CN104581905B - 一种协作HetNet中小基站激活的方法 - Google Patents

一种协作HetNet中小基站激活的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种协作HetNet(异构网)中小基站激活的方法，属于无线通信技术领域。本发明包括：用户‑小基站关联、功率控制和多天线线性接收机的联合处理。本发明考虑用户业务到达的波动，采用宏基站激活合适的小基站簇进行接纳，从而减小能耗和整体干扰水平。本发明设计了一种在同频组网场景下进行宏基站和小基站协作处理的方法。本发明仅需要宏基站到小基站之间的1bit前向信令和1bit反馈信令开销(不考虑扩频码)，可以在满足各个用户的接收目标信干噪声比门限下，达到近似网络的全局能耗最优。本发明可以使得系统达到稳定，需要的计算过程简单。

Description

一种协作HetNet中小基站激活的方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种协作HetNet中小基站激活的方法。
背景技术
在现有的蜂窝网络中，用户需要高速高质量的服务例如高清视频等，而当前的蜂窝系统并不能提供，干净的频谱资源稀缺并且昂贵。目前主要的一种解决方式是通过增加更多的小基站密集覆盖并且同频组网提高每平方米的吞吐率——小基站近距离覆盖可以提供更高的信号强度和分担宏蜂窝系统的负载。但是同时由于小基站的布置，会严重增加小区间的干扰。
多小区联合波束赋形是一种重要的干扰管理的技术。目前CoMP(协作多点传输)在LTE标准中有联合处理(JR)和协作调度/赋形(CS/CB)两种路线。联合处理是指多个点会对用户的发射信号PUSCH(物理层上行共享信道)进行同时接收；协作调度/赋形是指通过协同的资源调度和波束赋形,在协作簇内只会有一个点驻留用户的数据。
现有的国内CoMP技术大部分是对于提升边缘用户的体验相关的协议流程，即采用多点协作处理提升小区边缘用户的性能。中心和边缘用户的区分采用的是信号与干扰加噪声比(Signal to Interference plus Noise Ratio，以下简称SINR)的测量。但是考虑时变的快衰落和阴影衰落的影响，很难对于物理层的接收处理(基带芯片)根据瞬时测量来区别中心和边缘用户。进一步考虑多业务的情况，会对无线时变信道环境下的链路有不同的质量的要求，会导致用户的SINR的要求不同(例如编码速率，编码正确率等)。尽管采用遍历平均的SINR固定门限(例如5％)去区别对待用户有利于宏小区之间的移动性管理，但是对干扰受限场景下,位于HetNet的小小区内的用户，则会有失偏颇。
选择合适的小基站服务用户是进行协作波束赋形的第一步。现阶段选择对应的CoMP的小基站簇的方法有两种：1.以固定方式形成小基站簇方法；2.以用户为中心形成小基站簇的方法。以用户为中心选择非固定数目的簇的小基站会出现接收链路过多的包延迟合并、信息交互的全网传递以及调度复杂等问题。并且，现阶段的协作波束赋形的方案设计都是在基站的激活状态下考虑的。如果小基站的协作采用这样的方案，在业务到达的低谷期将开销大量的能耗。现阶段对于上行业务到达时，在HetNet(异构网)中缺少一套联合基站选择(激活)和波束赋形的工作方案。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种协作HetNet中小基站激活的方法，解决选择适当的小基站激活并进行上行协作调度/赋形(CS/CB)的技术问题。本方法没有区别对待不同的中心或者边缘用户，按照用户对于链路质量的需求进行激活小基站和设计后续的功率控制、波束赋形流程。
本发明提供一种协作HetNet中小基站激活的方法，包括以下步骤：
步骤1用户向当前注册的宏基站发起接入请求；
步骤2所述宏基站收到所述接入请求后，判断是否需要激活小基站，并确定所述用户所归属的宏小区内需要激活的协作小基站簇；
步骤3所述宏基站向所述协作小基站簇一一发送激活信令，并且测量每一小基站的反馈信息，激活与所述用户距离最近的小基站；
步骤4所述激活的小基站在接纳所述用户之前先判断其接纳业务是否过载，是则激活与所述用户次邻近的小基站，若所述次邻近的小基站仍过载，则激活与所述次邻近的小基站邻近的小基站，并以此类推，若所述宏小区的小基站都无法接纳所述用户，则将所述用户的所述接入请求转移给邻近的宏基站，直至有小基站能接纳所述用户；否则执行步骤5；
步骤5所述用户被小基站接纳后，所述接纳用户的小基站开始测量所述用户的数据信道的导频信号与干扰加噪声比；
步骤6所述接纳用户的小基站根据不同天线端口的导频信号与干扰加噪声比，迭代更新调节接收多天线的线性滤波的加权系数，得到所述用户到基站链路的信号与干扰加噪声比，其中对第i个用户的功率pi和接收矢量wi按照下述次序进行迭代更新：{w(n),p(n)}→{wi(n+1),pi(n+1)}，其中n是迭代的当前时间序号；
步骤7所述小基站根据调节后所得的信号与干扰加噪声比发送功率控制信息，来控制用户的发射功率；
