CN101989869B - 一种多天线蜂窝网络的联合预编码与功率控制方法 - Google Patents

Abstract

一种多天线蜂窝网络的联合预编码与功率控制方法，属于无线移动通信的多天线传输领域，适用于多输入单输出蜂窝网络，解决现有调度方法边缘小区用户得不到良好调度，传输效率低的问题，同时解决性能、公平性及复杂度的关系。本发明包括初始化步骤、协作用户调度步骤、非协作用户调度步骤和传输步骤。本发明采取了多点协作传输技术和信道相关性调度算法，并对发送信号预编码处理，较好的兼顾了系统性能及复杂度，有效抑制了小区间干扰，提高了小区边缘用户性能，可以在复杂度较低且兼顾边缘小区用户传输速率的前提下获得较高的系统容量。

Description

一种多天线蜂窝网络的联合预编码与功率控制方法

技术领域

本发明属于无线移动通信的多天线传输领域，具体涉及一种多天线蜂窝网络的联合预编码与功率控制方法，适用于多输入单输出蜂窝网络。

背景技术

随着移动通信用户数量的急剧增加和无线宽带业务（如多媒体业务）的迅速兴起，人们期望移动通信系统能提供更高的数据传输率（100Mbps以上）和更高的频谱效率（10bps/Hz以上）。

多输入单输出（MISO）系统是一种在发射端配置多天线，接收端配置单天线的智能天线技术，是提高频谱效率的一种有效手段。而在实际MISO系统的应用中，来自同小区和邻小区的干扰会极大地影响系统性能，因此需要对干扰进行抑制，同时，由于边缘小区用户常常得不到调度而处于“饥饿”状态，因此需要考虑边缘小区用户的协作传输。

现有文献中的无线资源管理算法主要集中在多天线环境下的蜂窝网络中某个特定的单小区传输子问题（见Zero-Forcing Methods forDownlink Spatial Multiplexing in Multiuser MIMO Channels）、单小区调度子问题（见T.Yoo and A.Goldsmith,“On the optimality ofmulti-antenna broadcast scheduling using zero-forcing beamforming,”IEEE J.Sel.Areas Commun.,vol.24,pp.528-542,Mar.2006.）、单小区功率分配子问题（见Sum Capacity of Multiuser MIMOBroadcastChannels with Block Diagonalization）、多小区边缘小区用户容量最大化子问题（见H.Zhang and H.Dai,“Cochannel interferencemitigation and cooperative processing in downlink multicell multiuserMIMO networks,”EURASIP J.Wireless Communications andNetworking,vol.2004,no.2,pp.222–235,Dec.2004.）等的局部优化，然而综合考虑多小区协作调度、协作传输以最大化系统整体传输容量的算法还鲜有研究。

每个移动终端（用户）通过导频序列对信道进行估计，并将各自估计形成的信道矢量反馈至基站，基站对信道矢量进行处理后，作为调度信息，对移动终端进行调度和传输。信道矢量是一个一维向量，包括多个元素，其中每个元素是发射端对应的发射天线发送的信号通过无线传输信道到达接收端所历经的信号传输损耗增益值。

发明内容

本发明提供一种多天线蜂窝网络的联合预编码与功率控制方法，解决现有调度方法边缘小区用户得不到良好调度，传输效率低的问题，同时解决性能、公平性及复杂度的关系，在保证较高性能、提高多输入单输出系统的信道容量的前提下，兼顾公平性并降低系统的复杂度。

本发明中，一个基站的服务范围称为小区，每N个相邻小区的交点和中心点（基站）对应的扇区组成一个正N边形，构成一个协作簇，协作簇中，每N个相邻小区的相交部分为协作传输域；协作簇中，协作传输域以外的部分为非协作传输域；外层非协作基站以协作簇的几何中心为原点在2维平面内服从泊松分布。协作簇中的N个基站根据用户在协作簇的地理位置决定其为协作用户或者非协作用户，对协作传输域内的协作用户进行协作传输，对非协作传输域的非协作用户则采取传统单小区传输模式进行非协作传输。现实中，N一般为3或6。

本发明的一种多天线蜂窝网络的联合预编码与功率控制方法，用于协作簇内N个基站协作传输，N为正整数，包括：

一．初始化步骤：协作簇内的各基站确定有接入请求的用户，则根据该用户在协作簇的地理位置，将其分入协作用户集或自身非协作用户集；同时分别设定协作用户集用户上限值和自身非协作用户集用户上限值；

