CN109151835A

CN109151835A - 一种无线通信网络规划方法、设备和系统

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Publication number: CN109151835A
Application number: CN201710450493.2A
Authority: CN
Inventors: 杨学志
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-06-15
Filing date: 2017-06-15
Publication date: 2019-01-04
Also published as: WO2018228148A1

Abstract

软频率复用是小区间的主要手段，为了解决在多天线系统当中部署软复用技术的实际问题，本发明揭示了一种无线通信网络规划方法、设备和系统。本发明把时频资源划分成N个互不重叠的资源组；指定一个资源组的特定排序，资源组的功率密度上限按照这个排序依次降低或者不变，这个特定的排序称为一个PDM模版，一共定义K个PDM模版；把每个小区划分成为多个虚拟扇区，为每个虚拟扇区设定一个基站在该虚拟扇区内在同一个RB上所允许形成的最大波束数；将K个PDM模版分配给虚拟扇区，使得相邻的虚拟扇区分配不同的PDM模版；为虚拟扇区指定具体的PDM，并且符合该虚拟扇区的PDM模版的资源组排序规则。本发明的有益效果在于实现了软复用与MU‑MIMO的协同工作，提高了频谱效率；是一个集中算法，以低复杂度实现了全局最优；并且不需要基站之间交换信令。

Description

一种无线通信网络规划方法、设备和系统

技术领域

本发明属于无线通信领域，尤其涉及一种无线通信网络规划方法、设备和系统。

背景技术

针对LTE提高小区边缘速率的要求，软频率复用技术被广泛研究和应用，发展成为LTE的“小区间干扰协调”这一关键技术特性，也就是ICIC（Inter cell interferencecoordination）。

软频率复用技术在文献“杨学志，一种在无线通信系统中实现频率软复用的方法，CN1783861”当中提出。图1当中的曲线表示软频率复用技术当中发射机的发射功率密度的上限（Power Density upper Limit，PDL），发射机的功率密度可以小于等于这个上限，而不能超过这个上限。

在图1所示的软频率复用技术示例当中，频谱被划分成了三段，记为B1、B2、B3。每个小区选一个频段设置一个比较高的PDL，称作主载波，可以覆盖到整个小区。其他的频段设置一个比较低的PDL，称作副载波，只能够覆盖小区的内部区域。小区边缘的用户只能使用本小区的主载波，而小区内部的用户既可以使用主载波，也可以使用副载波。

图2显示的是各个频段的覆盖情况。图2当中的频段符号，也就是B1,B2,B3，放置于其覆盖范围最远边界的内侧。如图2，在小区1当中B1是主载波，有较高的PDL，可以覆盖整个小区，而B2和B3是副载波，有较低的PDL，只能够覆盖小区内部区域。小区边缘的用户只能够使用主载波B1，而小区内部的用户，既可以使用主载波B1, 也可以使用副载波B2和B3。

在软频率复用技术当中，相邻小区的主载波互不重叠，因此分属于不同相邻小区的边缘用户之间相互没有干扰。在小区边缘，与同频复用相比虽然可用带宽减少了，但是信干噪比得到比较大的提高，足以补偿带宽的损失，通信速率还是可以得到比较大的提高。在小区内部，本小区的信号比较强，而邻区干扰比较小，所有的带宽都可以得到利用，具有较高的频谱效率。

软频率复用在不同的频段上设置不同的PDL。因为时间和频率都是通信资源，这个原理也可以从频率直接推广到时间或者时间－频率资源块（Resource Block，RB）上，形成软时间复用，或者软时频复用。

多级软时频复用在“杨学志，一种多级软时频复用和资源分配的方法、设备和系统，CN201410082468.X”当中被提出，把多个不同参数的软频率复用方案组合起来，进一步显著提高了蜂窝系统的频谱效率。图3所示的是一个四级软时频复用的PDL，图4所示的是各个RB的覆盖范围。

软频率复用当中只有两个PDL等级，因此可以更加具体地称为二级软频率复用，小区也被相应地划分为小区边缘和小区中心两个区域。而在图3和图4所示的四级软时频复用当中，小区边缘又进一步被划分成两个区域，可以叫最边缘和次边缘区域，而小区中心也被划分成两个区域，可以叫最中心和次中心区域。一个在小区最边缘的终端分配PDL最高的RB，而这个RB在相邻小区的PDL最低，只能分配给最中心的用户，这是较好的干扰模式，避免了最边缘和次中心相互干扰的较差的干扰模式，进一步提高了系统的性能。

