CN108233995A - 非授权频段lte系统中一种基于波束成形的空间复用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明采用在非授权频段LTE系统中一种基于波束成形的空间复用方法。该方法可以保证LTE和Wi‑Fi系统公平共享非授权频段。本发明的方法是在多天线的小基站(SBS)利用波束成形技术实现非授权频段的空间复用。本发明则根据以上的分析，采用了空间自由度分配方法和功率控制机制来平衡在不同情况下LTE与Wi‑Fi系统的吞吐量以达到公平共存的状态。

Description

非授权频段LTE系统中一种基于波束成形的空间复用方法
技术领域
本发明涉及无线通信系统领域。本发明设计了一种基于波束成形的非授权频段空间复用方法来解决LTE系统与Wi-Fi系统间的共存问题。
背景技术
在即将到来的5G通信系统，用户对于数据流量的需求在不断增加，有限的授权频段已经成为了继续提高用户日益增长的流量的瓶颈[1]。大部分已有技术是为了提高授权频段的频谱效率，但受限于授权频段资源有限性，而其使用效率已达上限。因此为了满足不断增加的无线通信用户的需求，业界不得不考虑在LTE系统中使用非授权频段。由于拥有中心式的调度和资源分配算法，在LTE系统上把数据分流到非授权频段上不仅可以减轻在授权频段上的拥堵问题，还可以提高用户体验和能量效率。但是由于Wi-Fi系统一直是非授权频段的主要使用者，因此如果要在LTE系统中使用非授权频段，就不得不要确保Wi-Fi系统性能不会受到影响，这就是LTE系统和Wi-Fi系统在非授权频段上的共存问题。
为了解决共存的问题，针对非授权频段LTE系统，提出了很多的解决方案，例如信道选择算法、先听后发(LBT)的信道访问机制、在非授权频段LTE系统中使用空白子帧的方法等。其中一种方法是，把Wi-Fi的空中接口整合到小基站(SBS)上，从而使得LTE系统不需要改变自身的协议就可以与Wi-Fi系统共享非授权频段[3-4]。但是这种方法不是最优的，因为它依然是利用Wi-Fi协议来访问和使用非授权频段。文献[5-7]提出了一种开/关工作周期的方法，当LTE系统工作在非授权频段时，将部分帧设置成为空白帧，这样就可以使Wi-Fi系统对非授权频段进行使用，业界称之为“LTE-U”。LTE系统定期的在非授权频段上利用相似的空白子帧开启或关闭信号的传输，而Wi-Fi则在LTE关闭的周期允许使用非授权频段。但是如果使用了子帧开关来实现对非授权频段的共享，LTE将决定Wi-Fi系统可以使用多少份额的非授权频段，这点对Wi-Fi系统是不公平的[8]。为了进一步降低在非授权频段上LTE系统对于Wi-Fi系统的性能影响，业界提出了一种先听后说(listen-before-talk(LBT))机制，LTE的基站在传输数据前先感知非授权频带上的信息，如果非授权信道被占用，LTE基站会延迟发送数据，直到信道空闲。Wi-Fi系统中使用的载波侦听技术属于该机制。文献[2]研究了四种类别的LBT机制，并且满足了frame based equipment(FBE)或是load based equipment(LBE)非授权频带接入要求规则，定义在文献[9]。根据[10-11]可以得到，由于使用与Wi-Fi系统不同的LBT机制，上述LBT机制都不能保证LTE与Wi-Fi公平的共存。在文献[12]中提出了一种对于LTE-LAA系统改进的负载分流方案来平衡授权与非授权频带上的负载。文献[13]也提出了一种功率分配计划来控制LTE上行链路的功率保证LTE与Wi-Fi之间的共存。现存的有关于LTE在非授权频段的想法大多数是关于基于时分双工冲突避免的信道接入机制来使得LTE与Wi-Fi系统共存。本发明采用的方法和以上的有所不同，我们在非授权频段LTE系统中设计了一种基于波束成形的频率空间复用方法。该方法不但能够保证LTE系统与共信道的Wi-Fi系统和平共存，同时还能实现非授权频段的频率复用，从而提高非授权频段上的频谱利用率。
本发明在提出了在小基站LTE系统中运用波束成形的方法降低对Wi-Fi用户的干扰。根据Wi-Fi系统的负载情况，设计了空间自由度(DoF)和功率分配方法，从而实现非授权频段的空间复用。使用该方法不但能够确保LTE和Wi-Fi系统共享非授权频段，而且还能够提升非授权频段的频谱利用率。
参考文献
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发明内容
本发明的目的是降低LTE系统对Wi-Fi用户的干扰，提供了一种在小基站LTE系统中基于波束成形的空间复用方法，并且通过不同空间自由度和发射功率的分配方法来保证LTE与Wi-Fi系统之间的共存。
