CN104618003A - 一种CoMP下行系统中选择传输模式的方法和相应的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于CoMP下行系统中选择传输模式的方法，包括以下步骤：1、根据来自所述系统中的用户的信息，选择适合构成协作集的基站；2、根据所述系统的参数和所述协作集的用户天线数量，分别计算不同CoMP传输模式下的系统吞吐量；3、根据2得到的系统吞吐量，和所述系统回程链路的容量，选择适于所述系统的CoMP传输模式。本发明还提供了一种系统，包括若干基站和相应的若干用户，还包括：控制装置，通过所述系统的回程链路与所述系统中的每个基站进行通信，使用前述本发明提供的方法选择所述系统的CoMP传输模式。本发明的技术方案能够自适应网络拓扑和用户天线数量，调整网络系统传输模式。

Description

一种CoMP下行系统中选择传输模式的方法和相应的系统

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，具体地说，本发明涉及一种CoMP下行系统中选择传输模式的方法和相应的系统。

背景技术

3GPP LTE-Advanced在Release 11中将CoMP(Coordinated Multi-pointTransmission，协作多点传输)技术作为一项重要特征。CoMP能够让多个BS(Base Station，基站)协同工作扩大覆盖面积，减少小区间干扰，提高边缘用户的频谱利用效率。

CoMP技术的实现依赖于BS间的协作和通信，它们通过回程网络交换控制信息、信道信息和数据等。可以看出，CoMP技术带来的性能增益是以回程网络的负载作为代价。回程链路的容量和质量会直接影响全网性能。

根据BS之间的信息传递方式，可以将CoMP技术分为CoMP-JP(JointProcessing，联合处理)和CoMP-CB(Coordinated Beamforming，协作波束赋形)两种传输模式。在CoMP-CB中，每个BS会传递信息给本小区的用户。为了避免干扰，BS间会共享CSI(Channel State Information，信道状态信息)。在CoMP-JP中，协作簇里的BS会与簇里的每个用户都通信，每个BS都能够掌握全局CSI和信号，因此，这种CoMP系统需要更大容量的回程链路。然而，在实际系统中，回程链路的容量是有限的。基于部署成本和难度，经常需要利用现有回程链路去尽可能提高CoMP性能。只根据用户的SINR(Signal-to-Interference-plus-Noise，信干噪比)去选择使用CoMP-JP还是CoMP-CB传输模式，而不考虑回程容量，会导致CoMP性能大幅削弱。

申请日为2014年8月14日，题为“基于LTE-Advanced系统的下行CoMP混合协作通信方法”的专利申请(申请号201410400436.X)，公开了一种根据用户的SINR去选择针对该用户是使用CoMP-JP传输模式还是CoMP-CB传输模式的技术方案，该方案仅概括地提出根据计算出的每个用户的SINR、速率以及系统吞吐量进行性能分析，权衡系统性能与系统复杂度来合理地选择小区内使用CoMP-JP传输模式的用户所占的比例，并未提出进行此种权衡和选择的具体方案，也未提出对于用户天线数量变化对于系统性能影响的考量。另外，该方案是针对单个用户对CoMP传输模式进行选择的，单个用户对于传输模式选择的变化将会改变整个网络的架构。从单个用户角度来看，在其他用户的网络架构未确定的基础上，它获得的SINR数据也可能是不准确的。因此，该技术方案缺乏对于网络整体传输模式进行控制的考量。

申请日为2012年3月8日，题为“具有重构能力的无线通信网络中的多点协同(CoMP)发射/接收方法”的专利申请(申请号201280004966.1)，公开了一种根据关于基站和用户之间的无线通信的信息确定用于每个协同基站的CoMP传输模式，之后查明网络回程是否能够支持为相应的协同基站选择的CoMP传输模式，并在回程网络不足以支持该传输模式的情况下，重构回程网络以满足所选传输模式的要求的技术方案。该方案同样也缺乏对网络整体传输效果的考量和对于网络整体传输模式的控制。而且也没有考虑使得使用CoMP传输模式后的整体网络系统获得最大吞吐量。

申请日为2012年6月4日，题为“应用于下行CoMP OFDMA场景下使吞吐量最大的方法和装置”的专利申请(申请号201210180869.X)，虽然公开了一种通过使得全部用户吞吐量最大来改进CoMP系统性能的方法，然而根据其背景技术和对于方法的具体描述可以看出，该方法仅限于系统使用CoMP-JP传输模式的情况下。同时，由于该方法没有考虑用户间的均衡，有可能出现为了整体性能，部分用户始终没有参与通信的情况，进而影响系统中该部分用户的使用体验。另外，该方法没有考虑回程网络的影响和限制，也未对用户天线数较多的情况，尤其是小区内的用户天线数大于单个基站装备的传输天线数的情况，进行区别对待。因此，在用户天线数较多时，该方法对于CoMP系统性能的改进也是有限的。

