CN101951686A - 动态分簇减小隐式反馈开销方法 - Google Patents

Abstract

一种无线通信技术领域的动态分簇减少隐式反馈开销方法，其步骤包括：(1)划分用户所处的服务小区；(2)选择多点协作小区；(3)用户对导频信息进行检测后，用信噪比值表示信道状态信息；(4)用户按照信道条件对物理资源块进行重排；(5)对重排后物理资源块分簇判决；(6)以簇为反馈单位，向基站反馈信道信息；(7)服务基站根据反馈的信道信息对资源进行调度。本发明通过双码本预编码和动态分簇，在不影响系统容量的前提下，可减小用户反馈开销，广泛地适用于复杂的网络系统和用户业务量大的场合。

Description

动态分簇减小隐式反馈开销方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是一种动态分簇减小下行链路多点协作隐式反馈开销的方法。

背景技术

在下一代移动通信长期演进(LTE-A)系统中，为了解决无线网络中多点协作架构下用户反馈信息量大且反馈精度不够精确的问题，采用了各种反馈压缩机制来减小下行链路多点协作隐式反馈开销。例如，专利申请“减小下行链路多点协作隐式反馈开销方法”(申请号201010013573.X)公开的技术方案。

该技术方案为了满足LTE-A的性能指标，尤其是达到LTE-A对小区边缘用户的性能要求，在下行链路多点协作联合传输技术下，进行信道状态信息的反馈。在下行多点协作联合接收场景中，要实现服务基站、协作基站和用户之间协作传输，服务基站需要获得协作基站的全部信道信息。因此，要求用户将全部的信道状态信息反馈给服务基站，并通过服务基站和协作基站之间的协调，选择合适的传输链路。该技术方案采用隐式反馈模式，以避免显式反馈模式将全部的信道响应信息反馈给基站，而带给系统巨大的开销。在隐式反馈模式下，用户将信道响应信息量化为信道质量指示/预编码矩阵指示符/秩指示(CQI/PMI/RI)等进行反馈。在信道信息量化成SNR值时，采用了单码本进行预编码。在单用户情况下，通过隐式反馈就可以完成多点协作中诸如动态小区选择、协作抑制干扰的主要操作。

从反馈的数据形式来看，该技术方案的信道信息反馈方法主要是基于CQI的信道质量指示反馈方法，如反馈信干噪比SINR，这种反馈方法有较少反馈量，一般用于随机波束形成。在下行链路多点协作联合处理模式下，用户只需反馈到服务基站单条链路的信道质量指示CQI，并且只需反馈单条链路的信噪比SNR值，在此基础上，将相邻的物理资源块分为一个簇，以簇内物理资源块的统计CQI信息作为该簇的CQI信息反馈回给服务基站，服务基站根据反馈回的SNR信息与协作基站联合传输为用户传输数据，从而减小反馈量。该技术方案虽然通过选择合适的SNR门限值，可在保证系统容量的前提下，大幅度的减小用户的反馈开销，但是该技术方案没有考虑到每个簇中统计的CQI信息的精度，并且反馈开销仍然比较大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种动态分簇减小下行链路多点协作隐式反馈开销的方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案通过对物理资源块动态分簇，以簇为单位反馈信道信息；并且在用户端预设量化误差门限值h，保证每个簇的CQI量化误差小于预设量化误差门限值。

本发明的具体步骤如下：

(1)划分用户所处的服务小区。

(2)选择多点协作小区。

(3)用户对导频信息进行检测后，用信噪比值表示信道状态信息。用户根据接收的本小区服务基站所发送的导频信息，检测下行链路传输物理资源块共M(M为大于0的整数)个。对于第k个物理资源块，根据信噪比公式

求出一个信噪比值，其中H_k为信道增益，Q_k、P_k为传输第k个物理资源块时的预编码矩阵，E是为每个物理资源块选择的发送功率，N为加性高斯白噪声。

(4)物理资源块重排。用户按照信道条件对所有物理资源块进行重排。

(5)对物理资源块分簇判决。用户确定分簇时的量化误差标准量，以标准量化误差为判决门限对重排后的物理资源块进行分簇判决。

(6)向基站反馈信道信息。用户统计分簇数目和每个簇内包含的物理资源块数目，以簇为单位将信道信息反馈回给服务基站。

(7)服务基站对资源进行调度。服务基站根据用户反馈回的信噪比信息，向协作小区基站发起协作请求，协作基站接到请求后，使用和服务基站相同的频率资源，向用户发送相同的数据信息。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明在信道信息用SNR值表示时，预编码采用了双码本，比起现有技术采用单码本进行预编码的方案，由于可共选择的码本更多，与信道更匹配，精度更高，反馈信息质量将更好。

