CN102186215B - 面向多点-多用户协作传输的切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向多点-多用户协作传输的切换方法，主要解决现有切换技术中不支持多个协作传输点和多个协作用户同时参与切换的问题。其实现过程是，首先根据时频同步约束和信道能量平均“F-范数”要求建立用户的“协作点/用户”组合空间备份，并动态监测备份集合中各组合的“品质”；当用户需要切换时，由基带处理单元判断备份集合中是否存在满足同步误差、多普勒残余频差及信道平均“F-范数”要求的组合，若存在，则为用户进行协作波束软切换，若不存在，则进行协作波束硬切换。本发明具有为切换用户自适应的分配协作资源和降低用户端运算复杂度的优点，用于多点-多用户协作通信环境下的协作资源切换。

Description

面向多点-多用户协作传输的切换方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及联合传输中的协作切换技术，可用于多点-多用户MIMO传输环境下的协作资源分配，通过动态监测“协作点/用户”组合备份空间，为切换用户自适应的调整协作伙伴集合或相应的协作点集合。

背景技术

近年来，随着移动通信技术的发展，通信系统对无线通信业务的支持能力有了明显的提高。然而，用户对高速率、高质量的多媒体业务也有了更高的需求。因此，在下一代移动通信技术的研究中，对频谱效率、传输速率、系统吞吐量和小区边缘性能等方面也提出了更高的要求。协作多点传输技术因其能有效改善小区边缘用户性能，提高系统吞吐量，在近年来引起了业界的广泛关注和研究，并成为3GPPLTE-Advanced标准化工作的重要研究项目。

协作多点传输技术需要多种物理层传输技术的支持，如适应多小区联合传输的MIMO技术、预编码技术、网络编码技术、高效的信道估计和联合检测技术等。同时，先进有效的无线资源管理方案也是影响协作多点传输技术性能的重要因素，如小区资源分配策略、负载均衡、联合传输中协作小区的选择机制以及有效的切换策略等。

支持协作多点通信的切换方法，由于引入了“多点”，使得切换场景已经不是传统的一个小区切换到另一个小区的单小区切换，而是由多个小区切换到多个小区的小区集合切换。因此，切换时小区之间、小区与用户之间的信息交互与信令传输将更为复杂，设计有效的切换机制以减小协作多点通信场景下信息交互和信令传输开销，提高切换效率与成功率，这是保证协作多点通信性能的关键。

目前针对切换方法进行研究的文献有许多，例如：

1)唐德军等人在“基于IEEE 802.16j的协作中继切换方法”一文中提出了一种双协作中继切换流程，该流程在执行切换步骤时先进行网络重进入过程，再执行关闭连接过程。该方法确保了在切换过程中消息传输的同步性，此外，该方法以信号强度和时延作为切换判决，能够实现2个中继节点同时参与协作。

2)韩静在其博士论文“无线中继系统中资源分配与切换机制的研究”中提出了一种基于位置信息辅助的分集集合更新方法。它考虑的场景是允许移动用户同时与多个基站保持上下行通信，这些基站被归入分集集合，且假定在研究中总是能获得方向信息以确定用户是接近还是远离某一特定的基站。分集集合中的基站根据其接收信号强度的降序排列，当用户需要切换时，找出分集集合外的基站的接收信号强度最大的用户，并判断用户是远离它还是靠近它，将该基站的接收信号强度与分集集合中强度最小的信号进行比较，若满足更新时的阈值要求，则分集集合进行更新，更新阈值根据用户是远离还是靠近分别有两个值。该方法的特点是能减小更新次数并保持接收信号强度在一个较好的水平。

以上文献对协作切换方法的研究如文献1)仅局限于对2个中继节点模型的研究，在实际应用中有很大的局限性；文献2)虽然针对的是多个中继节点的情况，但多个中继节点之间并没有协作，之所以采用多个中继节点只是为了获得分集增益，并不能有效改善小区边缘用户的通信质量和提高系统吞吐量。

发明内容

本发明的目的是针对上述已有技术的不足，考虑多点-多用户MIMO传输这一场景，提出一种面向多点-多用户协作传输的切换方法，在保证小区边缘用户群或高数据率业务需求用户群的通信质量的情况下，以提高多点协作通信时的切换效率与成功率，为切换用户自适应的调整协作伙伴集合或相应的协作点集合。

