CN101133571B - 应用于智能天线cdma通信系统的下行接纳判决方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于智能天线CDMA通信系统的下行接纳判决方法，首先计算用户设备距节点B的归一化距离，再计算约束矩阵G中对角线上的新元素，根据阵列天线的类型，利用用户设备的到达角，计算其导向矢量；再计算约束矩阵G中非对角线的所有新元素；更新向量的新元素等于接收噪声功率，对矩阵G求逆，计算各用户的等效发射功率矢量，根据所述各用户等效发射功率矢量与各用户的语音激活因子矢量，计算各用户的发射功率矢量，判决总发射功率与门限的不等式是否成立，如果成立则允许新用户接入，否则就拒绝新用户接入。本发明提高了接纳判决的准确性，从而获取更高的系统容量。

Description

应用于智能天线CDMA通信系统的下行接纳判决方法

技术领域

本发明涉及一种数字移动通信技术领域，尤其涉及使用智能天线技术的第三代TD-SCDMA系统通信系统的下行接纳判决的方法。

背景技术

在移动通信系统中，无线资源管理算法负责空中接口资源的分配与使用，在确保系统的服务质量的同时尽可能的提高系统的覆盖区域和容量。而接纳控制则是无线资源管理中的一个重要组成部分。

由于CDMA系统是自干扰系统，即同一载频、同一时隙的不同用户的发射功率互相干扰，因此CDMA系统的接纳控制主要根据小区当前的无线资源和负荷情况以及呼叫的服务质量，按照一定算法对新的呼叫请求可能产生的负荷增量进行预测，然后依据一定的接入准则决定对新的呼叫是允许接入还是拒绝。

现有的CDMA系统中接纳控制算法的思想，主要是基于系统负荷增量的预测，例如，将任一新用户对系统的影响，通过其自身服务类型和质量映射到整个系统负荷的增量，通过判断总的系统负荷是否超标，从而决定新用户是否被接入。就上行接纳控制过程而言，系统负荷对于小区内任一用户都是唯一的，这是因为各个用户的上行信号都在Node B(节点B)处接收，任一用户发射功率对其他所有用户造成的干扰都是相同的；对于下行接纳控制过程而言，不同UE(用户设备)接收的位置不同，导致Node B发给某一用户的功率对其他用户造成的干扰是不一样的，但如果同一载频、时隙的用户数较多(如WCDMA系统)，则任一用户设备接收到的平均干扰应该差不多，仍然可以按照上行接纳控制的思想定义一个平均意义上的唯一的系统负荷进行下行接纳控制。

然而，TD-SCDMA系统是一种基于时分双工的第三代码分多址数字移动通信系统，和WCDMA系统的高码片速率(3.84M)和高扩频因子(最高至256)不同，TD-SCDMA的码片速率较低，为1.28M，扩频因子最大为16，这就注定了TD-SCDMA系统在同一载频同一时隙承载的用户数比WCDMA系统少很多，上述基于平均系统负荷概念的下行接纳控制算法的准确程度将严重下降。

另外TD-SCDMA系统引入了先进的智能天线技术，利用自身时分双工(TDD)的特点，通过对上行用户到达角度(DOA)的估计，在下行链路自适应的进行波束赋形，从而降低小区内和小区间的干扰。这就带来一个问题，Node B下行对任一用户的发射功率给其他用户造成的干扰，不但取决于其他用户离基站的距离远近，还取决于其他用户与该用户的夹角信息。由于智能天线波束内和波束外的功率相差很大，因此小区内少量用户之间的干扰不能通过简单的平均化来获取一个唯一的系统负荷用于下行接纳控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种应用于智能天线CDMA通信系统的下行接纳判决方法，以提高接纳判决的准确性。

