CN102664668A - 异构网络系统中基于有限反馈的多点协作传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种异构网络系统中基于有限反馈的多点协作传输方法，包括：第一发射节点的用户反馈量化信道和信道模值；多个第二发射节点的多个用户查找得到预定码字，并根据预定码字的索引和干扰值生成反馈信息集合；第一发射节点根据共享的反馈信息集合确定第一节点的下行发射波束权重矢量，并确定第一发射节点的调度用户并确定第二发射节点的调度用户；第二发射节点的调度用户根据码本向对应的第二发射节点反馈调度用户的量化信道；第二发射节点根据量化信道确定下行发射波束矢量以使第一发射节点和第二发射节点通过各自的波束同时下行数据传输。根据本发明的实施例有效地提高异构网络反馈效率、降低系统开销，并获取好的系统性能。

Description

异构网络系统中基于有限反馈的多点协作传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种异构网络中基于有限反馈的多点协作调度协作波束成形、基于LTE-A系统中有限反馈下的多点协作传输的异构网络系统中基于有限反馈的多点协作传输方法。

背景技术

无线蜂窝网络中小区间干扰(ICI：Inter-cell Interference)是制约系统性能的主要因素。虽然多入多出(MIMO：Multiple Input Multiple Output)技术在单小区中可以有效提高系统容量，然而在频率复用的蜂窝环境中由于存在严重的小区间干扰(ICI：Inter-cell Interference)导致系统性能下降，，尤其是小区边缘的用户的QoS无法得到保证。另一方面，随着通信技术的发展，用户业务日益多样化，并且不断提出了新的更高的性能要求。面对各小区单独处理不能有效解决小区边界干扰导致频谱效率低和不能满足业务需求的现状，第三代合作伙伴项目(3GPP：the 3rd Generation PartnershipProiect)等组织提出了多小区协作CoMP技术。其原理是通过不同小区间的协同传输避免、抑制或消除来自邻小区的同频干扰(CCI：Co-channel Interference)，从而有效提高整个系统以及边缘用户的频谱效率。

目前的无线蜂窝系统是由传统同构网络(Homogeneous Network)组成的。这样的蜂窝系统中各小区基站具有相同的发射功率、覆盖范围、天线配置以及基站间的连通性。然而这种宏基站的布放需要考虑很多实际问题仔细规划，不便于灵活布置，整个过程既复杂又不经济。另外，在高密度的城区不便于架设。为解决这样的问题，出现了不同发射节点分层覆盖的异构网络(HetNet：Heterogeneous Network)。异构网络是相对于同构网络而言的，这种场景下不同类型的发射节点有不同的发射功率、覆盖范围、天线配置等。异构网络在宏基站的覆盖范围内引入了很多低功率的发射结点(LPN：Low Power Nod)用于消除覆盖空洞和对热点地区进行覆盖，从而有效提高系统吞吐量和用户体验。这些LPN发射功率较低、覆盖范围小，可以非常自由地灵活布放且成本低廉。使用LPN不仅可以节约成本降低布设复杂度更重要的是它可以有效提高整个系统以及边缘用户的频谱效率，为用户提供良好的体验。然而，异构网络也有其不足之处。由于LPN布置的灵活性和各LPN与宏基站发射功率的巨大差异导致网络面临着比同构网络更为复杂和严重的干扰挑战。尤其是由LPN服务的用户会遭受宏基站的严重干扰导致性能下降。为了解决复杂的干扰问题，异构网络中采取了灵活的频率分配方式，比如：正交频率分配法，即：宏基站和LPN使用完全不同的频率资源，频率无交叠。以及部分频率复用方式来降低各发射节点间的同频干扰，提升系统性能。这些方法可以部分地提高系统性能但却大大降低了频率利用率。因此，如何在全频率复用的条件下，有效提高异构网络的性能增益是亟待解决的问题。

