CN1501607A - 频分复用移动通信系统中分配虚拟小区资源的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种正交频分复用移动通信系统中利用扇区的虚拟小区管理设备和方法，该移动通信系统包含一种具有每个都由多个扇区组成的小区的小区结构，小区通过至少一个具有正交性的子信道执行与相应小区中的移动终端的数据通信。该方法包括：由构成特定小区的扇区中的一个特定扇区和与特定扇区相邻的两个其他小区的扇区形成虚拟小区；由形成虚拟小区的三个基站，将来自虚拟小区中的移动终端的干扰测量值和信道参数估计值发送给控制虚拟小区的基站控制器，从而在虚拟小区中分配包含频率带宽、初始比特、副载波和精制比特的无线资源；将所分配的无线资源发送给三个基站，以便基站将相同的子信道分配给虚拟小区中的每个移动终端；以及通过所分配的子信道发送相同的数据。

Description

频分复用移动通信系统中分配虚拟小区资源的设备和方法

本申请根据35 U.S.C.§119要求标题为“Apparatus and method forallocating resources of a virtual cell in a OFDM mobile communication system(频分复用移动通信系统中分配虚拟小区资源的设备和方法)”的申请的优先权，该申请于2002年9月30日提交到韩国工业产权局并分配了序列号No.2002-59622，其内容以引用方式包含在本文的内容。

技术领域

本发明一般涉及OFDM移动通信系统中用于管理虚拟小区(virtual cell)的设备和方法，具体涉及用于管理虚拟小区资源的设备和方法。

背景技术

一般地，正交频分复用(下文称作“OFDM”)被定义为二维存取技术，这是时分接入(time division access，TDA)和频分接入(frequency division access，FDA)的组合技术。因此，在OFDM数据传输中，OFDM码元分别由相应的副载波(或者子信道)来携带。

由于子信道的频谱在保持相互正交的同时彼此重叠，所以OFDM具有较高的频谱效率。由于通过快速傅立叶反变换(IFFT)和快速傅立叶变换(FFT)来实现OFDM调制/解调，所以能够利用有效的数字设备来实现调制/解调方案。另外，因为OFDM技术能够有效对抗频率选择性衰落或窄带干扰，所以对当前欧洲数字广播传输和高速数据传输比较有效，并且已经被采用作为高容量无线通信系统的标准规范，例如IEEE802.11a、IEEE802.16a和IEEE802.16b。

OFDM是一种多载波调制(MCM)技术，它将串行输入码元流转换成并行码元，然后在发送之前用多个正交副载波调制并行码元。

在20世纪50年代后期，首先在军用的高频率无线通信中应用了系统支持MCM。在20世纪70年代，发展出其中多个正交副载波彼此重叠的系统支持OFDM(下文称为“OFDM系统”)。因为必须实现多个载波中的正交调制，所以在将OFDM应用到实际系统时存在局限性。然而，随着1971年Weinstein等人在名称为“Data Transmission by Frequency-Division Multiplexing Using theDiscrete Fourier Transform”的文章中宣布利用离散傅立叶变换(DFT)能够有效地执行OFDM调制/解调，OFDM技术就已经迅速地发展起来，这篇文章载于IEEE Transactions on Communication，第19卷，第5期，1971年10月，第628-634页。另外，由于利用保护间隔(guard interval)和插入循环前缀保护间隔(cyclic prefix guard interval)的方法是已知的，就有可能降低多径衰落(multipath fading)和延迟扩展(delay spread)对系统的影响。结果，OFDM被广泛应用在数字传输技术中，例如数字音频广播(DAB)、数字电视(TV)、无线局域网(W-LAN)和无线异步传输模式(W-ATM)。也就是说，虽然由于具有较高的硬件复杂性，OFDM还没有被广泛应用，但是包含FFT和IFFT的各种数字信号处理技术的最近发展使得实现OFDM成为可能。与传统的频分复用(FDM)技术相类似，OFDM技术的特征是在保持多个副载波之间正交性的同时发送高速数据，从而确保最佳的传输效率。另外，OFDM具有较高的频率效率，并且能够有效对抗多径衰落，因此能够确保高速数据传输期间的最佳传输效率。特别是，由于频谱彼此重叠，OFDM具有较高的频率效率，并且能够有效对抗频率选择性衰落和多径衰落。而且，依据OFDM，能够利用保护间隔降低码元间干扰(ISI)，并且能够利用硬件简单地设计均衡器。另外，由于能够有效对抗脉冲噪声，OFDM确实能够应用于通信系统。

具有上述特性的现有OFDM移动通信系统固定分配给用户的时间和频率信道，例如OFDM-TDMA(Time Division Multiple Access，时分多址)或者OFDM-FDMA(Frequency Division Multiple Access，频分多址)蜂窝移动通信系统。也就是说，在现有OFDM移动通信系统中，支持OFDM技术和TDMA或者FDMA技术的用户通过TDMA或者FDMA发送OFDM数据。在这种情况中，通过多个小区来重用相同的频带以便提高频率效率。频率复用的程度由频率复用因子来确定。通常，频率复用因子为3、4或者7。因此，由于采用固定的信道分配技术，频率复用效率不是很高(频率复用因子大于1)，由于频率选择性衰落使固定的子信道分配技术显示较差的误码率(BER)。

