CN102545987B - 一种基于延时反馈的多小区自适应协作传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于延时反馈的多小区自适应协作传输方法，该协作传输方法按如下步骤进行：首先调研参与协作的多小区内用户的平均移动速率，计算出相应的多普勒频偏，获得信道延时相关系数，然后通过轮询调度在每个小区内选择一个用户等待数据传输，并为该用户生成一个基站端已知的码本；接着用户通过接收基站发送的导频信号，估计信道信息和路径功率衰减因子，并将这些信息反馈给基站；最后基站根据用户反馈的信息和计算出的信道延时相关系数等信息确定所采用的协作传输模式，完成相应模式下的预编码，并进行数据的传输。本发明能够有效的应用于实际场景中，可以提高系统的可达传输速率和频谱利用率。

Description

一种基于延时反馈的多小区自适应协作传输方法

技术领域

本发明涉及一种多小区环境中自适应协作传输方法，属于多小区环境下多输入多输出(MIMO)系统中的协作传输领域。

背景技术

目前，在无线资源日趋紧张的情况下，在多小区环境中，采用多天线和全局频率复用技术能够充分挖掘利用空间资源，最大限度的提高频谱利用率和功率效率。但是同频覆盖不可避免的会带来显著的小区间干扰(ICI)，由此导致的小区边缘用户性能的下降日益成为一个突出的问题，严重制约了系可达传输速率的进一步提升。为应对这一挑战，近年来不断有学者提出可以通过相邻小区中多基站的协作来抑制小区间干扰，提升系统的可达速率。

现有技术中，存在两种有效的协作模式受到人们的关注，分别是联合处理模式(JP)和协作波束成形模式(CBF)。JP协作模式下，在一个传输时隙内，多个参与协作的基站同时对已调度好的一个用户进行联合数据传输，不同时隙，选择不同的用户进行传输。CBF协作模式下，所有传输时隙内，每个基站只负责对本小区内已调度好的用户进行数据传输，同时利用共享的信道信息对相邻小区的用户做干扰抑制。两种协作模式的不同在于JP协作模式下，参与协作的基站不仅需要共享用户反馈给其主基站的信道信息，同时需要共享基站发送给用户的数据信息；而在CBF协作模式下，参与协作的基站只需要共享用户反馈给其主基站的信道信息，因而数据共享负荷明显减小，系统延时也会随之降低。两种协作模式在不同应用场景中能够获得不同的系统可达速率，因而一个实际系统可以在两种模式中进行切换，以实现最大速率传输。

现有的CBF和JP模式评估方案都是建立在假设基站能够获知理想信道信息的基础上，但是在实际应用场景中，无论是时分双工(TDD)还是频分双工(FDD)系统，这一假设都很难得到满足。若系统采用时分双工(TDD)，发送端可以通过互异性原理，在基站估计上行链路信道信息并将其作为下行链路的信道信息，但是上行链路和下行链路并不是完全对称的，因而基站通过互易性获得的信道信息中就不可避免就存在估计误差。若系统采用频分双工(FDD)，通常由用户终端来估计下行链路信道信息，然后用户通过反馈链路将下行链路的信道信息反馈给基站，但是实际系统中用户可以反馈的信息量是有限的。用户为了满足反馈链路的容量要求，往往是先将信道信息进行量化，然后将量化后的信息通过有限的比特反馈给基站，最后基站根据此反馈信息尽可能地恢复出信道信息。这种方案就会导致基站获得的系统信道信息与真实的信道信息之间存在一定的量化误差，此量化误差的大小由反馈链路的容量决定。此外采用反馈机制时还有反馈链路带来的信息延时问题，即基站获得的反馈信息并不是当前时刻的信道信息，而是在一段延时之前的信道信息。在上述诸多因素的影响下，基站获得的下行链路信息与真实的信道信息并不完全匹配，导致基于理想信道信息的自适应传输方案性能显著下降，因此我们需要研究在基站只能获知非理想信道信息的条件下，JP和CBF协作模式的自适应切换问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明在基站端只能获得延时有限反馈信道信息的情况下，提供一种基于延时反馈的多小区自适应协作传输方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明提出一种基于延时反馈的多小区自适应协作传输方法，该协作传输方法按如下步骤进行：首先调研参与协作的多小区内用户的平均移动速率，计算出相应的多普勒频偏，获得信道延时相关系数，然后通过轮询调度在每个小区内选择一个用户等待数据传输，并为该用户生成一个基站端已知的码本，接着用户通过接收基站发送的导频信号，估计信道信息和路径功率衰减因子，并将这些信息反馈给基站，最后基站根据用户反馈的信息和计算出的信道延时相关系数等信息确定所采用的协作传输模式，完成相应模式下的预编码，并进行数据的传输。本发明提供了一种在基站获得的信道信息存在量化误差、反馈延时和路径功率损耗等非理想因素的情况下，多小区系统实现自适应协作传输的方法，该方法能够有效的应用于实际场景中，能够有效提高系统的可达传输速率和频谱利用率。