二．协作用户调度步骤：对各基站，包括下述子步骤：

2.1协作用户集初始化：将N个基站的协作用户集分为已选协用户集和待选协用户集，令已选协用户集初始值为空；

2.2获取调度信息：判断已选协用户集是否为空，是则将待选协用户集中的各用户的信道矢量h_k的F范数||h_k||作为||g_k||，并将||g_k||作为调度信息；否则计算待选协用户集中各待选用户的信道矢量在已选协用户集中所有已选用户信道矢量所构成子空间的正交空间上的投影g_k，并将||g_k||作为调度信息，||g_k||为g_k的F范数，k为正整数，是待选协用户集中用户的序号；

2.3更新已选协用户集：基站从待选协用户集中，选择对应||g_k||最大的用户i，将用户i加入已选协用户集；

2.4更新待选协用户集：基站对待选协用户集中各待选用户k，计算其信道矢量h_k和g_i形成的夹角的余弦值δ_k，判断是否δ_k>α，是则删除对应用户k，否则保留对应用户k；0＜α＜1，删除门限α越大，则保留的用户越少，由迫零信道转置所带来的损耗会导致有效信道增益的减小，删除门限α越小，则保留的用户越多，多用户分集增益会减小；

2.5判断已选协用户集中用户的个数是否达到协作用户集用户上限值或者待选协用户集是否为空；是则获得最终协作用户已选协用户集，否则转子步骤2.2；

三．非协作用户调度步骤：包括下述子步骤：

3.1基站初始化：置基站序号b＝1；

3.2基站用户集初始化：将序号为b的基站自身非协作用户集分为已选用户集和待选用户集，令已选用户集初始值为空；

3.3获取调度信息：判断已选用户集是否为空，是则将待选用户集中的各用户的信道矢量h_b，k的F范数||h_b,k||作为||g_b,k||，并将||g_b,k||作为调度信息；否则计算待选用户集中各待选用户的信道矢量在已选用户集中所有已选用户信道矢量所构成子空间的正交空间上的投影g_b，k，并将||g_b,k||作为调度信息，||g_b,k||为g_b,k的F范数，k为正整数，是待选用户集中用户的序号；

3.4更新已选用户集：基站从待选用户集中，选择对应||g_b,k||最大的用户j，将用户j加入已选用户集；

3.5更新待选用户集：基站对待选用户集中各待选用户k，计算其信道矢量h_b,k和g_b,j形成的夹角的余弦值δ_b，k，判断是否δ_b,k>α，是则删除对应用户k，否则保留对应用户k；0＜α＜1，删除门限α越大，则保留的用户越少，由迫零信道转置所带来的损耗会导致有效信道增益的减小，删除门限α越小，则保留的用户越多，多用户分集增益会减小；

3.6判断已选用户集中用户的个数是否达到非协作用户集用户上限值或者待选用户集是否为空；是则获得基站b的自身非协作用户最终已选用户集，b＝b＋1，转子步骤3.7；否则转子步骤3.3；

3.7判断是否b≤N，是则转子步骤3.2；否则得到基站1～N的最终非协作用户已选用户集；

四．传输步骤：分别对最终非协作用户已选用户集和最终协作用户已选协用户集中的用户，设计迫零波束成型矢量和功率分配参数，进行数据传输。

所述的联合预编码与功率控制方法，其特征在于：

所述初始化步骤中，设定协作用户集用户上限值和自身非协作用户集用户上限值包括下述子步骤：

1.1计算调度的总用户数K_lim：

$K_{\lim }=\min \{\frac{N_{t}N}{p_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}},\frac{N_t}{p_{\mathrm{CoMP}}}\},$

式中，协作簇内基站个数N，各基站发射天线数N_t，

协作传输概率 $p_{\mathrm{CoMP}}=\frac{S_{\mathrm{edge}}}{S_{\mathrm{cluster}}},$

非协作传输概率 $p_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}=\frac{S_{\mathrm{center}}}{S_{\mathrm{cluster}}},$

其中S_cluster为协作簇面积，S_edge为协作传输域面积，S_center为非协作传输域面积；

1.2计算用户上限值：

协作用户集用户上限值K_CoMP=K_lim×p_CoMP，

自身非协作用户集用户上限值K_non-CoMP=K_lim×p_non-CoMP。

基站根据用户在协作簇的地理位置决定其为协作用户或者非协作用户，假定用户在的协作簇内均匀分布，则协作与非协作传输的概率与其用户所占区域面积大小有关，协作传输的概率可以近似为

