CN103825677B - 一种骨干网容量受限时的多基站协作传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异构网中骨干网容量受限的多基站下行协作传输方法，包括步骤1：计算等效信道、CoMP‑JP模式、CoMP‑CB模式基于P‑ZFBF的归一化等效预编码；步骤2：构造混合协作预编码；将CoMP‑JP、CoMP‑CB模式进行复数加权组合，得到基站0和基站1对用户k的混合预编码向量；步骤3：根据用户0和用户1的数据率加权系数α₀和α₁，骨干网容量C_bh，基站0和基站1的最大发射功率和计算在满足骨干网有限容量、基站端最大发射功率的条件下，最大的加权和数据率α₀R₀+α₁R₁以及对应的协作传输方法；步骤4：根据步骤3的结果计算最优加权和数据率；本发明自适应地选择加权和数据率最大的协作模式，从而达到最优的性能。

Description

一种骨干网容量受限时的多基站协作传输方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及异构网下行传输场景，具体涉及一种骨干网容量受限时的多基站协作传输方法。

背景技术

研究数据表明，全球移动数据流量在2011年至2016年期间可能会增长18倍，平均每年增长比例为78%，增大网络容量最直接的方法就是部署更多的基站。为了满足数据业务需求，移动网络运营商在数据量需求高的地区布置额外的基站，为了减少开销，在布置基站的同时还要与现有的网络结构兼容^[2]。因此，未来移动通信系统将具有异构网（HetNet,Heterogeneous Network）结构，即系统将由传统的宏（Macro）基站和不同类型的低功率基站构成。常见的低功率基站包括微（Micro）基站、毫微（Pico）基站、家庭（Femto）基站和远程射频节点（RRH,Remote Radio Head），将其统称为微基站。通过引入低功率基站，异构网能够获得更大的小区分裂增益，进而提高整个网络的容量。

目前的移动通信系统中，小区使用频分复用或部分频率复用或软频率复用，未来的移动通信系统为了提高频谱效率，使用全频复用，导致小区间干扰（ICI,Inter-CellInterference）非常严重。尤其是异构网中宏基站与微基站的发射功率差异很大，宏小区与微小区之间的小区间干扰是异构网中需要解决的关键问题之一^[2]。第3代合作伙伴计划（3GPP,3^rdGeneration Partnership Project）的Release8和Release10分别在频域和时域提出消除干扰的方法，在3GPP LTE的Release11中提出协作多点（CoMP,CoordinatedMulti-Point）传输技术，能够充分利用系统的时频资源，通过基站间的相互协作在空域消除小区间干扰，具有较大的系统性能提升潜力^[2]。CoMP下行传输可以分为两类：联合处理（Joint Processing,JP）和协作波束成型（Coordinated Beamforming,CB）^[3]。对于CoMP-JP，协作基站之间共享所有用户的全部数据信息和信道信息，通过对所有用户的数据进行联合传输，在消除小区间干扰的同时，有效地增强了信号能量。对于CoMP-CB，协作基站之间只需要共享信道信息，而不需要共享用户的数据信息，因此每个基站只需计算其服务用户的单小区预编码，用于消除小区间干扰。

在理论分析中，如果假设骨干网理想，即骨干网容量不受限而且具有零延时，那么当协作基站使用最优传输方案时，CoMP-JP可以提供比CoMP-CB更好的数据率性能。但是在许多实际系统中，骨干网容量受限而且有很大的延时，此时CoMP-JP的性能不一定会优于CoMP-CB，这种非理想骨干网成为实现下行CoMP传输潜在性能增益的瓶颈。而异构网中部署的低成本小基站会面临更严峻的骨干网问题，进而会造成更严重的瓶颈。

比较两种技术的特点可知，CoMP-JP的阵列增益高，但是需要已知所有协作用户的数据信息，因此共享数据量较大；CoMP-CB的阵列增益低，但是只需已知服务用户的数据信息，因此共享数据量较少。在现有的文献中，有一些文献研究了如何有效地利用CoMP系统中有限容量骨干网的问题，并提出了一些方法。例如，可以自适应地选择CoMP传输节点，或者合理地选择协作基站以及协作簇大小。从信息论的角度考虑，充分利用骨干网的最优方法是进行与rate splitting有关的部分数据共享，但是这种方法的复杂度过高，不适用于实际系统。

参考文献：

[1]Cisco.Cisco visual networking index:Global mobile data trafficforecast update,2011-2016[OL].

http://www.cisco.com/en/US/solutions/collateral/ns341/ns525/ns537/ ns705/ns827/white_paper_c11-520862.html.2012.2

[2]Holma H and Toskala A.LTE-Advanced:3GPP solution for IMT-Advanced[M].New York:John Wiley&Sons,2012.

