CN103457699B - 一种用于协作多点传输系统的基站端信干噪比估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于协作多点传输系统的基站端信干噪比估计方法，首先，基站端接收用户的反馈信息：码字，联合信道量化精度，联合信道模值与噪声和协作簇外干扰的能量和；再重构每个用户的联合信道，选择服务用户，在服务用户间分配接收功率并计算预编码向量；对每个服务用户，通过解凸优化问题估计受到的其它用户的干扰能量，估计用户的下行传输的信干噪比；最后基站端根据估计的信干噪比为服务用户选择调制编码方式并进行下行传输。本发明充分利用协作多点传输的信道特点，利用用户的单小区大尺度衰落因子的信息，能更准确地估计服务用户下行传输的信干噪比，从而为服务用户选择更合适的调制编码方式，达到提升用户数据率性能的目的。

Description

一种用于协作多点传输系统的基站端信干噪比估计方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，主要面向协作多点传输系统，具体涉及一种用于协作多点传输系统的基站端信干噪比估计方法。

背景技术

协作多点（CoMP,Coordinated Multi-Point）传输技术是无线通信中提升蜂窝网络频谱效率的一项关键技术。当协作基站之间能够共享数据和下行信道信息时，协作基站可以联合对用户进行下行传输以提高下行传输的数据率性能。但对于采用频分双工的系统基站只能通过用户端反馈获得下行信道信息。

有限反馈技术是一种目前系统中常用的反馈技术，针对单小区系统设计的有限反馈技术已经发展得较为成熟。在单小区系统中，用户需要反馈量化的信道方向信息给基站端，用于调度服务用户和计算用户的预编码向量，同时用户还需要反馈信道质量信息，即估计的信干噪比，给基站端用于调度和下行调制编码方式选择。协作多点传输系统的信道具有独特的非对称特性，这一看似细微的差别导致了单小区系统与协作多点传输系统下有限反馈方案设计的不同，许多在单小区系统中已经广泛应用的方案不能直接扩展应用于协作多点传输系统。

在信道方向信息反馈方面，出于灵活性和系统兼容性的考虑，协作多点传输系统中仍采用基于单小区码本的反馈方案。虽然该反馈方案仅是一种次优的反馈方案，但其性能可以通过以下措施得到提升，如设计更好的码字选择方法、信道重构方法或在单小区码本中更合理地分配比特。目前已有较多的文献研究关于协作多点传输系统中信道方向的反馈方案，但针对信道质量信息反馈方案的设计仍比较少。

在单小区系统中，信道质量信息，即下行传输的信干噪比是在用户端估计并反馈给基站端的。为使用户能够更准确地估计信干噪比，通常需要假设满复用调度和用户间等功率分配。然而在协作多点传输系统中协作基站间功率不能共享，因此用户间的功率分配必须满足单基站功率约束，此时分配给不同用户的功率不一定相等且用户无法得知基站端的功率分配结果。这说明对于协作多点传输系统来说下行信干噪比估计应当在基站端完成，而不是像在单小区系统中那样由用户完成，而这方面的研究几乎是一片空白。

一般在协作多点传输系统研究中，将网络中所有小区划分为若干协作簇，任一小区仅与同簇小区进行协作，形成了基于簇结构的多小区协作系统。当每个用户反馈信道模值、协作簇外干扰和噪声能量以及信道量化精度时，文献1（K.Huang,J.G.Andrews,and R.W.Heath,“Performance of orthogonal beamforming for SDMA with limited feedback,”IEEE Trans.onVeh.Tech.,vol.58,no.1,pp.152–164,Jan.2009.）中给出一种单小区系统中用户估计信干噪比的PU2RC（Per user unitary rate control，每用户正交码率控制）方案。基于该方案可以通过简单扩展应用于协作多点传输系统，但由于没有利用协作多点传输的信道特征，该方案对信干噪比的估计过于保守。

