CN103078703A - 一种应用于下行链路的多点联合协作系统的传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于下行链路的多点联合协作系统的传输方法，采用动态小区选择原理，基于最大化最小信干噪比准则，实时选择出获得最优传输性能的基站。本发明基于上一时刻的预编码矩阵和信道矩阵计算出每个基站的信干噪比，根据最大化最小信干噪比准则，实时选择出获得最优性能的基站进行传输并更新预编码矩阵和信道矩阵，相对于采用联合传输方法和联合调度方法，可以在获得的系统性能增益和系统所需的反馈开销之间权衡，在共享部分信息的基础上尽可能地提高小区边缘用户的吞吐量。能够降低用户之间的干扰，提高小区边缘用户的吞吐量，可以应用于蜂窝移动通信系统的下行多点联合协作系统传输。

Description

一种应用于下行链路的多点联合协作系统的传输方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及一种多用户的通信技术，尤其涉及一种应用于下行链路的多点联合协作系统的传输方法。

背景技术

未来的移动通信技术不仅需要支持传统的语音业务，还要支持视频、网络电视等多媒体业务，这需要对现有的移动通信系统进行改进。3GPP提出了长期演进（Long TermEvolution，LTE）项目的改进方案——LTE-Advanced来更好地满足未来的通信需求。在3GPP工作会议上，多点联合协作技术被采纳为LTE-Advanced的关键技术之一。多点联合协作系统同时研究了无线资源配置和在基站和用户间的多天线问题，主要可以增加小区边缘用户的吞吐量。针对多点联合协作技术相关提案中已经提出的两种方法，联合传输方法可以很明显地提高小区边缘用户的吞吐量，但需要联合协作的基站间完全共享信道信息；联合调度传输方法在联合协作的基站间不需要共享信道信息，但小区边缘用户的吞吐量只能获得有限的提高。因此，在多个联合协作的基站间对用户进行服务时，考虑如何进行有效的传输，既不使系统有过大的反馈开销，又能获得较满意的小区边缘用户吞吐量的提高是非常必要的。

发明内容

技术问题：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种在获得的系统性能增益和系统所需的反馈开销之间得到权衡的应用于下行链路的多点联合协作系统的传输方法。

技术方案：本发明的应用于下行链路的多点联合协作系统的传输方法，基于上一时刻的预编码矩阵和信道矩阵计算出每个基站的信干噪比，根据最大化最小信干噪比准则，实时选择出获得最优性能的基站进行传输并更新预编码矩阵和信道矩阵，具体步骤如下：

1）初始化系统参数，对整个带宽资源进行资源块的划分，然后对划分所得的资源块进行分组，得到的资源块组即为基站选择的最小单位；

2）提取上一时刻的预编码矩阵和信道矩阵；

3）基于步骤2）提取的用户上一时隙预编码矩阵和信道矩阵，计算出各个基站的用户在每个资源块的信干噪比；

4）基于步骤1）确定的资源块组和步骤3）确定的每个资源块的信干噪比，比较选出每个基站在各个资源块组上的最小信干噪比；

5）基于步骤4）确定的所有基站的各资源块组的最小信干噪比，从协作的多个基站的对应资源块组中，再分别比较选出最大的最小信干噪比值，其所对应的基站即为在当前的对应资源块组上传输数据获得最优性能的基站；

6）用步骤5）中选出的传输数据获得最优性能的基站发送用户端数据，经过编码、调制和预编码后过信道，在接收端解调、去扰、检测，并更新预编码矩阵和信道矩阵后进入下一时刻。

本发明的步骤1）中，对划分所得的资源块进行分组时，可以将每个资源块作为一个资源块组。

本发明的步骤1）中，对划分所得的资源块进行分组时，可以将每个基站的所有资源块作为一个资源块组。

本发明的步骤6）中，考虑到系统存在一定的估计时延，当前时刻的基站选择是基于上一时刻的反馈信息，在理想信道估计的假设下进行信道矩阵的计算，因此采用块对角化预编码算法和信漏噪比预编码算法来更新预编码矩阵。

有益效果：本发明相对于现有技术，具有以下优点：

本发明方法能够降低用户之间的干扰，提高小区边缘用户的吞吐量，可以应用于蜂窝移动通信系统的下行多点联合协作系统传输。

传统的联合传输方法虽然可以获得较明显的系统性能增益，可该方法需要相互协作的小区间完全共享信道信息，所需的系统开销很大，给实际实现增加了困难。而联合调度传输方法在相互协作的小区间不需要共享信道信息，但仅获得有限的系统性能增益。本发明方法在相互协作的小区间只需共享部分信息，可获得相对于联合调度更优的系统性能增益。