[3]Yang Chen-yang,Han Sheng-qian,Hou Xue-ying,et al..How to DesignCoMP to Achieve its Promised Potential?[J].IEEE Wireless CommunicationMagazine,2012,Accepted.

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种异构网中骨干网容量受限的多基站下行协作传输方法，为了充分利用有限容量的骨干网链路，同时减小算法的实现复杂度，本发明研究了user-wise部分数据共享方法，即把部分用户的全部数据在一部分协作基站中全部共享，而不是在基站端把每个用户的数据分为公共数据和私有数据进行共享。基于信道伪逆的迫零波束成型（P-ZFBF,Pseudo-inverse based zero-forcing beamforming）是一种可以有效地实现CoMP性能增益的低复杂度方法。基于P-ZFBF，本发明提出一种异构网中骨干网容量受限的多基站协作传输方法，本方法可以结合CoMP-JP和CoMP-CB的优点，在达到高协作增益的同时减少对骨干网的需求。

一种异构网中骨干网容量受限的多基站下行协作传输方法，包括以下几个步骤：

步骤1：计算等效信道、CoMP-JP模式、CoMP-CB模式基于P-ZFBF的归一化等效预编码；

步骤2：构造混合协作预编码；将CoMP-JP、CoMP-CB模式进行复数加权组合，得到基站0和基站1对用户k的混合预编码向量；

步骤3：根据用户0和用户1的数据率加权系数α₀和α₁，骨干网容量C_bh，基站0和基站1的最大发射功率和计算在满足骨干网有限容量、基站端最大发射功率的条件下，最大的加权和数据率α₀R₀+α₁R₁以及对应的协作传输方法；

步骤4：根据步骤3的结果计算最优加权和数据率；

本发明的优点在于：

（1）在数据共享的角度考虑，CoMP-JP的阵列增益高，但是需要已知所有协作用户的数据信息，因此数据共享量较大；CoMP-CB的阵列增益低，但是只需已知服务用户的数据信息，因此数据共享量较少。因此对于任意的用户需求，在骨干网容量受限的条件下，单一的CoMP-JP或CoMP-CB模式并不始终是最优的选择。本发明提出的混合协作预编码方法能同时利用CoMP-JP和CoMP-CB的优点，在满足骨干网有限容量和基站端最大发射功率约束时，自适应地选择加权和数据率最大的协作模式，从而达到最优的性能；

（2）本发明提出的异构网下的混合协作预编码方法，能够充分利用宏基站和微基站的发射功率，从而达到更高的频谱效率；根据异构网的特点，不同类型基站的最大发射功率差别很大，在单基站功率约束下，CoMP-JP协作模式的宏基站发射功率受限于微基站最大发射功率，导致宏基站的功率利用率较低，可达频谱效率较低；CoMP-CB协作模式的宏基站和微基站发射功率彼此不受限，但是其阵列增益低，可达频谱效率较低；本发明的混合协作预编码方法可以充分利用CoMP-JP阵列增益高和CoMP-CB基站功率充分利用的优点，达到更高的频谱效率。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明的三小区异构网示意图；

图3是本发明的单次信道实现且骨干网容量为C_bh=20bps/Hz时的容量域；

图4是本发明的单次信道实现且骨干网容量为C_bh=5bps/Hz时的容量域；

图5是本发明的方法与CoMP-JP和CoMP-CB方法在α₀=0.4，α₁=0.6，骨干网容量为C_bh=20bps/Hz时的平均加权数据率比较图；

图6是本发明的方法与CoMP-JP和CoMP-CB方法在α₀=0.4，α₁=0.6，骨干网容量为C_bh=5bps/Hz时的平均加权数据率比较图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

面向多小区异构网系统，即1个宏基站和B个微基站，宏基站和微基站端分别有M和N根天线，下述中，基站0代表宏基站，基站b代表微基站，其中b=1,…,B；小区内用户使用正交接入方案，即每个基站在一个时频资源上只调度一个用户；考虑B个微小区为稀疏分布，因此微小区之间不存在干扰，微用户只受宏基站干扰，宏用户只受相邻最近的微基站干扰，假设该微基站为基站1；宏小区和微小区组成一个协作簇；

