CN102355285B - 一种基于波束扫描的CoMP实现方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速准确、简洁实用的基于波束扫描的CoMP实现方法，包括如下步骤：选择服务小区内的一个边缘用户作为CoMP用户；选择一个以上的相邻基站作为协作基站；分别采用波束对所述服务小区和所述协作基站所在的协作小区进行扫描，并根据扫描结果和本发明提出的预编码矩阵计算公式，分别计算所述服务基站及协作基站对所述CoMP用户的预编码矩阵；所述服务基站及协作基站分别将需要发送给所述CoMP用户的信号进行预编码后发射。本发明还相应提出了一种基于波束扫描的CoMP实现系统，包括CoMP用户选择模块、协作基站选择模块、波束扫描模块和信号发射模块。

Description

一种基于波束扫描的CoMP实现方法及系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体而言，涉及一种基于波束扫描的CoMP(多点协作传输，Coordinated Multiple Point)实现方法及系统。

背景技术

在3GPP(The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划)长期演进(Long Term Evolution-Advanced，LTE-A)系统中，人们对小区平均频谱效率和小区边缘频谱效率越来越重视，相比较而言，小区边缘的频谱效率更受关注，这主要是因为LTE-A系统的上下行都是以OFDM(正交频分复用技术，Orthogonal frequency-divisionmultiplexing)为基础的多址复用方式的频分系统，与传统的以CDMA(码分多址，CodeDivision Multiple Access)为基础的多址复用方式的无线通信系统不同，LTE-A系统没有处理增益，小区内部因为完全频分正交，所以几乎没有干扰问题，但在小区边缘处的干扰处理则相对棘手。

多点协作传输技术是利用多个小区的发射天线协作传输来实现小区边缘处无线链路的较高容量和可靠传输，能够有效解决小区边缘干扰问题。在JP(联合处理，Jointprocessing)模式下有效数据在CoMP系统的每个点(基站)进行协作调度，每个协作区定义为多个共地域的小区组成，每一个用户由该协作区进行服务。JP可包括两部分，即CoMP中协作多点的各基站在同一时间进行的通过下行物理共享信道(PDSCH，Physical DownlinkShared Channel)传输信令和数据给用户，以及用户在单点某一时刻通过PDSCH对小区的动态选择。

传统的CoMP实现方法是基于联合传输的CoMP实现，首先根据每一个基站的接收信号，选择第一个预编码矩阵；然后通过合并所有基站的第一个预编码矩阵得到第二个预编码矩阵，并向所有基站中的服务基站传输第二个预编码矩阵的序号。该传统的CoMP实现方法技术方案复杂，并且实现速度较慢。

因此，有必要寻找一种快速准确，简洁实用的CoMP实现方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种快速准确、简洁实用的基于波束扫描的CoMP实现方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案包括：

一种基于波束扫描的CoMP实现方法，包括如下步骤：

选择服务小区内的一个用户作为CoMP用户；

选择一个以上的相邻基站作为协作基站；

分别采用波束对所述服务小区和所述协作基站所在的协作小区进行扫描，并根据扫描结果，分别计算所述服务基站及协作基站对所述CoMP用户的预编码矩阵；

所述服务基站及协作基站分别将需要发送给所述CoMP用户的信号进行预编码后发射。

进一步地，所述选择服务小区内的一个用户作为CoMP用户，是指选取所述服务小区的一个边缘用户作为CoMP用户。

进一步地，所述服务基站对所述CoMP用户的预编码矩阵为：

$W_{11}=e^{\mathrm{jf}\left(n_1{\mathrm{\β}}_1\right)}{W}_s$

其中，j表示虚部符号，β₁为波束对服务小区的扫描步进角度，n1为波束在服务小区内扫描到所述CoMP用户时的扫描步进次数，W_s为扫描波束矩阵。

进一步地，任一个所述协作基站对所述CoMP用户的预编码矩阵为：

$W_{12}=\arg \underset{W_{n_2}}{\max }\mathrm{tr}\left(W_{n_2}^{*}{H}_{12}^{*}{H}_{12}{W}_{n_2}\right)$