附图说明

图1为QPSK-1/3码率下4个、3个和2个基站协同工作下基于整个带宽的动态小区选择方法的系统误帧率。

图2为QPSK-1/3码率下两个基站协同工作时，基于整个带宽的动态小区选择和基于单个资源块的动态小区选择、传统联合传输及联合调度的系统误帧率。

图3为16QAM-1/2码率下两个基站协同工作时，基于整个带宽的动态小区选择和基于单个资源块的动态小区选择、传统联合传输及联合调度的系统误帧率。

图4为本发明的系统模型图。

图5为本发明的资源块分组说明图。

图6为本发明的逻辑流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如附图4所示为本发明的应用于下行链路的多点联合协作系统传输方法的系统模型图，以简单的三小区联合协作系统为例，对本发明方法进行说明。主小区动态地选择一个小区在联合协作的多小区间向所有用户传输数据，其他小区都关闭。这种情况下，小区边缘用户只受到其他用户对其的干扰，并不存在相邻小区的干扰。

假设此时基站b工作，其他基站都关闭，则在子载波k上的发送信号可简化为

$\begin{array}{c}{X}_b\left(k\right)=\underset{u=1}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{b,u}\left(k\right)S_u\left(k\right)\\ X_a\left(k\right)=0,a\≠b\end{array}---\left(1\right)$

其中，W_b，u(k)∈(N_t×l_u)表示用户u与基站b间的预编码矩阵，先简单地考虑传输给用户的是单数据流，则发送的数据流可表示为s_u(k)，该预编码矩阵为w_b，u(k)∈(N_t×1)。基站b与用户u在第k个子载波上的信道矩阵可表示为H_b，u(k)∈N_r×N_t，用户u在子载波k上的接收信号

u＝1，2,...U

其中，第一项代表有用信号，第二项是来自其他用户的干扰信号。η_u(k)为用户u在子载波k上的零均值方差为N₀的高斯白噪声。用户u在子载波k上的信干噪比为

${\mathrm{SINR}}_b(u,k)=\frac{{\left|\right|H_{b,u}\left(k\right)w_{b.u}\left(k\right)\left|\right|}^2}{N_r{N}_0+\underset{v=1,v\≠u}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|H_{b,v}\left(k\right)w_{b.v}\left(k\right)\left|\right|}^2}---\left(3\right)$

动态小区选择的基本原理是，实时地基于某一给定的准则选出一个基站向用户进行数据传输，以达到最优的效果。基于资源块的动态小区选择方方法具体描述如下：

先对整个带宽的资源进行资源块的划分，假设每个资源块（Resource Block,RB）都有L个子载波，则

RB1包括子载波1,2,...,L;

RB2包括子载波L+1,L+2,...,2L;

RBi包括子载波(i-1)L+1,(i-1)L+2,...,iL。

假设此时基站b工作，其他基站都关闭，根据式（3）可得到基站b的最小信干噪比，是以每个资源块为单位来计算。RB i对应的最小信干噪比为

$\min {\mathrm{SINR}}_i\left(\mathrm{BSb}\right)=\underset{\underset{k=(i-1)L+1,...,\mathrm{iL}}{u=1,...,U}}{\min }\frac{{\left|\right|H_{b,u}\left(k\right)w_{b.u}\left(k\right)\left|\right|}^2}{N_r{N}_0+\underset{v=1,v\≠u}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|H_{b,v}\left(k\right)w_{b.v}\left(k\right)\left|\right|}^2}---\left(4\right)$

定义进行基站选择的资源块组大小，在每个资源块组上选择最小信干噪比最大的基站

本发明的具体实施过程如下：

1）初始化系统参数，包括系统中相互协作的基站数，系统服务的总用户数，每个基站配备的天线数，每个用户配备的天线数，传输带宽，传输时延等，根据图5对整个带宽的资源进行资源块的划分，然后对划分所得的资源块进行分组，得到的资源块组即为基站选择的最小单位。本方法采用的动态小区选择，可以灵活选择进行基站选择的资源块个数，如图5中（A）所示，可以在每个资源块上进行基站选择，如图5中（B）所示，可以在整个传输带宽上进行一次基站选择。

