CN106506109B - 密集小蜂窝网络用户分组与自适应干扰抑制方法 - Google Patents

密集小蜂窝网络用户分组与自适应干扰抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种密集小蜂窝网络用户分组与自适应干扰抑制方法，首先中心处理单元利用根据各用户大尺度衰落信道信息对用户进行分组，同一组用户使用相同导频，不同组用户使用不同正交导频。接着，各小蜂窝基站利用用户大尺度衰落信道信息确定相邻的组间干扰用户，利用接收的上行导频估计相邻用户的信道矢量，若无组间干扰用户，上下行链路可分别采用最大比合并（MRC）接收与最大比发送(MRT)预编码；若存在组间干扰用户，上下行链路可分别采用迫零接收与迫零预编码发送，消除组间干扰。本发明通过简单的用户分组方法可减轻导频污染，同时减少系统导频开销；另外各小蜂窝基站自适应消除组间干扰，可有效提高系统的频谱效率。

Description

密集小蜂窝网络用户分组与自适应干扰抑制方法
技术领域
本发明涉及一种密集小蜂窝网络无线通信技术，尤其涉及基于导频复用的用户分组和组间干扰抑制方法。
背景技术
密集小蜂窝网络被认为是一种大幅提高系统的频谱效率和功率效率的有效技术。与传统蜂窝网络相比，密集小蜂窝网络通过密集布设低成本、低功耗小蜂窝基站，可大幅缩短用户终端和发送节点之间的接入距离，从而获得低传播损耗和高空间复用增益。由于网络的密集化，密集小蜂窝网络可以在同一频段允许同时服务更多的用户。然而，可用的正交导频资源却是有限的，随着用户数量的增加，密集小蜂窝网络必须采用导频复用才能支持服务更多的用户，从另外一方面也会影响系统的性能。其中影响密集小蜂窝网络系统性能主要来自两方面的干扰：1)导频污染，2)共信道干扰。
如何抑制导频污染在大规模天线系统中学者们已经开展了深入研究，然而在密集小蜂窝网络中却没有这方面研究。另一方面，密集小蜂窝网络的实施会引起严重的共信道干扰，特别是不同小蜂窝之间重叠覆盖的区域。通常采用需要共享全局信道状态信息的联合处理方式来解决共信道干扰问题，但是联合处理所需交换的信道信息开销对于实际系统来说是难以承受的。面对以上挑战，我们需要设计一种有效的传输处理方案来减少信令开销，同时抑制密集小蜂窝网络导频污染和共信道干扰问题。
发明内容
本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种密集小蜂窝网络用户分组与自适应干扰抑制方法。
为了达到上述目的，本发明提出的密集小蜂窝网络用户分组与自适应干扰抑制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、密集小蜂窝网络采用时分双工(TDD)传输模式，各用户在不同时频资源周期性地发送探测信号，各个小蜂窝基站统计接收到的探测信号，获取各个用户的大尺度衰落信道信息，通过回传链路传送给中心处理单元；
步骤2、中心处理单元根据用户到各小蜂窝基站的大尺度衰落信道信息确定每个小蜂窝基站服务的用户集合，各个小蜂窝基站在同一频率资源只服务一个用户，各个小蜂窝基站在不同频率资源服务不同用户；
步骤3、中心处理单元将同一频率资源服务的用户集合进行分组，相互距离位置较远的用户分配在一组，将相互距离位置较近的用户分配在不同组；
步骤4、同一分组的用户上行发送同一导频，不同分组的用户上行发送正交导频，每个小蜂窝基站收到导频信号后，估计各个用户的上行信道矢量；
步骤5、在上行数据传输阶段，用户发送数据给各自小蜂窝基站，每个小蜂窝基站根据步骤1接收到的大尺度衰落信道信息确定相邻的组间干扰，采用上行自适应组间干扰抑制方法，选择合适的上行线性接收滤波器接收数据；
步骤6、在下行数据传输阶段，每个小蜂窝基站根据步骤1接收到的大尺度衰落信道信息确定相邻的组间干扰，采用下行自适应组间抑制干扰方法，选择合适的下行预编码发送数据给各自服务的用户。
