CN102882576A - 一种lte-a下行系统中的多点协作传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LTE-A下行系统中的多点协作传输方法，针对3GPPLTE-A下行系统，提出了基于静态协议簇，利用用户隔离性划分用户的LTE-A下行系统的多点协作传输方法：首先利用用户信道信息计算用户在协议簇中的隔离性；然后，针对用户的隔离性，将协议簇内的用户划分成为协作用户和非协作用户两部分；最后，对协作用户，在协议簇内进行信息全共享，即协议簇内所有基站都对其进行数据传输，实现多点协作传输，从而达到消除协议簇内的同频干扰的目的，经实验测试表明，与协议簇内所有用户进行完全协作相比，该协作传输方法能够有效地降低回程量。

Description

一种LTE-A下行系统中的多点协作传输方法

技术领域

本发明属于通信系统协作传输技术领域，更为具体地讲，涉及一种LTE-A下行系统中的多点协作传输方法。

背景技术

为了遏制全球微波接入互操作（World interoperability for Microwave Access,WiMAX）技术的迅猛崛起之势，并且能够与3GPP2提出的宽带技术相抗衡，第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）开展了通用移动通信系统（Universal Mobile Telecommunication System,UMTS）技术的长期演进（Long Term Evolution,LTE）项目，从而确保在未来十年甚至更长时间内的有效竞争力。

从LTE系统设计指标可以看到，LTE旨在提高数据传输速率，降低系统时延，增大系统容量和覆盖范围，同时降低运营成本，因此，LTE系统被看作是“准4G”技术。

随着LTE标准化工作越趋成熟，为了LTE技术及其后续先进技术的长久生命力，同时为了满足IMT Advance所定义的4G系统及未来通信系统的更高的要求，3GPP实时展开了LTE技术的进一步演进，即LTE Advance（LTE-A）技术。作为LTE的进一步演进技术，LTE-A应保持与LTE很好的兼容性，并实现更高的峰值速率和小区吞吐量。由此，3GPP针对LTE-A提出了几项关键技术,包括协作多点传输(coordinated multiple point transmission and reception，CoMP)、载波聚合(carrier aggregation,CA）、上行多天线（MIMO）、下行多天线增强、中继技术（relay）等。其中，CoMP技术是将多个小区间的信道信息和数据信息进行共享，并在这些信息的基础上采用预编码技术，达到小区间同频信号干扰消除的目的，从而优化多个小区的整体系统性能。CoMP技术通过多小区间的协作，主要提高了小区吞吐量尤其是小区边缘用户的吞吐量以及小区边缘频谱效率。

发明内容

本发明的目的在于对现有技术进行进一步的改进，提供一种回程量低、实用性强的LTE-A下行系统中的多点协作传输方法。

为实现上述目的，本发明LTE-A下行系统中的多点协作传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、用户隔离性的计算

将一个蜂窝通信系统中的若干小区划分为若干子系统，每个子系统包含等数量的小区，这些小区彼此相邻，一个子系统称为一个静态协议簇，静态协议簇中用户k到天线j的信道系数h_k，j为：

$h_{k,j}=\sqrt{c\frac{1}{{\left(d_{k,j}\right)}^{\mathrm{\γ}}}}\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{k,j}}{z}_{k,j}---\left(1\right)$

式(1)中，c为常数，是天线远场参考距离处的路径损耗，d_k，j是用户k到天线j的距离，γ是路径衰落因子，

ψ_dB是0均值、标准差为σ_dB的高斯随机变量，表示对数正态阴影衰落，z_k，j为瑞利衰落，是均值为0的复高斯随机变量；

静态协议簇内信道信息全共享，基于信道特性，计算用户的隔离性η_k：

${\mathrm{\η}}_k=\underset{j\∈{\mathrm{\ψ}}_k^{\left[\mathrm{def}\right]}}{\mathrm{\Σ}}E\left\{{\left|h_{k,j}\right|}^2\right\}/\underset{1\≤j\≤N_C}{\mathrm{\Σ}}E\left\{{\left|h_{k,j}\right|}^2\right\}---\left(2\right)$

