CN104135315A

CN104135315A - 基于LTE-Advanced系统的下行CoMP混合协作通信方法

Info

Publication number: CN104135315A
Application number: CN201410400436.XA
Authority: CN
Inventors: 李卓明; 刘宇琦; 田纯阳; 王鹏; 沙学军; 吴玮
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2014-08-14
Filing date: 2014-08-14
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2034-08-14
Also published as: CN104135315B

Abstract

基于LTE-Advanced系统的下行CoMP混合协作通信方法，涉及通信领域。是为了解决现有蜂窝小区由于频率复用而产生的边缘用户小区间干扰强，小区边缘用户吞吐量低，小区边缘覆盖受限的问题。LTE-Advanced系统下行CoMP技术可以有效地减轻小区间干扰，并通过互联相邻的多个基站和合并多天线信号以改善小区边界覆盖。混合协作方案，对于小区边缘用户，采用CoMP-JP来改善小区边缘糟糕的通信质量；并对其他用户采用CoMP-CB方案以减弱小区间干扰。本发明适用于基于LTE-Advanced系统的下行CoMP混合协作通信场合。

Description

基于LTE-Advanced系统的下行CoMP混合协作通信方法

技术领域

本发明涉及通信领域，具体涉及LTE-Advanced(Long Term Evolution-Advanced)系统下行CoMP方案的实现。

背景技术

为了提高小区边缘链路质量，减少小区间干扰，传统蜂窝网提出了许多解决方案，如软切换、频率规划、智能接收机设计及一些资源分配机制等。LTE利用小区间干扰随机化、小区间干扰消除及小区间干扰协调机制削弱小区间干扰。相对于传统方案，另外一些可以有效提高小区平均吞吐量和小区边缘吞吐量的技术，如协作通信、分布式天线系统、小区间协作、网络MIMO等技术也相继被提出，这些技术的本质都是通过联合处理把干扰变成有用信号。LTE-Advanced引入了分布式MIMO的概念，提出了协作多点传输技术。协作多点(CoMP)技术能够充分利用分布式多天线信道独立的优点，或者获得更高的空间复用增益，或者发送分集增益，从而有效提高链路吞吐量和可靠性。协作通信在根本上改变了无线链路的抽象概念，并且为无线通信网络提出显著的潜在优势。下行CoMP技术主要集中在传输方案、CSI上报、干扰测量和参考信号设计等几个方面的研究。

下行CoMP传输分为DPS(Dynamic Point Selection：动态点选择)、DPB(DynamicPoint Blanking：动态点消除)、JP(Joint Processing：联合处理)和CS/CB(CoordinatedScheduling/Beamforming：协调调度/波束形成)。DPS是指根据每个子帧的瞬时信道条件动态选择TP，选择链接质量最好的TP以利用信道随机变化。DPB可以与DPS相互协调用以获得更大的增益。通过DPB，识别并且动态地削减了协调区域用户的显性干扰(即被识别的TP不传输信号)。如果性能改进的收益大于损失，TP可以不传输信号(称为muted-TP)；否则，它应该保持积极的数据传输。JP代表两个或两个以上的TP在相同的时频资源给一个用户设备传输信号。JP分为相干和非相干两类，这取决于是否相干地结合来自多个TP的信号。相干JP在所有CoMP传输体制中提供最佳的性能，这是因为它完全消除了多个TP向联合调度的用户发送信号的干扰。JP模式需要协作基站间共享信道信息和数据信息，因此也带来了额外的系统开销。对于CS/CB模式，不同TP间的调度和波束赋形联合以减少干扰。协作调度决策(即选择指定你用户以提供数据传输)可以有助于减轻强烈干扰的条件。此外，一个合理的波束赋形权重选择可能会进一步减少干扰。理想情况下，调度和波束赋形选择应共同来优化系统性能。对于CS/CB模式，小区间只需要共享信道信息，需要终端对多个小区的信道进行测量和反馈。