非协作传输的概率近似为协作簇内总用户数为K，则调度的协作用户数K_CoMP≤N_t，即p_CoMPK≤N_t；调度的非协作用户数K_non-CoMP≤N_tN，即p_non-CoMPK≤N_tN；最终获得调度的总用户数为 $K_{\lim }=\min \{\frac{N_{t}N}{p_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}},\frac{N_t}{p_{\mathrm{CoMP}}}\};$ 假定最终调度的非协作和协作用户数目之比和初始协作簇内平均分布的非协作和协作用户数目之比近似相等，于是得到协作用户集用户上限值为K_CoMP=K_lim×p_CoMP，自身非协作用户集用户上限值为K_non-CoMP=K_lim×p_non-CoMP。

所述的联合预编码与功率控制方法，其特征在于：

所述协作用户调度步骤的获取调度信息子步骤中；计算待选协用户集中各待选用户k的信道矢量在已选协用户集中所有已选用户信道矢量所构成子空间的正交空间上的投影g_k：

$g_k=\left\{\begin{array}{cc}{h}_k& i_1=0\\ h_k\×(I-\underset{j_1=1}{\overset{i_1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{g_{j_1}\×g_{j_1}^{*}}{{\left|\right|g_{j_1}\left|\right|}^2})& i_1>0\end{array}\right.,$

已选协用户集中所有已选用户信道矢量构成子空间，该子空间存在正交空间，表示为

j₁为已选协用户集中用户的序号，i₁为已选协用户集中用户总数；I为单位矩阵；

所述非协作用户调度步骤的获取调度信息子步骤中；计算待选用户集中各待选用户k的信道矢量在已选用户集中所有已选用户信道矢量所构成子空间的正交空间上的投影g_b,k：

$g_{b,k}=\left\{\begin{array}{cc}{h}_{b,k}& i_2=0\\ h_{b,k}(I-\stackrel{i_2}{\underset{j_2=1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{g_{b,j_2}{g}_{b,j_2}^{*}}{{\left|\right|g_{b,j_2}\left|\right|}^2})& i_2>0\end{array}\right.,$

已选用户集中所有已选用户信道矢量构成子空间，该子空间存在正交空间，表示为

b为基站序号，j₂为已选用户集中用户的序号，i₂为已选用户集中用户总数。

所述的联合预编码与功率控制方法，其特征在于：

所述协作用户调度步骤的更新待选协用户集子步骤中，当协作簇内总用户数K为100～100000时，删除门限α为0.4～0.2，α随着K的增大而减小；

所述非协作用户调度步骤的更新待选用户集子步骤中，当协作簇内总用户数K为100～100000时，删除门限α为0.4～0.2，α随着K的增大而减小。

所述的联合预编码与功率控制方法，其特征在于，所述传输步骤中：

4.1最终协作用户已选协用户集中的用户的迫零波束成型矢量

和功率分配参数

分别为：

$t_{j_1}=T_{\mathrm{CoMP}}\left(\right[(b-1)N_t+1:{\mathrm{bN}}_t],j_1),$ $P_{j_1}=\underset{b=\mathrm{1,2},...N}{\min }\left(\frac{P_{\mathrm{CoMP}}}{\underset{j_1=1}{\overset{i_1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|t_{j_1}\left|\right|}^2}\right);$

T_CoMP([(b-1)N_t+1:bN_t],j₁)表示为T_CoMP矩阵的(b-1)N_t+1～bN_t行，第j₁列的所有元素组成的子向量；

T_CoMP矩阵为协作信道矢量的逆矩阵，

$T_{\mathrm{CoMP}}=H_{\mathrm{CoMP}}^{*}{\left(H_{\mathrm{CoMP}}{H}_{\mathrm{CoMP}}^{*}\right)}^{-1},$

为所有协作用户的信道矢量组成的协作信道矢量,

表示对信道矢量h_k进行共轭转置；

协作簇中的每个基站给协作用户传输的功率之和

P_CoMP=p_CoMP×P_BS；P_BS表示基站的发射功率；

基站对最终协作用户已选协用户集中的用户进行协作传输；

4.2基站b对最终非协作用户已选用户集中的用户的迫零波束成型矢量

为：

T_non-CoMP(:,j₂)表示为T_non-CoMP矩阵的所有行第j₂列元素组成的子向量；

T_non-CoMP矩阵为非协作信道矢量的逆矩阵：

$T_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}=H_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}^{*}{\left(H_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}{H}_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}^{*}\right)}^{-1},$

