C-RAN協作通信系統中基于正交預編碼的同步算法*

余 翔,曾銀強,鄭寒冰

(重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶　400065)

C-RAN協作通信系統中基于正交預編碼的同步算法*

余 翔,曾銀強**,鄭寒冰

(重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶400065)

在C-RAN(Centra1ized,CooPerative,C1oud RAN)無線網絡架構中,協作多點傳輸受到符號定時偏差和載波頻率偏差的影響。為了降低聯合傳輸協作系統對異步信號的敏感性,將正交預編碼的同步算法應用到聯合傳輸協作系統中。首先,發射機發送經過重復編碼和正交預編碼矩陣處理后的數據信息;然后,接收機利用特定的接收矩陣,實現分離相互疊加的異步協作信號;最后,完成對協作信號載波頻率偏差和符號定時偏差的估計和補償。理論分析和仿真結果表明:該方法能夠有效解決協作傳輸中信號異步問題,改善系統性能。

C-RAN;協作多點傳輸;正交預編碼;同步算法

引用格式:余翔，曾銀強，鄭寒冰.C-RAN協作通信系統中基于正交預編碼的同步算法[J].電訊技術，2016，56(3)：241-245.[YU Xiang，ZENG Yinqiang，ZHENG Hanbing.A synchronization a1gorithm based on orthogona1 Pre-coding in C-RAN cooPerative communication system[J]. Te1ecommunication Engineering，2016，56(3)：241-245.]

1　引 言

下一代綠色無線接入網(Centra1ized，CooPerative，C1oud RAN，C-RAN)[1]明確地提出采用信號的協作式發送和接收(CooPerative Transmission/ReceP-tion，CT/CR)作為提升頻譜資源利用率和小區邊緣用戶吞吐量的關鍵技術。聯合處理技術(Joint Pro-cessing，JP)[2]是指相鄰的多個協作基站為同一個用戶傳輸相同的數據流，然后通過網絡調度中心按照一定準則選擇協作基站群。研究表明，在理想環境下多點協作傳輸技術能夠顯著提高小區性能和邊緣用戶吞吐量[3-4]。文獻中研究的理想環境是指假設協作基站能夠完全同步，且基站有用戶的完美信道狀態信息，然而在實際多點協作系統中，多個傳輸基站間存在固有頻率偏差，同時由于傳輸距離的不同，導致用戶接收的每一路協作信號頻偏和延時不同，這些異步多路協作信號的疊加會惡化接收信號的信噪比。

針對協作系統的異步問題，文獻[5-7]廣泛研究了長期演進(Long Term Evo1ution，LTE)協作通信系統中多個頻率偏移估計問題，但大多采用復雜的算法估計所有頻率偏移值并補償，增加了接收機的設計難度。文獻[8]中接收機采用一種快速傅里葉變換(Fast Fourier Transformation，FFT)窗口的方法，通過尋找最優的FFT窗口處理不同時延疊加的信號。文獻[9]提出針對兩個傳輸點的協作通信中，利用空頻塊碼(SPace Frequency B1ock Code，SFBC)進行頻率偏移估計。上述算法中，大多只單獨針對頻率偏移或定時符號偏移，并且實現的計算復雜度過高。一種能夠同時克服頻率和時間偏移的同步方法，對于實現多點協作傳輸技術很有必要。

本文研究多點協作系統中的異步問題，提出了一種正交預編碼的同步方法。該方法在發射機對數據信號采取重復編碼和正交預編碼處理，在接收機處利用特定的接收矩陣，實現單獨檢測每路協作信號；然后分別對每一路協作信號進行時延偏移和頻率偏移估計和補償，達到消除多點協作系統中的異步問題。

2　異步協作系統分析

考慮一個異步多輸入多輸出(Mu1tiP1e InPut Mu1tiP1e OutPut，MIMO)和正交頻分復用(Orthogona1 Frequency Division Mu1tiP1exing，OFDM)系統的下行鏈路，多基站協作采用JP協作方式。分析協作系統中符號定時偏差(Symbo1 Time Offset，STO)和載波頻率偏差(Carrier Frequency Offset，CFO)對下行鏈路的影響。假設OFDM符號調制，FFT尺寸大小為N，循環前綴長度(Cyc1ic Prefix，CP)為Ng。一定范圍內的頻率偏差值CFO=ε，符號定時偏差值STO= δ?；鶐Ы邮招盘柕腛FDM符號表示為

式中：X[ k]、Y[ k]、H[ k]和N[ k]分別表示該OFDM符號上第k個子載波的發射符號、接收符號、信道的頻域響應和頻域噪聲；n[ l]=IDFT{N[ k]}。