步骤8重复所述步骤5～7直到所述用户到接纳其小基站的链路达到期望的目标信号强度水平。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
由于采用了步骤1，用户可以继承现有的语音，数据等多种类的业务和QoS的相关上报，网络侧对多种业务采用不同的目标SINR；
由于采用了步骤2、3、4，宏基站每次激活一条承载的数据链路，使得系统中的数据链路并没有变多，且不会因为宏基站和小基站的协作带来路由和调度管理的不便。同时，本发明采用的控制信息非常少，对上行单个小基站接收不需要小基站之间交互额外的协作开销；
由于采用步骤6的线性滤波和步骤7的功率控制的交替迭代，使得系统的功率控制次数减小。步骤6、7、8使系统达到稳定只需要消耗多项式的计算开销，可以在满足上行的多用户业务的各条链路的不同的目标的SINR保障下，达到全局能耗近似最优。
附图说明
图1为本发明协作HetNet中小基站激活的方法的网络结构图；
图2为本发明协作HetNet中小基站激活的方法的流程图；
图3为本发明协作HetNet中小基站激活的方法的部署场景示意图；
图4为本发明协作HetNet中小基站激活的方法的能量开销效果图；
图5为本发明协作HetNet中小基站激活的方法的计算时间消耗效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1所示为本发明协作HetNet中小基站激活的方法的网络结构图，其中大覆盖的宏基站用于感知用户业务到达和负责通过控制链路激活小基站服务，小基站负责通过数据链路传输数据信息。发明包含了由用户发起或者移动性管理的实体发起业务时的处理，将结合图2进行详细描述。
图2为本发明协作HetNet中小基站激活的方法的流程图，具体包括以下步骤：
步骤1用户向当前注册的宏基站发起接入请求。包括通过信令面来自用户和移动管理实体发起的接入请求，在接入请求中上报发起的业务种类。用户可以继承现有的语音，数据等多种类的业务和QoS的相关上报流程，网络侧对多种业务采用不同的目标SINR门限。
步骤2宏基站接收到用户发起业务的请求以后，判断是否需要激活小基站，以及决定激活哪些小基站簇。如果是需要使用小基站分流的高速率的业务，宏基站开始测量用户的位置信息，通过位置信息确定用户所归属的宏小区内需要激活的协作小基站簇。每个宏基站具有一个Cell ID来管理位置信息。对空闲状态下的用户，蜂窝网络系统会通过多个具有不同Cell ID的宏基站同时测量用户的上行控制信号的强度并进行位置判断，通过多次测量或者到达角度判断等方法可以保证位置精度。
步骤3宏基站通过控制信道向该宏小区内的协作小基站簇一一发送激活信令，并且测量小基站的反馈信息，激活与该用户距离最近的小基站。用户只需要被N＝1个小基站关联，算法就可以终止循环，并且记录该信息供当前Cell ID的宏基站的路由使用。
步骤4宏基站管理的协作小基站簇先进行负载判断再对用户进行接纳。小基站设计中，有低功耗的单独模块可以监听控制信道。该模块可以激活其余的信号处理模块。通过该低功耗模块监测其对应的Cell ID的宏基站的激活信令。小基站在高电平模式下触发以下操作：若小基站已经被激活，则判断能否接纳，小基站根据自身负载、吞吐量和时延来判断是否接纳当前业务，若不能接纳则反馈“否”信息给宏基站。小基站已经达到其峰值承载时，则向次邻近位置基站传送激活消息。如果该Cell ID的宏基站内所有的小基站都无法接纳该用户，则将用户的业务请求转移给邻近的宏基站，并继续搜索直至有小基站能接纳该用户。若小基站没有过载，则直接接纳该用户，反馈“是”信息给宏基站，并且执行步骤5，开始进行波束赋形和功率控制的操作。
步骤5用户被该宏基站管理的小基站接纳以后，小基站开始测量当前接纳用户的数据信道的导频SINR。小基站对其每个天线端口，都测量上行数据信道的导频信号强度为SINR(n)。
步骤6小基站多天线接收机的线性滤波的矢量更新和功率控制会互相影响目标SINR接收。这里对第i个用户的功率pi和接收矢量wi按照这样的次序进行迭代更新：{w(n),p(n)}→{wi(n+1),pi(n+1)}，其中n是迭代的当前时间序号。线性滤波时，已知上一次的导频信号的信号与干扰加噪声比SINR(w(n),p(n))。在本发明实施例中，线性滤波采用下面的公式：
其中，其中，hbj表示基站b到用户j的多天线信道；表示多天线信道转置；σ表示白噪声谱；I表示维度为M的单位矩阵；表示求矩阵的伪逆；M表示小基站的天线根数。
步骤7小基站根据调节后所得的信号与干扰加噪声比发送功率控制命令，来控制用户的发射功率。为了保持兼容性以及避免额外的用户设备开销，小基站的功率控制命令并不需要另行设计，沿用与宏基站的功率控制调节相同的命令。小基站对用户发送的导频信号的接收质量达到目标的SINR达标门限后开始发送数据信息。对数据包采用与导频信号的频谱功率一致的功率强度进行发射。