对于整个网络，JP产生的信息交换的回程开销很大，因此JP通常应用于intra-eNodeB场景。而对于CS/CB，同一个协作集的每个小区需要交换CSI和调度信息，因此CS/CB受限于以上信息的回程开销。在性能上，JP和CS/CB平均小区频谱效率和小区边缘频谱效率上相对于非CoMP传输有显著增益。CS/CB的平均小区频谱效率比JP低，并且JP的小区边缘频谱效率优于CS/CB。

综上所述，LTE-Advanced系统的下行CoMP协作方案应有如下特征：

1)、方案简单：复杂的CoMP协作方案会导致较大的处理时延，大的处理时延不满足实时业务的要求，因此要求LTE-Advanced系统的下行CoMP协作方案具有简单可行的特点。

2)、减弱小区间干扰：LTE系统采用OFDM技术作为其核心技术，有效地消除了小区内干扰，很大程度地提高的频谱效率，但是并没有有效抑制小区间干扰。因此，在LTE-Advanced系统中提出了CoMP技术，通过干扰消除或者信号合并的方式将干扰信号转换为有用信号。

3)、提高边缘用户吞吐量：在LTE系统中，小区间干扰严重限制了小区边缘用户的吞吐量，CoMP-JP技术将干扰信号转换为有用信号，消除干扰的同时增大了接收信号的强度，有效地提高了小区边缘用户的吞吐量。

4)、适应性强：不同的用户由于位置和信道状态的不同而适合不同的CoMP传输模式。处于小区边缘的用户，由于距离服务基站较远而具有信号衰减大、干扰强等特点，因此适合采用CoMP-JP模式协作；而处于小区中心的用户离基站较近，信号不会有很大的衰减，因此适合采用CoMP-CB模式协作。

5)、信息交互量合理：对于整个网络，CoMP-JP会产生大量的信息交换，增加系统复杂性；大量的信息交换也会产生大的数据传输时延。因此，需要控制信息交换量，以降低系统复杂性。

现有的方案及优缺点：

目前，LTE-Advanced系统的下行CoMP技术研究主要集中在预编码方案研究、协作模式选择、用户调度、功率分配等几个方面的研究。主要优点体现在：降低小区间干扰、提升系统的频谱效率，特别是提高小区边缘用户的频谱效率。这些研究大多是单独针对CoMP-JP模式或者CoMP-CB模式的，而CoMP-JP模式和CoMP-CB模式分别适合不同类型的用户，因此，系统中只采用一种CoMP模式并不能适应于所有用户的需求。对所有用户采用CoMP-CB，则边缘用户的性能不能得到很好的改善；对所有用户采用CoMP-JP会产生大量的基站间信息交互，增加系统复杂性。

发明内容

本发明是为了解决现有LTE-Advanced系统下行CoMP协作方案的局限性、以及协作基站间信息交互量过大的问题，从而提供基于LTE-Advanced系统的下行CoMP混合协作通信方法。

基于LTE-Advanced系统的下行CoMP混合协作通信方法，在LTE-Advanced系统中，它由以下步骤实现：

步骤一、参数设置：设置基站间距离、系统传输带宽、基站发射功率、噪声功率谱密度、天线偏置角、基站发射天线数、终端接收天线数、每个小区的用户数和协作集尺寸的相关参数；

步骤二、网络生成：根据步骤一设置的参数生成蜂窝网络；将小区网格化，获得每个位置点到基站的距离，并得到每个位置点的所属小区；根据每个位置点相对于所属基站的三个扇区的角度，计算出该位置点的所属扇区；

生成用户，并得到用户的位置信息、所属小区、所属扇区、直连链路的天线增益、用户与基站之间的大尺度衰落和阴影衰落；

步骤三、协作小区选择，计算每个小区对中心小区的干扰强度，选择对中心小区干扰最强的小区作为该中心小区的协作小区；

步骤四、判断每个用户的信噪比与是否小于边缘用户判决门限γ，如果判断结果为是，则该用户为CoMP-JP用户，并执行步骤五；如果判断结果为否，则该用户为CoMP-CB用户，并执行步骤六；