本发明提出一种异构网中骨干网容量受限的多基站下行协作传输方法，流程如图1所示，包括以下几个步骤：

步骤1：计算等效信道、CoMP-JP模式、CoMP-CB模式基于P-ZFBF的归一化等效预编码。

1.计算等效信道

基站0、基站1到宏小区用户（用户0）和第1个微小区用户（用户1）的等效信道为：

h_k0=Q·g_k0,h_k1=g_k1,(k=0,1)

其中：和分别表示宏基站0和微基站1到用户k的下行信道向量，表示复数域，表示宏基站到所有对宏用户无干扰的微用户k（k=2,…,B）的信道矩阵的正交投影，用以保证宏基站对其不造成干扰，其中I表示单位矩阵，是宏基站0到微用户k（k=2,…,B）的下行信道矩阵，(·)^H表示矩阵的共轭转置。

2.CoMP-JP模式下的P-ZFBF归一化等效预编码

其中：H=[h₀,h₁]^H表示基站0和基站1到用户0和用户1的全局等效信道矩阵，表示基站0和基站1到用户k的全局等效信道向量，(·)^T表示矩阵的转置，U^jp表示基于P-ZFBF的CoMP-JP等效预编码矩阵，满足HU^jp=I_2×2，即用户间无干扰，表示基站0和基站1到用户k的基于P-ZFBF的CoMP-JP等效全局预编码向量，k=0,1。

对基于P-ZFBF的CoMP-JP等效预编码矩阵进行列归一化，可以得到：

其中：表示CoMP-JP模式下，基站0和基站1对用户k的归一化等效全局预编码向量，表示CoMP-JP模式下，基站b对用户k的等效预编码向量，||·||表示矩阵的Frobenius范数。

3.CoMP-CB模式下的P-ZFBF归一化等效预编码

其中：b=0,1，H_b=[h_0b,h_1b]^H表示基站b到用户0和用户1的等效信道矩阵，表示基站b基于P-ZFBF的CoMP-CB等效预编码矩阵，满足即用户间无干扰，表示基站b到用户k的基于P-ZFBF的CoMP-CB等效预编码向量，k=0,1。

对基于P-ZFBF的CoMP-CB等效预编码矩阵进行列归一化，可以得到：

其中：表示CoMP-CB模式下，基站b对用户k的归一化等效预编码向量，k=0,1，b=0,1。

步骤2：构造混合协作预编码。将CoMP-JP、CoMP-CB模式进行复数加权组合，得到基站0和基站1对用户k的混合预编码向量：

其中：和在步骤1中已经得到，分别表示CoMP-JP模式、CoMP-CB模式中基站0和基站1对用户k基于P-ZFBF的归一化等效预编码向量，和分别表示CoMP-JP模式、CoMP-CB模式中基站0和基站1对用户k的预编码向量的复数加权系数。表示基站b对用户k的混合预编码向量，b=0,1，表示基站0和基站1对用户k的全局混合预编码向量。

步骤3：根据用户0和用户1的数据率加权系数α₀和α₁，骨干网容量C_bh，基站0和基站1的最大发射功率和计算在满足骨干网有限容量、基站端最大发射功率的条件下，最大的加权和数据率α₀R₀+α₁R₁以及对应的协作传输方法。

计算混合预编码时用户0和用户1端的数据率为：

其中：σ²是用户接收端加性高斯白噪声的方差，和的计算方法在步骤1中给出，log₂(·)表示以2为底的对数函数，k=0,1，|·|表示取绝对值。。

计算基站0和基站1的发射功率P_t,0和P_t,1为：

其中：表示将表达式的值从k=0到1进行求和。

计算基站b以CoMP-CB模式并满功率发射服务用户k时的数据率为：

计算用户1的数据率为0的条件下，在满足骨干网有限容量C_bh和基站端最大发射功率约束时，用户0可以实现的最大数据率其中min(·,·)表示取最小值的函数，表示用户1的数据率为0的条件下，满足基站端最大发射功率约束时用户0的最大数据率，是以下优化问题的最优解：

根据可以计算得到对应的最优加权系数为：和

定义以下函数：

f₁(R₀)=α₀R₀+α₁(C_bh-R₀)