为了达到上述目的，本发明还具有以下特征：
1、步骤3中，中心处理单元利用基于导频复用的用户分组方法进行用户分组。
2、所述的基于导频复用的用户分组方法，包括如下步骤：
步骤21：中心处理单元根据大尺度衰落信道信息βni≤(1.5r)-η的门限标准，确定各个小蜂窝基站在同一频率资源上相邻的用户集合Vn，并通过回传链路将用户集合传送给各自小蜂窝基站，其中βni表示用户UEi与小蜂窝基站SBSn之间的大尺度衰落信道信息，为同一频率资源服务的用户集合，相应服务的小蜂窝基站集合为r是小蜂窝基站的覆盖半径，η是路径损耗因子， 为服务小蜂窝基站集合；
步骤22：选择各小蜂窝基站相邻的用户集合中用户数最多的小蜂窝基站
步骤23：将小蜂窝基站SBSn*相邻的各用户分配到不同用户组 为正交导频序号集合，从同一频率资源的用户集合中去掉已分配的用户
步骤24：从剩余用户中选择与所选小蜂窝基站大尺度衰落最小的用户
步骤25：分别计算用户q*与每组用户大尺度衰落比值的平均值，第i组的比值为其中，表示第i组第k个用户与小蜂窝基站SBSn之间的大尺度衰落信道信息，
表示当用户服务于小蜂窝基站SBSn，则它们之间大尺度衰落最大，此时否则
将用户q*分配到平均每组用户大尺度衰落比值最大的那组用户集合并从用户集合中去掉已分配的用户
步骤26：重复步骤24-25，直到所有用户被分配完，结束用户分组。
3、步骤5中，所述上行自适应组间干扰抑制方法包括如下步骤：
步骤31：以大尺度衰落信道信息的门限标准确定各小蜂窝基站相邻的用户集合
步骤32：每个小蜂窝基站收到导频信号后，估计服务用户以及相邻用户的上行信道矩阵其中 表示小蜂窝SBSn估计用户的上行信道矢量，表示小蜂窝SBSn估计第i组用户的上行信道矢量之和；
步骤33：判断各小蜂窝基站的相邻用户数，当小蜂窝基站相邻用户数为1，转步骤34；当小蜂窝基站相邻用户数大于1，转步骤35；
步骤34：小蜂窝基站采用最大比合并MRC接收机检测数据；
步骤35：判断小蜂窝基站相邻用户数是否大于天线数M，当相邻用户数大于天线数，转步骤36；当用户数小于等于天线数时，转步骤37；
步骤36：从各小蜂窝基站相邻的用户集合中选择大尺度衰落最大的M个相邻用户,则获得的上行信道矩阵为采用组间迫零接收机接收数据，消除组间最强的M-1个干扰；
步骤37：上行信道矩阵采用组间迫零接收机接收数据，消除所有组间干扰。
4、步骤6中，所述下行自适应组间干扰抑制方法，包括如下步骤：
步骤41：以大尺度衰落信道信息的门限标准，确定各小蜂窝基站相邻的用户集合
步骤42：每个小蜂窝基站收到导频信号后，估计服务用户以及相邻用户的上行信道矩阵转置后得到下行信道矩阵
步骤43：判断各小蜂窝基站相邻用户数，当小蜂窝基站相邻用户等于1，转步骤44；当小蜂窝基站相邻用户大于1，转步骤45；
步骤44：小蜂窝基站采用最大比发送MRT预编码发送数据；
步骤45：判断小蜂窝基站相邻用户数是否大于天线数M，当相邻用户数大于天线数，转步骤46；当用户数小于等于天线数时，转步骤47；
步骤46：从各小蜂窝基站相邻的用户集合中选择大尺度衰落最大的M个相邻用户,获得的下行信道矩阵为采用组间迫零预编码发送数据，消除组间最强的M-1个干扰；
步骤47：下行信道矩阵为采用组间迫零预编码发送数据，消除所有组间干扰。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明利用大尺度信道信息进行用户分组，同一组的用户可以复用导频，可减少中心处理单元所需的回程链路开销，同时减少系统的导频开销；
2、本发明利用大尺度信道信息实施基于导频复用的用户分组方法，计算复杂度低，可降低导频污染，提高频谱效率，适用于各种TDD导频复用无线通信系统；
