CN101986574A - 用于多基站协作系统的波束成型矩阵的优化方法 - Google Patents

Abstract

一种无线通信技术领域的用于多基站协作系统的波束成型矩阵的优化方法，采用分布式的基站协作选择方式，选择在用户端根据信道状态信息及相关的干扰信道选择协作基站：用户可以选择是否要求基站联合相邻基站协作传输，同时根据自身信道增益与干扰信道增益选择对用户造成干扰较大的基站协作；基站根据反馈的信息，以服务质量最好的原则决定最终选择被协作的方式，实现平衡用户间的服务质量要求。

Description

用于多基站协作系统的波束成型矩阵的优化方法

技术领域

本发明涉及的是一种无线通信技术领域的方法，具体是一种用于多基站协作系统的波束成型矩阵的优化方法。

背景技术

下行链路多基站协作技术可以有效的消除小区间干扰，改善系统的公平性及增加系统的频谱效率。然而，有关多小区协作技术的实现却存在着两个重大的问题：为了实现基站间协作，网络后台需要很大的回程容量来完成基站间的信息交换；同时在系统的收、发端已知系统的信道状态信息的程度，也是影响系统性能的一大重要因素。因此，在网络后台回程容量有限且发射端只有部分状态信息的情况下，如何有效的设计波束成型矩阵，以减少小区间干扰，提高系统的容量，是目前多小区协作系统中的主要研究课题之一。

在传统的多小区系统中，每个用户均只由小区所属的基站服务。目前，随着通信技术的发展，系统所要求达到的数据传输速率越来越高(LTE-Advanced技术参数要求：下行峰值速率为1Gbps)。一般认为多基站联合传输信息，在满足同步要求的前提下，用户服务质量可以得到改善，特别是小区边缘的用户。然而，多基站联合传输需要很大的后台回程容量，用于基站之间交换信息。而多基站协调波束成形处理，可以有效抑制小区间干扰，同时基站之间所需交换的信息较于多基站联合传输技术要少，但是用户得到的服务质量较于多基站联合传输差一些。因此，采用多基站协调波束成形技术，有时候难以满足用户需要的服务要求，特别是信道质量较差的用户。

经过对现有技术的检索发现，在Antti的文章“On the Value of Coherent andCoordinated Multi-cell Transmission”(参见“ICC Workshops 2009，，June 2009，pp.1-5”)中，比较了采用五种传输技术(其中包括：多基站一致联合传输、查找式多基站协调单基站传输、固定式多基站协调单基站传输、固定式非协调单基站传输以及TDMA单基站传输)时，系统的速率和与相关系数(相关系数定义为本小区内用户大尺度衰落与协作小区内用户大尺度衰落之间的比值)之间的关系。而在Illsoo Sohn的文章“A Graphical Model Approach to DownlinkCooperative MIMO Systems”(参见“IEEE Globecom，2010”)中，作者提出中新的协调波束成形技术：基站分别选择与本基站用户信道最匹配的波束成形矢量以及对别的小区干扰最强的波束成形矢量；在最后基于BP(Belief Propagation)算法抉择最终的波束成形矢量。

但是该现有技术很少基于系统的开销考虑协作处理方式的选择。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于多基站协作系统的波束成型矩阵的优化方法，采用分布式的基站协作选择方式，选择在用户端根据信道状态信息及相关的干扰信道选择协作基站：用户可以选择是否要求基站联合相邻基站协作传输，同时根据自身信道增益与干扰信道增益选择对用户造成干扰较大的基站协作；基站根据反馈的信息，以服务质量最好的原则决定最终选择被协作的方式，实现平衡用户间的服务质量要求。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

步骤一：在多小区MIMO系统中设置初始参数；

所述的多小区MIMO系统是指：K个用户随机分布在多小区系统中，并使用同一频段的信道进行通信，每个用户带有N_r接收天线数，每个基站带有N_t发射天线数，多小区系统中总共有N_b个基站；

所述的信道为平坦衰落信道，在传输周期内信道不变。

所述的初始参数包括：协作基站数和自适应协作策略，其中：协作基站数指的是在整个系统中，协作小区中包含的基站数。由于本发明考虑两种协作方式：联合传输技术(Jointprocessing)和协调波束成型技术(coordinate beamforming)。自适应协作策略的定义为：基站将根据两种协作方式下虚拟上行链路的信道质量选择一种协作方式。