其中，tr()表示求迹算子，上角标“*”表示共轭转置算子，表示使后面这个式子达到最大值时的x取值，H₁₂为所述协作基站与所述CoMP用户之间的信道矩阵；

其中，W_n2表示第n₂次扫描时的波束扫描矩阵，β₂为波束对所述协作小区的扫描步进角度。

更进一步地，若天线阵列形式为均匀线阵，则其中d是天线阵列中各天线的间距，λ是所用无线电波的波长。

一种基于波束扫描的CoMP实现系统，包括：

CoMP用户选择模块，用于选择服务小区内的一个用户作为CoMP用户；

协作基站选择模块，用于选择一个以上的相邻基站作为协作基站；

波束扫描模块，用于分别采用波束对所述服务小区和所述协作基站所在的协作小区进行扫描，并根据扫描结果，分别计算所述服务基站及协作基站对所述CoMP用户的预编码矩阵；

信号发射模块，用于触发所述服务基站及协作基站分别将需要发送给所述CoMP用户的信号进行预编码后发射。

进一步地，所述选择服务小区内的一个用户作为CoMP用户，是指选取所述服务小区的一个边缘用户作为CoMP用户。

进一步地，所述服务基站对所述CoMP用户的预编码矩阵为：

$W_{11}=e^{\mathrm{jf}\left(n_1{\mathrm{\β}}_1\right)}{W}_s$

其中，j表示虚部符号，β₁为波束对服务小区的扫描步进角度，n1为波束在服务小区内扫描到所述CoMP用户时的扫描步进次数，WS为扫描波束矩阵。

进一步地，任一个所述协作基站对所述CoMP用户的预编码矩阵为：

$W_{12}=\arg \underset{W_{n_2}}{\max }\mathrm{tr}\left(W_{n_2}^{*}{H}_{12}^{*}{H}_{12}{W}_{n_2}\right)$

其中，tr()表示求迹算子，上角标“*”表示共轭转置算子，表示使后面这个式子达到最大值时的x取值，H₁₂为所述协作基站与所述CoMP用户之间的信道矩阵；

其中，W_n2表示第n₂次扫描时的波束扫描矩阵，β₂为波束对所述协作小区的扫描步进角度。

更进一步地，若天线阵列形式为均匀线阵，则其中d是天线阵列中各天线的间距，λ是所用无线电波的波长。

本发明的有益效果为：

本发明提供了一种基于波束扫描的多点协作传输实现方案，采用波束进行扫描，在快速搜寻到CoMP用户的同时，也给出了CoMP预编码矩阵，将原来为干扰的小区变成了发射信号的小区，信号能量增加的同时干扰减小了，从而获得了明显的增益。

通过本发明，在LTE-Advanced系统中实现多点协作传输时，通过波束扫描的方式能够快速准确地选择出可以进行CoMP预编码处理的用户，及相应的预编码，从而使得整个系统的性能得到较好的改善。

附图说明

图1是本发明基于波束扫描的CoMP实现方法流程示意图；

图2(A)是本发明协作基站为一个时的协作区示意图；

图2(B)是本发明协作基站为两个时的协作区示意图；

图3是本发明扫描波束示意图；

图4是本发明基于波束扫描的CoMP实现系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明基于波束扫描的CoMP实现方法流程示意图，如图1所示，本发明基于波束扫描的CoMP实现方法具体包括如下步骤：

在CoMP系统中，假设服务小区和协作小区的基站均配置M根天线，在服务小区和协作小区内的用户数一共为2个以上，且配置为相同的时频资源。对于两小区多用户，则基于分组波束的CoMP预编码实现过程描述如下：

步骤101，选择服务小区内的一个用户作为CoMP用户。

该步骤中，优先选取服务小区的边缘用户作为CoMP用户。

步骤102，选择一个以上的相邻基站作为协作基站。

图2(A)是协作基站为一个时的协作区示意图，如图2所示，用户UE1能够分别被服务小区(基站eNB1所在小区)和协作小区1(基站eNB2所在小区)中的扫描波束覆盖，基站eNB1、eNB 2以CoMP方式为用户UE1提供服务，使得系统性能得到较好的改善。

图2(B)是协作基站为两个时的协作区示意图，如图2所示，用户UE1能够分别被服务小区(基站eNB1所在小区)、协作小区1(基站eNB2所在小区)和协作小区2(基站eNB3所在小区)中的扫描波束覆盖，基站eNB 1、eNB 2和eNB3以CoMP方式为用户UE1提供服务，使得系统性能得到较好的改善。