发明内容

本发明为了解决协作多点传输系统中的基站如何为服务的用户选择调制编码方式的问题，提出了一种用于协作多点传输系统的基站端信干噪比估计方法。本发明方法充分利用协作多点传输系统的信道特征，与现有方案相比有明显的性能提升。

本发明一种用于协作多点传输系统的基站端信干噪比估计方法，包括以下步骤：

步骤1：基站端接收来自用户的反馈信息，用户的反馈包括三个方面：码字反馈，联合信道量化精度反馈，联合信道模值与噪声和协作簇外干扰的能量和反馈；

步骤2：基站端根据每个用户反馈的单小区码字和相位模糊，以及各个单小区大尺度衰落因子重构出每个用户的联合信道，并根据重构的联合信道选择服务用户，在服务用户间分配发射功率并计算预编码向量；

步骤3：对于每个服务用户，基站端通过解凸优化问题估计该用户受到的其它用户的干扰能量，并带入信干噪比表达式得到估计的信干噪比；

对于第u个服务用户，凸优化问题描述如下：

$\underset{\left\{\right|{\mathrm{\τ}}_{u,r}|,r\≠u\}}{\max }\underset{r\≠u}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{p}_r{\left|{\mathrm{\τ}}_{u,r}\right|}^2$

$s.t.\underset{r\≠u}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\α}}_{r,i}}{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N_b}{\mathrm{\α}}_{r,i}^2}}\left|{\mathrm{\τ}}_{u,r}\right|\≤\frac{{\mathrm{\α}}_{u,i}}{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N_b}{\mathrm{\α}}_{u,i}^2}},$ i＝1，...，N_b

$\underset{r\≠u}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{\mathrm{\τ}}_{u,r}\right|}^2\≤1,$

其中，M表示基站端选择的服务用户的数目，p_r表示基站端为第r个服务用户所分配的发射功率，τ_u,r表示第r个服务用户的量化的联合信道方向向量在第u个服务用户的联合信道方向向量上的投影；N_b为协作簇内协作基站的数目，α_r,i为协作簇内第i个协作基站到第r个服务用户的单小区大尺度衰落因子，α_u,i为协作簇内第i个协作基站到第u个服务用户的单小区大尺度衰落因子；

步骤4：基站端根据估计的信干噪比为服务用户选择调制编码方式并进行下行传输。

步骤1中所述的码字，是用户根据下行信道从码本中选出来，码字代表码本中的一个向量；当使用单小区码本时，用户将根据协作簇内每一个协作基站到该用户的单小区信道独立地为每个单小区信道选择一个单小区码字，同时给基站端反馈所选择的单小区码字与单小区信道方向向量之间的相位模糊。

步骤1中所述的联合信道量化精度，具体地，对于包含N_b个协作基站的协作簇，第m个用户的联合信道量化精度A_m为：

$A_m=\left|\underset{k=1}{\overset{N_b}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\α}}_{m,k}^2{h}_{m,k}^H{c}_{m,i_k}{e}^{-j{\widehat{\mathrm{\ξ}}}_{m,k}}}{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^{N_b}{\mathrm{\α}}_{m,k}^2{\left|\right|h_{m,k}\left|\right|}^2}\·\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^{N_b}{\mathrm{\α}}_{m,k}^2}}\right|,$

其中，α_m,k为协作簇内第k个协作基站到第m个用户的单小区大尺度衰落因子，h_m,k为协作簇内第k个协作基站到第m个用户的单小区小尺度信道，表示h_m,k的共轭转秩，设i_k表示用户为协作簇内第k个协作基站到第m个用户的单小区信道所选码字的编号，为用户为协作簇内第k个协作基站到第m个用户的单小区信道选择的码字；为量化后的协作簇内第k个协作基站到第m个用户单小区信道方向向量与所选码字之间的相位模糊，表示相位模糊的复相位。

