CN102195700A - 一种针对下行链路小区边缘用户的协作小区调度传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对下行链路小区边缘用户的协作小区调度传输方法。在本发明提出的传输方法下，相邻的两个基站基于一种嵌入了信号空间分集技术的轮流交替数据共享协议，协作地调度各自的传输，使得每个基站轮流交替的进行数据传输和保持沉默。基于本发明提出的这种具有可实现性的分组轮流交替数据共享方式，在局部信道状态信息(CSI)的情况下，小区间的空间分集可以通过信号空间分集的形式被开采利用，以此来减少每个数据流的错误概率，这样一来，小区间链路就由原来的有害变成了有益，本发明提出的小区间协作调度方案能够在实际工作的信噪比区间，大幅提升两个协作小区的下行数据链路上的BER性能。

Description

一种针对下行链路小区边缘用户的协作小区调度传输方法

技术领域：

本发明一般涉及通信领域，尤其涉及无线通信系统以及在所述无线通信系统中由两个协作小区的基站采用一种针对下行链路小区边缘用户的协作小区调度传输方法。

背景技术：

在无线蜂窝通信系统中，小区边缘用户接收到的来自服务基站的信号强度微弱而来自相邻小区基站的信号又比较强，这样一来小区边缘用户会受到严重的共道干扰的影响，其接收信号的信干噪比低，接收性能差。当频率复用因子为1时，干扰问题尤其严重，这会使得整个系统变得干扰受限。虽然传统的分集技术和中继技术可以大大提高链路的可靠性，但是它们对小区边缘用户服务质量的提升却没有多少帮助。在未来无线蜂窝系统的设计中，如何解决干扰问题已经成为一个关键的挑战。

近年来，多小区协调传输方案(也称作网络MIMO技术)作为一种可以提供更高频谱效率和更低小区间干扰的有竞争力的技术而被广泛研究。在原理上，所有的基站可以通过回程链路共享彼此间的CSI和用户数据，然后就可以在一些功率约束条件下如同单小区那样协调一致地传输，从而消除小区间干扰问题。之前这一领域的研究大多数都会假设所有的协作基站已知将分发给所有终端的数据，以及所有链路上的完全信道状态信息(CSI)，因此联合进行预编码的多小区处理技术可以开采利用“大广播MIMO信道”的巨大潜能。

尽管理论上优势明显，多小区协调传输方案在实际应用方面仍然面临一系列的挑战。如我们所知，在传统蜂窝通信系统的下行链路中，基站仅向其服务小区内的移动台发送信号，并不为隶属相邻基站的移动台服务(软切换、宏分集以及单频网(SFN)等是特例)。因此，在网络MIMO的方法下，所需的大量的回程链路上的信息交换，如协调信令信息、CSI以及协调预编码向量等信息的共享，都会增加系统开销和回程链路延时。因此，从实际应用的角度来看，当前网络MIMO研究领域的主要研究工作应该放在研究一些贴近实际的信号处理和编码技术，使得实用方案在减少回程链路传输和预编码复杂度的分布式协同处理下，获得和集中式的网络MIMO技术接近的性能。

在设计分布式协作方案时考虑的两大主要因素包括：1)协作处理的集中式程度(需要多少链路的CSI共享)；2)每个终端是否同时被多个基站服务(是否需要数据共享)。我们知道，如果发射机处配置有多于一根的发射天线，可以通过利用空间自由度来避免或减少相邻小区之间的干扰。因此，简单实用的无需数据共享的协作波束赋形技术被提出用以解决干扰问题。尽管每个基站旨在最大化所服务终端的可达速率，有文献指出在MISO-IC信道上利用协作可以极大地提高性能。有文献提出了仅需局部CSI的分布式协作波束赋形技术，其中每个基站会在它所服务的终端处的信号功率和它所带给其他终端的干扰强度这两者之间达到一个折中。有文献研究发现这种达到平衡点的协作方案可以达到最优的速率点。然而，我们需要指出的是，这些已有的实用方案均基于干扰消除的思想，认为小区间的链路是有害的，小区间链路上的干扰信号是要被尽量减少甚至是需要消除掉。

尽管上述的协作波束赋形方案避免了小区间的用户数据交换，从而减小了回程链路开销，但是实际上小区边缘处干扰信号的强度和有用信号的强度相当，并且源于MIMO的理论研究也暗示了数据共享后的性能增益。此外，3GPP LTE-A和IEEE 802.16m的标准化工作中，针对共享用户数据的基站间的联合传输方案，由于其在提高系统吞吐量方面的潜能，从而被广泛地研究。但是，基于局部CSI假设的分布式联合传输方案的研究仍然比较少。

