CN102790634B - 多小区协作通信中的预编码方法、基站和通信*** - Google Patents

多小区协作通信中的预编码方法、基站和通信*** Download PDF

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Abstract

公开了一种多小区协作通信中的预编码方法以及基站和通信***。该方法包括步骤：基站获取其与各个移动终端之间的下行链路的信道状态信息；基站通过反馈信道获得各个移动终端的噪声级别，所述噪声级别包括热噪声和来自非协作小区的干扰；基站计算预定的信漏噪比SLNR代价函数取最大值时的预编码矩阵，其中所述SLNR代价函数是基于所述信道状态信息和所述噪声级别并且考虑到各个移动终端的不同接收条件而建立的；利用计算的预编码矩阵对要发送的数据流和下行解调参考信号进行预编码。上述方案提高了蜂窝***的频谱利用效率，尤其是提高小区边缘用户的吞吐量。通过优化线性预编码矩阵，小区间干扰被有效抑制，而有用信号得到有效保护。

Description

多小区协作通信中的预编码方法、基站和通信***
技术领域
本发明的实施例涉多小区协作通信(Multi-cell CooperatingCommunications)技术，具体涉及一种多小区协作通信中的预编码方法及其基站和通信***。
背景技术
在蜂窝通信***中，如果相邻小区使用相同频带进行数据传输则会彼此间产生同频干扰。在这种情况下，对于小区边缘用户，这种小区间同频干扰将会严重影响通讯质量。
多天线技术(MIMO)可用于抑制小区间干扰。多天线线性预编码的方法复杂度低，便于在实际***中应用。多天线线性预编码的原理是对所发数据流进行加权和相加处理，然后映射到发射天线上进行发送。业界通常将加权系数写成矩阵形式，称为预编码矩阵。预编码矩阵的每一行对应同一数据流映射到不同天线之前的加权系数。预编码矩阵的每一列对应不同数据流映射到同一天线之前的加权系数。通过优化加权系数(即预编码矩阵)，蜂窝通信***的性能指标可以获得提升。在多小区同频传输的情况下，需要预编码矩阵能够有效抑制小区间的信号干扰并保护有用信号的传输。
为了提高蜂窝***的性能指标，已经提出了基于SLNR(信漏噪比)最大化的预编码方案。基于SLNR最大化的预编码方案是将SLNR函数作为预编码矩阵的代价函数。求解预编码矩阵的过程就是求解在使得SLNR最大情况下的预编码矩阵。例如，在MIMO情况中，现有的SLNR代价函数定义如下：
上式右侧的分数中的分子部分表示用户k的接收的信号的有效部分的功率，分母部分表示泄漏到其它用户的信号的功率和总的噪声噪声功率，并且：
Hk，k表示用户k和其服务小区之间的MIMO信道；
Hi，k表示用户k和其协作小区之间的MIMO信道；
Pk表示用户k的预编码矩阵；
Trace[.]表示矩阵的迹(方阵的对角线元素之和)；
上标“H”表示共轭转置运算；
NRXN0表示总的噪声功率；
K表示用户的总数目。
但是，在现有的方案中，都是假设各个接收方具有相同的噪声功率水平。但是，这并没有准确地反映实际的情况，因为各个接收方的噪声功率水平会随着信道条件或者路径衰减而变化。
发明内容
本发明的目的是提供一种多小区协作通信中的预编码方法，基站和通信***。
在本发明的一个方面，提供了一种多小区协作通信中的预编码方法，包括步骤：基站获取其与各个移动终端之间的下行链路的信道状态信息；基站通过反馈信道获得各个移动终端的噪声级别，所述噪声级别包括热噪声和来自非协作小区的干扰；基站计算预定的信漏噪比SLNR代价函数取最大值时的预编码矩阵，其中所述SLNR代价函数是基于所述信道状态信息和所述噪声级别并且考虑到各个移动终端的不同接收条件而建立的；利用计算的预编码矩阵对要发送的数据流和下行解调参考信号进行预编码。