本发明的目的是这样实现的：

一、技术原理

在多点-多用户MIMO传输中，定义分布式射频拉远单元RRU或集中式天线BS为传输点，各传输点通过光纤与中心控制器相连接，传输点之间可以进行信息交换，实现协作传输。在这种环境下，除了常规的单点-单用户和单点-多用户MIMO使用场景外，还有独特的多点-单用户、多点-多用户MIMO使用场景。

针对多点-多用户模型，LTE-Advanced提出了协作多点传输技术，以提高扇区或小区边缘用户群的吞吐率和传输可靠性。本发明考虑扇区或小区边缘用户群和高数据率业务需求用户群的传输问题，主要关注用户切换时的协作资源分配问题。

本发明得以实施的前提条件是在中心控制器端存储有“协作点/用户”组合空间备份集合，该备份集合是通过基于同步约束和信道能量准则的协作优选方法获得的。获取步骤是：中心控制器先通过RTS/CTS握手协议建立“协作点/用户”组合空间，将空间内不满足时频同步要求的组合剔除；接着中心控制器计算空间内每个组合对应的MIMO信道矩阵的平均“F-范数”，它描述了MIMO信道提供的最大信道能量；最后中心控制器判定每种组合的平均“F-范数”是否超过系统设定的门限，将低于门限的组合从协作组合空间中剔除，并将空间内剩余的组合建立一个备份，作为“协作点/用户”组合空间备份集合。

获得备份集合后，中心控制器要对其进行动态监测。当用户需要切换时，则由中心控制器考察备份集合中是否存在满足用户服务质量要求的组合，若存在，则中心控制器启动协作波束软切换，若不存在，则中心控制器启动协作波束硬切换。附图2给出了该方法具体步骤的流程图。

二、实现过程

根据上述原理，本发明针对切换用户提出的协作资源的最优分配方法，包括步骤如下：

(1)中心控制器通过RTS/CTS握手协议建立“协作点/用户”组合空间，判断空间内的组合是否满足同步误差和多普勒残余频差要求，将不满足要求的组合剔除，缩小空间范围；再对剩余组合计算其相应MIMO信道矩阵的平均“F-范数”，将低于系统设定的“F-范数”门限的组合从协作组合空间中剔除，并将空间内剩余的组合建立一个备份，作为“协作点/用户”组合空间备份；

(2)中心控制器动态监测“协作点/用户”组合空间备份中各组合的“品质”，即监测备份内的组合是否满足时间同步、多普勒频偏和信道矩阵平均“F-范数”的要求，当中心控制器监测到当前分配给用户的协作组合的“品质”已下降到不能满足时间同步、多普勒频偏和信道矩阵平均“F-范数”的要求时，判断“协作点/用户”组合空间备份中是否还存在其它仍满足要求的组合，若存在，则启动软切换，即执行步骤(3)，若不存在，则启动硬切换，即执行步骤(4)；

(3)中心控制器将“协作点/用户”组合空间备份中当前“品质”最优的组合分配给用户，作为用户的协作资源，完成软切换；

(4)中心控制器启动硬切换：

4a)中心控制器通过RTS/CTS握手协议建立新的“协作点/用户”组合空间；4b)中心控制器对“协作点/用户”组合空间内的各组合进行基于同步约束和信道能量准则的二次优选以获得新的“协作点/用户”组合空间备份，并将备份中“品质”最优的组合分配给用户，作为用户的协作资源，完成硬切换。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明由于不需要用户端的反馈，且对信道平均“F-范数”的计算、监测备份空间以及排序运算都是由中心控制器来完成的，用户只需要完成数据的发送和接收，减少了用户反馈开销并且降低了用户端运算的复杂度。