具体来说，本发明的协作传输方法按以下步骤进行：

(1)系统调研参与协作的M个相邻小区内多个用户终端的平均移动速率v，2≤M≤7，计算用户的多普勒频偏f_d＝f_cv/c，根据克拉克(Clarke)散射模型计算出信道延时相关系数ρ＝J₀(2πf_dT_s)，其中，c表示光速，f_c表示载波频率，T_s表示每个符号周期的长度，J₀(·)表示第一类零阶贝塞尔(Bessel)函数；

(2)每个小区通过轮询调度选取一个用户等待数据传输，每次传输开始时，该用户首先进行信道估计以获得信道信息以及路径功率衰减因子，再根据已有码本，量化信道信息，并将量化信道信息和路径功率衰减因子反馈给基站；

(3)基站根据反馈信道信息，路径功率衰减因子和多普勒频偏等信息对两种备选模式，即协作波束成形模式(CBF)和联合处理模式(JP)，进行比较，确定系统采用的协作传输模式；

(4)基站根据所选传输模式，利用延时反馈信道信息计算预编码矩阵W，然后将待发送数据乘以预编码矩阵W，进行数据传输。

在分析实际系统中存在的量化误差、反馈延时和路径功率损耗等多种非理想因素的基础上，分别给出了协作波束成形模式和联合处理模式两种协作模式下系统可达传输速率的闭式解R_CBF和R_JP，并基于该闭式解，自适应选择协作模式，进行数据传输：

(1)分别计算协作波束成形模式和联合处理模式下系统的可达传输速率R_CBF和R_JP，

1)协作波束成形模式下，系统可达传输速率R_CBF的闭式解为：

$R_{\mathrm{CBF}}={M\log }_2\left(e\right)\underset{i=0}{\overset{M-2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}[a_i^{\left(j\right)}i!{\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_1}{{\mathrm{\μ}}_2}\right)}^{i+1}I(\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_1},\frac{{\mathrm{\μ}}_1}{{\mathrm{\μ}}_2{\mathrm{\γ}}_j},i+1)]$

式中，μ₁＝αP/M，μ₂＝βP/M，

其中P表示M个基站总的发射功率，2≤M≤7，α，β分别表示基站到本小区用户和相邻小区用户的路径功率衰减因子，B表示反馈比特数，N_t表示每个基站上发射天线的数量，N_t≤8，

ρ表示信道延时相关系数，同时，

$a_i^{\left(1\right)}=\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_1^{i+1}(M-2)!}{\left(\frac{{\mathrm{\γ}}_1}{{\mathrm{\γ}}_1-{\mathrm{\γ}}_2}\right)}^{M-1}\frac{(2(M-2)-i)!}{i!(M-2-i)!}{\left(\frac{{\mathrm{\γ}}_2}{{\mathrm{\γ}}_2-{\mathrm{\γ}}_1}\right)}^{M-2-i}$