除了使用固定信道分配的系统之外，已经基于补偿干扰影响的方法提出了宽频带无线接入技术，例如分波段多址(band division multiple access，BDMA)技术和多载波码分多址技术。通过由于小区间随机跳频和扩频技术而产生的干扰分集效应和扩频技术来实现干扰均衡。干扰均衡技术显示出比固定信道分配技术例如OFDM-TDMA和固定的OFDM-FDMA等更大的能力。然而，干扰均衡技术不能利用基站(BS)中的信道信息完全实现多载波调制的优点，例如多用户分集和自适应资源分配。在频率效率方面，干扰避免技术例如动态信道分配能够显示出干扰补偿技术2倍或者3倍的能力。因此，OFDM技术和动态子信道分配技术的组合基于多天线技术、自适应调制和具有较低复杂性的干扰避免技术，能够在增加频率效率和系统容量的同时，显著降低深度衰落和同信道干扰(CCI)的影响。

图1说明通常的支持固定OFDM-FDMA的移动通信系统(下文称为“固定OFDM-FDMA移动通信系统”)中重用每个小区的频率的方法。具体地，图1说明用于各小区中的载波频率的示例，其中由除直接相邻的小区以外的其他小区来重用用于每个小区中的载波频率。因此，在图1中，频率复用因子为3。这里，所分配的带宽被分成三个带宽，并且在每个小区中使用决定性的方案例如固定信道分配技术。

图2说明固定OFDM-FDMA移动通信系统中每个小区的发送/接收方案。参考图2，要被发送给多个用户的用户数据User#1、User#2、…、User#K被施加于固定副载波分配器210。固定副载波分配器210给要发送给每个用户的用户数据分配至少一个固定的副载波(固定副载波分配)。分配至少一个固定副载波的用户数据被提供给调制和IFFT变换模块212，调制和IFFT变换模块212通过预定的调制方案来调制用户数据，然后对被调制的用户数据执行IFFT变换。经过IFFT变换的用户数据被提供给循环前缀添加和并行/串行(P/S)转换模块214，循环前缀添加和P/S转换模块214将循环前缀保护间隔插入到用户数据中，将并行用户数据转换成串行用户数据流，然后通过发送天线来发送用户数据流。

通过接收天线接收经过上述过程处理之后的每个用户所发送的用户数据。所接收的用户数据被提供给循环前缀消除和串行/并行(S/P)转换模块220，循环前缀消除和S/P转换模块220将所接收的用户数据转换成并行用户数据，并且消除插入到用户数据中的循环前缀保护间隔。从循环前缀消除和S/P转换模块220中输出的用户数据被提供给FFT模块222，FFT模块222恢复用户数据，并且将所恢复的用户数据提供给解调器224。解调器224解调所恢复的用户数据，并且生成第K个用户数据。

在用于结合图2所描述的固定OFDM-FDMA移动通信系统的传统发送/接收方案中，尽管降低了所需的计算数量，但是频率和功率效率都不高。因此，固定OFDM-FDMA移动通信系统具有下列缺点。

第一，如果特定用户的一些子信道经历由于固定信道分配的增加而导致的深度衰落或者干扰，则BER性能将会较差。

第二，当频率复用因子是3时，频率效率较低。换句话说，因为每个小区的业务是独立的，与没有被用户集中访问的邻近小区不同，用户集中访问的小区可能达到其可支持业务量的极限。在这种情况下，已经达到其可支持业务量极限的小区不能依据情况借用邻近小区中未使用的信道。因此，需要一种基于频率复用因子接近于1的自适应资源分配算法的无线接入技术。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种宽频带无线OFDM系统的新的无线接入设备和方法，用于提高蜂窝移动通信系统的频率效率和功率效率。

本发明的另一个目的是提供一种蜂窝移动通信系统中的自适应资源分配设备和方法，用于使频率复用因子接近于1。

本发明的另一个目的是提供一种支持自适应资源分配的蜂窝移动通信系统中的设备和方法，用于利用空间分割和宏传输分集(MTD)来改善频率复用特性，从而提高性能。

本发明的另一个目的是提供一种宽频带无线OFDM蜂窝移动通信系统中的设备和方法，用于利用多天线和次最优自适应资源分配算法来抑制空间干扰。

本发明的另一个目的是提供一种设备和方法，能够通过使用降低和抑止干扰的技术来提高频率和功率效率，从而使频率复用因子接近于1并且将总发送功率最小化。

本发明的另一个目的是提供一种设备和方法，用于由一个基站控制器控制形成虚拟小区的三个扇区，并且利用多天线使每个扇区中的频率复用因子都接近于1。

本发明的另一个目的是提供一种设备和方法，用于利用扇区天线技术和聚束技术来抑制微微小区和宏小区中的干扰。

本发明的另一个目的是提供一种设备和方法，用于利用多级次最优自适应资源分配算法来最小化发送功率，该算法根据每个用户的子信道数目和注水(water filling)来给每个用户分配比特和功率。

本发明的另一个目的是提供一种利用相同的传输数据和先前利用的均衡方法的宏传输分集设备和方法，以便增强远离基站并且发送和接收弱信号的用户的性能。

本发明的另一个目的是提供一种设备和方法，用于将宏传输分集应用到位于虚拟小区中的移动终端上来进行软切换。

本发明的另一个目的是提供一种设备和方法，用于在不同用户能够占用相同副载波的宏小区环境中利用空分多址(SDMA)来提高频率效率。

依据本发明的第一个方面，提供一种正交频分复用移动通信系统中利用扇区的虚拟小区管理方法，该移动通信系统包含一种具有每个都由多个扇区组成的小区的小区结构，小区通过至少一个具有正交性的子信道执行与相应小区中的移动终端的数据通信。该方法包括下列步骤：由构成特定小区的扇区中的一个特定扇区和特定扇区周围的其他两个小区的扇区形成虚拟小区；通过形成虚拟小区的三个基站，将干扰测量值和信道参数估算值从位于虚拟小区中的移动终端发送到控制虚拟小区的基站控制器，从而在虚拟小区中分配包含频率带宽、初始比特(initial bits)、副载波和精制比特(refined bits)的无线资源；将分配的无线资源发送到三个基站，使得基站能够将相同的子信道分配给位于虚拟小区中的每个移动终端；以及通过分配的子信道发送相同的数据。