式(2)中，

表示用户k所在的小区中基站的天线集，N_C是用户k所在的静态协议簇的天线集，根据公式(2)计算出静态协议簇内每个用户的隔离性；

(2)、静态协议簇内协作用户与非协作用户的划分

根据步骤(1)中得出的用户隔离性，将一个协议簇内的所有用户划分为小区边缘用户和中心用户；

当用户k的隔离性η_k大于隔离性阈值η时，则将该用户k划分为小区中心用户，即非协作用户，用户k∈Φ_E，Φ_E为一个静态协议簇中非协作用户集；其中非协作用户集Φ_E的用户，按各自所属的小区基站分为非协作用户子集，B为一个协议簇内的小区数；

当用户k的隔离性η_k小于或等于隔离性阈值η时，则将该用户k划分为小区边缘用户，即协作用户，用户k∈Φ_C，Φ_C为一个静态协议簇中协作用户集；

(3)、协作方法的实现

将协作用户集Φ_C中的用户数据信息在静态协议簇内进行完全共享，静态协议簇内的所有基站都向协作用户集Φ_C中的所有用户发送数据，从而实现静态协议簇内部的多点协作；

对于非协作用户而言，其数据信息则不进行共享，则对于

非协作用户子集中用户只有所属的本地基站才向其发送数据。

在步骤（2）中可以知道，本发明基于隔离性阈值划分用户是否需要协作，因此隔离性阈值η的选取直接关系到协作质量。

作为进步的改进，本发明采用效用函数U(η)，并通过具体测试确定隔离性阈值η：

$U\left(\mathrm{\η}\right)=\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{S}\left(\mathrm{\η}\right)}{{\max }_{\mathrm{\η}}\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{S}\left(\mathrm{\η}\right)}+(1-\mathrm{\α})\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{H}\left(\mathrm{\η}\right)}{{\max }_{\mathrm{\η}}\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{H}\left(\mathrm{\η}\right)},0\≤\mathrm{\α}\≤1---\left(3\right)$

其中，η表示隔离性阈值，其取值范围为[0，1]，

表示随着隔离性阈值η的变化，小区的信道容量的平均增加量，

表示随着隔离性阈值η的变化协议簇内的信道容量的平均最大增加量；同理，

表示随着隔离性阈值η的变化协议簇内的回程的平均减少量，表示随着隔离性阈值η的变化议簇内的回程的平均最大减少量；α表示一个反应子系统需求的平衡变量，当较少考虑协议簇内回程量问题时，即可令α→1，当需要更多的考虑系统容量，而信道容量较少考虑时，α→0；当效用函数U(η)值最大时的隔离性阈值η即为步骤中的隔离性阈值η。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明LTE-A下行系统中的多点协作传输方法，针对3GPP LTE-A下行系统，提出了基于静态协议簇，利用用户隔离性划分用户的LTE-A下行系统的多点协作传输方法：首先利用用户信道信息计算用户在协议簇中的隔离性；然后，针对用户的隔离性，将协议簇内的用户划分成为协作用户和非协作用户两部分；最后，对协作用户，在协议簇内进行信息全共享，即协议簇内所有基站都对其进行数据传输，实现多点协作传输，从而达到消除协议簇内的同频干扰的目的，经实验测试表明，与协议簇内所有用户进行完全协作相比，该协作传输方法能够有效地降低回程量。

附图说明

图1是若干小区组成的蜂窝无线通信系统图；

图2是LTE-A系统静态协议簇组成图；

图3是本发明采用隔离性划分协议簇内协作与非协作用户流程图；

图4是本发明采用隔离性划分协议簇内协作与非协作用户的示意图；

图5是本发明中协议簇内所有用户容量随着隔离性阈值变化的增加量示意图；

图6是本发明中协议簇内总回程量的减少量示意图；

图7是本发明中采用的效用函数确定隔离性阈值示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是若干小区组成的蜂窝无线通信系统图。

如图1所示，蜂窝无线通信系统包含了M_B个小区，每个小区内一个基站，每个基站设有N_t根天线，而每个小区有K用户，每个用户的天线数N_k＝1。每个基站都使用相同的频谱资源，实现频谱全复用。小区b中的用户k的接收信号y_k,b为：