$a_i^{\left(2\right)}=\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_2^{i+1}(M-2)!}{\left(\frac{{\mathrm{\γ}}_2}{{\mathrm{\γ}}_2-{\mathrm{\γ}}_1}\right)}^{M-1}\frac{(2(M-2)-i)!}{i!(M-2-i)!}{\left(\frac{{\mathrm{\γ}}_1}{{\mathrm{\γ}}_1-{\mathrm{\γ}}_2}\right)}^{M-2-i}$

I(·，·，·)的闭式解由下式给出：

$I(a,b,m)={(b-1)}^{-m}{I}_0(a,\mathrm{1,1})+\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^{i-1}{(1-b)}^{-i}{I}_0(a,b,m-i+1)$

其中I₀(·，·，·)由下式给出：

$I_0(a,b,m)=\left\{\begin{array}{cc}{e}^{\mathrm{ab}}{E}_1\left(\mathrm{ab}\right)& m=1,\\ \frac{{(-a)}^{m-1}}{(m-1)!}{e}^{\mathrm{ab}}{E}_1\left(\mathrm{ab}\right)+\underset{k=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{(k-1)!{(-a)}^{m-k-1}}{(m-1){!b}^k}& m\≥2.\end{array}\right.$

式中 $E_1\left(a\right)={\∫}_1^{\∞}{t}^{-1}{e}^{-\mathrm{at}}\mathrm{dt},$ 是第一阶指数积分函数。

2)联合处理模式下，系统可达传输速率R_JP的闭式解为：

$R_{\mathrm{JP}}={\log }_2\left(\mathrm{\γl}\right)-\frac{1}{\ln 2}(\frac{1}{l}-\frac{1}{{3l}^2}-\frac{2}{{15l}^4})$

γ及l由下式给出：

$\mathrm{\γ}=\frac{A_1}{{2A}_2},$ $l=\frac{{2A}_2^2}{A_1}$

式中，

$A_1=N_t{c}_1^2+c_2^2+(M-1)N_t{c}_3^2+(M-1)c_4^2$

A₂＝1+c₁N_t+c₂+c₃(M-1)N_t+c₄(M-1)

其中c₁，c₂，c₃，和c₄为相应的常数修正项，计算式如下：

$c_1=\frac{\mathrm{\α\ζP}}{M}{\mathrm{\ρ}}^2$ $c_2=\frac{\mathrm{\αP}}{M}{\mathrm{\ϵ}}_e^2$

$c_3=\frac{\mathrm{\β\ζP}}{M}{\mathrm{\ρ}}^2$ $c_4=\frac{\mathrm{\βP}}{M}{\mathrm{\ϵ}}_e^2$

式中， $\mathrm{\ζ}=1-2^B\·\mathrm{\β}(2^B,\frac{N_t}{N_t-1}).$ $\mathrm{\β}(x,y)={\∫}_0^1{t}^{x-1}{(1-t)}^{y-1}\mathrm{dt},$ 是贝塔(Beta)函数。

(2)若满足R_CBF≥R_JP，则选择协作波束成形模式(CBF)协作模式，该模式下，基站j的预编码矩阵W为

的第j列，其中

表示伪逆，

表示基站j到M个用户的反馈信道信息，2≤M≤7；

若满足R_JP＞R_CBF，则选择联合处理模式(JP)协作模式，该模式下，基站j的预编码矩阵W为

其中

表示基站j到用户k的反馈信道信息。

有益效果：与现有技术相比，本发明的一种基于延时反馈的多小区自适应协作传输方法，具有以下优点：

(1)与假设基站已知精确信道信息的理想情况相比，本发明可以有效地抵制实际系统中量化误差、反馈延时和路径功率损耗等非理想因素造成的性能恶化，从而获得更高的系统传输速率；

(2)该发明在CBF协作模式下采用迫零波束成形(ZFBF)预编码方案，在JP协作模式下采用本地预编码方案(即直接采用反馈信道信息进行作为预编码矩阵)，实现复杂度低，同时能够获得较优的系统性能。

附图说明

图1是本发明提出的基于延时反馈的多小区自适应协作传输方法的系统框图；

图2是不同反馈比特情况下，两种协作模式的可行域随发送信噪比和多普勒频偏的变化关系图；

图3不同发送信噪比情况下，两种协作模式的可行域随用户到本小区基站和相邻小区基站距离的变化关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明的一种基于延时反馈的多小区自适应协作传输方法按如下步骤实施：