依据本发明的第二个方面，提供一种正交频分复用移动通信系统中用于分配虚拟小区资源的设备，该虚拟小区由构成特定小区的一个特定扇区和特定扇区周围的其他两个小区的扇区形成，该移动通信系统包含一种具有每个都由多个扇区组成的小区的小区结构，小区通过至少一个具有正交性的子信道执行与相应小区中的移动终端的数据通信。在该设备中，位于虚拟小区中的终端将在基站断电期间测量的干扰信息和利用来自基站的导频信号所估计的信道信息发送给基站，并且根据来自基站的接入信息执行具有至少一个子信道的解调。基站将来自移动终端的干扰信息和信道信息发送到控制虚拟小区的基站控制器，接收来自基站控制器的无线分配信息，将接入信息发送到移动终端，将相同的子信道分配给位于虚拟小区中的每个移动终端，然后通过分配的子信道发送相同的数据。资源分配器根据通过基站控制器发送的干扰信息和信道信息，在虚拟小区中分配频率带宽、初始比特、副载波和精制比特，并且通过基站控制器将所分配的无线分配信息发送到基站。

附图简述

通过以下结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其他目的、特征和优点将会变得更加清楚。

图1说明传统的OFDM移动通信系统中的小区配置；

图2说明传统的OFDM移动通信系统中的发送/接收方案；

图3说明依据本发明实施例的OFDM移动通信系统中的虚拟小区概念；

图4说明依据本发明实施例分布在虚拟小区中的活动移动终端的示例；

图5说明依据本发明实施例用于在OFDM移动通信系统中进行自适应资源分配的系统结构；

图6说明依据本发明实施例用于在OFDM移动通信系统中执行考虑传输送分集的自适应资源分配的系统结构；

图7说明如图6中所示的基站控制器的详细结构；

图8说明依据本发明实施例由多个移动终端重排子信道的方法；

图9说明依据本发明实施例在虚拟小区中应用传输分集的方法；

图10是说明依据本发明实施例在OFDM移动通信系统中分配虚拟小区资源的程序流程图；

图11是说明依据本发明实施例的通过位于虚拟小区中的活动移动终端执行资源分配的程序流程图；和

图12是说明依据本发明实施例的通过基站分配虚拟小区资源的程序流程图。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图来详细描述本发明一些优选实施例。图中，用相同的标号表示相同或者相似的要素，即使它们出现在不同的图中。在下列描述中，为简明起见，已经省略了对本文包含的已知功能和结构的详细描述。

本发明提供了一种提高分集增益的方法，该方法通过引入虚拟小区概念以及在小区中执行自适应资源分配和空间干扰抑止，以便于方便地管理频率和容易地执行软切换。另外，本发明还提出了一种宽频带无线OFDM系统的新的无线接入技术，用于提高频率效率和功率效率。这里假设基站预先知道到移动终端的瞬时下行链路信道特性。在时分双工(TDD)模式下，根据基站接收的上行链路信道来测量下行链路信道特性，在频分双工(FDD)模式下，通过在上行链路信道上发送的反馈信息(FBI)来测量下行链路信道的特性。

为了测量下行链路信道特性，本发明提出了虚拟小区，并且提供了形成虚拟小区的每个基站中的自适应资源分配算法。

1.虚拟小区的实现

本发明将提出一种由三个相邻扇区组成的虚拟小区的新概念，全部扇区由一个基站控制器控制。分别利用三个不同的基站形成构成虚拟小区的相邻扇区。

图3说明依据本发明实施例的OFDM移动通信系统中的虚拟小区概念。参考图3，构成整个小区的每个小区对应于基站BS#1到BS#12中的特定一个，各个小区分配有不同的频率资源。例如，基站BS#1的小区分配了频率资源

基站BS#2的小区分配了频率资源 基站BS#3的小区分配了频率资源

将由其相关基站形成的小区通过定向天线分成三个扇区，给每个扇区分配具有正交性的不同频率资源。例如，由基站BS#1形成的扇区被分配了频率资源

和

由基站BS#2形成的扇区被分配了频率资源

和 由基站BS#3形成的扇区被分配了频率资源

和

在图3中，通常包含在三个相邻小区中的扇区被定义为虚拟小区(见阴影部分)。例如，可以利用基站BS#1的扇区中与基站BS#2和BS#3相邻的扇区(利用频率资源

)、基站BS#2的扇区中与基站BS#1和BS#3相邻的扇区(利用频率资源

)和基站BS#3的扇区中与基站BS#1和BS#2相邻的扇区(利用频率资源

)来实现虚拟小区。由管理包含在虚拟小区中的三个扇区的三个基站来控制虚拟小区。因此，从与包含在虚拟小区中的三个扇区之中移动终端自身所属于的那个扇区相对应的基站，给存在于虚拟小区中的移动终端分配无线资源。例如，由阴影线表示的虚拟小区通常由基站BS#1、BS#2、BS#3来控制，位于包含在虚拟小区中的三个扇区之中属于基站BS#1的扇区中的移动终端，被从基站BS#1分配无线资源。

