CN111447033B - 一种分布式天线系统虚拟小区下行传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式天线系统虚拟小区下行传输方法，该分布式天线系统包括中心处理单元、天线和用户，基于用户数和天线数选择合适的传输方法，以降低虚拟小区间的干扰，提升整体容量。若天线数大于用户数时，则采用联合预编码，在传输本虚拟小区用户信息的同时，降低其对邻区边缘用户的干扰。若天线数等于用户数时，则采用虚拟小区内预编码，主要降低虚拟小区内用户间干扰。若天线数小于用户数时，则采用基于正交配对和指派算法的用户配对方法。本发明具有操作简单，线性预编码计算复杂度低，可显著降低邻区对边缘用户的干扰和虚拟小区内的组间干扰，可适用于天线数和用户数不同的各种场景等优点。

Description

一种分布式天线系统虚拟小区下行传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种分布式天线系统虚拟小区下行传输方法，特别涉及一种联合预编码抑制邻区干扰的方法和一种基于正交配对和指派算法的用户配对方法。

背景技术

移动用户设备数量的不断增加和移动数据业务的爆炸性增长对无线传输系统容量有更大的需求。传统的集中式多输入多输出(Multiple-input Multiple-output，MIMO)天线系统是一种较为行之有效的方案，在无需增加额外的时频资源和发射功率的前提下可有效提高无线通信系统的传输速率。但是集中式系统的天线集中于基站，会存在边缘用户问题，即地理位置接近基站的用户具有较强的接收信号强度，而位于小区边缘的用户，由于路径损耗的影响，接收信号强度较弱，这使得小区边缘用户的信号质量较差。分布式天线系统(Distributed antenna system，DAS)可以用来改善此类问题。相对于传统的集中式系统，分布式天线系统的各个天线位于小区不同地理位置，可以大大的缩短了发送端与接收端之间的传输距离，因此分布式天线系统有着更均匀的信号覆盖、更高的容量以及更高的空口能效。

目前，分布式天线系统主要有两种下行传输方法。一种是基于全局的联合预编码；一种是将天线和用户划分虚拟小区，将分布式天线系统整体拆分为多个子系统进行处理。第一种方法理论上可以最大限度地抑制用户间干扰，但是做全局的预编码实现复杂度极高，在许多场合难以实际应用。第二种方法以用户为中心划分虚拟小区，可以一定程度降低复杂度，但是很难避免虚拟小区间干扰，虽然可以根据干扰做虚拟小区合并，但是又增加了复杂度，一旦干扰门限增加，虚拟小区合并的策略会退化成全局预编码的复杂计算场景。此外，虚拟小区的方式还需要考虑可能出现的虚拟小区内天线数小于用户数，需要保证用户接入的场景。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种分布式天线系统虚拟小区下行传输方法，可以适用于天线数和用户数不同的各种场景，以提升分布式天线系统性能。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种分布式天线系统虚拟小区下行传输方法，该分布式天线系统包括中心处理单元、若干用户和天线，所有的天线通过同轴电缆或光纤等方式接入中心处理单元，所述的传输方法包括如下步骤：

S1、各用户测量与各天线的距离和/或信道增益系数，将测量结果反馈给中心处理单元；

S2、中心处理单元根据测量结果为每个用户选择一定数量的天线作为服务天线，从而形成虚拟小区；

S3、中心处理单元根据各个虚拟小区的用户数和天线数选择合适的传输方法，具体规则如下：

若天线数大于用户数时，该虚拟小区将其内用户和邻区边缘用户进行联合预编码，所述的联合预编码为最小均方误差预编码或者迫零预编码，并采用平均功率分配或者迭代注水算法分配每个用户的功率，其中，所述的邻区的定义是距离上邻近的虚拟小区或受该虚拟小区干扰较严重的虚拟小区。联合预编码抑制邻区干扰的方法与现有方法不同的是，将多余的自由度不是单纯地用于提升容量，而是用于抑制干扰，不仅传输本虚拟小区用户的信息，而且将其对邻区边缘用户的干扰降低甚至置零，从而获得比已有方法更大的容量。