本发明利用了MIMO技术中的多用户传输预编码技术，通过在非授权频段上的频率空间复用来保证蜂窝网络与WI-Fi系统之间的共存。特别的，采用在蜂窝小基站上采用波束成形(Zero-Forcing Beam Froming(ZFBF))技术来减轻在小蜂窝用户终端之间的intra-RAT干扰。
本发明虽然采用了ZFBF技术用于蜂窝系统，但依然强调通过在LTE系统上的SBS端进行空间自由度和功率的分配来保证与Wi-Fi系统的共存。本发明为了保证LTE与Wi-Fi系统之间的共存，分别在以下两种不同的Wi-Fi系统负载的场景进行空间自由度和功率分配：
1)当Wi-Fi系统有着较轻的负载时。由于在SBS附件部署了一定数量的传输天线，则可以利用的空间自由度的数量将受到限制，当更多空间自由度分配去供应给SUEs时，则只剩下很少一部分的空间自由度是用于减轻在Wi-Fi系统上的inter-RAT干扰。结果就是Wi-Fi的吞吐量将变少。另一个方面，如果只有很少的空间自由度去供应给SUEs，则小蜂窝系统的吞吐量也将会变少。基于上述的发现，更多的自由度会减轻inter-RAT干扰来使Wi-Fi的吞吐量变高，于是本发明在该场景将通过空间自由度分配计划来平衡小蜂窝与Wi-Fi系统之间的吞吐量。
2)当Wi-Fi系统有着较重的负载时。在这个场景中，由于inter-RAT干扰的存在会去阻碍一定数量的Wi-Fi用户进入非授权频段，那么Wi-Fi系统负载过大的状态将会减轻和Wi-Fi系统的吞吐量可能会提高。另一方面，由于更多的空间自由度被供应给SUEs，小蜂窝系统的吞吐量也会增加。因此，在该场景通过在SBS端控制功率的分配来平衡小蜂窝与Wi-Fi系统之间的吞吐量。
附图说明
图1是本发明所采用的系统模型。
图2是空间DoF分配算法的流程图。
图3是空间DoF和功率分配算法的流程图。
具体实施方式
1、系统模型
正如图1所示，本发明假设一个SBS通过与一个Wi-Fi AP在非授权频段上处于共信道的状态上操作，最后使得两者共存。该SBS在下行链路供应一组SUEs，设为|U|，Wi-Fi AP在上行链路和下行链路都在供应用户，设为|M|。假设每个Wi-Fi用户有着相同类型的的数据流量。因此，Wi-Fi用户的数量就代表了总的Wi-Fi流量负载。假设SBS配置了Nt个天线，SUEs和Wi-Fi节点各自配了单个天线。如果N个空间自由度是供应给K个SUEs，表示为一组Us，在小蜂窝系统中一个DoF被用来消除在Wi-Fi AP附近的干扰，剩余的DoFs被用来对Nt-N-1个Wi-Fi用户进行干扰消除的，表示为一组Ms。在Wi-Fi的方面，Wi-Fi用户在非授权频段上基于DCF协议，其中，使用了CSMA\CA的指数退避算法、最小退避窗口尺寸，W和最大竞争阶段，L。
把Hk作为在SBS和SUE K之间的信道矢量。信道向量中的元素被认为是独立同分布(i.i.d)复高斯随机变量的零均值和单位方差，它们可以在SBS端上通过SUEs发回来的反馈信息得到。为了消除对于Wi-Fi用户的干扰，SBS依然需要知道到Wi-Fi和Wi-Fi AP的SCI。假设把Wi-Fi AP接口整合到SBS，因此SBS就可以监视到非授权频谱上的Wi-Fi信号的信息。在接收到从Wi-Fi用户和Wi-FiAP传回来的前导码后，SBS将会估计从Wi-Fi用户和Wi-Fi AP到SBS端的CSI。
2、Wi-Fi处于低负载
当Wi-Fi系统处于低负载时，M＜M*，M*为最大化Wi-Fi系统的吞吐量的最佳Wi-Fi用户的数量。本发明用Wi-Fi用户数量多于或少于M*来定义了Wi-Fi系统是低负载状态还是超负载状态。通过性能分析发现，可以用空间自由度的分配来实现SBS与Wi-Fi系统之间吞吐量的权衡。如果在SBS端让更多的空间自由度用于消除inter-RAT干扰，则供应给SUEs的就越少。结果就是更多的Wi-Fi 用户将去竞争非授权频带，则Wi-Fi的吞吐量将会增多。另一个方面，如果很少的空间自由度用于消除对于Wi-Fi用户的inter-RAT干扰，则更多的空间自由度将可利用在SBS端上，则SBS端的吞吐量将会提高。因此，通过空间自由度的分配，这是对于SBS与Wi-Fi系统之间吞吐量的一个基本的权衡。去分析这种方法来保证公平的共存，可以用以下的公式来表达DoF分配问题：
且满足以下条件：
|Us|＝K； (1a)
2≤K≤N； (1d)
N+|Ms|＝Nt-1； (1e)