本发明的另一方面是一种多小区协作通信中的基站，包括：预编码矩阵计算单元，获取其与各个移动终端之间的下行链路的信道状态信息，通过反馈信道获得各个移动终端的噪声级别，所述噪声级别包括热噪声和来自非协作小区的干扰，并计算预定的信漏噪比SLNR代价函数取最大值时的预编码矩阵，其中所述SLNR代价函数是基于所述信道状态信息和所述噪声级别并且考虑到各个移动终端的不同接收条件而建立的；预编码单元，利用计算的预编码矩阵对要发送的数据流和下行解调参考信号进行预编码。
本发明的实施例通过有限的信令交互来实现干扰小区间的协作通信从而提高蜂窝***的频谱利用效率，尤其是提高小区边缘用户的吞吐量。通过优化线性预编码矩阵，小区间干扰被有效抑制，而有用信号得到有效保护。
附图说明
从下面结合附图的详细描述中，本发明的上述特征和优点将更明显，其中：
图1是描述预编码处理过程的示意图；
图2示出了根据本发明实施例的基站的结构框图；
图3示出了根据本发明实施例的移动终端的结构框图；
图4示出了根据本发明实施例的预编码方法的流程图。
具体实施方式
下面，参考附图详细说明本发明的优选实施方式。在附图中，虽然示于不同的附图中，但相同的附图标记用于表示相同的或相似的组件。为了清楚和简明，包含在这里的已知的功能和结构的详细描述将被省略，避免使本发明的主题不清楚。
本发明实施例涉及的蜂窝通信***包括多个相互干扰的基站，每个基站服务一个或多个用户，每个基站可接收到***中任何一个用户的信号。为抑制小区间干扰，基站发送数据时对数据进行线性预编码并对预编码矩阵进行优化设计。预编码过程如图1所示，对所发数据流进行加权和相加处理，然后映射到发射天线上进行发送。通常将加权系数写成矩阵形式，称为预编码矩阵。预编码矩阵的每一行对应同一数据流映射到不同天线之前的加权系数。预编码矩阵的每一列对应不同数据流映射到同一天线之前的加权系数为实现预编码。
图2示出了根据本发明一实施例的基站的结构框图。图3示出了根据本发明实施例的移动终端的结构框图。
如图2所示，根据本发明实施例的基站20包括信道估计单元21、预编码矩阵计算单元22、线性预编码单元23和24，以及合并单元25。
信道估计单元21根据从各个移动终端接收的上行探测导频来估计上行链路的信道矩阵，并且在TDD***的情况下利用信道的互易性，将该上行链路的信道矩阵作为下行链路的信道矩阵，输入导预编码矩阵计算单元22。另外，预编码矩阵计算单元22还从移动终端接收其反馈的噪声级别。这里的噪声级别包括热噪声和来自非协作小区的干扰。预编码矩阵计算单元22基于各个移动终端的下行信道矩阵和从各个移动终端反馈的噪声级别来计算在SLNR最大情况下的预编码矩阵。
根据本发明的实施例，预编码矩阵计算单元22考虑到各个移动终端的接收机的不同噪声功率来计算预编码矩阵。例如，按照下式(2)来计算SLNR最大化情况下各个移动终端的预编码矩阵：
其中信漏噪比SLNRk定义如下：
上式中K为干扰小区个数，即用户个数(每个小区服务一个用户)；为基站k到用户i的信道矩阵；Pk为用户k的预编码矩阵；NRX为用户接收天线数；Ri为噪声和干扰修正矩阵，由从终端反馈的噪声级别构成，用于修正信道Trace(·)函数用于计算矩阵的迹。最优的预编码矩阵可由如下奇异值分解方法获取：
上式中ζmaxS(Qk)代表计算矩阵Qk奇异值分解后对应于最大的S个奇异值的右奇异向量所组成的矩阵。上式中矩阵Qk的定义如下：
上式中I为单位矩阵。同样，上式中K为干扰小区个数，即用户个数(每个小区服务一个用户)；为基站k到用户i的信道矩阵；Pk为用户k的预编码矩阵；NRX为用户接收天线数；Ri为噪声和干扰修正矩阵，由从终端反馈的噪声级别构成，用于修正信道Trace(·)函数用于计算矩阵的迹。
根据本发明的另一实施例，公式(2)中的信漏噪比SLNR也可定义如下：
