1引言
為了滿足LTE-A(long term evolution-advanced)的需求，尤其是邊緣小區吞吐量的要求，多點協作（CoMP）作為一項非常有前途的技術被很多公司提出[1]。在LTE-A中，有兩種CoMP方案已被確定，一種是協作調度（Coordinated Scheduling,CS) ，另一種是聯合處理（Joint Processing,JP)。近年來，下行CoMP中的預編碼[2]也成為一個研究熱點�，F有的預編碼方案主要有全局預編碼和局部預編碼兩種。本文首先對這兩種預編碼方案進行了詳細地分析比較，然后對多波單頻網（MBSFN）中的預編碼進行了研究。
2 DL JP CoMP預編碼方案
圖1給出了一個下行聯合處理CoMP的概念描述[3][4]。假定圖中綠色所示的UEk 可以同時看到三個小區，也同時可以收到三個小區的CSI反饋信息。在圖1中，云朵代表多點
圖1 DL JP CoMP原理圖
協作的小區間進行數據的共享和信息的交換。3個箭頭分別表示三個小區在聯合處理中采用的預編碼方案。
2.1 全局預編碼方案(global precoding scheme)
全局預編碼方案原理圖如下圖2所示。假定CoMP的小區數為
, 每一小區有 
個發送天線，每一CoMP的小區
(
)和UEk (具有
個接收天線)的信道矩陣定義為
(
)。令
表示小區的預編碼矩陣 ，大小為
, 其中
表示UEk傳輸的層數。為簡便起見，假定信號從CoMP小區到UEk 的最大時延在一個CP內，這樣不會在JP處理中引入符號間干擾（ISI）。令所有信道矩陣的集合為
(
)。則全局預編碼（global precoding）方案可以描述為：
(1)
其中 
(
)為層的傳輸數據，
為 個右奇異向量對應的
中個最大奇異值。
為個CoMP 小區在每層上的總功率。
為加性白高斯噪聲向量，其協方差矩陣為
，操作符
表示矩陣的共軛轉置， 
為 階單位矩陣. 圖2假定CoMP拓撲結構中有兩個小區。
圖2 全局預編碼方案
2.2本地預編碼方案(Local precoding scheme)
2.2.1原始本地預編碼方案
原始本地預編碼將全局預編碼分解成為B個，可寫為：
（2）
其中
為CoMP小區
的本地預編碼矩陣，其列為個右奇異值向量對應于本地信道矩陣
分解得到的最大奇異值，這樣需要個不同的PMI進行反饋，反饋開銷比較大。
圖3 本地預編碼方案
2.2.2改進的本地預編碼方案(weighted local precoding scheme)
為了改善上述本地預編碼的性能，提出了改進的local預編碼方案，即在圖3基礎上添加了一個波束，具體描述如（5）式所示：
(3)
其中 
是由個元素構成的特定小區對角陣，由預先定義的碼本中獲得。由于額外的增加了B個波束權值的反饋，因此這個方法復雜度也比較高。
3 多播單頻網(MBSFN) 中的預編碼方案
所謂單頻網（SFN），即在一定的地理區域內若干部發射機同時在同一頻率上發射同樣的信號，以實現對該區域的可靠覆蓋。單頻網可以節省頻率資源和優化覆蓋，在單頻網中如果所有的發射機同步，即使接收機接收到不同發射機的信號，它們的技術要求完全一樣，從接收機的角度看與只收到一臺發射機的信號一樣，地面數字電視廣播覆蓋工程中就廣泛采用了單頻網技術。
3.1簡單MBSFN預編碼方案
多播單頻網（MBSFN）中預編碼方案[5]原理圖如圖4所示�？梢杂孟率矫枋觯�
(4)
其中
為所有CoMP 小區通用的預編碼矩陣，其列為個右奇異值向量對應于
分解得到的最大奇異值， 為CoMP 小區對應的功率。
圖4 簡單MBSFN預編碼方案
對于MBSFN預編碼來說，一個重要的問題是如何將其擴展到一個異構（CoMP小區有不等數量的天線）小區系統中，一個基本的方法是通過引入“占位符天線”即zero-weight天線和clone天線，從而得到一個虛擬的同構MIMO配置。zero-weight天線的基本思想是在天線數少的CoMP小區中引入一些零功率天線，我們將這些zero-weight天線看做是不使用的天線。在數學中，zero-weight可以通過在信道矩陣中填充零來實現。而所謂的clone天線是真實天線的復制品。在數學中，clone天線可以通過在矩陣中填充真實天線的復本來實現。