其中es和ew分别是SBS与Wi-Fi系统吞吐量归一化的权重因子，是用来权量他们的吞吐量，保证其和平的共存，权重因子es和ew相加之和等于1。和是对于SBS和Wi-Fi用户的平均传输速率的最低要求。目标函数(1)是使小蜂窝和Wi-Fi系统的最小加权吞吐量最大化。(1d)表示着选定的SUEs数量要少于或等于供应给SUEs的空间自由度的数量。为解决目标函数(1)，可以设置一个新的变量Z来代替目标函数，则问题可以转化为：
题归纳(1a)，(1b)，(1c)，(1d)，(1e)，可以得到：
z≤ewRw； (2a)
z≤esRs； (2b)
由于空间自由度的数量一直是整数，对于问题(2)是混合整数规划问题。首先需要确定有多少空间自由度是用来分配给SUEs或是用于消除LTE系统对于Wi-Fi用户的干扰。之后，也要确定有多少SUEs和选定的Wi-Fi用户需要通过使用空间自由度来抑制干扰。因此有两个循环是被要求的。
外部循环，用二分法来解决空间自由度的分配问题。内部循环，由于随着Wi-Fi服务用户数量的增加，Wi-Fi系统的吞吐量也在增加，则SBS选择最大化活跃Wi-Fi用户的平均数量。最佳的对于问题(2)的解决方案是满足条件esRs等于或接近ewRw，是用于判断对于这个方案是否达成的条件。对应的算法可以用图2来表示。
当选择的Wi-Fi用户的干扰减轻了，那么信道接入的概率Apm(j)就会增加，对于每个Wi-Fi用户m的信道接入概率是先被计算出来的。然后，将所有的Wi-Fi用户将以Δpm(j)的降序排列出来，第一个D(j)Wi-Fi用户为了在SBS端避免干扰而选择最大化活跃Wi-Fi用户的数量。当分配数量为N＝Nt-D(j)-1空间自由度给SUEs时，全局搜索方法用于寻找最佳的需要提供空间自由度的SUEs的数量，来最大化小蜂窝的吞吐量。其中，要注意的是SBS端要知道活跃Wi-Fi用户的数量。由于SBS可以监视到非授权频段，因此在SBS上可以用序列蒙特卡罗方法应用在Wi-Fi AP上来估计活跃的Wi-Fi用户数量。
2、Wi-Fi处于过负载
如果Wi-Fi系统负载过多，M＞M*，由于inter-RAT干扰会对于一定数量Wi-Fi用户造成堵塞，而LTE-U的inter-RAT干扰可能提高Wi-Fi的吞吐量。同时，由于越多的空间自由度分配给SUEs用于消除inter-RAT干扰，则SBS的吞吐量将越大。所以要平衡Wi-Fi与小蜂窝系统的吞吐量，首先要把整个空间自由度分配给SUEs。然后需要朝着两个方面去操作：
1、强inter-RAT干扰：如果由于强inter-RAT干扰的影响，进入非授权信道的Wi-Fi用户的数量少于M*，操作图2的算法将可以保证小蜂窝与Wi-Fi系统吞吐量的平衡。
2、弱inter-RAT干扰：第二种情况，即使SBS端把所有的空间自由度去供应给SUEs，Wi-Fi依然是过负载的情况。相对于第一种情况，则需要通过增加SBS端的发射功率来降低Wi-Fi的流量负载。结果，更多的Wi-Fi用户由于增加的inter-RAT干扰而被阻塞了。SBS端的发射功率将持续增加直到活跃的Wi-Fi用户的平均数量达到了最佳数量M*。在这种情况下，由于不断增加SBS端的发射功率，它的吞吐量也可以进一步地增加。
基于以上的分析，在SBS端空间自由度和功率分配计划去控制inter-RAT干扰的流程图如图3。

Claims (4)

1.本发明针对非授权频段LTE系统，在小基站设计了一种波束成形，利用该方法可以实现非授权频段的复用，同时能够保证LTE与Wi-Fi在非授权频段上的共存。根据Wi-Fi系统的负载情况，LTE系统利用空间自由度和发送功率的分配来减少对Wi-Fi系统的干扰，实现与Wi-Fi系统的共存。
2.根据权利要求1所述的一种在非授权频段LTE系统中的波束成型方法，其特征在于当LTE系统与Wi-Fi系统共享非授权频段时，小基站利用空间自由度和功率分配可以减少对Wi-Fi用户端的干扰。
3.根据权利要求1所述的一种在非授权频段LTE系统中的基于波束成形的空间复用的方法，其特征在于当Wi-Fi系统有着较小的负载时，利用空间自由度的分配方法减少LTE系统对Wi-Fi系统的干扰，从而平衡小蜂窝与Wi-Fi系统的吞吐量，以达到两系统之间的和平共存。
4.根据权利要求1所述的一种在非授权频段LTE系统中的基于波束成形的空间复用的方法，其特征在于当Wi-Fi系统有着较大的负载时，可以利用在小基站上发射功率的控制机制来最大化Wi-Fi系统的吞吐量，同时也提高LTE系统的吞吐量，以达到两系统之间的和平的共存。
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Application publication date: 20180629