CN108718205B - 一种适用于全双工蜂窝网络的协作发射波束成型方法和通信系统 - Google Patents

一种适用于全双工蜂窝网络的协作发射波束成型方法和通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种适用于全双工蜂窝网络的协作发射波束成型方法和通信系统。本方法为：基站获取与各通信用户之间的下行链路的信道状态信息，以及基站发射天线到其他小区基站接收天线之间的干扰链路的信道状态信息；基站通过反馈信道获得各通信用户的噪声级别；基站通过基站间通信链路得到其他小区基站的噪声级别；基站计算预定的SLNR效用函数取得最大值时的发射波束成型矩阵；其中，所述SLNR效用函数是基于以上所述的信道状态信息、噪声级别建立；基站利用所述发射波束成型矩阵对要发射的数据流进行发射波束成型。本发明能够大大提升FD蜂窝网络的频谱效率。

Description

一种适用于全双工蜂窝网络的协作发射波束成型方法和通信 系统
技术领域
本发明涉及全双工多小区协作通信(Full duplex multi-cell cooparativecommunications)技术，具体涉及一种全双工多小区协作通信中的发射波束成型方法和通信系统。
背景技术
在现代的通信系统中，每一个通信节点——例如基站、中继或者手机——既发射信号也接受信号。为了避免发射信号对接收天线的自干扰(SI)，传统通信节点工作于时分双工～(TDD)或者频分双工～(FDD)模式，亦即将发射、接受信号安排在不同的时隙或者不同的频率。全双工(FD)技术使得通信节点能在同一时间、同一频率进行信号的发射和接收，并且利用自干扰消除技术抑制自干扰的影响，从而有望将传统通信系统的频谱效率提升两倍。
虽然FD自干扰消除技术已经比较成熟，但是将FD技术应用到蜂窝网络中时，会导致新的同频干扰。具体而言，在传统半双工(HD)蜂窝通信系统中，如果相邻小区使用相同频带进行数据传输，则会产生两种小区间干扰：(1)下行-下行干扰：本小区的下行发射信号会对邻小区的下行接收机造成干扰；(2)上行-上行干扰：本小区的上行发射信号也会对邻小区的上行接收机造成干扰。如果将FD技术应用于基站(用户可以工作于HD或FD模式)，不仅仍然存在上述两种传统小区间干扰，而且由于上行和下行信号共用相同的时频资源，会导致三种新的同频干扰：(1)FD节点的自干扰；(2)基站间干扰，即本小区基站的发射信号对邻小区基站接收天线的干扰；(3)用户间干扰，即上行用户发射信号对下行用户接收天线的干扰。
上述干扰中，FD节点自干扰可以通过已有的自干扰消除技术消除至接近接收机热噪声水平，用户间干扰可以通过调度距离较远、彼此干扰信道较弱的用户进行抑制。然而，FD蜂窝网络中基站间干扰可能非常严重，原因是：1)与基站和用户之间的信道相比，由于基站一般安放在比较高的位置，基站之间更有可能存在路径损耗低的直射信道；2)基站的发射功率和天线增益一般比用户的大，因此本小区基站受到的相邻基站的干扰，可能远比来自本小区用户的有用信号强。因此，如果不对基站间干扰采取有效措施，FD蜂窝网络的上行传输可能会被基站间干扰淹没。
多天线技术(MIMO)可以用于抑制FD蜂窝网络中存在的传统小区间干扰，以及FD技术导致的基站间干扰。多天线发射波束成型的原理，是将待发射的数据流在各根发射天线上赋予特定的权重系数，使得发射信号在目标接收机处获得增强，而对非目标接收机的干扰得到抑制。多天线接收波束成型的原理与之类似，是将接收天线阵列上的信号乘以特定的权重系数，使得接收到的目标信号功率获得增强，干扰信号得到抑制。将发射(或接收)权重系数写成矩阵形式，即为发射(或接收)波束成型矩阵。在FD蜂窝网络中，通过优化配备天线阵列的基站的发射和接收波束成型矩阵，能够有效地抑制传统的小区间干扰和基站间干扰，并且保护有用信号，从而提升系统的性能。
综上所述，将FD技术应用于蜂窝网络中时，传统的小区间干扰以及基站间干扰是亟需解决的问题，而多天线波束成型提供了有效的解决手段。本小区基站在设计其服务的某个用户的发射波束成型矩阵时，不仅需要考虑对该小区内其他用户的干扰，还需要考虑对邻小区用户的干扰以及对邻基站接收机的干扰。因此，各小区在设计波束成型矩阵时需要一定程度的协作。针对传统的HD蜂窝网络，已经有不少协作波束成型方案。然而，目前尚未存在适用于FD蜂窝网络的协作波束成形方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的是为FD蜂窝网络提供一种协作波波束成型方法和系统，以解决FD多小区网络中的传统小区间干扰问题和基站间干扰问题，从而提升FD蜂窝网络的频谱效率。
为了达到以上目的，本发明确定FD基站天线阵列的发射波束成型矩阵的过程，包括以下步骤：
