CN102647386A - 基于子带预编码的多点协作ofdm***中定时对齐方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于子带预编码的多点协作OFDM***中定时对齐方法，在用户接收端截取OFDM符号后，将估计的信道状态信息分子带反馈回基站端，同时反馈不同基站到用户的平均传输时延差，基站端基于传输时延差的信息，在每个子带内选择时延差比较接近的用户进行数据传输，然后对不同用户的数据在频域内进行相位旋转，以补偿不同基站间的传输时延差，从而校正传输时延差，提高子载波之间的相关性，本发明的方法只需增加较少的运算量及反馈信息即可获得明显的***和速率增益。

Description

基于子带预编码的多点协作OFDM***中定时对齐方法

技术领域

本发明属于属于无线通信技术领域，特别涉及一种基于子带预编码的多点协作OFDM***中定时对齐方法。

背景技术

为了提高小区边缘用户的服务质量，降低相邻基站的干扰，基站间协作成为未来移动通信***的关键技术之一。

目前，3GPP定义了两种多点协作传输方案：协同波束赋形CB(Coordinated Beamforming)和联合处理JP(Joint Processing)。其中，CB方案中的用户数据由单个协作基站传输，基站之间联合调度降低不同小区间的干扰，可以获得复用增益；JP方案中的用户数据由多个协作基站联合传输，可获得分集增益。本发明针对JP方案的多点协作传输***。

对窄带平衰落信道中的多用户调度与联合预编码的研究表明，多点协作能够获得更高的空间复用增益和多用户分集增益。对于频率选择性衰落信道，通过OFDM可以将信道转化成多个并行的窄带信道，最直接的方法是对每个子信道分别进行多用户调度和预编码，从而将窄带信道的处理方法直接扩展到OFDM***中，但这样每个可用子载波都要反馈信道信息、都要分别作用户调度与预编码，反馈量及运算复杂度与可用子载波个数成正比。

在实际***如LTE和WiMax中，为了减少反馈量和运算复杂度，根据信道的频域相关性，通常将OFDM多个相邻的子载波组成一个子带，每个子带只反馈一个平均的信道状态信息，在基站端也按子带进行多用户调度和预编码。然而在频率选择性衰落信道中，子带中的所有子载波信道衰落并不完全相同。尤其是在JP方案的多点协作***中，不同基站到用户的传输时延不同，会引入小区间的时延差，扩大了用户感受到的等效多径时延扩展，从而进一步降低了子带内子载波之间的相关性，限制了基本处理单位-子带-的宽度。

西安电子科技大学的专利“协作多点传输***中小区间延迟差补偿方法”、富士通的提案R1-091502”Pseudo Transmission Timing Control usingCyclic Shift for Downlink CoMP Joint Transmission”和大唐电信的提案R1-090193”Aspects of Joint Processing in Downlink CoMP”均对多点协作传输***中不同基站间的时延差问题给出了解决方案，但所提方案都是针对以每个子载波为单位的OFDM***，对于基于子带的OFDM***中的用户调度和时延差校正问题，没有给出具体的解决方案。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于子带预编码的多点协作OFDM***中定时对齐方法，对基于子带预编码的多点协作OFDM***中不同基站之间的传输符号进行定时对齐，从而改善了***的频域相关性，提高了***的速率增益。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

基于子带预编码的多点协作OFDM***中定时对齐方法，包括如下步骤：

步骤一，当多个基站进行协作时，用户k在第n个子载波上接收到的信号为：

$y_{\mathrm{kn}}=\left(h_{\mathrm{kn}}{w}_{\mathrm{kl}}\right)x_{\mathrm{kn}}+\underset{i\∈U_l}{\underset{i\≠k}{\mathrm{\Σ}}}\left(h_{\mathrm{kn}}{w}_{\mathrm{il}}\right)x_{\mathrm{in}}+z_{\mathrm{kn}}$

