CN101132632A - 分布式无线通信系统中的主从协同通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在有序分布系统中，将多个与移动台通信的基站划分成主从基站，协作与移动台进行通信的方法。该方法首先根据移动台所在的位置选择一个主基站，不选择或选择若干个从基站。然后从基站根据自身与移动台当前的信道情况来为所服务的移动台分配对应的功率，和主基站协作与该移动台通信。移动台接收不同基站的信号，对其进行联合接收。本发明的主从协同通信方式能更好地应用于分布式系统、特别是有序分布系统，通过选择主基站和从基站，让不同的基站根据自身的不同情况及和移动台间的信道情况，以不同的角色协同工作，从而简化了移动台的管理和资源分配，扩大了移动通信系统容量、增大了系统的覆盖、改善了通信的性能、节省了投资。

Description

分布式无线通信系统中的主从协同通信方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及无线通信的技术领域，具体地说是一种分布式无线通信系统中的主从协同通信方法。

背景技术

分布式基站和分布式覆盖是近年为实现微蜂窝小区结构，提高系统容量发展起来的新方式。如在《电气和电子工程师协会第64届车载技术会议论文集》(Vehicular TechnologyConference，2006.VTC 2006-Fall.The 64th IEEE Semiannual，Spet 2006ISBN：1-4244-0063-5)“Information-theoretic Capacity Analysis in Triangle CellularCommunication System”一文中提出的有单一覆盖和交叉覆盖的有序分布网络结构，即有序分布的小区结构，例如同心圆小区和正三角形小区。该系统可以有效地抑制同频干扰，减少开销，易于采用新兴分布式收发技术。而目前在无线分布式系统中的通信方式一般为移动台将所有与之通信的基站无差别的对待，没有明确的主要接入和管理的基站，如《电气和电子工程师协会第56届车载技术会议论文集》(Vehicular Technology Conference，2002.VTC 2002-Spring.The 56th IEEE Semiannual，Spet 2002 Page(s)：1520-1524vol.3)提出的广义分布式系统中的通信方式。采用这种方式，其网络结构和接入的基站都不确定，要自行组织、自主搜索，对资源和系统会带来很大的开销。对于极端应用如高速宽带接入，这样程度的开销是不可承受的，在多用户情况下，资源分配和下行同步尤为困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种分布式无线通信系统中的主从协同通信方法，以适应无线信号单一覆盖和交叉覆盖地域相间隔的有序分布系统结构，同时减小相邻小区间的共道干扰，进而增加系统容量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在单一覆盖区，选择单一覆盖的基站作为主基站与移动台进行通信；在交叉覆盖区，选择多个基站中的一个基站作为主基站。

在所述交叉覆盖区，选择所述主基站以外的其他基站作从基站。

在所述交叉覆盖区，选择能对移动台进行管理和资源预留的基站作为主基站。

根据所述移动台所在位置选择、根据接收信号强度选择或根据基站所空闲的资源选择。

所述主基站对移动台的发送功率的一种可行方案可以选择为：

$P_{B_P}=P_0{r}^{\mathrm{\α}},$ r＜R₁

其中，α为自由传播模型路径损耗因子，γ是所述移动台到主基站的距离，P₀为发送功率初值，R₁为所述主基站覆盖的单一覆盖区的半径；

所述从基站到移动台的发送功率的一种可行方案可以选择为：

$P_{B_{s,i}}=P_0{R}_1^{\mathrm{\α}}{\left(\frac{D_{l,i}-d_i}{D_{l,i}-D_{s,i}}\right)}^n$

其中，D_l，i是所述移动台在交叉覆盖区中可能离第i个从基站的最大距离，D_s，i是移动台在交叉覆盖区中可能离第i个从基站的最小距离，d_i为移动台当前与第i个从基站的距离，n为速率控制因子。

