CN103873121B - 基于波束动态关闭的异构小小区空分干扰协同方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波束动态关闭的异构小小区空分干扰协同方法，实现的方法是，对宏基站采用两层预编码方案，第一层是基于信道相关信息的DFT预编码，用来减弱宏基站对小小区用户群干扰；第二层是基于宏基站第一层预编码后等效信道设计的多用户MIMO预编码，用来消除宏基站的用户间干扰。而小小区基站的多用户预编码可以根据小小区具体情况设计。该方案相对于传统方案，能高效抑制宏小区和小小区之间的跨层干扰，同时降低了回程开销，尤其当宏基站配置大规模天线阵列。

Description

基于波束动态关闭的异构小小区空分干扰协同方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于波束动态关闭的异构小小区空分干扰协同方法。

背景技术

随着智能终端普及应用及移动新业务需求持续增长，无线传输速率需求将在今后10年呈指数增长，据主要运营商和权威咨询机构预测，至2020年无线通信的传输速率需求将是目前在营系统的1000倍。现有4G技术将仍然难以满足十年后超高传输速率移动互联无线通信需求，在频谱资源日趋紧缺的情况下，需要引入变革性的新技术。世界各国在推动4G产业化工作的同时，已开始着眼于第五代无线移动通信技术（5G）的研究，力求使无线移动通信系统性能和产业规模产生新的飞跃。

随着世界各国5G研究的启动，网络构架演进的总体趋势已比较明朗。未来移动通信网络将具有异构网络分层覆盖和小小区密集部署的基本特征。通过具有更小覆盖半径的小小区的稠密部署，显著降低了无线通信链路的传输损耗，由此网络的整体性能将获得大幅度提升，同时可有效解决室内覆盖和热点覆盖问题。业界初步研究成果表明，网络的整体吞吐量理论上可随着小小区半径的缩小成倍增长，但由此会引发严重的移动性管理和干扰管理问题。小小区的密集部署，使得移动用户在小小区之间以及小小区与宏小区之间频繁进行水平切换，从而对网络带来复杂的移动性管理开销。虽然小小区在宏小区覆盖范围内的密集部署能带来显著的空分复用增益，但同时也面临复杂的干扰问题，特别是小小区与宏小区之间将形成严重的跨层干扰。

通过协同MIMO设计的空分干扰抑制是解决异构小小区网络干扰的最有效方法，理论上可大幅提升网络的频效和能效性能，但该方法的实施通常需要宏微基站之间共享或交互瞬时信道信息。由于未来移动通信网络中小小区的部署将具有自组织性，微基站和宏基站之间在很多场景下很难建立高速率且稳定的回程链路，这对应用协同MIMO带来了挑战。但注意到新一代移动通信很可能采用大规模MIMO技术，即至少将在宏基站侧部署远大于4G规模的天线阵列，由此信道特性将发生明显的变化。已有的大量研究表明，大规模MIMO信道将具有很高的空间分辨性以及时间稳定性，这为异构小小区网络中协同MIMO的应用提供了契机，有望实现只基于宏微基站间统计信息的交互实现高效的空分干扰抑制。已有理论研究证明，但基站侧天线数足够多的时候，这种策略的协同MIMO可以获得非常接近基于瞬时信道信息交互的空分干扰抑制性能。

为此本发明提出一种基于波束动态关闭的异构小小区空分干扰协同方法，能有效地减小宏小区和小小区之间的跨层干扰，同时降低了回程开销。

发明内容

技术问题：针对实际系统宏小区和小小区之间的跨层干扰，本文提出一种基于波束动态关闭的异构小小区空分干扰协同方法，能有效地减小宏基站对小小区基站的干扰影响，同时降低了回程开销。

技术方案：一种基于波束动态关闭的异构小小区空分干扰协同方法，包括如下步骤：

步骤一、小小区基站测量小小区中心位置与宏基站的相关信道R，将计算的R作为该小小区用户的参考统计信道；

步骤二、小小区基站根据相关信道R，从码本集合中选出宏基站对其干扰影响最大的b的码本标号；

步骤三、宏基站根据小小区基站发送的码本标号，提出该码本标号后从剩余码本设计宏基站的第一层与编码；

步骤四、宏基站根据第一层预编码和宏小区用户瞬时信道设计第二层多用户预编码V；

步骤五、小小区基站根据其覆盖范围内具体情况设计预编码。

本发明采用上述技术方案，能有效地减小宏小区和小小区之间的跨层干扰，同时降低了回程开销。本发明的普通MIMO仿真结果见图3～图6，3D MIMO的仿真结构见图7～图8。

