第 3 章 雲無線接入網絡的前向回傳感覺設計
3.1 雲無線接入網絡的前向回傳感覺設計
3.2 前傳感覺的協作傳輸和接收
與傳統的單個小區處理相比，C-RAN 架構的一個主要優點是能夠通過波束成形實作 多個 RRH 之間的協作傳輸和接收。本節說明了上行鍊路和下行鍊路 C-RAN 的波束成形 設計技術，并将 C-RAN 使用者的理論可實作速率表征為前傳容量限制的函數。
考慮一個典型的 C-RAN 部署，如圖 3.2 所示，其中每個配備多個天線的 RRH 簇在 CP 協調下通過有限容量的前傳鍊路協同服務多個單天線使用者。前傳鍊路被模組化為有限容 量的無噪聲數字鍊路，每個鍊路具有一定的固定容量。我們認為，盡管使用無線光纖技 術的模拟光纖調制也是一種替代方案，但是在這裡采用的是數字前傳模型，因為它在現 實中更容易實作。
為了說明在 C-RAN 中協作的好處，本節采用了以下網絡模型。假設具有 N 個 RRH 的網絡，每個網絡配備有 M 個天線，每個使用者與信号強的 RRH 相關聯。在 RRH 關聯 的使用者中，每個 RRH 在每個時隙排程KM < 個使用者進行服務。此外，為了實作協作增益， 每個排程使用者由 RRH 的協作簇共同服務。具體地，在上行鍊路中，每個 RRH 将其接收 的信号通過其前傳鍊路轉發到 CP。然後，CP 基于從使用者的協作簇中的 RRH 接收到的信 号來解碼每個使用者的資訊。在下行鍊路中，通過 CP 的協調，每個 RRH 的發送信号被設 計為包括 RRH 協作簇的使用者資訊的函數。這使得可以跨 RRH 簇對每個使用者進行聯合傳 輸。注意，協作簇的大小取決于擷取 RRH 和使用者之間信道的信道狀态資訊（CSI，Channel State Information）的能力。為了簡單起見，本節中假定簇的大小是固定的。
本節假設以使用者為中心的分簇政策，其中每個使用者始終位于其協作簇的中心，但不 同使用者的群集可能會重疊。與不相交的簇（将整個網絡劃分為不相配的 RRH 集合）相比，以使用者為中心的簇具有完全消除簇邊緣的優點，進而導緻使用者的速率分布更加公平[1]。
本節的其餘部分使用針對上行鍊路和下行鍊路 C-RAN 的各種前傳技術描述了以用 戶為中心的簇的特定迫零（ZF，Zero-Forcing）波束成形政策。在符号方面，令K表示特 定時隙中的排程使用者集合，并且令 k Θ 表示使用者k∈K 的 RRH 的協作簇，其中， kk D Θ = 作為簇的大小。由于 k Θ 中的每個 RRH 排程 K 個活動使用者，是以，明智的政策是将由簇 中排程使用者的信号引起的所有幹擾歸零。我們使用 k Ω 來表示由 k Θ 中的所有 RRH（使用者 k 的簇）排程的使用者集合，使得 kk KD Ω = 。後，從 RRH 的角度來看，定義由 RRH n 為Φn的信号為迫零的所有使用者的集合，即 { } ... : , 1, , nk k n k K ΦΘ =∈= 。在本節中，在 RRH 和使用者之間的無線信道被假定為固定帶寬為B Hz 的準靜态平坦衰落信道。假設每個 RRH 和 CP 之間的前傳容量為每秒 C 比特（bit/s）。
3.2.1 上行鍊路
在上行鍊路 C-RAN 中，在每個時隙，每個 RRH 的觀測信号是從集合K中的所有調 度使用者發送的信号的疊加。具體地，令 ul kx 表示使用者 k 的發送信号，并且 ul 1 M ny × =C 表示 RRH n 處的接收信号，則
其中， ul 1 , M nk ×∈h C 是從使用者 k 到 RRH n 的上行鍊路信道， ( ) ul 1 2 ul ~ 0,Mn z CN σ ×∈ C I 表 示加性白高斯噪聲（AWGN，Additive White Gaussian Noise）。
