CN104468056A - 一种LTE-A下行系统中针对CoMP技术的能效反馈方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种LTE-A下行系统中针对CoMP技术的能效反馈方法及装置，所述方法包括：对于不同的总反馈比特数，基于吞吐量在基站间分配反馈比特数；在所述不同的总反馈比特数中，选择能效反馈效用最大的总反馈比特数；以及移动台根据所选的总反馈比特数和对应的在基站间的分配方式，进行信道状态信息的反馈。本发明在保证吞吐量、中断概率等性能参数的同时，能够节省移动台的能量。

Description

一种LTE-A下行系统中针对CoMP技术的能效反馈方法及装置

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，以及更具体地，涉及一种LTE-A下行系统中针对CoMP技术的能效反馈方法及装置。

背景技术

CoMP(Coordinated Multi-point Transmission，协同多点传输)技术作为3GPP LTE-Advanced的一项重要特征，能够通过多个不同的BS(BaseStation，基站)(可能包含macro BS，pico BS等)的协同工作，减少小区间干扰，提高小区边缘用户的频谱利用效率。根据多个BS间的信息传递方式，可以将CoMP技术分为CoMP-JP(Joint Processing，联合处理)和CoMP-CB/CS(Coordinated Beamforming or Scheduling，协同波束赋形/调度)。CoMP-JP能够让BS之间共享信道状态信息CSI(Channel StateInformation)，并能够实现联合处理和传输，从而提供比CoMP-CB/CS更广阔的时空资源，应用更加广泛。因此，本发明围绕CoMP-JP技术展开，并将其简写为CoMP。

在LTE-A下行系统中，预编码技术可以让MS(Mobile Station，移动台)获得更好的通信性能。因此在FDD(Frequency-division duplexing，频分双工)中，MS需要估计下行CSI，再反馈给BS，这就让系统性能高度依赖反馈精度。由于无法反馈完美的CSI，MS只有先通过码本量化再反馈。如果CQI(Channel Quality Information，信道质量信息)可以通过长期统计获得，那么CSI反馈将只考虑信道的空间方向，即CDI(ChannelDirection Information，信道方向信息)。

在CoMP系统中，包括MS数量和位置在内的网络拓扑结构有可能会经常改变，这就使得传统的全局码本不再适用，需要各个小区各自设计基于有限反馈的码本。CoMP技术主要用来提升小区边缘用户的性能，同时，在LTE-A系统中，CSI反馈周期会设计为5ms的整数倍，达到20ms就认为是大间隔的长期反馈。可以看出，MS的CSI反馈比较频繁，然而，由于边缘用户距离BS较远，使得单次上传能量较大，因此耗能问题会更加严重。考虑到MS能量受限，如何在保证吞吐量、频谱使用效率、信噪比等主要指标的基础上，尽可能地节省MS的反馈能量是当前需要解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种LTE-A下行系统中针对CoMP技术的能效反馈方法，该方法包括：

步骤1)、对于不同的总反馈比特数，基于吞吐量在基站间分配反馈比特数；

步骤2)、在所述不同的总反馈比特数中，选择能效反馈效用最大的总反馈比特数，其中能效反馈效用用于表示能效反馈对移动台的反馈能耗和通信性能的影响；

步骤3)、移动台根据所选的总反馈比特数和对应的在基站间的分配方式，进行信道状态信息的反馈。

上述方法中，所述能效反馈效用表示如下：

$f\left(B_{\mathrm{sum},}\mathrm{\μ}\right)=\frac{\mathrm{SE}}{P_f^{\mathrm{\μ}}}$

其中，B_sum表示移动台反馈信道状态信息的总反馈比特数；SE表示移动台的通信性能；P_f表示移动台在反馈过程中所耗费的能量；μ是能效反馈效用系数，且μ∈[0，1]。

上述方法中，SE是移动台的频谱效率，所述频谱效率SE表示如下：

SE＝log₂(1+γ)

