WO2012109890A1 - 一种实现多小区预编码的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现多小区预编码的方法和装置，均可根据区域将用户划分为中心用户和边缘用户，对划分的中心用户和边缘用户采用不同的预编码方法进行处理。本发明方法和装置，使得位于小区簇边缘和中心的用户能够区分处理，从而对整个多小区MIMO系统的速率有较大的优化和提升；并且使得目标用户在多小区边缘用户受到的干扰有了明确的界定和度量方法。上述特点均可保证对异构网络中的通信干扰实现有效抑制。

Description

一种实现多小区预编码的方法和装置

技术领域

本发明涉及通信领域， 具体涉及一种实现多小区预编码的方法和装置。 背景技术

多输入多输出 （MIMO )技术经过近十年的发展， 从点对点的单链路到 单小区多用户都取得了巨大的进展。随着下一代移动通信技术和标准的推进， MIMO技术已经开始从实验室走向实际应用，并且釆用 MIMO技术的下一代 无线技术验证系统有力验证了 MIMO技术所能带来的高频谱容量优势。 但是 MIMO技术在扩展多小区系统中也存在多天线多小区中的邻小区干扰问题 ( OCI )。 单用户 MIMO和多用户 MIMO的许多干扰抑制技术都可以扩展到 多小区系统中进行研究， 其中有些方法是建立在单用户 MIMO 和多用户 MIMO的干扰抑制技术上的，这也是当前多小区 MIMO中所使用最多的一类 研究方法。

从理论上来讲， 釆用 MIMO技术具有很强的吸引力， 但是在商用的蜂窝 系统中， 引入了 MIMO技术的网络中小区间的干扰还是非常复杂的， 这也是 蜂窝 MIMO系统必然面临的一个问题。 尤其是在下行系统中， 由于终端的处 理能力有限， 因此基站侧面临的干扰抑制的压力非常大。 也因此在多小区环 境中由 MIMO带来的系统容量的增益大打折扣。 传统的多小区干扰消除方法 (比如软频率复用、 扇区化和扩展频谱方法） 由于方法本身的一些限制对多 小区 MIMO系统都不是非常有效， 这显然不利于抑制通信干扰。 发明内容

有鉴于此， 本发明的主要目的在于提供一种实现多小区预编码的方法和 装置， 以保证对异构网络中的通信干扰实现有效抑制。

为达到上述目的， 本发明的技术方案是这样实现的：

一种实现多小区预编码的方法， 该方法包括：

根据区域将用户划分为中心用户和边缘用户， 对划分的中心用户和边缘 用户釆用不同的预编码方法进行处理。

可选的， 上述方法还包括：

引入协作距离， 表示包含多小区的小区组从内边缘到外边缘的间隔； 基于效用函数及博弈论原理证明纳什平衡点存在并且唯一， 据此获取协 作距离， 以进行用户调度。

可选的， 上述方法还包括涉及对多小区进行分簇的过程：

对多小区进行分簇；

收集簇内目标用户的信道信息以及对用户造成干扰的信道信息； 获取目标用户的预编码向量。

可选的， 所述对划分的中心用户和边缘用户釆用不同的预编码方法进行 处理的步骤包括：

基于功率约束对目标用户的预编码向量进行调整；

求解小区簇内的所有用户的预编码向量；

根据所述协作距离获取小区簇边缘的信道干扰信息；

求解小区簇边缘用户的预编码向量。

可选的， 所述对划分的中心用户和边缘用户釆用不同的预编码方法进行 处理的步骤包括：

对所述中心用户， 釆用多小区多用户的对角化预编码方法； 对所述边缘 用户， 釆用小区簇用户协作预编码方法。

一种实现多小区预编码的装置， 该装置包括区域用户维护单元和区域用 户预编码单元； 其中，

所述区域用户维护单元设置为： 根据区域将用户划分为中心用户和边缘 用户；

所述区域用户预编码单元设置为： 对划分的中心用户和边缘用户釆用不 同的预编码方法进行处理。

可选的， 所述区域用户维护单元还设置为：

引入协作距离， 表示包含多小区的小区组从内边缘到外边缘的间隔； 基于效用函数及博弈论原理证明纳什平衡点存在并且唯一， 据此获取协 作距离， 以进行用户调度。

可选的， 所述区域用户维护单元还设置为执行包括涉及对多小区进行分 簇的过程：

对多小区进行分簇；

收集簇内目标用户的信道信息以及对用户造成干扰的信道信息； 获取目标用户的预编码向量。 可选的， 所述区域用户预编码单元是设置为以如下方式对划分的中心用 户和边缘用户釆用不同的预编码方法进行处理时：