第二，本发明对物理资源块进行重排后，比起现有技术不进行物理资源块重排的方案，由于相邻的物理资源块SNR值更加接近，从而使分簇产生的误差更小，平均CQI值更加精确，更加接近实际信道估计信息。

第三，本发明采用动态分簇，比起现有技术使用固定长度分簇的方案，由于在用户端预设量化误差门限值h，通过门限值比较判决来确定簇内量化误差小于用户端预设的量化误差门限，从而增加了每个簇的精度，使得降低反馈开销的同时，保证了反馈CQI信息更加精确，与压缩比率相比，对原有系统吞吐量几乎不产生影响。

本发明使用于协作小区数多、通信时间长的热点区域时，反馈信息质量好，与估算的实际信道信息接近，能更合理有效的利用频谱，降低了使用成本。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明的系统模型图。

图3为本发明与现有技术比较后的系统反馈量比值图。

具体实施方式

参照图1，本发明的具体实施步骤如下：

步骤1，划分用户所处的服务小区。

根据服务小区半径大小或者是基站发送信号强弱，将用户所处的服务小区划分为中心区域和边缘区域。

图2描述了根据服务小区半径大小划分服务小区的实施例，其中服务小区半径为R米，中心区域范围为0～r米，边缘区域范围为r～R米。

步骤2，选择多点协作小区。

当用户位于中心区域时，只有服务基站为用户提供服务；

当用户位于边缘区域时，由于存在路径损耗，在离用户最近的L个小区中根据链路质量选择小区为用户提供服务。

图2描述了用户位于边缘区域时的情况，其中H₀、H₁……H_L-1分别为c₀、c₁……c_L-1到用户的信道矩阵。

本实施例假设基站发送功率都相等，则用户接收到的信号为：

y＝Q₀H₀P₀s+Q₁H₁P₁s+Q₂H₂P₂s……+Q_L-1H_L-1P_L-1s+n

H_i(i＝0，1……L-1)为信道增益，发送端天线和接收端天线数目为N_t×N_r＝8×2，对H_i奇异值分解得H_i＝u_idv_i，u_i和v_i为酉矩阵，d为H_i的特征矩阵，s为发送信息，n为加性高斯白噪声，Q_i、P_i(i＝0，1……L-1)为第i条链路上的预编码矩阵，其大小分别为u_i、v_i的第一列元素。

步骤3，用户对导频信息进行检测后，用信噪比(SNR)值表示信道状态信息。

基站通过波束将拟要发送的导频信息传输给用户，每个波束仅传输一个用户的导频信息。用户在导频信息上检测出M个下行链路传输物理资源块，再将每个物理资源块的状态信息通过下列公式计算出信噪比(SNR)值：

$\mathrm{SNR}\left(k\right)=\frac{{\left|\right|Q_k{H}_k{P}_k\left|\right|}^{2}E}{N}$ (公式1)

其中，SNR(k)为第k个物理资源块上的信噪比值

k＝1，2，3，……，M

H_k为信道增益

Q_k、P_k为传输第k个物理资源块时的预编码矩阵；

E为发送功率

N为加性高斯白噪声功率。

步骤4，用户按照信道条件对所有物理资源块进行重排。

用户将计算出的物理资源块的信噪比(SNR)值按照从大到小的顺序进行排列。

步骤5，对重排后物理资源块分簇判决。

5a)确定量化误差标准量，用户将在固定长度分簇下测得每个簇包含的物理资源块的信噪比(SNR)平均值，确定为量化误差标准量h，以h为量化误差判决门限进行分簇判决。

5b)将所有物理资源块作为一个簇，以h为量化误差判决门限进行判决。

5c)使用步骤3中的(公式1)计算步骤5b)簇内物理资源块的平均信噪比(SNR)值作为量化误差h1，若h1＞h，则进行步骤5d)，若h1＜h，则进行步骤5e)。

5d)将步骤5b)簇内的物理资源块按照从左至右的顺序取γ个(γ为一个整数，1＜γ＜M)，作为一个新簇，将该新簇代入步骤5c)中进行量化误差的判断。

5e)判断步骤5b)簇外是否还有剩余物理资源块。统计步骤5b)簇内的物理资源块数目Z个(Z为整数，1≤Z≤M)，如果没有剩余物理资源块，则进行步骤5f)。如果有剩余物理资源块，将步骤5b)簇内的物理资源块数目增加一个，得到(Z+1)个物理资源块，作为一个新簇，使用步骤3中的(公式1)计算获得新簇的量化误差h2，当h2＞h时，将步骤5b)的物理资源块作为一个簇，分簇结束。当h2＜h时，统计剩余物理资源块数目W个(W为整数，1≤W≤M)后，将步骤5b)簇内的Z个物理资源块与向右延长β个物理资源块(β为一个整数，1＜β＜W)相加，得到(Z+β)个物理资源块，作为一个新簇，将该新簇代入步骤5c)中进行量化误差的判断。