當協作基站數目為MT，協作終端用戶的接收信號為

假設協作基站i和用戶間的STO=δi、CFO=εi，δi表示歸一化時延，εi=為歸一化頻偏，fd為頻偏，

Δf為子載波間隔，分析頻率偏差及符號定時偏差對JP協作通信的影響。用戶的頻域接收信號為式中：I1表示用戶接收到的有用信號。由式(5)可知STO和CFO引起了第k個子載波頻率分量的相位失真，此外CFO還導致了幅度失真。

式中：I2表示其他子載波對第k個子載波的影響。非協作模式的OFDM系統(即MT=1時)中，CFO會破壞子載波間的正交性，造成了載波間干擾(Inter-Carrier Interference，ICI)。當采用協作模式時，基站間不同的CFO將會進一步擴大ICI的影響。異步協作通信不僅降低用戶接收信號的信噪比，而且加大STO和CFO的估計誤差。對于協作通信系統下，傳統的STO、CFO估計算法并不適用。

3　正交預編碼同步算法

上節的分析結果表明，JP協作方式下的用戶難以實現不同基站發射信號的同步，存在嚴重的接收信號失真情況。為了解決異步信號協作傳輸問題，本文提出一種基于正交的預編碼同步方法，通過正交實現不同物理路徑的發射信號的分離，最終解決JP協作方式下的異步問題。

圖1　正交預編碼同步算法的處理流程Fig.1 The Process of orthogona1 Pre-coding a1gorithm

具體實現方法如圖1所示，基站i(1≤i≤MT)的發射信號矢量xi(xi∈CN×1)。其中，N為調制后符號的個數。將xi中每一個符號重復擴展M (M≥MT)次，形成一個新矢量zi(zi∈CNM×1)：

生成M×M維Wa1sh碼矩陣D，矩陣D的行向量為di(1≤i≤) M。則預編碼矩陣Wi可以表示為

令Wi[l]是Wi的第l(0≤l≤NM-1)個對角元素。由于Wa1sh碼矩陣行向量之間存在正交性，所以：

經過預編碼后的發射信號為

在終端用戶接收側，DFT變換后信號的第l個子載波為

式中：令hi(n)為基站i到用戶的信道路徑；λi[l]為hi(n)的NM點DFT的第l個元素；n[ l]為加性噪聲。

考慮到當發射符號數NM遠大于信道多徑長度L時，信號的相關帶寬很大，此時相鄰子信道間基本不變，即相鄰子信道間的頻率響應變化很少，近似存在

由式(15)可以看出，經過接收機處理后的信號幾乎不存在協作基站之間的干擾。為消除多徑信道影響，可以選擇在發射機采用預均衡或在接收機采用頻域均衡來恢復信號。對于存在多個STO和CFO的異步協作系統，正交預編碼同步算法可以利用傳統OFDM單點傳輸估計算法，對每一路協作信號分別進行估計并補償。

4　仿真與結果分析

采用蒙特卡洛法進行仿真，隨機產生2 000個OFDM符號。仿真實驗參考LTE中20 MHz帶寬的幀結構，FFT點數為2 048，循環前綴長度為512，載波頻率2 GHz，系統帶寬20 MHz，協作基站數目為3，調制方式為QPSK調制。假設用戶所在小區為主服務小區，且該小區傳輸信號不存在CFO和STO的影響。在SCM鏈路級信道仿真模型下，多徑長度設定為6(遠遠小于OFDM符號的長度)，所以本文假定的信號相關帶寬很大是適用的?？紤]移動終端的最快行駛速度為500 km/h，則最大多普勒頻移1 204 Hz，相對于頻率偏移值CFO=0.08；基站覆蓋半徑為500～700 m，相應最大傳輸延時約為2 μs，相對于符號定時偏差值STO=10。然而，在實際網絡中，CFO和STO都不會高于上值。

傳統OFDM系統中可以選擇基于CP的估計方法或基于前導的估計方法[10]對CFO、STO進行估計。結合常用的估計算法，本文進一步提出了基于CP估計的正交預編碼算法(CP-正交預編碼算法)和基于前導的正交預編碼算法(Moose-正交預編碼算法)。

由圖2可知，在同步協作通信系統中，接收機的誤碼率效果最佳。對于異步協作通信系統而言，當STO=-2、CFO=0.04時，接收機的誤碼率遠高于同步協作通信系統。采用本文提出的正交預編碼同步算法，用戶可以單獨檢測協作基站信號，單點傳輸同步估計算法采用基于CP的估計算法。正交預編碼協作通信系統的誤碼率接近于同步協作系統，優于文獻[9]中基于SFBC編碼的CFO估計并補償算法(SFBC-協作系統)，且相比較于SFBC-協作系統只適應兩個協作基站，其能夠同時實現更多數量的多點協作傳輸通信。這是因為正交預編碼方法以犧牲頻譜利用率為代價。仿真結果表明正交預編碼同步算法能夠解決協作通信系統中的異步問題。