其中：下标l表示子载波n属于第l个子带，h_kn表示基站到用户k在子载波n上的信道向量，w_kl表示用户k在第l个子带上的波束赋形矢量，x_kn表示在第n个子载波上发送给用户k的数据，U_l是在l个子带选中进行数据发送的用户集合，w_il、表示其他用户的波束赋形矢量，x_in(i≠k)表示其他用户的发送数据，z_kn表示加性高斯白噪声；

步骤二，用户端截取OFDM符号，进行信道估计得到信道状态信息并逐子带反馈，同时反馈不同基站到用户的平均传输时延差τ_k；

步骤三，基站端接收到用户反馈的信道状态信息及不同基站的平均传输时延差τ_k后，在每个子带内，将不同的用户分组，不同组内用户的信道之间相关性满足

其中用户k、i分别属于不同的用户组，α是一个依据正交性要求确定的常数，然后从每个组内选择信道质量最好的用户组成用户集U，接着在U中按照时延差选择实际进行传输的用户，所选择用户的时延差构成的区间为

要求

将进一步选择的用户集合记为U_l，对选中用户的发送数据采用迫零预编码，其中每个用户的预编码向量与其它用户的信道相正交，即 ${\tilde{h}}_{{\mathrm{ic}}_l}{w}_{\mathrm{kl}}=0,$ $\∀i\≠k,i\∈U_l;$

步骤四，基站端依据用户反馈的不同基站的平均传输时延差，对所选用户的预编码后的数据进行时延补偿后发送。

所述步骤二中用户k截取OFDM符号，然后经过FFT变换，利用导频信息通过最小二乘算法及最小均方误差算法估计得到信道状态h_kn。

所述逐子带反馈，即将子带内所有子载波的平均信道状态信息进行反馈，具体包括平均信道方向信息和平均信道质量信息，平均信道方向为

平均信道质量

其中

B表示子带l内的子载波数目，为降低接收端计算量，采用近似：

c_l＝lB+(B-1)/2，表示子带中心子载波处的信道状态。

其中，为降低接收端计算量，采用子带中心子载波处的信道矢量近似子带内平均信道矢量时，发送端做时延补偿时应保证子带中心的信道矢量不变。

所述步骤四中时延补偿是通过采用频域相位旋转实现的。

与现有技术相比，本发明的优点是对采用子带预编码的OFDM***中的多用户调度及基站时延差校正问题给出了解决方法，相对每子载波反馈而言降低了反馈开销。

附图说明

图1为两基站、K个单天线用户的多点协作下行广播***示意图。

图2为本发明的实现流程示意图。

图3为本发明在两小区协作传输时***可达速率仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

附图1表示了两基站、K个单天线用户的多点协作下行广播***，假设每个基站具有M/2个天线，基站1、2的天线序号分别为(1，2，…，M/2)和(M/2+1，…，M)其中，K、M均为正整数且通常K大于等于M，***采用N点FFT的OFDM方式，其中传输数据的有用子载波个数为G，并将其分成L个子带，每B个连续子载波分成一个子带。

在每个子带内的不同子载波采用统一的预编码向量，在第n个子载波上发送的信号为：

$X_n=\underset{k\∈U_l}{\mathrm{\Σ}}{w}_{\mathrm{kl}}{x}_{\mathrm{kn}},$ lB≤n≤lB+B-1           (1)

其中U_l是在l个子带选中进行数据发送的用户集合，w_kl＝(w_kl1，w_kl2，…w_klM)^T是第l个子带对应于用户k的M×1维预编码向量且||w_kl||＝1，x_kn是在第n个子载波上发送给第k个用户的数据。

以下为了描述简便，如不特殊说明则默认第n个子载波属于第l个子带。

第k个用户在第n个子载波上接收到的信号为y_kn：

$y_{\mathrm{kn}}=\left(h_{\mathrm{kn}}{w}_{\mathrm{kl}}\right)x_{\mathrm{kn}}+\underset{i\∈U_l}{\underset{i\≠k}{\mathrm{\Σ}}}\left(h_{\mathrm{kn}}{w}_{\mathrm{il}}\right)x_{\mathrm{in}}+z_{\mathrm{kn}}---\left(2\right)$

