CN102014393B - 蜂窝通信***中多点协同传输的频率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蜂窝移动通信***中多点协同传输的频率分配方法，主要解决小区边缘用户进行多点协同传输时小区间的干扰问题。其步骤为：1)对蜂窝***中的小区进行分类和编号；2)确定各类小区的多点协同传输的发起频段与协作频段；3)各小区定时进行负载信息的测量并将负载信息传输给其协作小区；4)各小区根据接收到的负载信息切换协作频段的工作模式；5)若小区协作频段进入两重叠竞争模式和三重叠竞争模式，则小区基站根据接收到负载信息，对进入协作频段中过渡频段进行动态分配。本发明具有小区基站硬件实现复杂度低，***频率资源利用率高的优点，用于提高蜂窝网络的传输性能。

Description

蜂窝通信***中多点协同传输的频率分配方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，特别是涉及蜂窝通信***多点协同传输的频率分配的方法，可用于***移动通信中多点协同传输技术。

背景技术

由于蜂窝小区中用户受无线信道中阴影衰落、多径衰落、干扰等因素影响程度的差异，小区中用户通信质量会有所不同，一般而言，蜂窝小区中远离基站的用户通信质量不及基站附近的用户，特别是处于小区边缘附近用户的信号还会受到来自其相邻小区信号的干扰。大量研究表明，多天线分集技术可以有效抵抗无线信道中多径衰落，提高网络质量，改善***性能。然而，由于移动通信中用户终端受到功耗、体积及硬件复杂度等因素的限制，多天线技术实现较为困难。近年来，一种多天线技术的延伸——多点协同传输技术引起了移动通信领域人士的广泛关注。多点协同传输技术通过小区基站间共享彼此用户信息，进行频率资源的协调调度和多基站共同与用户的通信。利用这一技术，可以有效提高小区边缘信道质量较差用户的通信质量，改善小区边缘覆盖，提高小区边缘吞吐量，从而提升了网络的覆盖率和整个***的吞吐量。基于以上优点，多点协同传输技术已经成为第三代移动通信技术向***移动通信技术演进的核心技术之一。

在多点协同传输技术中，通过多个基站共同为小区边缘的一个用户进行服务，将小区间干扰变成了该小区边缘用户的有效信息，从而获得了信号的合并增益。而且，作为单基站多天线技术的补充和扩展，多点协同传输技术继承了多天线分集技术的优点——可以有效克服无线信道的衰落特性，获得分集增益。但是在实现多点协同传输中，仍有以下需要解决的问题：

首先，选择多点协同传输的协作小区集合，在多个基站共同为小区边缘用户进行传输时，信号从各基站经历不同的信道到达用户，但在整个***中每个基站到达用户的信号质量不同，因此，如何选择多点协同传输的协作小区集合成为影响通信质量的首要因素；

其次，由于小区中存在两种用户——靠近基站通信质量较好的中心用户和远离基站通信质量较差的边缘用户，应保证这两种用户在通信中不存在干扰以及相邻小区的边缘用户之间干扰尽可能小，因此，如何分配小区内固有的频率资源是另一个重要问题。

针对多点协同传输中协作小区的选择问题，2009年Nortel(北电网路)在“3GPPTSG-RAN Working Group 1Meeting#56bis”上发表的《Updates on Cell Clustering forCoMP Transmission/Reception》和Qualcomm Europe在“3GPP TSG-RAN Working Group1Meeting#56bis”上发表的《Summary ofemail discussions for CoMP》中提出多点协同传输协作集选择的三种方法——即“用户自选”、“固定划分”和“折中成簇”。其中“用户自选”是指当用户需要进行多点协同传输时，自行测量各基站到用户的信号质量，选择信号质量好的基站作为协作集，这种方式固然性能最佳，但***调度复杂度和用户终端硬件实现难度都很大；“固定划分”是指当蜂窝网络建成时，对每个区域需要进行多点协同传输的用户选取协作集已经做出固定划分，这种划分主要是基于地理位置因素进行的而并不考虑信号质量问题；“折中成簇”是指由边缘用户所在的服务小区指定一簇小区作为测量集，用户反馈测量集中各小区的信号强度构成汇报集，最后由服务小区确定协作集。相比于前两者，“折中成簇”在调度复杂度和***性能两方面获得了很好的折中，但由于各测量集有重叠，该方案仍需要在测量集之间进行统一的协作调度。

