CN103546934B - 一种以用户为中心的多基站协作干扰抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以用户为中心的多基站协作干扰抑制方法，属于无线通信领域。本发明首先获取基站到用户集合的信道状态信息，然后设计基站到各个用户的预编码，计算用户为中心的基站协作簇内干扰，簇内干扰值共享和统计后，得到基站服务的用户的数据率，在确保更新后的预编码给基站协作簇内的其他基站的服务用户造成的簇内干扰值，不大于初始预编码造成的簇内干扰值的约束条件下，求解出使和数据率最大时，对应的预编码，并将作为最终传输的预编码向量。本发明解决了以用户为中心的多基站协作系统中的干扰抑制问题，可以拓展到多小区场景，不受限于小区数；对初始预编码以及更新预编码的方法并没有约束，可以找到低复杂度的解决方法。

Description

一种以用户为中心的多基站协作干扰抑制方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，主要面向以用户为中心的多基站协作系统，具体来说，是一种以用户为中心的多基站协作干扰抑制方法。

背景技术

多基站协作，或称为协作多点（CoMP，CoordinatedMulti-Point）传输技术是LTE-Advanced（LongTermEvolution-Advanced）系统中的一项关键技术。利用协作多点技术传输，蜂窝网络中的多个基站形成一个协作簇，通过协作簇内的基站之间的信息交换和协作传输以减小簇内小区之间的相互干扰、提高期望信号能量，进而提高系统的平均吞吐量。但在实际应用中，全网协作下基站获取所有用户的信道状态信息以及信号同步等存在难度，目前采用在较少的基站间形成有限协作的基站分簇的技术实现CoMP传输。在CoMP中，基站协作簇的形成方式分为静态分簇和动态分簇两种。静态分簇方式根据基站的地理位置，预先将基站划分为不重叠的多个固定的协作簇，联合服务处在协作簇内的用户；动态分簇中，以用户为中心进行协作簇的划分，每个用户根据自己的信道状态信息去选择多个能够提供最佳服务的基站进行协作传输，这样协作簇存在相互重叠的情况，并且每个基站获知的信道状态信息的集合存在不同。在如图1所示的典型7小区模型中，按照静态分簇方式，基站101、基站102与基站107形成一个协作簇，基站103与基站104形成一个协作簇，基站105与基站106形成一个协作簇；按照以用户为中心的分簇方式，以用户111为中心，基站101、基站102与基站107形成一个协作簇，以用户112为中心，基站107、基站102与基站103形成一个协作簇，以用户113为中心，基站105与基站107形成一个协作簇。与静态分簇方式相比，以用户为中心的分簇方式能减小小区边缘用户受到的强烈簇间干扰，实现多小区系统中的分布式覆盖，由此解决静态分簇方式下CoMP系统中遇到的瓶颈。因此，以用户为中心的分簇方式在CoMP系统的实际实现中有重要作用。

然而，在以用户为中心的CoMP系统中，由于基站协作簇的划分是从用户的角度，这样形成的协作簇与静态分簇下的CoMP系统中按照基站的地理位置进行协作簇划分不同。在这种情况下，簇内基站进行信息交换后，每个基站获知的用户信道状态信息集合是不同的，同时，基站间的协作存在于整个网络，并非静态分簇中基站间协作仅限于协作簇内的基站间的情况。因此，不能直接采用静态分簇中将协作簇内的基站视为协作的虚拟MIMO系统进行簇内干扰抑制的方法，这样给干扰抑制带来困难。此外，将现有的利用本地信道状态信息的干扰抑制方法直接用于以用户为中心的多基站系统，并不能充分利用协作簇内基站间共享的部分信息。因此，需要根据以用户为中心的分簇下信道状态信息的特点以及簇内共享信息的方式进行干扰抑制的设计，从而提升系统性能。

发明内容

本发明为了解决以用户为中心的多基站协作干扰抑制问题，在协作波束赋形的传输方式下，提出了一种以用户为中心的多基站协作干扰抑制方法，是一种以用户为中心的多基站协作系统中由协作信息计算、共享和利用组成的两级干扰抑制方法，它能够有效地利用协作簇内基站间共享的部分信息，并且在网络大小方面具有可扩展性。