本发明提供一种用于智能天线CDMA通信系统的下行接纳判决方法，包括如下步骤：

步骤一：根据新用户UE_n的路径损耗L_n，路损常数L₀、指数n及小区半径R，计算该用户设备距Node B的归一化距离

，并根据

确定对应的下行干扰邻本比β_n；

步骤二：根据新用户分配到的码道资源信息、业务对应的符号级信干噪比SINR_n、以及所述的邻本比β_n、路损L_n，计算约束矩阵G中对角线上的新元素g_n，n；

步骤三：根据阵列天线的类型，利用UE_n的到达角θ_n，计算其导向矢量a_n；

步骤四：根据新用户和本小区已存在的n-1个用户的导向矢量a₁、a₂...a_n-1、a_n和干扰邻本比β₁、β₂...β_n-1、β_n，路损L₁、L₂...L_n-1、L_n以及CDMA正交抑制因子α和天线数K_α，计算约束矩阵G中非对角线的所有新元素g_1，n、g_2，n...g_n-1，n以及g_n，1、g_n，2...g_n，n-1；

步骤五：向量

的新元素

等于接收噪声功率

步骤六：对矩阵G求逆得到G^-1；

步骤七：计算各用户的等效发射功率矢量 $\tilde{P}=G^{-1}\·{\tilde{N}}_0;$

步骤八：根据所述各用户等效发射功率矢量

与各用户的语音激活因子矢量v，计算各用户的发射功率矢量 $P=\tilde{P}./v;$

步骤九：判决总发射功率与门限的不等式P_total＝sum(P)＜P_threshold是否成立，如果成立则允许新用户接入，否则就拒绝新用户接入。

本发明主要针对现有CDMA系统下行接纳控制技术不能在应用智能天线技术的TD-SCDMA系统上实施的问题，设计了一种针对小区内每一UE对应的负荷，并综合所有UE的负荷情况来对新用户的接入进行判决，提高了接纳判决的准确性，从而获取更高的系统容量。

附图概述

图1为利用本发明实施TD-SCDMA系统新用户下行接纳判决过程的流程示意图；

图2为利用本发明实施TD-SCDMA系统下行接纳控制的概要流程图。

本发明的最佳实施方式

与本发明有关的主要技术原理阐述如下：

定义小区内任一UE_j接收的总干扰功率(包括自己)为：

$I_{\mathrm{total},j}\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\{(1-\mathrm{\α})\·v_i\·P_i\·\frac{{|a_j^H\·a_i|}^2}{{K_a}^2}\·L_j\}+{\mathrm{\β}}_j\·\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\{v_i\·P_i\·L_i\}+{\tilde{N}}_0$

$=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\right[(1-\mathrm{\α})\·\frac{{|a_j^H\·a_i|}^2}{{K_a}^2}\·L_j+{\mathrm{\β}}_j\·L_i]\·v_i\·P_i\}+{\tilde{N}}_0$ ——公式(1)

其中M为小区内的UE数目；α为CDMA码道平均正交因子(仿真结果α＝0.6)；K_a为智能天线阵元个数；任意UE接收噪声功率都为

v_i为UE_i的语音激活因子；P_i为Node B给UE_i的发射功率；L_i为UE_i经历的路损；β_j为UE_j对应的干扰邻本比，本发明给出两种确定方法：一是各个UE取相同的平均值，仿真结果表明TD-SCDMA系统下行平均干扰邻本比可以取β＝0.4；另种是通过各UE的路损值以及给定的传播模型计算出UE与NodeB的距离d，再通过查表的方式确定各UE的干扰邻本比β_j。

不考虑地表反射折点的微蜂窝简单路损模型可以表示为：

$L_j=L_0+10\mathrm{lo}{g}_{10}\left(d_j^n\right)$ ——公式(2)

其中d_j为UE_j到Node B的距离，n为路损指数，L₀单位距离的路损常数，当单位距离为米，并且n＝3.76时满足L₀＝15.3dB。

根据等式(2)以及小区半径R，可以得到UE_j归一化的距离：

${\tilde{d}}_j=\frac{d_j}{R}=\frac{1}{R}\·{10}^{(L_j-L_0)/10\·n}$ ——公式(3)

UE归一化距离

与干扰邻本比β_j的对应表格如下：

表1：UE归一化距离与干扰邻本比的对应关系

等式(1)中的a_i为UE_i的导向矢量，与UE位置角度θ_i有关，根据阵列天线的类型分别定义为：

圆阵：

$a_i\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\left[\begin{array}{c}{e}^{j2\mathrm{\π}\frac{r}{\mathrm{\λ}}\·\cos \left({\mathrm{\θ}}_i\right)}\\ e^{j2\mathrm{\π}\frac{r}{\mathrm{\λ}}\·\cos ({\mathrm{\θ}}_i-\frac{2\mathrm{\π}}{M})}\\ \·\·\·\\ e^{j2\mathrm{\π}\frac{r}{\mathrm{\λ}}\·\cos ({\mathrm{\θ}}_i-\frac{2\mathrm{\π}(M-1)}{M})}\end{array}\right]$ ——公式(4)

