CN103347283B - 一种自适应的协作多点传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种自适应的协作多点传输方法，具体为：本小区基站获取自身与本小区指定用户间的下行信道增益，并分别获取本小区的各个相邻干扰小区基站与本小区指定用户间的下行信道增益；在相邻干扰小区基站中，按照其各自与指定用户间的下行信道增益相对本小区基站与用户间的下行信道增益越大则干扰越大的原则，选出强干扰小区基站；若不存在强干扰小区基站，则本小区基站采用协作调度模式向本小区指定用户传送数据，否则，本小区基站与强干扰基站采用联合传输模式向本小区指定用户传送数据。本发明对小区间干扰的抑制能力强，优化了小区边缘用户的通信性能，并且基站间仅需交互少量信息，提高了系统资源的利用率和系统的吞吐量。

Description

一种自适应的协作多点传输方法

技术领域

本发明涉及协作多点传输（CoordinatedMulti-Point，CoMP）技术领域，更具体地说，本发明涉及一种自适应的协作多点传输方法。

背景技术

在传统的蜂窝通信系统中，小区边缘的用户受到来自其他小区的干扰，使得链路的可靠性不强，且系统性能受到较大的影响。为了提高小区边缘用户的性能，满足小区边缘频谱效率的要求，LTE-A(长期演进系统，LongTermEvolution-Advanced)系统中引入了协作多点传输技术（CoordinatedMulti-Point，CoMP）。CoMP技术可以通过相邻小区基站间的协作，在多个小区间共享信道和数据信息，并在这些信息的基础上来优化多个小区的系统整体性能，从而有效地改善边缘用户的性能。下行CoMP策略可主要分为两大类:（1）联合传输（JointTransmission，JT）；（2）协作调度/波束成形（CoordinatedScheduling/Beamforming，CS/CB）。具体而言，在JT模式中，协作簇中的多个基站共享数据信息，并同时为一个用户提供服务，即联合地向该用户发送其所需的数据信息，旨在增强该用户的有效信号质量，而在CB模式中，协作簇中的基站协作地完成资源调度，其后，再由用户的服务小区中的基站依照该调度策略，向用户发送其所需数据信息，即仅由用户的anchorBS（服务基站）对其提供服务。

然而，现有的多点协作存在以下问题：1、在JT模式中，由于该用户独占较多资源，因此将导致其他用户可用的资源数量变少，故通信性能受限，从而降低系统的平均吞吐量；2、CB模式并未考虑用户信道条件极差时的均衡问题，故小区边缘用户的性能较差；3、已有的CoMP策略无法根据用户的信道条件，来自适应的选择传输模式，限制了系统的灵活性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自适应的协作多点传输方法，在提高用户有效信号强度的同时，抑制基站的干扰泄漏信号，从而消除了小区间的干扰，提高了系统吞吐量。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种协作多点传输方法，具体为：

本小区基站获取自身与本小区指定用户间的下行信道增益，并分别获取本小区的各个相邻干扰小区基站与本小区指定用户间的下行信道增益；

在相邻干扰小区基站中，按照其各自与用户间的下行信道增益相对本小区基站与用户间的下行信道增益越大则干扰越大的原则，选出强干扰小区基站；

若不存在强干扰小区基站，则本小区基站采用协作调度模式向本小区指定用户传送数据，否则，本小区基站与所有强干扰基站采用联合传输模式向本小区指定用户传送数据。

进一步地，所述本小区基站采用协作调度模式向本小区内指定用户传送数据的过程具体为：本小区基站m利用波束成形矢量P_m,u对待传送数据进行预编码，并将预编码后的数据发送给本小区用户u，；

所述波束成形矢量P_m,u满足其使得用户u的下行信漏噪比最大；其中，H_m,u表示本小区基站m到本小区用户u的下行信道增益，H_m,j表示本小区基站m到第j个相邻干扰小区内与用户u同频的用户的下行信道增益，M为本小区的相邻干扰小区总数，N_R为本小区内用户u的接收天线数目，σ²表示本小区用户u的天线受到的加性高斯白噪声，||·||为矩阵范数；

所述本小区基站与所有强干扰基站采用联合传输模式向本小区内指定用户传送数据的过程具体为：本小区用户u的服务基站将待传送数据分别传送给各强干扰小区基站，各强干扰小区基站以及本小区基站m分别利用各自的波束成形矢量对待传送数据进行预处理，并同时将预处理后的信号发送给所述用户u；