a)基站获取其与各个用户之间的下行链路的信道状态信息，以及其发射天线到其他小区基站接收天线之间的干扰链路的信道状态信息；
b)基站通过反馈信道获得各个用户的噪声级别，所述的噪声级别包括热噪声、其他上行用户发射信号所造成的干扰、来自非协作小区基站的干扰，如果是FD用户的话还包括FD用户的残余自干扰；
c)基站通过基站间通信链路得到其他小区基站的噪声级别，所述的噪声级别包括热噪声和残余自干扰；
d)基站计算预定的信漏噪比(SLNR)效用函数取得最大值时的发射波束成型矩阵，其中所述的SLNR效用函数是基于以上所述的信道状态信息，以及以上所述的噪声级别，并且考虑到各个用户的不同接收条件而建立的。此外，其中所述的SLNR效用函数所考虑的泄露干扰，不仅包括本小区基站对其他下行用户的干扰，还包括本小区基站对其他基站的干扰；
e)利用以上计算的发射波束成型矩阵，对要发射的数据流进行发射波束成型。
具体而言，本发明按照下式来计算SLNR最大化条件下各个用户的发射波束成型矩阵：
Figure BDA0001727031870000031
其中信漏噪比效用函数SLNRk定义如下：
Figure BDA0001727031870000032
上式中Kd为蜂窝网络中下行用户数量，Kb为蜂窝网络中基站个数(每个小区配备一个基站，但是每个小区可能服务一个或多个用户，因此Kd≥Kb)；jk为用户k的服务基站的索引，
Figure BDA0001727031870000033
为从基站jk到用户k的信道状态信息，
Figure BDA0001727031870000034
为从基站jk到基站j的干扰信道状态信息；γk为用户k的噪声级别，基站从反馈信道获得，用于修正信道
Figure BDA0001727031870000035
λj为基站j的噪声级别，基站通过基站间通信链路获得，用于修正基站间干扰信道
Figure BDA0001727031870000036
Mk为用户k的接收天线数量，Wk为针对用户k的发射波束成型矩阵。(·)H表示矩阵的共轭转置，Tr(·)函数用于计算矩阵的迹。
最优的发射波束成型矩阵可以通过特征值分解方法得到：
Figure BDA0001727031870000037
上式中
Figure BDA0001727031870000038
代表计算矩阵Qk的特征值分解后，最大的Sk个特征值所对应的特征向量所构成的矩阵，其中Sk为发送给用户k的数据流的数目。上面所述的矩阵Qk如下所示：
Figure BDA0001727031870000039
其中I为单位矩阵，其他符号的定义与前面一致。
此外，本发明确定FD基站天线阵列的接收波束成型矩阵时，将采用经典的最小均方误差(MMSE)波束成型准则，以便在接收天线处进一步抑制残余自干扰、泄露过来的基站间干扰、传统的小区间干扰等干扰信号，并且保护有用信号。由于MMSE接收波束成型准则非常成熟，本发明将省略其详细描述，以避免使本发明的主题不清楚。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
采用本发明的协作波束成型方法，FD蜂窝网络中的传统小区间干扰，以及FD技术导致的基站间干扰，都可以得到有效的抑制，从而提升FD蜂窝网络的频谱效率。
附图说明
图1示意性地展示可以用协作波束成型进行干扰管理的FD蜂窝网络；
图2示意性地展示本发明提出的基站确定其发射波束成型矩阵的流程。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明中协作波束成型的实施方式。
如图1所示，本发明实施例涉及的蜂窝通信系统包括多个相互干扰的基站(图1仅画出其中的两个基站作为示例)，基站工作于FD模式且配备天线阵列。每个基站服务一个或多个用户，用户可以工作于FD模式或者传统HD模式(图1仅画出所有用户工作于HD模式的情形)。在图1中，我们将FD蜂窝网络中存在的同频干扰分为五类。首先，有两种传统的小区间干扰：下行-下行干扰I1和上行-上行干扰I2。此外，还有FD技术导致的三种新的干扰：FD自干扰I3，基站间干扰I4和用户间干扰I5。在这五种干扰中，我们假设FD自干扰可以被自干扰消除电路削减至接近热噪声的水平，并且假设用户间干扰可以通过用户调度算法进行控制，即调度相隔较远、相互之间干扰信道较弱的用户配对进行FD通信。因此，本发明提出的协作波束成型方案，主要针对两种传统小区间干扰和基站间干扰。
为了抑制传统小区间干扰以及基站间干扰，基站发送和接收数据时分别进行发射和接收波束成型，并且对波束成型矩阵进行优化设计。首先，本发明实施例确定基站发射波束成型矩阵的过程，如图2所示，由以下步骤构成：
a)基站获取其与各个用户之间的下行链路的信道状态信息，以及其发射天线到其他小区基站接收天线之间的干扰链路的信道状态信息；