若天线数等于用户数时，该虚拟小区只对其内用户进行预编码，所述的联合预编码为最小均方误差预编码或者迫零预编码，并采用平均功率分配或者迭代注水算法分配每个用户的功率；

若天线数小于用户数时，该虚拟小区采用基于正交配对和指派算法的用户配对方法，对用户进行配对，然后以信道增益大的用户作为主用户进行迫零预编码，配对用户叠加编码后传输。现有用户配对方法只考虑到使得组内用户的相关性大，信道增益差异大，主要在于提升组内用户的容量，而不考虑组间干扰。基于正交配对和指派算法的用户配对方法充分考虑到MIMO-NOMA技术中波束赋形无法消除组间干扰的问题，使得组间的相关性尽量小，组内强用户的信道增益尽量大，同时又使得组内用户的相关性尽量大，组内用户的信道增益差异尽量大，这样在保证组内用户容量的同时，可以降低对每组中弱用户的组间干扰，从而提升整体容量。

进一步地，若天线数大于用户数时，参与联合预编码的邻区边缘用户的数量根据天线数选择一个或者多个。

进一步地，所述的基于正交配对和指派算法的用户配对方法过程如下：

根据虚拟小区用户的信道正交性和信道增益大小，采用正交配对算法，选取每个配对的基准用户，接着再根据剩余用户与基准用户之间的信道相关性和信道增益差异通过指派算法，进行匹配。

进一步地，所述的步骤S3中，中心处理单元根据各个虚拟小区的用户数和天线数选择合适的传输方法，若天线数大于用户数时，包括如下步骤：

S311、该虚拟小区根据距离或者干扰强度选择参与联合预编码的邻区，并根据天线数选择邻区中参与的用户数量，根据距离或者干扰强度选择参与用户；

S312、对该虚拟小区内用户和选定的邻区用户进行联合预编码；

S313、采用平均功率分配或者迭代注水算法分配每个用户的功率。

进一步地，所述的步骤S3中，中心处理单元根据各个虚拟小区的用户数和天线数选择合适的传输方法，若天线数等于用户数时，包括如下步骤：

S321、分别对各个虚拟小区内用户进行联合预编码；

S322、采用平均功率分配或者迭代注水算法分配每个用户的功率。

进一步地，所述的步骤S3中，中心处理单元根据各个虚拟小区的用户数和天线数选择合适的传输方法，若天线数小于用户数时，包括如下步骤：

S331、该虚拟小区采用基于正交配对和指派算法的用户配对方法对用户进行配对；

S332、以每个配对中信道增益大的用户作为主用户进行预编码，波束功率采用平均功率分配；

S333、对每个配对内的用户采用叠加编码，功率分配依照强用户的功率小于弱用户的功率的原则，采用固定功率分配或者分数发射功率分配(Fractional Transmit PowerAllocation，FTPA)。