通常，在蜂窝移动通信系统中，因为可用的频率带宽有限，所以只要系统不受从下行链路同信道小区接收的同信道干扰所影响，就复用频率以便提高频率效率。因此，只要系统不受同信道干扰所影响，也可以复用虚拟小区的频率。也就是说，控制虚拟小区的基站控制器依据整个频率带宽F的干扰信号的大小和信道条件的反馈信息，将频率分配给虚拟小区中的活动移动终端。为了测量虚拟小区中活动移动终端的同信道干扰，有必要测量从全部相邻小区或者构成虚拟小区的基站所发送的全部下行链路信号。要测量干扰信号的基站必须暂停下行链路信号的发送。下行链路同信道干扰是在特定时隙中测量的。当如上所述使用虚拟小区时，即使在与特定虚拟小区相邻的虚拟小区中，也能够复用整个频带。副载波能够被动态地分配给独立于相邻虚拟小区的活动移动终端。在特定的情况中，如果全部扇区必须支持相同的业务，则虚拟小区中的三个扇区同等地分配整个带宽，以便只从基站BS#8和BS#9产生CCI。然而，业务是在扇区中不均衡地产生的，并且CCI主要是从基站BS#4和BS#12随机接收的。在这样的情况中，干扰避免技术降低了全部活动移动终端的CCI。

与频率复用因子为3或7的现有FDM小区方案相反，依据本发明实施例的多小区方案具有接近于1的频率复用因子。

图4说明依据本发明实施例分布在虚拟小区中的活动移动终端的示例。如图4所示，位于虚拟小区中的活动移动终端的分布不依照构成虚拟小区的扇区。也就是说，位于由基站BS#1控制的扇区中的活动移动终端的分布最高，而位于由基站BS#3控制的扇区中的活动移动终端的分布最低。为了在整个频带上有效地分配频率，在活动移动终端的分布相对较低的扇区中管理的一些无线资源，被分配到活动移动终端的分布相对较高的扇区的基站中。

为此，必须依据虚拟小区中全部活动移动终端的信道特性，由活动移动终端自适应地分配移动通信系统的全部带宽。同时，在相邻的虚拟小区中复用整个频带。由于多用户分集，其中存在于多个基站和移动终端中的全部链路的统计特性和干扰是彼此独立的，所以一个副载波的全部链路经历深度衰落或者具有很高CCI的可能性很低。因此，如果给出了信道信息和快速干扰测量信息，就有可能在满足虚拟小区中全部活动移动终端的各种业务的位速率和所要求的QoS(业务质量)的情况下，进行自适应分配资源。这样，就能够通过基于干扰避免、自适应调制和功率控制的动态副载波分配，使频率复用因子接近于1，并且确保高功率效率带来的高频率效率。

2.虚拟小区资源分配

现在将对采用可选择资源分配的OFDM技术进行描述。

在如上定义的虚拟小区中，不使用由于采用多用户分集和自适应调制而经历深度衰落或者强CCI的副载波。然而，特定副载波不经历虚拟小区中多个基站和移动终端之间的深度衰落或者强干扰。这是因为衰落的统计特性和干扰的统计特性相独立。因此，在虚拟小区中，有可能依据噪声和干扰的程度，来自适应分配全部活动用户的频率信道、比特和功率。然而，因为完成用于优化整个小区网络的适当算法很困难，所以本发明限制多级次最优自适应资源分配算法，以便在一个独立的虚拟小区中独立地实现副载波分配、比特分配和功率控制。

2.1系统结构

图5说明依据本发明实施例用于在OFDM移动通信系统中分配虚拟小区资源的系统结构。该系统包含基站发送机500、基站接收机和基站控制器(BSC)520。基站发送机500由带宽分配器502、IFFT模块504和循环前缀添加和并行/串行(P/S)转换模块506构成。基站接收机由串行/并行(S/P)转换和循环前缀消除模块532、FFT模块534、信道组合器536、副载波选择器538和解调器540构成。

参考图5，带宽分配器502接收数据User#1到User#K和基站控制器520所发送的固定副载波分配信息，这些数据将被发送到位于相同虚拟小区中的每个活动移动终端，并且根据固定副载波分配信息将带宽分配给将被发送到每个活动移动终端的数据。IFFT模块504对带宽分配器502输出的数据执行IFFT调制。循环前缀添加和P/S转换模块506将循环前缀添加到IFFT变换数据中，并且将添加了循环前缀的并行数据转换成串行数据。通过天线510发送所转换的串行数据。

通过天线530接收位于相同虚拟小区中的移动终端所发送的数据。S/P转换和循环前缀消除模块532将接收的串行数据转换成并行数据，并且消除添加在转换的并行数据中的循环前缀。FFT模块534对消除循环前缀的并行数据执行FFT，并且生成恢复数据。信道组合器536依据信道来组合恢复数据。副载波选择器538根据从基站控制器520提供的固定副载波分配信息来选择副载波。解调器540根据从副载波选择器538提供的所选副载波，对从信道组合器536提供的数据进行解调，并且生成用户数据User#K。

然而，位于图9的阴影区域中的移动终端将能够接收来自三个基站BS#1(900)、BS#2(920)和BS#3(930)的各自的下行链路信号，并且对接收的下行链路信号执行传输分集。