线阵：

$a_i\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\left[\begin{array}{c}1\\ e^{j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}\·\sin \left({\mathrm{\θ}}_i\right)}\\ \·\·\·\\ e^{j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}\·(M-1)\sin \left({\mathrm{\θ}}_i\right)}\end{array}\right]$ ——公式(5)

其中λ为波长，r为圆阵半径，d为线阵相邻阵元间距。

我们知道，UE_j的符号级信干噪比可以表示为：

${\mathrm{SINR}}_j=\frac{16}{N_j}\·\frac{P_j\·L_j}{I_{\mathrm{total},j}-(1-\mathrm{\α})\·v_j\·P_j\·L_j}$ ——公式(6)

其中16为TD-SCDMA下行码道的扩频因子(这里不考虑下行扩频因子为1的特殊情况)，N_j为UE_j在当前时隙分配到的码道数。

等式(6)变换后得到：

$I_{\mathrm{total},j}=[(1-\mathrm{\α})+\frac{16}{N_j}\·\frac{1}{v_j\·{\mathrm{SINR}}_j}]\·v_j\·P_j\·L_j$ ——公式(7)

综合等式(1)和等式(7)我们得到：

$[\frac{16}{N_j}\·\frac{1}{v_j\·{\mathrm{SINR}}_j}+(\frac{1}{v_j}-1)\·(1-\mathrm{\α})-{\mathrm{\β}}_j]\·L_j{v}_j{P}_j-\underset{i\≠j}{\overset{M}{\underset{i=1}{\mathrm{\Σ}}}}\left\{\right[(1-\mathrm{\α})\·\frac{{|a_j^H\·a_i|}^2}{{K_a}^2}\·L_j+{\mathrm{\β}}_j\·L_i]\·v_i{P}_i\}={\tilde{N}}_0$

——公式(8)

由于j是在1-M个UE中任意选取，因此对于M个UE我们可以根据等式(8)列出M个类似的等式构成自由度为M的方程组。如果我们定义矢量：

$\tilde{P}=\left[\begin{array}{c}{v}_1{P}_1\\ v_2{P}_2\\ \·\·\·\\ v_M{P}_M\end{array}\right]$ 为各用户等效发射功率，并且定义矢量：

${\tilde{N}}_0=\left[\begin{array}{c}{\tilde{N}}_0\\ {\tilde{N}}_0\\ \·\·\·\\ {\tilde{N}}_0\end{array}\right],$ 则可以将上述方程组写为矩阵形式：

$G\·\tilde{P}={\tilde{N}}_0$ ——公式(9)

其中约束矩阵G为M×M大小的方阵：

$G=\left[\begin{array}{cccc}{g}_{1,1}& g_{1,2}& \·\·\·& g_{1,M}\\ g_{2,1}& g_{2,2}& \·\·\·& g_{2,M}\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ g_{M,1}& g_{M,2}& \·\·\·& g_{M,M}\end{array}\right]$ ——公式(10)

根据等式(8)我们可以得到G矩阵中的对角线元素满足：

$g_{j,j}=[\frac{16}{N_j}\·\frac{1}{v_j\·{\mathrm{SINR}}_j}+(\frac{1}{v_j}-1)\·(1-\mathrm{\α})-{\mathrm{\β}}_j]\·L_j$ ——公式(11)

非对角线元素满足：

$\underset{i\≠j}{g_{j,i}}=(1-\mathrm{\α})\·\frac{{|a_j^H\·a_i|}^2}{{K_a}^2}\·L_j+{\mathrm{\β}}_j\·L_i$ ——公式(12)