进一步地，所述的步骤S331、该虚拟小区采用基于正交配对和指派算法的用户配对方法对用户进行配对的过程如下：

S3311、初始化调度用户组

待匹配用户组

用户配对集合

S3312、采用正交配对算法，选定N个正交性较强的用户放入S₁中，将剩余的K-N个用户放入S₂中；

S3313、计算S₁中每个用户i和S₂中每个用户j的信道相似度和信道增益差值d(i,j)＝||h_i|-|h_j||,

h_i是用户i的信道向量，h_j是用户j的信道向量，||表示向量的模，其中，信道相似度为余弦相关值，公式如下：

S3314、根据信道相似度和信道增益差值构建匹配度指标，公式如下：

G(i,j)＝I(d(i,j)≥ρ)Corr(i,j),

I为指示函数，ρ是强用户解调弱用户的最小信道增益差值，

然后基于匹配度指标建立代价矩阵，公式如下：

其中，N是虚拟小区支持的最大配对数，一般可以取虚拟小区天线数，K是虚拟小区需要服务的总用户数；

S3315、对于N≠K-N的情况，将代价矩阵补0成为方阵；

S3316、由指派算法求解该问题的指派方案，得到用户配对集合Γ，在求解过程中将代价矩阵转化为效益矩阵，转化过程通过用一个大数减去代价矩阵中的元素来实现，指派结束后，根据信道增益大小来区分强弱用户，若待调度没有找到合适的匹配用户，则单独占用一个波束。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明根据虚拟小区的用户数和天线数选择合适的虚拟小区下行传输方法，以降低相邻虚拟小区间的干扰和虚拟小区内的组间干扰，提升分布式天线系统的整体容量；

2、本发明可以适用于天线数和用户数不同的各种场景；

3、本发明简单有效，线性预编码计算复杂度低。

附图说明

图1是本发明实施例中的分布式天线系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中公开的分布式天线系统虚拟小区下行传输方法的流程示意图；

图3是本发明实施例中公开的基于正交配对和指派算法的用户配对方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例公开了一种分布式天线系统虚拟小区下行传输方法，针对分布式天线系统，基于用户数和天线数选择合适的传输方法，以降低虚拟小区间的干扰，提升整体容量。若天线数大于用户数时，则采用联合预编码抑制邻区干扰；若天线数等于用户数时，则采用虚拟小区内预编码，主要降低虚拟小区内用户间干扰；若天线数小于用户数时，引入非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA)，采用基于正交配对和指派算法的用户配对方法中功率域非正交多址接入。

本实施例中分布式天线系统包括中心处理单元、若干用户和天线，所有的天线通过同轴电缆或光纤等方式接入中心处理单元。

该传输方法包括如下步骤：

各用户测量与各天线的距离和/或信道增益系数，将测量结果反馈给中心处理单元；

中心处理单元根据测量结果为每个用户选择一定数量的天线作为服务天线，从而形成虚拟小区；

中心处理单元根据各个虚拟小区的用户数和天线数选择合适的传输方法，具体规则如下：

若天线数大于用户数时，该虚拟小区将其内用户和邻区边缘用户进行联合预编码，不仅传输本虚拟小区用户的信息，而且将其对邻区边缘用户的干扰降低甚至置零。这里可以采用最小均方误差(Minimum mean squareerror,MMSE)预编码或者迫零(zero-force,ZF)预编码，并采用平均功率分配或者迭代注水算法分配每个用户的功率。其中邻区的定义可以是距离上邻近的虚拟小区，也可以是受该虚拟小区干扰较严重的虚拟小区。参与联合预编码的邻区边缘用户的数量可以根据天线数选择一个或者多个。

若天线数等于用户数时，该虚拟小区只对其内用户进行预编码，可以采用MMSE预编码或者ZF预编码，并采用平均功率分配或者迭代注水算法分配每个用户的功率。

若天线数小于用户数时，该虚拟小区采用基于正交配对和指派算法的用户配对方法，对用户进行配对，然后以信道增益大的用户作为主用户进行迫零预编码，配对用户叠加编码后传输。

本实施例中，基于正交配对和指派算法的用户配对方法包括如下步骤：

根据虚拟小区用户的信道正交性和信道增益大小，采用正交配对算法，选取每个配对的基准用户，接着再根据剩余用户与基准用户之间的信道相关性和信道增益差异通过指派算法，如匈牙利算法或KM(Kuhn-Munkras)算法，进行匹配。

实施例二

本实施例公开了一种分布式天线系统虚拟小区下行传输方法，如图1所示，该分布式天线系统包括中心处理单元、天线和用户，如图2所示，该分布式天线系统虚拟小区下行传输方法包括如下步骤：