步骤二：用户端进行信道估计得到信道状态信息1≤k≤N_i，其中h_k，i为M×1矩阵，表示基站i到k的信道矩阵；

所述的信道估计是指：用户根据接收到来自基站的导频信号估计出基站与用户之间的信道。本发明假设用户端对信道的估计误差为0，即用户端获得完全的信道状态信息。

步骤三：用户初始接入阶段时，判断当前基站之间是否存在相互协作，当不存在相互协作时检测用户k的信道质量γ_k＝||h_k，i||²/(∑_l≠i||h_k，l||²。γ_th表示系统离线情况下统计出来的一个系统要求满足某种服务质量要求的信道质量的阈值。

当γ_k≥γ_th时当前基站之间不需要相互协作，本方法结束；

否则当γ_k＜γ_th时，用户将根据信道状态信息选择协作对象基站，并将n个bit的反馈信息输送至当前基站后执行步骤四，其中：n的选择决定于系统要求协作的基站数。

所述的根据信道状态信息选择协作对象基站是指：当当前基站与用户之间的信道的大尺度衰落与干扰基站与用户之间信道的大尺度衰落之比时，即表示有用信道与干扰信道之间的相干性，用户将选择满足

的基站加入协作小区，其中：相干系数

是所有基站集U＝{1，…，N_b}的一个子集，表示将被选择为协作对象基站的基站集，并且满足要求

s为子集

中的元素，表示从子集中挑出的被选为协作对象基站。

步骤四：当前基站根据接收到的反馈信息决定协作对象基站和协作方式，其中：当前基站分别计算不同协作方式下的虚拟上行链路的信道质量，并基于该当前基站服务的小区内用户的信道质量最好的原则选择相应的协作方式，然后当前基站将协作方式传输至相应的协作对象基站，具体步骤为：

4.1)当前基站将分别计算采用基站间协调波束成形技术与基站间联合传输技术时，当前基站所属用户虚拟上行的信道sir_cb、sir_jp；其中N_c表示协作的基站数；Φ_s表示协作基站的集合，sir_cb＝||h_k，i||²/(∑_l≠i||h_k，l||²)，

4.2)当采用基站间协调波束成形且sir_jp-sir_cb≤θ时，选择采用基站间协调波束成形技术；否则选择采用基站间联合传输技术。

所述的协作方式包括：基站间协调波束成形和基站间联合传输；

步骤五：基于步骤四选择的协作方式，协作对象基站采用迫零预编码处理方法选择预编码矢量，具体是指：

5.1)当协作方式是基站间协调波束成形，则当前基站为用户k选择波束成型矩阵W_k满足要求：

H_iW_k＝0，i≠k。H_i表示用户i到当前基站的虚拟上行链路的信道矩阵。假设有矩阵

W_k满足W_k落在

的零空间。

5.2)当协作方式是基站间联合传输，则每个协作对象基站均为用户选择波束成形矢量，满足要求：

W_k＝H′_k，其中

表示协作小区内的基站j到用户k的信道矩阵。

步骤六：当前基站根据步骤五得到的预编码矢量及步骤四得到的协作方式向协作对象基站传输数据。

本发明方法由于在用户端对要求协作的基站作出选择，这样将降低基站间交换信息所需对系统开销。在基站端选择协作方式，也是对系统在后台开销的减少的一种考虑。同时由于基站联合传输主要是改善相邻小区边缘用户但降低的本小区内用户服务质量，而基站间协调波束成形主要是减少小区间干扰，对本基站内的用户的服务质量没有影响。在两种协作方式之间做选择，将会平衡用户间的服务质量要求。

附图说明

图1为本发明示意图。

图2为实施例1示意图。

图3为实施例2示意图。

图1中eNB表示基站，UE表示用户；图2中分别统计了基站之间没有协作(*)、协作基站数为3且采用CB的协作方式(+)、协作基站数为3且采用JP的协作方式(---)和习作基站数为2的且选择自适应的协作方式(——)的系统中随着SIR变化时用户数的分布；图3表示基站之间没有协作(*)、协作基站数为3且采用CB的协作方式(+)、协作基站数为3且采用JP的协作方式(---)和习作基站数为2的且选择自适应的协作方式(——)的系统平均速率和。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实例采用3个小区6个用户的多小区MIMO下行系统，基站发射功率为1W，基站天线数为4，每个用户天线数为1，数据流数为1。设信道为平坦衰落、准静态，信道矩阵的元素为独立同分布的零均值、单位方差的复高斯随机变量，噪声为均值为零、协方差矩阵为单位阵的加性高斯白噪声，各个用户经历的信道相互独立，基站可以获得所有用户的信道状态信息。

