CN103298132B - 基于多点协作的发送点选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信技术领域。本发明公开了一种基于多点协作的发送点选择方法，所述方法包括：预先对发送点进行分组，其中每一个分组表示一个可能的协作多点组合；发送点选择一个分组；发送点报告分组的标号；发送点分组表更新，根据网络运行情况更新预分组阶段建立的发送点分组表。该方法分组的数目少于发送点组合的数目，可以减少发送点选择过程的复杂度；分组标号的长度小于协作发送点集内各发送点标号长度之和，可以减少报告信息的比特长度；与传统发送点选择方法相比，该方法具有较低的复杂度且需要较少的反馈量。

Description

基于多点协作的发送点选择方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别是涉及一种多点协作通信中的发送点选择和报告的方法。

背景技术

协作多点传输技术是指分布式天线***中多个天线以一种协作的方式传输信号。协作多点传输技术已被证明是具有非常高频谱效率的传输方式，近年来已引起广泛的关注。在3GPPLTE-Advanced的技术规范中已引入下行多点协作传输技术，通过多个分布式传输点的协作来提升总的信道容量和小区边缘用户的数据速率，这些传输点可以是基站或者是拉远的射频端（RRHs）。多小区***的下行协作多点传输主要包括两种模式：一种是协作调度/协作波束赋形(CS/CB)，另一种是联合传输（JT）。

如果所有的传输数据和信道状态信息（CSI）在各协作小区中能够被共享，那么可以采用相干传输的方式，否则采用非相干的传输。相干协作多点传输的***能够作为一个大型的多输入多输出（MIMO）***来处理，但是和一般MIMO相比，它有一些不同的特性，其中和单小区MIMO***相比，最主要的区别是信道的不对称以及协作传输点的动态分簇。信道不对称是指从不同传输点到达用户终端（MS）的平均信道增益的是不同的，并且差异可能会非常大。动态分簇是指用于协作传输的传输点集合随时间发生变化。

多小区***中的小区间多点协作能够降低相互干扰，增加接收信号的信噪比，提高频谱效率和小区边缘用户的服务质量。从理论上来说，更多的协作点能够带来更好的性能，但是实际上因为信道估计参考信号的开支，信道信息估计误差，反馈的负担，以及反馈延时都会随着协作集合的增大而增加，一个较大的协作传输点集合不一定产生更好的效果。对多小区***中协作基站的最佳数量问题，相关研究结果表明如果信道从一个移动台站到其最近以及第二近的基站之间的路径损耗差异是10dB，那么协作基站的最佳数量是3个。一般情况下，协作基站的数量不超过4个。

如果基站侧能够获得所有前向链路的信道状态信息，那么协作发送点的选择可以通过网络侧的中央处理器（CPU）来完成，然后在CPU中进行分簇的联合传输或者协作调度/协作波束赋形的处理。在时分双工（TDD）工作模式下，基站到移动台的下行链路的信道状态信息可以根据上、下行信道的互易性在基站测通过上行信道估计。但在频分双工（FDD）模式中，下行链路和上行链路信道状态不一致，基站侧的下行链路信道信息须通过移动台的反馈获得。在一个含有大量发送点的多小区***中，反馈所有发送点的信道状态信息对移动台来说是沉重的负担。因此由移动台进行发送点选择并且将选择结果报告给基站或许是更好的解决方案。

在一个有M个发送点的多小区***中，如果服务一个用户的协作集包含m个发送点(m≤M)，用户终端配置单天线，那么该用户接收到的信号可表示为：

$y=h_c^T{x}_c+h_{\tilde{c}}^T{x}_{\tilde{c}}+n---\left(1\right)$

其中h_c和分别是对应用户终端与协作集内发送点链路和用户与协作集外发送点链路的信道响应向量，(z)^T表示z,的转置，x_c和分别是从协作集内发送点发送的信号向量和从协作集外发送点发送的信号向量，n是加性噪声。