步骤103，分别采用波束对服务小区和协作基站所在的协作小区进行扫描，并根据扫描结果，分别计算服务基站及协作基站对CoMP用户的预编码矩阵。

该步骤具体包括：

步骤1031，构造波束矩阵Ws，Ws如式(1)所示，

$W_s=\left[\begin{array}{cc}{W}_{11}& W_{12}\\ W_{21}& W_{22}\\ ...& ...\\ W_{M1}& W_{M2}\end{array}\right]---\left(1\right),$

其中，M是发射天线数，M后的1和2指波束的层数，也即天线发射层数，本实施例中，天线发射一共有2层，当然，天线发射层数也可以为1层或其它层数；波束组矩阵Ws的列表示形成波束的权向量，即第1列对应波束的第1层、第2列对应波束的第2层、各波束层之间互相正交。

步骤1032，波束扫描及信道估计，初始时，波束为固定波束，处于初始扫描位置。在下一扫描状态，进行波束空间扫描，即波束组在小区内依顺时针(或逆时针)方向，以扫描步进角度β进行空间扫描，并分别针对服务小区和协作小区，记录下波束扫描的扫描步进角度β，以及当波束扫描到CoMP用户(即UE1)时的扫描步进次数n。假设小区的覆盖区域为2π/3弧度，4天线阵的波束3db带宽为π/9弧度，此时，以离散扫描角度β＝π/9弧度进行空间扫描，且扫描时始终保持各波束层之间的正交位置，则扫描6次即可覆盖整个小区。

图3是扫描波束示意图，图3中波束1为初始波束，波束2、……、波束6是波束1以步进角度β以顺时针依次扫描得到的波束，且小区被波束1、波束2、……、波束6完全扫描到。

扫描时，考察相邻小区(如基站eNB1、eNB2和eNB3分别所在的小区)的边缘用户，如UE1位于基站eNB1所在小区的边缘，在eNB1侧，根据波束扫描状态估计出小区内用户UE1所处波束的位置。

另外，在UE1侧，分别估计UE1与基站eNB2、eNB3之间的信道矩阵H₁₂、H₁₃，并将信道矩阵H₁₂、H₁₃信息反馈给本小区基站eNB1。

步骤1033，基站eNB2与相邻基站eNB2、eNB3通过基站与基站间的接口(X2接口)交互潜在CoMP用户信息，即基站eNB1向基站eNB2、eNB3传递潜在CoMP用户UE1的信道信息H₁₂、H₁₃；同时将需要向UE1传输的数据信息S₁传递给相邻基站eNB2、eNB3，S₁即基站需要向UE1传输的原始数据信息。

步骤1034，计算服务基站eNB1对于用户UE1的CoMP预编码矩阵W₁₁。

其中，j表示虚部符号，β₁为波束对服务小区的扫描步进角度，n₁为波束在服务小区内扫描到用户UE1时的扫描步进次数。

本发明中，f(nβ)函数的具体形式取决于天线阵列的形式，例如，对于均匀线阵，有：其中d是天线阵列中各天线的间距，λ是所用无线电波的波长。当然，若采用其他天线阵列形式，只要能够毫无疑义的确定波束组的当前扫描角度即可，并不限定获取扫描角度的具体方式。

步骤1035，计算协作基站对用户UE1的CoMP预编码矩阵。

相邻基站eNB2、eNB3根据服务基站eNB1传递来的与用户UE1之间的信道信息H₁₂、H₁₃，计算协作基站eNB2、eNB3对于CoMP用户UE1的预编码矩阵。

对于基站eNB2，在一个扫描周期内，第n₂次扫描时的波束扫描矩阵其中，β₂为波束在该小区的扫描步进角度。根据下式计算协作基站eNB2对于UE1的CoMP预编码矩阵W₁₂：

$W_{12}=\arg \underset{W_{n_2}}{\max }\mathrm{tr}\left(W_{n_2}^{*}{H}_{12}^{*}{H}_{12}{W}_{n_2}\right)$

其中tr()表示求迹算子，上角标“*”表示共轭转置算子，表示使后面这个式子达到最大值时的x取值。因此，上式中迹最大时对应的扫描矩阵即为协作基站eNB2对于UE1的CoMP预编码矩阵W₁₂。