图6说明依据本发明实施例用于OFDM移动通信系统中在支持传输分集的同时分别分配各小区资源的系统结构。如图6所示的系统并列包含如图5所示的多个发送机，并且每一个发送机通过其自己的天线发送下行链路信号。图6中的每个发送机对应于形成相同虚拟小区的三个基站中的每一个。该系统还包含调制参数/子信道分配器660和信道/干扰信息生成器670。图6的发送机在结构和操作上与图5的发送机相同。图6的接收机在结构和操作上也与图5的接收机相同。

现在将参考图6来描述新增加的部件。调制参数/子信道分配器660根据从基站控制器(BSC)600提供的下行链路信息来分配调制参数和子信道，并且将其输出提供给副载波选择器648。信道/干扰信息生成器670根据从接收机的信道组合器646提供的信道信息来生成信道和干扰信息，并且将其输出作为上行链路反馈信息(FBI)提供给基站控制器600。

图7说明图5和6中的基站控制器的详细结构。图7中，基站控制器包含第一到第三处理器702、704和706和下行链路无线资源分配器708。

参考图7，第一处理器702接收来自信道/干扰信息生成器670的信道/干扰信息，并且根据信道/干扰信息分配指定副载波的副载波号和初始比特。第二处理器704接收副载波号，并且分配对应于副载波号的副载波。第三处理器708接收初始比特和副载波，并且根据初始比特和副载波分配比特。下行链路无线资源分配器708接收所分配的负载波和比特，并且根据所分配的负载波和比特，将无线资源分配给位于虚拟小区中的活动移动终端。下行链路无限资源分配器708所分配的无线资源的信息，被提供给调制参数/子信道分配器660。

2.2虚拟小区资源分配程序

图10是说明依据本发明实施例在OFDM移动通信系统中分配虚拟小区资源的流程图。参考图10，在步骤1000中，位于虚拟小区中的每个活动移动终端基于来自相邻基站的下行链路信号测量干扰，并且估计信道参数。活动移动终端将干扰测量值和信道参数估计值发送给三个基站。在步骤1020中，每个基站从存在于虚拟小区中的活动移动终端收集干扰测量值和信道参数估计值。每个基站将所收集的干扰测量值和信道参数估计值发送给基站控制器。基站控制器被定义为管理形成虚拟小区的全部基站的基站控制器。在步骤1040中，从形成虚拟小区的三个基站给基站控制器提供信道测量值和信道参数估计值，以便对虚拟小区执行自适应资源分配。用于对虚拟小区执行自适应资源分配的算法被称为“自适应OFDM算法”。

此后，在步骤1060-2到1060-6中，基站控制器通过自适应OFDM算法来给虚拟小区分配资源。也就是说，在步骤1060-2中，基站控制器在虚拟小区中分配频率带宽和初始比特，在步骤1060-4中分配副载波。最后，基站控制器在步骤1060-6中分配精制比特。将在后面对步骤1060-2到1060-6进行详细描述。能够通过基站控制器或者本发明未定义的分离结构来执行自适应OFDM算法。

如果在步骤1080中通过自适应OFDM算法执行虚拟小区的资源分配，则基站控制器将所分配的资源信息和宏传输分集(MTD)请求信息发送给形成虚拟小区的基站。当接收到来自基站控制器的资源信息和宏传输分集请求信息时，在步骤1100中，每个基站将包括子信道、比特和调制参数的所分配的资源信息发送给位于虚拟小区中的活动移动终端。

如果通过上述过程完成了虚拟小区的资源分配，则在步骤1120中结束资源分配程序，然后基站和活动移动终端通过所分配的资源开始数据传输。

图11是说明依据本发明实施例由位于虚拟小区中的活动移动终端来执行资源分配的程序流程图。参考图11，在步骤1100中，当形成虚拟小区的基站断电(power off)期间，活动移动终端测量干扰。在步骤1102中，活动移动终端利用从其相邻基站接收的导频来估计信道。在步骤1104中，活动移动终端将在步骤1100和1102中获得的信道和干扰信息发送给形成虚拟小区的基站，然后等待接入信息。在步骤1106中，活动移动终端从形成虚拟小区的基站获得接入信息(或者辅助信息)，然后选择接入子信道和解调。

图12是说明依据本发明实施例由形成虚拟小区的基站来执行虚拟小区的资源分配的程序流程图。参考图12，在步骤1200中，基站通过断电来暂停信号传输，并且等待来自位于虚拟小区中的活动移动终端的信道和干扰信息。当接收到信道和干扰信息时，在步骤1202中，基站将信道和干扰信息发送给基站控制器。如果通过信道和干扰信息来执行资源分配程序，则基站控制器将通过资源分配程序获得的无线分配信息发送给基站。然后在步骤1204中，基站接收来自基站控制器的无线分配信息，在步骤1206中确定相应的移动终端(或者用户)是否位于虚拟小区中请求分集的区域中。如果移动终端位于请求分集的区域中，则基站在步骤1208中执行宏传输分集，然后进行到步骤1210。相反，如果没有请求分集，则基站直接进行到步骤1210。在步骤1210中，基站将辅助信息和业务数据发送到位于虚拟小区中的活动移动终端。