其中，γ是移动台的下行SNR。

上述方法中，P_f表示如下：

P_f＝P_sp+P_fb

其中，P_sp表示信号处理能量；表示反馈信道状态信息的反馈用能量，P_b表示反馈每个比特的能量，B_n表示分配给第n个基站的反馈比特数，N为基站总数。

上述方法中，步骤1)包括：对于所述不同的总反馈比特数中的每个总反馈比特数，获得为每个基站分配的反馈比特数以使得移动台的通信性能SE最大。

上述方法中，步骤3)还包括：在反馈信道状态信息之前，还要检验反馈比特数的分配方式是否满足系统可靠性要求。

上述方法中，在反馈信道状态信息之前，对于所分配的反馈比特数不满足实际需求的基站，为该基站分配所需的反馈比特数；以及对于除该基站之外的剩余基站，重新执行步骤1)和2)，得到所述剩余基站的总反馈比特数以及在所述剩余基站之间的反馈比特数的分配方式。

上述方法中，所述信道状态信息是量化的信道方向信息。

根据本发明的一个实施例，还提供一种LTE-A下行系统中针对CoMP技术的能效反馈装置，包括：

用于对于不同的总反馈比特数，基于吞吐量在基站间分配反馈比特数的模块；

用于在所述不同的总反馈比特数中，选择能效反馈效用最大的总反馈比特数的模块，其中能效反馈效用用于表示能效反馈对移动台的反馈能耗和通信性能的影响；

用于移动台根据所选的总反馈比特数和对应的在基站间的分配方式，进行信道状态信息的反馈的模块。

采用本发明可以达到如下的有益效果：

本发明提供的能效反馈效用函数能够很好地衡量反馈方案对MS性能和能耗的影响；

本发明充分挖掘LTE-A下行系统中MS可用的反馈资源，根据预编码方法使用不同的反馈比特分配方法，为高效利用反馈资源提供支持；

本发明能够从能效反馈效用系数、总反馈比特数和反馈比特数分配三个维度来选择最优能效反馈方案，具备操作灵活性和应用广泛性，达到节省MS反馈能量和保证通信性能的双重目标。

附图说明

以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不用于限定本发明的范围，其中：

图1为根据本发明一个实施例的LTE-A下行系统中针对CoMP技术的能效反馈方法的流程图；

图2为根据本发明一个实施例的能效反馈效用系数μ对能效反馈效用函数的影响示意图；

图3为根据本发明一个实施例的示出反馈比特数在BS间的分配的示意图；

图4为根据本发明一个实施例的在不同的反馈周期下，能效反馈效用函数的示意图；

图5是采用本发明提供的方法和传统方法在能量效率上的比较示意图；

图6是采用本发明提供的方法和传统方法在能量效率和频率效率上的比较示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

根据本发明的一个实施例，提供一种LTE-A下行系统中针对CoMP技术的能效反馈方法。

概括而言，该方法包括：基于设定的基本能效反馈效用函数，根据系统需求调整其能效反馈效用系数以得到与该系统需求对应的能效反馈效用函数；对于不同的总反馈比特数，在BS间分配反馈比特数以最大化吞吐量；选择能效反馈效用最大的总反馈比特数；以及，MS检测协作集各小区的信道状态信息，并根据所选的总反馈比特数和对应分配方式将信道状态信息传输给BS或CU(Central Unit，中心单元)。

下文将结合图1来详细描述LTE-A下行系统中针对CoMP技术的能效反馈方法。需要说明的是，说明书中描述的方法的各个步骤并非一定是必须的，而是可以根据实际情形来省略或替换其中的一个或多个步骤。例如，对于下文中的步骤1(得到能效反馈效用函数)，如果在系统中已经预先存储了能效反馈效用函数的话，在能效反馈方法中便可以省略该步骤。

步骤1：基于设定的基本能效反馈效用函数，根据系统需求调整其能效反馈效用系数以得到与该系统需求对应的能效反馈效用函数。

1、设定基本能效反馈效用函数

能效反馈效用函数(后文有时简称为效用函数)可用来表征反馈信道状态信息(后文以信道方向信息CDI为例)对MS反馈能耗和通信性能的影响。

在一个实施例中，基本能效反馈效用函数表示如下：

$f\left(B_{\mathrm{sum},}\mathrm{\μ}\right)=\frac{\mathrm{SE}}{P_f^{\mathrm{\μ}}}=\frac{{\log }_2(1+\mathrm{\γ})}{{(P_{\mathrm{sp}}+P_{\mathrm{fb}})}^{\mathrm{\μ}}}---\left(1\right)$