以用户为中心的多基站协作系统包含N个基站BS_b，K个单天线用户MS_u；b为基站编号b=1、2、3、……、N；u为用户编号，u=1、2、3、……、K；各基站均具有T个发射天线。以用户为中心划分基站协作簇，令用户MS_u对应的基站协作簇内的基站集合为C_u；向用户MS_u传输数据的基站为B_u，B_u∈C_u；基站BS_b接入的用户集合为U_b，U_b中接收基站传输数据的用户集合为M_b（基站服务的用户集合）；在以用户为中心的多基站协作系统中，簇内干扰由两部分组成，一是当基站服务多个用户时造成的多用户干扰，二是在同一基站协作簇的其他基站造成的小区内干扰，本发明中进行处理的簇内干扰为第二种情况的干扰；则本发明中的以用户为中心的多基站协作干扰抑制方法通过下述步骤实现：

步骤1：基站BS_b通过上行训练得到自身到用户集合U_b内各个用户MS_u的信道状态信息h_ub；h_ub为基站BS_b到用户MS_u的信道状态信息；

步骤2：基站BS_b根据自身到用户MS_u的信道状态信息h_ub，得到h_ub的共轭转置随后基站BS_b通过分布式预编码设计方法（如VirtualSINR预编码）进行初始预编码的设计，得到基站BS_b到各个用户的预编码（这里的预编码包含了发射功率的分配），其中，基站BS_b到用户集合M_b中各个用户MS_i初始预编码为MS_i∈M_b，i∈u；基站BS_b到其余用户MS_j的初始预编码为且为T×1的零向量，即0^T×1，j∈u，且j≠i。

步骤3：在基站BS_b接入的用户集合不包含基站服务用户的集合，即{U_b-M_b}中，若用户MS_k，MS_k∈{U_b-M_b}对应的基站协作簇中，除了基站BS_b还有其它基站时，即|C_k|≥2时(|C_k|表示基站集合C_k内的基站个数)，则基站BS_b传输数据过程中对用户MS_k造成簇内干扰，通过计算得到基站BS_b对用户MS_k造成的簇内干扰值为(||·||表示Frobenius范数）；若用户MS_k对应的基站协作簇中具有除基站BS_b外没有其它基站，即|C_k|＝1时，则表示用户MS_k无簇内干扰，定义簇内干扰值为0。

步骤4：在以用户MS_u为中心，形成的基站协作簇C_u中，非B_u的基站BS_l（这里BS_l∈C_u,BS_l≠B_u）将之前计算出的对用户MS_u造成的簇内干扰值共享给基站B_u。

步骤5：对基站B_u接收到的其他基站对用户MS_u造成的所有簇内干扰值进行统计计算，得到：BS_l∈C_u，BS_l≠B_u,MS_v∈M_l。

步骤6：通过初始设计的预编码，可得到基站BS_b服务的用户MS_i的数据率R(i)为：

$R\left(i\right)={\log }_2(1+\frac{{\left|\right|h_{\mathrm{ib}}^H{w}_{\mathrm{ib}}^0\left|\right|}^2}{\underset{\underset{{\mathrm{MS}}_n\≠{\mathrm{MS}}_i}{{\mathrm{MS}}_n\∈M_b}}{\mathrm{\Σ}}{\left|\right|h_{\mathrm{ib}}^H{w}_{\mathrm{ib}}^0\left|\right|}^2+\underset{\underset{{\mathrm{BS}}_l\≠{\mathrm{BS}}_b}{{\mathrm{BS}}_l\∈C_i}}{\mathrm{\Σ}}\underset{{\mathrm{MS}}_v\∈M_l}{\mathrm{\Σ}}{\left|\right|h_{\mathrm{il}}^H{w}_{\mathrm{vl}}^0\left|\right|}^2+N_0})---\left(1\right)$

其中，N₀为接收天线噪声功率，为用户MS_i接收到的有用信号功率，为基站BS_b向它服务用户的集合M_b中除了用户MS_i的其他用户MS_n发送预编码时，对用户MS_i造成的簇内干扰（上文中簇内干扰中的第一种情况），为其他基站BS_l（BS_l≠BS_b）对用户MS_i造成的簇内干扰（上文中簇内干扰的第二种情况，即本专利中处理的簇内干扰）。基站BS_b服务用户集合M_b内的所有用户的和数据率被表示为当基站BS_b获知它服务的用户MS_i（MS_i∈M_b）受到的来自于其他基站BS_l（BS_l∈C_i,BS_l≠BS_b）的簇内干扰值时，基站BS_b按照下列方法更新基站BS_b到它服务用户集合中用户MS_i的预编码w_ib：将获知的其他基站造成的簇内干扰值作为式子（1）中的簇内干扰参考值，在确保更新后的预编码给基站协作簇内的其他基站的服务用户造成的簇内干扰值，不大于初始预编码造成的簇内干扰值的约束条件下，求解出使最大时，对应的预编码w_ib，并将w_ib作为最终传输的预编码向量，求解可以表示为：