式（4）中p_k,b表示小区b中的用户k的发射功率，

表示用户k到基站b的所有天线的信道信息，

是小区b中的用户k为了消除同频干扰而生成的预编码矩阵，x_k,b是基站b发送给用户k的信息符号，且E(|x_k,b|²)＝1，

为用户k在小区b中的同频用户数，n_kb是均值为0方差为σ的高斯白噪声。

从公式（4）可以看出，用户k的接收信号y_k,b含有小区内同频干扰，以及小区间同频干扰。

图2是LTE-A系统静态协议簇组成图。

如图2所示，可以看到静态协议簇是由相邻小区组成，其具体的相邻小区个数根据不同的静态协议簇有所不同，在本实施例中，采用协议簇内的小区个数B=3。划分静态协议簇后，公式（4）可以转化为：

式（5）中，C代表系统中的协议簇数，B代表一个协议簇内的小区数，代表小区b中的用户k收到的高斯白噪声。公式（5）是将公式（4）中的小区间干扰划分为协议簇内干扰与协议簇外干扰。当没有协作时，小区内的同频干扰可以通过预编码矩阵消除。但是当协议簇内有协作后，其协议簇内的同频干扰即可得以消除。

图3是本发明采用隔离性划分静态协议簇内协作与非协作用户流程图。

由图3可知，划分流程包括：

步骤Step1：将静态协议簇内的所有用户的信道信息共享，静态协议簇内基站利用通过用户反馈以及基站间共享获取到的信道信息；

步骤Step2：根据公式（2）计算用户的静态协议簇内部隔离性；

步骤Step3：对静态协议簇内所有用户的隔离性进行判定，将每个用户的协议簇内部隔离性与隔离性阈值η，在本实施例采用了η＝0.9进行比较，当用户隔离性大于η时，将该用户划分到非协作用户集中，即用户k∈Φ_E；当用户隔离性小于或等于η时，表示该用户k需要协作，将其划分到协作用户集中，即k∈Φ_C，协作用户集Φ_C中的用户数据信息在静态协议簇内进行完全共享。

图4是本发明采用隔离性划分协议簇内协作与非协作用户的示意图。

将用户通过隔离性划分后，其用户的分布情况如图4所示。其中Δ表示需要协作的用户，即用户集Φ_C。·表示非协作用户，即用户集Φ_E。由图4可以看出需要协作的用户大多集中于协议簇中心部位。这是由于在协议簇中心部位的用户其受到协议簇内的相邻小区同频干扰最为强烈，对于协议簇内各个小区中心位子的用户，其接收到来自本小区基站的信号很强，所以可以不需要协作，而对于协议簇边缘的用户，虽然其接收到的基站的信号不强，且其受到的其他基站的干扰较强，但这些强干扰并不是来自于协议簇内的邻基站，因此，簇内协作对其帮助不大。

图5是本发明中协议簇内所有用户容量随着隔离性阈值变化的增加量图。

协议簇中用户k的容量C_k计算如公式（6）所示：

C_k=log(1+SINR_k)            （6）

其中，

SINR_k为用户k的信干噪比。通过预编码技术可以消除掉小区内的同频干扰，通过协议簇内的协作，即协议簇内共享需要协作的用户的数据信息，在协议簇内进行预编码技术，可以消除协议簇内的同频干扰。因此对于协议簇内的非协作用户k的信干噪比

${\mathrm{SINR}}_k^{\mathrm{noc}}=\frac{p_{k,b}^c{\left|h_{k,b}^c{w}_{k,b}^c\right|}^2}{\underset{\tilde{b}\≠b}{\overset{B}{\underset{\tilde{b}=1}{\mathrm{\Σ}}}}\underset{j=1}{\overset{N_k^{\tilde{b}}}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{j,b}^c{\left|h_{k,\tilde{b}}^c{w}_{j,\tilde{b}}^c\right|}^2+\underset{\tilde{c}\≠c}{\overset{C}{\underset{\tilde{c}=1}{\mathrm{\Σ}}}}\underset{\tilde{b}=1}{\overset{B}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_k^{\tilde{b}}}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{j,b}^{\tilde{c}}{\left|h_{k,\tilde{b}}^{\tilde{c}}{w}_{j,\tilde{b}}^{\tilde{c}}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}^2}---\left(8\right)$