所述各强干扰小区基站及本小区基站m的波束成形矢量均按照如下方式确定：

令基站i的波束成形矢量表示为P_i,u，求取使得用户u的下行信漏噪比最大的P_i,u，其中，H_i,u表示基站i到本小区用户u的下行信道增益，H_i,j表示基站i到相邻干扰小区j内与用户u同频的用户的下行信道增益，θ_m,u是是本小区基站与所有强干扰基站形成的集合。

进一步地，所述选出强干扰小区基站的具体实现方式为：本小区基站分别将本小区的各个相邻干扰小区基站与本小区内用户u间的下行信道增益的范数与强干扰门限值比较，将大于强干扰门限值者所对应的干扰小区基站判定为强干扰基站；强干扰门限值为||TH_m,u||，其中，T为门限因子。

本发明具有以下的优点和技术效果：

1、自适应的动态实现：本发明不拘泥于CoMP方案的现有思想，用户的服务基站依据用户的实时信道条件，来为其选择合适的传输模式，实现资源的合理利用，从而提高了系统的资源利用率；

2、系统吞吐量的提升：本发明中，用户的服务基站针对用户的不同信道状态，选择不同的传输模式，并在提高用户有效信号强度的同时，抑制基站的干扰泄漏信号，从而减弱了小区间的干扰，有效地提高了系统吞吐量；

3、分布式的实现：进一步地，本发明采用了信漏噪比准则，结合基站本地信道信息来设计波束成形矢量，从而避免了基站间大量的信道信息交互，减小了系统的开销。

附图说明

图1是本发明一种自适应的协作多点传输方法的流程图。

图2示出在不同信噪比条件下本发明方法与现有技术方法的小区平均吞吐量的性能比较曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为叙述方便，下面以一个小区中的一个指定用户阐述本发明。实际系统运行时，每个小区都将自己当成本小区，将相邻小区当做相邻干扰小区，本小区基站对自己服务的所有用户，执行相同的步骤。

如图1所示，本发明一种自适应的协作多点传输方法包括以下步骤：

（1）初始化本小区内用户u的协作基站集Ψ_u为空；

（2）本小区基站获取本小区的各个干扰小区基站n与本小区内用户u间的下行信道增益H_n,u，以及本小区基站与用户u间的下行信道增益H_m,u；

更具体地说，采用如下方式获取至用户的下行信道增益信息（包括下行信道信息和下行干扰信道信息）：在FDD（频分双工，FrequencyDivisionDuplexing）系统中，各基站发送相应的导频信号，再通过测量用户对其的反馈信息，来获取下行信道增益信息；在TDD（时分双工，TimeDivisionDuplexing）系统中，则是利用正交的时隙，基站测量用户至基站的上行信道状态，再利用上下行信道互易性，得到相应的下行信道增益信息；

（3）在所有相邻干扰小区基站中，按照其各自与用户间的下行信道增益相对本小区基站与用户间的下行信道增益越大则干扰越大的原则，将其加入协作基站集Ψ_u，具体为；

（3-1）确定干扰信道增益的门限值||TH_m,u||，其中，||· ||表示矩阵范数，门限因子T为经验值，其可根据试验结果进行调整，一般可在(0,1]中取值；

（3-2）比较相邻干扰小区的下行干扰信道增益矩阵范数||H_n,u||,n≠m与所述门限值||TH_m,u||的大小，若||H_n,u||≥||TH_m,u||，进入步骤（3-3），否则，进入步骤（3-4）；

（3-3）判定基站n为所述用户u的强干扰基站，并将所述强干扰基站加入到所述用户的协作基站集Ψ_m,u；

（3-4）判定基站n为所述用户u的非强干扰基站。

（4）若所述协作基站集Ψ_u为空，则本小区基站对用户u采用协作调度（CoordinatedScheduling，CS）模式，若所述协作基站集不为空，则本小区基站与所有强干扰基站对用户u采用联合传输（JointTransmission，JT）模式。

下面分别对两模式进行详细说明：

A、协作调度模式

本发明中，本小区基站采用协作调度模式向本小区内用户u传送数据的过程具体为：本小区基站利用波束成形矢量P_m,u对待传送数据进行预编码，并将预编码后的数据发送给本小区用户u。

基于尽量使本小区信号强度最大，同时对其他小区干扰强度最小的出发点，本发明设计了一种最大化下行信漏噪比准则，具体为：

求解下行波束成形矢量P_m,u，其使得用户u的下行信漏噪比 ${\mathrm{SLNR}}_{m,u-\mathrm{CS}}=\frac{{\left|\right|H_{m,u}{P}_{m,u}\left|\right|}^2}{{\left|\right|\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{m,j}{P}_{m,u}\left|\right|}^2+N_R{\mathrm{\σ}}^2}$ 最大；