一个可行的方法是将CoMP技术应用于异构网络的场景，既充分考虑网络拓扑的特点，利用LPN对空洞区域和热点地区进行有效覆盖，又充分利用CoMP技术消除或抑制小区间干扰从而提高系统性能。CoMP技术根据各协作节点的信息共享程度可以分为两种传输模式，即：联合处理(JP：Joint Processing)和协作调度/协作波束成形(CS/CB：Coordinated Scheduling/Coordinated Beamforming)。CS/CB技术由于需要共享较少的信息因此相比JP容易实现，如图1所示。无论是JP还是CS/CB传输模式，发射端获得的信道状态信息(CSI：Channel State information)会极大地影响系统性能。当发端有完美信道信息时，多节点通过协作可以选择信道质量好且相互间干扰小的一组用户，并通过迫零(ZF：Zeroforcing)或块对角(BD：Block Diagonalization)等易于实现的线性预编码技术消除或降低用户间和小区间干扰，从而提高系统性能。然而在实际的FDD(Frequency Division Duplex)系统中，上行反馈链路是容量受限的，每个用户只能反馈有限的信息，BS端只能获得部分信道信息，即：有限反馈系统，其模型如图2所示，这将导致系统性能的下降。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种提高异构网络反馈效率、降低系统开销的异构网络系统中基于有限反馈的多点协作传输方法。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种异构网络系统中基于有限反馈的多点协作传输方法，所述异构网络系统包括一个第一发射节点和多个第二发射节点，其中，第一发射节点和每一个第二发射节点的信号均覆盖一个预定范围，所述方法包括以下步骤：A：第一发射节点的信号的覆盖范围上的多个用户向所述第一发射节点反馈基于码本的所述多个用户的量化信道和信道模值；B：多个第二发射节点的信号的覆盖范围上的多个用户根据所述码本进行查找以得到预定码字，并将所述预定码字对应的索引和所述预定码字对应的干扰值反馈给对应的第二发射节点；C：所述多个第二发射节点根据所述索引和所述干扰值生成反馈信息集合；D：所述第一发射节点根据共享的第二发射节点的反馈信息集合确定第一发射节点的下行发射波束权重矢量；E：所述第一发射节点根据确定的所述下行发射波束矢量和所述第一发射节点的信号覆盖范围内的用户的反馈信息以确定所述第一发射节点的信号覆盖范围上的调度用户；F：所述第一发射节点根据共享的所述第二发射节点的反馈信息集合和第一发射节点的下行发射波束矢量确定每个所述第二发射节点的信号覆盖范围上的调度用户；G：所述第二发射节点的信号覆盖范围上的调度用户根据所述码本向所述对应的第二发射节点反馈所述调度用户的量化信道；H：所述调度用户对应的第二发射节点根据所述量化信道确定下行发射波束矢量；I：所述第一发射节点和所有所述第二发射节点同时通过各自的波束向所述调度用户下行数据传输。

根据本发明实施例的异构网络系统中基于有限反馈的多点协作传输方法，利用分层反馈的方式，有效利用反馈比特提高用户的反馈效率，并基于用户的反馈信息不同节点之间联合选择调度用户并确定发射波束，即在有限反馈下的协作调度/协作波束成形，从而降低了系统的反馈开销，同时给系统带来了较大的性能增益。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为两小区的协作调度/协作波束示意图；

图2为有限反馈系统模型；

图3为本发明一个实施例的异构网络系统中基于有限反馈的多点协作传输方法中的异构网络场景示意图；

图4为本发明实施例的异构网络系统中基于有限反馈的多点协作传输方法的有限反馈CS/CB算法的流程图；

图5为本发明实施例的异构网络系统中基于有限反馈的多点协作传输方法的超球体均匀量化示意图；

图6为本发明一个实施例的异构网络系统中基于有限反馈的多点协作传输方法的码本设计的流程图；以及

图7为本发明一个实施例的异构网络系统中基于有限反馈的多点协作传输方法的流程图。

具体实施方式

现在将详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。虽然示出了特定实施例，但是应理解不意味着将本发明限于这些特定实施例。相反地，本发明包括在所附的权利要求的精神和范围内的替代、修改和等同。阐明多个具体细节是为了提供对本文提出的主题的全面理解。但是本领域的普通技术人员应明白，可以不使用这些具体细节来实施该主题。在其他情况下，没有详细描述公知的方法、程序、部件和电路，从而避免不必要地使本实施例的方面模糊。

尽管本文可能使用术语第一、第二等等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语限制。这些术语仅仅用于将一个元件与另一个元件区别开。例如第一排序标准可以称为第二排序标准，类似地，第二排序标准可以称为第一排序标准，在不脱离本发明的范围的情况下。第一排序标准和第二排序标准都是排序标准，但是它们不是相同的排序标准。

本文中本发明的描述中使用的术语仅仅是为了描述特定实施例的目的，并不意味着对本发明的限制。如本发明及所附权利要求的描述中所使用的，单数形式“一个”“一种”和“所述”意味着也包括复数形式，除非上下文另外清楚指出。还应理解，本文所使用的术语“和/或”表示并包含一个或多个的相关联的列出的项目的任何一个和所有可能组合。还应进一步理解，当在说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定陈述的特征、操作、元件和/部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、部件和/或它们的组的存在或添加。

如本文所使用的，根据上下文，术语“如果”可理解为是指“当”或“在......时”或“响应于确定”或“根据......的确定”或“响应于检测”，陈述的先决条件是真实的。类似地，根据上下文，短语“如果确定[陈述的先决条件是真实的]”或“如果[陈述的先决条件是真实的]”或“当[陈述的先决条件是真实的]”可理解为是指“在确定......时”或“响应于确定”或“根据.......的确定”或“在检测......时”或“对应于检测”陈述的先决条件是真实的。

以下结合附图描述根据本发明实施例的异构网络系统中基于有限反馈的多点协作传输方法。

在以下描述中，异构网络系统包括一个第一发射节点和多个第二发射节点，其中，第一发射节点和每一个第二发射节点的信号均覆盖一个预定范围。即第一发射节点和第二发射节点均为基站，但类型不同。第一发射节点是宏基站，第二发射节点是小基站，第一发射节点和第二发射节点均可以为各自服务的用户发送数据。在以下描述中，为了简化描述，宏基站为第一发射结点，LPN指第二发射节点，宏蜂窝Macro-cell为宏基站的信号的覆盖范围，pico是LPN的信号覆盖范围，宏蜂窝用户是指由宏基站提供服务的用户，pico用户是指由LPN提供服务的用户。