1)系统调研参与协作的M个相邻小区内多个用户终端的平均移动速率v，2≤M≤7，计算用户的多普勒频偏f_d，确定信道延时相关系数；

2)每个小区通过轮询调度选取一个用户等待数据传输，每次传输开始时，该用户首先进行信道估计以获得信道信息以及路径功率衰减因子，再根据已有码本，量化信道信息，并将量化信道信息和路径功率衰减因子反馈给基站；

3)基站根据反馈信道信息，路径功率衰减因子和多普勒频偏等信息，分别计算出CBF协作模式和JP协作模式下系统的可达传输速率，并进行比较，选择较大的模式作为传输模式；

4)基站根据所选择的传输模式，利用延时反馈信道信息计算本基站的预编码矩阵W。若所选模式为CBF协作模式，则基站j的预编码矩阵为

的第j列，

其中

表示伪逆，

表示基站j到M个用户的反馈信道信息，2≤M≤7；若所选模式为JP协作模式，则基站j的预编码矩阵为基站j到用户k的反馈信道信息

各基站的预编码矩阵确定之后，将待发送数据乘以预编码矩阵W，进行载波调制并发送；

5)用户接收信号并解调，得到最终需要的数据信息。

图2为不同反馈比特情况下，两种协作模式的可行域随发送信噪比和多普勒频偏的变化关系图，从中可以看出：当多普勒频偏较大，发送信噪比很大或很小时，JP协作模式的性能更优，同时，反馈比特数的增加能够扩大CBF协作模式的可行域。

图3为不同发送信噪比情况下，两种协作模式的可行域随用户到本小区基站和相邻小区基站距离的变化关系图，从中可以看出当用户到本小区基站的距离较小，到相邻小区基站距离较大时，CBF协作模式性能更优，同时，发送信噪比的增加能够扩大CBF协作模式的可行域。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于延时反馈的多小区自适应协作传输方法，其特征在于：该传输方法按以下步骤进行：

（1）调研参与协作的M个相邻小区内多个用户终端的平均移动速率v，2≤M≤7，计算用户的多普勒频偏f_d=f_cv/c，根据克拉克散射模型计算出信道延时相关系数ρ=J₀(2πf_dT_s)，其中，c表示光速，f_c表示载波频率，T_s表示每个符号周期的长度，J₀(.)表示第一类零阶贝塞尔函数；

（2）每个小区通过轮询调度选取一个用户等待数据传输，每次传输开始时，该用户首先进行信道估计以获得信道信息以及路径功率衰减因子，再根据已有码本，量化信道信息，并将量化信道信息和路径功率衰减因子反馈给基站；

（3）基站根据反馈信道信息、路径功率衰减因子和多普勒频偏这些信息对协作波束成形模式和联合处理模式这两种备选模式进行比较，确定系统采用的协作传输模式；

在分析实际系统中存在的量化误差、反馈延时和路径功率损耗这些非理想因素的基础上，分别给出协作波束成形模式和联合处理模式两种协作模式下系统可达传输速率的闭式解R_CBF和R_JP，并基于该闭式解，自适应选择协作模式，进行数据传输：

（3-1）分别计算协作波束成形模式和联合处理模式下系统的可达传输速率R_CBF和R_JP，

1）协作波束成形模式下，系统可达传输速率R_CBF的闭式解为：

$R_{\mathrm{CBF}}=\mathrm{M\; lo}{g}_2\left(e\right)\underset{i=0}{\overset{M-2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}[a_i^{\left(j\right)}i!{\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_1}{{\mathrm{\μ}}_2}\right)}^{i+1}I(\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_1},\frac{{\mathrm{\μ}}_1}{{\mathrm{\μ}}_2{\mathrm{\γ}}_j},i+1)]$