其中：表示任意给定用户0的数据率R₀时，用户1的最大数据率。

按照以下步骤依次计算，寻找使加权和数据率最优的协作传输方法。

1、计算

（1.1）如果α₀≥α₁，则用户0同时被基站0和基站1服务，

<1>如果R₀=C_bh，则R₁=0，即用户1不被服务，

<2>如果则即用户1被两个基站服务，且由数据率的公式反推得到加权系数和

（1.2）如果α₀<α₁，则用户0不被服务，用户1同时被两个基站服务，即R₀=0，R₁=C_bh，由数据率的公式反推得到加权系数和

（1.3）根据(1.1)和(1.2)，计算得到：

并可以由(1.1)和(1.2)中的计算得到对应的使f₁(R₀)最大的各项加权系数。

2、计算

用户0和用户1均同时被两个基站服务，在R₀的取值范围内，使用一维搜索算法，例如黄金分割法，寻找的最大值，其中表示给定用户0的数据率R₀时用户1的最大数据率，是以下优化问题的最优解：

其中：Im{·}表示复数的虚部，求解该优化问题可以得到对应的最优加权系数。

黄金分割法的具体步骤如下：

<1>初始搜索区间为[a,b]，其中令r₁=0.382b,r₂=0.618b，计算f₂(r₁)和f₂(r₂)，进行步骤<2>。

<2>如果f₂(r₁)<f₂(r₂)，保持变量a不变，令b=r₂；否则，如果f₂(r₁)≥f₂(r₂)，保证变量b不变，令a=r₁。在更新后的区间中插入两点r₁=a+0.382(b-a),r₂=a+0.618(b-a)，并重新计算f₂(r₁)和f₂(r₂)，进行步骤<3>。

<3>如果|a-b|≥ε，其中ε为搜索精度，则重复步骤<2>，否则进行步骤<4>。

<4>计算用户0和用户1的最优数据率且最大加权和数据率为：

并可以得到对应的各项最优加权系数。

3、计算

（3.1）用户0和用户1分别被基站1和基站0以CoMP-CB模式服务，此时 下面判断和与C_bh的大小关系，计算对应的

<1>如果则

<2>如果则

<3>如果则

<4>如果则

可以计算得到在该模式下的加权和数据率为：

（3.2）用户0被基站0和基站1服务，用户1不被服务，即R₁=0，此时其中和在前面已介绍，此时加权和数据率为：

（3.3）比较(3.1)和(3.2)中最终得到的加权和数据率，计算如下：

其中：max(·,·)表示表最大值的函数，根据(3.1)和(3.2)中的介绍得到对应的最优加权因子。

4、计算

（4.1）用户0和用户1分别被基站0和基站1以CoMP-CB模式服务，此时 下面判断和与C_bh的大小关系，计算对应的

<1>如果则

<2>如果则

<3>如果则

<4>如果则

可以计算得到在该模式下的加权和数据率为：

（4.2）用户0被基站0和基站1服务，用户1不被服务，即R₁=0，此时其中和在前面已介绍，此时加权和数据率为：

（4.3）比较(4.1)和(4.2)中最终得到的加权和数据率，计算如下：

并可以根据(4.1)和(4.2)中的介绍得到对应的最优加权因子。

步骤4：根据步骤3的结果计算最优加权和数据率为：

并得到对应的最优加权系数和计算得到最优的混合预编码为：

根据最优加权系数的取值，可以得到以下几种骨干网数据共享方式和服务模式：

1.如果表示用户k由基站0和1以CoMP-JP模式协作传输，那么对任意的取值，均要求用户k的全部数据在基站0和基站1之间共享；

2.如果表示用户k同时被基站0和基站1以CoMP-CB模式协作传输，要求用户k的全部数据在基站0和基站1之间共享；

3.如果表示用户k被基站0以CoMP-CB模式服务，不被基站1服务，用户k的全部数据只与基站0共享；

4.如果表示用户k被基站1以CoMP-CB模式服务，不被基站0服务，用户k的全部数据只与基站1共享。

实施例：

本发明提出一种异构网下骨干网容量受限的混合协作预编码方法，其流程图如图1所示。实施例中使用matlab仿真平台，对本方法的性能进行仿真分析，仿真场景如图2所示，异构网包括1个宏小区和2个微小区，宏基站最大发射功率为46dBm，有4根天线，微基站最大发射功率为30dBm，有2根天线，每个小区内有1个单天线用户。主要步骤如下：

面向上述3小区异构网系统，2个微小区之间不存在干扰，2个微用户只受到宏基站（基站0）干扰，宏用户（用户0）只受第1个微基站（基站1）干扰，不受第2个微基站（基站2）干扰。本发明提出一种异构网中骨干网容量受限的协作传输方法，包括以下几个步骤：