$\begin{array}{c}\underset{w_{\mathrm{ib}}}{\max }\underset{{\mathrm{MS}}_i\∈M_b}{\mathrm{\Σ}}R\left(i\right)=\underset{w_{\mathrm{ib}}}{\max }\underset{{\mathrm{MS}}_i\∈M_b}{\mathrm{\Σ}}{\log }_2(1+\frac{{\left|\right|h_{\mathrm{ib}}^H{w}_{\mathrm{ib}}\left|\right|}^2}{\underset{\underset{{\mathrm{MS}}_n\≠{\mathrm{MS}}_i}{{\mathrm{MS}}_n\∈M_b}}{\mathrm{\Σ}}{\left|\right|h_{\mathrm{ib}}^H{w}_{\mathrm{nb}}\left|\right|}^2+\underset{\underset{{\mathrm{BS}}_l\≠{\mathrm{BS}}_b}{{\mathrm{BS}}_l\∈C_i}}{\mathrm{\Σ}}\underset{{\mathrm{MS}}_v\∈M_l}{\mathrm{\Σ}}{\left|\right|h_{\mathrm{il}}^H{w}_{\mathrm{vl}}^0\left|\right|}^2+N_0})\\ s.t.\underset{{\mathrm{MS}}_i\∈M_b}{\mathrm{\Σ}}{\left|\right|w_{\mathrm{ib}}\left|\right|}^2\≤P_0\\ \underset{{\mathrm{MS}}_i\∈M_b}{\mathrm{\Σ}}{\left|\right|h_{\mathrm{jb}}^H{w}_{\mathrm{ib}}\left|\right|}^2\≤\underset{{\mathrm{MS}}_i\∈M_b}{\mathrm{\Σ}}{\left|\right|h_{\mathrm{jb}}^H{w}_{\mathrm{ib}}^0\left|\right|}^2,{\∀\mathrm{MS}}_j\∈\{U_b-M_b\}\end{array}---\left(2\right)$

其中，P₀为基站最大传输功率；约束条件中的为单基站功率约束， $\underset{{\mathrm{MS}}_i\∈M_b}{\mathrm{\Σ}}{\left|\right|h_{\mathrm{jb}}^H{w}_{\mathrm{ib}}\left|\right|}^2\≤\underset{{\mathrm{MS}}_i\∈M_b}{\mathrm{\Σ}}{\left|\right|h_{\mathrm{jb}}^H{w}_{\mathrm{ib}}^0\left|\right|}^2,{\∀\mathrm{MS}}_j\∈\{U_b-M_b\}$ 为簇内干扰约束条件，表示基站BS_b采用更新后的预编码，在服务它的用户时对它接入的其他用户造成的簇内干扰值，表示基站BS_b采用初始预编码，在服务它的用户时对它接入的其他用户造成的簇内干扰值。

本发明提出的用于以用户为中心的多基站协作系统中的干扰抑制方法，其优点是：

（1）本发明解决了以用户为中心的多基站协作系统中的干扰抑制问题。相对于静态分簇的多基站协作系统，以用户为中心的多基站系统中的各个基站获知的信道状态信息集合差异明显，采用现有的静态分簇下的预编码进行干扰抑制，并不能得到较好的性能，需要针对以用户为中心分簇后基站端的信道状态信息获知情况的特点进行设计预编码达到干扰抑制的目标。相比于以用户为中心分簇方式中的基站在协作簇内共享信息的方法，本发明的方法在协作簇内进行协作信息计算、共享和利用，充分利用协作簇内基站间共享的部分信息；

（2）本发明提出的干扰抑制方法，可以拓展到多小区场景，不受限于小区数；

（3）本发明提出的干扰抑制方法对初始预编码以及更新预编码的方法并没有约束，可以找到低复杂度的解决方法；

（4）本发明是两级方法，但不是设计两次预编码进行传输。本发明在进行簇内协作信息的计算、共享和利用后，进行预编码的设计，作为最终传输的预编码。

附图说明

图1是现有技术中七小区情况下多基站协作系统的示意图；

图2是本发明以用户为中心的多基站协作系统的示意图；

图3是本发明的方法流程图。

具体实施方式

本发明提出一种以用户为中心的多基站协作系统中的干扰抑制方法，下面结合附图对本发明进行详细说明。

实施例：多基站协作系统包含2个单天线基站BS₁与基站BS₂，4个单天线用户{MS₁,MS₂,MS₃,MS₄}；其中，用户MS₁与MS₄分别为基站BS₁与BS₂的中心用户；用户MS₂与用户MS₃分别为基站BS₁与BS₂的边缘用户。多基站协作系统的分簇已经完成，对于每个用户MS_k,(k＝1,2,...,4)，其基站协作簇内的基站集合 考虑CoMP中的CB（CoordinatedBeamforming）情况，每个用户仅被一个基站服务，对于用户，用表示用户MS_k的主服务基站，分别是则本发明以用户为中心的多基站协作干扰抑制方法，通过下述几个步骤完成：