3、本发明根据相邻干扰的强弱自适应消除组间干扰，只需要侦听相邻组间用户的导频获取信道信息，不需要发送额外导频，而且接收和发送的信号都是在各个小蜂窝基站分布式处理，无需信道信息和数据的共享。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为密集小蜂窝网络系统模型示意图；
图2为密集小蜂窝网络用户分组与自适应干扰抑制方法步骤的流程图；
图3为密集小蜂窝网络基于导频复用的用户分组方法的流程图；
图4为密集小蜂窝网络上行自适应组间干扰抑制方法的流程图；
图5为密集小蜂窝网络下行自适应组间干扰抑制方法的流程图。
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说明。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
本实施例的密集小蜂窝网络系统模型如图1所示，考虑时分双工(TDD)传输方式，假设一个小区有N个小蜂窝，每个小蜂窝布设一个配有M根天线的小蜂窝基站，通过有限容量的回程链路连接到中心处理单元。整个小区同一频段服务的用户数为K，每个用户配置单天线且由一个小蜂窝基站服务。用户导频发送功率为ρp，各小蜂窝基站的覆盖半径为r。
整个系统由模块101、模块102、模块103和模块104组成，其中模块101是小蜂窝基站，主要作用是负责信道估计，抑制组间干扰，收发数据；模块102是用户终端，主要作用是用户发送上行导频，收发数据的设备；模块103是回程链路，主要作用是各小蜂窝基站传送获取的大尺度衰落信道信息给中心处理单元，中心处理单元发送信令给各小蜂窝基站；模块104是中心处理单元，主要作用是负责时频资源、导频资源以及用户调度等。105模块是由基于导频复用的用户分组方法得到的不同用户分组，相同样式圈内的用户表示同一频段内同组用户，他们使用相同导频；不同样式圈内的用户表示不同组用户，他们使用正交导频。
本发明实施例提供了密集小蜂窝网络用户分组与自适应干扰抑制方法：
如图2所示，密集小蜂窝网络用户分组与自适应干扰抑制方法包括如下步骤：
步骤201.密集小蜂窝网络采用时分双工(TDD)传输模式，各用户在不同时频资源周期性地发送探测信号，各个小蜂窝基站统计接收到的探测信号，获取各个用户的大尺度衰落信道信息，通过回传链路传送给中心处理单元；
步骤202.中心处理单元根据用户到各小蜂窝基站的大尺度衰落信道信息确定每个小蜂窝基站服务的用户集合。再按照随机分配的原则确定在同一频率资源各个小蜂窝基站服务一个用户，在不同频率资源各个小蜂窝基站服务不同用户，则同一频率资源服务的用户集合为相应服务的小蜂窝基站集合为
步骤203.根据平均每组用户大尺度衰落比值最大准则，利用基于导频复用的用户分组方法将同一频率资源服务的用户集合进行分组。同一分组的用户上行使用相同导频，不同分组的用户上行使用正交导频；其他频率资源服务的用户按照步骤203进行用户分组。
步骤204.在导频发送阶段，各用户根据分配的导频资源，等功率发送上行导频。每个小蜂窝基站收到导频信号后，估计各个用户的上行信道矢量；
小蜂窝基站SBSn,接收到的导频信号为：
其中Nn为加性高斯白噪声矩阵，其各个元素的均值为零、方差为σn。
表示第i组用户使用的导频且 为正交导频序号集合。为用户分组后第i组的用户集合，该组用户使用导频 表示第i组的用户集合的总用户数。第i组第k个用户与小蜂窝基站SBSn之间的信道矢量为其中表示用户与小蜂窝基站SBSn之间的大尺度衰落信道信息，其中表示用户与小蜂窝基站SBSn之间距离，η是路径损耗因子；表示用户与SBSn之间快衰落信道矢量，其各个元素是均值为零、方差为1的高斯随机变量。
利用线性MMSE估计，得到用户信道矢量估计值为
MMSE方法为现有技术，参见文献：S.M.Kay,Fundamentals of StatisticalSignal Processing:Estimation Theory,Englewood Cliffs,NJ:Prentice Hall,1993.