其中第一项是传输的有用信号，第二项是其他用户的干扰，第三项是信道高斯白噪声。h_kn＝(h_kn1，h_kn2，…h_knM)是在第n个子载波基站到用户k的信道响应，z_kn为加性高斯白噪声，z_kn服从零均值、方差为

的复高斯分布。

用户k截取OFDM符号后，经过FFT变换，估计得到信道矢量h_kn，然后逐子带反馈信道状态信息(CSI)，即将每个子带内的平均信道矢量反馈到基站，实际中，常有下式成立：

$\frac{1}{B}\underset{n=\mathrm{lB}}{\overset{\mathrm{lB}+B-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{\mathrm{kn}}\≈h_{{\mathrm{kc}}_l}---\left(3\right)$

其中，c_l＝lB+(B-1)/2表示子带的中心子载波，具体的反馈量包括信道方向信息(CDI)和信道质量信息(CQI)，反馈的子带平均信道方向为

子带平均信道质量为

除此之外，用户还反馈两个协作基站间平均传输时延差τ_k＝τ_2k-τ_1k，其中τ_1k、τ_2k分别表示基站1、基站2到用户k的平均时延。

基站根据每个子带反馈的信道状态信息，采用准正交用户调度与迫零预编码(SUS-ZFBF)算法。对于每个子带，从K个用户中选择信道准正交、信道质量较好并且基站传输时延差接近的用户，记用户集合为U_l，U_l中任意两个用户k和i之间的信道相关性很小，即空间相关系数满足：

其中α是一个很小的正常数。对选中的用户发送的数据采用迫零预编码，其中每个用户的预编码向量与其它用户的信道相正交，即

在用户数据发送前，基站端应对不同基站的传输时延差进行校正，可以在时域内调整不同用户的数据发送时刻校正时延差，考虑到实现的复杂度并根据傅里叶变换时域延时等效于频域旋转的性质，采用频域相位旋转以补偿延时差，运算量小且计算简单。具体方法为在预编码之后，IFFT变换之前，对不同天线的时延差在频域通过相位旋转校正，其它处理基本不变，在第l个子带发送的信号为：

$X_l=\underset{k\∈U_l}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{kn}}{w}_{\mathrm{kl}}{x}_{\mathrm{kn}}---\left(4\right)$

其中Φ_kn是用户k在第n个子载波上的天线时延校正矩阵，为M×M的对角矩阵，矩阵Φ_kn的第m个对角元素为φ_knm：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{knm}}=e^{j\frac{2\mathrm{\π}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{km}}}{N}(n-\mathrm{lB}-\frac{B-1}{2})}---\left(5\right)$

其中，

表示第m根天线到用户k的等效平均多径附加延时，具有以下形式：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{km}}=\left\{\begin{array}{cc}-\frac{{\mathrm{\τ}}_k}{2},& m=\mathrm{1,2},\·\·\·,\frac{M}{2}\\ \frac{{\mathrm{\τ}}_k}{2},& m=\frac{M}{2}+1,\·\·\·,M\end{array}\right.---\left(6\right)$

经过时延校正后，每个子带中心位置处(n＝lB+(B-1)/2)的等效信道与不做时延校正时相比保持不变，此时用户调度及预编码仍然可以依据所反馈的平均信道矢量

进行。

经过时延校正之后，有用信号等效信道h_knΦ_kn的等效基站时延差降为0，而干扰信号等效信道h_knΦ_in的等效基站时延差变为τ_k-τ_i，如果用户调度时不考虑用户的时延差，时延校正可能使用户间干扰信号的等效时延差增大，导致用户的可达速率下降。为此在用户调度时，同一个子带中选择的用户时延差应比较接近，以下对其进行说明：