边缘用户判决门限γ根据参数α确定，其中参数α为小区内CoMP-JP用户所占的比例；

步骤五、协作基站间共享数据信息，并执行步骤六；

步骤六、协作基站之间共享信道信息，并根据信道信息采用最大化SLNR方法计算CoMP-JP用户的预编码向量或CoMP-CB用户的预编码向量；对于CoMP-JP用户，执行步骤七；对于CoMP-CB用户，执行步骤八；

步骤七、CoMP-JP用户对接收信号进行信号合并，采用相干联合传输，将原本的干扰转换为有用信号，以及通过接收端对信号的合并，以增强接收信号的强度；实现基于LTE-Advanced系统的下行CoMP混合协作通信；

步骤八、根据步骤六计算的CoMP-CB用户的预编码向量对小区间干扰进行抑制，实现基于LTE-Advanced系统的下行CoMP混合协作通信。

本发明是一种应用于LTE-Advanced系统的权衡系统性能和系统复杂性的下行CoMP混合协作通信方法。相对于单模式下行CoMP协作方案，本发明的协作基站间信息交互量得以降低、系统复杂性大幅度降低、适应性得以提高。下行CoMP混合协作通信即指根据用户所在位置和信道状态等为用户选择适合CoMP协作模式。对于小区边缘用户，采用CoMP-JP来改善小区边缘糟糕的通信质量；并对其他用户采用CoMP-CB方案以减弱小区间干扰；并寻找合理的CoMP-JP用户比例，以权衡系统性能和系统复杂性。

附图说明

图1是本发明的基于LTE-Advanced系统的下行CoMP混合协作通信方法的流程示意图；

图2是本发明中协作集选择流程示意图；

图3是本发明中的CoMP-JP模式的场景示意图；

图4是本发明中的CoMP-CB模式的场景示意图；

图5是具体实施例中的7小区蜂窝网络图。

具体实施方式

具体实施方式一、基于LTE-Advanced系统的下行CoMP混合协作通信方法，它由以下步骤实现：

步骤一、参数设置：设置基站间距离、系统传输带宽、基站发射功率、噪声功率谱密度、天线偏置角、基站发射天线数、终端接收天线数、每个小区的用户数和协作集尺寸和小区内CoMP-JP用户所占比例α等相关参数；

步骤二、网络生成：根据步骤一的参数生成蜂窝网络；小区网格化，计算出每个位置点到基站的距离，并得到每个点的所属小区；根据每个点相对于所属基站的三个扇区的角度，计算出该点的所属扇区；

生成用户：并得到用户的位置信息、所属小区、所属扇区、直连链路的天线增益、用户与eNodeB之间的大尺度衰落、阴影衰落等；

步骤三、协作小区选择，计算每个小区对中心小区的干扰强度，选择对中心小区干扰最强的小区作为其协作小区；

步骤四、确定边缘用户判决门限γ，门限γ表示用户SINR的阈值，根据参数α确定该门限，其中参数α表示小区内CoMP-JP用户所占的比例；用户SINR小于γ，判决该用户为边缘用户，否则，判定该用户为中心用户；

步骤五、确定CoMP-JP用户和CoMP-CB用户；

步骤五中根据用户的不同特点为用户选择适合的传输模式；CoMP-JP模式虽然会给系统带来显著的性能增益，但同时巨大的信息交互也增加了系统的复杂性；因此，对于通信质量较差的小区边缘用户采用CoMP-JP传输模式，对于通信质量相对较好的小区中心用户采用CoMP-CB传输模式以降低信息交互量；以步骤四中的门限来判决用户类型，具体为：