3.2基于天線選擇的MBSFN(AS-MBSFN)預編碼方案
為了進一步減小簡單MBSFN預編碼的開銷，考慮在其后添加一個天線選擇模塊[6]，它由一個
的非負對角矩陣
表示，將它乘在的右邊。
的元素代表b個COMP小區的發射天線的功率，其中正元素分配到動態天線，而零元素則分配到其他天線。在總功率受限的情況下，滿足
。而在各自天線功率受限的情況下，中每一個正元素等于1。因此，AS-MBSFN 預編碼方案可以描述為：
(5)
其中是所有COMP小區通用的預編碼矩陣，其列為個右奇異值向量對應于合成矩陣
分解得到的個最大奇異值。
4仿真與分析
為了分析比較以上幾種方案的性能，用MATLAB進行了仿真，仿真參數設置如下：
小區模式及UE位置如圖1，信道為TU信道，UE天線數為4，小區天線數均為為4。
(1)首先在總功率限制的情況下，對global預編碼方案、weighted local預編碼、以及non-CoMP的容量進行了比較，仿真結果如下：
圖5 CoMP容量曲線 (3 cells: [4Tx-4Tx-4Tx] [4Rx])
從圖5可以看出，在合理的小區邊緣SNR內，CoMP傳輸能實現100% 到200%的容量增益。另外，Global預編碼方案性能優于weighted local預編碼方案，WLP 方案的容量受到Global預編碼的限制。
(2) 在有了zero-weight 天線和clone天線方法后，我們將MBSFN預編碼拓展到異構MIMO中。
圖6 CoMP容量曲線 (3 cells: [4Tx-2/4Tx-4Tx] [4Rx])
從圖6可以看出，zero-weight 天線和clone天線性能一樣。這不奇怪，因為虛擬天線僅僅是信道矩陣的數學變換。與同構情況相比，虛擬天線僅僅稍稍地降低了系統性能。因此，“虛擬天線”在非均勻MIMO CoMP中的應用非常有效，它降低了MIMO MBSFN預編碼的限制。
5結束語
本文分析比較了兩種基本的DL JP CoMP預編碼方案，仿真結果證明global預編碼方案性能優于local預編碼方案。另外，本文對MBSFN中的預編碼進行了研究。如果對DL JP CoMP沒有或僅有很有限的附加反饋要求，那么可以采用簡單MBSFN預編碼。但在有了zero-weight 天線和clone天線方法后，簡單 MBSFN預編碼的使用范圍可以很容易的拓展到異構MIMO中。如果在附加反饋下要求更高的頻譜效率，那么AS-MBSFN預編碼可以作為一個很好的候選方案。
參考文獻
[1] R1-092653 , “Design considerations for CoMP Joint Transmission”, Samsung.
[2] R1-090696, “Considerations on precoding scheme for DL joint processing CoMP” ,SHARP
[3] R1-090914, “Downlink CoMP”, Ericsson.
[4] R1-090725, “Setup of CoMP cooperation areas”, Nokia Siemens Networks, Nokia.
[5] R1-091133, “Further Considerations on SFN Precoding for DL CoMP” ,SHARP.
[6] R1-093182, “ Performance of SFN and AS-SFN Precoding Schemes for DL CoMP”, SHARP.
[7]吳琦，王小華，申敏. 基于MIMO系統的聯合傳輸（JT）技術[J].通信技術，2003年第11期：29~30
[8] 馮媛，謝顯中，楊陶等. 降低多用戶MIMO 下行檢測復雜性的聯合發送技術[J].電子與信息學報，2007，29（1）：174~176
作者簡介：
李娟(1984,6)，女，西安通信學院在讀研究生，信號與信息處理專業。09847