$H_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}={[h_{b,1}^{*},h_{b,2}^{*},\·\·\·h_{b,K_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}}^{*}]}^{*}$ 为所有非协作用户的信道矢量组成的非协作信道矢量，

表示对信道矢量h_b，k进行共轭转置；

基站b对最终非协作用户已选用户集中的用户的功率分配参数

为：

$P_{b,j_2}={({\mathrm{\μ\γ}}_{j_2}-I_{j_2})}^{+}=\max \{0,{\mathrm{\μ\γ}}_{j_2}-I_{j_2}\},$

μ满足 $\underset{j_2=1}{\overset{K_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}}{\mathrm{\Σ}}}{(\mathrm{\μ}-\frac{I_{j_2}}{{\mathrm{\γ}}_{j_2}})}^{+}=P_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}},$ ${\mathrm{\γ}}_{j_2}=\frac{1}{{\left|\right|T_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}(:,j_2)\left|\right|}^2},$

表示对

求M-P逆，

代表其它基站对正在获得服务的本小区用户的干扰功率；

协作簇中的每个基站给非协作用户传输的功率之和P_non-CoMP=p_non-CoMP×P_BS；

各基站b对最终非协作用户已选用户集中的用户进行单小区模式的非协作传输。

本发明定义了一个协作簇拓扑结构来区分边缘小区用户和中心小区用户，分别采用不同的功率控制和传输策略，并将传统的半正交用户调度算法（SUS）扩展到多小区协作调度场景，它较好的兼顾了系统性能及复杂度，提高小区边缘用户性能，提升了整个系统的容量。

本发明的技术效果体现在：与非协作条件下的算法相比，本发明采取了多点协作传输技术和信道相关性调度算法，并对发送信号预编码处理，较好的兼顾了系统性能及复杂度，有效抑制了小区间干扰，提高了小区边缘用户性能，可以在复杂度较低且兼顾边缘小区用户传输速率的前提下获得较高的系统容量。

附图说明

图1为应用本发明的多输入单输出系统中小区基站分簇示意图；

图2为协作簇结构示意图；

图3本发明流程图；

图4为本发明与非协作条件下的频谱效率仿真比较图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2所示，每3个相邻小区的交点和中心点（基站）对应的扇区组成一个正六边形，构成一个协作簇，协作簇中，每3个相邻小区的相交部分为协作传输域，如图中三叶草形状部分；协作簇中，协作传输域以外的部分为非协作传输域。

图2根据上述网络拓扑结构给出了该系统一个实施例，实施例中考虑总用户数K=50个用户组成的多小区多用户下行MISO链路，用户在正六边形的协作簇内均匀分布。协作的边缘小区个数N_b=3，基站发射天线数N_t=4，边缘用户终端配备单天线，单基站功率限制P_BS=1W。根据前述条件可得协作传输的概率、非协作传输的概率、两类用户功率比值分别为：

$p_{\mathrm{CoMP}}=\frac{S_{\mathrm{edge}}}{S_{\mathrm{cluster}}}=\frac{2\mathrm{\π}-3\sqrt{3}}{3\sqrt{3}},$ $p_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}=\frac{S_{\mathrm{center}}}{S_{\mathrm{cluster}}}=\frac{6\sqrt{3}-2\mathrm{\π}}{3\sqrt{3}},$ $\mathrm{\ρ}\≈\frac{p_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}}{p_{\mathrm{CoMP}}};$

整个系统工作流程图如图3所示。具体包括以下步骤：

一．初始化步骤：协作簇内的各基站确定有接入请求的用户，则根据该用户在协作簇的地理位置，将其分入协作用户集U_CoMP或自身非协作用户集U_non-CoMP；同时分别设定协作用户集用户上限值K_CoMP和自身非协作用户集用户上限值K_{non_CoMP}；协作簇中的每个基站给非协作用户集的传输功率之和为P_non-CoMP=p_non-CoMPP_BS，每个基站给协作用户集的传输功率之和为P_CoMP=p_CoMPP_BS；

