專利名稱：用于多基站協(xié)作系統(tǒng)的波束成型矩陣的優(yōu)化方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種無線通信技術領域的方法，具體是一種用于多基站協(xié)作系統(tǒng) 的波束成型矩陣的優(yōu)化方法。
背景技術：
下行鏈路多基站協(xié)作技術可以有效的消除小區(qū)間干擾，改善系統(tǒng)的公平性及增加 系統(tǒng)的頻譜效率。然而，有關多小區(qū)協(xié)作技術的實現(xiàn)卻存在著兩個重大的問題為了實現(xiàn)基 站間協(xié)作，網絡后臺需要很大的回程容量來完成基站間的信息交換；同時在系統(tǒng)的收、發(fā)端 已知系統(tǒng)的信道狀態(tài)信息的程度，也是影響系統(tǒng)性能的一大重要因素。因此，在網絡后臺回 程容量有限且發(fā)射端只有部分狀態(tài)信息的情況下，如何有效的設計波束成型矩陣，以減少 小區(qū)間干擾，提高系統(tǒng)的容量，是目前多小區(qū)協(xié)作系統(tǒng)中的主要研究課題之一。在傳統(tǒng)的多小區(qū)系統(tǒng)中，每個用戶均只由小區(qū)所屬的基站服務。目前，隨著通信技 術的發(fā)展，系統(tǒng)所要求達到的數(shù)據(jù)傳輸速率越來越高(LTE-Advanced技術參數(shù)要求下行 峰值速率為IGbps)。一般認為多基站聯(lián)合傳輸信息，在滿足同步要求的前提下，用戶服務 質量可以得到改善，特別是小區(qū)邊緣的用戶。然而，多基站聯(lián)合傳輸需要很大的后臺回程容 量，用于基站之間交換信息。而多基站協(xié)調波束成形處理，可以有效抑制小區(qū)間干擾，同時 基站之間所需交換的信息較于多基站聯(lián)合傳輸技術要少，但是用戶得到的服務質量較于多 基站聯(lián)合傳輸差一些。因此，采用多基站協(xié)調波束成形技術，有時候難以滿足用戶需要的服 務要求，特別是信道質量較差的用戶。經過對現(xiàn)有技術的檢索發(fā)現(xiàn)，在Antti T_olli的文章“On the Value of Coherent andCoordinated Multi-cell Transmission" ( #B"ICC Workshops 2009,, June 2009, PP. 1-5”)中，比較了采用五種傳輸技術(其中包括多基站一致聯(lián)合傳輸、查找式多基站協(xié) 調單基站傳輸、固定式多基站協(xié)調單基站傳輸、固定式非協(xié)調單基站傳輸以及TDMA單基站 傳輸)時，系統(tǒng)的速率和與相關系數(shù)(相關系數(shù)定義為本小區(qū)內用戶大尺度衰落與協(xié)作小 區(qū)內用戶大尺度衰落之間的比值)之間的關系。而在Ills00 Sohn的文章‘‘A Graphical Model Approach to DownlinkCooperative ΜΙΜΟ Systems"(#B"IEEE Globecom，2010，，) 中，作者提出中新的協(xié)調波束成形技術基站分別選擇與本基站用戶信道最匹配的波束成 形矢量以及對別的小區(qū)干擾最強的波束成形矢量；在最后基于BP(Belief Propagation) 算法抉擇最終的波束成形矢量。但是該現(xiàn)有技術很少基于系統(tǒng)的開銷考慮協(xié)作處理方式的選擇。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提供一種用于多基站協(xié)作系統(tǒng)的波束成型 矩陣的優(yōu)化方法，采用分布式的基站協(xié)作選擇方式，選擇在用戶端根據(jù)信道狀態(tài)信息及相 關的干擾信道選擇協(xié)作基站用戶可以選擇是否要求基站聯(lián)合相鄰基站協(xié)作傳輸，同時根 據(jù)自身信道增益與干擾信道增益選擇對用戶造成干擾較大的基站協(xié)作；基站根據(jù)反饋的信息，以服務質量最好的原則決定最終選擇被協(xié)作的方式，實現(xiàn)平衡用戶間的服務質量要求。