步骤五一、如果用户的SINR＜γ，该用户被确定为CoMP-JP用户，并执行步骤六；

步骤五二、如果用户的SINR≥γ，该用户被确定为CoMP-CB用户，并执行步骤七；

步骤六、协作基站间共享数据信息；

步骤七、协作基站之间共享信道信息，并根据信道信息采用最大化SLNR方法计算预编码向量；并且对于CoMP-JP用户，执行步骤八；对于CoMP-CB用户，执行步骤九；

步骤七中分别对CoMP-JP用户和CoMP-CB用户的传输数据进行预编码；用户采用CoMP-JP模式传输预编码方式不同于采用CoMP-CB模式，CoMP-JP模式下协作集内的所有基站均需要对发送给协作用户的数据进行预编码；具体为：

w_{k_{b}, a} = \arg \max_{w_{k_{b}, a} &Element; C^{n_{T} \times 1}} \frac{{| | H_{k_{b}, a} w_{k_{b}, a} | |}^{2}}{n_{R} σ^{2} + {| | {\tilde{H}}_{k_{b}, a} w_{k_{b}, a} | |}^{2}}

其中，n_T表示发射天线数目，n_R表示接收天线数目，σ²代表加性高斯白噪声的方差；表示小区a的基站为小区b的用户k_b所发送的数据提供的预编码矩阵；用表示小区a的基站到小区b的用户k_b的信道；表示小区a的基站到小区b的用户k_b的干扰信道。

步骤八、CoMP-JP用户对接收信号进行信号合并，采用相干联合传输，将原本的干扰转换为有用信号，并且通过接收端对信号的合并，以增强接收信号的强度；

步骤九、计算用户SINR、速率以及系统吞吐量；

步骤十、根据步骤九的计算结果进行性能分析，权衡系统性能与系统复杂度。

步骤十选择合理的α值以权衡考虑系统性能和系统复杂性。根据系统吞吐量随CoMP-JP用户比例的变化关系，当CoMP-JP用户数达到小区总用户的一半时，CoMP-JP对系统性能的提升达到饱和状态，此时再提高CoMP-JP用户比例也无助于系统吞吐量的提升，并且还会带来附加的大量信息交互。因此，α值的选择需要根据系统所能接受的信息交互量的大小来确定，根据仿真结果，α的取值应该在[0,0.5]范围内，这是由于当α>0.5时，CoMP-JP对系统性能不再有明显提升。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于LTE-Advanced系统的下行CoMP混合协作通信方法的区别在于，步骤四中，α＝0即所有用户均采用CoMP-CB模式协作，此时基于LTE-Advanced系统的下行CoMP混合协作方案的具体步骤为：

步骤一、参数设置：设置基站间距离、系统传输带宽、基站发射功率、噪声功率谱密度、天线偏置角、基站发射天线数、终端接收天线数、每个小区的用户数和协作集尺寸等相关参数。

生成用户：并得到用户的位置信息、所属小区、所属扇区、直连链路的天线增益、用户与eNodeB之间的大尺度衰落、阴影衰落等。

步骤三、协作小区选择，计算每个小区对中心小区的干扰强度，选择对中心小区干扰最强的小区作为其协作小区；执行步骤五；

步骤五、确定所有用户为CoMP-CB用户；执行步骤七；

步骤七、协作基站之间共享信道信息，并根据信道信息采用最大化SLNR方法计算预编码向量；对于CoMP-CB用户，执行步骤九。

步骤九、计算用户SINR、速率以及系统吞吐量。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于LTE-Advanced系统的下行CoMP混合协作通信方法的区别在于，步骤四中，α＝1即所有用户均采用CoMP-JP模式协作，此时基于LTE-Advanced系统的下行CoMP混合协作方案的具体步骤为：

