CN101621834B - 一种基于SINR门限和令牌的CoMP下行动态协作簇选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于SINR门限和令牌的CoMP下行动态协作簇选择方法，属于无线通信、移动通信领域。该方法根据小区边缘信干噪比即SINR最差的用户来确定协作簇，保证边缘用户的性能；挑选对SINR最差用户干扰最大的邻近小区来协作，使协作增益最大；以使用户协作后的SINR达到给定门限的准则来确定协作簇的大小，可以灵活调整门限从而在性能和复杂度之间折中；另外，该方法将蜂窝小区划分为不同区域，在每个区域内颁发令牌并基于令牌来选择协作簇，避免了不同用户同时选择协作小区时的冲突问题。

Description

一种基于SINR门限和令牌的CoMP下行动态协作簇选择方法

(一)技术领域

本发明涉及蜂窝协作通信系统下行传输时动态选择多小区协作簇的方法，尤其涉及一种基于信干噪比(SINR)门限和令牌的协作多点传输(Coordinated Multi-Point，CoMP)下行动态协作簇选择方法，属于移动通信、无线通信技术领域。 

(二)背景技术

随着通信业务的发展以及人们需求的增长，未来的无线通信系统需要支持高速率、大容量。目前的蜂窝通信系统存在若干问题，小区间的干扰是其中较为严重的一个。位于小区边缘的用户容易受到相邻小区的干扰，于是小区边缘用户的性能很差，成为制约系统整体性能的瓶颈。 

针对这一问题，近年出现了协作多点传输(CoMP)的方法。其基本思想是让不同小区的基站下行协作传输数据。协作多点传输能充分利用多基站、多用户和多天线资源，提高小区用户平均性能尤其是小区边缘用户的性能。 

在下行协作多点传输过程中，协作基站需将用户的信道信息传递给中心处理单元，中心处理单元实现用户调度和预编码，并将调度和预编码的结果传给协作基站。随着协作基站个数的增加，对协作基站与中心处理单元间的回传信道容量的要求大大增加，协作所需的信令和反馈开销迅速增加，资源分配和预编码的实现复杂度也急剧增长，但是协作带来的性能增益却在逐步减小。为了降低协作传输系统的复杂度，需要将网络中的大量基站划分为不同的协作簇，在各协作簇内进行基站协作传输。 

固定分簇是最简单的协作簇划分方法。对于由固定分簇事先设计的任意一种分簇结果，簇内的若干小区将构成一个“超级小区”进行协作下行传输，从而使簇内不再产生小区间干扰。但是，这种“超级小区”的边缘用户仍然受到较强的簇间干扰，因此其性能依然较差。 

本发明针对这一问题，提出了一种动态选择协作簇的方法，保证了边缘用户的性能。

本发明的提出基于“新一代宽带无线移动通信网科技重大专项：IMT-Advanced协作多点传输技术研发”(工信部20092X03003-003)的支持。 

(三)发明内容

1、发明目的： 

本发明的目的在于提供一种基于SINR门限和令牌的CoMP下行动态协作簇选择方法。通过基于SINR门限动态选择协作簇，且簇内多个基站进行协作下行多天线预编码传输，可以改善小区边缘用户的性能；通过传输和管理令牌，可以解决选簇时的冲突问题。 

2、技术方案： 

本发明的基本思想是：根据小区边缘用户来确定协作簇，这样可以保证边缘用户的性能；挑选干扰最大的小区来协作，这样可以使协作增益最大；以使小区边缘用户的信干噪比达到给定门限的准则来确定协作簇的大小，这样可以灵活调整门限从而在性能和复杂度之间折中；基于令牌来选择协作簇，避免了不同用户同时选择协作小区时的冲突问题。 

本发明的具体技术方案是：一种基于SINR门限和令牌的CoMP下行动态协作簇选择方法，它是由基于SINR门限的动态分簇方法和基于令牌的冲突避免方法两部分组成，其具体步骤如下： 

(1)基于SINR门限的动态分簇方法 

假设有Nc个小区，每个小区内的基站(BS)配有Nt个天线。在每个小区内散布有Nu个用户(UE)，每个用户配有Nr个天线。设C表示所有小区的集合，S表示尚未分簇的小区集合，U(S)表示S集合里的各个小区内所有用户的集合。初始状态时S＝C。 