发明内容：

根据本发明的一个方面，提供了一种协作小区间调度传输的方法，该调度传输方法包括：基于嵌入了信号空间分集技术的轮流交替数据共享协议，相邻的两个基站协作地调度其传输，使得每个基站轮流交替的进行数据发送和保持沉默，每个终端会接收到经由两个协作基站传输的有用信号。

在根据本发明上述方面的协作调度传输方法中，为了获取数据共享后的性能增益，本发明公开了一种嵌入了信号空间分集技术的轮流交替数据共享协议。在该数据共享协议中，第一步：在每个协作基站的发射机处，把其将要发送给移动台终端的编码调制符号以两个为单位组成数据块，并将该数据块经过线性星座预编码处理。第二步：两个协作基站轮流交替地发送数据和共享数据，一方面，在将要发送数据的活动基站的数据链路上，活动基站把该基站当前要发送的数据块里的一个编码调制符号以及通过回程链路共享过来的另一个基站的一个编码调制符号，组成一个将要在该基站的数据链路上发送的新的数据块，该数据块的大小为2，包含有两个数据流的信息。然后，该活动基站把该新的数据块以一定的方式发送给两个移动台终端；另一方面，发送数据的活动基站在向移动台发送数据的同时，通过两个协作小区基站之间的回程链路，向另一个基站共享其经过线性星座预编码处理后的数据块中的没有被其发送的另一个编码调制符号。

在根据本发明上述方面的协作调度传输方法中，每个处于活动态的协作基站仅仅凭借局部信道状态信息确定其发送预编码矩阵，据此对将要发送的两个数据流实施迫零波束赋形，从而避免不同数据流之间的干扰，实现了不同数据流之间的正交传输。

通过所提的协作小区间调度传输方法，小区间链路从原来的有害变成有益，原来的干扰信号变成有用信号，来自小区间链路的宏分集被开采利用，这样就减少了有用数据流的错误概率。并且，所提出的分组轮流交替数据共享策略，能够以一种分布式的方式实现，因此该方案对回程链路的延迟具有一定的容忍度。

附图说明：

图1示出了具有两条互相干扰的MISO链路的系统模型示意图。

图2示出了两个协作基站协调调度方案中的数据共享和传输示意图。

图3示出了两个协作基站协调调度方案中的数据共享和传输流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

系统模型

首先，我们结合附图介绍本发明公开的传输方法对应的系统模型。在本发明中，我们将每个小区的收发多天线配置模型限制在多输入单输出(MISO)的情况。即，每个基站处配置有N_t根发射天线，而每个移动台有1根接收天线。为简单起见，我们假设仅有一个数据流要传向每个移动台。我们考虑如图1所示的一个含有两个互相干扰的通信链路的两小区系统模型，其中两个基站BS1和BS2，分别对处于激活态的两个移动台，MS1和MS2服务。这个基本的场景设置已经足以为我们提供一个干扰场景的基本模型。此外，在实际通信时，在处于小区边缘的移动台所受到的所有干扰分量中，来自相邻小区的干扰极有可能是最主要的干扰源，因此两小区的系统模型假设也是合理的。

如图1所示，向量h_jk＝[h_jk(1)，…，h_jk(N_t)]^T代表基站BS_j和移动台MS_k之间的信道系数，其中

并且信道系数的相关矩阵

为半正定的。令

代表移动台MS_k处的加性高斯白噪声。在局部CSI的假设下，假设移动台以广播的方式向所有与之相关的发送基站反馈CSI。因此，在我们的局部CSI信道模型假设下，发送端具有局部的CSIT，即基站BSj知晓信道向量h_jk，k＝1，2，而在接收端具有局部的CSIR，即移动台MS_k知道信道向量h_jk，j＝1，2的理想估计值。

在本发明中，我们不考虑针对单小区内的移动台进行的机会主义调度，因此不需要考虑用户选择算法。此外，在实际中，每个基站具有自身的功率放大器，并且在地理上这些功放也没有放置在相同的地方，因此，基站间共享传输功率也不太现实。虽然我们注意到功率分配问题和我们所提出的传输方法没有直接的关系，为了研究可达和速率，我们在每个基站处设置了一个总功率限制。