而对于协议簇内的协作用户k的信干噪比

${\mathrm{SINR}}_k^c=\frac{p_{k,b}^c{\left|h_{k,b}^c{w}_{k,b}^c\right|}^2}{\underset{\tilde{c}\≠c}{\overset{C}{\underset{\tilde{c}=1}{\mathrm{\Σ}}}}\underset{\tilde{b}=1}{\overset{B}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_k^{\tilde{b}}}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{j,b}^{\tilde{c}}{\left|h_{k,\tilde{b}}^{\tilde{c}}{w}_{j,\tilde{b}}^{\tilde{c}}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}^2}---\left(9\right)$

因此对于非协作用户k其容量：

$C_k^{\mathrm{Non}-c}=\log (1+\frac{p_{k,b}^c{\left|h_{k,b}^c{w}_{k,b}^c\right|}^2}{\underset{\tilde{b}\≠b}{\overset{B}{\underset{\tilde{b}=1}{\mathrm{\Σ}}}}\underset{j=1}{\overset{N_k^{\tilde{b}}}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{j,b}^c{\left|h_{k,\tilde{b}}^c{w}_{j,\tilde{b}}^c\right|}^2+\underset{\tilde{c}\≠c}{\overset{C}{\underset{\tilde{c}=1}{\mathrm{\Σ}}}}\underset{\tilde{b}=1}{\overset{B}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_k^{\tilde{b}}}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{j,b}^{\tilde{c}}{\left|h_{k,\tilde{b}}^{\tilde{c}}{w}_{j,\tilde{b}}^{\tilde{c}}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}^2})---\left(10\right)$

对于协作用户k其容量：

$C_k^c=\log (1+\frac{p_{k,b}^c{\left|h_{k,b}^c{w}_{k,b}^c\right|}^2}{\underset{\tilde{c}\≠c}{\overset{C}{\underset{\tilde{c}=1}{\mathrm{\Σ}}}}\underset{\tilde{b}=1}{\overset{B}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_k^{\tilde{b}}}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{j,b}^{\tilde{c}}{\left|h_{k,\tilde{b}}^{\tilde{c}}{w}_{j,\tilde{b}}^{\tilde{c}}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}^2})---\left(11\right)$

协议簇内所有用户的容量和：

$S=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{C}_k---\left(12\right)$

在本实施中，采用了小区半径R=1Km，每个小区内的用户数K=300服从高斯随机分布。由图5可以看到，随着隔离性阈值的增加，协议簇内用户的容量总增加量ΔS增加，当达到一定值以后，其增加量开始逐渐降低，到最后降到了负值，这表明用户数协作的越多不一定越好。

图6是本发明中协议簇内总回程量的减少量示意图。

随着用户量的增加，协议簇内个基站间需要共享的用户数据信息将会增多，从而增加了协议簇内基站间的回程量。在本实施中，假定每个用户的数据传输速率为Lbits/s。则一个协议簇内全协作时（即隔离性阈值为1时）的用户数据回程量：

H=(B-1)×B×K×L                （13）

其中，B为一个协议簇内的小区数。K为一个小区中的用户数。因此，当全不协作时（即信道隔离性的阈值为0时），用户数据的回程量减少量：

ΔH＝(B-1)×B×K×L            （14）

随着隔离性阈值的变化，协议簇内协作用户数量K_co也在不停地变化，因而协议簇内的回程量减少量则为：

ΔH＝(B-1)×(B×K-K_co)×L       （15）

图6展示出了一个协议簇内回程量随着隔离性阈值的变化，其回程量减少量的变化情况。

图7是本发明中采用的效用函数确定隔离性阈值示意图；

在本实施中，效用函数中的α取0.5，并进行了大量的实验测试。图7展示了通过大量实验测试显示的效用函数随着隔离性阈值的变化情况，由图7可以看出当隔离性为阈值为0.9到0.93时，效用函数值最大。

本发明目的在于针对3GPP LTE-A下行系统，提出了一种有效提高小区边缘用户容量，同时降低系统的数据回程量，降低系统复杂度，且计算量复杂度较低的多点协作传输方法。此方法首先利用用户反馈的信道信息计算用户在协议簇中的隔离性。然后，针对用户的隔离性，将协议簇内的用户划分成为协作用户和非协作用户两部分。最后，对协作的用户，在协议簇内进行信息全共享，实现多点协作传输，从而达到消除静态协议簇内邻小区同频干扰的目的。经实验测试表明，与静态协议簇内所有用户进行完全协作相比，该协作方法能够有效地降低回程量，且其系统容量提高。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种LTE-A下行系统中的多点协作传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、用户隔离性的计算