针对小区频率分配问题，2005年HUAWEI在“3GPP TSG-RAN Working Group 1Meeting#41bis”上发表的《Soft Frequency Reuse Scheme for UTRAN LTE》提出一种新的频率分配方法——软频率复用。软频率复用是传统的频率复用的进一步发展。与传统频率复用不同的是，一个频率在一个小区当中不再定义为用或者不用，而是用发射功率门限的方式定义该频率在多大程度上被使用。在软频率复用中，可将频带分为若干部分，对于一个小区而言，一部分为主载波，其余作为副载波，且保证相邻小区的主载波不重叠。另外，主载波用大功率发射以覆盖整个小区，而副载波用小功率发射只覆盖小区中心。软频率复用通过设置功率门限来规定不同频率的使用程度，因此无论小区中心用户还是边缘用户都能获得更大的带宽和频谱效率。另外，通过调整主载波功率与副载波功率门限的比值，可以很好的适应负载在小区中心和边缘的分布。然而，软频率复用技术仍存在不足：没有考虑***进行多点协同传输时，如果协作集之间出现重叠，将会产生频带的竞争问题，从而不同协作集之间会产生干扰。

综上所述，现有的软频率复用方法虽然通过以不同功率使用各频带降低了相邻小区间干扰，但是当其与多点协同传输相结合时，在协作小区仍会产生因频率竞争的小区间干扰，另外，不同的多点协同传输协作集选取方法会影响小区间干扰程度，上述干扰会导致***频带效率低，限制了***吞吐量、用户容量和资源利用率。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种蜂窝移动通信***中多点协同传输的频率分配方法，以充分利用***中的发送功率和频谱等***资源，减小小区间干扰，提高各小区频带效率，使***吞吐量、用户容量和资源利用效率得到提升。

实现本发明目的的技术方案是：利用相邻两小区多点协同传输发起频段的正交性，使小区边缘用户间干扰降低；利用成簇的方式选取协作集，使多点协同传输的调度复杂度降低；利用协作频段三种工作模式的划分，使蜂窝***中多点协同传输用户的容量提升；利用过渡频段的按负载动态分配，使蜂窝***的频带效率提升。具体步骤如下：

(1)***对各小区频段整个频段做出固定划分，选择出三个正交频段A/B/C作为多点协同传输使用频段，其余频段作为普通通信使用频段；基站对正交频段用大功率发送，对其余频段用小功率发送；

(2)***对所有小区进行编号，并将各小区分为a/b/c三种类型，该三种类型的小区交错排列；

(3)***对a/b/c三种小区的正交频段功能进行分配：

(3a)用频段A对a类小区用户进行多点协同传输发起，用频段B/C对a类小区外的其它小区用户进行协作；

(3b)用频段B对b类小区用户进行多点协同传输发起，用频段A/C对b类小区外的其它小区用户进行协作；

(3c)用频段C对c类小区用户进行多点协同传输发起，用频段A/B对c类小区外的其它小区用户进行协作；

(4)将每个小区的每个协作频段划分出无竞争模式、两重叠竞争模式和三重叠竞争模式，并对两重叠竞争模式和三重叠竞争模式通过固定频段和过渡频段按如下规则进行二次划分：

(4a)两重叠竞争模式：将协作频段划分为三部分，即：两个固定频段B₁、B₂和一个过渡频段B_C，其中过渡频段B_C位于固定频段B₁、B₂中间；

(4b)三重叠竞争模式：将协作频段划分为五部分，即：三个固定频段B₁、B₂、B₃和两个过渡频段

其中过渡频段

位于固定频段B₁、B₂中间，过渡频段

位于固定频段B₂、B₃中间；

(5)希望进行多点协同传输的用户向与其中心小区相邻的六个小区基站发送信道侦测信号，进行信干比SINR测量，并与信干比SINR大于设定门限R₀的基站建立多点协同传输；

(6)每间隔T时长，基站对本小区i到各协作小区j₁，j₂，Λj_k(k≤6)的负载信息

进行检测，并将该负载信息发送给本小区的各协作小区j₁，j₂，Lj_k，各协作小区j₁，j₂，Lj_k对收到的负载信息

进行如下比较：

若收到的各负载信息是关于不同频段的，则两个协作频段都进入无竞争模式；

若收到的各负载信息中的有两个信息是关于同一频段的，则该频段进入两重叠竞争模式；

若收到的各负载信息中的有三个信息是关于同一频段的，则该频段进入两重叠竞争模式；

(7)若协作频段进入两重叠竞争模式或三重叠竞争模式，协作小区按照负载信息对该模式的过渡频段进行如下分配：

首先，对收到的该频段负载信息

进行归一化处理，得到归一化后的负载信息M_i，其中i是负载信息来源小区的编号；

其次，对于M_i＜0.1的归一化负载，令M_i＝0，即该负载不参与过渡频段的分配计算；

最后，将其余的归一化负载按各负载量占总量的比例分配过渡频段B_C，其中：

两重叠竞争模式中小区i获得的过渡频段部分为

三重叠竞争模式中小区i获得的过渡频段部分为

本发明具有以下优点：

1.本发明由于利用三种类型小区交错排列，不同类型小区使用相互正交的多点协同传输发起频段，用户发起多点协同传输时不需要基站协调调度，实现了对算法复杂度和性能增益的折衷考虑，降低了***复杂度，性能代价比高，具有较强实用性；