用户终端配置多天线，那么该用户接收到的信号可表示为向量形式：

$y=H_c^T{x}_c+H_{\tilde{c}}^T{x}_{\tilde{c}}+n---\left(2\right)$

其中H_c和分别是对应用户终端与协作集内发送点链路和用户与协作集外发送点链路的信道响应矩阵。在接收端采用一个合并向量r，其中r中元素的数目和接收天线数目相同，每一个数据流可以用等效信道表示为和（1）相同的形式：

$y={r^{T}H}_c^T{x}_c+{r^{T}H}_{\tilde{c}}^T{x}_{\tilde{c}}+n---\left(3\right)$

信号向量x_c是协作集所服务的用户的信息信号编码以后的结果，通常它是信息信号的线性变换

x_c＝Ws(4)

其中W是m×K的预编码矩阵，s是协作集所服务的用户的信息信号，信息层数目或者多用户信息流的数目K不大于协作集的大小m,W中的各列向量相互正交。接收信号s_k,1≤k≤K为

$y=h_c^T{w}_k{s}_k+\underset{i=1,i\≠k}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{h}_c^T{w}_i{s}_i+\underset{j\∉C}{\mathrm{\Σ}}{h}_j{x}_j+n---\left(5\right)$

这里C是多点协作中发送点集合。s_k中的信息和干扰及噪声之比(SINR)为

$\mathrm{SINR}=\frac{{\left|h_c^T{w}_k\right|}^{2}p}{\underset{i=1,i\≠k}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_c^T{w}_i\right|}^{2}p+\underset{j\∉C}{\mathrm{\Σ}}{\left|h_j\right|}^{2}p+N}---\left(6\right)$

这里假设所有的发送点采用相同的功率p传输信号，N是加性噪声功率，变量{s_i}和{s_j}相互独立。

在多小区***中经常采用一种简单的单用户的协作多点传输方案来提高小区边缘用户的通信质量，其中单用户的协作多点传输是指协作集中的发送点都服务一个共同的用户。在该方案中协作集中的发送点以非相干的方式相同的功率发送该用户的信号，这实际上只是分布式天线的发送分集，在实施过程中发送点不需要信道信息。这种单用户协作传输的SINR为：

$\mathrm{SINR}=\frac{\underset{i\∈C}{\mathrm{\Σ}}{\left|h_i\right|}^{2}p}{\underset{j\∉C}{\mathrm{\Σ}}{\left|h_j\right|}^{2}p+N}---\left(7\right)$

如果每个发送点可以获得到达该用户的下行信道信息，那么就可以在单用户协作传输中采用相干发送，即每个发送点用信道方向的共轭对发送信号进行加权，在这种情况下的SINR为

$\mathrm{SINR}=\frac{{\left(\underset{i\∈C}{\mathrm{\Σ}}\right|h_i\left|\right)}^{2}p}{\underset{j\∉C}{\mathrm{\Σ}}{\left|h_j\right|}^{2}p+N}---\left(8\right)$

这种相干发送很难实现，因为发送端很难获得准确的信道方向信息，尤其是在FDD模式下，基站端的下行链路信道信息需要用户的反馈才能获得。在有限反馈情况下，用户通常反馈一个量化的向量或称为码本来表示信道的方向。这种基于码本的单用户协作传输的SINR为

$\mathrm{SINR}=\frac{{\left|h_c^T{w}_k\right|}^{2}p}{\underset{j\∉C}{\mathrm{\Σ}}{\left|h_j\right|}^{2}p+N}---\left(9\right)$

在由分布式天线构成的无线通信***中，如果发送点的数目较大，这些发送点可能是基站天线或拉远射频端的天线，为进行下行的协作多点传输，需要从较大数量的发送点中选择出有限的发送点来构成合适的协作多点集合。发送点的选择可以由基站端或者用户端依据它们所获得的下行信道状态信息来进行。如果信道的上行和下行链路不具有互易性，下行信道信息只能由用户端测量得到，然后用户将信道信息报告给基站，由基站根据获得的信道信息报告进行调度、发送点选择和协作多点传输，或者由用户端直接进行发送点选择然后将选择结果报告给基站。如果发送点选择过程涉及的发送点数目较大，那么用户报告所有的发送点信道信息将非常好困难，由用户报告部分发送点信道信息及相应的发送点标号，或者直接报告发送点选择结果会更好一些。