具体实施方式：

下面，我们对所提出的基于信号空间分集技术的小区间协作调度传输方案的具体实施方式进行详细介绍。

我们令d_k(t)代表t时隙来自QAM星座S的调制过的数据符号，它们构成将发送至移动台MS_k的第k个数据流，k＝1，2。不像典型的MISO-IC信道那样，这里我们假设两个基站间共享了将要发送给两个移动台的数据。这就使得每个接收机可以通过协作预编码技术得到两个基站的数据发送服务。与之前讨论的分布式预编码方案不同的是，这两个基站并不是同时发送数据，而是轮流交替地发送数据。

步骤一：线性星座预编码

在每个发射机处，调制符号先经过线性星座预编码处理，然后才被发送。在这里，我们把将要发送给移动台的调制符号以两个为单位组成数据块，其中发送给移动台MS₁和移动台MS₂的2维数据块分别用向量d₁＝[d₁(1)，d₁(2)]^T和d₂＝[d₂(1)，d₂(2)]^T表示。如果用2×2维的矩阵Φ代表为获取信号空间分集时所需的线性星座预编码矩阵，

那么发送给移动台MS_k的数据s_k，k＝1，2可以分别表示为：

s₁＝[s₁(1)，s₁(2)]^T＝Φd₁，s₂＝[s₂(1)，s₂(2)]^T＝Φd₂.    (1)

步骤二：两个基站轮流交替进行数据共享和传输

如图2所示，两个协作基站轮流进行数据传输和保持沉默。不失一般性，我们假设基站BS1首先开始发送数据。如图3描述，在初始时隙(时隙0)，没有实际数据传输，只是基站BS2开始通过回程链路向基站BS1传输数据s₂(1)。接着，基站BS1和BS2轮流发送数据，在第i个时隙，基站BS_j处于激活态，该基站向移动台发送数据块x_i，同时通过回程链路向另一个基站传输符号s_j(i+1)，这里j＝(i+1)mod2+1。具体说来，在奇数时隙i(i＝2l+1)，基站BS1发送数据块x_i＝[s₁(i)，s₂(i)]^T，移动台MS1和移动台MS2同时接收数据，同时，基站BS1通过回程链路向基站BS2传输数据s₁(i+1)；在偶数时隙i(i＝2l)，基站BS2向移动台MS1和移动台MS2发送数据块x_i＝[s₁(i)，s₂(i)]^T，同时基站BS2通过回程链路向基站BS1传输数据s₂(i+1)。

具体说来，每个在时隙i，处于活动态的基站BS_j基于局部CSI对发送数据块x_i进行迫零波束赋形，以此实现不同数据流之间的正交传输。因此，本方案中我们考虑的是每个基站根据局部CSI信息独立地选择波束赋形向量的分布式线性预编码方案。

在时隙i，由基站BS_j，j＝(i+1)mod2+1发送的N_t×1维信号x_j(i)可以表示为：

$x_j\left(i\right)=\sqrt{p_{j1}}{w}_{j1}\left(i\right)s_1\left(i\right)+\sqrt{p_{j2}}{w}_{j2}\left(i\right)s_2\left(i\right).---\left(2\right)$

这里我们令p_jk代表基站BS_j针对将要传送给移动台MS_k的功率分配，k＝1，2。基站BS_j的总功率限制为P_j，这也就是说

在这里，由于所考虑的系统模型中的两个小区具有对称性，因此我们假设每个基站对不同的数据流进行等功率分配，即p_j1＝p_j2＝p_j/2。其中针对数据流1和数据流2的分布式迫零协作波束赋形向量可以分别表示为：

$w_{j1}\left(i\right)=\frac{{\mathrm{\Π}}_{h_{j2}}^{\⊥}{h}_{j1}}{\left|\right|{\mathrm{\Π}}_{h_{j2}}^{\⊥}{h}_{j1}\left|\right|},w_{j2}\left(i\right)=\frac{{\mathrm{\Π}}_{h_{j1}}^{\⊥}{h}_{j2}}{\left|\right|{\mathrm{\Π}}_{h_{j1}}^{\⊥}{h}_{j2}\left|\right|}.---\left(3\right)$

这里j∈{1，2}。通过这种方式，我们构建波束赋形向量w_j1(i)和w_j2(i)满足条件

和

并且w_j1(i)和w_j2(i)具有单位模值(即||w_j1||＝||w_j2||＝1)。这种迫零的预编码向量可以在避免不同数据流之间的干扰的前提下，最大化波束赋性增益。具体说来就是w₁₁在与h₁₂正交的同时最大化

w₂₁在与h₂₂正交的同时最大化

因此在避免了同一个基站服务的两个移动台之间的多用户干扰的前提下，我们可以开采利用原本会产生小区间共道干扰的小区间链路。

移动台处对接收信号的检测：

在时隙i，移动台MS_k处的对应接收信号y_k(i)∈□可以分别表示如下：

$y_1\left(i\right)=h_{j1}^H\left(i\right)x_j\left(i\right)+n_1\left(i\right)=h_{j1}^H\left(i\right)\sqrt{p_{j1}}{w}_{j1}\left(i\right)s_1\left(i\right)+n_1\left(i\right),$ $\left(4\right)$