其中，B_sum表示单个MS对协作集BS反馈CDI的总的反馈比特数；SE表示通信性能，例如可以是频谱效率；P_f表示MS在反馈过程中所耗费的能量；μ是能效反馈效用系数(后文有时简称为效用系数)；γ是MS的下行SNR；P_sp表示信号处理能量；P_fb表示反馈CDI的反馈用能量。

在一个实施例中，为了简单起见，能耗P_f可以仅包括反馈量化CDI的上传能量(即将量化CDI上传给BS所消耗的能量)和处理能量(即进行信号处理所消耗的能量)，即公式(1)中所示的P_f＝P_sp+P_fb，这种对能耗的简化有利于将能效反馈效用函数的注意力集中在CDI的精度对反馈效用的影响。

如果要更全面地反映反馈过程中所消耗能量，在另一个实施例中，P_f还可以包括有效载荷所耗费的能量，即上传数据包的基本必要数据和其他信令时所耗费的能量，此时的P_f数值较大。

然而，无论上述哪种情况，P_f都会和B_sum的变化趋势一致(例如，上传能量随B_sum数量的增加而增加)，即同时增长或减少。

2、根据系统需求调整能效反馈效用系数

本领域技术人员应理解，尽管通信性能和能量效率都是通信系统关注的重点，但不同的业务和MS能量需求会产生对两者关注度的差异。基于上述基本能效反馈效用函数，可以通过调整公式(1)中的能效反馈效用系数μ来解决需求不同的问题。

具体来说，效用系数μ的取值取决于系统需求，根据业务类型、MS能量等要求来选择合适的效用系数μ。其中，当μ＝0时，系统只对SE感兴趣，在这种情况下不考虑反馈耗能的代价；当μ＝1时，系统对MS能量和反馈耗能非常敏感；一般而言，μ取值可在0-1之间，即系统会同时考虑SE和MS的能量损耗。

图2示出了能效反馈效用系数对效用函数的影响。在图2所示的实施例中，能耗P_f仅包括上传量化CDI的能量和处理能量，协作集包含三个BS，分别距离MS 100米、200米和300米。从图2可以看出，效用系数μ的数值变化会影响到效用函数的曲线的变化。

步骤2：对于不同的总反馈比特数，在BS间分配反馈比特数以最大化吞吐量

BS在传输时可能采取不同的预编码方法，在反馈比特总数一定的情况下，需要根据BS的传输功率、距离以及大尺度衰落等因素，按照预编码方式在不同的BS间选择反馈比特数的分配方案，以达到最大化吞吐量的目标。

在CoMP系统中，BS可能采用包括MRT(maximum ratio transmission，最大比例发射)、MMSE(minimum mean square error，最小均方误差)、ZF(zero forcing，迫零)等在内的多种预编码方式。其中，每一种预编码方式都有对应的反馈比特分配方法以最大化吞吐量。

以MRT预编码方法为例，首先，根据协作集内的BS传输功率、距离、预编码矩阵、CDI、信道等得到接收端MS的频谱效率SE，该频谱效率直接和信干噪比γ相关，即SE＝log₂(1+γ)。然后，根据给定的总反馈比特数、功率等限制条件，获得反馈比特数在BS间的分配方案，以达到最大化频谱效率SE的目的。

例如，可以通过对P_f求偏微分来优化效用函数：

$f^{\′}\left(B_{\mathrm{sum},}\mathrm{\μ}\right)={\left(\frac{\mathrm{SE}}{P_f^{\mathrm{\μ}}}\right)}^{\′}=\frac{P_f^{\mathrm{\μ}-1}({\mathrm{SE}}^{\′}{P}_f-\mathrm{\μSE}\·P_f^{\′})}{P_f^{2\mathrm{\μ}}}---\left(2\right)$

当μ＝0时，系统关注频谱效率，偏微分等同于f′(B_sum，0)＞0，原函数呈递增趋势，因为增加反馈比特数可以增大P_f，这样就使得频谱效率的要求可通过增加反馈比特数得到满足。考虑到SE’P_f-SE·P′_f≤SE’P_f-0·P′_f，如果f′(B_sum，1)＞0，那么f′(B_sum，μ)＞0。此时，不管μ是多少，频谱效率和能量效率都会随着反馈比特数的增加而提高。如果f′(B_sum，1)＜0，则随着μ由0渐增到1，效用函数会由递增逐渐变为递减。