为了易于实现，在本发明的实施例中，各发射节点(第一发射节点和多个第二发射节点)间通过协作，每个时隙(time slot)每个节点只服务一个用户。不同发射节点之间会存在相互干扰。因此各节点间需要通过协作调度和联合优化波束权重(Beamforming weight vector)或预编码矩阵(Precoding matrix)提高系统的平均频谱效率。

联合调度和优化波束矢量/预编码矩阵要求基站端拥有较好的信道状态信息。在实际的FDD系统中，由于基站无法获得完美的信道状态(Perfect CSIT)信息，会导致性能损失。因此本发明的实施例针对实际系统，考虑了如何有效利用有限的反馈比特，降低有限反馈带来的性能损失。

本发明实施例的异构网络系统的多点协作传输方法的原理为：由于在异构网络中各小区发射节点(第一发射节点和多个第二发射节点)的配置不同，导致各小区的地位不同。为了更好的降低各节点间的干扰，本发明实施例中以Pico为优先，即表示LPN的信号(在本发明的实施例中，LPN均指代第二发射节点)覆盖的小区(预定范围内的所有用户)，以降低宏基站(第一发射结点)干扰为策略通过节点间协作进行调度，从而使系统得到良好的性能。因此，对于宏蜂窝(Macro-cell)用户和Pico用户需要分开考虑其反馈的内容。第一阶段：Macro-cell(指代第一发射节点)中的用户反馈其基于码本的量化信道以及信道模值，Pico中的用户基于码本找到使得宏基站干扰最小的码字，反馈该码字的索引及这个最小干扰值。各节点收到反馈信息后通过backhaul传给宏基站，宏基站根据Pico的反馈信息依据最小化宏基站泄露能量的准则确定宏基站的下行发射波束，从而也确定了各Pico需要调度的用户。宏基站根据Macro-cell用户的反馈信息和自身的发射波束确定宏基站将要调度的用户。第二阶段：只有被调度的Pico用户基于码本反馈其量化信道。LPN根据这个信息确定下行发射波束矢量，并连同宏基站完成下行数据传输。

参见图7所示，根据本发明实施例的异构网络系统中基于有限反馈的多点协作传输方法包括如下步骤：

步骤S101，第一发射节点的信号的覆盖范围上的所有用户向所述第一发射节点反馈基于码本的所述多个用户的量化信道和信道模值。具体而言：

所述第一发射节点的信号的覆盖范围上的多个用户根据导频估计信道；

根据所述码本C＝{c₁，c₂，...，c_N}应用如下计算公式得到最优码字作为所述量化信道，并将所述最优码字的索引i^*和信道模值||h||发送至所述第一发射节点，其中，所述计算公式为：

$i^{*}=\arg \underset{c_i\∈C}{\max }\left|{\tilde{h}}^H{c}_i\right|,$

其中，h为用户信道矢量，

为信道方向信息，H为复共轭转置，c_i为码本C中的第i个码字。

步骤S102，多个第二发射节点的信号的覆盖范围上的多个用户根据所述码本进行查找以得到预定码字、并将预定码字对应的索引和预定码字对应的干扰值反馈给对应的第二发射节点。在本发明的一个实施例中，查找所述预定码字和所述预定码字对应的索引，根据如下公式进行：

$i_l\left(u\right)=\arg \underset{c_i\&Element;C}{\min }|<g_{l,u},c_i>|,l=\mathrm{2,3},$

其中，u为第u个用户，i_l(u)为所述第l个小区中第u个用户的预定码字对应的索引，g_l，u为所述第一发射节点到第l个所述第二发射节点的信号所覆盖的范围中的第u个用户的干扰信道，l为所述第二发射节点的ID号。

所述码字对应的干扰值通过如下公式得到：

${\mathrm{\&xi;}}_l\left(u\right)=\underset{c_i\&Element;C}{\min }|<g_{l,u},c_i>|,l=\mathrm{2,3},$

其中，ξ_l(u)为第l个小区中第u个用户的所述码字对应的干扰值。

步骤S103，多个第二发射节点根据索引和干扰值生成反馈信息集合。在本示例中，反馈信息集合为：

$I_n^l=\{u,i_l\left(u\right)=c_n\},l=\left\{\mathrm{2,3}\right\},n=1,...,N,$

$P_n^l=\{{\mathrm{\&xi;}}_l\left(u\right),i_l\left(u\right)=c_n\},l=\left\{\mathrm{2,3}\right\},n=1,...,N,$

其中，

为第l个小区中选择第n个码字的用户集合，为第l个小区中选择第n个码字的用户对应的干扰值集合，N为码本C的大小，即C中码字的个数，L为第一发射节点覆盖范围内的第二发射节点个数。

