CN105812082A - 一种基于干扰容忍的多小区系统的高效传输协议方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于干扰容忍的多小区系统的高效传输协议方法，针对多小区边缘用户的干扰问题，设计了两时隙的传输协议，通过采用基于信漏噪比的预编码方案，推导获得所提传输协议下的预编码闭合表达式，并设计了基于非线性最小均方误差的自适应接收机，结果表明所设计的传输协议与传统协议相比具有较大的“和速率”增益。

Description

一种基于干扰容忍的多小区系统的高效传输协议方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，尤其涉及一种基于干扰容忍的多小区系统的高效传输协议方法。

背景技术

近年来，随着小区覆盖密度的增加，多小区系统的干扰问题成为无线通信领域中最为重要的研究热点之一。根据小区边缘用户的不同分布位置可分为三类场景，第一类是单小区传输(Singlecelltransmission)模式，即用户与本小区关联基站距离很近，而与其他基站距离很远；第二类是多点协作(Coordinatedmulti-pointstransmission,CoMP)传输模式，即该用户位于多个基站交叉覆盖的重叠区，因此该用户会收到来自多个基站的干扰。近年来的科学研究主要致力于处理来自多个基站的干扰问题；第三类是本发明提出的新协议设计传输模式，即该用户位于两个基站交叉覆盖的重叠区域，而与第三个小区的基站覆盖区域距离很远。事实上，第三类场景即为众所周知的线性Wyner干扰模型，Wyner干扰模型表明用户位于两个基站交叉覆盖区域的概率要远大于位于三个基站交叉覆盖区，并且由于路径损耗和大尺度衰落的影响，用户受到的来自第三个基站的干扰可以忽略，近年来，关于这种场景下的协议设计传输方案尚未有文献系统性涉及。

近年来，关于多点协作场景的方案设计和分析主要关注于小区间干扰的处理，并且大多数研究场景属于本发明分类的第二种场景，作者Yang和Sun等人发表的高引用率综述论文详细阐述了多点协作传输方案的处理方法，包括基站间的有限回程反馈、干扰管理以及3GPPLTE(Longtermevolution)R11版本中的相关信号设计，其中3GPPLTE的传输方案主要分为四类，第一类是动态节点选择方案，第二类是联合收发机设计方案，第三类是协作波束形成或调度方案，第四类是动态节点回程方案。

Liu等人对基站和移动终端均配置多天线的场景，推导获得了采用干扰配准技术消除小区间和小区内干扰的充分和必要条件，值得一提的是多天线配置的MIMO(Multipleinputandmultipleoutput)技术，由于它可带来显著的阵列增益和分集增益，已经作为4G和未来5G的关键技术受到了广泛的应用研究，Liu等人在文献研究的基础上从信息论的角度出发进一步分析了该系统的自由度，Wu和Yang等人研究了机会干扰配准方法以及干扰中和条件，这些研究主要分析了干扰配准或干扰中和处理方案的应用。Annapureddy等人从信息论的角度对多点协作CoMP的增益进行了详细的理论分析，Huq等人根据不完全信道状态信息的场景，设计了迫零预编码发送和块对角化预编码方案，获得系统和速率的有效提升，Choi等人设计了多用户MIMO-OFDMA(OrthogonalFrequencyMultipleAccess)系统下多点协作传输模式的最优资源分配方案[20]。值得说明的是，所有这些多点协作传输方案工作的研究都未考虑小区边缘用户仅接收到一个基站或一些基站的干扰的情况，而不是所有基站的干扰。

已有多点协作方案的工作中关于小区边缘用户受到来自所有其他基站的干扰，可看作是一种极限情况，其他一些极限情况是采用TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)协议通过多个时隙的发送来消除干扰。尽管多天线技术可以通过基站之间的协作和TDMA协议获得正交时隙，然而，基站的预编码矩阵需要对角阵(单天线)或块对角阵(多天线)，这与方阵(收发端同天线配置)相比会有一定的性能损耗。尽管TDMA协议利用三个时隙保障所有发送信号的正交性，但严重降低了系统的频谱效率以及会出现时间延迟等问题。本发明需要强调的是，用户所接收到的混合信号并非不能高效利用，接收端可以利用译码并进行连续干扰消除获得接近最优的接收机。本发明与已有多点协作研究的不同之处在于每个基站的天线配置和时隙数，本发明的系统模型中基站配置为单天线，通过两个时隙以完成信号的传输。

由于严重的路径损耗和阴影衰落影响，本发明假定每个小区边缘用户仅接收到相邻小区基站的干扰，暂不考虑来自其他基站的干扰。例如本发明所研究的三小区系统模型，假定小区半径为L，若用户位于两小区相交中心处，则用户与有用基站、相邻基站以及第三个基站的距离分别为L、L和从而相应的路径损耗分别为L^-α、L^-α和该用户的信干噪比可表达为其中σ²是噪声方差，p是基站的发送功率。一般而言，假定自由空间路径损耗因子α＝5，则从而可知来自第三个基站的干扰较小，同Jafar等人的方案分析，本发明忽略该干扰。

