k coordination F k coordination

,

,

d

,

d

∈ ∈

=

=

=

v v

w

w

h

w

v

h

h

w

v

h

(3.20)

CQI 必須要根據使用者所估計的 SINR 來作回報,SINR 的估計方法如下:

由(3.19)式可知第k個使用者所收到的訊號為, † † † † † † , j , , j 1 i 1 2 j , , j 1 i 1 1 2 ,1 ,1 ,2 ,2 i 1 i 1 1 2 1 2 ,1 ,1 ,2 ,2 ,1 ,1 ,2 ,2 † † n n n c t t t t k MU CJP N N k j i j i k t N k j i j i k t N N k i i k i i k t t k k k k k k i k i i k i k t t t t y P s N P s N P P s s N N P P P P s s N N N N − = = = = = = ≠ ≠ = + = + = + +     = +  + +     

h w h w h w h w h w h w h w h w i+n .k (3.21) 因此,SINR 可以由下列式子來計算: 2 1 2 ,1 ,1 ,2 ,2 , 2 2 1 2 ,1 ,1 ,2 , † † † † 2 . k k k k t t k MU CJP k i k i n i k t t P P N N SINR P P N N σ − ≠ + = + +

h w h w h w h w (3.22)

(43)

其中,w 、i,1 w 是未知變數,因此干擾項i,2 2 1 2 ,1 ,1 † † ,2 ,2 k i k i i k t t P P N N ≠ +

h w h w 並沒 有辦法化簡為一容易計算的形式,然而,因為被安排傳輸的使用者都是使用同一 組正交基底,因此我們可以利用最差情況估計法來計算使用者的 SINR,方法如 下:假設 1 ( ) ( ) ( )1 1 1 ( 1) 1 ( ) 3 4 2 m V = v m v m v m v m 、 2 ( ) ( ) ( )2 2 2 ( 2) 1 ( ) 3 4 2 m V =v m v m v m v m 分別代 表第一、二個傳送點所使用的前置編碼器,且 ( 1) ( 2) ,1 ,2 m m kVkV w w ,則其他 使用者可能會使用的波束成型向量存在於下列集合中, 1 1 2 2 ( ) ( ) ( ) ( ) i ,1 i ,2 m m m m k k V =VwV =Vw (3.23) ,因此最差情況之下的干擾以及 SINR 可以估計為: ,1 ,2 2 1 2 , ,1 ,1 ,2 ,2 2 1 2 ,1 , † † † † 1 ,2 ,2 , 2 , . arg max . (m )1 i i (m2) i i k MU CJP k i k i V t t V k k k k t t k MU CJP k MU CJP n P P I N N P P N N SINR I σ − ∈ − − = + + = + w w h w h w h w h w (3.24) 在收到各個使用者回報的資訊後,eNB 的中央處理單元負責安排使用者以及 選擇適合的前置編碼器。利用 PU2RC 的概念,從各個傳送點的正交基底中,尋 找一組兩個傳送點可以共同傳送,且能夠讓系統效能最佳的使用者。由(3.10)式, 使用波束成型向量 ( )m n v 的使用者集合為: ( )

(

)

(

)

( )

{

}

( ) 1 | , , . m n I = ≤ ≤k K d vnm dk <d v dk,∀ ∈v Fvvnm 定義在第p個傳送點中,使用第 m 組正交基底V( )m 的使用者集合為: ( ) 1 ) ( . t p N p m m n n J =

= I (3.25) 所以,由兩個傳送點共同傳送的使用者集合為:

(44)

2 1 1 2 ( ) ( ) , 1 . m m m m 1 2 J =J

J ,≤m ,mM (3.26) 最後,尋找可以使得系統吞吐量最大的一組正交基底組合,

[

]

1 2 , 1 2 1 2 2 ,

, arg max log (1 ).

m m k m m k J m m SINR ∈ =

+ (3.27) 當前置編碼器決定了以後,同時間也就完成了使用者的安排,即安排集合 1, 2 m m J 的使用者,在兩個傳送點分別使用V( )m1 以及V( )m2 這兩個前置編碼器,做同 時間同頻率資料的傳送。