2)本发明由于将协作波束硬切换和协作波束软切换进行有机的结合，能够自适应的调整协作伙伴集合或相应的协作点集合，提高了切换效率与成功率。

3)本发明由于在中心控制器端存储有“协作点/用户”组合空间备份，减小了协作多点通信场景下信息交互和信令传输开销。

4)目前大部分研究只局限于有两个中继节点进行协作的场景，本发明由于考虑多点-多用户MIMO传输这一场景，针对多个中继协作通信的情况，更符合实际应用需求。

附图说明

图1是本发明使用的协作波束切换网络示意图；

图2是本发明的协作点/用户组合切换流程图；

图3是本发明仿真使用的用户撒点示意图；

图4是本发明的性能仿真曲线图。

具体实施方式

一、相关符号说明

MIMO(Multi-input Multi-output)表示多输入多输出；

BBU(Building Baseband Unit)表示基带处理单元；

UE(User Equipment)表示用户终端设备；

UE_k表示待切换用户；

RRU(Remote Radio Unit)表示射频拉远单元；

RRU_i  表示第i个射频拉远单元；

S  表示“协作点/用户”组合空间；

S￠表示“协作点/用户”组合空间备份

W_i  表示第i个协作接收点集合；

N个射频拉远单元

构成的协作点集

二、实施步骤

不失一般性，将本发明应用于基站采用分布式天线的网络中进行举例说明，该网络如附图1所示，它采用射频拉远单元RRU分散部署在小区覆盖范围内，每个射频拉远单元RRU形成基站的多个天线点，各点通过光纤与基带处理单元BBU相连接，同时网络中分散部署了定量的用户，在小区边缘放置了一个待切换用户UE_k从位置A移动到位置B。

基于图1网络，下面结合附图2详细说明本发明的一个具体实施，但该实例不构成对本发明的任何限制。

步骤1，BBU通过RTS/CTS握手协议建立“协作点/用户”组合空间，判断组合空间内的组合是否满足同步误差和多普勒残余频差要求，将不满足要求的组合剔除，缩小空间范围。假设本实例中建立的组合空间为S＝{W₁，W₂，W₃，W₄，W₅，W₆}，其中W₁＝{RRU₁/UE_k}，W₂＝{RRU₂/UE_k}，W₃＝{RRU₃/UE_k}，W₄＝{RRU_1，2/UE_k}，W₅＝{RRU_1，3/UE_k}，W₆＝{RRU_2，3/UE_k}。

步骤2，再对组合空间S内的组合计算其相应MIMO信道矩阵的平均“F-范数”，将低于系统设定的“F-范数”门限的组合从协作组合空间中剔除，并将空间内剩余的组合建立一个备份，作为“协作点/用户”组合空间备份。

2a)由BBU估计与组合W₁相对应的MIMO信道矩阵，得到不同时间点上的N个样本：H_1，1，H_1，2，L，H_1，N；

2b)将MIMO信道矩阵H_1，j(1≤j≤N)与其共轭转置

相乘，得到乘积矩阵

2c)计算乘积矩阵

的迹并对其在N个时间点上求短时平均得到第1个组合W₁的平均信道“F-范数”，表示为E₁，它描述了MIMO信道可以提供的最大信道能量；

2d)同理，重复步骤2a)～2c)得出组合空间S内其他组合W_i(2≤i≤6)的平均信道“F-范数”：E_i(2≤i≤6)；

2e)BBU获取待切换用户服务质量QoS需求和传输点可用的发射功率信息，根据待切换用户服务质量QoS的信噪比指标，由

解出

其中P_max表示传输点可用的最大传输功率，N₀表示噪声功率，将

设定为系统的“F-范数”门限；

2f)将短时平均信道能量低于系统设定的“F-范数”门限的组合从协作组合空间S中剔除，假设本实例中W₅和W₆的信道能量低于“F-范数”门限，则将W₅和W₆从协作组合空间S中剔除，此时协作组合空间缩减为S₁＝{W₁，W₂，W₃，W₄}；

2g)BBU将S₁中的各组合按短时平均信道能量由大到小排序，并按排序结果进行备份，本实例中假设排序结果为E₁＞E₂＞E₃＞E₄，W₁的短时平均信道能量最大，则把W₁作为优选组合分配给用户UE_k。

步骤3，BBU动态监测用户UE_k的“协作点/用户”组合空间备份内各组合的“品质”，即监测备份内的组合是否满足时间同步、多普勒频偏和信道矩阵平均“F-范数”要求。

3a)基带处理单元判断组合中每个用户的剩余时延偏差是否超过系统最大容忍的同步误差，在OFDMA系统中，系统最大容忍的同步误差值为CP-h_τ，其中CP为循环前缀长度，h_τ为最大多径时延，若小于，则满足时间同步要求，否之，不满足时间同步要求；