其中上式中K为干扰小区个数，即用户个数(每个小区服务一个用户)；为基站k到用户i的信道矩阵；Pk为用户k的预编码矩阵；NRX为用户接收天线数；Trace(·)函数用于计算矩阵的迹；标量γi为噪声和干扰修正系数，基于从终端反馈的噪声级别而得到，用于修正信道例如，在移动终端和基站两侧都维护了关于噪声级别的表和相应的索引，这样仅仅需要移动终端反馈相应的噪声级别所对应的索引即可。这种反馈方法能够节省带宽。最优的预编码矩阵可由如下奇异值分解方法获取：
上式中矩阵Qk的定义如下：
其中上式中K为干扰小区个数，即用户个数(每个小区服务一个用户)；为基站k到用户i的信道矩阵；Pk为用户k的预编码矩阵；NRX为用户接收天线数；Trace(·)函数用于计算矩阵的迹；标量γi为噪声和干扰修正系数，基于从终端反馈的噪声级别而得到，用于修正信道
计算得到各个用户的预编码矩阵后，线性预编码单元23利用预编码矩阵对下行数据流预编码，即加权求和。线性预编码单元24利用预编码矩阵对下行解调参考信号进行预编码，即加权求和。然后，合并单元25将预编码后的下行数据与下行解调参考信号合并，通过天线发送出去。
根据本发明的实施例，由于考虑到各个移动终端的接收机的不同的接收条件来计算SLNR最大化情况下的预编码矩阵，所以能够提高蜂窝***的频谱利用效率，尤其是提高小区边缘用户的吞吐量。通过优化线性预编码矩阵，小区间干扰被有效抑制。
如图3所示，在移动终端30一侧，如上所述，干扰和噪声测量单元31对下行信道信息参考信道进行干扰和噪声值的测量，并且将其输入到噪声级别映射单元32。噪声级别映射单元32将测量的干扰和噪声值映射到相应的噪声级别，反馈给基站20。
另一方面，在移动终端30收到下行解调参考信号和下行数据后，由分解单元33分解除下行解调参考信号和下行数据，然后信道估计单元34基于下行解调参考信号进行信道估计，得到下行信道矩阵。另一方面，MIMO信号检测单元35对下行数据进行MIMO检测输出数据流。
根据本发明的另一实施例，在FDD***中，移动终端30的信道估计单元34估计得到下行链路的信道矩阵后，通过反馈信道将下行链路的信道矩阵发送给基站20中的预编码矩阵计算单元，进行SLNR最大化情况下的预编码矩阵的计算。
图4示出了根据本发明实施例的预编码方法的流程图。如图4所示，基站1(BS1)和基站2(BS2)为协作基站。基站1负责向终端1(UE1)发送数据，基站2负责向终端2(UE2)发送数据。下面结合附图4来描述根据本发明实施例的预编码方法。
在步骤S11，终端1发送上行探测信号给基站1和基站2，基站1和基站2分别接收上行探测信号并分别作信道估计以获取终端1的上行信道。在TDD***的情况下，基站1和基站2分别利用TDD***上下行信道互易性获取终端1的下行信道。
在步骤S12，终端2发送上行探测信号给基站1和基站2，基站1和基站2分别接收上行探测信号并分别作信道估计以获取终端2的上行信道。在TDD***的情况下，基站1和基站2分别利用TDD***上下行信道互易性获取终端2的下行信道。
在步骤S13，终端1和终端2分别测量各自接收到的非协作小区干扰和噪声信号强度。终端1发送反馈信号将非协作小区干扰和噪声信号强度发送给基站1和基站2。基站1和基站2分别接收终端1的反馈信息，获取终端1的非协作小区干扰和噪声信号强度信息，例如噪声级别。
在步骤S14，终端2发送反馈信号将非协作小区干扰和噪声信号强度发送给基站1和基站2。基站1和基站2分别接收终端2的反馈信息，获取终端2的非协作小区干扰和噪声信号强度信息。基站1利用终端1和终端2的上行信道信息和非协作小区干扰和噪声信号强度信息，通过信漏噪比准则计算预编码矩阵。
基站2利用终端1和终端2的上行信道信息和非协作小区干扰和噪声信号强度信息，通过信漏噪比准则计算预编码矩阵。基站1和基站2用各自计算的预编码矩阵对各自的下行数据和下行参考信号进行预编码并发送给终端1和终端2。
在步骤S15和S16，终端1和终端2各自利用下行参考信号估计等效信道。终端1和终端2各自利用等效信道信息检测下行数据。
根据本发明的实施例，根据如公式(3)，(4)，(5)或(6)，(7)，(8)给出的最大化信漏噪比准则来获取预编码矩阵。