图3示出了对于不同的总反馈比特数，相应的在BS间分配反馈比特数的方案。图3的实施例采用与图2相同的仿真环境，并且BS使用MRT预编码。如图3所示，随着总反馈比特数的增加，BS间的分配比例也逐渐均衡。

步骤3：选择能效反馈效用最大的总反馈比特数

步骤2给出了与不同的总反馈比特数对应的、吞吐量最大的比特数分配方案。不同的总比特数以及对应的分配方案会得到不同的能效反馈效用函数值。在各小区没有单独的吞吐量、中断概率等性能要求的时候，为了满足LTE-A下行系统的性能要求，可选择能效反馈效用函数值最大的总反馈比特数。

如上所述，在能耗仅包括信号处理能量和量化CDI上传能量的实施例中，公式(1)中的P_f可表示为：

P_f＝P_sp+P_fb            (3)

其中，P_sp表示信号处理能量；P_fb表示量化CDI的反馈用能量：

$P_{\mathrm{fb}}=P_b{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^N{B}_n---\left(4\right)$

其中，P_b表示反馈每个比特的能量，B_n表示MS分配给第n个BS的反馈比特数，N表示协作集中的BS总数，其中，总反馈比特数即为不同n值的B_n之和。

不同的反馈周期会对应不同的效用函数曲线图。由于每个反馈周期会反馈一次CDI，周期越小，反馈越频繁，反馈能量就会消耗得越多。同时，信号处理能量不会随之线性增长。因此需要综合考虑这些能量因素，去选择最佳的总反馈比特数，使得在上传CDI过程中的消耗能量尽可能少。图4示出了不同反馈周期下的曲线图。可以看出，随着反馈周期的增大，能效反馈效用最优所对应的总反馈比特数也相应增大。这是因为反馈周期越小，反馈越频繁，在单位时间内的反馈能量就越大，即公式(1)的分母部分会变大。

步骤4：对于不满足系统可靠性要求的分配方案执行修改分配方案的操作

在一个实施例中，在从步骤3得到总反馈比特数和对应的在BS之间的分配方案后，在向BS发送CDI之前，还要检验分配方案是否满足系统可靠性要求。

在一个实施例中，可以使用中断概率指标来衡量系统的可靠性，该指标保证MS正常工作时间占全部工作时间的百分比不会低于系统要求。在上述步骤3之后，虽然实现了能效反馈效用函数的最大化，但却可能让部分小区所属BS的反馈比特数分配量较少，从而导致协作集网络内部通信链路中断，这样会对部分特定应用造成影响。

举例来说，如果MS发出的业务请求是特定小区敏感业务(即不能够中断的业务，或者是对数据速率有一定要求的业务)，则首先应确保该小区在吞吐量、信干噪比等方面的性能要求，为该小区所属BS分配满足这些要求所需的反馈比特数，即分配高于预定阈值的反馈比特数；然后返回步骤2，在剩余的BS间按照前述步骤2-3完成总反馈比特数的选取并且得到在剩余BS间的分配方案。

在其他实施例中，如果用信干噪比来衡量系统的可靠性，则前面的步骤已经可以保证系统可靠性，无需再执行步骤4。

步骤5：MS检测协作集各BS的信道状态信息，并根据BS间反馈比特数的分配方式将信道状态信息传输给BS。

1、如本领域技术人员公知的，MS可根据接收到的测量命令进行信道测量，由信道测量结果确定CDI。然后，根据以上步骤得到的分配方案，将量化CDI反馈给BS。

在一个实施例中，当目标服务小区所属的BS通过下行控制信道向MS发送测量命令，MS就会对该小区的信道信息进行测量。

2、MS将信道状态信息传输给BS。

根据以上步骤得到的分配方案和总反馈比特数，MS将信道状态信息(如量化CDI)传输给各个BS。

考虑到多用户、小数据量应用的数据包的大小比较固定，且数据包之间的时间间隔满足一定规律性，在一个实施例中，可以将MS配置为周期性上报量化CDI。

根据本发明的一个实施例，还提供一种LTE-A下行系统中针对CoMP技术的能效反馈装置。

该装置包括用于对于不同的总反馈比特数，基于吞吐量在基站间分配反馈比特数的模块；用于在不同的总反馈比特数中，选择能效反馈效用最大的总反馈比特数的模块，其中能效反馈效用用于表示能效反馈对移动台的反馈能耗和通信性能的影响；以及用于移动台根据所选的总反馈比特数和对应的在基站间的分配方式，进行信道状态信息的反馈的模块。