具体而言，如果FD基站使用收发共享的天线阵列，那么基站之间的干扰信道具有互易性，本小区基站可以接收邻小区基站的导频信号来估计基站间干扰链路的信道状态信息。在此条件之下，如果HD用户工作于TDD模式，那么基站与用户间的信道也具有互易性。基站可以利用从各个用户发送的上行导频信号来估计上行链路的信道状态信息，并且利用信道互易性，将该上行链路信道状态信息作为下行链路的信道状态信息。另外，如果HD用户工作于FDD模式，那么基站需要通过反馈信道从各个用户获得下行链路的信道状态信息。
如果FD基站使用收发分置的天线阵列，那么基站间干扰信道不存在互易性，本基站需要通过基站间通信链路获得邻基站反馈的基站间干扰信道状态信息。在此条件下，无论HD用户工作于TDD还是FDD模式，基站与用户间的信道都不满足互易性，基站都需要通过反馈信道从用户获得下行链路的信道状态信息。
b)基站通过反馈信道获得各个用户的噪声级别，所述的噪声级别包括热噪声、其他上行用户发射信号所造成的干扰、来自非协作小区基站的干扰，如果是FD用户的话还包括其残余自干扰；
每个用户首先需要测量其噪声级别，再将其反馈其服务基站。具体的测量方法可以为：在一段时间内，协作基站在相应的时频资源上停止发射信号，用户在相应的时频资源检测接收信号的总强度，然后将接收信号强度映射为相应的噪声级别。
c)基站通过基站间通信链路得到其他小区基站的噪声级别，所述的噪声级别包括热噪声和残余自干扰；
每个基站也需要先测量其噪声级别，再将其反馈给其他基站。具体的测量方法可以为：在一段时间内，其他基站在相应的时频资源上停止发射信号，仅该待测基站在相应的时频资源继续发射信号，并检测其自干扰消除电路之后接收信号的总强度，然后将接收信号强度映射为相应的噪声级别。或者，如果基站知道其自干扰消除能力，则可以直接计算其残余自干扰和热噪声功率值之和，并将其映射为相应的噪声级别。
d)基站计算预定的SLNR效用函数取得最大值时的发射波束成型矩阵，其中所述的SLNR效用函数是基于以上所述的信道状态信息，以及以上所述的噪声级别，并且考虑到各个用户的不同接收条件而建立的。此外，其中所述的SLNR效用函数所考虑的泄露干扰，不仅包括本小区基站对其他下行用户的干扰，还包括本小区基站对其他基站的干扰。
具体而言，本发明按照下式来计算SLNR最大化条件下各个用户的发射波束成型矩阵：
Figure BDA0001727031870000051
其中信漏噪比效用函数SLNRk定义如下：
Figure BDA0001727031870000052
上式中Kd为蜂窝网络中下行用户数量，Kb为基站个数(每个小区配备一个基站，但是每个小区可能服务一个或多个用户，因此Kd≥Kb)；jk为用户k的服务基站的索引，
Figure BDA0001727031870000053
为从基站jk到用户k的信道状态信息，
Figure BDA0001727031870000054
为从基站jk到基站j的干扰信道状态信息；γk为用户k的噪声级别，基站从反馈信道获得，用于修正信道
Figure BDA0001727031870000055
λj为基站j的噪声级别，基站通过基站间通信链路获得，用于修正基站间干扰信道
Figure BDA0001727031870000056
Mk为用户k的接收天线数量，Wk为针对用户k的发射波束成型矩阵。(·)H表示矩阵的共轭转置，Tr(·)函数用于计算矩阵的迹。
最优的发射波束成型矩阵可以通过特征值分解方法得到：
Figure BDA0001727031870000057
上式中
Figure BDA0001727031870000058
代表计算矩阵Qk的特征值分解后，最大的Sk个特征值所对应的特征向量所构成的矩阵，其中Sk为发送给用户k的数据流的数目。上面所述的矩阵Qk如下所示：
Figure BDA0001727031870000061
其中I为单位矩阵，其他符号的定义与前面一致。
e)利用以上计算的发射波束成型矩阵，对要发射的数据流进行发射波束成型。
此外，本发明确定FD基站天线阵列的接收波束成型矩阵时，将采用经典的最小均方误差(MMSE)波束成型准则，以便在接收天线处进一步抑制残余自干扰、泄露过来的基站间干扰、传统的小区间干扰等干扰信号，并且保护有用信号。由于MMSE接收波束成型准则非常成熟，本发明将省略其详细描述，以避免使本发明的主题不清楚。
采用本发明的协作波束成型方法，FD蜂窝网络中的传统小区间干扰，以及FD技术导致的基站间干扰，都可以得到有效的抑制，从而提升FD蜂窝网络的频谱效率。
以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非有实施例的具体描述所界定。