综上所述，需要一种能够自适应网络拓扑和用户天线数量变化，调整网络系统传输模式的解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够克服上述技术问题的解决方案。

本发明提供了一种用于CoMP下行系统中选择传输模式的方法，包括以下步骤：

步骤1，根据来自所述系统中的用户的信息，选择适合构成协作集的基站；

步骤2，根据所述系统的参数和所述协作集的用户天线数量，分别计算CoMP-CB和CoMP-JP传输模式下的系统吞吐量；

步骤3，根据所述步骤2得到的系统吞吐量，和所述系统回程链路的容量，选择适于所述系统的CoMP传输模式。

优选地，所述步骤2还包括，在所述用户天线数量较少的情况下，选择所述协作集的所有用户为参与吞吐量计算的活动用户；或，在所述用户天线数量较多的情况下，使用比例公平(PF，Proportional Fairness)准则选择参与吞吐量计算的活动用户。

优选地，所述步骤2还包括，在所述系统中的单个基站装备的传输天线数小于所述协作集中的所有用户的总天线数的情况下，使用比例公平准则选择在CoMP-CB传输模式下参与吞吐量计算的活动用户。

优选地，所述步骤2还包括，在所述系统中的单个基站装备的传输天线数小于所述协作集中的单个小区中的用户天线数的情况下，使用比例公平准则选择在CoMP-JP传输模式下参与吞吐量计算的活动用户。

优选地，所述步骤2进一步包括：

根据所述系统的参数和所述协作集的用户天线数量，计算CoMP-CB传输模式下各小区的吞吐量和系统吞吐量；

所述步骤3进一步包括：

在CoMP-CB传输模式下的计算结果中存在至少一个小区的吞吐量达到所述系统回程链路的容量的情况下，选择CoMP-CB传输模式作为所述系统的CoMP传输模式。

优选地，所述步骤2进一步包括：

根据所述系统的参数和所述协作集的用户天线数量，分别计算CoMP-CB和CoMP-JP传输模式下各小区的吞吐量和系统吞吐量；

所述步骤3进一步包括：

在CoMP-CB传输模式下的计算结果中，每个小区的吞吐量均小于所述系统回程链路的容量，并且CoMP-JP传输模式下的计算结果中，所述系统的吞吐量达到所述系统回程链路的容量的情况下，比较所述系统回程链路的容量与所述CoMP-CB传输模式下所述系统的吞吐量，在所述系统回程链路的容量较大的情况下，选择CoMP-JP传输模式作为所述系统的CoMP传输模式，反之，则选择CoMP-CB传输模式作为所述系统的CoMP传输模式。

优选地，所述步骤3还进一步包括：

在CoMP-CB传输模式下的计算结果中，每个小区的吞吐量均小于所述系统回程链路的容量，并且CoMP-CB和CoMP-JP传输模式下的计算结果中，所述系统的吞吐量均小于所述系统回程链路的容量的情况下，选择所述系统的吞吐量较大的CoMP传输模式作为所述系统的传输模式。

优选地，所述步骤3还包括，在CoMP-CB传输模式和CoMP-JP传输模式下的所述系统吞吐量接近的情况下，根据预设的阈值，只有在所述系统当前传输模式下的系统吞吐量小于未选择的传输模式下的所述系统吞吐量，且所述系统吞吐量的差值大于所述阈值的情况下，才将所述未选择的传输模式选择为所述系统的CoMP传输模式。

本发明还相应地提供了一种能够自主选择CoMP下行传输模式的系统，该系统包括若干基站和相应的若干用户，还包括：控制装置，通过所述系统的回程链路与所述系统中的每个基站进行通信，使用前述本发明提供的方法选择所述系统的CoMP传输模式。

优选地，所述控制装置用于处理关于所述系统的CoMP的所有控制、信令和数据。

与现有技术相比，本发明提出的技术方案具有以下优点：

本发明的技术方案一方面能够根据系统的回程容量自适应网络拓扑和用户天线数量，选择活动的用户，减少干扰；另一方面，能够自适应选择调整系统的CoMP传输模式，在得到优化的小区和用户吞吐量的同时，考虑到单个用户的吞吐量，保证小区边缘用户的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图并不构成对于本发明的技术方案的限制。