在小区内增加一个新用户UE_n将会导致方程组(9)中的约束矩阵G的行数和列数都增大1，矢量

和

的长度增大1。由于为变量，其维数增大1意味着上述方程组的自由度增大1，而

内每个元素都等于

并且我们知道约束矩阵G中的已有元素和新用户没有关系，因此我们只需要计算出约束矩阵G中的新元素，带入方程组(9)，解出

再进一步求出各用户的发射功率 $P=\tilde{P}./v,$ 最后将Node B总发射功率与事先设置的门限做比较来判决是否接入新用户。

下面结合附图来进一步描述本发明的操作步骤。

如图1所示，为本发明所述的新用户下行接纳判决过程的具体操作步骤：

第一步：将新用户UE_n的路径损耗L_n，路损常数L₀、指数n及小区半径R带入等式(3)计算该UE距Node B的归一化距离

然后查表1得到该UE对应的下行干扰邻本比β_n，或者直接取平均下行干扰邻本比β_n＝β＝0.4；

第二步：将新用户分配到的码道资源信息(扩频因子16和码道数目N_n)，业务对应的符号级信干噪比SINR_n，第一步中得到的邻本比β_n以及路损L_n带入等式(11)计算约束矩阵G中对角线上的新元素g_n，n；

第三步：根据阵列天线的类型(圆阵或线阵)将UE_n的到达角θ_n带入等式(4)或等式(5)计算其导向矢量a_n；

第四步：将新用户和本小区已存在的n-1个用户的导向矢量a₁、a₂...a_n-1、a_n和干扰邻本比β₁、β₂...β_n-1、β_n，路损L₁、L₂...L_n-1、L_n以及CDMA正交抑制因子α和天线数K_a带入等式(12)来计算约束矩阵G中非对角线的所有新元素g_1，n、g_2，n...g_n-1，n以及g_n，1、g_n，2...g_n，n-1；

第五步：向量

中的新元素等于接收噪声功率

第六步：对矩阵G求逆得到G^-1；

第七步：计算各用户的等效发射功率矢量 $\tilde{P}=G^{-1}\·{\tilde{N}}_0;$

第八步：根据第七步得到的各用户等效发射功率矢量

与各用户的语音激活因子矢量v计算各用户的发射功率矢量 $P=\tilde{P}./v;$

第九步：判决总发射功率与门限的不等式P_total＝sum(P)＜P_threshold是否成立，如果成立则允许新用户接入，否则就拒绝新用户接入。

如图2所示，为利用本发明实施TD-SCDMA系统下行接纳控制的概要流程图，首先进行初始化及参数准备；如果新用户循环没有结束则进入下一新用户的下行接纳判决过程；否则则结束。

工业实用性

采用本发明所述的下行接纳判决方法充分考虑了TD-SCDMA移动通信系统在同一载频同一时隙上小区内的用户数少，以及下行链路应用智能天线波束赋形的特点，将小区内每个UE的负荷区别对待并且从系统的角度考虑了其互相制约的关系，进而分析出增加新用户对系统总负荷的影响并作为判断新用户是否允许接纳的准则。

由于考虑了小区内每个UE的负荷特性及各个UE的约束关系而不是简单的加以平均，因而本发明所述的下行接纳判决方法将大大提高用户接纳判决的合理性，对后续的系统负荷控制等其他无线资源管理过程造成的压力将大大减小，从而有效的提高了系统容量。

Claims (11)

1.一种应用于智能天线CDMA通信系统的下行接纳判决方法，

其特征在于包括如下步骤：

步骤一：根据新用户设备UE_n的路径损耗L_n，单位距离的路径损耗常数L₀、路径损耗指数m及小区半径R，计算该新用户设备UE_n距节点B的归一化距离 

并根据 

确定对应的下行干扰邻本比β_n；

步骤二：根据新用户设备分配到的码道资源信息、业务对应的符号级信干噪比SINR_n、以及所述的下行干扰邻本比β_n、路径损耗L_n、CDMA码道平均正交因子α、新用户设备的语音激活因子v_n，计算约束矩阵G中对角线上的新元素g_n，n；

步骤三：根据阵列天线的类型，利用UE_n的到达角θ_n，计算其导向矢量a_n；

步骤四：根据新用户设备和本小区已存在的n-1个用户设备的导向矢量a₁、a₂...a_n-1、a_n和下行干扰邻本比β₁、β₂...βn_-1、β_n，路径损耗L₁、L₂...L_n-1、L_n以及CDMA码道平均正交因子α和智能天线阵元个数K_a，计算约束矩阵G中非对角线的所有新元素g_1，n，g_2，n...g_n-1，n以及g_n，1、g_n，2...g_n，n-1；