用户端可以根据信道估计的结果，从所有的测量到的发送点中选择一个或几个发送点作为多点协作的集合，然后向基站报告选择的结果。一种直接的报告传输点选择结果的方式是报告所有被选中的传输点的标号。但对于一个大型的发送点测量集合来说，发送点选择和选举结果的报告都是很重的负担。

发明内容

技术问题：结合以上所提出的问题，本发明提出了一种基于多点协作的发送点选择方法。

技术方案：该方法包括如下步骤，

S101：发送点预分组，***预先对所有的发送点进行分组，为每个分组设立编号，建立分组表，并且使所有的基站和用户终端获得所述分组表或者获得所述分组表中和用户终端自身关系较为密切的一部分；

S102：发送点组选择，用户终端根据估计的各发送点的下行链路信道信息进行发送点的选择,用户针对各分组分别计算相应的信息和干扰及噪声之比SINR，选择最大的SINR对应的分组作为选定的分组；

S103：发送点组报告，用户根据所述SINR，确定分组和码本，用户终端反馈所述分组的标号和码本的标号给基站；

S104：发送点分组表更新，根据网络运行情况更新预分组阶段建立的发送点分组表。

所述S101中，一个分组包括至少一个发送点；一个分组中只有一个发送点表示由该发送点单独和用户终端通信；一个分组中有多个发送点表示一个协作多点集合，所属多个发送点以协作的方式和用户终端进行通信；所有的分组覆盖所有的发送点，一个发送点属于一个分组或同时属于几个分组。

一个分组表示一个协作多点集合，每一个发送点组合都对应一个所述组合成为协作多点集合的概率；在分组时根据分组的数目和各种组合成为协作多点集合的概率来确定分组：按照顺序，把协作多点集合概率大的组合先放入分组表，直到分组表放满为止；在建立分组时，优先将相邻的发送点作为一个协作集分组。

对于分组大小相同的情况，或者进一步对每个组进行组合以适应不同的协作集情况；或者固定分组的大小，将不同的协作集大小以隐含的形式在预编码码本中体现出来，将码本中的一些值设置为零即表明该位置对应的发送点不参与协作。

所述S102中，用户终端对应不同的工作模式，所述工作模式包括：多用户协作多点工作模式、单用户非相干的协作多点工作模式、单用户相干的协作多点工作模式或基于码本的单用户协作多点工作模式。

所述S104中，更新的实现方式是：当用户终端发现它的最佳协作集不在分组表中时，向网络报告该发送点的组合，网络侧在收到一定数量的相同报告后，将所述发送点组合加入分组表中；分组表中的分组如果较长时间没有被用户终端报告，表明所述分组成为协作集的概率较低，则从分组表中将所述分组删除。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：依据下文中仿真与性能评估可知，本发明具有较低的复杂度且需要较少的反馈量；本发明预先对发送点进行分组，其中每一个分组表示一个可能的协作多点组合；发送点选择就是选择一个分组；发送点选择结果的报告就是报告分组的标号。如果分组的数目少于发送点组合的数目，那么就可以减少发送点选择过程的复杂度；如果分组标号的长度小于协作发送点集内各发送点标号长度之和，那么就可以减少报告信息的比特长度。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程图；

图2为本发明一种实施例的多点协作发送点分组的示意图；

图3为本发明另一种实施例多点协作发送点分组实施例2的示意图；

图4为本发明实施例的多小区结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明的实施包括如下步骤：发送点预分组、发送点组选择、发送点组报告以及发送点分组表更新。图1为本发明实施例的方法流程图；具体的实现方式是：

S101：发送点预分组

***预先对所有的发送点进行分组，为每个分组设立编号，建立分组表，并且使所有的基站和用户终端获得该分组表或者获得该分组表中和终端自身关系较为密切的一部分。一个分组可能包括一个或者几个发送点，表示发送的可能形式。一个分组中只有一个发送点表示由该发送点单独和用户终端通信；一个分组中有多个发送点表示一个可能的协作多点集合，这几个发送点以协作的方式和用户终端进行通信。所有的分组覆盖所有的发送点，分组之间允许部分重叠，一个发送点可能同时属于几个分组。