协作用户集用户上限值K_CoMP=K_lim×p_CoMP=3，

自身非协作用户集用户上限值K_non-CoMP=K_lim×p_non-CoMP=9；

二．协作用户调度步骤：

2.1协作用户集初始化：将3个基站的协作用户集分为已选协用户集和待选协用户集，令已选协用户集初始值为空；

2.2获取调度信息：判断已选协用户集是否为空，是则将待选协用户集中的各用户的信道矢量h_k的F范数||h_k||作为||g_k||，并将||g_k||作为调度信息；否则计算待选协用户集中各待选用户的信道矢量在已选协用户集中所有已选用户信道矢量所构成子空间的正交空间上的投影g_k，并将||g_k||作为调度信息。已选协用户集中所有已选用户信道矢量构成子空间，该子空间存在正交空间，表示为

对于任意用户k∈T在上述正交空间里面的投影g_k可以表示为：

$g_k=\left\{\begin{array}{cc}{h}_k& i_1=0\\ h_k\×(I-\underset{j_1=1}{\overset{i_1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{g_{j_1}\×g_{j_1}^{*}}{{\left|\right|g_{j_1}\left|\right|}^2})& i_1>0\end{array}\right.;$

2.4更新待选协用户集：基站对待选协用户集中各待选用户k，计算其信道矢量h_k和g_i形成的夹角的余弦值δ_k，判断是否δ_k>α，是则删除对应用户k，否则保留对应用户k；删除的门限α取值为0.5；

2.5判断已选协用户集中用户的个数是否达到协作用户集用户上限值或者待选协用户集是否为空；是则获得最终协作用户已选协用户集，否则转子步骤2.2；

三．非协作用户调度步骤：包括下述子步骤：

3.1基站初始化：置基站序号b＝1；

3.2基站用户集初始化：将序号为b的基站自身非协作用户集分为已选用户集和待选用户集，令已选用户集初始值为空；

3.3获取调度信息：判断已选用户集S₁是否为空，是则将待选用户集T₁中的各用户的信道矢量h_b，k的F范数||h_b,k||作为||g_b,k||，并将||g_b,k|作为调度信息；否则计算待选用户集中各待选用户的信道矢量在已选用户集中所有已选用户信道矢量所构成子空间的正交空间上的投影g_b，k，并将||g_b,k||作为调度信息。已选用户集S₁中所有已选用户信道矢量构成子空间，该子空间存在正交空间，表示为

对于任意用户k∈T₁在上述正交空间里面的投影g_b，k可以表示为：

$g_{b,k}=\left\{\begin{array}{cc}{h}_{b,k}& i_2=0\\ h_{b,k}(I-\stackrel{i_2}{\underset{j_2=1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{g_{b,j_2}{g}_{b,j_2}^{*}}{{\left|\right|g_{b,j_2}\left|\right|}^2})& i_2>0\end{array}\right.;$

3.4更新已选用户集：基站从待选用户集中，选择对应||g_b,k||最大的用户j，将用户j加入已选用户集；

3.5更新待选用户集：基站对待选用户集中各待选用户k，计算其信道矢量h_b,k和g_b,j形成的夹角的余弦值δ_b，k，判断是否δ_b,k>α，是则删除对应用户k，否则保留对应用户k；删除门限α取值为0.5；

3.6判断已选用户集中用户的个数是否达到非协作用户集用户上限值或者待选用户集是否为空；是则获得基站b的自身非协作用户最终已选用户集，b＝b＋1，转子步骤3.7；否则转子步骤3.3；

3.7判断是否b≤3，是则转子步骤3.2；否则得到基站1～3的最终非协作用户已选用户集；

四．传输步骤：分别对最终非协作用户已选用户集和最终协作用户已选协用户集中的用户，设计迫零波束成型矢量和功率分配参数，进行数据传输；

4.1最终协作用户已选协用户集中的用户的迫零波束成型矢量和功率分配参数

分别为：

$t_{j_1}=T_{\mathrm{CoMP}}\left(\right[(b-1)N_t+1:{\mathrm{bN}}_t],j_1),$ $P_{j_1}=\underset{b=\mathrm{1,2},...N}{\min }\left(\frac{P_{\mathrm{CoMP}}}{\underset{j_1=1}{\overset{i_1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|t_{j_1}\left|\right|}^2}\right);$