图1是根据本发明的实施例的CoMP网络架构示意图；

图2是根据本发明的实施例的协作集选择流程示意图；

图3是根据本发明的实施例的CoMP-CB模式下的用户选择流程图；

图4是根据本发明的实施例的CoMP-JP模式下的用户选择流程图；

图5是系统级仿真实验中根据本发明的实施例和根据特定现有技术的实施例在平均总速率上的比较示意图；

图6是系统级仿真实验中根据本发明的实施例和根据特定现有技术的实施例在平均边缘用户速率上的比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步地描述。

图1示出了根据本发明的实施例的CoMP网络架构示意图。如图1，CoMP网络包括若干基站，如基站104、基站106以及基站108等。各个基站服务若干持有MS(Mobile Station，移动台)的用户。控制装置102通过系统的回程链路与系统中的每个基站(基站104、基站106和基站108)相连，这样，控制装置102就有条件掌握关于CoMP系统的所有控制、信令和数据。控制装置102可以是单独设置的网络中心单元，也可以由系统中的一个基站固定担任。

图2示出了根据本发明的实施例的协作集选择流程示意图，其中仅以示例的形式示出了控制装置102，用于组成协作集的基站104和基站106，以及基站106覆盖范围内的用户202。如图2所示，控制装置102首先根据来自系统中的用户的信息为CoMP系统选定参与协作的候选基站。进一步地，根据本发明的一个实施例，为了保证CoMP的性能增益，可以通过衡量由用户报告的RSRQ(Reference Signal Received Quality，参考接收信号质量)的强度，寻找到干扰较小、覆盖范围和信号传输强度符合要求的基站来构成协作集。控制装置102选定协作的候选基站(如选定基站104和基站106作为候选基站)之后，通过回程链路分别传递CoMP request到基站104和基站106，基站104和基站106根据接收到的CoMP request分别向控制器102回传确认信息，从而组成包含控制装置102和基站104以及基站106的CoMP协作集。然后，控制装置102通过基站104和基站106向协作集覆盖范围内的所有用户发送对信道相关信息(比如CSI，Channel State Information，信道状态信息等)的请求，用户可以通过基站将该信息传递回控制装置102。如图2所示，用户202从基站106接收到来自控制装置102的CSI request后，先将自己的CSI信息传递给基站106，再由基站106将该CSI信息传递给控制装置102。同样的，基站104将其接收到的来自用户(相关用户未在图2中示出)的CSI信息传递给控制装置102。图2中虽未示出，但根据本发明的一个实施例，用户也可以直接通过回程链路将CSI等与信道相关的信息传递给控制装置102。之后，根据系统的回程容量，和系统中的天线数量等系统参数信息，控制装置102对CoMP系统的传输模式和活动用户进行自适应选择，并将选定的传输模式信息通知给相关的基站，如图2中的基站104和基站106。

下面结合图3和图4，对控制装置102对CoMP系统的传输模式和活动用户进行自适应选择的具体过程进行说明。为了叙述方便，现假设CoMP协作集中包括N个基站，每个基站装备N_t个传输天线。回程链路的容量最大值为C(bps/Hz)。每个小区有M个持有单天线MS的用户，那么所有用户的总天线数为M_t＝MN。

首先假设系统设置在CoMP-CB传输模式下的情况。在CoMP-CB模式中，协作集中的基站支持各自小区的用户，并通过波束赋形来消除小区间和用户间的干扰。因此，单位下行带宽的可得速率R_CB为：

$R_{\mathrm{CB}}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+\frac{p_{n_m}{\left|\right|h_{n,n_m}{W}_{n,n_m}\left|\right|}_2^2}{{\mathrm{\σ}}^2}),(N_t\≥\mathrm{NM})$

其中，是基站n到用户n_m的信道，是预编码向量，是传输能量，σ²是噪声能量。小区i的吞吐量为：

$R_{\mathrm{CB}}\left(i\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+\frac{{p_{i_m}\left|\right|h_{i,i_m}{W}_{i,i_m}\left|\right|}_2^2}{{\mathrm{\σ}}^2}),(i=1,...,N)$

在用户天线数较多，即N_t<M_t,的时候，由于天线数量的限制，若让所有用户都参加CoMP传输不仅会引入干扰，影响通信性能，同时也会由于无法合理分配空间，而造成部分用户始终无法获得较好的通信环境，吞吐量较低，进而导致空间、能量等资源的浪费。因此，为了避免在协作集内部以及邻近小区引起干扰，需要选择N_t个用户参加CoMP。进一步地，根据本发明的一个实施例，为了提高总吞吐量和公平性，可以使用比例公平(PF，Proportional Fairness)准则。控制装置102计算出每个用户的PF值：