步骤五：向量 

的新元素 等于接收噪声功率 

向量 

的已有元素为本小区已存在的n-1个用户设备的接收噪声功率 

步骤六：对矩阵G求逆得到G^-1；

步骤七：计算各用户设备的等效发射功率矢量 

步骤八：根据所述各用户设备等效发射功率矢量 

与各用户设备的语音激活因子矢量v，计算各用户设备的发射功率矢量 

步骤九：判决总发射功率与门限的不等式P_total＝sum(P)＜P_threshold是否成立，如果成立则允许新用户设备接入，否则就拒绝新用户设备接入。

2.如权利要求1所述的方法， 

其特征在于所述步骤一，计算该新用户设备UE_n距节点B的归一化距离 

的步骤，是利用公式：

计算的，其中，d_n为该新用户设备UE_n到节点B的距离。

3.如权利要求1所述的方法，

其特征在于所述步骤一，根据 

确定对应的下行干扰邻本比β_n步骤，是通过查表得到该新用户设备UE_n对应的下行干扰邻本比β_n。

4.如权利要求1所述的方法，

其特征在于所述步骤一，根据 确定对应的下行干扰邻本比β_n步骤，是取平均下行干扰邻本比。

5.如权利要求4所述的方法，

其特征在于所述平均下行干扰邻本比取值为0.4。

6.如权利要求1所述的方法，

其特征在于所述步骤二，新用户设备分配到的码道资源信息，包括扩频因子16和码道数目N_n；

所述新用户设备UE_n的业务对应的符号级信干噪比SINR_n是利用公式 

计算的，

其中，新用户设备UE_n接收的总干扰功率：

其中，M为小区内的用户设备数目，且M＝n；任意用户设备接收噪声 功率都为 v_i为用户设备UE_i的语音激活因子；P_i为用户设备UE_i的发射功率；L_i为用户设备UE_i经历的路径损耗；

路径损耗模型为：L_n＝L₀+10log₁₀(d_n ^m)，其中，d_n为新用户设备UE_n到节点B的距离。

7.如权利要求1所述的方法，

其特征在于所述约束矩阵G为：

所述计算约束矩阵G中对角线上的新元素g_n，n步骤，是利用公式：

计算的；

其中，M为小区内的用户设备数目，且M＝n；N_n为新用户设备UE_n在当前时隙分配到的码道数。

8.如权利要求1所述的方法，

其特征在于所述步骤三，如果天线类型为圆阵，则导向矢量通过：

计算； 

如果天线类型为线阵，则导向矢量通过：

计算，

其中λ为波长，r为圆阵半径，d为线阵相邻阵元间距。

9.如权利要求1所述的方法，

其特征在于所述步骤四，计算约束矩阵G中非对角线的所有新元素g_1，n、g_2，n...g_n-1，n以及g_n，1、g_n，2...g_n，n-1步骤，是通过公式：

计算的。

10.如权利要求1所述的方法，

其特征在于所述步骤五，向量 

为：

接收噪声功率 

为：

其中， 

可以通过公式：

；

以及公式：

获得；

其中，M为小区内的用户设备数目，且M＝n；下脚标j代表第j个用户设备UE_j，且j＝1，2，...M；任意用户设备接收噪声功率都为 

v_i为用户设备UE_i的语音激活因子；P_i为用户设备UE_i的发射功率；L_i为用户设备UE_i经历的路径损耗；β_j为用户设备UE_j对应的下行干扰邻本比；I_total，j为用户设备UE_j接收的总干扰功率；N_j为用户设备UE_j在当前时隙分配到的码道数；SINR_j为用户设备UE_j的业务对应的符号级信干噪比。

11.如权利要求1所述的方法，

其特征在于所述步骤七，计算各用户设备的等效发射功率矢量，是根据公式： 变换而来的，其中，

M为小区内的用户设备数目，且M＝n；任意用户设备接收噪声功率都为 

v_i为第i个用户设备UE_i的语音激活因子，P_i为第i个用户设备UE_i的发射功率，i＝1，2，...M。 

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