CN102064865A - 一种利用多基站端的多天线消除移动用户阴影区的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用多基站端的多天线消除移动用户阴影区的方法，包含以下步骤：a．对基站到用户的信道矩阵进行分析；b．在假定已知用户噪声功率的条件下判断用户的接收信噪比；c．根据用户的接收信噪比判断用户是否满足单小区服务条件，如果满足，则进入步骤d，否则进入步骤e；d．仅由本小区的基站为用户服务，基站天线对本小区的用户进行空分复用；e．由多个小区的基站为用户服务，基站天线对小区的用户进行空分复用，相邻小区基站的多天线通过形成不同的波束为用户服务；以及f．按服务方式求出波束成形矢量。本发明能有效地消除阴影区域并减少调度基站多天线的复杂程度，提高通信质量。

Description

一种利用多基站端的多天线消除移动用户阴影区的方法

技术领域

本发明涉及电子技术、网络技术、通信技术及多媒体应用技术，具体地说，涉及一种利用多基站端的多天线消除移动用户阴影区的方法。

背景技术

在传统的无线通信系统中，每个基站中有一个基站为该小区中的移动用户进行服务。当基站端采用多天线的情况，还可以利用基站端的多天线对小区内的不同用户利用空分复用来提高整个系统的频谱效率。但是，在这样的蜂窝划分中，每个小区的基站只为该小区服务，而对来自于其他小区的信号则视为干扰，必需采取措施加以滤除，以保证本小区的移动用户能够有可靠的通信质量。而分布式天线（DA, distributed antenna）系统以其大覆盖范围、较少的切换等特性被认为是很有竞争力的一种通信方案。在下述参考文献[1，2]中提出了分布式MIMO的概念，即多基站的天线构成分布式的多天线系统，和用户的多天线间构成分布式的MIMO系统。当可以把不同基站的天线统一调度的情况下，可以利用不同小区的基站天线构成分布式的多天线系统，这时通过对不同小区基站天线的调度，可以形成有效的分布式波束成形，可以为处于不同小区边缘的移动用户形成有效地波束，从而可以克服处于小区边缘处的阴影效应及来自于其他小区基站的干扰，可以有效地提高系统的传输质量。 在下述参考文献 [3-6]中，对多基站多蜂窝的情形的多天线协作进行了讨论，所有基站的天线是统一管理的，这时这些天线就像是同一个基站的天线。在下述参考文献 [7-9]中讨论了在由多基站的天线相互协作的条件下，利用联合编解码对系统容量的提升情况。

已有的分布式MIMO系统中，为了消除来自于临近小区的干扰，采用对多基站的天线进行统一管理的方法，即把多个蜂窝小区的基站的多天线看成是同一个基站的天线，这时对移动用户服务时由多个基站的天线共同构成的分布式波束成形来完成，这时就不存在有来自于临近区域的干扰，同样也可以消除当用户处于两个小区附近时的阴影效应，可以使得通信能够可靠进行。但是，要把多个基站的天线统一管理为不同的小区的用户服务，需要知道不同基站到用户的信道信息，而且这时信号的处理复杂程度较高。也就是说，这样虽然可以获得较大的性能增益，但是要在信号级进行处理，系统的复杂程度较大。

另外，每个基站中都具有多天线，同一基站中的天线有一定的相关性，现有的方法中都考虑的是位于基站的天线是不相关的情况，而实际上在同一基站的天线会具有一定的相关性，这种相关性使得当把多个基站的天线共同处理时，会影响实际的分布式波束成形的效果，因为实际的独立天线数目要少于总的多基站天线数。                                                              

再者，现有的方法中如果把多个基站的天线当作是一个基站的天线来使用，在获得系统性能增益的同时，当每个基站的区间中都有多个用户需要服务时，也同样要浪费其他基站的天线为之服务，而不论是否处于边界区域，这对整个系统来说是一种浪费，也不利于对不同环境下用户的服务。

参考文献

 [1] XIAO L, DAI L, YAO Y, et al. A comparative study of MIMO capacity with different antenna topologies[A]. Porc IEEE ICCS 2002[C]. 2002. 431-435.

[2] ROH W, PAULRAJ A. MIMO channel capacity for the distributed  antenna[A]. Proc IEEE Veh Technol Conf’02[C]. 2002.706-709.

[3]H. Zhang and H. Dai, “Cochannel interference mitigation and cooperative

processing in downlink multicell multiuser MIMO networks,” EURASIP J. Wireless Commun. and Networking, vol. 2004, no. 2, pp.222–235, Dec. 2004, article ID 202654.

[4] S. Shamai and B. Zaidel, “Enhancing the cellular downlink capacity via co-processing at the transmitting end,” in Proc. IEEE Veh. Technol.Conf., vol. 3, 2001, pp. 1745–1749.