基于功率约束对目标用户的预编码向量进行调整；

求解小区簇内的所有用户的预编码向量；

根据所述协作距离获取小区簇边缘的信道干扰信息；

求解小区簇边缘用户的预编码向量。

可选的， 所述区域用户预编码单元是设置为以如下方式对划分的中心用 户和边缘用户釆用不同的预编码方法进行处理时：

对所述中心用户， 釆用多小区多用户的对角化预编码方法； 对所述边缘 用户， 釆用小区簇用户协作预编码方法。

上述方法和装置， 使得位于小区簇边缘和中心的用户能够区分处理， 从 而对整个多小区 MIMO系统的速率有较大的优化和提升； 并且使得目标用户 在多小区边缘用户受到的干扰有了明确的界定和度量方法。 上述特点均可保 证对异构网络中的通信干扰实现有效抑制。

附图概述

图 1为本发明实施例的基于分簇结构的多小区结构示意图；

图 2为本发明实施例的协作距离示意图；

图 3为本发明实施例的实现多小区预编码的流程简图；

图 4为本发明实施例的实现多小区预编码的装置图。 本发明的较佳实施方式

下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。 需要说明的是， 在 不冲突的情况下， 本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在实际应用中， 可以假定一蜂窝网中共有 N个小区。 为分析方便， 可以 对网络中的小区进行分组， 4叚设分为 n个组， 则每一组中有 N/n个小区。 为 描述方便， 假定某一蜂窝网中存在 21个小区， 将总共 21个小区分成了三个 小区组， 每组中共有 7个小区， 三个小区组分别记为 Gl、 G2、 G3。

进一步划分， 在每一小区组内部对不同区域的用户进行区分， 分为边缘 用户和中心用户： 将靠近小区中心的用户定义为中心用户， 分布于小区边缘 的用户定义为边缘用户。 基于上述小区分簇的网络结构， 可以对不同的区域 釆用不同的预编码方法， 如： 对位于各小区组内部的用户 （即中心用户） ， 可釆用多小区多用户的对角化预编码方法； 对位于各小区组边缘的用户 （即 边缘用户） ， 可釆用小区簇用户协作预编码方法。

基于上述小区分簇思想， 可以将单小区的预编码算法进行扩展， 并针对 上述结构进行多小区统一块对角化或多小区协作块对角处理。 为分析问题方 便， 假定描述中基站能够获得来自终端的完全信道信息。

需要说明的是， 无论是在小区组内部还是在单个小区内部， 对不同区域 的用户进行区分都是非常关键的。

针对簇内多小区预编码时， 可以用 g代表任意一小区簇， 假定簇 g内共 有 S个小区，每一小区服务的基站为 1个，则该簇 g为具有 S个基站的 MIMO 网络。 设每一基站均有相同的天线数 Nt, 每一终端用户的天线数为 Nr, 则将

BD算法的用户数限制加以推广， 可以得到该小区组可以支持的用户数为：

< SN_t

N„ ( 1 )

其中 L.」表示取最大整数。

式中 ¾ 为用户 k接收过程中经历的等效信道， 为用户 i的预编码矩 阵， 为发送向量信号， 4 为用户 k的等效噪声。

在小区簇 g内， 用户 k的所有干扰矩阵的集合为：

— L 1 」 ( 3 ) 假定 g内总用户数为 κ,则在小区簇内寻找预编码矩阵/^〕的方法就是在 所有发送天线数 不小于所有接收天线数 N情况下使得 = 0 , 这样 也就没有用户间的干扰。

令 = rank(H^) , 则 的奇异值分解（ SVD )为：

其中 ί¾)包含 ζ个右奇异值向量， ί¾)为剩余的 个向量。 对于 k用 户最多可以发送 ζ个码流， 由此可以得到用户 k的预编码矩阵 ， 则接收信 号变为：

_Γω₌^ω_Γω_χω _{+ ζ}ω (5) 在基站侧， 定义 ϊ^)=[ ^^ … ]为基站 s对应的预编码矩阵， 为 保证发射功率的恒定， 基站 s对预编码的功率约束为：

tr(F_s ^(g)R^(g)F_s ^(g )≤P (6)

其中 P为总发送功率， R^(G)为小区组 g的发送信号向量的协方差矩阵， R^(S)=[R,^(s)" R 〕为小区组中用户 k发送向量的协方差矩阵^ 即 R 〕=£[χ ½ ]。 经过上述处理后， 小区组的总速率可表示为：

对于 （7) 式中， 对小区组内的任意用户 k, 的 SVD分解为 ( 8 )