所述的步骤3包含以下两个步骤：

步骤3.1：基站端通过凸优化工具解所述的凸优化问题，得到凸优化问题的最优解，将得到的最优解带入如下公式，确定第u个服务用户受到的其他用户的干扰能量I_u：

$I_u=\underset{r\≠u}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{p}_r{\left|{\mathrm{\τ}}_{u,r}\right|}^2;$

步骤3.2：基站端将第u个服务用户受到的其他用户的干扰能量I_u带入如下公式，估计出第u个服务用户的下行传输的信干噪比SINR_u：

${\mathrm{SINR}}_u=\frac{p_u{\left|\right|g_u\left|\right|}^2{A}_u^2}{{\mathrm{\σ}}_u^2+I_u},$

其中，p_u表示基站端为第u个服务用户所分配的发射功率，||g_u||是第u个服务用户反馈的联合信道的模值，A_u是第u个服务用户反馈的联合信道量化精度，是第u个服务用户反馈的噪声和协作簇外干扰的能量之和。

本发明一种用于协作多点传输系统的基站端信干噪比估计方法的优点在于：该方法充分利用了协作多点传输的信道特点，利用了用户的单小区大尺度衰落因子的信息，能够使基站更准确地估计服务用户下行传输的信干噪比，从而为服务用户选择更合适的调制编码方式，最终达到提升用户的数据率性能的目的。

附图说明

图1为本发明用于协作多点传输系统的基站端信干噪比估计方法的整体步骤流程图；

图2为本发明实施例的效果图。

具体实施方式

本发明提供了一种用于协作多点传输系统的基站端信干噪比估计方法。该方法充分利用了协作多点传输系统的信道特点，相比较现有方案能更准确地估计服务用户下行传输的信干噪比，使得基站能够为所服务用户选择更合适的调制编码方式，最终达到提升用户的数据率性能的目的。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行说明。

本发明实施例以三基站协作系统为例。仿真中令每基站配置4根发射天线，每个用户配置单根接收天线。小区边缘信噪比设为10dB。协作小区的半径为250米，协作基站到用户的单小区大尺度衰落因子模型为α_m,i＝36.3+37.6log(D_m,i)，其中D_m,i为第i个协作基站到第m个用户的距离，α_m,i为第i个协作基站到第m个用户的单小区大尺度衰落因子。每个协作小区有10个用户。考虑到只有小区边缘的用户才需要协作传输，这些用户均匀分布在小区边缘区域内且满足称为x dB CoMP区，其中，j_L表示第m个用户的本地基站的编号，为第m个用户的本地基站到该用户的单小区大尺度衰落因子，α_m,l(l≠j_L)为第m个用户的非本地基站到该用户的单小区大尺度衰落因子。仿真中考虑了不同大小的CoMP区：10dB，20dB，以及全协作区域，即x无穷大时。

协作基站到用户的单小区小尺度信道为统计独立同分布的瑞利信道，单小区小尺度信道量化采用4比特的单小区随机矢量码本。相位模糊采用2比特均匀量化，用户的联合量化精度采用4比特均匀量化。仿真中假设联合信道的模值与噪声和协作簇外干扰的能量之和理想反馈。多用户调度方案为准正交调度，正交门限设为0.2。基站端根据迫零准则为服务用户计算预编码。

基站端根据估计的下行传输信干噪比为服务用户选择合适的调制编码方式，根据3GPPLTE标准，可选择的调制编码方式共有28种。当估计的信干噪比高于实际的信干噪比时会导致基站乐观地选择过于高阶的调制编码方式，从而使得下行传输中极大可能出现传输中断。考虑到这种情况，在仿真中考虑了软合并的混合自动重传技术，该技术可以在下行传输产生中断时自动重传数据。