式中，μ₁=αP/M，μ₂=βP/M，

其中P表示M个基站总的发射功率，2≤M≤7，α，β分别表示基站到本小区用户和相邻小区用户的路径功率衰减因子，B表示反馈比特数，N_t表示每个基站上发射天线的数量，N_t≤8，

ρ表示信道延时相关系数，同时，

$a_i^{\left(1\right)}=\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_1^{i+1}(M-2)!}{\left(\frac{{\mathrm{\γ}}_1}{{\mathrm{\γ}}_1-{\mathrm{\γ}}_2}\right)}^{M-1}\frac{(2(M-2)-i)!}{i!(M-2-i)!}{\left(\frac{{\mathrm{\γ}}_2}{{\mathrm{\γ}}_2-{\mathrm{\γ}}_1}\right)}^{M-2-i}$

$a_i^{\left(2\right)}=\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_2^{i+1}(M-2)!}{\left(\frac{{\mathrm{\γ}}_2}{{\mathrm{\γ}}_2-{\mathrm{\γ}}_1}\right)}^{M-1}\frac{(2(M-2)-i)!}{i!(M-2-i)!}{\left(\frac{{\mathrm{\γ}}_1}{{\mathrm{\γ}}_1-{\mathrm{\γ}}_2}\right)}^{M-2-i}$

I(·,·,·)的闭式解由下式给出：

$I(a,b,m)={(b-1)}^{-m}{I}_0(a,\mathrm{1,1})+\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^{i-1}{(1-b)}^{-i}{I}_0(a,b,m-i+1)$

其中I₀(·,·,·)由下式给出：

$I_0(a,b,m)=\left\{\begin{array}{cc}{e}^{\mathrm{ab}}{E}_1\left(\mathrm{ab}\right)& m=1,\\ \frac{{(-a)}^{m-1}}{(m-1)!}{e}^{\mathrm{ab}}{E}_1\left(\mathrm{ab}\right)+\underset{k=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{(k-1)!{(-a)}^{m-k-1}}{(m-1)!b^k}& m\≥2.\end{array}\right.$

式中

是第一阶指数积分函数；

2）联合处理模式下，系统可达传输速率R_JP的闭式解为：

$R_{\mathrm{JP}}={\log }_2\left(\mathrm{\γl}\right)-\frac{1}{\ln 2}(\frac{1}{l}-\frac{1}{{3l}^2}-\frac{2}{15l^4})$

γ及l由下式给出：

$\mathrm{\γ}=\frac{A_1}{2A_2},l=\frac{2A_2^2}{A_1}$

式中，

$A_1=N_t{c}_1^2+c_2^2+(M-1)N_t{c}_3^2+(M-1)c_4^2$

A₂=1+c₁N_t+c₂+c₃(M-1)N_t+c₄(M-1)

其中c₁，c₂，c₃，和c₄为相应的常数修正项，计算式如下：

$c_1=\frac{\mathrm{\α\ζP}}{M}{\mathrm{\ρ}}^2,c_2=\frac{\mathrm{\αP}}{M}{\mathrm{\ϵ}}_e^2$

$c_3=\frac{\mathrm{\β\ζP}}{M}{\mathrm{\ρ}}^2,c_4=\frac{\mathrm{\βP}}{M}{\mathrm{\ϵ}}_e^2$

式中， $\mathrm{\ζ}=1-2^B\·\mathrm{\β}(2^B,\frac{N_t}{N_t-1}),$ 其中， $\mathrm{\β}(x,y)={\∫}_0^1{t}^{x-1}{(1-t)}^{y-1}\mathrm{dt},$ 是贝塔函数；

（3-2）若满足R_CBF≥R_JP，则选择协作波束成形模式，该模式下，基站j的预编码矩阵W为

的第j列，其中表示伪逆，

表示基站j到M个用户的反馈信道信息，2≤M≤7；

若满足R_JP>R_CBF，则选择联合处理模式，该模式下，基站j的预编码矩阵W为

其中

表示基站j到用户k的反馈信道信息；

（4）基站根据所选传输模式，利用延时反馈信道信息计算预编码矩阵W，然

后将待发送数据乘以预编码矩阵W，进行数据传输。

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