2.3实施例

现在将参考具有K个用户和N个副载波的下行链路OFDM系统来描述本发明的实施例。用户能够以要求的数据速率Rk来发送多媒体数据例如音频和视频。每个副载波的带宽比相关的信道带宽更窄，所以在每个副载波上衰落是平滑的。基站能够确定由全部基站和移动终端形成的链路的瞬时信道特性，直到信道被较慢地改变。在这里假设形成虚拟小区的基站中每个子信道的信道信息包含屏蔽(shadowing)、选择性衰落和CCI是完全已知的。另外，能够通过由三个扇区的三个扇行天线通过相同的子信道发送相同的数据，来容易地实现虚拟小区中的宏分集。依据信道信息将总共N个子信道选择性地、自适应地分配给虚拟小区中的K个活动用户。一个用户能够占用一个副载波，并且通过其专用信道将分配信息发送给移动终端。每个扇区满足每个用户所要求的业务水平，移动终端从接收的OFDM码元中提取它们的数据。

如上所述，本发明在满足每个扇区中每个用户的业务请求的同时，能够最小化虚拟小区中发送的总功率。这是全部移动通信系统的目标。下面的方程(1)表示必须最小化由存在于虚拟小区中的全部移动终端所使用的发送功率的总和。

方程(1)

$\min \underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{k,n}$

$P_k=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{k,n}\∀k\∈\{\mathrm{1,2},......K\},P_{e,n}\≤{\mathrm{SER}}_k$

在方程(1)中，在一个时隙中，每个副载波只由一个移动终端所使用，P_k，n表示第k个移动终端的第n个副载波处发送的功率，c_k，n表示MQAM(M元正交调幅)比特的数目，P_e，n表示由第k个移动终端占用的第n个副载波处的码元差错率，其满足所要求的QoS。另外，k表示位于相同虚拟小区中的活动移动终端的数目，N表示可用于相同虚拟小区的副载波的数目。方程(1)中的第二个公式表示用于最小化由全部移动终端所使用的发送功率总和的条件。在第二个公式中， $P_k=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{k,n}$ 是第一条件，表示全部移动终端的数据速率的总和应该等于R_k，k∈{1，2，……K}，P_e，n≤SER_k是第二条件，表示P_e，n必须小于码元差错率SER_k的。

在这里假设考虑无编码传输，并且自适应MQAM星座(constellation)用于整个频带。尤其是，基于加性高斯白噪声(AWGN)和高斯近似，在高信号对干扰加噪声比(SINR)和高信号星座情况下的MQAM传输的码元差错率(或采用Gray编码时的误码率)可近似为如方程(2)所表示。也就是说，方程(1)的P_e，n能够被近似为如方程(2)所表示。

方程(2)

$P_{e,n}\≈4Q\sqrt{\frac{3\·{\mathrm{SINR}}_{k,n}}{M_{k,n}-1}}$

在方程(2)中，子信道的码元差错率与SINR和调制电平有关。M_k，n表示由第k个移动终端占用的第n个子信道的调制电平，Q(·)表示标准的概率积分，SINR_k，n表示由第k个移动终端占用的第n个子信道的SINR。

为了将方程(2)应用到下列方程(4)中，本发明提出的参数满足方程(3)。

方程(3)

${\mathrm{\Γ}}_{k,n}=\sqrt{\frac{3\·{\mathrm{SINR}}_{k,n}}{M_{k,n}-1}}=Q^{-1}\left(\frac{P_{e,n}}{4}\right)$

这是因为QAM码元的平均功率依赖于信号星座中两点之间的最小距离d_min。平均功率能够被近似地定义为

方程(4)

$P_{k,n}\left(c_{k,n}\right)\≈\frac{2^{c_{k,n}}-1}{6}{d}_{k,n}^2,c_{k,n}\∈\left\{\mathrm{2,3,4,5,6}\right\}$

这里，假设移动到具有高能信道特性(即信道增益和干扰)的子信道的调制电平存在于4QAM和64QAM之间。另外，在第k个移动终端的第n个子信道中，星座上的最小距离d_k，n定由以下方程来确定：

方程(5)

$d_{k,n}=\sqrt{\frac{{2\mathrm{\Γ}}_{k,n}^2(N_0+I_{k,n})}{{\left|H_{k,n}\right|}^2}}$

其中，Γk，n来自方程(3)，N₀是噪声功率，I_k，n是干扰功率，H_k，n是信道频率响应。

2.3.1自适应OFDM算法

在实际系统中，为了以低复杂性实时地分配副载波、比特和功率，将自适应OFDM算法分成下列三个阶段，用于确定每个用户的子信道的数目、对每个用户执行子信道选择以及根据比特和注水来执行功率分配联合(joint)和最优分配。

(1)第一个阶段：带宽分配和初始比特分配

在第一个阶段，将描述确定带宽的过程。在无线环境中，由于远近问题的影响，远离基站的用户获得比其他用户更低的SINR。这些用户需要更高的功率以便发送与其他用户所发送的相同的数据。如果将满足所要求的最小数据速率的足够多的子信道分配给各用户，最好降低整个发送功率，以便将另外的子信道分配给具有低平均SINR的用户。已经证明，如果与子信道分配一起使用平直发送功率谱密度和调制电平分配，则与使用子信道分配方法时相比，降低多用户OFDM系统的数据吞吐量是很困难的。例如，假设第k个用户的屏蔽衰落增益(shadow fading gain)被定义为α_k，所要求的最小数据速率被设为R^k _min，而且第k个用户占用mk个副载波。因此，在确定第k个用户的副载波数量以后，比特分配被定义如下：

方程(6)

图7的第一处理器702需要利用方程(6)来执行图10的步骤1060-2中的初始比特分配。

根据方程(6)，第k个用户(或者移动终端)的平均总发送功率计算如下：

方程(7)