步骤S104，第一发射节点根据共享的第二发射节点的反馈信息集合确定第一发射节点的下行发射波束权重矢量。具体而言：

第一发射节点共享多个第二发射节点的所述反馈信息集合并生成汇聚集合，其中，所述汇聚集合为：

$I_n=\{I_n^l,l=1,...L\},n=1,...,N,$

$P_n=\{P_n^l,l=1,...L\},n=1,...,N,$

其中，I_n为所有L个第二发射节点覆盖用户中选择第n个码字的用户集合，P_n为所有L个第二发射节点覆盖用户中选择第n个码字的用户对应的干扰值集合；

根据所述汇聚集合确定每个第二发射节点覆盖范围内选择同一码子c_n的调度用户集合

其中，所述调度用户集合

为：

$u_n^l=\{u,i_l\left(u\right)=c_n\},l=1,...L,n=1,...,N,$

根据所述调度用户集合和所述P_n应用一套最小化第一发射节点泄漏能量准则确定所述第一发射节点的下行发射波束。

也就是说，根据RRH不具有处理能力的特征，这些反馈的信息都需通过光纤链路汇聚到宏基站处，从而在宏基站处会得到上述所述的汇聚集合。接着根据上述实施例的两个集合，找出选择同一个码字c_n的用户集合

进一步地，根据集合和P_n按照如下方式(最小化基站泄漏能量准则)确定宏基站的发射波束，方式如下：情况A：如果每个所述第二发射节点中都具有选择相同码字的用户，即

则针对所述码字在每个所述第二发射节点中选择所述干扰值最小的用户，并对所有所述第二发射节点的每个所述相同码字对应的干扰值求和得到求和集合并确定所述第一发射节点的发射波束为c_m其中所述第一发射节点根据所述发射波束c_m和反馈的||h||在所述第一发射节点覆盖范围的用户中选择i^*＝m且||h||值最大的用户做为第一发射结点的调度用户，且第一发射节点根据所述发射波束c_m和所述汇聚集合确定所有所述第二发射节点的调度用户集合。

即如果存在码字c_n，使得

即每个Pico中都有选择c_n的用户，则针对码字c_n在每个Pico选择干扰最小的用户，并对所有Pico的干扰求和，这个结果记为S_n。对所有满足条件的码字c_j做同样的操作得到S_j，组成

此时可以确定基站的发射波束为c_m，其中

根据已确定的宏基站发射波束c_m和宏基站用户反馈的信息||h||，宏基站选择i^*＝m且||h||最大的用户调度。根据确定的宏基站发射波束c_m和汇聚集合确定pico将要调度的用户。

情况B：如果不同的所述第二发射节点的所有用户中不存在选择同一码字的用户，则所述每个第二发射节点在对应的所有用户中随机选择被调度用户，且所述第一发射结点在该时隙保持静默(不进行调度用户)。即如果不同Pico中没有用户同时选择同一个码字，则说明宏基站使用任意一个码字作为发射波束时至少会给其中一个Pico带来很大的干扰，导致性能下降。因此，这种情况下采取宏基站静默，LPN随机选择用户。一般由于Pico中用户较多，这种情况B很少出现。

步骤S105，第一发射节点根据确定的所述下行发射波束矢量和第一发射节点的信号覆盖范围内的用户的反馈信息(基于码本的所述多个用户的量化信道和信道模值)以确定第一发射节点的信号覆盖范围上的调度用户。

步骤S106，第一发射节点根据共享的第二发射节点的反馈信息集合确定每个第二发射节点的信号覆盖范围上的调度用户。需要说明的是，对于步骤S105和步骤S106的具体操作已经在步骤S104中进行了详细描述，为了减少冗余，不做赘述。

步骤S107，第二发射节点的信号覆盖范围上的调度用户根据所述码本向对应的第二发射节点反馈所述调度用户的量化信道。即Pico(第二发射节点的信号覆盖的范围)中的调度用户基于码本C按照

选择最优码字并反馈这个量化信道。

步骤S108，调度用户对应的第二发射节点根据量化信道确定下行发射波束矢量。

步骤S109，第一发射节点和所有所述第二发射节点同时通过各自的波束向所述调度用户下行数据传输。

对于步骤S108和步骤S109而言，具体操作为：LPN根据这个码字(最优码字为量化信道)对应的索引信息在码本中找到对应的最优码字并确定下行发射波束矢量，并连同宏基站完成下行数据传输。

在本发明的一个实施例中，由于上述有限反馈会在一定程度上影响系统的性能。为了降低有限反馈导致的性能损失，码本设计成为了改善系统性能的关键。本发明的实施例基于宏基站到Pico用户的干扰信道做出了决策，但并不涉及用户本身的信道特征。另外，用户自身信道h和干扰信道g间是相互独立的，因此可以得到结论：归一化的用户信道矢量

均匀分布在单位超球上。通过模拟等电荷电子在单位超球面上的相互排斥过程，最终可以得到单位超球均匀量化的码本C。

具体地，所述码本通过如下方式得到：

S1、将N个等电荷电子随机分布到N_T维单位超球面上，并计算所述异构网络系统的库伦势；

S2、固定预定电子，计算每个电子所受的库伦力；

S3、计算每个电子在相应的库仑力的作用下的下一时刻的位置；

S4、重新计算系统库伦势，迭代次数加1。S5、判断每个电子在新的位置下系统库伦势是否下降，如果下降，则更新所述电子的位置，否则调整步长并返回步骤S3；

S6、判断迭代次数是否达到预定数值，如果没有则返回步骤S2，否则得到每个电子的位置矢量，以得到所述码本C中的每个码字矢量。

进一步地，通过如下公式计算所述异构网络系统的库伦势：

$E=\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=i+1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{|x_i-x_j|},$