5f)判断M-Z是否为0。若不为0，将M与Z个物理资源块相减后，得到的物理资源块作为新的总物理资源块，将该新的总物理资源块替代步骤5b)中的所有物理资源块后，进行步骤5b)；若为0，则分簇结束。

步骤6，向基站反馈信道信息。

用户统计总共分簇的数目及每个簇内包含的物理资源块，以簇为单位将信道信息反馈回给发送端基站。

步骤7，服务基站对资源进行调度。

服务基站根据用户反馈回的信噪比信息，向协作小区基站发起协作请求，协作基站接到请求后，使用和服务基站相同的频率资源，向用户发送相同的数据信息。

本发明的实施效果可通过以下仿真做进一步说明：

仿真条件：

本发明的仿真中首先要构建一个下行链路多点协作模型。该协作模型包括一个服务基站和两个协作基站，在考虑用户处于边缘区域时的系统容量和反馈量大小时，仿真参数选取如表1所示：

参数	值
		发送天线数目	8
接收天线数目	2
		小区数目	3
物理资源块总数目	48
		带宽	10MHz
码本数目	4
		每个物理资源块上发送功率	50mw
噪声功率	75mw
		每个小区用户数目	20
信道	瑞利信道

小区半径	500m
		边缘区域	300-500m
阴影衰落	8dB
		路径损耗	30.18+26log(d)km

表1

仿真内容：

求现有技术系统容量Capacity和反馈量R_f

在现有技术中，采用相邻物理资源块分簇方案时：测得总共有M个物理资源块，4个相邻的物理资源块分为一个簇，带宽为B，每个簇内4个物理资源块上测得的平均信噪比SNR表示该簇的信道状态信息，则第i个簇的平均信道状态信息为：

SNR_mean(m)＝min(SNR(4m-3)，SNR(4m-2)，SNR(4m-1)，SNR(4m))

系统容量为：

$\mathrm{Capacity}=\underset{u=1}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{M/4}{\mathrm{\Σ}}}4B{\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{mean}}\left(m\right))$

所有反馈量使用8bit量化，全反馈时，反馈量大小为：

R_f＝MUb/4

其中，M表示物理资源块数目

U表示用户数目

b＝(log₂M/4)₊+(log₂N_code)₊+8表示每个资源块所需的bit数，(·)₊表示取上整

N_code表示预编码码本数目。

求本发明系统容量Capacity′和反馈量R_f′

本发明动态分簇减小隐式反馈开销方法将物理资源块分为K个簇，系统容量为：

${\mathrm{Capacity}}^{\′}=\underset{u}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}B{\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{mean}}\left(k\right))$

其中，U表示用户数目

B表示系统带宽

SNR_mean(k)表示簇平均信噪比。

本发明动态分簇减小隐式反馈开销方法反馈量：

R_f′＝KUb′

其中，U表示用户数目

b′(log₂K)₊+(log₂N_code)₊+8表示每个资源块所需的bit数，(·)₊表示取上整；N_code表示预编码码本数目。

仿真结果：

图3中，矩形灰色斜线区域表示本发明与现有技术在系统反馈量上的比值是76％，显而易见，本发明反馈的信道信息量减小了约24％，由反馈带来的上行链路的额外开销也随之降低，上行链路的额外开销降低的同时，提高了上行链路的频谱利用效率。频谱利用率的提高使得本发明可以适合多点协作边缘用户使用，也使之能广泛地适用于复杂的网络系统和用户业务量大的场合。

Claims (7)

1.动态分簇减小隐式反馈开销方法，包括如下步骤：

(1)划分用户所处的服务小区；

(2)选择多点协作小区；

(3)用户对导频信息进行检测后，用信噪比(SNR)值表示信道状态信息，用户根据接收的本小区服务基站所发送的导频信息，检测下行链路传输物理资源块共M个，再将每个物理资源块的状态信息通过下列公式计算出信噪比(SNR)值：