在一个子带内，通过多用户调度，所选择的用户的时延差位于

之间，对于某个用户k，其他干扰用户的时延差平均值为

时延校正之后用户k的干扰信号平均时延差为

若对每个用户干扰信号的等效时延差都降低，则需

即

这样经过时延校正不仅有用信号得到提升，用户间干扰也得到抑制，从而更加显著的提高了传输速率，故在用户调度时，应选择时延差比较接近的用户在相同的时频资源上进行传输。

本方案需要反馈基站之间的平均时延差τ_k，该值与用户、基站间距离有关，在用户低速移动时，时延差变化较慢，反馈的速率较低，所以本方案只需增加较少的运算量及反馈信息即可获得明显的***和速率增益。

本发明的效果可以通过仿真进一步说明，仿真环境见表1。

表1仿真环境

基于表1设置的仿真参数，且所选择用户的时延差均匀分布于[15，25]个采样点之间，即

Δτ＝5，所得到的仿真结果如附图3所示，从图中可以看出，随着信噪比的提高，不做时延差校正的***变为干扰受限，可达速率几乎不再增长，经过时延差校正后***的可达速率明显提高，而且信道的均方根(RMS)时延扩展越小，速率提高的越多。

Claims (5)

1.基于子带预编码的多点协作OFDM***中定时对齐方法，包括如下步骤：

步骤一，当多个基站进行协作时，用户k在第n个子载波上接收到的信号为：

$y_{\mathrm{kn}}=\left(h_{\mathrm{kn}}{w}_{\mathrm{kl}}\right)x_{\mathrm{kn}}+\underset{i\∈U_l}{\underset{i\≠k}{\mathrm{\Σ}}}\left(h_{\mathrm{kn}}{w}_{\mathrm{il}}\right)x_{\mathrm{in}}+z_{\mathrm{kn}}$

其中：下标l表示子载波n属于第l个子带，h_kn表示基站到用户k在子载波n上的信道向量，w_kl表示用户k在第l个子带上的波束赋形矢量，x_kn表示在第n个子载波上发送给用户k的数据，U_l是在l个子带选中进行数据发送的用户集合，w_il、表示其他用户的波束赋形矢量，x_in(i≠k)表示其他用户的发送数据，z_kn表示加性高斯白噪声；

步骤二，用户端截取OFDM符号，进行信道估计得到信道状态信息并逐子带反馈，同时反馈不同基站到用户的平均传输时延差τ_k；

步骤三，基站端接收到用户反馈的信道状态信息及不同基站的平均传输时延差τ_k后，在每个子带内，将不同的用户分组，不同组内用户的信道之间相关性满足

其中用户k、i分别属于不同的用户组，α是一个依据正交性要求确定的常数，然后从每个组内选择信道质量最好的用户组成用户集U，接着在U中按照时延差选择实际进行传输的用户，所选择用户的时延差构成的区间为

要求

将进一步选择的用户集合记为U_l，对选中用户的发送数据采用迫零预编码，其中每个用户的预编码向量与其它用户的信道相正交，即 ${\tilde{h}}_{{\mathrm{ic}}_l}{w}_{\mathrm{kl}}=0,$ $\∀i\≠k,i\∈U_l;$

步骤四，基站端依据用户反馈的不同基站的平均传输时延差，对所选用户的预编码后的数据进行时延补偿后发送。

2.根据权利要求1所述的定时对齐方法，其特征在于：所述步骤二中用户k截取OFDM符号，然后经过FFT变换，利用导频信息通过最小二乘算法及最小均方误差算法估计得到信道状态h_kn。

3.根据权利要求1或2所述的定时对齐方法，其特征在于：所述逐子带反馈，即将子带内所有子载波的平均信道状态信息进行反馈，具体包括平均信道方向信息和平均信道质量信息，平均信道方向为

平均信道质量

其中

B表示子带l内的子载波数目，为降低接收端计算量，采用近似：

c_l＝lB+(B-1)/2，

表示子带中心子载波处的信道状态。

4.根据权利要求1所述的定时对齐方法，其特征在于：为降低接收端计算量，采用子带中心子载波处的信道矢量近似子带内平均信道矢量时，发送端做时延补偿时应保证子带中心的信道矢量不变。

5.根据权利要求1所述的定时对齐方法，其特征在于：所述步骤四中时延补偿是通过采用频域相位旋转实现的。

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