与现有不区分主基站和从基站的一般的分布式系统相比，本发明中，不是对所有的基站做相同的处理和对待，而是通过划分主从基站，让分布式系统中的基站根据自己与移动台间的信道情况，以不同的角色协同工作。因为在分布式天线系统中，每个基站具有相同的发送功率上限，这样最大发送功率能够覆盖的区域之和就是分布式天线系统的覆盖区域；用主从协同通信，减少了需求从基站的发送功率的上限，可以扩大相同基站的覆盖范围或减少基站的建设成本。通过计算机仿真，在选取基站的最大发送功率为1W，R₁为1km，正三角形小区覆盖面积为1.732km²，小区内共有160个用户，选取速率控制因子n为1的情况下，与在交叉覆盖区中不使用主从协同通信的系统相比，移动台的平均接收信号与干扰噪声比改善至少可达1dB，平均接收信号与干扰噪声比和最差接收信号与干扰噪声比改善最大可达1.5dB以上。这是因为主从协同通信中，根据与移动台的信道情况，对不同基站划分不同的资源，从而有效利用了各个基站的资源，增大了整个系统的信噪比。

本发明的主从协同通信方式能更好地利用分布式系统，特别是有序分布系统的优点，通过选择主基站和从基站，让不同的基站根据自身的不同情况及和移动台间的信道情况，以不同的角色发挥作用，从而简化了移动台的管理和资源分配，而且扩大了移动通信系统容量、增大了系统的覆盖、改善了通信的性能、节省了投资。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明在一种分布式正三角形小区系统中实施例的示意图；

图2为主从基站选择和下行功率分配流程示意图；

图3为分布式正三角形小区接收机示意图；

图4为分布式正三角形小区和小区间干扰示意图；

图5为小区中移动台信号与噪声干扰比的示意图。

具体实施方式

在几个基站在共同覆盖区域内，对一个移动台通信时区分主基站和从基站。在单一覆盖区，移动台把单一覆盖的基站作为主基站，并只与之通信；在交叉覆盖区，移动台把共同覆盖的多个基站作为主基站，其余基站作为从基站。交叉覆盖区内的信号，由各基站通过光纤传送到基站控制器，基带信号由基站控制器统一处理，下行功率分配由基站控制器中的功率分配策略单元产生并控制天线单元的发送功率；移动台首先对多个基站发送的不同信号进行同步、跟踪，然后对信号进行联合接收，最后做相应的基带处理。

具体过程为：首先移动台根据一定的策略，如当前所处的位置，选择主基站和从基站，在单一覆盖区，选择单一覆盖的基站作为主基站，不选择从基站；在多个基站交叉覆盖的区域，选择能对移动台进行管理和资源预留的基站作为主基站，其余的基站可以都作为从基站。主从基站根据当前自身的资源和与移动台的信道情况分配资源与移动台通信。

主基站是为移动台预留资源并为移动台进行管理的基站，一个移动台只有一个主基站。从基站是管理移动台，但在交叉覆盖区可以协助主基站与移动台进行通信的基站。移动台可以不选择从基站，也可以根据需要选择任意个从基站。

选择策略除移动台根据所在位置选择外，还可以根据接收信号强度选择，或根据基站所空闲的资源选择，以及其他选择策略。该策略可在移动台端或基站端执行。主从基站的资源分配，可以包括频带，功率，码字和时隙。

一种可用的主从协同通信方式如下，首先选择主基站B_P，N个从基站B_S，1，B_S，2，……，B_S，N。然后各个基站分配不同的资源与移动台进行通信。在单一覆盖区，移动台只选择一个主基站，其对移动台发送的功率为：

$P_{B_P}=P_0{r}^{\mathrm{\α}},$ γ＜R₁(1)

其中α为自由传播模型路径损耗因子，α一般取2-4，γ是移动台到主基站的距离，P₀为发送功率初值，R₁为主基站覆盖的单一覆盖区的半径。在多个基站交叉覆盖的区域，移动台除主基站外选择N个从基站，主基站对移动台的发送功率维持单一覆盖区内的最大发送功率不变：

$P_{B_P}=P_0{R_1}^{\mathrm{\α}}---\left(2\right)$

从基站中任意第i个从基站对移动台的发送功率为：

$P_{B_{s,i}}=P_0{R}_1^{\mathrm{\α}}{\left(\frac{D_{l,i}-d_i}{D_{l,i}-D_{s,i}}\right)}^n---\left(3\right)$