在本发明当中的后续部分当中，用“软复用”这一术语作为在时域、频域以及时频域的各种PDL级别数量的软复用技术的总称。

软复用本质上是一种网络规划技术，为每个小区的资源分配提供了一个约束框架。在这个约束框架下每个小区独立进行调度和功率控制，可以实现较好的干扰模式，提高整个网络的性能。

基于图论的染色算法已经广泛应用于GSM系统的频率规划。图是一个数学概念。一个图包含多个顶点。如果两个顶点之间有一条连线，这条连线称为边，那么这两个顶点称为相邻。染色算法给每个顶点染一个颜色，并且试图用最少的颜色使得相邻的两个顶点颜色不同。

蜂窝系统的频率规划可以等效为一个图染色问题。每个小区相当于一个顶点。在所有的小区都用同样的频率的情况下，如果两个小区之间的干扰超过了一个规定的限度，那么则认为这两个小区相邻，两个对应的顶点之间存在一条边。这样就构成了一个图。对这个图进行染色，每个颜色对应一个频率，相互干扰严重的小区采用不同的频率避免干扰，这样就实现了频率规划。

精确的染色算法是一个NP困难的数学问题，无法在实际当中应用。已经发展出多种低复杂度的次优算法，比如贪婪算法，Tabu 搜索、模拟退火算法，遗传算法和神经网络算法，可以在实际当中应用。

多天线技术已经在蜂窝系统当中获得应用。一种常见的技术叫波束赋形，利用多个天线形成一个指向用户的窄波束，从而提高SINR并降低对其他用户的干扰。如果一个RB只能够被一个用户使用，这种技术叫做单用户MIMO（SU-MIMO）；如果在同一个RB上同时形成多个波束分别指向不同的用户，这是多用户MIMO（MU-MIMO）的一种实现方式。MU-MIMO如何与软复用技术协同工作仍是一个需要解决的问题。

在3GPP LTE标准当中，定义了基站之间的X2接口，基站通过X2接口交换与ICIC相关的信令，比如RNTP，HII和OI，从而实现分布式的ICIC。但是分布式ICIC无法达到全局最优，并且会出现算法不收敛的现象。

发明内容

为了解决在多天线系统当中部署软复用技术的实际问题，本发明提出一种网络规划方法。本发明的有益效果在于实现了软复用与MU-MIMO的协同工作，提高了频谱效率；是一个集中算法，以低复杂度实现了全局最优；并且不需要基站之间交换信令。

本发明考虑的无线通信系统包含大于等于两个站址，每个站址由一个基站管理，覆盖一定的地理区域。这个地理区域可以定义为一个全向小区，也可以进一步划分为若干个扇区。为叙述方便，全向小区和扇区在本发明当中都称为小区。本发明考虑的无线通信系统系统当中有L个小区，L是大于等于2的整数，每个小区的基站有一根或者多根天线，基站采用波束赋形实现MU－MIMO，使用时频资源S进行通信。

在本发明当中，单天线被认为是多天线的一个特例，SU-MIMO是MU-MIMO的一个特例。

在本发明当中，把时频资源S划分成N个互不重叠的资源组，记为RG_n（n=1,2,…,N），N是大于1的整数。

在本发明当中，时频资源S划分成资源组的方式，以及在每个资源组上的PDL，称为PDM（Power Density Mask）。

对RG_n （n=1,2,…,N）指定一个特定的排序，资源组的PDL按照这个排序依次降低或者不变。这个特定的排序称为一个PDM模版。一共定义K个PDM模版，其中K是大于等于2的整数。

在本发明当中，一个虚拟扇区是小区的一部分或者全部。虚拟扇区如果是小区的一部分，在规则的六边形小区当中具有扇形的形状，而在实际系统当中形状会出现不规则。把每个小区C_l（l=1,2,…,L）进一步划分成为M_l个虚拟扇区，M_l是大于等于1的整数，所以网络当中总共有M＝M₁+M₂+…+M_L个虚拟扇区。