本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟步驟一在多小區(qū)MIMO系統(tǒng)中設置初始參數(shù)；所述的多小區(qū)MIMO系統(tǒng)是指K個用戶隨機分布在多小區(qū)系統(tǒng)中，并使用同一頻 段的信道進行通信，每個用戶帶有凡接收天線數(shù)，每個基站帶有Nt發(fā)射天線數(shù)，多小區(qū)系統(tǒng) 中總共有Nb個基站；所述的信道為平坦衰落信道，在傳輸周期內信道不變。所述的初始參數(shù)包括協(xié)作基站數(shù)和自適應協(xié)作策略，其中協(xié)作基站數(shù)指的是 在整個系統(tǒng)中，協(xié)作小區(qū)中包含的基站數(shù)。由于本發(fā)明考慮兩種協(xié)作方式聯(lián)合傳輸技術 (Jointprocessing)和協(xié)調波束成型技術(coordinate beamforming)。自適應協(xié)作策略的 定義為基站將根據(jù)兩種協(xié)作方式下虛擬上行鏈路的信道質量選擇一種協(xié)作方式。步驟二用戶端進行信道估計得到信道狀態(tài)信息Hk ={hki,hk2,-hkNJ, 1彡k彡Ni,其中hk,,為MX 1矩陣，表示基站i到k的信道矩陣；所述的信道估計是指用戶根據(jù)接收到來自基站的導頻信號估計出基站與用戶之 間的信道。本發(fā)明假設用戶端對信道的估計誤差為0，即用戶端獲得完全的信道狀態(tài)信息。步驟三用戶初始接入階段時，判斷當前基站之間是否存在相互協(xié)作，當不存在相 互協(xié)作時檢測用戶k的信道質量Yk= I lhk.il |2/(Σ WiI IhkilI I2。Yth表示系統(tǒng)離線情 況下統(tǒng)計出來的一個系統(tǒng)要求滿足某種服務質量要求的信道質量的閾值。當Yth時當前基站之間不需要相互協(xié)作，本方法結束；否則當γ k < γ th時，用戶將根據(jù)信道狀態(tài)信息選擇協(xié)作對象基站，并將η個bit 的反饋信息輸送至當前基站后執(zhí)行步驟四，其中n的選擇決定于系統(tǒng)要求協(xié)作的基站數(shù)。所述的根據(jù)信道狀態(tài)信息選擇協(xié)作對象基站是指當當前基站與用戶之間的信道 的大尺度衰落與干擾基站與用戶之間信道的大尺度衰落之比時，即表示有用信道與干擾信 道之間的相干性，用戶將選擇滿足s = argm/na々e 3的基站加入協(xié)作小區(qū)，其中相干系數(shù) = <,·,·/< >3是所有基站集U= {1，…，NJ的一個子集，表示將被選擇為協(xié)作對象基站的
基站集，并且滿足要求|3| SiVfo，s為子集3中的元素，表示從子集中挑出的被選為協(xié)作對象基站。步驟四當前基站根據(jù)接收到的反饋信息決定協(xié)作對象基站和協(xié)作方式，其中 當前基站分別計算不同協(xié)作方式下的虛擬上行鏈路的信道質量，并基于該當前基站服務的 小區(qū)內用戶的信道質量最好的原則選擇相應的協(xié)作方式，然后當前基站將協(xié)作方式傳輸至 相應的協(xié)作對象基站，具體步驟為4. 1)當前基站將分別計算采用基站間協(xié)調波束成形技術與基站間聯(lián)合傳輸技術 時，當前基站所屬用戶虛擬上行的信道sir。b、Sirjp ；其中N。表示協(xié)作的基站數(shù)；表示協(xié)
作基站的集合，Sircb = ι Ihj ι2/( …ι IhkaI ικ =Σ, JM2 ,"“Σ,. JM2)
ο4.2)當采用基站間協(xié)調波束成形且sirjp-sir。b< θ時，選擇采用基站間協(xié)調波 束成形技術；否則選擇采用基站間聯(lián)合傳輸技術。所述的協(xié)作方式包括基站間協(xié)調波束成形和基站間聯(lián)合傳輸；
步驟五基于步驟四選擇的協(xié)作方式，協(xié)作對象基站采用迫零預編碼處理方法選 擇預編碼矢量，具體是指5. 1)當協(xié)作方式是基站間協(xié)調波束成形，則當前基站為用戶k選擇波束成型矩陣 Wk滿足要求HiWk = 0，i興k。Hi表示用戶i到當前基站的虛擬上行鏈路的信道矩陣。假設有 矩陣仄=[H1,…,隊-,,隊+1，…,Hd , Wk滿足Wk落在么的零空間。5. 2)當協(xié)作方式是基站間聯(lián)合傳輸，則每個協(xié)作對象基站均為用戶選擇波束成形 矢量，滿足要求Wk = H' k，其中/n =[//「,··_,Η，"]",…表示協(xié)作小區(qū)內的基站j到用戶k的