本发明旨在确定一组m_k，其中k＝1，…，K。下面的方程(8)指示必须根据方程(6)和方程(7)来分配用于第k个移动终端的最小发送功率。

方程(8)

$\min \underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{k,\mathrm{total}}$

在方程(8)中， $\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{m}_k=N$ 和

其中R_max表示副载波上调制比特的最大数目。如果R_max是6，则能够通过由下列算法表示的程序来确定用户之间副载波的最优分布。

初始化：

While

$\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{m}_k<\mathrm{Ndo}$

m_l＝m₁+1

End while

上述程序是用于实现方程(8)的程序，它确定带宽(图7中“副载波号”)，并且对应于由图7的第一处理器702执行的图10的步骤1060-2。

(2)第二个阶段：副载波分配

在第二个阶段，将描述分配副载波和比特的过程。在本发明中，用于第k个用户的第n个副载波的信道特性参数G_k，n被定义为

方程(9)

$G_{k,n}=\frac{\sqrt{N_0+I_{k,n}}}{\left|H_{k,n}\right|}$

由方程(9)确定的参数G_k，n表示用于依据它们的质量来确定信道次序的信道信息。

在如图6所示重新排列用于顺序排列的参数G_k，n之后，通过 来分配每个用户的副载波索引。这里，第l个副载波在一个时隙中只能由一个用户所使用。尤其是，通过下列算法来执行副载波分配。

初始化：Φ_k＝null  k＝1，…，K，和Φ＝null，其中 $\mathrm{\&Phi;}=\underset{k=1}{\overset{K}{U}}{\mathrm{\&Phi;}}_k$

While

Fork＝1，…，K

if l

Φ  and m(Φ_k)

m_k

          l∈Φ_k and l∈Φ

       end if

  end for

end while

这里，m(·)表示陪集中元素的数目。在副载波分配以后，如方程(6)所表示对比特分配进行初始化。

(3)第三阶段：精制比特分配(宏传输分集)

此后，通过注水算法来细分比特分配。第k个用户的数学最优化的精制比特分配能够表示为

方程(10)

$\min \underset{l\&Element;{\mathrm{\&Phi;}}_k}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{k,l},R_k=\underset{l\&Element;{\mathrm{\&Phi;}}_k}{\mathrm{\&Sigma;}}{c}_{k,l}$ 并且P_e，l≤SER_k

因为经过如上所示初始化的比特分配接近于最优比特分配，所以能够通过搜索两个副载波来更准确地执行比特分配。在这里，索引被定义为l和l′，其中第k个移动终端在使用最小发送功率的同时执行最优化比特分配的第一个条件被表示为：

方程(11)

如果存在第(l，l′)对，则将1比特子信道l移动到副载波l′，能够降低第k个用户的总发送功率。第k个用户的最优化比特分配，即其中第k个移动终端在使用最小发送功率的同时执行最优化比特分配的第二个条件，直到满足下列方程(12)才能够获得。

方程(12)

$\underset{\&OverBar;}{{\mathrm{\&Delta;P}}_k^{+}}\&GreaterEqual;\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&Delta;P}}_k^{-}}$

在方程(12)中，

$\underset{\&OverBar;}{{\mathrm{\&Delta;P}}_k^{+}}=\underset{l\&Element;{\mathrm{\&Phi;}}_k}{\min }\{P_{k,l}(c_{k,l}+1)-P_{k,l}\left(c_{k,l}\right)\},$ 和

$\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&Delta;P}}_k^{-}}=\underset{l{\&Element;\mathrm{\&Phi;}}_k}{\min }\{P_{k,l}\left(c_{k,l}\right)-P_{k,l}(c_{k,l}-1)\}$

有可能直接计算与方程(5)的传输码元的信号星座上的最短距离相似的最短距离d_k，n以便减少基站与移动终端之间的辅助信息。

为了改进位于小区的边界区域(虚拟小区的中心)中的用户性能，使用了宏传输分集技术，该技术利用与数字视频广播(DVB)系统中的单频率网络(SFN)相类似的概念，但没有增加影响其他虚拟小区的同信道干扰。如果一个用户移动到如图9所示的阴影虚拟小区的中心，则将减少来自基站的接收功率，除非增加发送功率。为了满足所要求的QoS，最好增加一个基站发送的功率。如果虚拟小区中的基站知道接收弱信号的用户的信道衰落增益，则理论上有可能执行预均衡以便降低基站的接收机复杂性。另外，虚拟小区中的三个基站有可能发送具有预均衡系数的相同码元。在频率域中，接收信号给定为：

方程(13)

$Y_{k,n}=\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_{k,n}^1}\frac{{{\mathrm{\&rho;}}_{k,n}^1}^{*}}{\sqrt{\left|{\mathrm{\&rho;}}_{k,n}^1\right|}}{X}_{k,n}\&CenterDot;{\mathrm{\&rho;}}_{k,n}^1+\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_{k,n}^2}\frac{{{\mathrm{\&rho;}}_{k,n}^2}^{*}}{\sqrt{\left|{\mathrm{\&rho;}}_{k,n}^2\right|}}{X}_{k,n}\&CenterDot;{\mathrm{\&rho;}}_{k,n}^2$

$+\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_{k,n}^3}\frac{{{\mathrm{\&rho;}}_{k,n}^3}^{*}}{\sqrt{\left|{\mathrm{\&rho;}}_{k,n}^3\right|}}{X}_{k,n}\&CenterDot;{\mathrm{\&rho;}}_{k,n}^3+N_n+Z_{k,n}$

