CN103414505A - 一种具有模式切换的lte家庭基站用户配对方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有模式切换的LTE家庭基站用户配对方法，按调度周期进行用户配对，每个调度周期采用轮询方法选取一个未配对的家庭基站用户HUE作为配对用户组的第一个用户；根据跨层干扰大小选择层内与HUE配对或跨层与宏基站用户MUE配对，在保证误比特率的前提下进行最大化配对；配对完成，家庭基站通知所有参与配对用户在下个调度周期发送数据。本发明采用信干比阈值判定的方式自适应选择与HUE的层内配对或与MUE的跨层配对，平均误比特率的未超过误比特率增长控制系数时继续增加配对用户，进一步提高了有限频带的信道利用率，在保证误码率的前提下，利用家庭基站缓解宏基站工作压力。

Description

一种具有模式切换的LTE家庭基站用户配对方法

技术领域

本发明涉及到无线通信接收技术领域，具体涉及一种具有模式切换的LTE家庭基站用户配对方法。

背景技术

据调查，超过50%的语音业务和超过70%的数据业务发生在室内环境中，包括家里、办公室、咖啡厅、购物广场等。但是，由于墙壁的穿透损耗，宏基站网络难以很好地满足室内通信的需求。为解决这一问题，利用家庭基站（femtocell）辅助宏基站通信的技术应运而生了。家庭基站又称毫微微小区，在LTE***中称为Home eNode B，简称HeNB。家庭基站是一种小型低功率基站，覆盖范围为10-50m，主要用于解决室内覆盖问题，具有接入简单、低功耗、低成本等特点。家庭基站通过数字用户线路（DSL）或光纤等宽带方式接入到电信运营商的网络。

家庭基站支持的用户数量为4至8个。上行链路的传输中采用虚拟多输入多输出（Virtual MIMO，Virtual Multiple Input Multiple Output）技术。即将多个不同用户的单天线组合在一起，同一时间发射信号，与家庭基站的多根接收天线构成虚拟MIMO，在接收端看来发射端就相当于单个用户配置有多天线一样，故称为虚拟MIMO。既然虚拟MIMO是让不同用户同时发射信号，那么不同的用户配对方式便会产生的不同的***性能。另外，由于目前业界广泛关注的频率资源分配方案是部分共信道配置，即宏基站（MeNB）和家庭基站共用部分频带，共信道干扰成为一个亟待解决的问题。当HeNB与MeNB工作在相同的频带上时，宏基站用户（MUE）对HeNB会造成干扰。HeNB接收机除了接收到家庭基站用户（HUE）的有用信号之外，还会接收到来自MUE的干扰信号，称为跨层干扰。当MUE的发射功率较小以至于对HeNB的干扰可以忽略不计时，主要考虑femtocell中各HUE相互间的共道干扰，在HUE之间进行用户配对，这里简称层内配对；当MUE功率较大而对HeNB产生较强干扰，此时须考虑来自MUE的跨层干扰问题而在HUE和MUE间进行用户配对，简称跨层配对。因此，研究家庭基站中用户的配对问题很有必要。一个优良的、干扰自适应的HeNB用户配对方法，将使***的误码率（BER）性能得到很大的改善。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于克服现有技术的不足提供一种具有模式切换的LTE家庭基站用户配对方法。

技术方案：本发明所述的具有模式切换的LTE家庭基站用户配对方法，按调度周期进行用户配对，每个调度周期执行如下步骤：

（1）采用轮询方法选取一个未配对的家庭基站用户HUE作为配对用户组的第一个用户；

（2）根据跨层干扰大小选择层内与HUE配对或跨层与宏基站用户MUE配对；

（3）比较已加入配对用户组的用户数N_q与接收天线数N_R的大小，若N_q＜N_R，执行步骤（4）；否则执行步骤（5）；

（4）比较配对用户平均误比特率的增长率η(i)与误比特率增长控制系数η_c的大小，若η(i)≤η_c，令i＝i+1并通过跨层配对继续下一轮配对；否则执行步骤（5）；

（5）配对完成，家庭基站通知所有参与配对用户在下个调度周期发送数据。

步骤（1）中配对用户组的第一个用户配对指示向量Q(1)的对应元素

其中n₁表示被选取的HUE在所有N₀个HUE用户中的序号；

SA-BPS算法寻找配对天线组的方法如下：

其中，Q是N×1的配对指示向量，N为家庭基站内包括HUE和MUE在内所有用户数量；是所有可能的指示向量的集合；表示整个配对过程中用户平均误比特率的变化，q_n为第n个用户配对指示向量Q(n)的对应元素。

配对指示向量Q的第n个元素q_n满足：若第n个用户的天线被选作配对，则q_n=1，否则，q_n=0；还需满足条件：

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{q}_n\≤N_R,q_n\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\}$

N_R是家庭基站接收天线的数量。

表示整个配对过程中用户平均误比特率的变化，它满足下式：

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{\mathrm{BER}}=\underset{i=2}{\overset{N_T}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{\mathrm{BER}\left(i\right)}$

其中，N_T表示配对完成时参与配对的天线数量。

表示第i轮寻找配对天线结束后，已配对天线平均误比特率的变化，η(i)表示已配对天线平均误比特率的变化率，它们可以表示为：

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{\mathrm{BER}\left(i\right)}=\stackrel{\‾}{\mathrm{BER}\left(i\right)}-\stackrel{\‾}{\mathrm{BER}(i-1)}$