T_CoMP([(b-1)N_t+1:bN_t],j₁)表示为T_CoMP矩阵的(b-1)N_t+1～bN_t行，第j₁列的所有元素组成的子向量；

T_CoMP矩阵为协作信道矢量的逆矩阵，

$T_{\mathrm{CoMP}}=H_{\mathrm{CoMP}}^{*}{\left(H_{\mathrm{CoMP}}{H}_{\mathrm{CoMP}}^{*}\right)}^{-1},$

为所有协作用户的信道矢量组成的协作信道矢量,表示对信道矢量h_k进行共轭转置；

协作簇中的每个基站给协作用户传输的功率之和P_CoMP=p_CoMP×P_BS；P_BS表示基站的发射功率；

基站对最终协作用户已选协用户集中的用户进行协作传输；

4.2基站b对最终非协作用户已选用户集中的用户的迫零波束成型矢量

为：

T_non-CoMP(:,j₂)表示为T_non-CoMP矩阵的所有行第j₂列元素组成的子向量；

T_non-CoMP矩阵为非协作信道矢量的逆矩阵：

$T_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}=H_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}^{*}{\left(H_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}{H}_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}^{*}\right)}^{-1},$

$H_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}={[h_{b,1}^{*},h_{b,2}^{*},\·\·\·h_{b,K_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}}^{*}]}^{*}$ 为所有非协作用户的信道矢量组成的非协作信道矢量，

表示对信道矢量h_b，k进行共轭转置；

基站b对最终非协作用户已选用户集中的用户的功率分配参数

为：

$P_{b,j_2}={({\mathrm{\μ\γ}}_{j_2}-I_{j_2})}^{+}=\max \{0,{\mathrm{\μ\γ}}_{j_2}-I_{j_2}\},$

μ满足 $\underset{j_2=1}{\overset{K_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}}{\mathrm{\Σ}}}{(\mathrm{\μ}-\frac{I_{j_2}}{{\mathrm{\γ}}_{j_2}})}^{+}=P_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}},$ ${\mathrm{\γ}}_{j_2}=\frac{1}{{\left|\right|T_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}(:,j_2)\left|\right|}^2},$

表示对

求M-P逆，代表其它基站对正在获得服务的本小区用户的干扰功率；

协作簇中的每个基站给非协作用户传输的功率之和P_non-CoMP=p_non-CoMP×P_BS；

各基站b对最终非协作用户已选用户集中的用户进行单小区模式的非协作传输。

采用多小区迫零波束成型和多小区SUS算法后平均每个小区的容量为:

$C=\frac{1}{N_b}\left(\begin{array}{c}\frac{1}{1+\mathrm{\ρ}}\underset{j_1\∈\mathrm{CoMP}}{\mathrm{\Σ}}{\log }_2(1+\frac{\underset{b=1}{\overset{N_b}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{j_1}}{P_I\underset{j_1=N+1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|h_{j_1}\left|\right|}^2+N_0})+\\ \frac{\mathrm{\ρ}}{1+\mathrm{\ρ}}\underset{j_2\∈\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}{\mathrm{\Σ}}{\log }_2(1+\frac{P_{b,j_2}}{P_I\underset{j_2=N+1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|h_{b,j_2}|}^2+N_0})\end{array}\right)$

P_I表示协作簇外干扰功率，N₀表示高斯白噪声的功率。

图4为本发明方案与非协作条件下的频谱效率仿真比较图。在发射天线数N_t=4、接收天线数M=1、用户数K=50，发射信噪比P_SNR=-8～20dB的条件下，仿真了本发明和非协作条件下的频谱效率。从图中可以看出，本发明频谱效率优于非协作条件下的频谱效率。本发明在实际系统条件下具有复杂度低且性能优异的特点。

Claims (5)

1.一种多天线蜂窝网络的联合预编码与功率控制方法，用于协作簇内N个基站协作传输，N为正整数，包括：

一.初始化步骤：协作簇内的各基站确定有接入请求的用户，则根据该用户在协作簇的地理位置，将其分入协作用户集或自身非协作用户集；同时分别设定协作用户集用户上限值和自身非协作用户集用户上限值；

二.协作用户调度步骤：对各基站，包括下述子步骤：

2.1协作用户集初始化：将N个基站的协作用户集分为已选协用户集和待选协用户集，令已选协用户集初始值为空；

2.2获取调度信息：判断已选协用户集是否为空，是则将待选协用户集中的各用户的信道矢量h_k的F范数‖h_k‖作为‖g_k‖，并将‖g_k‖作为调度信息；否则计算待选协用户集中各待选用户的信道矢量在已选协用户集中所有已选用户信道矢量所构成子空间的正交空间上的投影g_k，并将‖g_k‖作为调度信息，‖g_k‖为g_k的F范数，k为正整数，是待选协用户集中用户的序号；