为第m（m=1,2,…,M）个虚拟扇区设定一个数值Q_m， Q_m是大于等于1的整数。 Q_m是基站在该虚拟扇区内在同一个RB上所允许形成的最大波束数。该波束可以为下行发射波束，一般通过在基站做预编码实现；也可以是上行接收波束，基站的接收机算法，如迫零（ZeroForcing）或者最小均方误差（MMSE）算法，可以隐性地实现。

将K个PDM模版分配给M个虚拟扇区，使得相邻的虚拟扇区分配不同的PDM模版。

为虚拟扇区指定具体的PDM，并且符合该虚拟扇区的PDM模版的资源组排序规则。

本发明还揭示一种在无线通信系统当中实现网络规划的设备，在本发明当中称为OAM设备，包括如下模块和功能：

1. PDM模板产生模块: 将通信资源S划分成N个资源组RG_n（n=1，2，…,N），其中N是大于等于2的整数；对RG_n （n=1,2,…,N）指定一个特定的排序，资源组的PDL按照这个排序依次降低或者不变。这个特定的排序称为一个PDM模版。一共定义K个PDM模版，其中K是大于等于2的整数；

2. 虚拟扇区划分模块：把每个小区C_l（l=1,2,…,L）进一步划分成为M_l个虚拟扇区，M_l是大于等于1的整数，所以网络当中总共有M＝M₁+M₂+…+M_L个虚拟扇区；

3. 波束数目设定模块：为第m（m=1,2,…,M）个虚拟扇区设定一个数值Q_m， Q_m是大于等于1的整数。Q_m是基站在该虚拟扇区内在同一个RB上所允许形成的最大波束数。该波束可以为下行发射波束，也可以是上行接收波束；

4. PDM模板分配模块：将K个PDM模版分配给M个虚拟扇区，使得相邻的虚拟扇区分配不同的PDM模版；

5. PDM设定模块：为虚拟扇区设定具体的PDM，并且符合该虚拟扇区的PDM模版的资源组排序规则；

6. 与基站的接口模块：将基站的虚拟扇区的划分方式，以及所述基站的虚拟扇区的PDM发送给该基站；在没有和基站事先约定好Q_m值的情况下，把Q_m值发送给该基站。

本发明还揭示一种基站设备，称为xBS，包括如下模块和功能：

1. 与OAM设备接口模块：接收OAM设备发送的虚拟扇区划分方式以及虚拟扇区的PDM；在没有和OAM设备事先约定好Q_m值的情况下，接收OAM设备发送的Q_m值；

2. 执行模块：按照PDM和Q_m的约束进行波束赋形，也就是发射功率密度不能超过PDM，虚拟扇区在同一个RB上的波束数目不能超过Q_m。

本发明还揭示一种通信系统，具有以下特征：

1. 包含至少一个OAM设备和至少两个xBS；

2. OAM设备和xBS之间有链接通道。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1. 二级软频率复用的PDM。

图2. 二级软频率复用各频段的覆盖范围。

图3. 四级软时频复用的PDM。

图4. 四级软时频复用各RB的覆盖范围。

图5. 一种虚拟扇区的划分方式和PDM模板分配方式。

图6. 在同一RB上的一个典型的波束形状。

图7. OAM设备结构框图。

图8. xBS设备结构框图。

图9. 通信系统结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。

一种划分时频资源S的实施方式是，将S划分为B1, B2和B3三个频段。

定义三个PDM模版，分别表示为：

B1>B2=B3；

B2>B1=B3；

B3>B1=B2。

其中，B1>B2=B3的含义是 B1的PDL大于B2的PDL，B2的PDL等于B3的PDL。依次类推。这三个模板对应的是二级软频率复用技术。

另外一种划分时频资源S的实施方式是，将S划分为RB1～RB8八个时频资源块，定义四个PDM模版，表示为：

RB1>RB5>RB6=RB7=RB8>RB2=RB3=RB4;

RB2>RB6>RB5=RB7=RB8>RB1=RB3=RB4;

RB3>RB7>RB5=RB6=RB8>RB2=RB1=RB4;