2）提取上一时刻的预编码矩阵和信道矩阵；

3）基于所述步骤2）提取的用户上一时隙预编码矩阵和信道矩阵，计算出各个基站的用户在每个资源块的信干噪比；

4）基于步骤1）确定的资源块组和步骤3）确定的每个资源块的信干噪比，比较选出每个基站在各个资源块组上的最小信干噪比；

5）基于步骤4）确定的所有基站的各资源块组的最小信干噪比，从协作的多个基站的对应资源块组中，再分别比较选出最大的最小信干噪比值，其所对应的基站即为在当前的对应资源块组上传输数据获得最优性能的基站；

6）用所述步骤5）中选出的传输数据获得最优性能的基站发送用户端数据，经过编码、调制和预编码后过信道，在接收端解调、去扰、检测，并更新预编码矩阵和信道矩阵后进入下一时刻。下一时刻继续上述流程方法，基于最大化最小信干噪比准则选出歌资源块组上传输数据获得最优性能的基站。

多点联合协作系统中，每个用户不仅接收到协作小区给自己发送的信息，同时也会收到协作小区发送给其他用户的信息，这些信息相对于该用户就是干扰信息，即用户间的同信道干扰。由于各个用户只有自身的相关信息，没有其他用户的相关信息，固不能在用户端直接消除多用户间的同信道干扰。因此，通常需要在发射端进行同信道干扰的处理。

块对角化预编码是MU-MIMO系统下行链路的一种线性预编码技术。以单数据流为例，采用式（2）的系统模型

块对角化的思想就是消除协作小区中多用户间的信号干扰，即对用户u而言，找到满足以下条件的预编码矩阵

H_b，i(k)w_bj(k)=0，for i≠j         (7)

式(6)中，对于用户u而言，

这一项代表了其余的U-1个用户对用户u的干扰。经过块对角化后，式(6)的第二项就为0，即用户间的干扰被完全消除了。对于每个用户而言，再进行SVD分解，就可以为用户分配独立并行的单用户MIMO信道。以用户u的预编码为例：

首先定义不含用户u的其他所有用户到基站b的信道矩阵为

${\stackrel{\‾}{H}}_{b,u}\left(k\right)={[H_{b,1}{\left(k\right)}^T,\·\·\·,H_{b,u-1}{\left(k\right)}^T,H_{b,u+1}{\left(k\right)}^T,\·\·\·,H_{b,U}{\left(k\right)}^T]}^T---\left(8\right)$

矩阵

的秩为N_u。块对角化首先即要求假定发射端发送给用户u的数据流数为L_u，则w_b，u(k)的L_u个列向量应该是

零空间的一组基。对做SVD分解

${\stackrel{\‾}{H}}_{b,u}\left(k\right)=\stackrel{\‾}{U}\stackrel{\‾}{\mathrm{\Σ}}{\left[{\stackrel{-}{V}}_{b,u}^{\left(1\right)}\left(k\right){\stackrel{-}{V}}_{b,u}^{\left(0\right)}\left(k\right)\right]}^H---\left(9\right)$

其中

是包含

奇异值的对角化矩阵，

包含了

的前N_u个奇异矢量，

包含了

的后(N_t-N_u)个奇异矢量。的列矢量构成了

零空间的一组基，所以w_b，u(k)的列矢量就是

的列矢量的线性组合。

可定义为等效信道H_eff，u(k)，对其进行SVD分解

$H_{\mathrm{eff},u}\left(k\right)=\mathrm{U\Σ}{\left[V_{b,u}^{\left(1\right)}\left(k\right)V_{b,u}^{\left(0\right)}\left(k\right)\right]}^H$

发送端对用户u的预编码矩阵可表示为

其中

为采用注水法获得的功率分配矩阵。本发明不考虑采用功率分配的预编码矩阵，则用户u的预编码矩阵为

$w_{b,u}\left(k\right)={\stackrel{-}{V}}_{b,u}^0\left(k\right)V_{b,u}^1\left(k\right)---\left(11\right)$

块对角化预编码方法主要考虑消除用户间的干扰，而不是信道噪声的干扰。其次其使用有一定的限制，要求多个基站的发射天线总数需满足

当用户数比较多的时候，由于基站的天线数有限，可能需使用一定的调度算法在每个时刻分配若干用户才能使用块对角化预编码方法。

块对角化预编码方法主要是针对某个特定用户，考虑消除其他用户对其产生的用户间干扰。信漏噪比预编码方法同时考虑了干扰和噪声。在动态小区选择模式下，用户u在子载波k上的信漏噪比值为