其中D_l，i是移动台在交叉覆盖区中可能离第i个从基站的最大距离；D_s，i是移动台在交叉覆盖区中可能离第i个从基站的最小距离。d_i为移动台当前与第i个从基站的距离。n为速率控制因子。n可以根据具体的传播环境和配置灵活选择。

从第i个从基站到移动台的信道可以表示为：

$h_i=d_i^{-\mathrm{\α}}{\mathrm{\β}}_i---\left(4\right)$

上式中d_i为移动台到第i个基站的距离。

移动台接收到的信号为：

$y=h_{0}x+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{i}x+w---\left(5\right)$

h₀为主基站到移动台的信道，x为基站的发送信号，w为高斯白噪声。移动台采用最大比合并对主从基站的发送信号进行合并接收。

以在三角形小区系统中主从协同通信的实现为例进一步说明本发明。

附图1给出了本发明分布式正三角形小区结构配置示意图：由基站A，B，C共同覆盖一个正三角形小区，每个基站用60度扇区天线，朝向三角形小区中心；三个天线单元通过光纤与基站控制器相连。该正三角形小区的边长为2R₁+R₂，其中R₁为基站天线单元能单一覆盖的最大半径，R₂为交叉覆盖区宽度。每个基站扇区天线覆盖半径R₁内为该基站的单一覆盖区，其余部分为交叉覆盖区。一种可用的主从基站的选择方法为：当移动台位于基站A的单一覆盖区时，A是主基站，不选择从基站，只有A与移动台通信，B、C不与该移动台通信；移动台进入交叉区后，选择一个主基站，两个从基站，当移动台超出A的单一覆盖区，但是没有超过OD、OE两条边界的时候，A是主基站，B、C是从基站；当移动台超越OD或OE边界的时候，C是主基站，A、B是从基站，或B是主基站，A、C是从基站。移动台位于其他区域时，策略同上。

附图2给出了小区中移动台的主从基站选择和下行功率分配的流程：首先为移动台的位置监测，可利用3个基站到移动台发送的信号的天线到达角和定时信息进行定位或是采用GPS等辅助设备实现；然后根据移动台的位置，决定当前移动台的主基站和从基站；最后根据移动台的位置和所选择的主从基站，计算出各个基站对该用户的下行发送功率值。

附图3给出了小区中的移动台对接收到的基带信号的处理流程：首先为时频同步跟踪，即对各个基站发送的信号进行时频同步，校正各个基站和移动台之间的时差和频偏，该步骤一般可利用包括插入导频或盲估计的方法实现；然后将各基站发送的信号进行联合接收，例如如果各个基站发送相同的数据，则可采用最大比合并方法来提高接收信号的信噪比；最后根据具体的系统类型把合并后的信号输入到相应类型的基带处理装置中进行处理。

假设路径损耗因子为3，当移动台位于附图1中基站A的单一覆盖区时，主基站A发送功率为P_A＝P₀γ³，不选择从基站；当用户位于交叉覆盖区时，主基站A发送功率为基站的最大发送功率，即，P_A＝P₀R₁ ³，B，C为从基站，其发送功率分别为

$P_B=P_0{R}_1^3{\left(\frac{D_{l,B}-d_B}{D_{l,B}-D_{s,B}}\right)}^n,$ $P_C=P_0{R}_1^3{\left(\frac{D_{l,C}-d_C}{D_{l,C}-D_{s,C}}\right)}^n,$

其中D_l，B为从基站B对移动台发送的最长距离，在附图1中就是BH间的距离。D_s，B为从基站B发送的最短距离，在附图1中就是BE间的距离。同样D_l，C就是附图1中CG的距离，D_s，C就是附图1中CD的距离。d_B和d_C分别是移动台当前到从基站B和C的距离。

附图4为分布式正三角形小区和小区间干扰图：图中顶点天线单元A1、A2和A3所构成的三角形区域为一个分布式正三角形小区，各小区的频率复用因子为1；天线单元A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10、A11和A12分别是第一圈相邻小区中对正三角形小区A1A2A3造成干扰的扇区的基站；各小区内移动台均匀分布，考虑小区间频率复用因子为1，信道模型可以表示为