其中 =^^( ,,.··,^ , r_k=rank(H^F^) 令 Α^ω =

则小区组的总速率可以进一步改写为：

Rate_r„ = max T log \ _r +A⁽⁸R⁽⁸A⁽⁸*

针对小区簇边缘预编码时， 为一等效的协方差矩阵。

在上述技术描述中没有考虑到在小区组边缘处的用户受到其他小区组影 响的情况， 当考虑到小区组间的用户干扰时， 则釆用 BD算法可以支持的最 大用户数为：

< SN_t

-k_e

N„

(10)

这样显然就减少了系统可支持的用户数， 也就使得系统的吞吐量受到了 影响。 为了平衡克服干扰用户数的减少对系统容量的影响， 也为了使得在此 情况下达到最优的系统容量，可以进一步引入如图 2所示的协作距离 Dc的概 念， Dc表示从小区组内边缘到外边缘的间隔。

假定在小区簇 G1中定义协作距离为 Dc, 定义此时 G1中最小用户速率 为 Rate 考虑到在小区边缘的用户都会与其他小区簇进行协作， 因此在 Dc 区域内的用户的速率都会随之减小， 因此进一步定义参数 ^_mm, 表示小区 簇 G1中平均最小速率。显然，协作距离 Dc越大，则该区域用户数越多 就会越大。 一个有效速率 Rate_e# , 如（11) 式：

其中 Rat 为小区组中每一用户的理论速率， N^CDJ表示用户 k所在的主 小区组和 N个邻小区组的用户协作。 当 Dc增加时， N^ J数增多， 有效速 率 Raie_eff减小。

从上述分析看出， Dc的变化会导致一对速率 Rat ^和 ^皿的矛盾，为寻 找最优的 Dc值， 以进行用户的合理调度， 因此可以构造下述（ 12)式所示的 效用函数：

u(D_c) = Rate_mm (D_c ) + (1 - a)Rate_eff (D_c) 0 < < 1 (12)

基于博弈论原理， 令： 3 付到 D_c = f (Rate _mm, Hate _eff)；

利用现有技术， 可以证明其中的纳什平衡点存在并且唯一， 最终搜索到 合理的 Dc值， 并据此进行合理的用户调度。

在具体应用时， 所执行的操作步骤包括：

步骤一： 对多小区进行合理分簇；

合理地进行簇的划分可以有效地提高算法的性能， 簇内小区数和用户数 的选择可以依据对实时信道的仿真结果， 还可以基于经验值。

步骤二： 收集簇内用户 k的信道信息以及对用户造成干扰的信道信息； 根据下式得到目标用户 k对应的干扰信道信息：

步骤三： 获取目标用户 k的预编码向量；

令¾ = mnk(Hi^s)) , 则 Ά 的 SVD为：

其中 ί¾)包含 ζ个右奇异值向量， ί¾)为剩余的 个向量。 对于 k用 户最多可以发送 ζ个码流， 由此可以得到用户 k的预编码矩阵

步骤四： 基于功率约束对目标用户 k的预编码向量进行调整；

在步骤三的基础上， 对/ 进行功率约束的调整。 具体而言， 在基站侧， 定义 ϊ^) = [ ^ F₂ ^te … ]为基站 S对应的预编码矩阵， 为保证发射功率的 恒定， 基站 S对预编码的功率约束为：

tr( R(„ ≤P

步骤五： 求解小区簇内的所有用户的预编码向量；

釆用和步骤三、 四相同的方法对小区簇内所有用户进行预编码向量的求 解。

步骤六： 确定小区簇边缘的协作距离； 根据协作距离 D_c的表达式 D_c = f(R^_mm, Rate_eff )确定协作距离。 其中参数 ^ _mm , 表示小区簇中平均最小速率； 另外， 定义一个有效速 率 Rate_eff 如下式：

其中 Rat 为小区组中每一用户的理论速率， N^CDJ表示用户 k所在的主 'J、区组和 N个邻小区组的用户协作。

步骤七： 获取小区簇边缘的信道干扰信息；

根据步骤六得到的协作距离可以确定位于小区簇边缘的用户数， 如附图 1 , 假定簇 Gl、 G2、 G3边缘的用户数分别为 Kl、 Κ2、 Κ3 , 则对于位于小区 簇边缘的某一用户 k, 其干扰集合为：

步骤八： 求解小区簇边缘用户的预编码向量。

在步骤七的基础上， 依据步骤三的方法对小区簇边缘用户的预编码向量 进行求解。

结合以上技术描述可知， 实现多小区预编码的操作思路可以表示如图 3 所示。 参见图 3 , 图 3为本发明实施例的实现多小区预编码的流程简图， 该 流程包括以下步骤：