本实例使用的多小区MIMO系统用户的波束成形矢量选择方法具体步骤如下：

步骤1：在选择中，基站通过发射训练序列，用户端可以分别估计并获得用户与所属基站之间的信道矩阵及别的小区的干扰信道矩阵(表示基站i到用户k的信道矩阵)。

本实例考虑两个用户随机分布于每个基站中，信道矩阵

满足高斯分布lN(0，I)。大尺度衰落系数

其中γ＝3.5，而传播的距离d_b，j则根据用户与基站的坐标可计算得到。

步骤2：用户分别计算信道的质量信息sir，如表1所示：

表1  6个用户的信道质量信息

sir1	-7.8399
		sir2	-1.6359
sir3	0.5164
		sir4	-0.8121
sir5	2.3804
		sir6	2.2526

步骤3：用户根据相干系数

选择协作的基站j使得相干系数最大。所选择的基站与用户的信道矩阵如表2所示。用户将通过反馈信道将信道状态信息，及协作指示因子反馈给相关基站。

表2选择的协作基站与用户间的信道矩阵

步骤4：在基站端，基站根据接收到的反馈信息，利用虚拟上行计算协调波束成形与联合传输对本基站所属小区内用户的服务质量的影响，如表3，表4所示，选择基站间的协作方式，并通知原服务基站。原服务基站将根据被通知的消息，选择是否交换数据及相关信道状态信息。

表3采用基站间协作波束成形技术的虚拟上行信道质量

表4采用基站间联合传输技术的虚拟上行信道质量

步骤5：基站根据选择的协作方式，选择波束成形矩阵。如表5、6、7所示。

表示基站i为本基站内的用户k所选择的波束成形矢量；

表示基站i为基站j内用户k所选择的波束成形矢量。

表5基站1为用户选择的波束成形矩阵

表6基站2为用户选择的波束成形矩阵

表8基站3为用户选择的波束成形矩阵

步骤6：基站利用选择的波束成形矢量传输信息，在用户端，用户接收到的信干噪比如表8所示。

表8用户端的sinr

由表8与表1比较可知，系统中各个用户的服务质量都得到改善。并且相对于处理之前，用户间的公平性有所改善。

如图1所示，为多小区系统模型。系统包含3个基站，多个用户随机分布在小区中，用户所属小区的基站的有用信道及相邻小区的基站对用户的干扰信道。

实施例1

如图2所示，为图2所示为多基站协作系统中，基站数为3，每个基站采用4个天线，每个小区随机分布2个用户，每个用户均采用1个天线，每个用户的数据流数为1，在信噪比分别为15dB条件下，信干燥比的用户数统计分布随功率变化的情况，并仿真比较了采用小区间无协作的多小区系统，采用基站间协调波束成形技术的多小区系统，以及采用基站间联合传输技术的系统用户瞬时sinr的统计分布。对于本发明提出的基站间协作选择方法，由图2可见，本发明提出的选择方法尽管受限于协作基站数，不能达到3个基站传输的效果。同时在低信噪比情况下，相对对比与3个基站协调波束成形技术所达到的效果要差。但随着信噪比的增加，由于本发明考虑选择联合传输与协调技术之间选择，用户的服务质量得到改善。

实施例2

如图3所示，为多基站协作系统中基站数为3，每个基站采用4个天线，每个小区随机分布2个用户，每个用户均采用1个天线，每个用户的数据流数为1，系统平均容量随功率变化的情况，并仿真比较了比较了采用小区间无协作的多小区系统，采用基站间协调波束成形技术的多小区系统，以及采用基站间联合传输技术的系统的系统容量。对于本发明基站间协作方式的选择方法，由图3可见，本发明提出的算法相比基于所有基站均参与协作算法系统容量降低，但在信噪比较小时，本发明较于所有基站参与的协调算法所获得的系统容量好。

本方法以降低多小区MIMO系统的后台交换信息量及小区间干扰改善用户的服务质量为出发点，提出了一种多小区MIMO系统中基站间自适应协作的选择方法。该方法通过用户端选择协作基站，减小了基站间信息交换量；基站端通过计算采用基站协调波束成形技术及采用基站联合传输技术时用户的虚拟上行信噪比，选择的一种对被基站用户有利的协作方式，保证了小区内用户容量损失较小，同时相对改善相邻小区边缘用户的服务质量，并减少了系统在后台的开销。