本发明考虑设计两个时隙(或OFDM两个子载波)的新传输协议以完成所有传输且不使用多天线技术，每个时隙内，所有基站同时给相应用户传输信号，两个时隙后，每个用户收到混合有干扰和噪声的信号，本发明所提的新协议节省了一个时隙，但是引入的干扰会降低接收信号的信干噪比，因此，本发明通过预编码和自适应接收机的设计，有效克服引入干扰带来的影响，从仿真结果可以看到本发明所提的协议的显著增益。

发明内容

本发明设计了两时隙传输协议，主要针对两个时隙传输的多小区系统模型，通过预编码的优化设计获得系统容量的最大化，并基于非线性的MMSE-SIC(MinimumMeanSquareErrorSuccessiveInterferenceCancellation)连续干扰消除准则设计最优的自适应接收机。可应用于OFDMA(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess)等系统，其中发送端采用基于信漏噪比SLNR(SignaltoLeakageandNoiseRatio)的预编码方法，通过仿真和分析表明所提基于SLNR的两时隙传输协议可获得显著性能增益，之所以采用SLNR预编码是由于其可以和本发明所提协议有效结合，而该SLNR预编码是由十年前Sadek等人提出，主要用于多用户MIMO系统，之后由Qiang等人用于多点协作系统的信号传输；设计了自适应的接收机，可有效提升系统的吞吐量。

一种基于干扰容忍的多小区系统的高效传输协议方法，包括三小区系统下的两时隙传输协议，第一个时隙内，BS₁采用预编码系数ω₁₁向UE₁发送信号x₁，BS₂采用预编码系数ω₂₁向UE₂发送信号x₂，BS₃采用预编码系数ω₃₁向UE₂发送信号x₃；第二个时隙内，BS₁采用预编码系数ω₁₂向UE₁发送信号x₁，BS₂采用预编码系数ω₂₂向UE₁发送信号x₂，BS₁采用预编码系数ω₃₂向UE₁发送信号x₃；其中，所述两个时隙基站发送的信号相同而预编码系数不同，且基站BS_k(k＝1,2,3)之间不共享发送信号；

第二时隙内，每个基站向UE_k发送信号ω_k2x_k，其中ω_k2是第二个时隙内基站BS_k的预编码系数，所提出的两时隙传输协议方案描述如下：第一时隙内，基站BS₁向UE₁发送信号ω₁₁x₁；基站BS₂向UE₂发送信号ω₂₁x₂；基站BS₃向UE₃发送信号ω₃₁x₃；第二个时隙内，基站BS₁向UE₁发送信号ω₁₂x₁；基站BS₂向UE₂发送信号ω₂₂x₂；基站BS₃向UE₃发送信号ω₃₂x₃。

附图说明

附图1是系统模型示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作详细说明。

本发明考虑的三小区的系统模型如图1所示，其中交叉重叠区域的用户由于大尺度衰落和阴影衰落，假定其仅收到来自两个基站的信号，例如图1所示的用户3(UE₃)仅接受到来自BS₁的干扰，若UE₃移动到三个小区的交叉重叠区，则UE₃可以参考已有的多点协作传输方案进行解决[28]。而通常情况下，由于两个基站交叉的范围较大，UE₃处于两个基站交叉重叠区的概率要远大于处于三个基站的交叉重叠区。

本发明提出三小区系统下的两时隙传输协议，第一个时隙内，BS₁采用预编码系数ω₁₁向UE₁发送信号x₁，BS₂采用预编码系数ω₂₁向UE₂发送信号x₂，BS₃采用预编码系数ω₃₁向UE₂发送信号x₃；第二个时隙内，BS₁采用预编码系数ω₁₂向UE₁发送信号x₁，BS₂采用预编码系数ω₂₂向UE₁发送信号x₂，BS₁采用预编码系数ω₃₂向UE₁发送信号x₃。需要注意的是两个时隙基站发送的信号相同而预编码系数不同，且基站BS_k(k＝1,2,3)之间不共享发送信号。

第二时隙内，每个基站向UE_k发送信号ω_k2x_k，其中ω_k2是第二个时隙内基站BS_k的预编码系数，所提出的两时隙传输协议的示意表如上面表1所示。

两个时隙内每个用户的接收信号可以表达为：

其中h_kj(k＝1,2,3,j＝1,2)是基站BS_k到用户UE_k在第一个(j＝1)和第二个(j＝2)时隙的有用信道，g_kj(k＝1,2,3,j＝1,2)是用户UE_k在第一个(j＝1)和第二个(j＝2)时隙受到的来自基站BS_k的干扰，n_kj用户UE_k在两个时隙内受到的白噪声，其服从均值为零方差为σ²的循环对称复高斯分布。