步骤205.在上行数据传输阶段，用户发送数据给各自小蜂窝基站，每个小蜂窝基站根据接收到的大尺度衰落信道信息确定相邻的组间干扰，采用上行自适应抑制组间干扰方法，选择合适的上行线性接收滤波器接收数据；
步骤206.在下行数据传输阶段，每个小蜂窝基站根据接收到的大尺度衰落信道信息确定相邻的组间干扰，采用下行自适应抑制组间干扰方法，选择合适的下行预编码发送数据给各自服务用户。
如图3所示，本发明实施例提供了密集小蜂窝网络基于导频复用的用户分组方法，包括如下步骤：
步骤301：中心处理单元根据大尺度衰落信道信息βni≤(1.5r)-η的门限标准，确定各个小蜂窝基站在同一频率资源上相邻的用户集合并通过回传链路将用户集合传送给各自小蜂窝基站；
步骤302：选择各小蜂窝基站相邻的用户集合用户数最多的小蜂窝基站
步骤303：将小蜂窝基站SBSn*相邻的各用户分配到不同用户组 从用户集合中去掉已分配的用户
步骤304：从剩余用户中选择与所选小蜂窝基站大尺度衰落最小的用户
步骤305：分别计算用户q*与不同组用户大尺度衰落比值的平均值其中，
表示当用户服务于小蜂窝基站SBSn，则它们之间大尺度衰落最大，此时否则
将用户q*分配到平均每组用户大尺度衰落比值最大的那组用户集合并从用户集合中去掉已分配的用户
步骤306：重复步骤304-305，直到所有用户被分配完，结束用户分组。
如图4所示，本发明实施例提供了密集小蜂窝网络上行自适应干扰抑制方法，包括如下步骤：
步骤401：按照步骤301，以大尺度衰落信道信息βni≤(1.5r)-η的门限标准，确定各小蜂窝基站相邻的用户集合
步骤402：按照步骤204，每个小蜂窝基站收到导频信号后，估计相邻用户的上行信道矩阵其中
步骤403：判断各小蜂窝基站的相邻用户数，当小蜂窝基站相邻用户数为1，转步骤404；当小蜂窝基站相邻用户数大于1，转步骤405；
步骤404：小蜂窝基站采用最大比合并MRC接收机检测数据；
步骤405：判断小蜂窝基站相邻用户数是否大于天线数M，当相邻用户数大于天线数，转步骤406；当用户数小于等于天线数时，转步骤407；
步骤406：从各小蜂窝基站相邻的用户集合中选择大尺度衰落最大的M个相邻用户,则获得的上行信道矩阵为采用组间迫零接收机消除组间最强的M-1个干扰，检测数据。
步骤407：上行信道矩阵采用组间迫零接收机消除所有组间干扰，检测数据。
如图5所示，本发明实施例提供了密集小蜂窝网络下行自适应干扰抑制方法，包括如下步骤：
步骤501：按照步骤301，以大尺度衰落信道信息βni≤(1.5r)-η的门限标准，确定各小蜂窝基站相邻的用户集合
步骤502：按照步骤204，每个小蜂窝基站收到导频信号后，估计服务用户以及相邻用户的上行信道矩阵
转置后得到下行信道矩阵
步骤503：判断各小蜂窝基站相邻用户数，当小蜂窝基站相邻用户等于1，转步骤504；当小蜂窝基站相邻用户大于1，转步骤505；
步骤504：小蜂窝基站采用最大比发送MRT预编码发送数据。
步骤505：判断小蜂窝基站相邻用户数是否大于天线数M，当相邻用户数大于天线数，转步骤506；当用户数小于等于天线数时，转步骤507；
步骤506：从各小蜂窝基站相邻的用户集合中选择大尺度衰落最大的M个相邻用户,则获得的下行信道矩阵为采用组间迫零预编码消除组间最强的M-1个干扰，发送数据。
步骤507：下行信道矩阵为采用组间迫零预编码消除所有组间干扰，发送数据。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种密集小蜂窝网络用户分组与自适应干扰抑制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、密集小蜂窝网络采用时分双工传输模式，各用户在不同时频资源周期性地发送探测信号，各个小蜂窝基站统计接收到的探测信号，获取各个用户的大尺度衰落信道信息，通过回传链路传送给中心处理单元；
步骤2、中心处理单元根据用户到各小蜂窝基站的大尺度衰落信道信息确定每个小蜂窝基站服务的用户集合，各个小蜂窝基站在同一频率资源只服务一个用户，各个小蜂窝基站在不同频率资源服务不同用户；