同样地，得到协作基站eNB3对于UE1的CoMP预编码矩阵W₁₃：

$W_{13}=\arg \underset{W_{n_3}}{\max }\mathrm{tr}\left(W_{n_3}^{*}{H}_{13}^{*}{H}_{13}{W}_{n_3}\right)$

其中，W_n3为基站eNB3所在小区第n₃次扫描时的波束扫描矩阵，β₃为波束在该小区的扫描步进角度。

步骤104，将CoMP用户信号进行预编码后发射。

对于基站eNB1，根据估计得到的用户UE1的预编码矩阵将基站需要发送给UE1的信号s₁(即原始数据)进行预编码处理，则发射信号为W₁₁s₁。

对于基站eNB2，设计算得到的对用户UE1的预编码矩阵对该基站需要发送给UE1的信号s₁进行预编码处理，则发射信号为W₁₂s₁。

对于基站eNB3，设计算得到的对用户UE1的预编码矩阵对该基站需要发送给UE1的信号s₁进行预编码处理，则发射信号为W₁₃s₁。

若不考虑噪声，则用户UE1此时总的接收信号r₁为：

$r_1=W_{11}{s}_1+W_{12}{s}_1+W_{13}{s}_1$

$=\left({\mathrm{\Σ}}_{k=1}^3{W}_{1k}\right)s_1$

需要说明的是，离散扫描角度β₁、β₂和β₃是在各个小区中分别基于eNB1、eNB2和eNB3基站天线阵列形式的参考角度，尽管本发明实施例中均设置为π/9弧度，但由于参考基准不同，所以含义并不相同。

图4是本发明基于波束扫描的CoMP实现系统结构示意图，如图所示，本发明基于波束扫描的CoMP实现系统包括CoMP用户选择模块401、协作基站选择模块402、波束扫描模块403和信号发射模块404。

其中，CoMP用户选择模块401用于选择服务小区内的一个用户作为CoMP用户。本发明实施例中，优先选取服务小区的一个边缘用户作为CoMP用户。

协作基站选择模块402，用于选择一个以上的相邻基站作为协作基站。

波束扫描模块403，用于分别采用波束对服务小区和协作基站所在的协作小区进行扫描，并根据扫描结果，分别计算服务基站及协作基站对CoMP用户的预编码矩阵。

其中，服务基站对CoMP用户的预编码矩阵为：

$W_{11}=e^{\mathrm{jf}\left(n_1{\mathrm{\β}}_1\right)}{W}_s$

其中，j表示虚部符号，β₁为波束对服务小区的扫描步进角度，n1为波束在服务小区内扫描到CoMP用户时的扫描步进次数，W_s为扫描波束矩阵。

其中，任一个协作基站对CoMP用户的预编码矩阵为：

$W_{12}=\arg \underset{W_{n_2}}{\max }\mathrm{tr}\left(W_{n_2}^{*}{H}_{12}^{*}{H}_{12}{W}_{n_2}\right)$

其中，tr()表示求迹算子，上角标“*”表示共轭转置算子，表示使后面这个式子达到最大值时的x取值，H₁₂为该协作基站与CoMP用户之间的信道矩阵；

其中，W_n2表示第n₂次扫描时的波束扫描矩阵，β₂为波束对该协作小区的扫描步进角度。

若天线阵列形式为均匀线阵，则其中d是天线阵列中各天线的间距，λ是所用无线电波的波长。

信号发射模块404用于触发服务基站及协作基站分别将需要发送给CoMP用户的信号进行预编码后发射。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应注意的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求记载的技术方案及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种基于波束扫描的多点协作传输CoMP实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

选择服务小区内的一个用户作为CoMP用户；

选择一个以上的相邻基站作为协作基站；

分别采用波束对所述服务小区和所述协作基站所在的协作小区进行扫描，并根据扫描结果，分别计算服务基站及所述协作基站对所述CoMP用户的预编码矩阵；

所述服务基站及协作基站分别将需要发送给所述CoMP用户的信号进行预编码后发射；

所述分别采用波束对所述服务小区和所述协作基站所在的协作小区进行扫描，并根据扫描结果，分别计算服务基站及所述协作基站对所述CoMP用户的预编码矩阵的步骤，包括：

构造扫描波束矩阵W_s；

波束扫描及信道估计；

所述服务基站向所述协作基站传所述CoMP用户的信道信息；

计算所述服务基站对所述CoMP用户的预编码矩阵W₁₁；

计算所述协作基站对所述CoMP用户的预编码矩阵；其中，

$W_s=\left[\begin{array}{cc}{W}_{11}& W_{12}\\ W_{21}& W_{22}\\ \mathrm{...}& \mathrm{...}\\ W_{M1}& W_{M2}\end{array}\right];$