3.2.4 基

基於二次回報的傳統多使用者

於二次回報的傳統多使用者

於二次回報的傳統多使用者聯合處理

於二次回報的傳統多使用者

聯合處理

聯合處理

聯合處理系統

系統

系統

系統(MU CJP-T)

為了能夠讓大部分的波束成型向量能夠分配給使用者使用,基地台藉由廣 播的方式,通知尚未被安排到的使用者作第二次的回報。假設 1, 2 m m J 代表第一次 安排的使用者, ( )m1 V 、 ( )m2 V 分別代表兩個傳送點所選擇的前置編碼器,定義 ( )1 | {1 } 1 m n t n I ≜ ≤ ≤n N i = ∅ 、 ( )2 2 {1 | } m n t n I ≜ ≤ ≤n N i = ∅ 分別代表兩個傳送點尚未被 使用之波束成型向量指標集,則基地台需要廣播使用者作第二次回報的條件為:

{

}

1 , 2 . . 1 . 1 2 opt opt n n m m I I S J S k K ≠ ∅ ≠ ∅ − ≠ ∅, = ≤ ≤ (3.28) 意即當仍有空置的波束成型向量以及閒置的使用者時,基地台便將尚未被使 用的波束成型向量廣播出去,讓尚未被安排到的使用者作第二次的選擇與回報, 即是使用者集合

{

}

1, 2 m m SJ 對波束成型向量

{

( )1 ( )2

}

1 2 | 1 2 m m n n nI nI 、 、 n n v v 作第二 次的回報。在經過使用者第二次的回報以後,基地台同樣再做一次使用者的安 排,藉由二次回報,基地台便能盡可能地將波束成型向量分配給使用者使用,因 此能更有效率地安排使用者。

(45)

3.3 新版多使用者

新版多使用者

新版多使用者聯合處理

新版多使用者

聯合處理

聯合處理

聯合處理系統

系統

系統

系統(MU NJP)

圖 3-5:天線選擇之多使用者多輸入多輸出系統 圖 3-5 為新版多使用者聯合處理系統(MU NJP)的基本架構,MU NJP 使用 天線選擇的技術,讓使用者自由選擇所欲傳送資料的天線,因此和 MU CJP 不同 的地方在於使用者必須額外回報天線選擇矩陣指標(AMI)這項資訊,提供基地台 安排使用者以及調配天線。由於 MU NJP 多了天線選擇這個自由度,使得使用者 有機會能夠選擇較好的通道作傳輸,讓效果更好,除此之外,適當的限制天線的 候選量,可以將多傳送點多使用者的問題簡化為一虛擬的單傳送點多使用者的問 題,因此 3.1.2 節所介紹的 PU2RC 將可以直接套用進來,應用在 CoMP JP 的系 統中。

3.3.1

訊號

訊號

訊號

訊號系統

系統

系統

系統模型

模型

模型

模型

假設各傳送點均設有四根方向性天線,而使用者都是單天線的行動裝置,且 使用者之間沒有合作關係,定義使用者k在 CoMP 合作集內的複合通道及其所收 到的訊號可以表示為: ... ... . c   = k,NJP k,1 k,N h h h , k , † i 1 n . t N k MU NJP NJP i i k t P y A s N − = =

h iw + (3.29)

數據

圖 2-2:TDD 訊框結構
表 2-1:頻寬與資源區塊對應表
表 2-4:空間多工傳輸層對應
表 2-5:傳送多樣性傳輸層對應  前置編碼(precoding)  可分為空間多工的前置編碼以及傳送多樣性的前置編碼:  空間多工的前置編碼:  工作在 MIMO 天線配置下,能夠在不增加頻寬的條件下,相比 SISO 系統成倍地提升資訊傳輸速率,從而極大地提高了頻譜利用率,由下列關 係所定義:   =−−())()()()()1()0()1()0(ixixiWiyiyPυ⋮⋮ , 其中 x 代表分層對應後的符元向量,W 是前置編碼器, y 則是經過編 碼之後的符元向
+7

參考文獻

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