2.3更新已选协用户集：基站从待选协用户集中，选择对应‖g_k‖最大的用户i，将用户i加入已选协用户集；

2.4更新待选协用户集：基站对待选协用户集中各待选用户k，计算其信道矢量h_k和g_i形成的夹角的余弦值δ_k，判断是否δ_k>α，是则删除对应用户k，否则保留对应用户k；0＜α＜1，删除门限α越大，则保留的用户越少，由迫零信道转置所带来的损耗会导致有效信道增益的减小，删除门限α越小，则保留的用户越多，多用户分集增益会减小；

2.5判断已选协用户集中用户的个数是否达到协作用户集用户上限值或者待选协用户集是否为空；是则获得最终协作用户已选协用户集，否则转子步骤2.2；

三.非协作用户调度步骤：包括下述子步骤：

3.1基站初始化：置基站序号b＝1；

3.2基站用户集初始化：将序号为b的基站自身非协作用户集分为已选用户集和待选用户集，令已选用户集初始值为空；

3.3获取调度信息：判断已选用户集是否为空，是则将待选用户集中的各用户的信道矢量h_b，k的F范数‖h_b,k‖作为‖g_b,k‖，并将‖g_b,k‖作为调度信息；否则计算待选用户集中各待选用户的信道矢量在已选用户集中所有已选用户信道矢量所构成子空间的正交空间上的投影g_b，k，并将‖g_b，k‖作为调度信息，‖g_b，k‖为g_b，k的F范数，k为正整数，是待选用户集中用户的序号；

3.4更新已选用户集：基站从待选用户集中，选择对应‖g_b,k‖最大的用户j，将用户j加入已选用户集；

3.5更新待选用户集：基站对待选用户集中各待选用户k，计算其信道矢量h_b,k和g_b,j形成的夹角的余弦值δ_b，k，判断是否δ_b,k>α，是则删除对应用户k，否则保留对应用户k；0＜α＜1，删除门限α越大，则保留的用户越少，由迫零信道转置所带来的损耗会导致有效信道增益的减小，删除门限α越小，则保留的用户越多，多用户分集增益会减小；

3.6判断已选用户集中用户的个数是否达到非协作用户集用户上限值或者待选用户集是否为空；是则获得基站b的自身非协作用户最终已选用户集，b＝b+1，转子步骤3.7；否则转子步骤3.3；

3.7判断是否b≤N，是则转子步骤3.2；否则得到基站1～N的最终非协作用户已选用户集；

四.传输步骤：分别对最终非协作用户已选用户集和最终协作用户已选协用户集中的用户，设计迫零波束成型矢量和功率分配参数，进行数据传输。

2.如权利要求1所述的联合预编码与功率控制方法，其特征在于：

所述初始化步骤中，设定协作用户集用户上限值和自身非协作用户集用户上限值包括下述子步骤：

1.1计算调度的总用户数K_lim：

$K_{\lim }=\min \{\frac{N_{t}N}{p_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}},\frac{N_t}{p_{\mathrm{CoMP}}}\},$

式中，协作簇内基站个数N，各基站发射天线数N_t，

协作传输概率 $p_{\mathrm{CoMP}}=\frac{S_{\mathrm{edge}}}{S_{\mathrm{cluster}}},$

非协作传输概率 $p_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}=\frac{S_{\mathrm{center}}}{S_{\mathrm{cluster}}},$

其中S_cluster为协作簇面积，S_edge为协作传输域面积，S_center为非协作传输域面积；

1.2计算用户上限值：

协作用户集用户上限值K_CoMP=K_lim×p_CoMP，

自身非协作用户集用户上限值K_non-CoMP=K_lim×p_non-CoMP。

3.如权利要求1所述的联合预编码与功率控制方法，其特征在于：

所述协作用户调度步骤的获取调度信息子步骤中；计算待选协用户集中各待选用户k的信道矢量在已选协用户集中所有已选用户信道矢量所构成子空间的正交空间上的投影g_k：

$g_k=\left\{\begin{array}{cc}{h}_k& i_1=0\\ h_k\×(I-\underset{j_1=1}{\overset{i_1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{g_{j_1}\×g_{j_1}^{*}}{{\left|\right|g_{j_1}\left|\right|}^2})& i_1>0\end{array}\right.,$