信道矩陣。步驟六當前基站根據(jù)步驟五得到的預編碼矢量及步驟四得到的協(xié)作方式向協(xié)作 對象基站傳輸數(shù)據(jù)。本發(fā)明方法由于在用戶端對要求協(xié)作的基站作出選擇，這樣將降低基站間交換信 息所需對系統(tǒng)開銷。在基站端選擇協(xié)作方式，也是對系統(tǒng)在后臺開銷的減少的一種考慮。同 時由于基站聯(lián)合傳輸主要是改善相鄰小區(qū)邊緣用戶但降低的本小區(qū)內用戶服務質量，而基 站間協(xié)調波束成形主要是減少小區(qū)間干擾，對本基站內的用戶的服務質量沒有影響。在兩 種協(xié)作方式之間做選擇，將會平衡用戶間的服務質量要求。


圖1為本發(fā)明示意圖。圖2為實施例1示意圖。圖3為實施例2示意圖。圖1中eNB表示基站，UE表示用戶；圖2中分別統(tǒng)計了基站之間沒有協(xié)作(*)、協(xié) 作基站數(shù)為3且采用CB的協(xié)作方式(+)、協(xié)作基站數(shù)為3且采用JP的協(xié)作方式(一)和 習作基站數(shù)為2的且選擇自適應的協(xié)作方式(——)的系統(tǒng)中隨著SIR變化時用戶數(shù)的分 布；圖3表示基站之間沒有協(xié)作(*)、協(xié)作基站數(shù)為3且采用CB的協(xié)作方式(+)、協(xié)作基站 數(shù)為3且采用JP的協(xié)作方式(一)和習作基站數(shù)為2的且選擇自適應的協(xié)作方式(——) 的系統(tǒng)平均速率和。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。本實例采用3個小區(qū)6個用戶的多小區(qū)MIMO下行系統(tǒng)，基站發(fā)射功率為1W，基站 天線數(shù)為4，每個用戶天線數(shù)為1，數(shù)據(jù)流數(shù)為1。設信道為平坦衰落、準靜態(tài)，信道矩陣的元 素為獨立同分布的零均值、單位方差的復高斯隨機變量，噪聲為均值為零、協(xié)方差矩陣為單 位陣的加性高斯白噪聲，各個用戶經歷的信道相互獨立，基站可以獲得所有用戶的信道狀 態(tài)fe息。
本實例使用的多小區(qū)MIMO系統(tǒng)用戶的波束成形矢量選擇方法具體步驟如下步驟1 在選擇中，基站通過發(fā)射訓練序列，用戶端可以分別估計并獲得用戶與所
屬基站之間的信道矩陣及別的小區(qū)的干擾信道矩陣巧
權利要求
一種用于多基站協(xié)作系統(tǒng)的波束成型矩陣的優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一在多小區(qū)MIMO系統(tǒng)中設置初始參數(shù)；步驟二用戶端進行信道估計得到信道狀態(tài)信息1≤k≤Ni，其中hk，i為M×1矩陣，表示基站i到k的信道矩陣；步驟三用戶初始接入階段時，判斷當前基站之間是否存在相互協(xié)作，當不存在相互協(xié)作時檢測用戶k的信道質量γk＝||hk，i||2/(∑l≠i||hk，l||2)，γth表示系統(tǒng)離線情況下統(tǒng)計出來的一個系統(tǒng)要求滿足某種服務質量要求的信道質量的閾值；當γk≥γth時當前基站之間不需要相互協(xié)作，所述優(yōu)化方法結束；否則當γk＜γth時，用戶將根據(jù)信道狀態(tài)信息選擇協(xié)作對象基站，并將n個bit的反饋信息輸送至當前基站后執(zhí)行步驟四，其中n的選擇決定于系統(tǒng)要求協(xié)作的基站數(shù)；步驟四當前基站根據(jù)接收到的反饋信息決定協(xié)作對象基站和協(xié)作方式，其中當前基站分別計算不同協(xié)作方式下的虛擬上行鏈路的信道質量，并基于該當前基站服務的小區(qū)內用戶的信道質量最好的原則選擇相應的協(xié)作方式，然后當前基站將協(xié)作方式傳輸至相應的協(xié)作對象基站；步驟五基于步驟四選擇的協(xié)作方式，協(xié)作對象基站采用迫零預編碼處理方法選擇預編碼矢量；步驟六當前基站根據(jù)步驟五得到的預編碼矢量及步驟四得到的協(xié)作方式向協(xié)作對象基站傳輸數(shù)據(jù)。FDA0000027678960000011.tif