Claims (7)

1.一种用于多基站协作系统的波束成型矩阵的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在多小区MIMO系统中设置初始参数；

步骤二：用户端进行信道估计得到信道状态信息

1≤k≤N_i，其中h_k，i为M×1矩阵，表示基站i到k的信道矩阵；

步骤三：用户初始接入阶段时，判断当前基站之间是否存在相互协作，当不存在相互协作时检测用户k的信道质量γ_k＝||h_k，i||²/(∑_l≠i||h_k，l||²)，γ_th表示系统离线情况下统计出来的一个系统要求满足某种服务质量要求的信道质量的阈值；

当γ_k≥γ_th时当前基站之间不需要相互协作，所述优化方法结束；

否则当γ_k＜γ_th时，用户将根据信道状态信息选择协作对象基站，并将n个bit的反馈信息输送至当前基站后执行步骤四，其中：n的选择决定于系统要求协作的基站数；

步骤四：当前基站根据接收到的反馈信息决定协作对象基站和协作方式，其中：当前基站分别计算不同协作方式下的虚拟上行链路的信道质量，并基于该当前基站服务的小区内用户的信道质量最好的原则选择相应的协作方式，然后当前基站将协作方式传输至相应的协作对象基站；

步骤五：基于步骤四选择的协作方式，协作对象基站采用迫零预编码处理方法选择预编码矢量；

步骤六：当前基站根据步骤五得到的预编码矢量及步骤四得到的协作方式向协作对象基站传输数据。

2.根据权利要求1所述的用于多基站协作系统的波束成型矩阵的优化方法，其特征是，所述的多小区MIMO系统是指：K个用户随机分布在多小区系统中，并使用同一频段的信道进行通信，每个用户带有N_r接收天线数，每个基站带有N_t发射天线数，多小区系统中总共有N_b个基站，所述的信道为平坦衰落信道，在传输周期内信道不变，所述的初始参数包括：协作基站数和自适应协作策略，其中：协作基站数指的是在整个系统中，协作小区中包含的基站数。

3.根据权利要求1所述的用于多基站协作系统的波束成型矩阵的优化方法，其特征是，所述的信道估计是指：用户根据接收到来自基站的导频信号估计出基站与用户之间的信道，本发明假设用户端对信道的估计误差为0，即用户端获得完全的信道状态信息。

4.根据权利要求1所述的用于多基站协作系统的波束成型矩阵的优化方法，其特征是，所述的根据信道状态信息选择协作对象基站是指：当当前基站与用户之间的信道的大尺度衰落与干扰基站与用户之间信道的大尺度衰落之比时，即表示有用信道与干扰信道之间的相干性，用户将选择满足

的基站加入协作小区，其中：相干系数

是所有基站集U＝{1，…，N_b}的一个子集，表示将被选择为协作对象基站的基站集，并且满足要求

s为子集中的元素，表示从子集中挑出的被选为协作对象基站。

5.根据权利要求1所述的用于多基站协作系统的波束成型矩阵的优化方法，其特征是，所述的步骤四具体是指：

4.1)当前基站将分别计算采用基站间协调波束成形技术与基站间联合传输技术时，当前基站所属用户虚拟上行的信道sir_cb、sir_jp；

4.2)当采用基站间协调波束成形且sir_jp-sir_cb≤θ时，选择采用基站间协调波束成形技术；否则选择采用基站间联合传输技术。

6.根据权利要求1所述的用于多基站协作系统的波束成型矩阵的优化方法，其特征是，所述的协作方式包括：基站间协调波束成形和基站间联合传输。

7.根据权利要求1所述的用于多基站协作系统的波束成型矩阵的优化方法，其特征是，所述的步骤五具体是指：

5.1)当协作方式是基站间协调波束成形，则当前基站为用户k选择波束成型矩阵W_k满足要求：H_iW_k＝0，i≠k，H_i表示用户i到当前基站的虚拟上行链路的信道矩阵，假设有矩阵

W_k满足W_k落在

的零空间；

5.2)当协作方式是基站间联合传输，则每个协作对象基站均为用户选择波束成形矢量，满足要求：W_k＝H′_k，其中

表示协作小区内的基站j到用户k的信道矩阵。

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