S1、各用户测量与各天线的距离和/或信道增益系数，将测量结果反馈给中心处理单元；

S2、中心处理单元根据测量结果为每个用户选择一定数量的天线作为服务天线，从而形成虚拟小区；

S3、中心处理单元根据各个虚拟小区的用户数和天线数选择合适的传输方法，具体规则如下：

若天线数大于用户数时，包括如下步骤：

S311、该虚拟小区根据距离或者干扰强度选择参与联合预编码的邻区，并根据天线数选择邻区中参与的用户数量，根据距离或者干扰强度选择参与用户；

S312、对该虚拟小区内用户和选定的邻区用户进行联合预编码，可以采用MMSE预编码或者ZF预编码，在传输本虚拟小区用户信息的同时，降低甚至置零其对邻区边缘用户的干扰；

S313、采用平均功率分配或者迭代注水算法分配每个用户的功率。

若天线数等于用户数时，包括如下步骤：

S321、分别对各个虚拟小区内用户进行联合预编码，可以采用MMSE预编码或者ZF预编码；

S322、采用平均功率分配或者迭代注水算法分配每个用户的功率；

若天线数小于用户数时，包括如下步骤：

S331、该虚拟小区采用基于正交配对和指派算法的用户配对方法对用户进行配对；

S332、以每个配对中信道增益大的用户作为主用户进行预编码，可以采用MMSE预编码或者ZF预编码，波束功率采用平均功率分配；

S333、对每个配对内的用户采用叠加编码，功率分配依照强用户的功率小于弱用户的功率的原则，采用固定功率分配或者分数发射功率分配；

其中，步骤S331、该虚拟小区采用基于正交配对和指派算法的用户配对方法对用户进行配对包括如下步骤：

S3311、初始化调度用户组

待匹配用户组

用户配对集合

S3312、采用正交配对算法，选定N个正交性较强的用户放入S₁中，将剩余的K-N个用户放入S₂中；

S3313、计算S₁中每个用户i和S₂中每个用户j的信道相似度和信道增益差值d(i,j)＝||h_i|-|h_j||,

h_i是用户i的信道向量，h_j是用户j的信道向量，||表示向量的模，其中，信道相似度为余弦相关值，公式如下：

S3314、根据信道相似度和信道增益差值构建匹配度指标，公式如下：

G(i,j)＝I(d(i,j)≥ρ)Corr(i,j),

I为指示函数，ρ是强用户解调弱用户的最小信道增益差值，

然后基于匹配度指标建立代价矩阵，公式如下：

其中，N是虚拟小区支持的最大配对数，一般可以取虚拟小区天线数，K是虚拟小区需要服务的总用户数；

S3315、对于N≠K-N的情况，将代价矩阵补0成为方阵；

S3316、由匈牙利算法，KM算法等指派算法求解该问题的指派方案，得到用户配对集合Γ，在求解过程中将代价矩阵转化为效益矩阵，转化过程通过用一个大数减去代价矩阵中的元素来实现，指派结束后，根据信道增益大小来区分强弱用户，若待调度没有找到合适的匹配用户，则单独占用一个波束。

基于正交配对和指派算法的用户配对方法充分考虑到MIMO-NOMA技术中波束赋形无法消除组间干扰的问题，使得组间的相关性尽量小，组内强用户的信道增益尽量大，同时又使得组内用户的相关性尽量大，组内用户的信道增益差异尽量大，从而提升整个分布式天线系统的整体容量。而现有技术只考虑到了使得组内用户的相关性大，信道增益差异大。

该方法首先分组，根据虚拟小区用户的信道正交性和信道增益大小，采用正交配对算法，选取正交性较强的用户作为每个配对的基准用户，接着再根据未配对用户与基准用户之间的信道相关性和信道增益差异通过指派算法，如匈牙利算法，KM算法等，进行匹配。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种分布式天线系统虚拟小区下行传输方法，该分布式天线系统包括中心处理单元、若干用户和天线，所有的天线通过同轴电缆或光纤等方式接入中心处理单元，所述的传输方法包括如下步骤：