方程(1)可用矩阵的形式表达为：

其中表示按元素相乘，且H₁，H₂，H₃，ω_k和n_k分别为：

$H_1\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\left[\begin{array}{cc}{h}_{11}& g_{21}\\ h_{12}& g_{22}\end{array}\right]$

$H_2\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\left[\begin{array}{cc}{h}_{21}& g_{31}\\ h_{22}& g_{32}\end{array}\right]$

$H_3\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\left[\begin{array}{cc}{h}_{31}& g_{11}\\ h_{32}& g_{12}\end{array}\right]$

${\mathrm{\ω}}_k\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\ω}}_{k1}& {\mathrm{\ω}}_{k2}\end{array}\right]}^T$

$n_k\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{\left[\begin{array}{cc}{n}_{k1}& n_{k2}\end{array}\right]}^T,(k=1,2,3)$

所提的传输模式仅需要两个时隙即可完成三个用户的信号传输(标记为BS_k-UE_k(k＝1,2,3))，与传统的TDMA的三个时隙传输模式相比有着较大的吞吐量增益。然而，所设计的传输协议模式引入了小区间的干扰，这与用户端的信噪比增加是相背的，因此，本发明将对两个时隙内所有基站的预编码系数进行优化以克服小区间的干扰，并设计最优的自适应接收机。本发明所设计的两时隙传输协议是以三小区单用户为系统模型，而应用于多用户系统的OFDMA传输也可直接扩展。

由本发明所提的两时隙传输协议可知，每个用户需求解两个方程，且两个方程包含两个未知数分别是有用信号和干扰，从而有用信号和干扰的求解可通过提出基于门限的自适应接收机设计获得。首先采用线性MMSE接收机用于每个用户方程的求解，然后计算各自有用信号和干扰的信干噪比。检测是否满足SINR_useful≥SINR_interference，如果满足，则进行译码且有用信号的当前值即为最终结果；如果不满足，则首先译码干扰信号再进行干扰消除，从而得到有用信号的信噪比。

本发明将推导采用线性MMSE接收机后有用信号和干扰的信干噪比表达式，每个用户的MMSE接收机可以表达为：

其中Q_k定义为：

其中p是每个基站两个时隙内的发送总功率。

每个用户采用线性MMSE接收机后，用户UE₁的信干噪比SINR₁可表达为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{SINR}}_1=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}^2{\[Q_1\]}_{11}}-1\\ =\frac{{\mathrm{\ω}}_1^H{D}_1{\mathrm{\ω}}_1+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}^4}{\mathrm{\ω}}_2^H{D}_3^H{\mathrm{\ω}}_1^{*}{\mathrm{\ω}}_1^T{D}_3{\mathrm{\ω}}_2}{1+{\mathrm{\ω}}_2^H{D}_2{\mathrm{\ω}}_2}\end{array}$

其中

$D_1\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}diag\{\[{\left|h_{11}\right|}^2,{\left|h_{12}\right|}^2\]\}$

$D_2\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}diag\{\[{\left|g_{21}\right|}^2,{\left|g_{22}\right|}^2\]\}$

$D_3\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\left[\begin{array}{cc}0& h_{11}{g}_{22}\\ -h_{12}{g}_{21}& 0\end{array}\right]$

MMSE接收机处理后，用户UE₁的干扰信号x₂的信干噪比可表达为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{SINR}}_1^I=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}^2{\[Q_1\]}_{22}}-1\\ =\frac{{\mathrm{\ω}}_2^H{D}_2{\mathrm{\ω}}_2+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}^4}{\mathrm{\ω}}_2^H{D}_3^H{\mathrm{\ω}}_1^{*}{\mathrm{\ω}}_1^T{D}_3{\mathrm{\ω}}_2}{1+{\mathrm{\ω}}_1^H{D}_1{\mathrm{\ω}}_1}\end{array}$

同样的方法，用户UE₂的SINR₂可表达为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{SINR}}_2=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}^2{\[Q_2\]}_{11}}-1\\ =\frac{{\mathrm{\ω}}_2^H{J}_1{\mathrm{\ω}}_2+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}^4}{\mathrm{\ω}}_3^H{J}_3^H{\mathrm{\ω}}_2^{*}{\mathrm{\ω}}_2^T{J}_3{\mathrm{\ω}}_3}{1+{\mathrm{\ω}}_3^H{J}_2{\mathrm{\ω}}_3}\end{array}$