[5] S. Jing, D. N. C. Tse, J. B. Soriaga, J. Hou, J. Smee, and R. Padovani, “Multicell downlink capacity with coordinated processing,” EURASIP J.Wireless Commun. and Networking, vol. 2008, no. 5, Jan. 2008, article ID 586878.       

[6] M. Karakayali, G. Foschini, and R. Valenzuela, “Network coordination for spectrally efficient communications in cellular systems,” IEEE Wireless Commun., vol. 13, no. 4, pp. 56–61, Aug. 2006.

[7]G. Foschini, M. Karakayali, and R. Valenzuela, “Coordinating multiple antenna cellular networks to achieve enormous spectral efficiency,” IEE Proc. Cummun., vol. 153, no. 4, pp. 548–555, Aug. 2006.

[8] W. Choi and J. Andrews, “Downlink performance and capacity of distributed antenna systems in a multicell environment,” IEEE Trans.Wireless Commun., vol. 6, no. 1, pp. 69–73, Jan. 2007.

[9] H. Zhang, H. Dai, and Q. Zhou, “Base station cooperation for multiuser mimo: joint transmission and BS selection,” in Proc. Conf. on Inform. Sciences and Systems (CISS), Princeton, NJ, Mar. 2004。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在分布式的MIMO多用户系统中，有效地消除阴影区域并减少调度基站多天线的复杂程度，提高通信质量的利用多基站端的多天线消除移动用户阴影区的方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用多基站端的多天线消除移动用户阴影区的方法，包含以下步骤： a．对基站到用户的信道矩阵进行分析； b．在假定已知用户噪声功率的条件下判断用户的接收信噪比；c．根据用户的接收信噪比判断用户是否满足单小区服务条件，如果满足，则进入步骤d，否则进入步骤e；d．仅由本小区的基站为用户服务，基站天线对本小区的用户进行空分复用；e．由多个小区的基站为用户服务，基站天线对小区的用户进行空分复用，相邻小区基站的多天线通过形成不同的波束为用户服务；以及f．按服务方式求出波束成形矢量。

步骤f可以进一步包含：g．根据临近基站的波束成形判断需要参与的基站数；h．确定进行波束成形的基站及相应的波束成形矢量；i．根据用户的接收信噪比调整来自于不同基站波束的功率；j．通过少量比特的反馈确定合适的波束成形矢量。

所述步骤d中，第k个小区中的用户m的波束成形矢量Wmk可以描述为

   其中，rm为用户的接收信噪比，hmk为用户m的信道矩阵，σ²为移动用户接收端的噪声方差。

所述步骤e中，第k个小区中的用户m的波束成形矢量Wmk可以描述为

其中，rm为用户的接收信噪比，hmk为用户m的信道矩阵，σ²为移动用户接收端的噪声方差。

本发明所采用的技术方案的优点是：

(1)由各小区的基站天线对本小区的用户进行空分复用，而不是把所有的临近小区的基站的天线都当成同一基站的天线来对待，这样可以避免共同调度不同基站的天线为不同小区的移动用户服务时由于用户数的增多使调度的复杂程度提高、有效地降低调度天线时的复杂程度，同时保持了蜂窝划分以利于提高系统用户数量的优点。

(2)在移动用户处于小区边缘的时候，由相邻小区基站的多天线实现的空分复用形成不同的波束来为该移动用户服务，依靠多波束的叠加来完成可靠的通信，给处于小区边缘的移动用户提供可靠的通信。通过对多基站的调度，利用各个小区的空分复用，使得不会对其他小区的用户产生干扰。

(3)系统调度的是不同小区基站端的波束，可以利用不同基站端的波束的叠加来提高处于蜂窝小区边缘的移动用户的接收质量，这样可以在利用了各基站端天线相关性的同时还提高系统的整体性能。

(4) 把不同基站处的多天线形成的波束作为调控的对象，使多天线协作时的功率分配更简单，从而保证接收质量。                          

下面结合附图对本发明的实施和优点作进一步解释。

附图说明

附图1显示依据本发明的一种利用多基站端的多天线消除移动用户阴影区的方法；

附图2显示依据本发明的按不同服务方式求出波束成形矢量的步骤。

具体实施方式

有关本发明的实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。在以下实施例中，在不同的图中，相同部分是以相同标号表示。