本发明提供的用于协作多点传输系统的基站端信干噪比估计方法，如图1所示，下面对各步骤进行具体说明。

步骤1：基站端接收来自用户的反馈信息，包括三个方面：码字反馈，量化精度反馈，联合信道模值与噪声和协作簇外干扰和能量的反馈。

码字是用户根据下行信道从码本中选出来的，其代表码本中的一个向量。当使用单小区码本时，用户将根据协作簇内每一个协作基站到该用户的单小区信道独立地为每个单小区信道选择一个单小区码字，用户在进行码字反馈时，同时反馈所选择的单小区码字与单小区信道方向向量之间的相位模糊。

对于包含3个协作基站的协作簇，第m个用户的联合信道量化精度A_m为：

$A_m=\left|\underset{k=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\α}}_{m,k}^2{h}_{m,k}^H{c}_{m,i_k}{e}^{-j{\widehat{\mathrm{\ξ}}}_{m,k}}}{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^3{\mathrm{\α}}_{m,k}^2{\left|\right|h_{m,k}\left|\right|}^2}\·\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^3{\mathrm{\α}}_{m,k}^2}}\right|,$

其中，α_m,k为协作簇内第k个协作基站到第m个用户单小区大尺度衰落因子，h_m,k为协作簇内第k个协作基站到第m个用户的单小区小尺度信道，表示h_m,k的共轭转秩，为用户为协作簇内第k个协作基站到第m个用户的单小区信道选择的码字，i_k表示用户为协作簇内第k个协作基站到该用户的单小区信道所选码字的编号；为量化后的协作簇内第k个协作基站到第m个用户单小区信道方向向量与所选码字之间的相位模糊；表示相位模糊的复相位；用户将得到的联合量化精度A_m反馈给基站端。

联合信道模值与噪声和协作簇外干扰的能量和反馈，是指：协作簇内所有基站到同一用户的单小区信道组成了用户的联合信道，用户量化并反馈联合信道的模值，同时量化并反馈噪声和协作簇外干扰的能量之和给基站端。

步骤2：基站端根据用户反馈的单小区码字和相位模糊以及各个单小区大尺度衰落因子重构出用户的联合信道，调度联合信道方向向量正交或近正交的用户作为服务用户。在服务用户间分配发射功率并计算预编码向量。

本发明实施例中以最大化服务用户的和数据率为目标在各服务用户间进行最优的功率分配，并基于迫零准则为每个服务用户计算预编码向量。

步骤3：对于每个服务用户，基站端通过解优化问题估计该用户受到的其它用户的干扰能量，并带入信干噪比表达式得到估计的该用户的下行传输的信干噪比。

基站端需要为每个服务用户估计下行传输的信干噪比，所估计的信干噪比将作为选择下行传输调制编码方式的依据。

当估计的信干噪比高于实际传输的信干噪比时，基站端乐观地选择高阶的调制编码方式从而导致较高的传输中断概率；而当估计的信干噪比低于实际传输的信干噪比时，基站端选择调制编码方式又过于悲观，虽然不会产生传输中断但浪费了传输资源。通过本发明的方案能够更准确地估计下行传输的信干噪比，具体包含以下两个步骤：

步骤3.1：基站端服务多个用户时会在多用户之间产生相互干扰，而估计用户的下行传输信干噪比首先要估计该用户受到的其他用户的干扰能量。基站端通过凸优化工具，如SQP方法，解如下凸优化问题：

$\underset{\left\{\right|{\mathrm{\τ}}_{u,r}|,r\≠u\}}{\max }\underset{r\≠u}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{p}_r{\left|{\mathrm{\τ}}_{u,r}\right|}^2$

$s.t.\underset{r\≠u}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\α}}_{r,i}}{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N_b}{\mathrm{\α}}_{r,i}^2}}\left|{\mathrm{\τ}}_{u,r}\right|\≤\frac{{\mathrm{\α}}_{u,i}}{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N_b}{\mathrm{\α}}_{u,i}^2}},$ i＝1，...，N_b

$\underset{r\≠u}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{\mathrm{\τ}}_{u,r}\right|}^2\≤1,$