其中，H_m,u表示本小区基站m到本小区用户u的下行信道增益，H_m,j表示本小区基站m到第j个相邻干扰小区内与用户u同频的用户的下行信道增益，M为本小区的相邻干扰小区总数，N_R为本小区内用户u的接收天线数目，σ²表示本小区用户的天线受到的加性高斯白噪声。

求解波束成形矢量P_m,u的具体过程如下：

（A1）将原问题进行等价转化为：

$\max \left({\mathrm{SLNR}}_{m,u-\mathrm{CS}}\right)=\max \left[\frac{{\left(H_{m,u}{P}_{m,u}\right)}^H\left(H_{m,u}{P}_{m,u}\right)}{{\left({\tilde{H}}_{m,u}{P}_{m,u}\right)}^H\left({\tilde{H}}_{m,u}{P}_{m,u}\right)+N_R{\mathrm{\σ}}^2}\right]$

$=\max \frac{P_{m,u}^H\left(H_{m,u}^H{H}_{m,u}\right)P_{m,u}}{P_{m,u}^H\left({\tilde{H}}_{m,u}^H{\tilde{H}}_{m,u}\right)P_{m,u}+N_R{\mathrm{\σ}}^2}$

$=\max \frac{P_{m,u}^H\left(H_{m,u}^H{H}_{m,u}\right)P_{m,u}}{P_{m,u}^H({\tilde{H}}_{m,u}^H{\tilde{H}}_{m,u}+N_R{\mathrm{\σ}}^{2}I)P_{m,u}}$

其中，I表示维度为N_T×N_T的单位矩阵，N_T表示本小区基站m的发送天线个数，右上标H表示矩阵的共轭转置运算，本小区用户u的干扰泄漏矩阵为 ${\tilde{H}}_{m,u}={[H_{m,1}^H,H_{m,2}^H,\·\·\·,H_{m,M}^H]}^H,H_{m,j},j=\mathrm{1,2}\·\·\·,M$ 表示本小区基站m到第j个相邻干扰小区内与用户u同频的用户的下行干扰泄漏信道增益；

（A2）由广义特征值分解知识可知，使得最大的矢量P_m,u,即为矩阵的主特征矢量，(· )^-1表示矩阵的求逆运算；

（A3）根据特征值分解方法，得到所述矩阵B_m,u-CS的主特征矢量eig()表示求取主特征矢量；

（A4）对所述的主特征矢量M_m,u进行功率归一化，得到所述链路上的下行波束成形矢量P_m,u=M_m,uP_t/||M_m,u||，P_t表示本小区基站m的发送总功率。

B、联合传输模式

所述本小区基站与所有强干扰基站采用联合传输模式向本小区内用户u传送数据的过程具体为：本小区基站将待传送数据传送给协作集Ψ_m,u中的各基站，协作集Ψ_m,u中的所有基站以及本小区基站m分别利用各自的波束成形矢量对待传送数据进行预处理，并同时将预处理后的信号发送给所述用户u；

同样地，基于尽量使本小区信号强度最大，同时对其他小区干扰强度最小的出发点，所述协作集Ψ_m,u中的所有基站及本小区基站m的波束成形矢量均按照如下方式确定：

令基站i的波束成形矢量表示为P_i,u，求取使得用户u的下行信漏噪比最大的P_i,u，其中，H_i,u表示基站i到本小区内用户u的下行信道增益，H_i,j表示基站i到相邻干扰小区j与用户u同频的用户的下行信道增益，θ_m,u是本小区基站与所有强干扰基站形成的集合。

具体求解波束成形矢量P_i,u过程为：

（B1）将原问题进行等价转化:

$\max \left({\mathrm{SLNR}}_{m,u-\mathrm{JT}-i}\right)=\max \left[\frac{{\left(H_{i,u}{P}_{i,u}\right)}^H\left(H_{i,u}{P}_{i,u}\right)}{{\left({\tilde{H}}_{i,u}{P}_{i,u}\right)}^H\left({\tilde{H}}_{i,u}{P}_{i,u}\right)+N_R{\mathrm{\σ}}^2}\right]$