$y=h_{0}x+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{i}x+\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{h}_j{x}_j+w,$

其中y是移动台的接收信号，w是高斯白噪声；式中第一部分是来自移动台的主基站的有用信号，第二部分是来自N个从基站的信号，而第三项是另外K个基站的干扰，最后一项是高斯白噪声。

一般的分布式系统中，不区分主基站和从基站，按照传统的发送方法，在交叉覆盖区内小区内的3个基站都以主基站的策略进行发送。在本实施例中，选取基站的最大发送功率为1W，R₁为1km，正三角形小区覆盖面积为1.732km²，小区内共有160个用户，选取速率控制因子n为1。

附图5为在不同的R₂/R₁下，采用主从协同通信与不采用主从协同通信的增益。横坐标为R₂/R₁的比值，纵坐标为移动台接收的信号干扰和噪声比，单位为dB。曲线A是采用主从协同通信下，移动台在整个小区中的平均的信号与干扰噪声比；曲线B是采用主从协同通信下，移动台在整个小区中接收到的最小的信号与干扰噪声比；曲线C是不采用主从协同通信下，移动台在整个小区中的平均的信号与干扰噪声比；曲线D是不采用主从协同通信下，移动台在整个小区中接收到的最小的信号与干扰噪声比。在R₂/R₁大于0.3的情况下，一般通信方案的平均信号与干扰噪声比在9.3dB左右，最低信号与干扰噪声比在7.8dB到8.5dB之间；而采用主从协同通信，在同样的条件下，平均信号与干扰噪声比在10dB到10.5dB之间，最低信号与干扰噪声比在8.8dB到9.5dB之间。可以看出在多数情况下，采用主从协同通信和一般通信方案相比，小区内用户接收信号与干扰噪声比的改善至少是1个dB以上。平均信号与干扰噪声比的提高说明整个系统的遍历容量会增大，而最小信号与干扰噪声比的提高说明整个系统的中断容量会增大。功率控制速率因子n的作用在于可以适当的增加和减少从基站的发送功率，当共道干扰是信号与干扰噪声比降低的主要原因时可以增大n值，适当减少发送功率；当接收信号功率低是信号与干扰噪声比降低的主要原因时可以用更小的n来提高发送功率。

Claims (5)

1.分布式无线通信系统中的主从协同通信方法，其特征在于，在无线信号交叉覆盖的通信环境中，在单一覆盖区，选择单一覆盖的基站作为主基站与移动台进行通信；在交叉覆盖区，选择多个基站中的一个基站作为主基站。

2.根据权利要求1所述的分布式无线通信系统中的主从协同通信方法，其特征在于，在所述交叉覆盖区，选择所述主基站以外的其他基站作从基站。

3.根据权利要求1所述的分布式无线通信系统中的主从协同通信方法，其特征在于，在所述交叉覆盖区，可以根据所述移动台所在位置选择、根据接收信号强度选择或根据基站所空闲的资源选择能对移动台进行管理和资源预留的基站作为主基站。

4.根据权利要求1所述的分布式无线通信系统中的主从协同通信方法，其特征在于，所述主基站和从基站间相互配合，协同工作，采用发送分集或联合时空编码方案，更好地为移动台服务。

5.根据权利要求2所述的分布式无线通信系统中的主从协同通信方法，其特征在于，所述主基站对移动台的发送功率的一种方案为：

$P_{B_P}=P_0{r}^{\mathrm{\α}},$ r＜R₁

其中，α为自由传播模型路径损耗因子，r是所述移动台到主基站的距离，P₀为发送功率初值，R₁为所述主基站覆盖的单一覆盖区的半径；

所述从基站到移动台的发送功率的一种方案为：

$P_{B_{s,i}}=P_0{R}_l^{\mathrm{\α}}{\left(\frac{D_{l,i}-d_i}{D_{l,i}-D_{s,i}}\right)}^n$

其中，D_l，i是所述移动台在交叉覆盖区中可能离第i个从基站的最大距离，D_s，i是移动台在交叉覆盖区中可能离第i个从基站的最小距离，d_i为移动台当前与第i个从基站的距离，n为速率控制因子。

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