3b)基带处理单元判断组合中每个用户的剩余频偏是否超过系统最大容忍的剩余频偏，根据工程实践经验，在OFDMA和OFDM系统中最大容忍的剩余频偏的归一值为2％，若小于，则满足多普勒频偏要求，否之，不满足多普勒频偏要求；

3c)基带处理单元判断各组合的信道矩阵平均“F-范数”是否超过系统设定的门限，若大于门限，则满足信道矩阵平均“F-范数”的要求，若小于门限，则不满足信道矩阵平均“F-范数”的要求。

步骤4，当用户UE_k从A点移动至B点的时候，BBU监测到当前分配给用户UE_k的协作组合W₁的“品质”下降，以至于不能满足用户服务质量QoS要求时，则由BBU考察“协作点/用户”组合空间备份S￠中是否存在其它满足时间同步、多普勒频偏和信道矩阵平均“F-范数”要求的组合，若存在，则启动软切换，即执行步骤5；若不存在，则启动硬切换，即执行步骤6。本实例中假设备份S￠中的组合W₂和W₄满足时间同步、多普勒频偏和信道矩阵平均“F-范数”要求，则执行步骤5。

步骤5，BBU将“协作点/用户”组合空间备份S￠中当前“品质”最优的组合，即将备份空间内当前排序第一的组合分配给用户UE_k，完成软切换。本实例中假设当前排序第一的组合为W₂，则中心控制器将W₂分配给用户UE_k，作为优选协作组合。

步骤6，BBU启动硬切换：

6a)BBU通过RTS/CTS握手协议建立新的“协作点/用户”组合空间；

6b)BBU对“协作点/用户”组合空间内的各组合进行基于同步约束和信道能量准则的二次优选以获得新的“协作点/用户”组合空间备份，并将备份中“品质”最优的组合分配给用户，作为用户的协作资源，完成硬切换。

本发明的有效性可通过以下实验仿真进一步说明。

1.仿真条件

采用图3所示的用户撒点效果图，其中7个射频拉远单元RRU分散部署在小区覆盖范围中心，每个圆表示一个RRU的覆盖范围，圆心处标示的数字表示RRU，每个RRU配备单天线，其覆盖半径为R＝500m，在每个RRU的覆盖范围内均匀撒有定量的空闲用户，用*号来表示，图3所示为每小区撒有20个空闲用户，每个空闲用户配备单天线。

仿真环境为市区微蜂窝，信道建模同时考虑了无线传输的路径损耗和阴影衰落。路径损耗采用公式PL＝34.53+38×log₁₀d，其中d为收发天线之间的距离，单位为米。阴影衰落为服从对数正态分布的随机变量，其标准差为10dB。

用户UE₁以速度V运动，V在10km/h～30km/h的范围内随机生成，并通过基于时频同步和信道能量的组合优选方法分配有最优协作组合，其中协作RRU为{1，6}，协作用户为{2，3，4}。网络中其他空闲用户以速度v运动，v在0～120km/h范围内随机产生。RRU每隔一秒考察用户UE₁是否需要切换，以及是采用软切换还是硬切换。

2.仿真结果及分析

仿真结果如图4。

从图4中可以看出，在每小区空闲用户数从0增加到100时，其成功切换的概率从74.8％增加到95％，可见随着空闲用户数的增多协作切换成功的概率增大，这是由于空闲用户数越多则可协作的资源越多，或者说满足要求的协作组合越多，那么切换成功概率就越大。

空闲用户数在100到140之间时，协作切换的成功概率基本稳定在95％左右，可以认为达到一个饱和值。这是由于当空闲用户数增加到一定数量时，虽然满足要求的可协作组合增多了，但有部分协作组合构成的信道状况是相近的，即信道矩阵是相似的。在切换过程中，只要存在一个满足要求的协作组合就可以切换成功，其它具有相似信道矩阵的协作组合对切换成功概率没有贡献。

从另一个角度分析，当空闲用户数为0时，即不存在待协作伙伴，协作组合的选择就只有多点对单用户或单点对单用户的情况，此时切换成功概率较低，最低为74.8％。当空闲用户数大于零时，网络提供了多点-多用户协作的可能，因此，切换成功概率高于空闲用户数为0的情况，验证了待协作伙伴数目的增加有利于切换的成功。

Claims (4)