2.本发明由于利用协作频段的三种工作模式，使***在进行多点协同传输时，协作频段可自动地在无竞争模式、两重叠竞争模式和三重叠竞争模式之间切换，当协作频段被多个相同发起频段的小区使用时，***会自动地对协作频段进行二次划分与分配，消除了频段的冲突，因而增大了***允许接入多点协同传输用户的数量，提高了蜂窝***的边缘用户容量；

3.本发明由于通过负载信息

的交互和比较，对两重叠竞争模式和三重叠竞争模式的过渡频段按负载量分配，实现了在兼顾公平性的基础上，对多点协同传输繁忙的小区分配更宽的频段，提高了蜂窝***的频带效率和边缘吞吐量。

附图说明

图1是本发明的频段分配流程图；

图2是本发明的小区频段规划示意图；

图3是本发明的小区发起频段规划示意图；

图4是本发明的各类小区发起频段和协作频段分配图；

图5是本发明的两重叠竞争模式的协作频段划分图；

图6是本发明的三重叠竞争模式的协作频段划分图；

图7是本发明的协作频段工作模式切换流程图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实例对本发明进行进一步描述：

参照图1，本发明的具体步骤如下：

步骤1：划分小区频段。

在小区固有的频段中，挑选出三个带宽相等的正交频段A/B/C，作为小区边缘用户进行多点协同传输的频段，将小区中其余频段作为小区普通用户进行通信的频段，如图2所示。

步骤2：在小区频段划分完成后，将***中的小区分为a/b/c三种类型，并将各类小区交错排列，使相同类型的小区不相邻，如图3所示，同时，对***中的所有小区进行编号。

步骤3：对小区发起频段和协作频段进行规划。

参照图4，对不同类型的小区分配不同的发起频段，其中图4a是a类型小区发起频段与协作频段的分配图，图4b是b类型小区发起频段与协作频段的分配图，图4c是c类型小区发起频段与协作频段的分配图，分配结果如下：

a类型小区使用A频段作为本小区多点协同传输的发起频段，B/C作为协作相邻小区发起的多点协同传输的协作频段；

b类型小区使用B频段作为本小区多点协同传输的发起频段，A/C作为协作相邻小区发起的多点协同传输的协作频段；

c类型小区使用C频段作为本小区多点协同传输的发起频段，A/B作为协作相邻小区发起的多点协同传输的协作频段。

步骤4：设定协作频段的三种工作模式。

每个小区的边缘用户从与其相邻的六个小区中选取协作集，各协作小区的协作频段有可能出现三种协作方式：①某个协作频段只被来自一个小区的用户使用；②某个协作频段被来自两个小区的用户使用；③某个协作频段被来自三个小区的用户使用。

针对上述三种情况，对小区协作频段建立相应的三种工作模式：无竞争模式、两重叠竞争模式、三重叠竞争模式。其中在无竞争模式中，协作频段只被来自一个小区的用户使用，故不进行二次划分；在两重叠竞争模式中，协作频段被来自两个小区的用户使用，为避免频段冲突且实现频带效率提升，将协作频段划分为三部分：固定频段B₁、固定频段B₂和过渡频段B_C，如图5所示；在三重叠竞争模式中，协作频段被来自三个小区的用户使用，类似地，将协作频段划分为五部分固定频段B₁、固定频段B₂、固定频段B₃和过渡频段

过渡频段如图6所示。

步骤5：边缘用户建立多点协同传输。

希望进行多点协同传输的用户向与其中心小区相邻的六个小区基站发送信道侦测信号，进行信干比SINR测量，并与信干比SINR大于设定门限R₀的基站建立多点协同传输，信干比门限R₀由用户所在基站给出。