附图说明

图1为本发明实施例的系统场景图；

图2为本发明中宏基站MBS双层预编码方案流程图；

图3为本发明中SAP预编码方案流程图；

图4为本发明中小小区用户吞吐量(bit/s/Hz)随宏基站天线变化；

图5为本发明中宏基站用户吞吐量(bit/s/Hz)随宏基站天线变化；

图6为本发明中小小区周围存在MUE时用户吞吐量(bit/s/Hz)随宏基站发射功率变化；

图7为本发明（三维信道场景）中宏基站用户吞吐量(bit/s/Hz)随宏基站天线变化；图8为本发明（三维信道场景）中小小区用户吞吐量(bit/s/Hz)随宏基站天线变化；

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

考虑由一个宏基站(MBS)、K个小小区基站(SAP)组成的下行链路系统场景，其中包含M个宏基站服务用户（MUE）、M_s个SAP服务用户（SUE），如图1所示。MBS天线数为N_t，SAP天线数为N_{t_small}，用户天线数均为1，同时为简单起见考虑单个子载波情况，其他场景可类似推广。

考虑由MBS和SAP产生的频谱复用，即MBS和SAP之间会相互干扰。则用户MUE的接收信号矢量y_m和用户SUE的接收信号矢量y_s分别如下所示：

y_s(i)＝H_s(i)V_s(i)d_s(i)+H_ms(i)P_md_m+n_s(i) (2)

其中i=1,…,K表示SAP的标号，表示MBS对其M个服务用户(MUE)的信道状态矩阵，表示第i个SAP对其服务的M_s(i)个用户(SUE)的信道状态矩阵，表示第i个SAP对MUE的干扰信道状态矩阵，表示MBS对第i个SAP覆盖区域M_s(i)个SUE的干扰信道状态矩阵。表示MBS的预编码矩阵且s表示输入协方差矩阵的秩（如MBS发送给其服务用户MUE的独立数据流的数目），同理V_s(i)表示第i个SAP的预编码矩阵。n_m和n_s(i)分别表示MBS服务用户的噪声矢量和第i个SAP服务用户的噪声矢量。

需要指出的是，上述收发信号建模忽略了SAP覆盖区域相互之间的同层干扰，这是由于我们主要考虑SAP之间有一定间隔的非稠密场景并且SAP发射功率相对较低，但MBS和SAP之间的跨层干扰将严重影响系统性能。由于SAP部署在MBS覆盖范围内，因此SAP服务用户可能受到MBS的严重干扰。解决该问题的途径之一是优化设计MBS的预编码矩阵P_m，通过空分的方式抑制跨层干扰，考虑到MBS覆盖范围大且有可能布置较多的天线，因而这种空分的跨层干扰抑制方案将有效。另一方面，处在SAP覆盖范围附近的MBS服务用户也会收到来自SAP的干扰，尤其在SAP未采用覆盖扩展（Range Expansion）的场景下，因此在一些场景下SAP也需要在设计预编码或波束成形时考虑对MBS服务用户的干扰抑制。

本发明采用基于DFT码本的波束动态关闭空分干扰抑制。宏基站MBS采用一种双层预编码方案，第一层是基于相关信息的DFT预编码，用来减弱MBS对SAP服务用户群干扰；第二层是基于第一层预编码后等效信道设计的多用户MIMO预编码，用来消除MBS服务的用户间干扰。而SAP的多用户预编码可以根据SAP覆盖范围内具体情况设计。这样MBS的预编码矩阵可以表示为：

其中为第一层预编码，用来消除MBS对SAP服务用户的干扰，表示剔除对SAP用户干扰最强的b个波束向量后的波束矩阵。这里N为DFT码本集合数量，b为剔除码本数量，取决于MBS覆盖范围SAP的数量以及干扰情况。V_m∈C^(N-b)×s表示第二层预编码。

MBS第一层预编码设计

利用DFT码本来设计MBS第一层预编码。令码本集合为W＝[u₁,…,u_N]，N为码本数，且码本向量

MBS第一层预编码设计的准则是，对于SAP内的用户k，选取u_n使得

其中h_k表示MBS对SAP服务用户k的信道矩阵，式(5)表示选出MBS对该用户干扰最大的码本向量。

当采用DFT码本时，式(5)转化为

其中C为DFT码本集合，R_k表示该用户信道的相关矩阵，u_n对应码本索引为PMI_n。当需要剔除b个码本向量时，就将使式(6)最大的b个码本索引发给MBS。MBS以剔除b个最大干扰码本后选取的码本矩阵作为第一层预编码矩阵