S1、各用户测量与各天线的距离和/或信道增益系数，将测量结果反馈给中心处理单元；

S2、中心处理单元根据测量结果为每个用户选择一定数量的天线作为服务天线，从而形成虚拟小区；

S3、中心处理单元根据各个虚拟小区的用户数和天线数选择合适的传输方法，具体规则如下：

若天线数大于用户数时，该虚拟小区将其内用户和邻区边缘用户进行联合预编码，所述的联合预编码为最小均方误差预编码或者迫零预编码，并采用平均功率分配或者迭代注水算法分配每个用户的功率，其中，邻区的定义是距离上邻近的虚拟小区或受该虚拟小区干扰较严重的虚拟小区；

若天线数等于用户数时，该虚拟小区只对其内用户进行预编码，所述的联合预编码为最小均方误差预编码或者迫零预编码，并采用平均功率分配或者迭代注水算法分配每个用户的功率；

若天线数小于用户数时，该虚拟小区采用基于正交配对和指派算法的用户配对方法，对用户进行配对，然后以信道增益大的用户作为主用户进行迫零预编码，配对用户叠加编码后传输；其中，所述的基于正交配对和指派算法的用户配对方法的过程如下：

根据虚拟小区用户的信道正交性和信道增益大小，采用正交配对算法，选取每个配对的基准用户，接着再根据剩余用户与基准用户之间的信道相关性和信道增益差异通过指派算法，进行匹配，具体包括如下步骤：

S331、该虚拟小区采用基于正交配对和指派算法的用户配对方法对用户进行配对，过程如下：

S3311、初始化调度用户组

待匹配用户组

用户配对集合

S3312、采用正交配对算法，选定N个正交性较强的用户放入S₁中，将剩余的K-N个用户放入S₂中；

S3313、计算S₁中每个用户i和S₂中每个用户j的信道相似度和信道增益差值

h_i是用户i的信道向量，h_j是用户j的信道向量，||表示向量的模，其中，信道相似度为余弦相关值，公式如下：

S3314、根据信道相似度和信道增益差值构建匹配度指标，公式如下：

I为指示函数，ρ是强用户解调弱用户的最小信道增益差值，

然后基于匹配度指标建立代价矩阵，公式如下：

其中，N是虚拟小区支持的最大配对数，取虚拟小区天线数，K是虚拟小区需要服务的总用户数；

S3315、对于N≠K-N的情况，将代价矩阵补0成为方阵；

S3316、由指派算法求解若天线数小于用户数时对用户进行配对的指派方案，得到用户配对集合Γ，在求解过程中将代价矩阵转化为效益矩阵，转化过程通过用一个大数减去代价矩阵中的元素来实现，指派结束后，根据信道增益大小来区分强弱用户，若待调度没有找到合适的匹配用户，则单独占用一个波束；

S332、以每个配对中信道增益大的用户作为主用户进行预编码，波束功率采用平均功率分配；

S333、对每个配对内的用户采用叠加编码，功率分配依照强用户的功率小于弱用户的功率的原则，采用固定功率分配或者分数发射功率分配。

2.根据权利要求1所述的一种分布式天线系统虚拟小区下行传输方法，其特征在于，若天线数大于用户数时，参与联合预编码的邻区边缘用户的数量根据天线数选择一个或者多个。

3.根据权利要求1或2所述的一种分布式天线系统虚拟小区下行传输方法，其特征在于，所述的步骤S3中，中心处理单元根据各个虚拟小区的用户数和天线数选择合适的传输方法，若天线数大于用户数时，包括如下步骤：

S311、该虚拟小区根据距离或者干扰强度选择参与联合预编码的邻区，并根据天线数选择邻区中参与的用户数量，根据距离或者干扰强度选择参与用户；

S312、对该虚拟小区内用户和选定的邻区用户进行联合预编码；

S313、采用平均功率分配或者迭代注水算法分配每个用户的功率。

4.根据权利要求1或2所述的一种分布式天线系统虚拟小区下行传输方法，其特征在于，所述的步骤S3中，中心处理单元根据各个虚拟小区的用户数和天线数选择合适的传输方法，若天线数等于用户数时，包括如下步骤：

S321、分别对各个虚拟小区内用户进行联合预编码；

S322、采用平均功率分配或者迭代注水算法分配每个用户的功率。

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