步骤一：选出SINR最差的用户 

每一个用户均可以接收所有基站发送的导频信号，并测量其强度。用户将所在小区基站发送的信号看做有用信号，将其余Nc-1个基站发送的信号看做干扰，用有用信号的能量除以干扰信号和噪声的能量之和，就可以计算出自己的SINR。计算各个用户的SINR时，既可以使用瞬时导频信号能量，也可以使用对导频信号长时间统计所得的能量。 

在集合U(S)中选出SINR最差的用户，并基于它来选择协作簇。 

步骤二：选择一个协作簇 

假设步骤一挑出用户所在的小区为c₁，在S中按照对该用户干扰从大到小的顺序依次选出K个小区c₂，c₃，...，c_K+1与c₁协作。协作簇的大小为K+1，其中K由以下原则确定： 

1、当协作簇大小为K时，协作后用户的SINR达不到给定门限，即 

$\frac{\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}P{c}_i}{\underset{j=K+1}{\overset{\mathrm{Nc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}P{c}_j+{\mathrm{\&sigma;}}^2}<\mathrm{SINR}\_\mathrm{threshold}$

2、当协作簇大小为K+1时，协作后用户的SINR可以达到给定门限，即 

$\frac{\underset{i=1}{\overset{K+1}{\mathrm{\&Sigma;}}}P{c}_i}{\underset{j=K+2}{\overset{\mathrm{Nc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}P{c}_j+{\mathrm{\&sigma;}}^2}\&GreaterEqual;\mathrm{SINR}\_\mathrm{threshold}$

以上两个不等式左边的分式表示小区协作后该用户的信干噪比，分子部分为有用信号能量，分母部分为干扰信号能量和噪声能量之和。其中Pc_i表示第c_i个小区的基站到该用户的信号能量，σ²表示噪声能量，SINR_threshold为给定的信干噪比门限。 

步骤三：选出所有协作簇 

从S中剔除步骤二中选出的K+1个小区，重复步骤一、二，选出下一个协作簇。直至Nc个小区全部分簇。 

步骤四：每个协作簇内调度用户 

在每一个协作簇内，可以同时服务多个用户。调度用户时，第一个调度划分本协作簇时所依据的那个最差SINR用户。调度其余的用户时，以和数据率最大为原则进行挑选：在未被调度的用户集合中选出一个用户，将该用户加入已调度用户集合后，所有用户可达到的总数据率最大，且大于未将该用户加入已调度用户集合时的总数据率。 

(2)基于令牌的冲突避免方法 

为了提高分簇效率，可以让多个用户同时选择协作簇。但若不同的用户同时选择同一个小区构成协作簇，就会发生冲突。针对多个用户同时选择协作簇时的冲突问题，提出了如下基于令牌的动态分簇方法。 

步骤一：将多个小区划分为若干区域，每个区域内确定一个令牌管理基站。 

步骤二：各用户向所在小区基站上行反馈自身的SINR等统计信息，各基站将本小区内的最差SINR用户信息上传给本区域的令牌管理基站。 

步骤三：令牌管理基站根据收到的统计信息，将令牌发给本区域内SINR最差的用户。依据该用户划分一个协作簇后，将令牌传递给本区域内尚未分簇小区中的最差SINR用户。直至本区域的所有小区全部分簇后，停止本区域令牌的发放。 

划分出的若干区域只是为了便于令牌的管理和发放，并不限制隶属不同区域的基站之间进行协作。 

3、优点及功效： 

本发明一种基于SINR门限和令牌的CoMP下行动态协作簇选择方法，具有如下优点： 

a、一般SINR最差的用户都处于小区边缘，基于这些边缘用户来挑选协作簇，可以保证边缘用户的性能。相对于固定分簇而言，基于边缘用户的动态分簇方法可以获得更高的小区边缘数据率。 

b、通过挑选干扰最大的小区进行协作，有效地降低了干扰，使得协作增益最大。 

c、给定的SINR门限保证了边缘用户的性能水平，门限越高边缘用户的性能越好；同时SINR门限确定了协作簇的大小，协作簇内的小区数目随门限的增大而增多，协作的开销也增大。适当地调整SINR门限可以在性能和复杂度之间折中。 