其中，所述x_i为第i个电子的位置坐标，x_j为第j个电子的位置坐标。

通过如下公式计算每个电子所受的库伦力：

$F_i=\underset{j=1,j\&NotEqual;i}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{x_i-x_j}{{|x_i-x_j|}^3},$

其中，F_i为第i个电子所受的库伦力。

为了对本发明实施例的方法有更清楚的理解，以下以具体例子对本发明所阐述的方法进行详细解释。

【实施例1】

系统的场景描述：

为了对本发明有清楚的理解，以下以具体例子对本发明所述的方法进行详细说明。

具体地，在本发明的一个实施例中，异构网络系统所应用的场景如下：涉及多小区多用户的异构网络中有限反馈下的协作调度协作波束成形，网络系统的场景如图3所示。整个异构网络系统由一个基站eNB(宏基站)和两个低功率RRH(Remote RadioHead)构成，这些RRH通过光纤与中心eNB相连接。这些RRH只是从中心eNB拉出来的射频头，其只有收发功能而不具备信号处理能力，也就是说这些RRH收到用户反馈的信息后需要通过光纤backhaul传给中心eNB，中心eNB相当于一个中心控制器做出调度决策，再由各发射节点(第一发射节点、第二发射节点)完成数据传输。

在这个多小区网络中，RRH用于对热点地区覆盖，即第二发射节点的信号覆盖区域。用户按照3GPP中的规定分布。宏基站eNB和两个RRH共同构成协作集合(CS：Coordinated Set)，相互之间共享CSI，动态交互做出调度决策完成数据传输。eNB和RRH均配置有N_T根天线，用户单天线。eNB和RRH的的发射功率分别为P_m和P_l。各小区通过协作每个时隙(time slot)只调度一个用户。此时第l个小区中第l_k个用户的接收信号如下：

$y_{{l,l}_k}={h_{{l,l}_k}}^H{x}_l+\underset{m\&NotEqual;l}{\mathrm{\&Sigma;}}{g_{{l,l}_k}^m}^H{x}_m+n_l$

${=h_{{l,l}_k}}^H{w}_{l_k}^l{s}_{l_k}^l+\underset{m\&NotEqual;l}{\mathrm{\&Sigma;}}{g_{{l,l}_k}^m}^H{w}_{m_k}^m{s}_{m_k}^m+n_{l}l=\{1,...,3\}---\left(1\right)$

其中，

表示第l个小区到本小区第l_k个用户的信道增益，

表示第个m小区到第l个小区中第l_k个用户的干扰信道增益。

和

分别表示第l个小区中调度用户的波束权重矢量和原始数据，权重

是第l个基站的发射信号。n_l～CN(0，σ²)是调度用户接收的加性高斯白噪声。

根据CS/CB的用户数据不共享的特征，第l_k个用户的数据

只由其Serving-cell提供，所以在(1)式中，右边第一项是用户l_k的期望信号，第二项是来自其他节点的同频干扰。将Macro-cell的Cell-ID记作1，其他Pico的Cell-ID记作l。不同发射节点服务用户的信干噪比(SINR：Signal-to-interference-plus-noise ratio)如下：

${\mathrm{SINR}}_{1_k}^1=\frac{P_m{\left|{h_{{1,1}_k}}^H{w}_{1_k}^1\right|}^2}{1+P_l\underset{m\&NotEqual;1}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left|{g_{{1,1}_k}^m}^H{w}_{m_k}^m\right|}^2}---\left(2\right)$

${\mathrm{SINR}}_{l_k}^l=\frac{P_l{\left|{h_{{l,l}_k}}^H{w}_{l_k}^l\right|}^2}{1+P_m{\left|{g_{{l,l}_k}^1}^H{w}_{1_k}^1\right|}^2+P_l\underset{m\&NotEqual;l,m\&NotEqual;1}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left|{g_{{l,l}_k}^m}^H{w}_{m_k}^m\right|}^2}---\left(3\right)$

由(2)和(3)可见，对于Macro-cell中的用户会受到来自LPN的干扰，对于Pico中的用户会受到其他Pico以及宏基站eNB的干扰。由于不同节点发射功率的差异，宏蜂窝用户会遭受较小的干扰，而Pico用户会遭受严重的宏基站干扰。

分层反馈的调度方案(确定调度用户)实现：

整个算法的流程如图4所示。在本该示例中Pico(第二发射节点的信号覆盖区域)用于对热点地区提供良好的覆盖。一方面，这个区域负荷较重需要优先被服务，另一方面，Pico对其他小区的干扰较小(与宏基站对其他小区的干扰而言)。因此以Pico中用户优先调度为例，通过小区间协作最小化宏基站泄露的能量，从而提高系统频谱效率。