1.一种面向多点—多用户协作传输的切换方法，包括如下步骤： 

（1）中心控制器通过RTS/CTS握手协议建立“协作点/用户”组合空间，判断空间内的组合是否满足同步误差和多普勒残余频差要求，将不满足要求的组合剔除，缩小空间范围；再对剩余组合计算其相应MIMO信道矩阵的平均“F-范数”，将低于系统设定的“F-范数”门限的组合从协作组合空间中剔除，并将空间内剩余的组合建立一个备份，作为“协作点/用户”组合空间备份； 

（2）中心控制器动态监测“协作点/用户”组合空间备份中各组合的“品质”，即监测备份内的组合是否满足时间同步、多普勒频偏和信道矩阵平均“F-范数”的要求，当中心控制器监测到当前分配给用户的协作组合的“品质”已下降到不能满足时间同步、多普勒频偏和信道矩阵平均“F-范数”的要求时，判断“协作点/用户”组合空间备份中是否还存在其它仍满足要求的组合，若存在，则启动软切换，即执行步骤（3），若不存在，则启动硬切换，即执行步骤（4）； 

（3）中心控制器将“协作点/用户”组合空间备份中当前“品质”最优的组合按如下步骤分配给用户，作为用户的协作资源，完成软切换： 

（3a）将备份集合内满足时间同步和多普勒频偏要求的组合，由中心控制器计算其相应MIMO信道矩阵的平均“F-范数”，并将计算结果由大到小进行排序； 

（3b）备份集合中排序第一的组合即为当前“品质”最优的组合，将其分配给用户； 

（4）中心控制器启动硬切换： 

（4a）中心控制器通过RTS/CTS握手协议建立新的“协作点/用户”组合空间； 

（4b）中心控制器对“协作点/用户”组合空间内的各组合进行基于同步约束和信道能量准则的二次优选以获得新的“协作点/用户”组合空间备份，并将备份中“品质”最优的组合分配给用户，作为用户的协作资源，完成硬切换。 

2.根据权利要求1所述的面向多点—多用户协作传输的切换方法，其中步骤（1）所述的对剩余组合计算其相应MIMO信道矩阵的平均“F-范数”，按如下步骤进行： 

2a）对组合空间内剩余的“协作点/用户”组合，由基带处理单元估计其相应的MIMO信道矩阵，分别得到N个信道矩阵样本：H_i,1,H_i,2,…,H_i,N,N是样本数，i表示第i个组合且1≤i≤L，L是“协作点/用户”组合的个数； 

2b）将信道矩阵样本 H_i,j与其共轭转置进行相乘，得到乘积矩阵，表示为 其中1≤j≤N； 

2c）计算乘积矩阵

的迹并对其在N个时间点上求短时平均 

得到第i个组合的平均信道“F-范数”，表示为E_i。 

3.根据权利要求1所述的面向多点—多用户协作传输的切换方法，其中步骤（1）所述的系统设定的“F-范数”门限，按如下步骤进行： 

3a）基带处理单元获取待切换用户服务质量QoS需求和传输点可用的发射功率信息； 

3b）基带处理单元根据用户服务质量QoS的信噪比指标，由

反解出

即为系统的“F-范数”门限，其中P_max表示传输点可用的最大传输功率，N₀表示噪声功率。 

4.根据权利要求1所述的面向多点—多用户协作传输的切换方法，其中步骤（2）所述的监测备份内的组合是否满足时间同步、多普勒频偏和信道矩阵平均“F-范数”的要求，按如下步骤进行： 

4a）基带处理单元判断组合中每个用户的剩余时延偏差是否超过系统最大容忍的同步误差，系统最大容忍的同步误差值为CP-h_τ，其中CP为循环前缀长度，h_τ为最大多径时延，若小于，则满足时间同步要求，否则，不满足时间同步要求； 

4b）基带处理单元判断组合中每个用户的剩余频偏是否超过系统最大容忍的剩余频偏，其中最大容忍的剩余频偏的归一值为2%，若小于，则满足多普勒频偏要求，否则，不满足多普勒频偏要求； 

4c）基带处理单元判断各组合的信道矩阵平均“F-范数”是否超过系统设定的门限，若大于门限，则满足信道矩阵平均“F-范数”的要求，若小于门限，则不满足信道矩阵平均“F-范数”的要求。 

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