圖2　不同協作方案的系統誤碼率對比Fig.2 ComParison of BER among different schemes

圖3所示為SCM信道環境下基于CP-正交預編碼算法和Moose-正交預編碼算法的誤碼率對比圖。由仿真結果可知，Moose-正交預編碼算法的誤碼性能優于CP-正交預編碼算法。這是因為在相同信噪比條件下，Moose算法優于基于CP估計算法的估計效果。仿真結果表明：通過正交預編碼方法消除異步協作間信號干擾后，采用更高估計精確度的單點傳輸估計方法，能夠進一步提升正交預編碼同步算法的性能。

圖3　基于不同CFO和STO估計的正交預編碼算法誤碼率Fig.3 BER of Pre-coding a1gorithm based on different CFO and STO estimation

5　結束語

本文在深入分析C-RAN系統下聯合處理多點協作傳輸技術以及異步OFDM系統中因存在STO

和CFO而造成的用戶接收信號信噪比惡化的基礎上，提出了一種基于正交的預編碼同步算法。相比較于其他文獻提出的方法，正交預編碼同步算法以犧牲一定的頻譜資源為代價，能獲得更高的系統傳輸誤碼率性能。同時比較了兩種不同的正交預編碼算法在異步協作系統中的誤碼率性能。理論分析和仿真結果表明：本算法能夠減小異步協作系統中的誤碼率，且基于前導的正交預編碼同步算法性能更優，可以解決MIMO-OFDM協作系統中的異步問題。本文考慮方案在協作基站數量較多時，可能會導致頻率資源利用率降低。未來的研究工作將會關注較多基站協作通信系統的同步問題。

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余 翔(1964—)，男，重慶人，1999年于電子科技大學獲博士學位，現為教授，主要研究方向為寬帶無線通信；

YU Xiang was born in Chongqing，in 1964. He received the Ph.D.degree from University of E1ectronic Science and Techno1ogy of China in 1999.He is now a Professor.His research concerns wideband wire1ess communications techno1ogy.

Emai1：yuxiang@cquPt.edu.cn

曾銀強(1990—)，男，四川德陽人，碩士研究生，主要研究方向為寬帶移動通信；

ZENG Yinqiang was born in Deyang，Sichuan Province，in 1990.He is now a graduate student.His research concerns wideband wire1ess communications techno1ogy.

Emai1：wowisgreat@163.com

鄭寒冰(1991—)，女，安徽宿州人，碩士研究生，主要研究方向為寬帶移動通信。

ZHENG Hanbing was born Suzhou，Anhui Province，in 1991.She is now a graduate student.Her research concerns wideband wire1ess communications techno1ogy.

Emai1：645955527@qq.com

A Synchronization Algorithm Based on Orthogonal Pre-coding in C-RAN Cooperative Communication System

YU Xiang，ZENG Yinqiang，ZHENG Hanbing
(Schoo1 of Communication and Information Engineering，Chongqing University of Posts and Te1ecommunications，Chongqing 400065，China)

CooPerative mu1ti-Point Processing(CoMP)techno1ogy is inf1uenced by symbo1 timing offset and carrier frequency offset in the wire1ess network infrastructure centra1ized，cooPerative，c1oud radio access network(C-RAN).In order to reduce the sensitivity to asynchronous signa1 in joint transmission system，the orthogona1 Pre-coding synchronization a1gorithm is used to mitigate the effect of asynchronous signa1s. First1y，the transmitter sends data which has been Processed by rePetition coding and orthogona1 Pre-coding matrix.Then，the receiver estimates and comPensates the frequency and time offset for the cooPerative signa1s which been seParated by a Particu1ar accePting matrix.Simu1ation resu1ts demonstrate that this method can effective1y so1ve the Prob1em of asynchronous transmission and imProve the Performance of co11aborative transmission systems.

C-RAN；CoMP；orthogona1 Pre-coding；synchronization a1gorithm

The Nationa1 Science and Techno1ogy Major Project(2014ZX03003004-003)

TN911.22

A

1001-893X(2016)03-0241-05

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.03.002

2015-10-13;

2015-12-04 Received date:2015-10-13;Revised date:2015-12-04

國家科技重大專項(2014ZX03003004-003)

**通信作者:wowisgreat@163.com Corresponding author:wowisgreat@163.com