在反馈时，Macro-cell(第一发射节点)中的用户根据导频估计信道，并基于用户和各节点共知的码本C＝{c₁，c₂，...，c_N}按照式4选择一个最优码字作为量化信道，并将该码字的索引i^*和信道模值||h||一起发送至宏基站(eNB)。

$i^{*}=\arg \underset{c_i\&Element;C}{\max }\left|{\tilde{h}}^H{c}_i\right|---\left(4\right)$

其中，是归一化信道，即信道方向信息CDI(Channel direction information)。为了避免与宏基站波束碰撞，Pico需要协作确定宏小区的发射波束，使得宏基站对其他用户的干扰尽可能小。因此，在该反馈中，Pico中的每个用户需要按照式5和式6选择使宏基站干扰最小的码字，并将该码字的索引i_l(u)和这个最小干扰值ξ_l(u)反馈给各自的第二发射节点RRH(Serving-cell)。

$i_l\left(u\right)=\arg \underset{c_i\&Element;C}{\min }|<g_{l,u},c_i>|,l=\mathrm{2,3}---\left(5\right)$

${\mathrm{\&xi;}}_l\left(u\right)=\underset{c_i\&Element;C}{\min }|<g_{l,u},c_i>|,l=\mathrm{2,3}---\left(6\right)$

此处u为第u个用户，i_l(u)为所述第l个小区中第u个用户的预定码字对应的索引，g_l，u为所述第一发射节点到第l个所述第二发射节点的信号所覆盖的范围中的第u个用户的干扰信道，l为所述第二发射节点的ID号，ξ_l(u)为第l个小区中第u个用户的所述码字对应的干扰值。在每个LPN处就会生成这样的集合：

$I_n^l=\{u,i_l\left(u\right)=c_n\},l=\left\{\mathrm{2,3}\right\},n=1,...,N---\left(7\right)$

$P_n^l=\{{\mathrm{\&xi;}}_l\left(u\right),i_l\left(u\right)=c_n\},l=\left\{\mathrm{2,3}\right\},n=1,...,N---\left(8\right)$

这里，

为第l个小区中选择第n个码字的用户集合，为第l个小区中选择第n个码字的用户对应的干扰值集合，N为码本C的大小，即C中码字的个数，L为第一发射节点覆盖范围内的第二发射节点个数。

根据RRH不具有处理能力的特征，这些反馈的信息都需通过光纤链路汇聚到宏基站eNB处，从而在eNB会得到如下的集合：

$I_n=\{I_n^l,l=\mathrm{2,3}\},n=1,...,N---\left(9\right)$

$P_n=\{P_n^l,l=\mathrm{2,3}\},n=1,...,N---\left(10\right)$

其中，I_n为所有L个第二发射节点覆盖用户中选择第n个码字的用户集合，P_n为所有L个第二发射节点覆盖用户中选择第n个码字的用户对应的干扰值集合。

根据上述两个集合，找出选择同一个码字c_n的用户集合u_n

$u_n^l=\{u,i_l\left(u\right)=c_n\},l=2,3,n=1,...,N---\left(11\right)$

其中，

为第l个小区中选择第n个码字的用户集合。根据集合

和P_n按照如下方式确定宏基站的发射波束。

情况A：如果存在码字c_n，使得

即每个Pico中都有选择c_n的用户，则针对码字c_n在每个Pico选择干扰最小的用户，并对所有Pico的干扰求和，这个结果记为S_n。对所有满足条件的码字c_j做同样的操作得到S_j，组成

此时可以确定宏基站的发射波束为c_m，其中

同时也确定了Pico将要调度的用户。根据已确定的发射波束c_m和||h||，宏基站选择i^*＝m且||h||最大的用户调度。

情况B：如果不同Pico中没有用户同时选择同一个码字，则说明宏基站使用任意一个码字作为发射波束时至少会给其中一个Pico带来很大的干扰，导致性能下降。因此，这种情况下采取宏基站静默，LPN随机选择用户。一般由于Pico中用户较多，这种情况B很少出现。

在进一步的反馈中，Pico中的调度用户基于码本C按照上述式4选择最优码字作为量化信道，并将该码字的索引反馈给LPN。LPN根据这个索引信息在码本中找到对应的最优码字并确定下行发射波束矢量，并连同宏基站完成下行数据传输。

上述示例中的码本设计方式如下：

本发明实施例的上述调度是基于宏基站到Pico用户的干扰信道做出的决策，并不涉及用户本身的信道特征。另外，用户自身信道h和干扰信道g间是相互独立的，因此可以得到结论：归一化的用户信道矢量

均匀分布在单位超球上。对超球体的均匀量化我们通过模拟等电荷电子在单位超球面上的相互排斥过程，最终得到单位超球均匀量化的码本C。

对超球体的均匀量化示意如图5所示，其原理如下：根据物理学中等量、同性电荷相互排斥的原理生成码本。此时的优化目标是将N个电子尽可能均匀的分布在N_T维的单位超球面上，即最小化系统的库伦势，使这N个电子在单位球上达到平衡状态，此时平衡状态下每个电子的坐标即我们所求的码字。如图6所示，示出了码本设计的流程图，该算法的具体步骤如下：