觀察到每個 RRH 的接收信号即使對于與其不相關的使用者也包含有用資訊。然而，當 前 3G/4G 蜂窩網絡的單個小區處理機制不能利用該資訊，因為它限制了在每個基站為其 關聯的使用者完成本地解碼。為了大限度地利用整個網絡中的接收信号，C-RAN 中的 RRH 需要通過前傳鍊路将觀測到的信号中繼到 CP，進而可以通過 CP 對每個使用者的消息 進行解碼以觀察所有服務該使用者的 RRH。
如果前傳鍊路具有無限容量，則每個 RRH 可以将其觀測到的信号全部傳送到 CP， 并且可以實作全聯合解碼增益。然而，實際上，前傳鍊路具有有限的容量，是以每個 RRH 隻能傳送其接收信号的近似版本。一個有趣但至關重要的問題：RRH 在将觀測結果傳遞給 CP 時可以保留盡可能多的資訊，同時滿足前傳鍊路的有限容量限制的适當方式是什麼？
基本政策是 RRH 應壓縮收到的信号。下面我們來描述兩種上行前傳壓縮技術。當 C-RAN 系統完全加載時，即當 RRH 的空間次元被所有使用者完全占用時，采用壓縮轉發政策[2, 3]較好。當 C-RAN 輕載時，即當與活躍使用者的數量相比存在多餘的空間次元時， 采用波束形式壓縮轉發政策較好[3, 4]。
1．壓縮轉發政策
在壓縮轉發政策中，RRH 首先将其接收到的 RF 信号下變頻到基帶信号，基帶信号 本質上是模拟的，然後壓縮基帶信号并将由數字碼字表示的相應壓縮索引發送到 CP。在 接收到壓縮索引之後，CP 首先對這些量化信号進行解壓縮，以便在所有 RRH 之間恢複 接收到的信号的失真版本，然後基于整個解壓縮信号集解碼使用者消息。
直覺地，壓縮分辨率由可用的前傳容量确定，即更嚴格的前傳容量限制将意味着“較 粗略的壓縮”，其在速率-失真理論中被更大的量化噪聲所反映。我們注意到，C-RAN 設 置中的佳壓縮将涉及跨越天線的矢量量化和跨越 RRH 的 Wyner-Ziv 壓縮，這是能夠利 用跨天線和跨相關 RRH 的接收信号的技術。但是，為了簡單起見，本節其餘部分的模型 假設由獨立的加性高斯量化噪聲模組化的标量量化。
通過在 RRH 上的獨立壓縮和每個 RRH 天線的标量量化，我們現在可以按如下描述 上行鍊路 C-RAN 中的壓縮轉發政策。為了簡單起見，我們假設所有使用者以由 u p 表示的 相同功率進行發送，使得使用者 k 的發送信号表示為 ul ul u kkx ps= ，其中， ( ) ul 0, 1 k s CN ∼ 表 示使用者 k 的資訊，從高斯碼本中選出。利用式（3.1）中描述的信道模型，由 RRH n 接收 的離散時間基帶信号可表示為
第 n 個 RRH 的第 m 個天線的标量量化過程被模組化為高斯測試信道，其中，未壓縮信 号作為輸入，壓縮信号作為輸出，即
其中， ul,, nmkh 是使用者 k 到 RRH n 的第 m 個天線的信道， ul , nmz 是 RRH n 的第 m 個天線 處的高斯噪聲； ( ) ul ul ,, 0, n m n m e CN q ∼ 表示對 ul , nmy 壓縮的量化噪聲并且 ul , nmq 表示它的方差。注 意，由于在 RRH 之間采用獨立壓縮，并且在每個 RRH 處采用标量化，是以量化噪聲 ul , nme 在 RRH 和天線上是獨立的。
利用上述高斯測試信道模型，壓縮碼本的設計等同于設定壓縮噪聲的方差。為了實 現更高的壓縮分辨率和在上行鍊路 C-RAN 中更高的可實作速率，在每個 RRH 處必須使 量化噪聲盡可能小。然而，量化噪聲的小量也受到速率失真理論給出的前傳容量的限 制。實際上，假設從速率-失真極限的間隙 q Γ ，要将 ul , nmy 發送到 CP 所需的以 bit/s 為機關的前傳容量可以表示為
為了簡單起見，假定 RRH n 的總前傳容量被均等地配置設定給其 M 個天線，即
ul , /, nm C C M m =∀。從式（3.4），壓縮 ul , nmy 的量化噪聲的方差可以表示為