这里剔除的干扰码本数b的确定方法有两种：

（1）方法一是根据SAP相对MBS发射角内所占波束主瓣数量来剔除SAP服务用户受干扰的码本。这里，SAP覆盖范围所占MBS的发射角为

其中r为SAP的覆盖半径，s为SAP距离MBS的距离。

每个码本矢量所占的平均辐射角度为

这样，剔除的码本数b近似为

其中表示不小于x的最小整数。

（2）方法二是根据MBS干扰功率的阈值来确定剔除干扰码本数量。定义MBS第n个码本矢量对SAP用户的相对干扰功率为：

其中表示MBS第n个码本矢量对该SAP用户的干扰功率，E表示SAP用户有效信号的接收功率。当Ir_n大于设定阈值时便将码本n剔除，因此剔除的码本集合W为

W＝{u_n|Ir_n＞thr,u_n∈C} (11)

其中thr为某一设定的阈值，这样剔除的码本数b即为集合W中的元素个数。

SAP统计信道的参考信道设计

另一方面，利用SAP覆盖范围很小的特点，通过分析发现通常同一SAP服务的几个用户与MBS的信道统计特性非常相似，由此SAP只需要把代表性的统计信道信息共享给MBS就能有效实施上述方法，进一步降低了回程开销。

参考信道的设计主要有两种，一种是从地理位置考虑，如以SAP中心位置的信道统计信息代替该SAP服务用户的统计信道，SAP只需将接入点位置的信道统计信息发送给MBS来设计第一层预编码，这种方法反馈量比较小，在SAP覆盖范围小的情况下误差比较小；另一种方法可以采用SAP服务用户的平均统计信道作为参考信道，即每个SAP用户先将各自的统计信道发送给SAP，由SAP计算出平均统计信道再发送给MBS来设计第一层预编码。

MBS第二层预编码设计

MBS第二层预编码根据等效信道来设计，在经过第一层预编码后，MBS服务用户的等效信道为

其中

V采用多用户预编码来设计，本文采用MMSE，则MBS用户的接收信号为

则根据MMSE准则，第二层预编码为：

其中为发送数据功率，为噪声功率。进行归一化

V_m＝βV′_m (15)

其中缩放因子为：

整个两层编码的方案流程如图2所示。

需要说明的是当1个MBS覆盖区域中有多个SAP布置时，需要将这些SAP受到的干扰码本标号发送给MBS，这时剔除的码本标号是这些反馈标号的并集，其他设计流程类似。

SAP对MBS服务用户的干扰抑制方案设计

经过前两步MBS预编码的设计减弱了MBS对SAP服务用户（SUE）的干扰，而SAP对MBS服务用户（MUE）的干扰尚未处理。当MBS服务用户离SAP距离比较远的时候，SAP对MBS服务用户产生的干扰可以忽略不计；当MBS服务用户在SAP附近时，受到的干扰比较大，这时SAP可以采用信漏噪比(Signal to Leakage and Noise Ratio,SLNR)来减弱对MBS服务用户的干扰。

为简便起见，假设一个SAP场景，定义MBS用户k受到SAP的相对干扰为：

其中Pr_s(k)和Pr_m(k)分别表示MBS用户k接收到的SAP干扰功率和MBS的有效功率。当相对干扰I_ref(k)大于某一阈值λ时，附近的SAP就将考虑对该用户的干扰而进行SLNR设计预编码。

在SAP的SLNR干扰抑制方案中选择波束矩阵V_s，使得满足如下条件：

其中R_s表示SAP用户的统计信道，表示MBS用户i的统计信道，T表示受到SAP干扰大于阈值的MBS服务用户标号集合。同时相应的满足E[SLNR]最大的SAP预编码矩阵为如下：

其中υ_max(X)表示X的最大特征值对应的特征向量。这样SAP的预编码流程图如图3所示

同理，本发明方案同样适用于3D MIMO场景，其中只需将宏基站的第一层预编码稍作修改即可。将其扩展到UPA天线下的三维多用户码本设计中，一种可行的方案是由垂直方向和水平方向的DFT码字进行直积得到最终的三维多用户MIMO的码字。若基站端垂直方向和水平方向阵元数分别为N_tv和N_th，垂直码本与水平码本个数分布为N_v和N_h，则直积码本可以表示为以下形式：