RB4>RB8>RB6=RB7=RB5>RB2=RB3=RB1。

这四个模板对应的是四级软时频复用技术。在一个平面网络当中，即使虚拟扇区的形状不规则，根据染色定理，也可以用四个颜色实现染色。

把小区划分成为虚拟扇区的一种实施方式是，每个小区作为一个虚拟扇区。另外一种实施方式是，至少一个小区划分成大于等于两个虚拟扇区。

把小区划分成为虚拟扇区的另一种实施方式如图5所示。BS1是采用了8天线圆形阵列的全向小区，这个小区作为一个虚拟扇区；BS3采用了120°定向天线，形成三个扇区，每个扇区作为一个虚拟扇区。BS2、BS4和BS6采用16天线的方形阵列天线，其所在的小区划分为6个虚拟扇区。BS5和BS7采用了8天线圆形阵列，其所在的小区划分为3个虚拟扇区。

设定Q_m的一种实施方式是，Q_m=1，（m=1,2,…,M）。因为所有的Q_m都是1， OAM设备和基站设备可以事先约定好这个情况，而不必在两个设备之间传递Q_m。

如图5所示的虚拟扇区划分方式，设定Q_m的一种实施方式是，设定BS1的虚拟扇区的Q_m值为1、2、3或者4，BS2~BS7的所有虚拟扇区的Q_m值设定为1。

将三个PDM模板分配给虚拟扇区的一种实施方式如图5所示，其中色1、色2和色3分别对应一个PDM模板。将图5中的色1和色2进行交换是另外一种分配PDM模板的实现方式。

可以采用人工方法实现PDM模板的分配。图5所示PDM模板分配方案是人工分配PDM模板的一个结果。

可以采用染色算法将PDM模版分配到虚拟扇区。构造一个以每个虚拟扇区为顶点，相邻的虚拟扇区之间存在一条边的图，称为虚拟扇区图。对所述虚拟扇区图用K个颜色染色，每个颜色对应一个PDM模版。

虚拟扇区图可以存储在OAM设备当中。虚拟扇区图可以在终端的辅助下进行自动更新。

一般地，OAM设备拥有所有下辖基站的信息，是网络当中的集中节点。所以本发明的网络规划方法是一个集中算法，解决了分布式算法不能实现全局最优的问题。并且，次优的染色算法复杂度比较低，可以在实际系统当中应用。

一般说来，指定具体的PDM应该考虑覆盖和流量分布方面的因素。

如果一个虚拟扇区的PDM模板是B1>B2=B3，为其指定具体的PDM的一种实施方式是，基站每根发射天线在B1、B2和B3上的PDL分别是40dBm，34dBm，34dBm；另外一种实施方式是，波束赋形后方向图上最大峰值点的PDL分别是45dBm，40dBm，40dBm。一种用于上行的实施方式是，手机天线在B1、B2和B3上的PDL分别是30dBm，25dBm，25dBm。

如果一个虚拟扇区的PDM模板是RB1>RB5>RB6=RB7=RB8>RB2=RB3 =RB4，为其指定具体的PDM的一种实施方式是，RB1~RB8上的每根发射天线的PDL分别是30、24、24、24、28、26、26、26 dBm。

图6所示的本发明技术方案在同一RB上的一个典型的波束形状。图中有三个站点，每个站点被划分成6个虚拟扇区，每个虚拟扇区在同一RB上最多允许形成一个波束。在同一基站内的几个波束受到虚拟扇区划分的限制，相互之间有充分的空间隔离，保证MU-MIMO的良好性能。由于PDM模板分配规则的限制，软复用技术当中的高功率波束之间相互隔离，自然地避免了波束碰撞。所以本发明技术方案以比较低的复杂度实现了软复用和MU-MIMO的协同工作，实现了较高的频谱效率。

本发明所揭示的OAM设备的一种实施方案如图7所示。各个模块之间的连线表示模块之间有数据传递。 PDM模板产生模块和虚拟扇区划分模块提供人机接口，便于操作维护人员进行操作。与基站的接口模块对外与基站链接。

本发明所揭示的基站设备的一种实施方案如图8所示。与OAM接口模块接收到OAM发来的虚拟扇区划分方式以及虚拟扇区的PDM和Q_m值，用于控制执行模块进行调度和波束赋形。

本发明所揭示的通信系统如图9所示。该系统包含了一个OAM设备和大于等于两个xBS设备。OAM和xBS设备之间通过有线链路进行连接。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims

1.一种无线通信系统的网络规划方法；所述无线通信系统包括至少两个基站和L个小区，L是大于等于2的整数；基站有一根或者多根天线，采用波束赋形实现MU－MIMO，使用时频资源S进行通信；具有以下特征：

a）把时频资源S划分成N个互不重叠的资源组，记为RG_n（n=1,2,…,N），N是大于1的整数；

b）对RG_n （n=1,2,…,N）指定一个特定的排序，资源组的PDL按照这个排序依次降低或者不变；这个特定的排序称为一个PDM模版；一共定义K个PDM模版，其中K是大于等于2的整数；

c）把每个小区C_l（l=1,2,…,L）划分成为M_l个虚拟扇区，M_l是大于等于1的整数；记M＝M₁+M₂+…+ML；

d）为第m（m=1,2,…,M）个虚拟扇区设定一个数值Q_m， Q_m是大于等于1的整数；Q_m是基站在该虚拟扇区内在同一个RB上所允许形成的最大波束数；

e）将K个PDM模版分配给M个虚拟扇区，使得相邻的虚拟扇区分配不同的PDM模版；

f）为虚拟扇区指定具体的PDM，并且符合该虚拟扇区的PDM模版的资源组排序规则。

2.如权利要求1所述的网络规划方法，其特征是：至少将一个小区划分为至少两个虚拟扇区。

3.如权利要求1或2所述的网络规划方法，其特征是：Q_m=1，（m=1,2,…,M）。

4.如权利要求1或2所述的网络规划方法，其特征是：定义三个或者四个PDM模版。

5.如权利要求4所述的网络规划方法，其特征是：

将S划分为RB1～RB8八个时频资源块；

定义四个PDM模版，表示为：

RB1>RB5>RB6=RB7=RB8>RB2=RB3=RB4;

RB2>RB6>RB5=RB7=RB8>RB1=RB3=RB4;

RB3>RB7>RB5=RB6=RB8>RB2=RB1=RB4;

RB4>RB8>RB6=RB7=RB5>RB2=RB3=RB1。

6.一种在无线通信系统当中实现网络规划的设备，称为OAM设备；所述无线通信系统包括至少两个基站和L个小区，L是大于等于2的整数；基站有一根或者多根天线，采用波束赋形实现MU－MIMO，使用时频资源S进行通信；其特征是，包括如下模块和功能：

a）PDM模板产生模块: 将通信资源S划分成N个资源组RG_n（n=1，2，…,N），其中N是大于等于2的整数；对RG_n （n=1,2,…,N）指定一个特定的排序，资源组的PDL按照这个排序依次降低或者不变；这个特定的排序称为一个PDM模版；一共定义K个PDM模版，其中K是大于等于2的整数；

b）虚拟扇区划分模块：把每个小区C_l（l=1,2,…,L）划分成为M_l个虚拟扇区，M_l是大于等于1的整数；记M＝M₁+M₂+…+ML；

c）波束数目设定模块：为第m（m=1,2,…,M）个虚拟扇区设定一个数值Q_m， Q_m是大于等于1的整数；Q_m是基站在该虚拟扇区内在同一个RB上所允许形成的最大波束数；

d）PDM模板分配模块：将K个PDM模版分配给M个虚拟扇区，使得相邻的虚拟扇区分配不同的PDM模版；

e）PDM设定模块：为虚拟扇区设定具体的PDM，并且符合该虚拟扇区的PDM模版的资源组排序规则；

f）与基站的接口模块：将基站的虚拟扇区的划分方式，以及虚拟扇区的PDM发送给所述基站；在没有和基站事先约定好Q_m值的情况下，把Q_m值发送给所述基站。

7.如权利要求6所述的OAM设备，其特征是：虚拟扇区划分模块至少将一个小区划分为至少两个虚拟扇区。

8.如权利要求6或7所述的OAM设备，其特征是：PDM模板分配模块产生并维护一张虚拟扇区图，采用染色算法将K个PDM模板分配到K个虚拟扇区。

9.一种基站设备，称为xBS，其特征是，包括如下模块和功能：

a）与OAM设备接口模块：接收OAM设备发送的虚拟扇区划分方式以及虚拟扇区的PDM；在没有和OAM设备事先约定好Q_m值的情况下，接收OAM设备发送的Q_m值；

b）执行模块：按照PDM和Q_m的约束进行波束赋形，也就是发射功率密度不能超过PDM，第m个虚拟扇区在同一个RB上的波束数目不能超过Q_m。

10.一种系统，其特征是：

a）包含至少一个OAM设备和至少两个xBS；

b）OAM设备和xBS之间有链接通道。