步骤五、确定所有用户为CoMP-JP用户；

步骤六、协作基站间共享数据信息；

步骤七、协作基站之间共享信道信息，并根据信道信息采用最大化SLNR方法计算预编码向量；并且对于CoMP-JP用户，执行步骤八；

步骤九、计算用户SINR、速率以及系统吞吐量；

具体实施例：如图4所示的7小区蜂窝网络，本实例的参数设置如下：

图5所示为7小区蜂窝网络，每个小区有3个扇区；相邻基站间距离为500m；系统带宽20MHz；基站发射功率43dBm；噪声功率谱密度-174dBm/Hz；基站设有4根发射天线；终端设有2根接收天线；协作集尺寸为2小区协作；小区内CoMP-JP用户比例为α＝0.5。本发明方法实例的具体实施方式如下：

1)、网络生成阶段

生成7小区蜂窝结构，确定基站位置，确定扇区角度，小区网格化，计算出每个位置点到基站的距离，并得到每个点的所属小区和所属扇区；随机生成用户，并得到用户的位置信息、所属小区、所属扇区、直连链路的天线增益、用户与eNodeB之间的大尺度衰落、阴影衰落等。

2)、协作小区选择阶段

协作小区选择，计算每个小区对中心小区的干扰强度，选择对中心小区干扰最强的小区作为其协作小区。

3)、确定用户类型阶段

根据参数α确定边缘用户判决门限γ，门限γ表示用户SINR的阈值，其中参数α表示小区内CoMP-JP用户所占的比例；用户SINR小于γ，判决该用户为边缘用户，否则，判定该用户为中心用户。如果用户的SINR＜γ，该用户被确定为CoMP-JP用户，如果用户的SINR≥γ，该用户被确定为CoMP-CB用户。小区内SINR较低的一半用户，认为是小区边缘用户，采用CoMP-JP模式协作；其余用户认为是小区中心用户，采用CoMP-CB模式协作。

4)、协作基站共享信息阶段

对于CoMP-JP用户，协作基站间共享发送数据和信道信息；对于CoMP-CB用户，协作基站之间仅共享信道信息；根据信道信息采用最大化SLNR方法计算预编码向量，以抑制小区间干扰。CoMP-JP协作模式采用相干联合传输，将原本的干扰转换为有用信号，并且通过接收端对信号的合并，以增强接收信号的强度。在接收端，需要CoMP-JP用户对接收信号进行信号合并，以提高接收信号质量。

Claims

1.基于LTE-Advanced系统的下行CoMP混合协作通信方法，其特征是：在LTE-Advanced系统中，它由以下步骤实现：

步骤五、协作基站间共享数据信息，并执行步骤六；

步骤七、CoMP-JP用户对接收信号进行信号合并，采用相干联合传输；实现基于LTE-Advanced系统的下行CoMP混合协作通信；

2.根据权利要求1所述的基于LTE-Advanced系统的下行CoMP混合协作通信方法，其特征在于步骤六中所述根据信道信息采用最大化SLNR方法计算CoMP-JP用户的预编码向量或CoMP-CB用户的预编码向量是通过公式：

w_{k_{b}, a} = \arg \max_{w_{k_{b}, a} &Element; C^{n_{T} \times 1}} \frac{{| | H_{k_{b}, a} w_{k_{b}, a} | |}^{2}}{n_{R} σ^{2} + {| | {\tilde{H}}_{k_{b}, a} w_{k_{b}, a} | |}^{2}}

实现的；其中，n_T表示发射天线数目，n_R表示接收天线数目，σ²代表加性高斯白噪声的方差；表示小区a的基站为小区b的用户k_b所发送的数据提供的预编码矩阵；用表示小区a的基站到小区b的用户k_b的信道；表示小区a的基站到小区b的用户k_b的干扰信道。

3.根据权利要求1所述的基于LTE-Advanced系统的下行CoMP混合协作通信方法，其特征在于它还包括：

步骤九、计算每个CoMP-JP用户或CoMP-CB用户的用户SINR、速率以及系统吞吐量；

步骤十、根据步骤九的计算结果进行性能分析，权衡系统性能与系统复杂度，获得新的α值，并返回执行步骤四。