d、由于引入了令牌，多个用户可以同时选择协作簇而不会发生冲突，这样可以提高分簇的效率。 

(四)附图说明

图1为14个蜂窝小区进行CoMP下行传输的网络结构示意图。 

图2为本发明一种基于SINR门限和令牌的CoMP下行动态协作簇选择方法的流程示意图。 

(五)具体实施方式

本发明一种基于SINR门限和令牌的CoMP下行动态协作簇选择方法，其具体实施例如下。 

为详细说明本发明的技术方案和优势，下面给出14个小区协作场景下本发明的具体实施方式。如图1，假设每个基站有两根天线，每个小区内有4个用户。 

首先，将14个小区划分为两个区域，区域A和区域B。其中小区1-7为区域A，小区8-14为区域B。在区域A中确定基站1为令牌管理基站，在区域B中确定基站8为令牌管理基站 

每个小区内的每一个用户根据自己接收到的来自各个基站的导频信号的能量，计算出自己的SINR，并将自己的SINR上行反馈给该用户所在小区的基站。基站i根据接收到的反馈信息，从第i个小区内的4个用户u_i，1，u_i，2，u_i，3，u_i，4中挑出SINR最小的用户，并将其上报给本区域的令牌管理基站。 

令牌管理基站比较本区域内的7个基站上报的7个用户，挑出其中SINR最小的用户，并为它发放令牌。本实施例中，区域A的令牌管理基站1得到的7个用户集合为SA＝{u_1，3，u_2，1，u_3，4，u_4，2，u_5，2，u_6，3，u_7，2}，且其中u_7，2的SINR最小，于是令牌管理基站1为用户u_7，2发放令牌；区域B的令牌管理基站8得到的7个用户集合为SB＝{u_8，1，u_9，4，u_10，2，u_11，1，u_12，3，u_13，4，u_14，1}，且其中u_8，1的SINR最小，于是令牌管理基站8为用户u_8，1发放令牌。 

区域A中的用户u_7，2拿到令牌后，就开始挑选与其所在小区(小区7)协作的小区。在除去小区7的13个小区里，小区2对用户u_7，2的干扰最大，于是挑出小区2与小区7来协作。协作后，用户u_7，2的SINR仍未达到给定门 限(在本实例中，SINR的门限为10dB)，于是继续从小区1，3，4，5，6，8，9，10，11，12，13，14中挑出对用户u_7，2干扰最大的小区6，使得小区6与小区7，2协作。此时，用户u_7，2的SINR达到门限。所以，小区7，2，6形成一个协作簇，记为簇1。同时，区域B内的用户u_8，1也按照同样的原则选出小区8，12，11形成一个协作簇，记为簇2。 

在SA中剔除掉已经分簇的小区里的用户，即SA＝{u_1，3，u_3，4，u_4，2，u_5，2}，从更新过的SA中挑出SINR最小的用户u_4，2，将令牌转发给它；在SB中剔除掉已经分簇的小区里的用户，即SB＝{u_9，4，u_10，2，u_13，4，u_14，1}，从更新过的SB中挑出SINR最小的用户u_14，1，将令牌转发给它。 

按照上述的分簇原则，u_4，2挑出小区4，1，5形成协作簇，记为簇3；u_14，1挑出小区14，13，3形成协作簇，记为簇4。 

此时，区域A中的7个小区已经全部分簇，停止区域A的令牌发放。在SB中剔除掉已经分簇的小区里的用户，即SB＝{u_9，4，u_10，2}，选出SINR最小的用户u_9，4，将令牌转发给它。u_9，4选出小区9，10形成协作簇，记为簇5。 

至此，14个小区已经被分为5个协作簇。 

然后，在簇1内进行多用户调度，首先选定用户u_7，2，其余的用户根据和数据率最大的原则来选取，在本实例中，调度出u_7，2，u_7，4，u_2，3，u_6，1，u_6，2来服务。同理，簇2内调度出u_8，1，u_12，3，u_12，4，u_11，2；簇3内调度出u_4，2，u_1，1，u_5，2，u_5，4，u_1，3，u_4，3；簇4内调度出u_14，1，u_14，2，u_13，3，u_3，1，u_13，2；簇5内调度出u₉₄，u_9，3，u_10，2，u_10，3。 