步骤1：计算等效信道、CoMP-JP模式、CoMP-CB模式基于P-ZFBF的归一化等效预编码。

1.计算等效信道

基站0、基站1到用户0和第1个微小区用户（用户1）的等效信道为：

h_k0=Qg_k0,h_k1=g_k1,(k=0,1)

其中：和分别表示基站0和基站1到用户k的下行信道向量，Q=I-g₂₀ ^H(g₂₀g₂₀ ^H)^-1g₂₀表示宏基站到第2个微小区用户（用户2）的信道的正交投影，用以保证宏基站对用户2不造成干扰。

2.CoMP-JP模式下的P-ZFBF归一化等效预编码

其中：H=[h₀,h₁]^H表示基站0和基站1到用户0和用户1的全局等效信道矩阵，表示基站0和基站1到用户k的全局等效信道向量，k=0,1，U^jp表示基于P-ZFBF的CoMP-JP等效预编码矩阵，满足HU^jp=I_2×2，即用户间无干扰，表示基站0和基站1到用户k的基于P-ZFBF的CoMP-JP等效全局预编码向量，k=0,1。

对基于P-ZFBF的CoMP-JP预编码矩阵进行列归一化：

其中：k=0,1，表示CoMP-JP模式下，基站0和基站1对用户k的归一化等效全局预编码向量，表示CoMP-JP模型下，基站b对用户k的预编码向量，||·||表示矩阵的Frobenius范数。

3.CoMP-CB模式下的P-ZFBF归一化等效预编码

其中：b=0,1，H_b=[h_0b,h_1b]^H表示基站b到用户0和用户1的等效信道矩阵，表示基站b基于P-ZFBF的CoMP-CB等效预编码矩阵。满足即用户间无干扰，表示基站b到用户k的基于P-ZFBF的CoMP-CB等效预编码向量，k=0,1。

对基于P-ZFBF的CoMP-CB预编码矩阵进行列归一化：

其中：表示CoMP-CB模式下，基站b对用户k的归一化等效预编码向量，k=0,1，b=0,1。

步骤2：构造混合协作预编码。将CoMP-JP、CoMP-CB模式进行复数加权组合，得到基站0和基站1对用户k的混合预编码向量：

其中：和在步骤1中已经详细介绍，分别表示CoMP-JP模式、CoMP-CB模式中基站0和基站1对用户k基于P-ZFBF的归一化等效预编码向量，和分别表示CoMP-JP模式、CoMP-CB模式中基站0和基站1对用户k的预编码向量的复数加权系数。表示基站b对用户k的混合预编码向量，表示基站0基站1对用户k的全局混合预编码向量。

步骤3：根据用户0和用户1的数据率加权系数α₀和α₁，骨干网容量C_bh，基站0和基站1的最大发射功率和计算在满足骨干网有限容量、基站端最大发射功率的条件下，最大的加权和数据率α₀R₀+α₁R₁以及对应的协作传输方法。

计算用户0和用户1端的混合预编码时的数据率为：

其中：σ²是用户接收端加性高斯白噪声的方差，和的计算方法在步骤1中给出，log₂(·)表示以2为底的对数函数，k=0,1，|·|表示取绝对值。

计算基站0和基站1的发射功率为：

其中：表示将表达式的值从k=0到1进行求和。

计算基站b以CoMP-CB模式并满功率发射服务用户k时的数据率为：

计算用户1的数据率为0的条件下，在满足骨干网有限容量C_bh和基站端最大发射功率约束时，用户0的最大数据率其中min(·,·)表示取最小值的函数，表示用户1的数据率为0的条件下，满足基站端最大发射功率约束时用户0的最大数据率，是以下优化问题的最优解：

根据可以计算得到对应的最优加权系数为：和

定义以下函数：

f₁(R₀)=α₀R₀+α₁(C_bh-R₀)

其中：表示任意给定用户0的数据率R₀时，用户1的最大数据率。

按照以下步骤依次计算，寻找使加权和数据率最优的协作传输方法。

1、计算

（1.1）如果α₀≥α₁，则用户0同时被基站0和基站1服务，

<1>如果R₀=C_bh，则R₁=0，即用户1不被服务，

<2>如果则即用户1被两个基站服务，且由数据率的公式反推得到加权系数和

（1.2）如果α₀<α₁，则用户0不被服务，用户1同时被两个基站服务，即R₀=0，R₁=C_bh，由数据率的公式反推得到加权系数和

（1.3）根据(1.1)和(1.2)中的介绍，可以计算得到：

并可以由(1.1)和(1.2)中的计算得到对应的使f₁(R₀)最大的各项加权系数。

2、计算

用户0和用户1均同时被两个基站服务，在R₀的取值范围内，使用一维搜索算法，例如黄金分割法，寻找的最大值，其中表示给定用户0的数据率R₀时用户1的最大数据率，是以下优化问题的最优解：