步骤1：分簇后，基站BS₁得到它到用户MS₁、MS₂与MS₃的信道状态信息，以及基站BS₂到用户MS₂、MS₃的信道状态信息；基站BS₂获知它到用户MS₂、MS₃与MS₄的信道状态信息，以及基站BS₁到用户MS₂、MS₃的信道状态信息。

步骤2：基站端采用现有的分布式预编码方法——VirtualSINR（VSINR）预编码进行初始预编码的设计：

基站BS₁到用户MS₁、MS₂、MS₃及MS₄的预编码，基站BS₂到用户MS₁、MS₂、MS₃及MS₄的预编码；

步骤3：得到初始预编码后，基站BS₁计算它服务用户MS₁与MS₂时，给用户MS₃带去的簇内干扰值，基站BS₂计算它服务用户MS₃与MS₄时，给用户MS₂带去的簇内干扰值。

步骤4：根据分簇，用户MS₁与用户MS₄各自被基站BS₁与基站BS₂单独服务，用户MS₂与用户MS₃的基站协作簇均为{BS₁,BS₂}，在协作簇内，基站BS₁带给用户MS₃的簇内干扰值共享给基站BS₂，基站BS₂带给用户MS₂的簇内干扰值共享给基站BS₁；

步骤5：基站BS₁可统计出它在服务用户MS₂时，受到基站BS₂的簇内干扰值；基站BS₂可统计出它在服务用户MS₃时，受到基站BS₁的簇内干扰值；

步骤:6：基站BS₁和基站BS₂得到共享后的簇内干扰值后，分别以最大化用户MS₁和用户MS₂的和数据率以及用户MS₃和用户MS₄的和数据率，对原有的预编码进行更新，这里，采用分布式预编码方法，以最大化被基站服务用户的和数据率为目标对预编码进行更新，同时保证基站更新后的预编码对其他接入但不被这个基站服务的用户的干扰值不大于之前的初始预编码带来的干扰值。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种以用户为中心的多基站协作干扰抑制方法，其特征在于：假设以用户为中心的多基站协作系统包含N个基站BS_b，K个单天线用户MS_u；b为基站编号b＝1，2，3，……，N；u为用户编号，u＝1，2，3，……，K；各基站均具有T个发射天线；以用户为中心划分基站协作簇，令用户MS_u对应的基站协作簇内的基站集合为C_u；向用户MS_u传输数据的基站为B_u，B_u∈C_u；基站BS_b接入的用户集合为U_b，U_b中接收基站传输数据的用户集合为M_b；对于同一基站协作簇内除基站B_u外的其他基站造成的小区间干扰，通过下述方法进行抑制：

步骤1：基站BS_b通过上行训练得到自身到用户集合U_b内各个用户MS_u的信道状态信息h_ub；h_ub为基站BS_b到用户MS_u的信道状态信息；

步骤2：基站BS_b根据自身到用户MS_u的信道状态信息h_ub，得到h_ub的共轭转置随后基站BS_b通过分布式预编码设计方法进行初始预编码的设计，得到基站BS_b到各个用户的预编码，其中，基站BS_b到用户集合M_b中各个用户MS_i初始预编码为MS_i∈M_b，i∈u；基站BS_b到其余用户MS_j的初始预编码为且为T×1的零向量，即0^T×1，且j≠i；

步骤3：在基站BS_b接入的用户集合不包含基站服务用户的集合，即集合{U_b-M_b}中，若用户MS_k对应的基站协作簇中，MS_k∈{U_b-M_b}，除了基站BS_b还有其它基站时，即|C_k|≥2时，则基站BS_b传输数据过程中对用户MS_k造成簇内干扰，通过计算得到基站BS_b对用户MS_k造成的簇内干扰值为||·||表示Frobenius范数；若用户MS_k对应的基站协作簇中具有除基站BS_b外没有其它基站，即|C_k|＝1时，则表示用户MS_k无簇内干扰，定义簇内干扰值为0；|C_k|表示基站集合C_k内的基站个数；

步骤4：在以用户MS_u为中心，形成的基站协作簇C_u中，非B_u的基站BS_l将之前计算出的对用户MS_u造成的簇内干扰值共享给基站B_u，其中BS_l∈C_u,BS_l≠B_u；