垂直码本：

水平码本：

直积码本：

基站端天线为UPA阵列时，3D MIMO DFT直积码本在水平、垂直方向进行波束赋型，三维空间被精细划分。通过基站端部署较多天线，利用信道统计特性设计第一层预编码。同二维类似，仍然采用剔除码本的方法，可以采用小小区相对宏基站发射角内所占波束主瓣数量或是按小小区用户所受的干扰阈值来剔除小小区用户受干扰的码本。对于第一种方法，为了简单起见，我们将小小区所在的扇区所对应的码本剔除，剔除的水平码本数bh确定方法同二维，则总剔除码本数为：b＝b_h×b_v。

基站端第二层预编码设计以及小小区自身的预编码设计思路与二维类似，此处便不再重复。

本发明的普通MIMO仿真结果见图3～图6，3D MIMO的仿真结构见图7～图8。从仿真结果可以看出本发明能明显减小宏小区和小小区之间的跨层干扰。

Claims (4)

1.一种基于波束动态关闭的异构小小区空分干扰协同方法，其特征在于：

步骤一、小小区基站(SAP)测量小小区中心位置与宏基站(MBS)的相关信道R，将计算的相关信道R作为该小小区用户的参考统计信道；

步骤二、小小区基站根据相关信道R，从码本集合中选出宏基站对其干扰影响最大的b个码本标号，反馈给宏基站；

步骤三、宏基站根据小小区基站发送的码本标号，剔除该码本标号后从剩余码本集合设计宏基站的第一层预编码；

步骤四、宏基站根据第一层预编码和宏小区用户瞬时信道设计第二层多用户预编码V；

步骤五、小小区基站根据其覆盖范围内具体情况设计预编码；

其中步骤三中宏基站第一层预编码设计方案如下：

宏基站MBS采用一种双层预编码方案，第一层是基于相关信息的DFT预编码，用来减弱MBS对SAP服务用户群干扰；第二层是基于第一层预编码后等效信道设计的多用户MIMO预编码，用来消除MBS服务的用户间干扰；而SAP的多用户预编码根据SAP覆盖范围内具体情况设计；这样MBS的预编码矩阵表示为：

$P_m={\stackrel{\‾}{W}}_m{V}_m---\left(3\right)$

其中为第一层预编码，用来消除MBS对SAP服务用户的干扰，表示剔除对SAP用户干扰最强的b个波束向量后的波束矩阵；这里N为DFT码本集合数量，b为剔除码本数量，取决于MBS覆盖范围SAP的数量以及干扰情况；V_m∈C^(N-b)×s表示第二层预编码；

MBS第一层预编码设计

利用DFT码本来设计MBS第一层预编码；令码本集合为W＝[u₁,…,u_N]，N为码本数，且码本向量

$u_n=\frac{1}{\sqrt{N_t}}{\left[\begin{array}{cccc}1& e^{j2\mathrm{\π}n/N}& ...& e^{j2\mathrm{\π}(N_t-1)n/N}\end{array}\right]}^T,n=1,...,N---\left(4\right)$

MBS第一层预编码设计的准则是，对于SAP内的用户k，选取u_n使得

$\begin{array}{cc}\underset{u_n}{max}& E\[\left|\right|h_k^H{u}_n|{|}_F^2\]\end{array}---\left(5\right)$

其中h_k表示MBS对SAP服务用户k的信道矩阵，式(5)表示选出MBS对该用户干扰最大的码本向量；

当采用DFT码本时，式(5)转化为

$\begin{array}{cc}\underset{u_n\∈C}{max}& u_n^H{R}_k{u}_n\end{array}---\left(6\right)$

其中C为DFT码本集合，R_k表示该用户信道的相关矩阵，u_n对应码本索引为PMI_n；当需要剔除b个码本向量时，就将使式(6)最大的b个码本索引发给MBS；MBS以剔除b个最大干扰码本后选取的码本矩阵作为第一层预编码矩阵