式中，M是发射天线数，1或2是天线发射层数；

$W_{11}=e^{jf\left(n_1{\mathrm{\β}}_1\right)}{W}_s$

其中，j表示虚部符号，β₁为波束对服务小区的扫描步进角度，n₁为波束在服务小区内扫描到所述CoMP用户时的扫描步进次数，W_S为扫描波束矩阵；

任一个所述协作基站对所述CoMP用户的预编码矩阵为：

$W_{12}=\underset{W_{n_2}}{\arg \max tr}\left(W_{n_2}^{*}{H}_{12}^{*}{H}_{12}{W}_{n_2}\right)$

其中，tr()表示求迹算子，上角标“*”表示共轭转置算子，表示使后面这个式子达到最大值时的x取值，H₁₂为所述协作基站与所述CoMP用户之间的信道矩阵；

其中，表示第n₂次扫描时的波束扫描矩阵，β₂为波束对所述协作小区的扫描步进角度；

若天线阵列形式为均匀线阵，则其中d是天线阵列中各天线的间距，λ是所用无线电波的波长。

2.根据权利要求1所述的基于波束扫描的CoMP实现方法，其特征在于，所述选择服务小区内的一个用户作为CoMP用户，是指选取所述服务小区的一个边缘用户作为CoMP用户。

3.一种基于波束扫描的多点协作传输CoMP实现系统，其特征在于，包括：

CoMP用户选择模块，用于选择服务小区内的一个用户作为CoMP用户；

协作基站选择模块，用于选择一个以上的相邻基站作为协作基站；

波束扫描模块，用于分别采用波束对所述服务小区和所述协作基站所在的协作小区进行扫描，并根据扫描结果，分别计算所述服务基站及协作基站对所述CoMP用户的预编码矩阵；

信号发射模块，用于触发所述服务基站及协作基站分别将需要发送给所述CoMP用户的信号进行预编码后发射；

所述波束扫描模块，具体用于构造扫描波束矩阵W_s；

波束扫描及信道估计；

所述服务基站向所述协作基站传所述CoMP用户的信道信息；

计算所述服务基站对所述CoMP用户的预编码矩阵W₁₁；以及，

计算所述协作基站对所述CoMP用户的预编码矩阵；

其中，

$W_s=\left[\begin{array}{cc}{W}_{11}& W_{12}\\ W_{21}& W_{22}\\ \mathrm{...}& \mathrm{...}\\ W_{M1}& W_{M2}\end{array}\right];$

式中，M是发射天线数，1或2是天线发射层数；

$W_{11}=e^{jf\left(n_1{\mathrm{\β}}_1\right)}{W}_s$

其中，j表示虚部符号，β₁为波束对服务小区的扫描步进角度，n₁为波束在服务小区内扫描到所述CoMP用户时的扫描步进次数，W_s为扫描波束矩阵；

任一个所述协作基站对所述CoMP用户的预编码矩阵为：

$W_{12}=\underset{W_{n_2}}{\arg \max tr}\left(W_{n_2}^{*}{H}_{12}^{*}{H}_{12}{W}_{n_2}\right)$

其中，tr()表示求迹算子，上角标“*”表示共轭转置算子，表示使后面这个式子达到最大值时的x取值，H₁₂为所述协作基站与所述CoMP用户之间的信道矩阵；

其中，表示第n₂次扫描时的波束扫描矩阵，β₂为波束对所述协作小区的扫描步进角度；

若天线阵列形式为均匀线阵，则其中d是天线阵列中各天线的间距，λ是所用无线电波的波长。

4.根据权利要求3所述的基于波束扫描的CoMP实现系统，其特征在于，所述选择服务小区内的一个用户作为CoMP用户，是指选取所述服务小区的一个边缘用户作为CoMP用户。