本发明对多基站中多用户服务方式进行选择时，先假设系统中有K个基站，每个基站有Nk个天线。这样对于第k个小区中的用户m, 首先根据与第k个小区中基站间的通信情况来判断用户m是否处于小区的边缘，如果是则选择利用邻近的多个小区中的多基站为之服务；如果不是则可以由小区k中的基站的多天线利用空分复用来完成对用户m的服务。在对小区中的用户服务方式的选择中，小区的基站的多天线形成的是以基站为中心的圆形服务区，而在用户处于蜂窝的边缘时，则是利用其他小区的基站形成的波束共同来为该用户服务。其中，用户是利用简单的反馈信息来和本小区的基站间交互信息以确定用户收到信号的质量来判断用户在小区中所处的位置。由蜂窝的构成形状可以得出，最佳的圆形覆盖区是和蜂窝的六边形相切的，这样可以保证每个小区的基站天线尽可能为该小区用户服务的同时，不会给其他小区的用户产生干扰，而当移动用户位于圆形覆盖区域外的蜂窝边缘时，由相邻的小区中的多个基站为之共同服务。其具体实施过程如附图1所示。

参见附图1。依据本发明的一种利用多基站端的多天线消除移动用户阴影区的方法，包含以下步骤： 步骤s1．对基站到用户的信道矩阵进行分析，基站天线对本小区的用户进行空分复用；步骤s2．在假定已知用户噪声功率的条件下判断用户的接收信噪比；步骤s3．根据用户的接收信噪比判断用户是否满足单小区服务条件，如果满足，则进入步骤s4，否则进入步骤s5；步骤s4．仅由本小区的基站为用户服务，基站天线对本小区的用户进行空分复用；步骤s5．由多个小区的基站为用户服务，基站天线对小区的用户进行空分复用，相邻小区基站的多天线通过形成不同的波束为用户服务；以及步骤s6．按服务方式求出波束成形矢量。

为了给处于小区边缘的移动用户提供可靠的通信，本申请所提供的技术方案不是把所有的临近小区的基站的天线都当成同一基站的天线来对待，而是由各小区的基站天线对本小区的用户进行空分复用，这样可以有效地降低调度天线时的复杂程度。只是在移动用户处于小区边缘的时候，由相邻小区基站的多天线形成不同的波束来为该移动用户服务，依靠多波束的叠加来完成可靠的通信，并通过对多基站的调度，利用各个小区的空分复用，使得不会对其他小区的用户产生干扰。

在不同的小区内的非边缘区是利用各自小区内的基站的多天线实现的空分复用来为该小区的移动用户服务的，这样可以避免共同调度不同基站的天线为不同小区的移动用户服务时由于用户数的增多使调度的复杂程度提高，同时保持了蜂窝划分以利于提高系统用户数量的优点。

考虑到同一个基站端的多天线可能存在的相关性问题，同一基站端的天线的相关性有利于在该小区内进行波束成形，所提出的方案中是在波束级的信号处理，系统调度的是不同小区基站端的波束，可以利用不同基站端的波束的叠加来提高处于蜂窝小区边缘的移动用户的接收质量，这样可以在利用了各基站端天线相关性的同时还提高系统的整体性能。

继续参见附图1。不同的传输服务方式下的波束成形也不同：

1.）当用户m位于小区k的圆形覆盖区域时，此时的服务完全由小区k的基站天线利用空分复用来完成。在基站端能够估计出用户信道信息的条件下，可以对信道进行分解得到特征子信道，以此作为用户的波束成形矢量。这时如果以满足用户的接收信噪比rm为条件，则用户m的波束成形矢量Wmk可以描述为：

  

其中hmk为用户m的信道矩阵，σ²为移动用户接收端的噪声方差。

2.)当移动用户位于蜂窝的边缘时，为了有效地消除阴影区域，同时也不会由于基站发射功率的增大造成对邻近小区的干扰，这时可以由不同基站的天线共同为该用户形成分布式的波束成形，而这种波束是由不同小区中的基站端的多天线形成的多波束共同合成的。由于蜂窝的特点，移动用户处于最边缘时，最多可能有三个小区的基站为之形成波束，这样可以有效地消除阴影区域，同时由于对不同相邻小区基站天线的调度，不会由于单个基站的功率增加而使得邻近小区的用户受到干扰。假设此时还是以移动用户的接收端的信噪比为依据，对于第k个小区中的第m个用户，分布式波束成形问题可以描述为：

   

这时，需要考虑不同小区形成波束的功率，满足用户的信噪比条件即可。而且这种对多小区基站的波束调度可以通过功率的控制来实现越区的无缝切换。

参见附图2。按不同服务方式求出波束成形矢量的步骤s6可以通过以下步骤实现：步骤s61．根据临近基站的波束成形判断需要参与的基站数；步骤s62．确定进行波束成形的基站及相应的波束成形矢量；步骤s63．根据用户的接收信噪比调整来自于不同基站波束的功率；步骤s64．通过少量比特的反馈确定合适的波束成形矢量。