图2给出了一个发送点分组的实施例。其中位于中央的发送点包含于4个不同的分组中，表示该发送点可以和其它发送点构成4种不同的协作多点集合。

如果一个发送点包含在至多k个分组中，那么M个发送点的总的分组数将至多为kM个。实际上，尽管一个发送点属于多个分组，但每个分组同时也包含多个发送点，所以分组数将远小于kM。图3给出了一个发送点分组的实施例。其中每个发送点包含于4个分组，每个分组包含4个发送点，分组数几乎和发送点数目相等。

一个分组是一个发送点的组合形式，但并不是所有的发送点组合都是预设的分组。如果分组包括了所有的发送点组合形式，那么该方法在发送点选择和结果报告上就没有任何优势。一个分组是一个可能的协作多点集合，每一个发送点组合都对应一个该组合成为协作多点集合的概率。在分组时可根据分组的数目和各种组合成为协作多点集合的概率来确定分组：按照顺序，将成为协作多点集合概率大的组合先放入分组表，直到分组表放满为止。

一些研究表明，在协作多点传输模式下，协作的发送点数目不会很大。例如在多小区***中，将协作集的大小最大设置为3或4个基站足够满足需求。

分组可以设置成相同的大小或者不同的大小。一个分组被选中，即表明其中所有的发送点均参与协作发送。可以根据协作集的大小，例如2，3，和/或者4来预设分组，其中协作集的大小可以相同，例如2，3，或者4，也可以是具有不同的发送点数目例如2，3，和4。

考虑到协作集具有局部性的特点，即相邻的发送点成为协作集的概率较高，而两个发送点随着它们之间距离的增大，成为协作发送点的概率迅速减小。在建立分组时，优先将相邻的发送点作为分组。由于协作集局部性的特点，分组的数目和总的发送点数目成线性的关系，不管是单一大小的分组情况还是大小不同的分组情况。

对于分组大小相同的情况，可以进一步对每个组进行组合以适应不同的协作集情况，每一个组合称为一个子组。假设组的大小为m个发送点，那么该组最多有 $S={\mathrm{\Σ}}_{k=1}^m{C}_k^m$ 个子组。

或者，对于分组大小相同的情况，也可以固定分组的大小，将不同的协作集大小以隐含的形式在预编码码本中体现出来，即将码本中的一些值设置为零即表明该位置对应的发送点不参与协作。

S102：发送点组选择

用户终端根据估计的各发送点的下行链路信道信息进行发送点的选择。

用户终端对应不同的工作模式，采用公式（6）、（7）（8）或（9）计算SINR，其中公式（6）对应多用户协作多点工作模式，公式（7）对应单用户非相干的协作多点工作模式，公式（8）对应单用户相干的协作多点工作模式,公式（9）对应基于码本的单用户协作多点工作模式。