步骤8由于每一个新到达的业务都会引起系统的波动，这里停止迭带的准则是用户和其期望的目标信噪比之间的绝对值差距小于例如千分之一。功率调整和接收机线性滤波的矢量更新是一个用户设备和小基站之间的链路的交互的迭代更新过程，经过几次功控信息交互以后可以使得数据信道接收达到期望的SINR目标门限。
导频信号达到目标的SINR门限后开始发送数据，对数据信道采用与导频信号的频谱功率一致的功率强度进行发射。
宏基站也可以通过网络发起激活小基站。如果是通过网络侧发起的方案和本方案相比较，需要一个总是处于活动状态的backhual网口模块，是对上述步骤2和3通过空口(网口)传送控制信息的另一种实现。
图3所示为本发明一实施例的部署场景示意图。在本发明实施例中，考虑接入用户较少(例如有7个用户)情况下，采用7宏小区(一圈)干扰场景选择并且激活L＝70个小基站进行接纳。该实施例背景是上行业务到达时的网络多小区联合处理，属于对LTE-A标准中CoMP第四种场景下的CS/CB的一种实现。采用本发明，使用3GPP 1.9GHZ波段下的路损模型进行的仿真中，可以达到如下效果：
1.图4所示为本发明实施例的能量开销效果图，距理想的全网络协作的最优能耗下界理论上只有20％的差距。
2.图5所示的本发明实施例的计算时间消耗效果图。由于本发明采用的是多天线线性接收，滤波器和功率控制的调整是闭合表示，因此本发明的计算复杂度极低，直接采用分布式的不可行路径跟踪算法，平均花费0.12秒，对中心路径的每一步迭代花费0.01秒，平均迭代次数为12步。仿真的平台是3.07GHZ的奔腾双核CPU。
3.实现本发明只需要在现有的LTE系统的功率控制下加入极少量的额外计算和空口控制信令。本发明功率控制的开销从全局看来由于并没有增加数据链路因此和以前一样多。本发明相比原有的LTE宏基站接纳用户，额外的频谱开销指宏和小基站之间的空口链路交互1比特的on/off下行指示和是1比特的Y/N过载的上行反馈。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种协作HetNet中小基站激活的方法，其特征在于，包括：
步骤1用户向当前注册的宏基站发起接入请求；
步骤2所述宏基站收到所述接入请求后，判断是否需要激活小基站，并确定所述用户所归属的宏小区内需要激活的协作小基站簇；
步骤3所述宏基站向所述协作小基站簇一一发送激活信令，并且测量每一小基站的反馈信息，激活与所述用户距离最近的小基站；
步骤4所述激活的小基站在接纳所述用户之前先判断其接纳业务是否过载，是则激活与所述用户次邻近的小基站，若所述次邻近的小基站仍过载，则激活与所述次邻近的小基站邻近的小基站，并以此类推，若所述宏小区的小基站都无法接纳所述用户，则将所述用户的所述接入请求转移给邻近的宏基站，直至有小基站能接纳所述用户；否则执行步骤5；
步骤5所述用户被小基站接纳后，所述接纳用户的小基站开始测量所述用户的数据信道的导频信号与干扰加噪声比；
步骤6所述接纳用户的小基站根据不同天线端口的导频信号与干扰加噪声比，迭代更新调节接收多天线的线性滤波的加权系数，得到所述用户到基站链路的信号与干扰加噪声比，其中对第i个用户的功率pi和接收矢量wi按照下述次序进行迭代更新：{w(n),p(n)}→{wi(n+1),pi(n+1)}，其中n是迭代的当前时间序号；
步骤7所述小基站根据调节后所得的信号与干扰加噪声比发送功率控制信息，来控制用户的发射功率；
步骤8重复所述步骤5～7直到所述用户到接纳其小基站的链路达到期望的目标信号强度水平；
所述步骤6中线性滤波采用下面的公式：
其中，hbj表示基站b到用户j的多天线信道；表示多天线信道转置；σ表示白噪声谱；I表示维度为M的单位矩阵；表示求矩阵的伪逆；M表示小基站的天线根数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤2中，如果是需要使用小基站分流的高速率的业务，所述宏基站开始测量所述用户的位置信息，通过所述位置信息确定所述用户所归属的上述宏小区内需要激活的协作小基站簇。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，对空闲状态下的用户，通过多个具有不同Cell ID的宏基站同时测量空闲用户的上行控制信号的强度并进行位置判断，其中每个宏基站具有一个Cell ID来管理位置信息。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤3中所述用户只需要被1个小基站关联，并记录信息供所述宏基站的路由使用。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤7中小基站的所述功率控制命令沿用与所述宏基站的功率控制调节相同的命令。
6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述导频信号达到所述目标信号强度水平后开始发送数据，对数据信道采用与所述导频信号的频谱功率一致的功率强度进行发射。
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