這使得我們能夠得出如下的每個使用者的可實作的速率。CP 根據從協作簇中的服 務 RRH 發送的信号，即集合 k Θ ，對使用者 k 的資訊進行解碼。我們用ul,k = y T ul ul 1 ,1 , ... ... ... , , , k k MD n n M n y y k Θ × ∈ ⎡⎤ ∈ ∀ ⎢⎥ ⎣⎦ C 表示接收到的信号 k Θ 。為了友善起見，我們定義 ul , ki=g () T T 1ul , ... ... k k MD ni n Θ × ∈ ⎡⎤ ∈ ⎢⎥ ⎣⎦ h C 作為從使用者i 到 RRH 的集合信道向量。則
2．波束壓縮轉發機制
上述壓縮轉發機制可以獨立地壓縮每個天線處的接收信号，在所有天線之間共享前 傳的容量。當系統完全加載（根據天線數目排程更多的使用者），并以應用于天線[3]的相同 的量化噪聲電平（而不是相等的量化位配置設定）在高信噪比（SQNR，Signal-to-Quantization- Noise Ratio）條件下運作時，該壓縮政策是接近優化的。然而，一般來說，它可能不是 有限前傳的有效使用，特别是對于在 RRH 中排程使用者數量比天線更多的系統。随着新 興的大規模多輸入多輸出（MIMO，Multiple-Input Multiple-Output）技術，這種情況越來 越多。為了解決這個問題，下面我們提出一種波束形式壓縮轉發方案，其中每個 RRH 首 先在其天線上執行其接收到的信号的波束成形，然後在縮小的空間中進行壓縮。
具體來說，由式（3.2）給出的 RRH n 對其接收信号 ul ny 施加的波束形成操作可以建 模為
是以，上述壓縮轉發政策可以應用 于式（3.10）中給出的新的上行鍊路 C-RAN 信道模型，并且波束形式壓縮轉發方案下的 使用者 k 的可實作速率的推導可類似于使用新的有效信道和噪聲的式（3.9）。剩下的問題是 如何确定每個 RRH 的波束成形向量以大化可實作速率。
可以通過包含 RRH 中的量化噪聲協方差矩陣的優化架構來回答上述問題[3]，但是這 樣的優化是複雜的，它假設天線之間為矢量量化。下面，我們提供一種首先确定 n L 啟發 式方法，即每個 RRH n 處的波束成形矩陣的維數，然後通過識别接收信号的主分量來找 到波束形成器。在每個 RRH n 提出的啟發式設定為
Φn是由 RRH n 服務的一組使用者。是以，對于其中被服務的使用者數量小于天線數量的 輕負載 C-RAN 系統，每個 RRH n将其接收到的信号 ul ny 壓縮到 n Φ 次元，為其服務的用 戶保留有用的資訊。
接下來，為了提取 n L 的豐富次元，我們執行 RRH n 的接收信号的協方差矩陣的奇異值分解為
為了在與大特征值相關聯的子空間中接入資訊，選擇由 RRH n 采用的波束成形矩 陣作為 n U 中 ul ,y nS 的 n L 維的主要特征向量集合，即
3．性能評估
為了比較波束形式壓縮轉發政策和壓縮轉發政策的性能，我們提出了一個包含蜂窩 網絡仿真拓撲結構的 19 個小區的數值示例，其參數如表 3.1 所示。使用 3 個 RRH 對每個 小區進行扇區化。圖 3.3 顯示了具有不同簇尺寸的每個 RRH 前傳容量函數的每小區總速率。
在該示例中，每個 RRH 配備有 12 個天線，但在每個時隙僅服務于兩個使用者。是以， 系統未完全加載，與壓縮轉發相比，波束形式壓縮轉發将顯示出優勢。實際上，由于波 束形式壓縮提供了更好的前傳使用率，在中等的前傳容量下觀察到 20%～50%的總速率 增益。由于量化噪聲不再是限制因素，對于大的前傳容量兩種政策之間的差異會減弱。
值得注意的是，C-RAN 系統顯著優于單小區處理基線。此外，為了獲得上行鍊路 C-RAN 的全部優勢所需的前傳容量大約是使用波束形式壓縮轉發的接入速率的 6 倍，使 得 C-RAN 的實際實作成為可能。
3.2.2 前傳感覺的協作傳輸和接收之下行鍊路