步骤6：各小区基站对负载信息进行定时检测和交互，确定各小区协作频段工作模式。

参照图7，本步骤的实现步骤如下：

6a)负载信息的检测和传输

将负载信息

定义为：在nT时刻(n＝0，1，2L)，编号为i的小区中选择编号为j的小区进行多点协同传输的用户的个数，其中A/B/C是编号为i的小区的发起频段。负载信息共包括四部分：发起频段信息A/B/C、中心小区编号i、协作小区编号j和负载量L。发起频段信息A/B/C表示发送负载信息小区的多点协同传输发起频段；中心小区编号i和协作小区编号j表示步骤3中已完成的小区编号；负载量L表示小区i中选择小区j作为协作小区的用户数。小区i每隔T时间对关于各协作小区j₁，j₂，Λj_k(k≤6)的负载信息

进行检测，并将其传输给各协作小区j₁，j₂，Λj_k(k≤6)，若负载信息

则不传输该负载信息；

6b)通过比较负载信息确定协作频段的工作模式：基站对收到的负载信息的发起频段信息部分进行比较，若均不相同或无某协作频段负载信息，则各协作频段进入无竞争模式，即各协作频段不进行二次划分；若有两者相同，则该频段进入两重叠竞争模式，即对出现竞争的频段二次划分为两个固定频段和一个过渡频段，如图5所示；若有三者相同，则该频段进入三重叠竞争模式，即将出现竞争的频段二次划分为三个固定频段和两个过渡频段，如图6所示。假定编号为j发起频段为B的小区在nT时刻收到来自相邻小区i₁，i₂，i₃的三帧负载信息

则小区j通过对负载信息的比较，使协作频段A进入无竞争模式，协作频段C进入两重叠竞争模式。

步骤7：对于进入两种竞争模式的协作频段，各小区根据负载信息进行过渡频段的分配。

若协作频段工作于两重叠竞争模式和三重叠竞争模式，将该协作频段中各固定频段分配给各竞争小区，用于协作各竞争小区的多点协同传输，将过渡频段按照负载量动态分配给各竞争小区，两种竞争模式过渡频段划分的具体过程如下：

7a)两重叠竞争模式中过渡频段的划分

由于小区j基站收到来自小区i₁、i₂的负载信息

首先，基站对频段A进行二次划分，将固定频段B₁分配给小区i₁，小区j使用固定频段B₁协作来自小区i₁的多点协同传输；将固定频段B₂分配给小区i₂，小区j使用固定频段B₂协作来自小区i₂的多点协同传输；

其次，进行过渡频段的分配：对负载信息进行归一化处理，

$M_{i_1}=\frac{L_{i_1\→j}^A\left(\mathrm{nT}\right)}{\max [L_{i_1\→j}^A\left(\mathrm{nT}\right),L_{i_2\→j}^A\left(\mathrm{nT}\right)]}$

$M_{i_2}=\frac{L_{i_2\→j}^A\left(\mathrm{nT}\right)}{\max [L_{i_1\→j}^A\left(\mathrm{nT}\right),L_{i_2\→j}^A\left(\mathrm{nT}\right)]}$

式中，

是小区i₁的归一化负载，

是小区i₂的归一化负载。

若

归一化负载小于等于0.1的小区不参与过渡频段的分配，即：小区i₁不获得过渡频段，小区i₂获得

若

则过渡频段B_C分配如下：

将分配给小区i₁，

将

分配给小区i₂。

7b)三重叠竞争模式中过渡频段的划分

由于小区j基站收到频段A的负载信息

首先，基站对频段A进行二次划分，将固定频段B₁分配给小区i₁，小区j使用固定频段B₁协作来自小区i₁的多点协同传输；将固定频段B₂分配给小区i₂，小区j使用固定频段B₂协作来自小区i₂的多点协同传输；将固定频段B₃分配给小区i₃，小区j使用固定频段B₃协作来自小区i₂的多点协同传输；

其次，进行过渡频段的分配：对负载信息进行归一化处理，

$M_{i_1}=\frac{L_{i_1\→j}^A\left(\mathrm{nT}\right)}{\max [L_{i_1\→j}^A\left(\mathrm{nT}\right),L_{i_1\→j}^A\left(\mathrm{nT}\right),L_{i_1\→j}^A\left(\mathrm{nT}\right)]}$

$M_{i_2}=\frac{L_{i_2\→j}^A\left(\mathrm{nT}\right)}{\max [L_{i_1\→j}^A\left(\mathrm{nT}\right),L_{i_1\→j}^A\left(\mathrm{nT}\right),L_{i_1\→j}^A\left(\mathrm{nT}\right)]}$

$M_{i_3}=\frac{L_{i_3\→j}^A\left(\mathrm{nT}\right)}{\max [L_{i_1\→j}^A\left(\mathrm{nT}\right),L_{i_1\→j}^A\left(\mathrm{nT}\right),L_{i_1\→j}^A\left(\mathrm{nT}\right)]}$