2.根據(jù)權利要求1所述的用于多基站協(xié)作系統(tǒng)的波束成型矩陣的優(yōu)化方法，其特征 是，所述的多小區(qū)MIMO系統(tǒng)是指K個用戶隨機分布在多小區(qū)系統(tǒng)中，并使用同一頻段的信 道進行通信，每個用戶帶有凡接收天線數(shù)，每個基站帶有Nt發(fā)射天線數(shù)，多小區(qū)系統(tǒng)中總共 有Nb個基站，所述的信道為平坦衰落信道，在傳輸周期內信道不變，所述的初始參數(shù)包括: 協(xié)作基站數(shù)和自適應協(xié)作策略，其中協(xié)作基站數(shù)指的是在整個系統(tǒng)中，協(xié)作小區(qū)中包含的 基站數(shù)。
3.根據(jù)權利要求1所述的用于多基站協(xié)作系統(tǒng)的波束成型矩陣的優(yōu)化方法，其特征 是，所述的信道估計是指用戶根據(jù)接收到來自基站的導頻信號估計出基站與用戶之間的 信道，本發(fā)明假設用戶端對信道的估計誤差為0，即用戶端獲得完全的信道狀態(tài)信息。
4.根據(jù)權利要求1所述的用于多基站協(xié)作系統(tǒng)的波束成型矩陣的優(yōu)化方法，其特征 是，所述的根據(jù)信道狀態(tài)信息選擇協(xié)作對象基站是指當當前基站與用戶之間的信道的大 尺度衰落與干擾基站與用戶之間信道的大尺度衰落之比時，即表示有用信道與干擾信道 之間的相干性，用戶將選擇滿足s = argm/n0^e 3的基站加入協(xié)作小區(qū)，其中相干系數(shù) = ％/< >3是所有基站集U= {1，…，NJ的一個子集，表示將被選擇為協(xié)作對象基站的基站集，并且滿足要求|3| SiVfo，s為子集3中的元素，表示從子集中挑出的被選為協(xié)作對象基站。
5.根據(jù)權利要求1所述的用于多基站協(xié)作系統(tǒng)的波束成型矩陣的優(yōu)化方法，其特征 是，所述的步驟四具體是指`4. 1)當前基站將分別計算采用基站間協(xié)調波束成形技術與基站間聯(lián)合傳輸技術時，當前基站所屬用戶虛擬上行的信道sir。b、Sirjp ；`4.2)當采用基站間協(xié)調波束成形且sihp-sir。b< θ時，選擇采用基站間協(xié)調波束成 形技術；否則選擇采用基站間聯(lián)合傳輸技術。
6.根據(jù)權利要求1所述的用于多基站協(xié)作系統(tǒng)的波束成型矩陣的優(yōu)化方法，其特征 是，所述的協(xié)作方式包括基站間協(xié)調波束成形和基站間聯(lián)合傳輸。
7.根據(jù)權利要求1所述的用于多基站協(xié)作系統(tǒng)的波束成型矩陣的優(yōu)化方法，其特征 是，所述的步驟五具體是指`5. 1)當協(xié)作方式是基站間協(xié)調波束成形，則當前基站為用戶k選擇波束成型矩陣Wk滿 足要求=HiWk = 0，i興k，Hi表示用戶i到當前基站的虛擬上行鏈路的信道矩陣，假設有矩 陣應4 ·.■,//“,Ht+1,·.·,Hk], Wk 滿足 Wk 落在 Ht的零空間；`5. 2)當協(xié)作方式是基站間聯(lián)合傳輸，則每個協(xié)作對象基站均為用戶選擇波束成形矢 量，滿足要求:Wk = H' 1;，其中機=[//廠,、孖嚴"]//,///表示協(xié)作小區(qū)內的基站」到用戶 k的信道矩陣。
全文摘要
一種無線通信技術領域的用于多基站協(xié)作系統(tǒng)的波束成型矩陣的優(yōu)化方法，采用分布式的基站協(xié)作選擇方式，選擇在用戶端根據(jù)信道狀態(tài)信息及相關的干擾信道選擇協(xié)作基站用戶可以選擇是否要求基站聯(lián)合相鄰基站協(xié)作傳輸，同時根據(jù)自身信道增益與干擾信道增益選擇對用戶造成干擾較大的基站協(xié)作；基站根據(jù)反饋的信息，以服務質量最好的原則決定最終選擇被協(xié)作的方式，實現(xiàn)平衡用戶間的服務質量要求。
文檔編號H04B7/04GK101986574SQ201010299228
公開日2011年3月16日 申請日期2010年10月2日 優(yōu)先權日2010年10月2日
發(fā)明者俞暉, 吳幼龍, 林意如, 羅漢文 申請人:上海交通大學