Step1：设置最大迭代次数Nmax

Step2：将N个等电荷电子随机分布到N_T维单位超球面上，根据式9计算系统的库伦势。

Step3：固定一个电子，根据式10计算每个电子所受的库伦力。

Step4：计算各电子在库仑力的作用下下一时刻的位置。

Step5：重新计算系统库伦势，迭代次数加1。

Step6：如果库伦势E下降则更新个电子的位置，否则调整步长返回Step4。

Step7：若系统迭代次数小于Nmax，返回Step3，否则迭代终止。

其中，式9为：

$E=\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=i+1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{|x_i-x_j|}---\left(9\right)$

式10为：

$F_i=\underset{j=1,j\&NotEqual;i}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{x_i-x_j}{{|x_i-x_j|}^3}---\left(10\right)$

其中，E为库伦势，x_i为第i个电子的坐标，x_j为第j个电子的坐标，F_i为第i个电子所受的库仑力。

由此，最终达到平衡状态时各电子的位置矢量就是码本C中的各码字矢量。。

通过本发明上述实施例的调度方式和码本形成方式，其数据反馈和传输的仿真结果如下：

为了验证本发明实施例的有限反馈协作调度协作波束成形算法(异构网络系统的多点协作传输方法)的性能，以系统平均频谱效率和边缘用户频谱效率为衡量指标，进行了计算机仿真验证。仿真中基于1个宏蜂窝范围内具有2个低功率RRH的异构场景，宏蜂窝和两个Pico一起构成协作区域。为了便于观察该方法的性能，只对这样一个协作区域进行了仿真，其中部分仿真参数如下表所示：

表1

其仿真结果如下表所示：

	平均频谱效率	边缘用户频谱效率
			Non-CoMP	24.1587(0％)	5.0556(0％)
本发明算法	44.9524(86.07％)	8.9589(77.21％)

表2

从表2可以清楚地看出，本发明实施例所示的方法可以有效的提高异构网络的系统性能，给系统带来较大的性能增益。

本发明中实施例的方法所述的异构网络是一种新型的网络拓扑结构，是在传统的宏小区中引入了多个低功率的发射结点，用于灵活覆盖热点地区和消除覆盖空洞，从而提高系统频谱效率。然而异构网络中的小区间干扰异常复杂，因此需要通过各发射节点的协作有效降低小区间干扰从而完成数据传输。

本发明实施例的方法具有如下优点：

本发明的实施例充分考虑网络拓扑和业务量的特点，优先调度Pico中的用户，通过小区间的协作最小化宏基站泄露的能量，从而确定需要调度的用户，并基于优化的码本得到调度用户的量化信道，实现了异构网络中有限反馈下的CS/CB下行传输。仿真结果验证，本算法通过避免波束碰撞有效抑制了宏小区的干扰，保证了多小区协作的高频谱效率优势，同时极大地降低了系统的反馈量和操作复杂度，适于在实际的异构网络中应用。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，″计算机可读介质″可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (9)

1.一种异构网络系统中基于有限反馈的多点协作传输方法，其特征在于，所述异构网络系统包括一个第一发射节点和多个第二发射节点，其中，第一发射节点和每一个第二发射节点的信号均覆盖一个预定范围，所述方法包括以下步骤：

A：第一发射节点的信号的覆盖范围上的所有用户向所述第一发射节点反馈基于码本的所述多个用户的量化信道和信道模值；

B：多个第二发射节点的信号的覆盖范围上的多个用户根据所述码本进行查找以得到预定码字，并将所述预定码字对应的索引和所述预定码字对应的干扰值反馈给对应的第二发射节点；

C：所述多个第二发射节点根据所述索引和所述干扰值生成反馈信息集合；

D：所述第一发射节点根据共享的第二发射节点的反馈信息集合确定第一发射节点的下行发射波束权重矢量；

E：所述第一发射节点根据确定的所述下行发射波束矢量和所述第一发射节点的信号覆盖范围内的用户的反馈信息以确定所述第一发射节点的信号覆盖范围上的调度用户；

F：所述第一发射节点根据共享的所述第二发射节点的反馈信息集合和第一发射节点的下行发射波束矢量确定每个所述第二发射节点的信号覆盖范围上的调度用户；

G：所述第二发射节点的信号覆盖范围上的调度用户根据所述码本向所述对应的第二发射节点反馈所述调度用户的量化信道；

H：所述调度用户对应的第二发射节点根据所述量化信道确定下行发射波束矢量；

I：所述第一发射节点和所有所述第二发射节点同时通过各自的波束向所述调度用户下行数据传输。

2.根据权利要求1所述的异构网络系统中基于有限反馈的多点协作传输方法，其特征在于，所述步骤A进一步包括：

所述第一发射节点的信号的覆盖范围上的多个用户根据导频估计信道；

根据所述码本C＝{c₁，c₂，...，c_N}应用如下计算公式得到最优码字作为所述量化信道，并将所述最优码字的索引i^*和信道模值||h||发送至所述第一发射节点，其中，所述计算公式为：