在方程(13)中， $\frac{{{\mathrm{\&rho;}}_{k,n}^i}^{*}}{\sqrt{\left|{\mathrm{\&rho;}}_{k,n}^i\right|}}(i=\mathrm{1,2,3})$ 表示具有方差1和N_n的副载波的预均衡系数。另外，Z_k，n表示AWGN和同信道干扰，例如N₀、I_k，n和用于第k个用户的第n个副载波的每个方差。换句话说，方程(13)表示利用宏传输分集的移动终端的条件(图10的步骤1080)。

因此，远离基站的第k个用户的接收SINR_k，n定义为

方程(14)

${\mathrm{SINR}}_{k,n}=\frac{\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_k^i\left|{\mathrm{\&rho;}}_{k,n}^i\right|}\&CenterDot;P_{k,n}}{N_0+I_{k,n}}$

换句话说，通过方程(14)计算的SINR_k，n表示利用宏传输分集的弱移动终端的接收SINR。

当不使用宏传输分集时，即使用于具有弱接收信号的用户的总发送功率增加三倍，也几乎不增加相邻虚拟小区的同信道干扰。这是因为在利用扇行天线接收弱信号的用户处集中了来自三个扇区的相同发送功率。

本发明具有下列效果。

第一，依据本发明的OFDM移动通信系统提高了无线资源效率，并且有助于无线资源的方便管理。换句话说，与其他相邻小区相邻的扇区构成虚拟小区，并且集中控制虚拟小区。如果在虚拟小区中已知瞬时信道信息，则根据多级自适应资源分配的无线多用户OFDM接入将独立应用到虚拟小区。虚拟小区中的总发送功率能够最小化或者减少影响相邻虚拟小区的干扰，并且此时满足业务请求。因此，基于干扰避免和同信道干扰抑制，本发明提出的自适应OFDM无线接入方法能够通过使频率复用因子接近于1，来确保高功率效率和高频率效率。另外，扇形天线和聚束技术能够用于同信道干扰的抑制，并且通过具有虚拟小区概念的多小区结构来提高频谱效率。

第二，由于本发明通过来自形成虚拟小区的三个基站的相同信道频率来接收相同信号，所以活动移动终端能够提高传输分集增益。

第三，本发明能够通过宏传输分集容易地执行软切换。

尽管已经参考特定的优选实施例示出和描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离所附的权利要求书限定的本发明的实质和范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种改变。

Claims (10)

1.一种正交频分复用移动通信系统中利用扇区的虚拟小区管理方法，所述正交频分复用移动通信系统包含一种具有每个都由多个扇区组成的小区的小区结构，所述小区通过至少一个具有正交性的子信道执行与相应小区中的移动终端的数据通信，所述方法包括步骤：

由构成特定小区的扇区中的一个特定扇区和与所述特定扇区相邻的其他两个小区的扇区形成虚拟小区；

由形成所述虚拟小区的三个基站，将来自位于所述虚拟小区中的移动终端的干扰测量值和信道参数估计值发送给控制所述虚拟小区的基站控制器，从而在所述虚拟小区中分配至少一个无线资源；

将至少一个所分配的无线资源发送给所述三个基站，以便所述基站将相同的子信道分配给位于所述虚拟小区中的每个移动终端；和

通过所分配的子信道上发送相同的数据。

2.如权利要求1所述的虚拟小区管理方法，其中在所述虚拟小区可用的整个频率带宽内动态分配所述子信道。

3.如权利要求2所述的虚拟小区管理方法，其中在与所述虚拟小区相邻的另一个虚拟小区中复用所述整个频率带宽。

4.如权利要求1所述的虚拟小区管理方法，还包括如下步骤：通过宏传输分集接收通过所分配的子信道从所述基站发送的相同数据。

5.如权利要求1所述的虚拟小区管理方法，其中至少一个无线资源包含频率带宽、初始比特、副载波和精制比特中的至少一个。

6.一种正交频分复用移动通信系统中用于分配虚拟小区的资源的设备，所述正交频分复用移动通信系统包含一种具有每个都由多个扇区组成的小区的小区结构，所述虚拟小区由构成特定小区的特定扇区和与所述特定扇区相邻的其他两个小区的扇区形成，所述小区通过至少一个具有正交性的子信道执行与相应小区中的移动终端的数据通信，所述设备包括：

移动终端，位于所述虚拟小区中，用于给基站发送在所述基站断电期间测量的干扰信息和利用来自所述基站的导频信号估计的信道信息，并且根据来自所述基站的接入信息执行具有至少一个子信道的解调；

所述基站，用于将来自所述移动终端的干扰信息和信道信息发送给控制所述虚拟小区的基站控制器，接收来自所述基站控制器的无线分配信息，将接入信息发送给所述移动终端，将相同的子信道分配给位于所述虚拟小区中的每个移动终端，然后通过所分配的子信道发送相同的数据；和

资源分配器，用于根据通过所述基站控制器发送的干扰信息和信道信息在所述虚拟小区中分配无线资源，并且将所分配的无线分配信息通过所述基站控制器发送给所述基站。

7.如权利要求6所述的设备，其中在所述虚拟小区可用的整个频率带宽内动态分配所述子信道。

8.如权利要求7所述的设备，其中在与所述虚拟小区相邻的另一个虚拟小区中复用所述整个频率带宽。

9.如权利要求6所述的设备，其中通过宏传输分集来接收通过所分配的子信道从所述基站发送的相同数据。

10.如权利要求6所述的设备，其中所述无线资源包含频率带宽、初始比特、副载波和精制比特中的至少一个。

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