其中，本发明实施例中N_b的值为3。p_r表示基站为第r个服务用户所分配的发射功率，τ_u,r表示第r个服务用户的量化的联合信道方向向量在第u个服务用户的联合信道方向向量上的投影，M表示基站选择的服务用户的数目。α_r,i为协作簇内第i个协作基站到第r个用户的单小区大尺度衰落因子，α_u,i为协作簇内第i个协作基站到第u个用户的单小区大尺度衰落因子。该优化问题是使基站利用服务用户的信道非对称，即单小区大尺度衰落因子信息，更准确的估计用户受到的其他用户的干扰能量。在该优化问题中优化目标即为第u个服务用户受到的其他用户的干扰能量，约束条件表征了优化变量τ_u,r应当满足的取值范围。

基站将该凸优化问题的最优解带入如下公式可计算出第u个服务用户受到的其他用户的干扰能量I_u为：

$I_u=\underset{r\≠u}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{p}_r{\left|{\mathrm{\τ}}_{u,r}\right|}^2,$

该优化问题中利用了用户的单小区大尺度衰落因子的信息，也即考虑了协作多点传输系统的信道特点，能够更准确地估计用户受到的其他用户的干扰能量，因此能更准确地估计下行传输的信干噪比。

步骤3.2：基站端将第u个服务用户受到的其他用户的干扰能量I_u带入如下公式即可估计出该用户的下行传输的信干噪比SINR_u：

${\mathrm{SINR}}_u=\frac{p_u{\left|\right|g_u\left|\right|}^2{A}_u^2}{{\mathrm{\σ}}_u^2+I_u},$

其中，p_u表示基站端为第u个服务用户所分配的发射功率，||g_u||是第u个服务用户反馈的联合信道的模值，A_u是第u个服务用户反馈的联合信道量化精度，是第u个服务用户反馈的噪声和协作簇外干扰的能量之和。

步骤4：基站端根据估计的信干噪比为服务用户选择调制编码方式并进行下行传输。

图2中给出仿真得到的效果图，其中bps/Hz为平均系统吞吐量的单位。从图中可以看出，本发明的方法的性能比文献1中的现有方案更有优势，而这种性能优势当协作区域较大时更明显。这是由于文献1中的现有方案未考虑协作多点传输系统的信道特征，因此，当协作区域较大即协作多点传输系统的信道特征明显时，采用本发明方法具有显著的性能优势。

Claims (5)

1.一种用于协作多点传输系统的基站端信干噪比估计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：基站端接收来自用户的反馈信息，用户的反馈包括三个方面：码字反馈，联合信道量化精度反馈，联合信道模值与噪声和协作簇外干扰的能量和反馈；码字包括单小区码字和单小区信道方向向量之间的相位模糊；

步骤2：基站端根据每个用户反馈的单小区码字和相位模糊，以及各个单小区大尺度衰落因子重构出每个用户的联合信道，并根据重构的联合信道选择服务用户，在服务用户间分配发射功率并计算预编码向量；

步骤3：对于每个服务用户，基站端通过解凸优化问题估计该用户受到的其它用户干扰能量，并估计得到该用户的下行传输的信干噪比；

对于第u个服务用户，凸优化问题描述如下：

$\underset{\left\{\right|{\mathrm{\τ}}_{u,r}|,r\≠u\}}{max}\underset{r\≠u}{\overset{M}{\Σ}}{p}_r{\left|{\mathrm{\τ}}_{u,r}\right|}^2$

$s.t.\underset{r\≠u}{\overset{M}{\Σ}}\frac{{\mathrm{\α}}_{r,i}}{\sqrt{{\Σ}_{i=1}^{N_b}{\mathrm{\α}}_{r,i}^2}}\left|{\mathrm{\τ}}_{u,r}\right|\≤\frac{{\mathrm{\α}}_{u,i}}{\sqrt{{\Σ}_{i=1}^{N_b}{\mathrm{\α}}_{u,i}^2}},i=1,\mathrm{...},N_b$