$y_2\left(i\right)=h_{j2}^H\left(i\right)x_j\left(i\right)+n_2\left(i\right)=h_{j2}^H\left(i\right)\sqrt{p_{j2}}{w}_{j2}\left(i\right)s_2\left(i\right)+n_2\left(i\right).$

类似地，时隙i+1，两个移动台处的对应接收信号可以分别表示如下：

$y_1(i+1)=h_{\stackrel{\‾}{j}1}^H(i+1)\sqrt{p_{\stackrel{\‾}{j}1}}{w}_{\stackrel{\‾}{j}1}(i+1)s_1(i+1)+n_1(i+1),$ $\left(5\right)$

$y_2(i+1)=h_{\stackrel{\‾}{j}2}^H(i+1)\sqrt{p_{\stackrel{\‾}{j}2}}{w}_{\stackrel{\‾}{j}2}(i+1)s_2(i+1)+n_2(i+1).$

然后，每个移动台以连续两个时隙内的接收信号为检测单位对接收数据进行检测。我们将移动台处连续两个时隙内的接收信号写成矩阵的形式，分别用向量y₁＝[y₁(i)，y₁(i+1)]^T，y₂＝[y₂(i)，y₂(i+1)]^T来表示。用不同的下标j≠j分别代表在时隙i和时隙i+1的发射基站，移动台MS₁和MS₂在连续两个时隙内的接收信号可以分别表达如下：

最后，移动台根据最大似然检测准则对接收数据进行检测。我们令代表对数据块d₁的估计值，因此移动台MS₁处的最大似然检测器可以表示如下：

${\hat{d}}_1=\underset{d_1\∈D^2}{\arg \min }\left\{\right||y_1-P_1{H}_1\mathrm{\Φ}{d}_1|\left|\right\}.---\left(8\right)$

类似地，移动台MS₂处的最大似然检测器可以表示为：

${\hat{d}}_2=\underset{d_2\∈D^2}{\arg \min }\left\{\right||y_2-P_2{H}_2\mathrm{\Φ}{d}_2|\left|\right\}.---\left(9\right)$

至此，我们详细描述了本发明的具体实施例。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (4)

1.一种针对下行链路小区边缘用户的协作小区调度传输方法，其特征在于：相邻的两个基站协作地调度其传输，使得每个基站轮流交替的进行数据传输和保持沉默，每个终端会接收到经由两个协作基站传输的有用信号。

2.根据权利要求1所述的协作小区间调度传输方法，其特征在于：一种嵌入了信号空间分集技术的轮流交替数据共享协议，以及每个协作基站在处于活动态发送数据时，为了避免不同数据流之间干扰的迫零波束赋形发送方法。

3.根据权利要求2所述协作小区间调度传输的方法，其特征在于，所述的嵌入了信号空间分集技术的轮流交替数据共享协议按照如下步骤：

第一步：在每个协作基站的发射机处，把其将要发送给移动台终端的编码调制符号以两个为单位组成数据块，并将该数据块经过线性星座预编码处理；

第二步：两个协作基站轮流交替地发送数据和共享数据：

一方面，在将要发送数据的活动基站的数据链路上，活动基站把该基站当前要发送的数据块里的一个编码调制符号以及通过回程链路共享过来的另一个基站的一个编码调制符号，组成一个将要在该基站的数据链路上发送的新的数据块，该数据块的大小为2，包含有两个数据流的信息，然后该活动基站把该新的数据块以一定的方式发送给两个移动台终端；

另一方面，发送数据的活动基站在向移动台发送数据的同时，通过两个协作小区基站之间的回程链路，向另一个基站共享其经过线性星座预编码处理后的数据块中的没有被其发送的另一个编码调制符号。

4.根据权利要求2所述协作小区间调度传输的方法，其特征在于，所述迫零波束赋形发送方法是指：

每个处于活动态的协作基站仅仅凭借局部信道状态信息确定其发送预编码矩阵，据此对将要发送的两个数据流实施迫零波束赋形从而避免不同数据流之间的干扰，实现了不同数据流之间的正交传输。

Images