$i^{*}=\arg \underset{c_i\&Element;C}{\max }\left|{\tilde{h}}^H{c}_i\right|,$

其中，h为用户信道矢量，

为信道方向信息，H为复共轭转置，c_i为码本C中的第i个码字。

3.根据权利要求1所述的异构网络系统中基于有限反馈的多点协作传输方法，其特征在于，所述步骤B中的查找所述预定码字和所述预定码字对应的索引，根据如下公式进行：

$i_l\left(u\right)=\arg \underset{c_i\&Element;C}{\min }|<g_{l,u},c_i>|,l=\mathrm{2,3},$

其中，u为第u个用户，i_l(u)为所述第l个小区中第u个用户的预定码字对应的索引，g_l，u为所述第一发射节点到第l个所述第二发射节点的信号所覆盖的范围中的第u个用户的干扰信道，l为所述第二发射节点的ID号。

所述码字对应的干扰值通过如下公式得到：

${\mathrm{\&xi;}}_l\left(u\right)=\underset{c_i\&Element;C}{\min }|<g_{l,u},c_i>|,l=\mathrm{2,3},$

其中，ξ_l(u)为第l个小区中第u个用户的所述码字对应的干扰值。

4.根据权利要求3所述的异构网络系统中基于有限反馈的多点协作传输方法，其特征在于，所述反馈信息集合为：

$I_n^l=\{u,i_l\left(u\right)=c_n\},l=\{1,...L\},n=1,...,N,$

$P_n^l=\{{\mathrm{\&xi;}}_l\left(u\right),i_l\left(u\right)=c_n\},l=\{1,...L\},n=1,...,N,$

其中，

为第l个小区中选择第n个码字的用户集合，

为第l个小区中选择第n个码字的用户对应的干扰值集合，N为码本C的大小，即C中码字的个数，L为第一发射节点覆盖范围内的第二发射节点个数。

5.根据权利要求4所述的异构网络系统中基于有限反馈的多点协作传输方法，其特征在于，

所述第一发射节点共享所述多个第二发射节点发送的所述反馈信息集合并生成汇聚集合，其中，所述汇聚集合为：

$I_n=\{I_n^l,l=1,...L\},n=1,...,N,$

$P_n=\{P_n^l,l=1,...L\},n=1,...,N,$

其中，I_n为所有L个第二发射节点覆盖用户中选择第n个码字的用户集合，P_n为所有L个第二发射节点覆盖用户中选择第n个码字的用户对应的干扰值集合；

根据所述汇聚集合确定每个第二发射节点覆盖范围内选择同一码子c_n的调度用户集合

其中，所述调度用户集合

为：

$u_n^l=\{u,i_l\left(u\right)=c_n\},l=1,...L,n=1,...,N,$

根据所述调度用户集合

和所述P_n应用一套最小化第一发射节点泄漏能量准则确定所述第一发射节点的下行发射波束。

6.根据权利要求5所述的异构网络系统中基于有限反馈的多点协作传输方法，其特征在于，所述最小化基站泄漏能量准则为：

N1、如果则针对所述码字在每个所述第二发射节点中选择所述干扰值最小的用户，并对所有所述第二发射节点的每个所述相同码字对应的干扰值求和得到求和集合

并确定所述第一发射节点的发射波束为c_m其中所述第一发射节点根据所述发射波束c_m和反馈的||h||在所述第一发射节点覆盖范围的用户中选择i^*＝m且||h||值最大的用户做为第一发射结点的调度用户，且第一发射节点根据所述发射波束c_m和所述汇聚集合确定所有所述第二发射节点的调度用户集合。

N2、如果不同的所述第二发射节点的所有用户中不存在选择同一码字的用户，则所述每个第二发射节点在对应的所有用户中随机选择被调度用户，且所述第一发射结点在该时隙保持静默。

7.根据权利要求1所述的异构网络系统中基于有限反馈的多点协作传输方法，其特征在于，所述码本通过如下方式得到：

S1、将N个等电荷电子随机分布到N_T维单位超球面上，并计算所述异构网络系统的库伦势；

S2、固定预定电子，计算每个电子所受的库伦力；

S3、计算每个电子在相应的库仑力的作用下的下一时刻的位置；

S4、重新计算系统库伦势，迭代次数加1。S5、判断每个电子在新的位置下系统库伦势是否下降，如果下降，则更新所述电子的位置，否则调整步长并返回步骤S3；

S6、判断迭代次数是否达到预定数值，如果没有则返回步骤S2，否则得到每个电子的位置矢量，以得到所述码本C中的每个码字矢量。

8.根据权利要求7所述的异构网络系统中基于有限反馈的多点协作传输方法，其特征在于，通过如下公式计算所述异构网络系统的库伦势：

$E=\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=i+1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{|x_i-x_j|},$

其中，所述x_i为第i个电子的位置坐标，x_j为第j个电子的位置坐标。

9.根据权利要求7所述的异构网络系统中基于有限反馈的多点协作传输方法，其特征在于，通过如下公式计算每个电子所受的库伦力：

$F_i=\underset{j=1,j\&NotEqual;i}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{x_i-x_j}{{|x_i-x_j|}^3},$

其中，F_i为第i个电子所受的库伦力。

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