分簇和调度均完成以后，即可在各个簇内以迫零预编码等线性预编码方法协作发射数据。 

实践证明，本方法具有广泛的实用价值和应用前景。 

Claims (2)

1.一种基于SINR门限和令牌的CoMP下行动态协作簇选择方法，其特征在于：它是由基于信干噪比门限即SINR门限的动态分簇方法和基于令牌的冲突避免方法两部分组成，其具体步骤如下：

(1)基于SINR门限的动态分簇方法

假设有Nc个小区，每个小区内的基站即BS配有Nt个天线，在每个小区内散布有Nu个用户即UE，每个用户配有Nr个天线，设C表示所有小区的集合，S表示尚未分簇的小区集合，U(S)表示S集合里的各个小区内所有用户的集合，初始状态时S＝C；

步骤一：选出SINR最差的用户

每一个用户均接收所有基站发送的导频信号，并测量其强度；用户将所在小区基站发送的信号看做有用信号，将其余Nc-1个基站发送的信号看做干扰，用有用信号的能量除以干扰信号和噪声的能量之和，就可以计算出自己的信干噪比即SINR；计算各个用户的SINR时，使用瞬时导频信号能量；

在集合U(S)中选出SINR最差的用户，并基于它来选择协作簇；

步骤二：选择一个协作簇

假设步骤一挑出用户所在的小区为c₁，在S中按照对该用户干扰从大到小的顺序依次选出K个小区c₂，c₃，…，c_K+1与c₁协作，协作簇的大小为K+1，其中K由以下原则确定：

1、当协作簇大小为K时，协作后用户的SINR达不到给定门限，即

$\frac{\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{Pc}}_i}{\underset{j=K+1}{\overset{\mathrm{Nc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{Pc}}_j+{\mathrm{\&sigma;}}^2}<\mathrm{SINR}\_\mathrm{threshold}$

2、当协作簇大小为K+1时，协作后用户的SINR可以达到给定门限，

即

$\frac{\underset{i=1}{\overset{K+1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{Pc}}_i}{\underset{j=K+2}{\overset{\mathrm{Nc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{Pc}}_j+{\mathrm{\&sigma;}}^2}\&GreaterEqual;\mathrm{SINR}\_\mathrm{threshold}$

以上两个不等式左边的分式表示小区协作后该用户的信干噪比，分子部分为有用信号能量，分母部分为干扰信号能量和噪声能量之和；其中Pc_i表示第c_i个小区的基站到该用户的信号能量，σ²表示噪声能量，SINR_threshold为给定的信干噪比门限；

步骤三：选出所有协作簇

从S中剔除上述步骤二中选出的K+1个小区，重复步骤一、二，选出下一个协作簇，直至Nc个小区全部分簇；

步骤四：在每个协作簇内调度用户

在每一个协作簇内同时服务多个用户，调度用户时，第一个调度划分本协作簇时所依据的那个最差SINR用户；调度其余的用户时，以和数据率最大为原则进行挑选：在未被调度的用户集合中选出一个用户，将该用户加入已调度用户集合后，所有用户可达到的总数据率最大，且大于未将该用户加入已调度用户集合时的总数据率；

(2)基于令牌的冲突避免方法

针对多个用户同时选择协作簇时的冲突问题，提出了如下基于令牌的动态分簇方法；

步骤(一)：将多个小区划分为选定的各区域，每个区域内确定一个令牌管理基站；

步骤(二)：各用户向所在小区基站上行反馈自身的SINR统计信息，各基站将本小区内的最差SINR用户信息上传给本区域的令牌管理基站；

步骤(三)：令牌管理基站根据收到的统计信息，将令牌发给本区域内SINR最差的用户；依据该用户划分一个协作簇后，将令牌传递给本区域内尚未分簇小区中的最差SINR用户，直至本区域的所有小区全部分簇后，停止本区域令牌的发放。

2.根据权利要求1所述的基于SINR门限和令牌的CoMP下行动态协作簇选择方法，其特征在于：在基于SINR门限的动态分簇方法的步骤一中，计算各个用户的SINR时，也可以使用对导频信号长时间统计所得的能量。

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