已选协用户集中所有已选用户信道矢量构成子空间，该子空间存在正交空间，表示为

j₁为已选协用户集中用户的序号，i₁为已选协用户集中用户总数；I为单位矩阵；

所述非协作用户调度步骤的获取调度信息子步骤中；计算待选用户集中各待选用户k的信道矢量在已选用户集中所有已选用户信道矢量所构成子空间的正交空间上的投影g_b,k：

$g_{b,k}=\left\{\begin{array}{cc}{h}_{b,k}& i_2=0\\ h_{b,k}\×(I-\underset{j_2=1}{\overset{i_2}{\mathrm{\Σ}}}\frac{g_{b,j_2}\×g_{{b,j}_2}^{*}}{{\left|\right|g_{b,j_2}\left|\right|}^2})& i_2>0\end{array}\right.,$

已选用户集中所有已选用户信道矢量构成子空间，该子空间存在正交空间，表示为

b为基站序号，j₂为已选用户集中用户的序号，i₂为已选用户集中用户总数。

4.如权利要求1所述的联合预编码与功率控制方法，其特征在于：

所述协作用户调度步骤的更新待选协用户集子步骤中，当协作簇内总用户数K为100～100000时，删除门限α为0.4～0.2，α随着K的增大而减小；

所述非协作用户调度步骤的更新待选用户集子步骤中，当协作簇内总用户数K为100～100000时，删除门限α为0.4～0.2，α随着K的增大而减小。

5.如权利要求2所述的联合预编码与功率控制方法，其特征在于，所述传输步骤中：

4.1最终协作用户已选协用户集中的用户的迫零波束成型矢量和功率分配参数分别为：

$t_{j_1}=T_{\mathrm{CoMP}}\left(\right[(b-1)N_t+1:{\mathrm{bN}}_t],j_1),$ $P_{j_1}=\underset{b=\mathrm{1,2},\·\·\·N}{\min }\left(\frac{P_{\mathrm{CoMP}}}{\underset{j_1=1}{\overset{i_1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|t_{j_1}\left|\right|}^2}\right);$

T_CoMP([(b-1)N_t+1:bN_t],j₁)表示为T_CoMP矩阵的(b-1)N_t+1～bN_t行，第j₁列的所有元素组成的子向量；

T_CoMP矩阵为协作信道矢量的逆矩阵，

为所有协作用户的信道矢量组成的协作信道矢量,

表示对信道矢量h_k进行共轭转置；

协作簇中的每个基站给协作用户传输的功率之和P_CoMP=p_CoMP×P_BS；P_BS表示基站的发射功率；

基站对最终协作用户已选协用户集中的用户进行协作传输；

4.2基站b对最终非协作用户已选用户集中的用户的迫零波束成型矢量

为：

T_non-CoMP(:,j₂)表示为T_non-CoMP矩阵的所有行第j₂列元素组成的子向量；

T_non-CoMP矩阵为非协作信道矢量的逆矩阵：

$T_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}=H_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}^{*}{\left(H_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}{H}_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}^{*}\right)}^{-1},$

为所有非协作用户的信道矢量组成的非协作信道矢量，

表示对信道矢量h_b，k进行共轭转置；

基站b对最终非协作用户已选用户集中的用户的功率分配参数

为：

$P_{b,j_2}={({\mathrm{\μ\γ}}_{j_2}-I_{j_2})}^{+}=\max \{0,{\mathrm{\μ\γ}}_{j_2}-I_{j_2}\},$

μ满足 $\underset{j_2=1}{\overset{K_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}}{\mathrm{\Σ}}}{(\mathrm{\μ}-\frac{I_{j_2}}{{\mathrm{\γ}}_{j_2}})}^{+}=P_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}},$ ${\mathrm{\γ}}_{j_2}=\frac{1}{{\left|\right|T_{\mathrm{non}-\mathrm{CoMP}}(:,j_2)\left|\right|}^2},$ ${(\mathrm{\μ}-\frac{I_{j_2}}{{\mathrm{\γ}}_{j_2}})}^{+}$ 表示对

求M-P逆，

代表其它基站对正在获得服务的本小区用户的干扰功率；

协作簇中的每个基站给非协作用户传输的功率之和P_non-CoMP=p_non-CoMP×P_BS；

各基站b对最终非协作用户已选用户集中的用户进行单小区模式的非协作传输。

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