MBS第二层预编码设计

MBS第二层预编码根据等效信道来设计，在经过第一层预编码后，MBS服务用户的等效信道为

${\tilde{H}}_m=H_m\stackrel{\‾}{W}---\left(12\right)$

其中H_m＝[h_m(1),…,h_m(M)]^T

V采用多用户预编码来设计，本文采用MMSE，则MBS用户的接收信号为

$y_m={\tilde{H}}_m{V}_m{d}_m+n---\left(13\right)$

则根据MMSE准则，第二层预编码为：

$V_m^{\′}={\tilde{H}}_m^H{({\tilde{H}}_m{\tilde{H}}_m^H+\frac{{\mathrm{\σ}}_n^2}{{\mathrm{\σ}}_c^2}I)}^{-1}---\left(14\right)$

其中为发送数据功率，为噪声功率；进行归一化

V_m＝βV′_m (15)

其中缩放因子为：

$\mathrm{\β}=\sqrt{\frac{N_t}{trace\left(V_m^{\′}{V}_m^{\′H}\right)}}---\left(16\right)$

其中步骤五中小小区基站的预编码方案设计如下：

(a)当小小区附近的宏小区用户受到其相对干扰I_ref(k)小于阈值λ时，小小区基站对宏小区服务用户产生的干扰可以忽略不计，小小区基站采用一般多用户预编码设计来为本小小区用户服务；

(b)当小小区附近的宏小区用户受到其相对干扰I_ref(k)大于阈值λ时，采用进行信漏噪比SLNR设计预编码，该小小区的预编码矩阵为：

$V_s={\mathrm{\υ}}_{max}\[{(\underset{i\∈T}{\Σ}{R}_m^i+I)}^{+}{R}_s\]$

其中

R_s表示小小区用户的统计信道；

表示宏小区用户i的统计信道；

T表示受到小小区基站干扰大于阈值的宏小区服务用户标号集合；

υ_max(X)表示X的最大特征值对应的特征向量；

表示宏小区用户k受到小小区基站的相对干扰，其中Pr_s(k)和Pr_m(k)分别表示该宏小区用户k接收到的SAP干扰功率和MBS的有效功率。

2.根据权利要求1所述的基于波束动态关闭的异构小小区空分干扰协同方法，其特征在于，其中步骤一中小小区用户的相关信道R的计算方法如下：

参考统计信道的设计主要有两种，一种是从地理位置考虑，以SAP中心位置用户与宏基站的信道统计信息代替该SAP服务用户的统计信道，SAP只需将接入点位置的信道统计信息发送给MBS来设计第一层预编码，这种方法反馈量比较小，在SAP覆盖范围小的情况下误差比较小；另一种方法可以采用SAP服务用户的平均统计信道作为参考统计信道，即每个SAP用户先将各自的统计信道发送给SAP，由SAP计算出平均统计信道再发送给MBS来设计第一层预编码。

3.根据权利要求1所述的基于波束动态关闭的异构小小区空分干扰协同方法，其特征在于，其中步骤二中所需剔除的码本数b确定方法有两种，分别为：

(a)方法一是根据SAP相对MBS发射角内所占波束主瓣数量来剔除SAP服务用户受干扰的码本，即

其中

表示SAP覆盖范围所占MBS的发射角，r为SAP的覆盖半径，s为SAP距离MBS的距离；

表示每个码本矢量所占的平均辐射角度，N表示码本数；

表示不小于x的最小整数；

(b)方法二是根据MBS干扰功率的阈值来确定剔除干扰码本数量，即b为剔除码本集合W＝{u_n|Ir_n＞thr,u_n∈C}的元素个数；

其中

表示MBS第n个码本矢量对SAP用户的相对干扰功率；

表示MBS第n个码本矢量对该SAP用户的干扰功率；

E表示SAP用户有效信号的接收功率；

thr为某一设定的干扰阈值。

4.根据权利要求1所述的基于波束动态关闭的异构小小区空分干扰协同方法，其特征在于，当系统采用3D MIMO时，方法需改变其中步骤二和步骤三DFT码本集合和剔除码本数b；即剔除的码本数变为b＝b_h×b_v，同时采用的码本为直积码本，具体如下

垂直码本：

水平码本：

直积码本：

其中

m＝0,...,N_v-1表示垂直码本标号，n＝0,...,N_h-1表示水平码本标号；

N_tv表示宏基站垂直方向的阵元数，N_th表示水平方向阵元数；

N_v表示垂直码本个数，N_h表示水平码本个数；

b_h表示水平码本中需剔除的码本个数，b_v表示垂直码本中需剔除的码本个数。