其中：Im{·}表示复数的虚部，可以得到对应的各项最优加权系数。

黄金分割法的具体步骤如下：

<1>初始搜索区间为[a,b]，其中令r₁=0.382b,r₂=0.618b，计算f₂(r₁)和f₂(r₂)，进行步骤<2>。

<2>如果f₂(r₁)<f₂(r₂)，保持变量a不变，令b=r₂；否则，如果f₂(r₁)≥f₂(r₂)，保证变量b不变，令a=r₁。在更新后的区间中插入两点r₁=a+0.382(b-a),r₂=a+0.618(b-a)，并重新计算f₂(r₁)和f₂(r₂)，进行步骤<3>。

<3>如果|a-b|≥ε，其中ε为搜索精度，则重复步骤<2>，否则进行步骤<4>。

<4>计算用户0和用户1的最优数据率且最大加权和数据率为：

并可以得到对应的各项最优加权系数。

3、计算

（3.1）用户0和用户1分别被基站1和基站0以CoMP-CB模式服务，此时 下面判断和与C_bh的大小关系，计算对应的

<1>如果则

<2>如果则

<3>如果则

<4>如果则

可以计算得到在该模式下的加权和数据率为：

（3.2）用户0被基站0和基站1服务，用户1不被服务，即R₁=0，此时其中和在前面已介绍，此时加权和数据率为：

（3.3）比较(3.1)和(3.2)中最终得到的加权和数据率，计算如下：

其中：max(·,·)表示表最大值的函数，根据(3.1)和(3.2)中的介绍得到对应的最优加权因子。

4、计算

（4.1）用户0和用户1分别被基站0和基站1以CoMP-CB模式服务，此时 下面判断和与C_bh的大小关系，计算对应的

<1>如果则

<2>如果则

<3>如果则

<4>如果则

可以计算得到在该模式下的加权和数据率为：

（4.2）用户0被基站0和基站1服务，用户1不被服务，即R₁=0，此时其中和在前面已介绍，此时加权和数据率为：

（4.3）比较(4.1)和(4.2)中最终得到的加权和数据率，计算如下：

并根据(4.1)和(4.2)得到对应的最优加权因子。

步骤4：根据步骤3的结果计算最优加权和数据率为：

并得到对应的最优加权系数和计算得到最优的混合预编码为：

根据最优加权系数的取值，可以得到以下几种骨干网数据共享方式和服务模式：

1.如果表示用户k由基站0和1以CoMP-JP模式协作传输，那么对任意的取值，均要求用户k的全部数据在基站0和基站1之间共享；

2.如果表示用户k同时被基站0和基站1以CoMP-CB模式协作传输，要求用户k的全部数据在基站0和基站1之间共享；

3.如果表示用户k被基站0以CoMP-CB模式服务，不被基站1服务，用户k的全部数据只与基站0共享；

4.如果表示用户k被基站1以CoMP-CB模式服务，不被基站0服务，用户k的全部数据只与基站1共享。

图3和图4给出了骨干网容量分别为20bps/Hz和5bps/Hz时单次信道实现下的混合模式、CoMP-CB和CoMP-JP模式的可达数据率域曲线，图3中骨干网数据率未达到容量上界20bps/Hz，此时本发明的混合协作预编码方法可以充分地利用宏基站和微基站的发射功率，因此极大地增大了可达数据率域；图4中骨干网容量很小，此时本发明的混合协作预编码方法退化为CoMP-JP和CoMP-CB之间的模式切换。图5和图6是100次信道实现的平均最大加权和数据率-边缘信噪比曲线，混合协作预编码方法的加权和数据率始终大于CoMP-JP和CoMP-CB模式，在骨干网容量很小（图6）时，CoMP-JP受限于骨干网容量，所以在高信噪比条件下，本发明提出的混合协作预编码方法退化为CoMP-CB模式。

Claims (1)