步骤 310: 根据区域将用户划分为中心用户和边缘用户。

步骤 320: 对划分的中心用户和边缘用户釆用不同的预编码方法进行处 理。

为了保证上述技术描述能够顺利实现， 可以进行如图 4所示的设置。 参 见图 4, 图 4为本发明实施例的实现多小区预编码的装置图， 该装置包括相 连的区域用户维护单元、 区域用户预编码单元。

在实际应用时， 区域用户维护单元能够根据区域将用户划分为中心用户 和边缘用户， 区域用户预编码单元则能够对划分的中心用户和边缘用户釆用 不同的预编码方法进行处理。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序 来指令相关硬件完成， 所述程序可以存储于计算机可读存储介质中， 如只读 存储器、 磁盘或光盘等。 可选地， 上述实施例的全部或部分步骤也可以使用 一个或多个集成电路来实现， 相应地， 上述实施例中的各模块 /单元可以釆用 硬件的形式实现， 也可以釆用软件功能模块的形式实现。 本发明不限制于任 何特定形式的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已， 并不用于限制本发明， 对于本 领域的技术人员来说， 本发明可以有各种更改和变化。 凡在本发明的精神和 原则之内， 所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护 范围之内。

工业实用性

上述实施方式实现多小区预编码的技术， 使得位于小区簇边缘和中心的 用户能够区分处理， 从而对整个多小区 MIMO系统的速率有较大的优化和提 升； 并且使得目标用户在多小区边缘用户受到的干扰有了明确的界定和度量 方法。 上述特点均可保证对异构网络中的通信干扰实现有效抑制。

Claims

权 利 要 求 书

1、 一种实现多小区预编码的方法， 该方法包括：

根据区域将用户划分为中心用户和边缘用户， 对划分的中心用户和边缘 用户釆用不同的预编码方法进行处理。

2、 根据权利要求 1所述的方法， 其还包括：

引入协作距离， 所述协作距离表示包含多小区的小区组从内边缘到外边 缘的间隔；

基于效用函数及博弈论原理证明纳什平衡点存在并且唯一， 据此获取协 作距离， 以进行用户调度。

3、 根据权利要求 2所述的方法， 其还包括：

对多小区进行分簇；

收集簇内目标用户的信道信息以及对用户造成干扰的信道信息； 获取目标用户的预编码向量。

4、 根据权利要求 3所述的方法， 其中， 所述对划分的中心用户和边缘用 户釆用不同的预编码方法进行处理的步骤包括：

基于功率约束对目标用户的预编码向量进行调整；

求解小区簇内的所有用户的预编码向量；

根据所述协作距离获取小区簇边缘的信道干扰信息；

求解小区簇边缘用户的预编码向量。

5、 根据权利要求 1至 4任一项所述的方法， 其中， 所述对划分的中心用 户和边缘用户釆用不同的预编码方法进行处理的步骤包括：

对所述中心用户， 釆用多小区多用户的对角化预编码方法； 对所述边缘 用户， 釆用小区簇用户协作预编码方法。

6、一种实现多小区预编码的装置， 该装置包括区域用户维护单元和区域 用户预编码单元； 其中，

所述区域用户维护单元设置为： 根据区域将用户划分为中心用户和边缘 用户;

所述区域用户预编码单元设置为： 对划分的中心用户和边缘用户釆用不 同的预编码方法进行处理。

7、根据权利要求 6所述的装置，其中，所述区域用户维护单元还设置为： 引入协作距离， 所述协作距离表示包含多小区的小区组从内边缘到外边 缘的间隔；

基于效用函数及博弈论原理证明纳什平衡点存在并且唯一， 据此获取协 作距离， 以进行用户调度。

8、根据权利要求 7所述的装置，其中，所述区域用户维护单元还设置为： 对多小区进行分簇；

收集簇内目标用户的信道信息以及对用户造成干扰的信道信息； 获取目标用户的预编码向量。

9、 根据权利要求 8所述的装置， 其中， 所述区域用户预编码单元是设置 为以如下方式对划分的中心用户和边缘用户釆用不同的预编码方法进行处 理：

基于功率约束对目标用户的预编码向量进行调整；

求解小区簇内的所有用户的预编码向量；

根据所述协作距离获取小区簇边缘的信道干扰信息；

求解小区簇边缘用户的预编码向量。

10、 根据权利要求 6至 9任一项所述的装置， 其中， 所述区域用户预编 码单元是设置为以如下方式对划分的中心用户和边缘用户釆用不同的预编码 方法进行处理：

对所述中心用户， 釆用多小区多用户的对角化预编码方法； 对所述边缘 用户， 釆用小区簇用户协作预编码方法。