$\mathrm{\&delta;}\left(j\right)=\frac{U\left(j\right)}{E\left[U\left(j\right)\right]},(j=1,...,M_t)$

其中U(j)是用户j的信道容量，E[U(j)]是时间平均的U(j)。如图3所示，先在每个小区选择ceil(N_t/N)+N_rd个拥有最大PF值的用户(正数N_rd被用来扩展挑选的范围)作为候选用户。最终从协作集的用户中挑选出具有最高PF值的N_t个活动的用户。如果在小区i中出现R_CB(i)>C，则从已选出的用户中去除PF值最低的用户，然后重新选择参与CoMP传输的用户。

在上述过程结束之后，控制装置102将得到的每一个小区的吞吐量R_CB(i)(该吞吐量可以由每一个基站计算获得，也可以由控制装置102计算获得)与回程链路的容量最大值C进行比较，若发现存在至少一个小区的吞吐量达到C，则控制装置102不再进行进一步地计算，而直接选用CoMP-CB传输模式作为系统的传输模式，并通知协作集的所有基站。

若R_CB(i)均小于C，控制装置102则假设系统设置在CoMP-JP传输模式下继续进行计算和分析，其具体过程如下。

在CoMP-JP传输模式中，边缘用户的性能增益来自于多个基站的协作。因此，单位下行带宽的可得速率R_JP为：

$R_{\mathrm{JP}}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\log }_2(1+\frac{p_{n_m}{\left|\right|h_{n_m}{V}_{n_m}\left|\right|}_2^2}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}),(N_t\&GreaterEqual;M)$

其中是全局信道向量，是全局预编码向量。

在用户天线数较多，即N_t<M的时候，基于与前面论述中假设系统设置在CoMP-CB传输模式下的计算时同样的理由，不能让全部用户都参加CoMP传输，因此，为了避免干扰，首先选择NN_t个用户参加CoMP，其具体过程如图4所示。控制装置102将协作集中所有小区的用户都作为候选用户，并利用前述过程中计算出的PF值，从中选择PF值最大的NN_t个用户作为活动用户。在CoMP-JP传输模式中，协作集中的所有数据都会经过每一个回程链路，即单个回程链路的数据就是所有活动用户的数据量。如果这NN_t个活动用户的总速率大于回程容量C，则去除其中PF值最低的用户，直到活动用户的总速率不大于C。

在上述用户选择结束之后，设存在N_a(N_a≤NN_t)个活动用户，且第i个用户的速率为R_JP(i)，则单个回程链路的速率R_JP-R为：

$R_{\mathrm{JP}-R}=\underset{i=1}{\overset{N_a}{\mathrm{\&Sigma;}}}{R}_{\mathrm{JP}\left(i\right)}$

控制装置102经过上述分析后，根据计算得出的两种传输模式下的系统吞吐量继续进行分析：

若CoMP-JP传输模式下的回程链路的数据达到C，则继续比较CoMP-CB传输模式下的系统吞吐量与C之间的大小，若前者大，则将系统的传输模式确定为CoMP-CB传输模式，反之，则将系统的传输模式确定为CoMP-JP传输模式；

若CoMP-JP传输模式下的回程链路的数据小于C，则直接比较这两种传输模式下的系统吞吐量大小，选择系统吞吐量较大的传输模式为系统的CoMP传输模式。

在系统运行的过程中可能会出现乒乓效应，尤其是在计算出的两种传输模式的系统吞吐量较接近的情况下，此时，系统内部的些微变化，如网络拓扑或者用户天线数量的小幅变化等，就可能导致整个系统频繁地切换传输模式，进而导致系统的传输性能不稳定。因此，控制装置102在系统正在使用其中一种CoMP传输模式，同时需要比较两种传输模式的系统吞吐量的情况下，根据预先设定的阈值λ进行选择：

当系统原本是CoMP-JP传输模式时，只有在R_CB>R_JP+λ的情况下，才将系统的传输模式切换为CoMP-CB传输模式；

当系统原本是CoMP-CB传输模式时，只有在R_JP>R_CB+λ的情况下，才将系统的传输模式切换为CoMP-JP传输模式。

为了进一步说明本发明提供的技术方案的技术效果，下面结合图5和图6，对根据本发明的系统级仿真实验及其结果进行说明。

该系统级仿真实验对三种技术方案进行了比较。除了本发明提供的技术方案之外，另外两种用于比较的技术方案分别为应用传统方法和任意选择用户的技术方案。其中，传统方法指的是，不考虑发送端天线数量的影响，在受限回程下，每个小区比较CoMP-JP和CoMP-CB两种传输模式的吞吐量，选择吞吐量大的模式作为合适的传输模式。任意选择用户指的是在所有用户中随机选择可以传输的用户。