针对一个发送点的组合，在多用户协作多点工作模式下，SINR是采用公式（6）计算得到的最佳结果，即搜索所有的码本使SINR的结果最大；

针对一个发送点的组合，在单用户非相干的协作多点工作模式下，SINR是采用公式（7）计算得到的结果；

针对一个发送点的组合，在单用户相干的协作多点工作模式下，SINR是采用公式（8）计算得到的结果；

针对一个发送点的组合，在基于码本的单用户协作多点工作模式下，SINR是采用公式（9）计算得到的最佳结果，即搜索所有的码本使SINR的结果最大。

用户针对各分组分别计算相应的SINR，选择最大的SINR对应的分组作为选定的分组，分组中的发送点即为协作多点的发送点集。

S103：发送点组报告

用户根据所计算的SINR，确定分组和码本。用户终端反馈该分组的标号和码本的标号给基站。基站可根据分组的标号和码本的标号进行发送点选择和预编码。

S104：发送点分组表更新

发送点分组表在预分组阶段建立起来之后，根据网络运行情况进行更新。

当用户终端发现它的最佳协作集不在分组表中时，向网络报告该发送点的组合，网络侧在收到一定数量的相同报告后，将该发送点组合加入分组表中；

分组表中的分组如果较长时间没有被用户终端报告，表明该分组成为协作集的概率较低，则从分组表中将该分组去除。

仿真和性能评估：

对于一个用户终端，最佳的发送点集合是使公式(6)、(7)、(8)或者（9）最大的发送点组合。从公式（7）和（8）的表达式以及公式（6）和（9）的上界可见，对于给定的协作集大小m，为了使接收信号的SINR最大化，协作集中的发送点应当是所有发送点中具有最大信道增益的m个发送点。针对公式（6）和（9），瞬时的最佳发送点集合不一定是具有最大信道增益的m个发送点，SINR还受到瞬时信道方向及预编码矩阵W的影响，但是从统计上来说，最佳发送点集合就是具有最大信道增益的m个发送点。

如果最佳的发送点集合不是一个发送点的分组，那么以分组方式进行的发送点选择就会产生一些性能损失，SINR的损失可表示为以下的用户端位置和时间的函数：

SINR_loss(p,t)＝SINR_o(p,t)-SINR_g(p,t)(10)

其中SINR_o是由最佳的协作点集获得的SINR，SINR_g是由分组的协作点集获得的SINR。在容量上的损失为

$C_{\mathrm{loss}}=E\left\{{\log }_2\left(\frac{1+{\mathrm{SINR}}_o(p,t)}{1+\mathrm{SIN}{R}_g(p,t)}\right)\right\}---\left(11\right)$

这里E{z}表示z的期望，对小区内所有用户的瞬时容量在一段相对较长的时间进行平均可获得小区平均容量，对边界用户的瞬时容量在一段相对较长的时间进行平均可获得边界用户容量。

这一部分通过一些实例来评估该发送点选择和报告的方法，并和其它的方案进行比较。评估的性能包括平均容量以及5%的边缘用户容量。

仿真实例采用如图4所示的19小区结构。其中，基站位于小区的中心，相邻基站的距离是500米。用户随机地均匀分布在多小区内。仿真使用城市宏小区的信道模型。大尺度衰减为34.5+35log10(d)dB，其中d是从发射机到接收机的的距离，单位为米。阴影衰落是对数正态分布，均值为零，考虑8dB和4dB两种标准方差情况。小尺度衰落是零均值单位方差的复高斯分布，每个基站的最大发射功率是20dBm，热噪声是-104dBm。每个基站和用户终端均假定配置一根天线。

在发送点分组方案的仿真中，基站被组织成若干个相同大小的分组，每个基站都包含在几个分组中。在仿真中考虑了3种分组大小，分别是2、3和4。对于分组大小为2的情况，每两个相邻的基站构成一个分组，例如位于中心的基站被包括在6个分组中；对于分组大小为3的情况，每3个相邻的基站构成一个分组；对于分组大小为4的情况，任两个基站间距离不大于的4个基站构成一个分组，其中BSD表示相邻小区基站间的距离。在三种分组情况下，针对图3的分组数目分别是42、24和44。

表1、2和3是5种发送点选择方法的对比，其中最佳方案表示根据瞬时信道信息选择的最佳发送点集合，大尺度方案表示仅根据大尺度衰落选择的发送点，中尺度方案表示根据大尺度衰落和阴影衰落选择的发送点，两种分组的方案分别表示根据瞬时信道信息和中尺度信道信息（即大尺度衰落和阴影衰落）从预先的分组中选择出一种发送点。在这些表中，平均容量表示小区平均容量，边界容量表示5%中断用户容量，组数目表示为确定所选择的协作发送点集合的标号数目。

表1、2和3对比了单用户非相干的协作多点工作模式下在协作点集合分别是2、3和4时的5种方案的性能。在表中每一行的结果中包含了阴影衰落的标准差分别为8dB和4dB的两种情况，其中每一行的上部结果是8dB的情形，同一行的下部结果是是4dB的情形。从表中可以看到在标准差为8dB阴影衰落情况下，瞬时分组的方案比最优方案略差，同时中尺度分组的方案比中尺度方案略差，但是标准差为4dB阴影衰落的情况下，性能上的损失几乎可以忽略。同时可以看到分组方案中为确定协作集的标号远少于其它的方案。分组方案的性能要远优于大尺度的方案，而瞬时分组方案的性能在大部分情形下是优于中尺度方案的。