$\mathrm{SNR}\left(k\right)=\frac{{\left|\right|Q_k{H}_k{P}_k\left|\right|}^{2}E}{N}$

其中，SNR(k)为第k个物理资源块上的信噪比值

k＝1，2，3，……，M

H_k为信道增益

Q_k、P_k为传输第k个物理资源块时的预编码矩阵

E为发送功率

N为加性高斯白噪声；

(4)用户按照信道条件对所有物理资源块进行重排；

(5)对重排后物理资源块分簇判决，用户预先设定分簇时的量化误差标准量，以标准量化误差为判决门限对重排后的物理资源块进行分簇判决；

(6)向基站反馈信道信息，用户统计分簇数目和每个簇内包含的物理资源块数目，以簇为单位将信道信息反馈回给服务基站；

(7)服务基站对资源进行调度，服务基站根据用户反馈回的信噪比信息，向协作小区基站发起协作请求，协作基站接到请求后，使用和服务基站相同的频率资源，向用户发送相同的数据信息。

2.根据权利要求1所述的动态分簇减小隐式反馈开销方法，其特征在于：所述步骤(1)的划分服务小区是根据服务小区半径大小，将用户所处服务小区划分为中心区域和边缘区域，设定用户所处的服务小区半径为R米，以基站为中心将0～r半径范围划分为中心区域，r～R半径范围划分为边缘区域，R＞r。

3.根据权利要求1所述的动态分簇减小隐式反馈开销方法，其特征在于：所述步骤(1)的划分小区是根据基站发送信号强弱，将用户所处服务小区划分为中心区域和边缘区域，设定用户所处的服务小区信号强度大于α划分为中心区域，信号强度小于α划分为边缘区域。

4.根据权利要求1所述的动态分簇减小隐式反馈开销方法，其特征在于：所述步骤(2)的选择多点协作小区的原则是，中心区域的用户，由本小区服务基站为其提供服务；边缘区域的用户，由本小区服务基站和协作小区服务基站共同为其提供服务。

5.根据权利要求1所述的动态分簇减小隐式反馈开销方法，其特征在于：所述步骤(3)的用户接收本小区服务基站所发送的导频信息是，基站通过波束将拟要发送的导频信息传输给用户，每个波束仅传输一个用户的导频信息。

6.根据权利要求1所述的动态分簇减小隐式反馈开销方法，其特征在于：所述步骤(4)的用户按照信道条件对所有物理资源块进行重排，是指按照用户端计算的信噪比(SNR)值从大到小按顺序进行排列。

7.根据权利要求1所述的动态分簇减小隐式反馈开销方法，其特征在于：所述步骤(5)的用户对重排后的物理资源块进行分簇判决步骤如下：

5a)确定量化误差标准量，用户将在固定长度分簇下测得每个簇包含的物理资源块的信噪比(SNR)平均值，确定为量化误差标准量h，以h为量化误差判决门限进行分簇判决；

5b)将所有物理资源块作为一个簇，以h为量化误差判决门限进行判决；

5c)使用步骤(3)中的公式计算步骤5b)簇内物理资源块的平均信噪比(SNR)值作为量化误差h1，若h1＞h，则进行步骤5d)，若h1＜h，则进行步骤5e)；

5d)将步骤5b)簇内的物理资源块按从左至右的顺序取出γ个(γ为一个整数，1＜γ＜M)，获得一个新簇，将该新簇代入步骤5c)中进行量化误差的判断；

5e)判断步骤5b)簇外是否还有剩余物理资源块，统计步骤5b)簇内的物理资源块数目Z个(Z为整数，1≤Z≤M)，如果没有剩余物理资源块，则进行步骤5f)；如果有剩余物理资源块，将步骤5b)簇内的物理资源块数目增加一个，得到(Z+1)个物理资源块，作为一个新簇，使用步骤(3)中的公式计算获得新簇的量化误差h2，当h2＞h时，将步骤5b)的物理资源块作为一个簇，分簇结束；当h2＜h时，统计剩余物理资源块数目W个(W为整数，1≤W≤M)后，将步骤5b)簇内的Z个物理资源块与向右延长β个物理资源块(β为一个整数，1＜β＜W)相加，得到(Z+β)个物理资源块，作为一个新簇，将该新簇代入步骤5c)中进行量化误差的判断；

5f)判断M-Z是否为0，若不为0，将M与Z个物理资源块相减后，得到的物理资源块作为新的总物理资源块，将该新的总物理资源块替代步骤5b)中的所有物理资源块后，进行步骤5b)，若为0，则分簇结束。

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