其中

$J_1\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}diag\{\[{\left|h_{21}\right|}^2,{\left|h_{22}\right|}^2\]\}$

$J_2\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}diag\{\[{\left|g_{31}\right|}^2,{\left|g_{32}\right|}^2\]\}$

$J_3\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\left[\begin{array}{cc}0& h_{21}{g}_{32}\\ -h_{22}{g}_{31}& 0\end{array}\right]$

用户UE₂的干扰信号x₃的信干噪比可表达为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{SINR}}_2^I=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}^2{\[Q_2\]}_{22}}-1\\ =\frac{{\mathrm{\ω}}_3^H{J}_2{\mathrm{\ω}}_3+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}^4}{\mathrm{\ω}}_3^H{J}_3^{*}{\mathrm{\ω}}_2^{*}{\mathrm{\ω}}_2^T{J}_3^T{\mathrm{\ω}}_3}{1+{\mathrm{\ω}}_2^H{J}_1{\mathrm{\ω}}_2}\end{array}$

同样，用户UE₃的信干噪比SINR₃可表达为

$\begin{array}{c}{\mathrm{SINR}}_3=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}^2{\[Q_3\]}_{11}}-1\\ =\frac{{\mathrm{\ω}}_3^H{T}_1{\mathrm{\ω}}_3+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}^4}{\mathrm{\ω}}_1^H{T}_3^H{\mathrm{\ω}}_3^{*}{\mathrm{\ω}}_3^T{T}_3{\mathrm{\ω}}_1}{1+{\mathrm{\ω}}_1^H{T}_2{\mathrm{\ω}}_1}\end{array}$

其中

$T_1\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}diag\{\[{\left|h_{31}\right|}^2,{\left|h_{32}\right|}^2\]\}$

$T_2\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}diag\{\[{\left|g_{11}\right|}^2,{\left|g_{12}\right|}^2\]\}$

$T_3\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\left[\begin{array}{cc}0& h_{31}{g}_{12}\\ -h_{32}{g}_{11}& 0\end{array}\right]$

用户UE₃的干扰信号x₁的信干噪比可表达为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{SINR}}_3^I=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}^2{\[Q_3\]}_{22}}-1\\ =\frac{{\mathrm{\ω}}_1^H{T}_2{\mathrm{\ω}}_1+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}^4}{\mathrm{\ω}}_1^H{T}_3^{*}{\mathrm{\ω}}_3^{*}{\mathrm{\ω}}_3^T{T}_3^T{\mathrm{\ω}}_1}{1+{\mathrm{\ω}}_3^H{T}_1{\mathrm{\ω}}_3}\end{array}$

线性MMSE处理且无干扰消除(SIC)的和速率可表达为：

$R_{MMSE}=\frac{1}{2}\underset{k=1}{\overset{3}{\Σ}}{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_k)$

而采用线性MMSE且干扰消除的通用表达式可表示为：

基于式(28)，SNR_k可表达为：

${\mathrm{SNR}}_k=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}^2}{\mathrm{\ω}}_k^{H}diag\{\[{\left|h_{k1}\right|}^2,{\left|h_{k2}\right|}^2\]\}{\mathrm{\ω}}_k$

从而，基于MMSE-SIC后的和速率可表达为：

$R_{MMSE-SIC}=\frac{1}{2}\underset{k=1}{\overset{3}{\Σ}}{\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_k)$

本发明所设计的接收机也可应用于等功率分配方案。

Claims (1)

1.一种基于干扰容忍的多小区系统的高效传输协议方法，包括三小区系统下的两时隙传输协议，第一个时隙内，BS₁采用预编码系数ω₁₁向UE₁发送信号x₁，BS₂采用预编码系数ω₂₁向UE₂发送信号x₂，BS₃采用预编码系数ω₃₁向UE₂发送信号x₃；第二个时隙内，BS₁采用预编码系数ω₁₂向UE₁发送信号x₁，BS₂采用预编码系数ω₂₂向UE₁发送信号x₂，BS₁采用预编码系数ω₃₂向UE₁发送信号x₃；其中，所述两个时隙基站发送的信号相同而预编码系数不同，且基站BS_k(k＝1,2,3)之间不共享发送信号；

第二时隙内，每个基站向UE_k发送信号ω_k2x_k，其中ω_k2是第二个时隙内基站BS_k的预编码系数，所提出的两时隙传输协议方案描述如下：第一时隙内，基站BS₁向UE₁发送信号ω₁₁x₁；基站BS₂向UE₂发送信号ω₂₁x₂；基站BS₃向UE₃发送信号ω₃₁x₃；第二个时隙内，基站BS₁向UE₁发送信号ω₁₂x₁；基站BS₂向UE₂发送信号ω₂₂x₂；基站BS₃向UE₃发送信号ω₃₂x₃。