为验证本发明提供的LTE-A下行系统中针对CoMP技术的能效反馈方法的有效性，发明人进行了相关实验。

发明人为了考察本发明在能量效率方面的作用，效用系数μ的取值为1，并且将本发明与传统方法(如包括反馈比特的优化分配，但是不能根据反馈效用函数去选择最合适的总反馈比特数)进行比较。图5示出了比较的结果，其中三个BS的位置分别距离MS为0.05km、0.3km和0.5km，最大总反馈比特数为100，反馈周期为常见数值(2.5至20ms)。从图5中可以看出，本发明的能量效率一直高于传统方法。在每一次反馈中，本发明都会更加节省能量。这样就使得反馈周期较小，即反馈频繁的时候，采用本发明的能量效率更具优势。

图6同时考察能量效率和频谱效率，将这两个效率置于同等重要的地位，此时将效用系数μ设置为0.5。如图6所示，传统方法更加注重频谱效率，因此和本发明的差距比图5要小一些，但本发明的优势还是比较明显。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种LTE-A下行系统中针对CoMP技术的能效反馈方法，包括：

步骤1)、对于不同的总反馈比特数，基于吞吐量在基站间分配反馈比特数；

步骤2)、在所述不同的总反馈比特数中，选择能效反馈效用最大的总反馈比特数，其中能效反馈效用用于表示能效反馈对移动台的反馈能耗和通信性能的影响；

步骤3)、移动台根据所选的总反馈比特数和对应的在基站间的分配方式，进行信道状态信息的反馈。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述能效反馈效用表示如下：

$f(B_{\mathrm{sum}},\mathrm{\μ})=\frac{\mathrm{SE}}{P_f^{\mathrm{\μ}}}$

其中，B_sum表示移动台反馈信道状态信息的总反馈比特数；SE表示移动台的通信性能；P_f表示移动台在反馈过程中所耗费的能量；μ是能效反馈效用系数，且μ∈[0,1]。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，SE是移动台的频谱效率。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述频谱效率表示如下：

SE＝log₂(1+γ)

其中，γ是移动台的下行SNR。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，P_f表示如下：

P_f＝P_sp+P_fb

其中，P_sp表示信号处理能量；表示反馈信道状态信息的反馈用能量，P_b表示反馈每个比特的能量，B_n表示分配给第n个基站的反馈比特数，N为基站总数。

6.根据权利要求1-3中任何一个所述的方法，其中，步骤1)包括：

对于所述不同的总反馈比特数中的每个总反馈比特数，获得为每个基站分配的反馈比特数以使得移动台的通信性能SE最大。

7.根据权利要求1-3中任何一个所述的方法，其中，步骤3)还包括：

在反馈信道状态信息之前，还要检验反馈比特数的分配方式是否满足系统可靠性要求。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，在反馈信道状态信息之前，对于所分配的反馈比特数不满足实际需求的基站，为该基站分配所需的反馈比特数；以及

对于除该基站之外的剩余基站，重新执行步骤1)和2)，得到所述剩余基站的总反馈比特数以及在所述剩余基站之间的反馈比特数的分配方式。

9.根据权利要求1-3中任何一个所述的方法，其中，所述信道状态信息是量化的信道方向信息。

10.一种LTE-A下行系统中针对CoMP技术的能效反馈装置，包括：

用于对于不同的总反馈比特数，基于吞吐量在基站间分配反馈比特数的模块；

用于在所述不同的总反馈比特数中，选择能效反馈效用最大的总反馈比特数的模块，其中能效反馈效用用于表示能效反馈对移动台的反馈能耗和通信性能的影响；

用于移动台根据所选的总反馈比特数和对应的在基站间的分配方式，进行信道状态信息的反馈的模块。