$=\max \frac{P_{i,u}^H\left(H_{i,u}^H{H}_{i,u}\right)P_{i,u}}{P_{i,u}^H\left({\tilde{H}}_{i,u}^H{\tilde{H}}_{i,u}\right)P_{i,u}+N_R{\mathrm{\σ}}^2}$

$=\max \frac{P_{i,u}^H\left(H_{i,u}^H{H}_{i,u}\right)P_{i,u}}{P_{i,u}^H({\tilde{H}}_{i,u}^H{\tilde{H}}_{i,u}+N_R{\mathrm{\σ}}^{2}I)P_{i,u}}$

（B2）由广义特征值分解知识可知，使得上式中最大的矢量P_i,u,即为矩阵的主特征矢量，其中表示基站i到第j个相邻干扰小区与用户u同频的用户的下行干扰泄漏信道增益；

（B3）根据特征值分解方法，得到所述等效矩阵B_m,u-JT-i的主特征矢量M_i,u=eig(B_m,u-JT-i)；

（B4）对所述的主特征矢量M_i,u进行功率归一化，得到所述链路上的下行波束成形矢量P_i,u=M_i,uP_t/||M_i,u||,其中，P_t表示所述基站i的发送总功率，操作||· ||表示矩阵的范数。

图2给出了本发明和传统传输方法的仿真效果对比图，本发明所提出的一种自适应的协作多点传输方法能够有效的提高系统平均吞吐量，并优化小区边缘用户的通信性能。本发明所实现的平均吞吐量性能优于非CoMP策略和单纯的CB策略，且更接近于完全消除小区间干扰的联合DPC算法，除此之外，本发明仅基于本地信道信息，即可降低小区间干扰，而基站间仅交互少量信息。从而，本发明中的算法在提高了小区间边缘用户通信质量的同时，也简化了系统信息的交互。此外，借由小区边缘用户基于实时的信道质量，在CS与JT模式之间切换的自适应选择策略，相较于单纯的CS模式而言，该算法所能实现的系统平均吞吐量更高，小区边缘用户的通信质量更优。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种协作多点传输方法，具体为：

本小区基站获取自身与本小区指定用户间的下行信道增益，并分别获取本小区的各个相邻干扰小区基站与本小区指定用户间的下行信道增益；

在相邻干扰小区基站中，按照其各自与用户间的下行信道增益相对本小区基站与用户间的下行信道增益越大则干扰越大的原则，选出强干扰小区基站；

若不存在强干扰小区基站，则本小区基站采用协作调度模式向本小区指定用户传送数据，否则，本小区基站与所有强干扰基站采用联合传输模式向本小区指定用户传送数据；

所述本小区基站采用协作调度模式向本小区内指定用户传送数据的过程具体为：本小区基站m利用波束成形矢量P_m,u对待传送数据进行预编码，并将预编码后的数据发送给本小区用户u；

所述波束成形矢量P_m,u满足其使得用户u的下行信漏噪比最大；其中，H_m,u表示本小区基站m到本小区用户u的下行信道增益，H_m,j表示本小区基站m到第j个相邻干扰小区内与用户u同频的用户的下行信道增益，M为本小区的相邻干扰小区总数，N_R为本小区内用户u的接收天线数目，σ²表示本小区用户u的天线受到的加性高斯白噪声，||·||为矩阵范数；

所述本小区基站与所有强干扰基站采用联合传输模式向本小区内指定用户传送数据的过程具体为：本小区用户u的服务基站将待传送数据分别传送给各强干扰小区基站，各强干扰小区基站以及本小区基站m分别利用各自的波束成形矢量对待传送数据进行预处理，并同时将预处理后的信号发送给所述用户u；

所述各强干扰小区基站及本小区基站m的波束成形矢量均按照如下方式确定：

令基站i的波束成形矢量表示为P_i,u，求取使得用户u的下行信漏噪比最大的P_i,u，其中，H_i,u表示基站i到本小区用户u的下行信道增益，H_i,j表示基站i到相邻干扰小区j内与用户u同频的用户的下行信道增益，θ_m,u是本小区基站与所有强干扰基站形成的集合。

2.根据权利要求1所述的协作多点传输方法，其特征在于，所述选出强干扰小区基站的具体实现方式为：本小区基站分别将本小区的各个相邻干扰小区基站与本小区指定用户间的下行信道增益的范数与强干扰门限值比较，将大于强干扰门限值者所对应的干扰小区基站判定为强干扰基站；强干扰门限值为||TH_m,u||，其中，H_m,u表示本小区基站m到本小区指定用户u间的下行信道增益，T为门限因子。