步骤3、中心处理单元将同一频率资源服务的用户集合进行分组，相互距离位置较远的用户分配在一组，将相互距离位置较近的用户分配在不同组；
步骤4、同一分组的用户上行发送同一导频，不同分组的用户上行发送正交导频，每个小蜂窝基站收到导频信号后，估计各个用户的上行信道矢量；
步骤5、在上行数据传输阶段，用户发送数据给各自小蜂窝基站，每个小蜂窝基站根据步骤1接收到的大尺度衰落信道信息确定相邻的组间干扰，采用上行自适应组间干扰抑制方法，选择合适的上行线性接收滤波器接收数据；
步骤6、在下行数据传输阶段，每个小蜂窝基站根据步骤1接收到的大尺度衰落信道信息确定相邻的组间干扰，采用下行自适应组间抑制干扰方法，选择合适的下行预编码发送数据给各自服务的用户；
所述步骤3中，中心处理单元利用基于导频复用的用户分组方法进行用户分组，包括如下步骤：
步骤21：中心处理单元根据大尺度衰落信道信息βni≤(1.5r)-η的门限标准，确定各个小蜂窝基站在同一频率资源上相邻的用户集合vn，并通过回传链路将用户集合传送给各自小蜂窝基站，其中βni表示用户UEi与小蜂窝基站SBSn之间的大尺度衰落信道信息， 为同一频率资源服务的用户集合，相应服务的小蜂窝基站集合为r是小蜂窝基站的覆盖半径，η是路径损耗因子， 为服务小蜂窝基站集合；
步骤22：选择各小蜂窝基站相邻的用户集合中用户数最多的小蜂窝基站
步骤23：将小蜂窝基站相邻的各用户分配到不同用户组 为正交导频序号集合，从同一频率资源的用户集合中去掉已分配的用户
步骤24：从剩余用户中选择与所选小蜂窝基站大尺度衰落最小的用户
步骤25：分别计算用户q*与每组用户大尺度衰落比值的平均值，第i组的比值为 其中，表示第i组第k个用户与小蜂窝基站SBSn之间的大尺度衰落信道信息，
表示当用户服务于小蜂窝基站SBSn，它们之间大尺度衰落最大，此时否则
将用户q*分配到平均每组用户大尺度衰落比值最大的那组用户集合并从用户集合中去掉已分配的用户
步骤26：重复步骤24-25，直到所有用户被分配完，结束用户分组。
2.根据权利要求1所述的密集小蜂窝网络用户分组与自适应干扰抑制方法，其特征在于：步骤5中，所述上行自适应组间干扰抑制方法包括如下步骤：
步骤31：以大尺度衰落信道信息的门限标准确定各小蜂窝基站相邻的用户集合
步骤32：每个小蜂窝基站收到导频信号后，估计服务用户以及相邻用户的上行信道矩阵其中 表示小蜂窝SBSn估计用户的上行信道矢量，表示小蜂窝SBSn估计第i组用户的上行信道矢量之和；
步骤33：判断各小蜂窝基站的相邻用户数，当小蜂窝基站相邻用户数为1，转步骤34；当小蜂窝基站相邻用户数大于1，转步骤35；
步骤34：小蜂窝基站采用最大比合并MRC接收机检测数据；
步骤35：判断小蜂窝基站相邻用户数是否大于天线数M，当相邻用户数大于天线数，转步骤36；当用户数小于等于天线数时，转步骤37；
步骤36：从各小蜂窝基站相邻的用户集合 中选择大尺度衰落最大的M个相邻用户,则获得的上行信道矩阵为采用组间迫零接收机接收数据，消除组间最强的M-1个干扰；
步骤37：上行信道矩阵采用组间迫零接收机接收数据，消除所有组间干扰。
3.根据权利要求1所述的密集小蜂窝网络用户分组与自适应干扰抑制方法，其特征在于：步骤6中，所述下行自适应组间干扰抑制方法，包括如下步骤：
步骤41：以大尺度衰落信道信息的门限标准，确定各小蜂窝基站相邻的用户集合
步骤42：每个小蜂窝基站收到导频信号后，估计服务用户以及相邻用户的上行信道矩阵转置后得到下行信道矩阵
步骤43：判断各小蜂窝基站相邻用户数，当小蜂窝基站相邻用户等于1，转步骤44；当小蜂窝基站相邻用户大于1，转步骤45；
步骤44：小蜂窝基站采用最大比发送MRT预编码发送数据；
步骤45：判断小蜂窝基站相邻用户数是否大于天线数M，当相邻用户数大于天线数，转步骤46；当用户数小于等于天线数时，转步骤47；
步骤46：从各小蜂窝基站相邻的用户集合中选择大尺度衰落最大的M个相邻用户,获得的下行信道矩阵为采用组间迫零预编码发送数据，消除组间最强的M-1个干扰；
步骤47：下行信道矩阵为采用组间迫零预编码发送数据，消除所有组间干扰。
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