步骤5：对基站B_u接收到的其他基站对用户MS_u造成的所有簇内干扰值进行统计计算，得到：BS_l∈C_u，BS_l≠B_u,MS_v∈M_l；

步骤6：通过初始设计的预编码，得到基站BS_b服务的用户MS_i的数据率R(i)为：

$R\left(i\right)={\log }_2(1+\frac{\left|\right|h_{ib}^H{w}_{ib}^0|{|}^2}{\underset{{\mathrm{MS}}_n\≠{\mathrm{MS}}_i}{\underset{{\mathrm{MS}}_n\∈M_b}{\mathrm{\Σ}}}\left|\right|h_{ib}^H{w}_{nb}^0|{|}^2+\underset{{\mathrm{BS}}_l\≠{\mathrm{BS}}_b}{\underset{{\mathrm{BS}}_l\∈C_i}{\mathrm{\Σ}}}\underset{{\mathrm{MS}}_v\∈M_l}{\Σ}\left|\right|h_{il}^H{w}_{vl}^0|{|}^2+N_0})---\left(1\right)$

其中，N₀为接收天线噪声功率，为用户MS_i接收到的有用信号功率，为基站BS_b向它服务用户的集合M_b中除了用户MS_i的其他用户MS_n发送预编码时，对用户MS_i造成的簇内干扰，为其他基站BS_l对用户MS_i造成的簇内干扰，其中BS_l≠BS_b；基站BS_b服务用户集合M_b内的所有用户的和数据率被表示为当基站BS_b获知它服务的用户MS_i受到的来自于其他基站BS_l的簇内干扰值时，基站BS_b按照下列方法更新基站BS_b到它服务用户集合中用户MS_i的预编码w_ib，MS_i∈M_b，BS_l∈C_i,BS_l≠BS_b；将获知的其他基站造成的簇内干扰值作为式子(1)中的簇内干扰参考值，在确保更新后的预编码给基站协作簇内的其他基站的服务用户造成的簇内干扰值，不大于初始预编码造成的簇内干扰值的约束条件下，求解出使最大时，对应的预编码w_ib，并将w_ib作为最终传输的预编码向量，求解表示为：

$\underset{w_{ib}}{max}\underset{{\mathrm{MS}}_i\∈M_b}{\Σ}R\left(i\right)=\underset{w_{ib}}{max}\underset{{\mathrm{MS}}_i\∈M_b}{\Σ}{\log }_2(1+\frac{\left|\right|h_{ib}^H{w}_{ib}|{|}^2}{\underset{{\mathrm{MS}}_n\≠{\mathrm{MS}}_i}{\underset{{\mathrm{MS}}_n\∈M_b}{\mathrm{\Σ}}}\left|\right|h_{ib}^H{w}_{nb}|{|}^2+\underset{{\mathrm{BS}}_l\≠{\mathrm{BS}}_b}{\underset{{\mathrm{BS}}_l\∈C_i}{\mathrm{\Σ}}}\underset{{\mathrm{MS}}_v\∈M_l}{\Σ}\left|\right|h_{il}^H{w}_{vl}^0|{|}^2+N_0})---\left(2\right)$

$s.t.\underset{{\mathrm{MS}}_i\∈M_b}{\Σ}\left|\right|w_{ib}|{|}^2\≤P_0$

$\underset{{\mathrm{MS}}_i\∈M_b}{\Σ}\left|\right|h_{jb}^H{w}_{ib}|{|}^2\≤\underset{{\mathrm{MS}}_i\∈M_b}{\Σ}|\left|h_{jb}^H{w}_{ib}^0\right|{|}^2,\∀{\mathrm{MS}}_j\∈\{U_b-M_b\}$

其中，P₀为基站最大传输功率；约束条件中的为单基站功率约束， $\underset{{\mathrm{MS}}_i\∈M_b}{\Σ}\left|\right|h_{jb}^H{w}_{ib}|{|}^2\≤\underset{{\mathrm{MS}}_i\∈M_b}{\Σ}|\left|h_{jb}^H{w}_{ib}^0\right|{|}^2,\∀{\mathrm{MS}}_j\∈\{U_b-M_b\}$ 为簇内干扰约束条件，表示基站BS_b采用更新后的预编码，在服务它的用户时对它接入的其他用户造成的簇内干扰值，表示基站BS_b采用初始预编码，在服务它的用户时对它接入的其他用户造成的簇内干扰值。

2.根据权利要求1所述的一种以用户为中心的多基站协作干扰抑制方法，其特征在于：所述的分布式预编码设计方法选择为VirtualSINR预编码方法。