将一个蜂窝通信系统中的若干小区划分为若干子系统，每个子系统包含等数量的小区，这些小区彼此相邻，一个子系统称为一个静态协议簇，静态协议簇中用户k到天线j的信道系数h_k，j为：

$h_{k,j}=\sqrt{c\frac{1}{{\left(d_{k,j}\right)}^{\mathrm{\γ}}}}\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{k,j}}{z}_{k,j}---\left(1\right)$

式（1）中，c为常数，是天线远场参考距离处的路径损耗，d_k,j是用户k到天线j的距离，γ是路径衰落因子，ψ_k,j＝10^ψdB/10，ψ_dB是0均值、标准差为σ_dB的高斯随机变量，表示对数正态阴影衰落，z_k,j为瑞利衰落，是均值为0的复高斯随机变量；

静态协议簇内信道信息全共享，基于信道特性，计算用户的隔离性η_K：

${\mathrm{\η}}_k=\underset{j\∈{\mathrm{\ψ}}_k^{\left[\mathrm{def}\right]}}{\mathrm{\Σ}}E\left\{{\left|h_{k,j}\right|}^2\right\}/\underset{1\≤j\≤N_C}{\mathrm{\Σ}}E\left\{{\left|h_{k,j}\right|}^2\right\}---\left(2\right)$

式（2）中，

表示用户k所在的小区中基站的天线集，N_C是用户k所在的静态协议簇的天线集，根据公式（2）计算出静态协议簇内每个用户的隔离性；

（2）、静态协议簇内协作用户与非协作用户的划分

根据步骤（1）中得出的用户隔离性，将一个协议簇内的所有用户划分为小区边缘用户和中心用户；

当用户k的隔离性η_k大于隔离性阈值η时，则将该用户k划分为小区中心用户，即非协作用户，用户k∈Φ_E，Φ_E为一个静态协议簇中非协作用户集；其中非协作用户集Φ_E的用户，按各自所属的小区基站分为

非协作用户子集，B为一个协议簇内的小区数；

当用户k的隔离性η_k小于或等于隔离性阈值η时，则将该用户k划分为小区边缘用户，即协作用户，用户k∈Φ_C，Φ_C为一个静态协议簇中协作用户集；

（3）、协作方法的实现

将协作用户集Φ_C中的用户数据信息在静态协议簇内进行完全共享，静态协议簇内的所有基站都向协作用户集Φ_C中的所有用户发送数据，从而实现静态协议簇内部的多点协作；

对于非协作用户而言，其数据信息则不进行共享，则对于

非协作用户子集中用户只有所属的本地基站才向其发送数据。

2.根据权利要求1所述的多点协作传输方法，其特征在于，在步骤（2）中隔离性阈值η的确定采用效用函数U(η)，并通过具体测试确定：

$U\left(\mathrm{\η}\right)=\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{S}\left(\mathrm{\η}\right)}{{\max }_{\mathrm{\η}}\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{S}\left(\mathrm{\η}\right)}+(1-\mathrm{\α})\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{H}\left(\mathrm{\η}\right)}{{\max }_{\mathrm{\η}}\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{H}\left(\mathrm{\η}\right)},0\≤\mathrm{\α}\≤1$

其中，η表示隔离性阈值，其取值范围为[0，1]，

表示随着隔离性阈值η的变化，小区的信道容量的平均增加量，

表示随着隔离性阈值η的变化协议簇内的信道容量的平均最大增加量；同理，

表示随着隔离性阈值η的变化协议簇内的回程的平均减少量，

表示随着隔离性阈值η的变化议簇内的回程的平均最大减少量；α表示一个反应子系统需求的平衡变量，当较少考虑协议簇内回程量问题时，即可令α→1，当需要更多的考虑系统容量，而信道容量较少考虑时，α→0；当效用函数U(η)值最大时的隔离性阈值η即为步骤中的隔离性阈值η。

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