式中，

是小区i₁的归一化负载，

是小区i₂的归一化负载，

是小区i₃的归一化负载。

若

归一化负载小于等于0.1的小区不参与过渡频段的分配，即：小区i₂，i₃不获得过渡频段，小区i₁获得过渡频段

若

小区i₃不获得过渡频段，小区i₁获得

小区i₂获得

若小区i₁获得

小区i₂获得

小区i₃获得

上述步骤描述了本发明的优选实例，显然本领域技术人员通过参考本发明的优选实例和附图可以对本发明做出各种修改和替换，这些修改和替换都应落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种蜂窝移动通信***中多点协同传输频率分配的方法，包括如下步骤：

⑴***对各小区频段整个频段做出固定划分，选择出三个正交频段A/B/C作为多点协同传输使用频段，其余频段作为普通通信使用频段；基站对正交频段用大功率发送，对其余频段用小功率发送；

⑵***对所有小区进行编号，并将各小区分为a/b/c三种类型，该三种类型的小区交错排列；

⑶***对a/b/c三种小区的正交频段功能进行分配:

(3a)用频段A对a类小区用户进行多点协同传输发起，用频段B/C对a类小区外的其它小区用户进行协作；

(3b)用频段B对b类小区用户进行多点协同传输发起，用频段A/C对b类小区外的其它小区用户进行协作；

(3c)用频段C对c类小区用户进行多点协同传输发起，用频段A/B对c类小区外的其它小区用户进行协作；

⑷将每个小区的每个协作频段划分出无竞争模式、两重叠竞争模式和三重叠竞争模式，并对两重叠竞争模式和三重叠竞争模式通过固定频段和过渡频段按如下规则进行二次划分：

(4a)两重叠竞争模式：将协作频段划分为三部分，即：两个固定频段B₁、B₂和一个过渡频段B_C，其中过渡频段B_C位于固定频段B₁、B₂中间；

(4b)三重叠竞争模式：将协作频段划分为五部分，即：三个固定频段B₁、B₂、B3和两个过渡频段

其中过渡频段

位于固定频段B₁、B₂中间，过渡频段

位于固定频段B₂、B₃中间；

⑸希望进行多点协同传输的用户向与其中心小区相邻的六个小区基站发送信道侦测信号，进行信干比SINR测量，并与信干比SINR大于设定门限R₀的基站建立多点协同传输；

⑹每间隔T时长，基站对本小区i到各协作小区j₁,j₂,…j_k（k≤6）的负载信息

进行检测，并将该负载信息发送给本小区的各协作小区j₁,j₂,…j_k，各协作小区j₁,j₂,…j_k对收到的负载信息

进行如下比较，n＝0,1,2…：

若收到的各负载信息是关于不同频段的，则两个协作频段都进入无竞争模式；

若收到的各负载信息中的有两个信息是关于同一频段的，则该频段进入两重叠竞争模式；

若收到的各负载信息中的有三个信息是关于同一频段的，则该频段进入两重叠竞争模式；

⑺若协作频段进入两重叠竞争模式或三重叠竞争模式，协作小区按照负载信息对该模式的过渡频段进行如下分配：

首先，对收到的该频段负载信息进行归一化处理，得到归一化后的负载信息M_i，其中i是负载信息来源小区的编号；

其次，对于M_i＜0.1的归一化负载，令M_i＝0，即该负载不参与过渡频段的分配计算；

最后，将其余的归一化负载按各负载量占总量的比例分配过渡频段B_C，其中：

两重叠竞争模式中小区i获得的过渡频段部分为

三重叠竞争模式中小区i获得的过渡频段部分为

2.根据权利要求1所述的蜂窝移动通信***中多点协同传输频率分配的方法，其中步骤（1）所述的选择出三个正交频段A/B/C作为多点协同传输使用频段，是将每个正交频段的带宽设为：

3.根据权利要求1所述的蜂窝移动通信***中多点协同传输频率分配的方法，其中步骤（6）所述的负载信息

定义为nT时刻i小区中需要j小区协作的用户数量，或者定义为nT时刻i小区中需要j小区协作传输的数据量，n＝0,1,2…。

4.根据权利要求1所述的蜂窝移动通信***中多点协同传输频率分配的方法，其中步骤（6）所述的每间隔T时长，根据边缘用户数占总用户数的比值进行调整，若边缘用户数占总用户数的比值增大，负载信息

变化加快，则降低时间间隔T的值；若边缘用户数占总用户数比值降低，负载信息

变化减慢，则提高时间间隔T的值，n＝0,1,2…。

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