表4对比了在单用户相干的协作多点工作模式下，针对协作多点集合的大小为3个基站时5种方案的性能。这些结果中同样包含了阴影衰落的标准差分别为8dB和4dB的两种情况。

表5对比了基于预设码本情况下，多用户协作多点工作模式和单用户协作多点工作模式下，最佳协作集方案和分组方案的性能。其中协作发送点集的大小为4，采用DFT码本，码本的大小为64。可以看到虽然分组的方法在发送点选择和反馈时节省了大量开销，但是性能的损失并不显著，在8dB阴影衰落时损失少于20%，在4dB阴影衰落时损失少于5%。

表1.单用户非相干协作模式下发送点选择方案对比（2TPs，8dB/4dB阴影衰落)

表2.单用户非相干协作模式下发送点选择方案对比（3TPs，8dB/4dB阴影衰落)

表3.单用户非相干协作模式下发送点选择方案对比（4TPs，8dB/4dB阴影衰落)

表4.单用户相干协作模式下发送点选择方案对比（3发送点8dB/4dB阴影衰落)

表5.基于FFT码本的多用户/单用户协作多点模式下发送点选择方案对比（8dB/4dB阴影衰落)

Claims (5)

1.基于多点协作的发送点选择方法，其特征在于，包括如下步骤，

S101：发送点预分组，***预先对所有的发送点进行分组，为每个分组设立编号，建立分组表，所述分组方式为：一个分组表示一个协作多点集合，每一个发送点组合都对应一个所述组合成为协作多点集合的概率；在分组时根据分组的数目和各种组合成为协作多点集合的概率来确定分组：按照顺序，把协作多点集合概率大的组合先放入分组表，直到分组表放满为止；在建立分组时，优先将相邻的发送点作为一个协作集分组，并且使所有的基站和用户终端获得所述分组表或者获得所述分组表中和用户终端自身关系较为密切的一部分；

S102：发送点组选择，用户终端根据估计的各发送点的下行链路信道信息进行发送点的选择,用户针对各分组分别计算相应的信息和干扰及噪声之比SINR，选择最大的SINR对应的分组作为选定的分组；

S103：发送点组报告，用户根据所述SINR，确定分组和码本，用户终端反馈所述分组的标号和码本的标号给基站；

S104：发送点分组表更新，根据网络运行情况更新预分组阶段建立的发送点分组表。

2.根据权利要求1所述的基于多点协作的发送点选择方法，其特征在于，所述S101中，一个分组包括至少一个发送点；一个分组中只有一个发送点表示由该发送点单独和用户终端通信；一个分组中有多个发送点表示一个协作多点集合，所属多个发送点以协作的方式和用户终端进行通信；所有的分组覆盖所有的发送点，一个发送点属于一个分组或同时属于几个分组。

3.根据权利要求2所述的基于多点协作的发送点选择方法，其特征在于，对于分组大小相同的情况，可以进一步对每个组进行组合以适应不同的协作集情况；也可以固定分组的大小，将不同的协作集大小以隐含的形式在预编码码本中体现出来，将码本中的一些值设置为零即表明这个位置对应的发送点不参与协作。

4.根据权利要求1所述的基于多点协作的发送点选择方法，其特征在于，所述S102中，用户终端对应不同的工作模式，所述工作模式包括：多用户协作多点工作模式、单用户非相干的协作多点工作模式、单用户相干的协作多点工作模式或基于码本的单用户协作多点工作模式。

5.根据权利要求1所述的基于多点协作的发送点选择方法，其特征在于，所述S104中，更新的实现方式是：当用户终端发现它的最佳协作集不在分组表中时，向网络报告该发送点的组合，网络侧在收到一定数量的相同报告后，将所述发送点组合加入分组表中；分组表中的分组如果较长时间没有被用户终端报告，表明所述分组成为协作集的概率较低，则从分组表中将所述分组删除。