$\underset{r\≠u}{\overset{M}{\Σ}}{\left|{\mathrm{\τ}}_{u,r}\right|}^2\≤1,$

其中，M表示基站端选择的服务用户的数目，p_r表示基站端为第r个服务用户所分配的发射功率，τ_u,r表示第r个服务用户的量化的联合信道方向向量在第u个服务用户的联合信道方向向量上的投影；N_b为协作簇内协作基站的数目，α_r,i为协作簇内第i个协作基站到第r个服务用户的单小区大尺度衰落因子，α_u,i为协作簇内第i个协作基站到第u个服务用户的单小区大尺度衰落因子；

步骤4：基站端根据估计的信干噪比为服务用户选择调制编码方式并进行下行传输。

2.根据权利要求1所述的用于协作多点传输系统的基站端信干噪比估计方法，其特征在于，步骤1中所述的码字，是用户根据下行信道从码本中选出，代表码本中的一个向量；当使用单小区码本时，用户将根据协作簇内每一个协作基站到该用户的单小区信道独立地为每个单小区信道选择一个单小区码字，同时给基站端反馈所选择的单小区码字以及单小区信道方向向量之间的相位模糊。

3.根据权利要求1所述的用于协作多点传输系统的基站端信干噪比估计方法，其特征在于，步骤1中所述的联合信道量化精度，具体是：

对于包含N_b个协作基站的协作簇，第m个用户的联合信道量化精度A_m为：

$A_m=\left|\underset{k=1}{\overset{N_b}{\Σ}}\frac{{\mathrm{\α}}_{m,k}^2{h}_{m,k}^H{c}_{m,i_k}{e}^{-j{\widehat{\mathrm{\ξ}}}_{m,k}}}{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^{N_b}{\mathrm{\α}}_{m,k}^2\left|\right|h_{m,k}|{|}^2}\·\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^{N_b}{\mathrm{\α}}_{m,k}^2}}\right|,$

其中，α_m,k为协作簇内第k个协作基站到第m个用户的单小区大尺度衰落因子，h_m,k为协作簇内第k个协作基站到第m个用户的单小区小尺度信道，表示h_m,k的共轭转秩，i_k表示用户为协作簇内第k个协作基站到第m个用户的单小区信道所选码字的编号，表示用户为协作簇内第k个协作基站到第m个用户的单小区信道选择的码字；为量化后的协作簇内第k个协作基站到第m个用户单小区信道方向向量与所选码字之间的相位模糊，表示相位模糊的复相位。

4.根据权利要求1所述的用于协作多点传输系统的基站端信干噪比估计方法，其特征在于，所述的步骤2中选取方向向量正交的用户作为服务用户。

5.根据权利要求1或4任一所述的用于协作多点传输系统的基站端信干噪比估计方法，其特征在于，所述的步骤3具体包括如下子步骤：

步骤3.1：基站端通过凸优化工具解所述的凸优化问题，得到凸优化问题的最优解，将得到的最优解带入如下公式，确定第u个服务用户受到的其他用户的干扰能量I_u：

$I_u=\underset{r\≠u}{\overset{M}{\Σ}}{p}_r{\left|{\mathrm{\τ}}_{u,r}\right|}^2;$

步骤3.2：基站端将第u个服务用户受到的其他用户的干扰能量I_u带入如下公式，估计得到第u个服务用户的下行传输的信干噪比SINR_u：

${\mathrm{SINR}}_u=\frac{p_u\left|\right|g_u|{|}^2{A}_u^2}{{\mathrm{\σ}}_u^2+I_u},$

其中，p_u表示基站端为第u个服务用户所分配的发射功率，||g_u||是第u个服务用户反馈的联合信道的模值，A_u是第u个服务用户反馈的联合信道量化精度，是第u个服务用户反馈的噪声和协作簇外干扰的能量之和。