仿真设置为六边形扇形小区，每个小区包含3个扇区。3个基站，互相之间的距离为500米。载波频率为200MHz。每个扇区有6个MS。基站的天线个数为4，天线增益为14dBi，单天线MS的天线增益为14dBi。MS的移动速度为3km/h。回程容量设定为0～35bps/Hz。

图5示出了，在受限回程的CoMP系统中，三种技术方案中的平均每小区总速率。如图5所示，当容量C较小的时候，由于总速率会受限，三种技术方案的曲线基本重合。随着C的增加，本发明提供的技术方案的性能最好。由于干扰的引入，传统方法的性能逐渐趋于最差。

图6示出了，在受限回程的CoMP系统中，三种技术方案的平均边缘用户速率。和图5相比，回程容量的增加没有给传统方法带来明显的性能提升。这是因为蜂窝系统中的边缘用户比小区中心用户遭受更严重的干扰。而本发明提供的的技术方案通过更公平的资源分配，能够在较大回程容量的时候获得明显的性能增益。

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)

1.一种用于CoMP下行系统中选择传输模式的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据来自所述系统中的用户的信息，选择适合构成协作集的基站；

步骤2，根据所述系统的参数和所述协作集的用户天线数量，分别计算CoMP-CB和CoMP-JP传输模式下的系统吞吐量；

步骤3，根据所述步骤2得到的系统吞吐量，和所述系统回程链路的容量，选择适于所述系统的CoMP传输模式。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2还包括：

在所述用户天线数量较少的情况下，选择所述协作集的所有用户为参与吞吐量计算的活动用户；或

在所述用户天线数量较多的情况下，使用比例公平准则选择参与吞吐量计算的活动用户。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2还包括：

在所述系统中的单个基站装备的传输天线数小于所述协作集中的所有用户的总天线数的情况下，使用比例公平准则选择在CoMP-CB传输模式下参与吞吐量计算的活动用户。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2还包括：

在所述系统中的单个基站装备的传输天线数小于所述协作集中的单个小区中的用户天线数的情况下，使用比例公平准则选择在CoMP-JP传输模式下参与吞吐量计算的活动用户。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2进一步包括：

根据所述系统的参数和所述协作集的用户天线数量，计算CoMP-CB传输模式下各小区的吞吐量和系统吞吐量；

所述步骤3进一步包括：

在CoMP-CB传输模式下的计算结果中存在至少一个小区的吞吐量达到所述系统回程链路的容量的情况下，选择CoMP-CB传输模式作为所述系统的CoMP传输模式。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2进一步包括：

根据所述系统的参数和所述协作集的用户天线数量，分别计算CoMP-CB和CoMP-JP传输模式下各小区的吞吐量和系统吞吐量；

所述步骤3进一步包括：

在CoMP-CB传输模式下的计算结果中，每个小区的吞吐量均小于所述系统回程链路的容量，并且CoMP-JP传输模式下的计算结果中，所述系统的吞吐量达到所述系统回程链路的容量的情况下，比较所述系统回程链路的容量与所述CoMP-CB传输模式下所述系统的吞吐量，在所述系统回程链路的容量较大的情况下，选择CoMP-JP传输模式作为所述系统的CoMP传输模式，反之，则选择CoMP-CB传输模式作为所述系统的CoMP传输模式。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤3还进一步包括：

在CoMP-CB传输模式下的计算结果中，每个小区的吞吐量均小于所述系统回程链路的容量，并且CoMP-CB和CoMP-JP传输模式下的计算结果中，所述系统的吞吐量均小于所述系统回程链路的容量的情况下，选择所述系统的吞吐量较大的CoMP传输模式作为所述系统的传输模式。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3还包括：

在CoMP-CB传输模式和CoMP-JP传输模式下的所述系统吞吐量接近的情况下，根据预设的阈值，只有在所述系统当前传输模式下的系统吞吐量小于未选择的传输模式下的所述系统吞吐量，且所述系统吞吐量的差值大于所述阈值的情况下，才将所述未选择的传输模式选择为所述系统的CoMP传输模式。

9.一种选择CoMP下行传输模式的系统，包括若干基站和相应的若干用户，其特征在于，所述系统还包括：

控制装置，通过所述系统的回程链路与所述系统中的每个基站进行通信，使用权利要求1至8中任一项所述的方法选择所述系统的CoMP传输模式。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述控制装置用于处理关于所述系统的CoMP的所有控制、信令和数据。