综上所述，本发明具有以下特点：

(1) 多基站天线构成的分布式MIMO系统与单基站多天线空分复用的结合。                                                                  

 在由多基站多天线构成的分布式MIMO系统中，对于用户的分布位置情况作不同的区分,当用户位于小区的边缘位置时由多基站的多天线来构成分布式的MIMO系统可以为用户提供可靠的通信服务，并且由于有多个基站的多天线的共同作用使得小区间的干扰和阴影效应可以得到有效的消除。而当用户不是位于小区的边缘时，则可以由该小区中的基站利用其多天线通过空分复用为移动用户提供服务，此时就不需要再利用其他小区中基站的天线为之服务，这种实现方式可以减少系统处理的复杂度，提高系统的工作效率。                                                                 

(2)在边缘区域时多个小区的基站同时为移动用户利用波束成形实现在波束成形级上的协作。                                                                                                                                 

 对于多基站多天线的协作，当对移动用户形成波束时如果采用信号级的协作就要求对多个基站端的每个天线都能进行调度，这样会增加信号处理的复杂程度，而且获得分布式波束成形矢量时所需要耗费的处理时间也相对延长。而对于采用波束级的协作，对于处于阴影区域的用户是由多个基站利用各自的多天线形成的波束直接进行波束的合成，提高了移动用户的接收信噪比，这样就可以有效地消除阴影区域。                                                                   

 (3)考虑了同一基站中天线的相关性。                                                                      

 位于同一个基站端的天线由于空间位置的限制，都会具有一定的相关性，而这种相关性实际上有利于在该小区中的波束成形；因此当选择根据用户的位置来采用不同的服务方式后，是利用了不同小区中基站的多天线形成对用户服务的波束，这样在调度多基站的天线时就不会由于天线的相关性而影响独立天线的数量。                                         

  (4)利用波束级的协作使得多基站的多天线协作时的功率分配更简单。                           

 当采用信号级别的协作时，对多基站的多天线要获得一个分布式波束成形矢量的权值，如果要保证一定的接收质量，需要大量的反馈数据和多次的迭代。但是，当需要对波束级进行协作时，是把不同基站处的多天线形成的波束作为调控的对象。

本申请的构思在于：对分布式的MIMO多用户系统，为了更好地利用各个基站端的多天线，同时为了能够在各个基站为本小区的用户提供高质量的服务同时，利用不同基站端的多天线共同实现分布式的波束成形。为了减少整个系统实现分布式波束成形的复杂度，也考虑到不同基站处天线的相关性，对于移动用户分不同的情况给予不同的服务方式；如果移动用户不是处于小区的边缘，单个基站的多天线就可以利用空分复用对不同的用户提供服务，当移动用户位于小区的边缘时，可能会处于阴影区域，并且会受到来自于其他小区基站天线对该用户的干扰，这时利用位于不同小区中基站的多天线为该用户形成多波束同时为该用户服务，这样可以有效地提高该用户的接收信噪比，提高了通信的质量，同时由于在不同小区中由各自基站的多天线实现空分复用，在边界区域时是由相邻小区的多个基站的多个波束共同为该用户服务，这样在避免出现阴影的同时，也可以避免有临近小区干扰的产生。

当然，以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (4)

1. 一种利用多基站端的多天线消除移动用户阴影区的方法，其特征在于，所述方法包含：

a．对基站到用户的信道矩阵进行分析；

b．在假定已知用户噪声功率的条件下判断用户的接收信噪比； 

c．根据用户的接收信噪比判断用户是否满足单小区服务条件，如果满足，则进入步骤d，否则进入步骤e；

d．仅由本小区的基站为用户服务，基站天线对小区的用户进行空分复用；

e．由多个小区的基站为用户服务，基站天线对小区的用户进行空分复用，相邻小区基站的多天线通过形成不同的波束为用户服务；以及

f．按服务方式求出波束成形矢量。

2.根据权利要求1所述的利用多基站端的多天线消除移动用户阴影区的方法，其特征在于，步骤f进一步包含：

g．根据临近基站的波束成形判断需要参与的基站数；

h．确定进行波束成形的基站及相应的波束成形矢量；

i．根据用户的接收信噪比调整来自于不同基站波束的功率；

j．通过少量比特的反馈确定合适的波束成形矢量。

3.根据权利要求1所述的利用多基站端的多天线消除移动用户阴影区的方法，其特征在于，所述步骤d中，第k个小区中的用户m的波束成形矢量Wmk为

   其中，rm为用户的接收信噪比，hmk为用户m的信道矩阵，σ²为移动用户接收端的噪声方差。

4.根据权利要求1所述的利用多基站端的多天线消除移动用户阴影区的方法，其特征在于，所述步骤e中，第k个小区中的用户m的波束成形矢量Wmk为

其中，rm为用户的接收信噪比，hmk为用户m的信道矩阵，σ²为移动用户接收端的噪声方差。

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