1.一种异构网中骨干网容量受限的多基站下行协作传输方法，面向多小区异构网系统，即1个宏基站和B个微基站，宏基站和微基站端分别有M和N根天线，设基站0代表宏基站，基站b代表微基站，其中b＝1,…,B；小区内用户使用正交接入方案，即每个基站在一个时频资源上只调度一个用户；微小区之间不存在干扰，微用户只受宏基站干扰，宏用户只受相邻最近的微基站干扰，假设该微基站为基站1；宏小区和微小区组成一个协作簇；

传输方法包括以下几个步骤：

步骤1：计算等效信道、CoMP-JP模式、CoMP-CB模式基于P-ZFBF的归一化等效预编码；

1.计算等效信道

基站0、基站1到宏小区用户(用户0)和第1个微小区用户(用户1)的等效信道为：

h_k0＝Q·g_k0,h_k1＝g_k1,(k＝0,1)

其中：和分别表示宏基站0和微基站1到用户k的下行信道向量，表示复数域，表示宏基站到所有对宏用户无干扰的微用户k的信道矩阵的正交投影，k＝2,…,B，其中I表示单位矩阵，是宏基站0到微用户k(k＝2,…,B)的下行信道矩阵，(·)^H表示矩阵的共轭转置；

2. CoMP-JP模式下的P-ZFBF归一化等效预编码

其中：H＝[h₀,h₁]^H表示基站0和基站1到用户0和用户1的全局等效信道矩阵，表示基站0和基站1到用户k的全局等效信道向量，k＝0,1，(·)^T表示矩阵的转置，U^jp表示基于P-ZFBF的CoMP-JP等效预编码矩阵，满足HU^jp＝I_2×2，即用户间无干扰，表示基站0和基站1到用户k的基于P-ZFBF的CoMP-JP等效全局预编码向量，k＝0,1；

对基于P-ZFBF的CoMP-JP等效预编码矩阵进行列归一化：

其中：k＝0,1，表示CoMP-JP模式下，基站0和基站1对用户k的归一化等效全局预编码向量，表示CoMP-JP模式下，基站b对用户k的等效预编码向量，||·||表示矩阵的Frobenius范数；

3.CoMP-CB模式下的P-ZFBF归一化等效预编码

其中：b＝0,1，H_b＝[h_0b,h_1b]^H表示基站b到用户0和用户1的等效信道矩阵，表示基站b基于P-ZFBF的CoMP-CB等效预编码矩阵，满足即用户间无干扰，表示基站b到用户k的基于P-ZFBF的CoMP-CB等效预编码向量，k＝0,1；

对基于P-ZFBF的CoMP-CB等效预编码矩阵进行列归一化：

其中：表示CoMP-CB模式下，基站b对用户k的归一化等效预编码向量，k＝0,1，b＝0,1；

步骤2：构造混合协作预编码；将CoMP-JP、CoMP-CB模式进行复数加权组合，得到基站0和基站1对用户k的混合预编码向量：

其中：和在步骤1中已经得到，分别为：表示CoMP-JP模式下，基站0和基站1对用户k基于P-ZFBF的归一化等效预编码向量；表示CoMP-CB模式下，基站0对用户k基于P-ZFBF的归一化等效预编码向量；表示CoMP-CB模式下，基站1对用户k基于P-ZFBF的归一化等效预编码向量；和分别表示：表示CoMP-JP模式下，基站0和基站1对用户k的预编码向量的复数加权系数；表示CoMP-CB模式下，基站0对用户k的预编码向量的复数加权系数；表示CoMP-CB模式下，基站1对用户k的预编码向量的复数加权系数；表示基站b对用户k的混合预编 码向量，b＝0,1，表示基站0和基站1对用户k的全局混合预编码向量；

步骤3：根据用户0和用户1的数据率加权系数α₀和α₁，骨干网容量C_bh，基站0和基站1的最大发射功率和计算在满足骨干网有限容量、基站端最大发射功率的条件下，最大的加权和数据率α₀R₀+α₁R₁以及对应的协作传输方法；

计算混合预编码时用户0和用户1端的数据率为：

其中：σ²是用户接收端加性高斯白噪声的方差，和的计算方法在步骤1中给出，log₂(·)表示以2为底的对数函数，k＝0,1，|·|表示取绝对值；

计算基站0和基站1的发射功率P_t,0和P_t,1为：

其中：表示将表达式的值从k＝0到1进行求和；

计算基站b以CoMP-CB模式并满功率发射服务用户k时的数据率为：

计算用户1的数据率为0的条件下，在满足骨干网有限容量C_bh和基站端最大发射功率约束时，用户0的最大数据率其中min(·,·)表示取最小值的函数，表示用户1的数据率为0的条件下，满足基站端最大发射功率约束时用户0的最大数据率，是以下优化问题的最优解：

max R₀

根据计算得到对应的最优加权系数为：和

定义以下函数：

f₁(R₀)＝α₀R₀+α₁(C_bh-R₀)