Claims (8)

1.一种适用于全双工蜂窝网络的协作发射波束成型方法，其步骤包括：
基站获取与各通信用户之间的下行链路的信道状态信息，以及基站发射天线到其他小区基站接收天线之间的干扰链路的信道状态信息；
基站通过反馈信道获得各通信用户的噪声级别；
基站通过基站间通信链路得到其他小区基站的噪声级别；
基站计算预定的SLNR效用函数取得最大值时的发射波束成型矩阵；其中，所述SLNR效用函数为
Figure FDA0002558064660000011
其中，Kd为蜂窝网络中下行用户数量，Kb为蜂窝网络中基站个数，jk为用户k的服务基站的索引，
Figure FDA0002558064660000012
为从基站jk到用户k的信道状态信息，
Figure FDA0002558064660000013
为从基站jk到用户i的信道状态信息，
Figure FDA0002558064660000014
为从基站jk到基站j的干扰信道状态信息；γk为用户k的噪声级别，γi为用户i的噪声级别，λj为基站j的噪声级别，Mk为用户k的接收天线数量，Wk为针对用户k的发射波束成型矩阵，(·)H表示矩阵的共轭转置，Tr(·)函数用于计算矩阵的迹；
基站利用所述发射波束成型矩阵对要发射的数据流进行发射波束成型。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用
Figure FDA0002558064660000015
得到SLNR效用函数取得最大值时的发射波束成型矩阵。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用
Figure FDA0002558064660000016
得到SLNR效用函数取得最大值时的发射波束成型矩阵；其中，
Figure FDA0002558064660000017
代表计算矩阵Qk的特征值分解后，最大的Sk个特征值所对应的特征向量所构成的矩阵，Sk为发送给用户k的数据流的数目，
Figure FDA0002558064660000018
I为单位矩阵。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基站通过反馈信道获得各通信用户的噪声级别包括：热噪声、其他上行用户发射信号所造成的干扰、来自非协作小区基站的干扰。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，如果通信用户为全双工用户，则所述基站通过反馈信道获得各通信用户的噪声级别还包括全双工用户的残余自干扰。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基站通过基站间通信链路得到其他小区基站的噪声级别包括热噪声和残余自干扰。
7.一种适用于全双工蜂窝网络的通信系统，其特征在于，包括若干基站，每一所述基站获取与各通信用户之间的下行链路的信道状态信息、基站发射天线到其他小区基站接收天线之间的干扰链路的信道状态信息、基站通过反馈信道获得各通信用户的噪声级别、基站通过基站间通信链路得到其他小区基站的噪声级别；所述基站计算预定的SLNR效用函数取得最大值时的发射波束成型矩阵，然后利用所述发射波束成型矩阵对要发射的数据流进行发射波束成型；其中，所述SLNR效用函数为
Figure FDA0002558064660000021
其中，Kd为蜂窝网络中下行用户数量，Kb为蜂窝网络中基站个数，jk为用户k的服务基站的索引，
Figure FDA0002558064660000022
为从基站jk到用户k的信道状态信息，
Figure FDA0002558064660000023
为从基站jk到用户i的信道状态信息，
Figure FDA0002558064660000024
为从基站jk到基站j的干扰信道状态信息；γk为用户k的噪声级别，γi为用户i的噪声级别，λj为基站j的噪声级别，Mk为用户k的接收天线数量，Wk为针对用户k的发射波束成型矩阵，(·)H表示矩阵的共轭转置，Tr(·)函数用于计算矩阵的迹。
8.如权利要求7所述的通信系统，其特征在于，利用
Figure FDA0002558064660000025
得到SLNR效用函数取得最大值时的发射波束成型矩阵；其中，
Figure FDA0002558064660000026
代表计算矩阵Qk的特征值分解后，最大的Sk个特征值所对应的特征向量所构成的矩阵，Sk为发送给用户k的数据流的数目，
Figure FDA0002558064660000027
I为单位矩阵。
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