${\mathrm{SLNR}}_b(u,k)=\frac{{\left|\right|H_{b,u}\left(k\right)w_{b.u}\left(k\right)\left|\right|}^2}{N_r{N}_0+\underset{v=1,v\≠u}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|H_{b,v}\left(k\right)w_{b.v}\left(k\right)\left|\right|}^2}---\left(12\right)$

分母中的

一项就表示当前用户u泄露给其他U-1个用户的功率，最大化信漏噪比准则可表示为：

$\underset{\underset{b=1}{\overset{B}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|w_{b.u}\left(k\right)\left|\right|}^2=1}{\min }{\mathrm{SLNR}}_b(u,k)=\frac{{\left|\right|H_{b,u}\left(k\right)w_{b.u}\left(k\right)\left|\right|}^2}{N_r{N}_0+\underset{v=1,v\≠u}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|H_{b,v}\left(k\right)w_{b.u}\left(k\right)\left|\right|}^2}---\left(13\right)$

$=\frac{{\left|\right|H_{b,u}\left(k\right)w_{b.u}\left(k\right)\left|\right|}^2}{N_i{N}_0+{\left|\right|{\stackrel{-}{H}}_{b,u}\left(k\right)w_{b.u}\left(k\right)\left|\right|}^2}$

其中 ${\stackrel{-}{H}}_{b,u}\left(k\right)={[{H_{b,1}}^T...{H_{b,u-1}}^T{H_{b,u+1}}^T...{H_{b,U}}^T]}^T.$

仿真基于下行多点协作总发射功率受限的系统，采用LTE TDD帧结构，带宽为1.4MHz，载波频率为2GHz，预编码矩阵延迟为1ms，使用理想信道估计，EPA信道模型，移动速度为3km/h，每个基站有4根发送天线，设置2个用户，每个用户有1根接收天线。

图1给出了不同基站数下基于整个带宽的动态小区选择系统的误帧率，从仿真图可以观察到，随着联合协作的基站数增加，采用动态小区选择传输系统可获得增益也随之增大。

图2和图3分别给出了QPSK、1/3码率和16QAM、1/2码率下本发明方法和联合传输方法、联合调度方法的系统误帧率对比，从仿真图可观察到，本发明提出的传输方法的系统性能处于联合传输和联合调度方法之间。

以上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 (4)

1.一种应用于下行链路的多点联合协作系统的传输方法，其特征在于，该传输方法中，基于上一时刻的预编码矩阵和信道矩阵计算出每个基站的信干噪比，根据最大化最小信干噪比准则，实时选择出获得最优性能的基站进行传输并更新预编码矩阵和信道矩阵，具体步骤如下：

1）初始化系统参数，对整个带宽的资源进行资源块的划分，然后对划分所得的资源块进行分组，得到的资源块组即为基站选择的最小单位；

2）提取上一时刻的预编码矩阵和信道矩阵；

3）基于所述步骤2）提取的用户上一时隙预编码矩阵和信道矩阵，计算出各个基站的用户在每个资源块的信干噪比；

4）基于步骤1）确定的资源块组和步骤3）确定的每个资源块的信干噪比，比较选出每个基站在各个资源块组上的最小信干噪比；

5）基于步骤4）确定的所有基站的各资源块组的最小信干噪比，从协作的多个基站的对应资源块组中，再分别比较选出最大的最小信干噪比值，其所对应的基站即为在当前的对应资源块组上传输数据获得最优性能的基站；

6）用所述步骤5）中选出的传输数据获得最优性能的基站发送用户端数据，经过编码、调制和预编码后过信道，在接收端解调、去扰、检测，并更新预编码矩阵和信道矩阵后进入下一时刻。

2.根据权利要求1所述的应用于下行链路的多点联合协作系统的传输方法，其特征在于，所述步骤1）中，对划分所得的资源块进行分组时，可以将每个资源块作为一个资源块组。

3.根据权利要求1所述的应用于下行链路的多点联合协作系统的传输方法，其特征在于，所述步骤1）中，对划分所得的资源块进行分组时，可以将每个基站的所有资源块作为一个资源块组。

4.根据权利要求1、2或3所述的应用于下行链路的多点联合协作系统的传输方法，其特征在于，所述步骤6）中，采用块对角化预编码算法和信漏噪比预编码算法来更新预编码矩阵。

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