其中：表示任意给定用户0的数据率R₀时，用户1的最大数据率；

按照以下步骤依次计算，寻找使加权和数据率最优的协作传输方法；

1、计算

(1.1)如果α₀≥α₁，则用户0同时被基站0和基站1服务，

<1>如果R₀＝C_bh，则R₁＝0，即用户1不被服务，

<2>如果则即用户1被两个基站服务，且由数据率的公式反推得到加权系数和

(1.2)如果α₀＜α₁，则用户0不被服务，用户1同时被两个基站服务，即R₀＝0，R₁＝C_bh，由数据率的公式反推得到加权系数和

(1.3)根据(1.1)和(1.2)，计算得到：

并可以由(1.1)和(1.2)中的计算得到对应的使f₁(R₀)最大的各项加权系数；

2、计算

用户0和用户1均同时被两个基站服务，在R₀的取值范围内，使用一维搜索算法，具体为黄金分割法，寻找的最大值，其中表示给定用户0的数据率R₀时用户1的最大数据率，是以下优化问题的最优解：

其中：Im{·}表示复数的虚部，求解该优化问题可以得到对应的最优加权系数；

黄金分割法的具体步骤如下：

<1>初始搜索区间为[a,b]，其中a＝0，令r₁＝0.382b,r₂＝0.618b，计算f₂(r₁)和f₂(r₂)，进行步骤<2>；

<2>如果f₂(r₁)＜f₂(r₂)，保持变量a不变，令b＝r₂；否则，如果f₂(r₁)≥f₂(r₂)，保证变量b不变，令a＝r₁；在更新后的区间中插入两点r₁＝a+0.382(b-a),r₂＝a+0.618(b-a)，并重新计算f₂(r₁)和f₂(r₂)，进行步骤<3>；

<3>如果|a-b|≥ε，其中ε为搜索精度，则重复步骤<2>，否则进行步骤<4>；

<4>计算用户0和用户1的最优数据率且最大加权和数据率为：

并可以得到对应的各项最优加权系数；

3、计算

(3.1)用户0和用户1分别被基站1和基站0以CoMP-CB模式服务，此时 判断和与C_bh的大小关系，计算对应的

<1>如果则

<2>如果则

<3>如果则

<4>如果则

计算得到在该模式下的加权和数据率为：

(3.2)用户0被基站0和基站1服务，用户1不被服务，即R₁＝0，此时其中和在前面已介绍，此时加权和数据率为：

(3.3)比较(3.1)和(3.2)中最终得到的加权和数据率，计算如下：

其中：max(·,·)表示表最大值的函数，根据(3.1)和(3.2)中得到对应的最优加权因子；

4、计算

(4.1)用户0和用户1分别被基站0和基站1以CoMP-CB模式服务，此时 判断和与C_bh的大小关系，计算对应的

<1>如果则

<2>如果则

<3>如果则

<4>如果则

可以计算得到在该模式下的加权和数据率为：

(4.2)用户0被基站0和基站1服务，用户1不被服务，即R₁＝0，此时此时加权和数据率为：

(4.3)比较(4.1)和(4.2)中最终得到的加权和数据率，计算如下：

并根据(4.1)和(4.2)得到对应的最优加权因子；

步骤4：根据步骤3的结果计算最优加权和数据率为：

并得到对应的最优加权系数和计算得到最优的混合预编码为：

根据最优加权系数的取值，得到以下几种骨干网数据共享方式和服务模式：

1.如果表示用户k由基站0和1以CoMP-JP模式协作传输，那么对任意的取值，均要求用户k的全部数据在基站0和基站1之间共享；

2.如果表示用户k同时被基站0和基站1以CoMP-CB模式协作传输，要求用户k的全部数据在基站0和基站1之间共享；

3.如果表示用户k被基站0以CoMP-CB模式服务，不被基站1服务，用户k的全部数据只与基站0共享；

4.如果表示用户k被基站1以CoMP-CB模式服务，不被基站0服务，用户k的全部数据只与基站1共享。