根据本发明的实施例，上述方法包括各终端进行干扰和噪声强度测量。例如，具体测量方式可以为：在一段时间内，协作基站在相应的时频资源上停止发送信号，终端在相应的时频资源上检测所收信号总强度，然后将接收信号总强度映射为相应的噪声级别。或者，协作基站发送参考信号，终端根据参考信号估计协作基站信号强度，终端检测所收信号总强度，终端将协作基站信号强度从总接收信号强度中减除以获取非协作小区干扰和噪声信号强度，然后将非协作小区干扰和噪声信号强度映射为相应的噪声级别。
上面的描述仅用于实现本发明的实施方式，本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的任何修改或局部替换，均应该属于本发明的权利要求来限定的范围，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种多小区协作通信中的预编码方法，包括步骤：
基站获取其与各个移动终端之间的下行链路的信道状态信息；
基站通过反馈信道获得由各个移动终端分别确定的各自的噪声级别，所述噪声级别包括热噪声和来自非协作小区的干扰；
基站计算预定的信漏噪比SLNR代价函数取最大值时的预编码矩阵，其中所述SLNR代价函数是基于所述信道状态信息和所述噪声级别并且考虑到各个移动终端的不同接收条件而建立的；以及
利用计算的预编码矩阵对要发送的数据流和下行解调参考信号进行预编码,
其中，各个移动终端的噪声级别是由相应移动终端通过以下方式之一确定的：
在协作基站在相应的时频资源上停止发送信号的情况下，在相应的时频资源上检测所接收的信号的总强度，以及将所述信号的总强度映射为相应的噪声级别，或者
接收协作基站发送的参考信号，根据参考信号估计协作基站信号强度，检测所接收的信号的总强度，将协作基站的信号强度从所述总强度中去除以得到非协作小区的干扰和噪声信号强度，以及将非协作小区的干扰和噪声信号强度映射为相应的噪声级别。
2.如权利要求1所述的预编码方法，其中，在TDD***中，基站利用信道的互易性将上行链路的信道状态信息作为下行链路的信道状态信息。
3.如权利要求1所述的预编码方法，其中，在FDD***中，基站通过反馈信道从各个移动终端获得下行链路的信道状态信息。
4.一种多小区协作通信中的基站，包括：
预编码矩阵计算单元，获取其与各个移动终端之间的下行链路的信道状态信息，通过反馈信道获得由各个移动终端分别确定的各自的噪声级别，所述噪声级别包括热噪声和来自非协作小区的干扰，并计算预定的信漏噪比SLNR代价函数取最大值时的预编码矩阵，其中所述SLNR代价函数是基于所述信道状态信息和所述噪声级别并且考虑到各个移动终端的不同接收条件而建立的；以及
预编码单元，利用计算的预编码矩阵对要发送的数据流和下行解调参考信号进行预编码，
其中，各个移动终端的噪声级别是由相应移动终端通过以下方式之一确定的：
在协作基站在相应的时频资源上停止发送信号的情况下，在相应的时频资源上检测所接收的信号的总强度，以及将所述信号的总强度映射为相应的噪声级别，或者
接收协作基站发送的参考信号，根据参考信号估计协作基站信号强度，检测所接收的信号的总强度，将协作基站的信号强度从所述总强度中去除以得到非协作小区的干扰和噪声信号强度，以及将非协作小区的干扰和噪声信号强度映射为相应的噪声级别。
5.如权利要求4所述的基站，还包括信道估计单元，在TDD***中，基于上行探测导频计算上行链路的信道状态信息，并且利用信道的互易性将上行链路的信道状态信息作为下行链路的信道状态信息。
6.如权利要求4所述的基站，其中，所述预编码矩阵计算单元，在FDD***中，通过反馈信道从各个移动终端获得下行链路的信道状态信息。
7.一种通信***，包括如权利要求4所述的基站。
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