$\mathrm{\η}\left(i\right)=\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{\mathrm{BER}\left(i\right)}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{BER}(i-1)}}$

其中，

表示第i轮寻找配对天线完成后，已配对天线的平均误比特率，可以表示为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{BER}\left(i\right)}=\frac{1}{i}\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{BER}}_{n_J}\left(i\right)$

其中，

表示第i轮寻找配对天线后，已配对的i个用户中，第j个用户的误比特率。它满足下面的公式：

${\mathrm{BER}}_{n_j}\left(i\right)=\frac{N_{\min }}{{\log }_2{M}_0}Q\left(\sqrt{\mathrm{\ξ}\·{\mathrm{SINR}}_{n_j}\·G_c}\right)$

其中N_min指调制图中每个星座点的相邻星座点数量的平均值。M₀表示调制图中星座点的个数。系数ξ=3/(R(M₀-1))，其中R表示码率。G_c为信道编码增益。为无偏信干噪比，表示为：

${\mathrm{SINR}}_{n_j}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{a_{n_j}}^2}{{\mathrm{\σ}}_{e_{n_j}}^2}-1$

其中，是信号的方差。是误差的方差，满足下面的公式：

${\mathrm{\σ}}_{e_{n_j}}^2=\frac{1}{M}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Σ}}_{n_j{n}_j}^2\left[m\right]$

其中，1≤j≤i，中间变量

满足如下公式：

$\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\Σ}}_{n_1{n}_1}^2\left[m\right]& {\mathrm{\Σ}}_{n_1{n}_2}^2\left[m\right]& ...& {\mathrm{\Σ}}_{n_1{n}_i}^2\left[m\right]\\ {\mathrm{\Σ}}_{n_2{n}_1}^2\left[m\right]& {\mathrm{\Σ}}_{n_2{n}_2}^2\left[m\right]& ...& {\mathrm{\Σ}}_{n_2{n}_i}^2\left[m\right]\\ ...& ...& ...& ...\\ {\mathrm{\Σ}}_{n_i{n}_1}^2\left[m\right]& {\mathrm{\Σ}}_{n_i{n}_2}^2\left[m\right]& ...& {\mathrm{\Σ}}_{n_i{n}_i}^2\left[m\right]\end{array}\right]={\mathrm{\σ}}_n^2{\left(H^H\right[m\left]H\right[m]+\frac{{\mathrm{\σ}}_n^2}{{\mathrm{\σ}}_{a_{n_j}}^2})}^{-1}$

其中0≤m≤M–1，M为子载波数量。H[m]为第i轮配对中，参与配对的用户在子载波m上的频域信道矩阵，是噪声方差。

步骤（2）选取配对方式如下：

当实际信干比高于临界信干比时家庭基站选择层内配对模式，即家庭基站在未配对的HUE中选取一个用户加入配对用户组，使平均误比特率

的增长最小化；选取用户后，令配对指示向量Q(i)中的元素

其中n_i表示第i轮配对所选的HUE的序号；

当实际信干比低于临界信干比时家庭基站选择跨层配对模式，即家庭基站在未配对的MUE中选取一个用户加入配对用户组，使平均误比特率

的增长最小化；选取用户后，令配对指示向量Q(i)中的元素

其中n_i表示第i轮配对所选的MUE的序号。

步骤（3）中N_q需满足：

$N_q=\underset{n=1}{\overset{N_0}{\mathrm{\Σ}}}{q}_n=\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{n_j}.$

N_q为已加入配对用户组的用户数，N₀表示HeNB中所有HUE用户的数量，q_n为第n个用户配对指示向量Q(n)的对应元素。

有益效果：1、本发明采用信干比阈值判定的方式自适应选择与HUE的层内配对或与MUE的跨层配对，平均误比特率的未超过误比特率增长控制系数时继续增加配对用户，进一步提高了有限频带的信道利用率，在保证误码率的前提下，利用家庭基站缓解宏基站工作压力。2、采用轮询配对方式配对保证用户不会被遗漏。3、根据指向向量Q与配对过程中用户平均误比特率的变化相关算法，通过指向向量Q决定是否与下一用户进行配对，直接的反应平均误比特率的变化与配对用户的关系，平均误比特率可控制在阈值内。4、一组配对用户应不超过用户组中的全部接收天线，以防止外界的杂波频率干扰。5、通过实际信干比与临界信干比关系选择层内配对跨层配对更加直观，流程上更简洁。6、已加入配对用户组的用户数与指向向量为1的用户集合相同，进一步校准配对，确保不会被其他外界杂波频率干扰。

附图说明

图1为具有模式切换的LTE家庭基站用户配对算法流程图；

图2为干扰功率服从[P_M–5，P_M+5]均匀分布场景下的模式切换性能；

图3为干扰功率服从[P_M–10，P_M+10]均匀分布场景下的模式切换性能；

图4为干扰功率服从[P_M–20，P_M+20]均匀分布场景下的模式切换性能。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1

本发明所述具有模式切换的LTE家庭基站用户配对方法，按调度周期进行用户配对。实施例的仿真场景中，HeNB和MeNB之间采用了CoMP技术相互交换信道信息和调度决策信息。假设HUE和MUE的数量均为8个。仿真场景设置为femtocell的低信道相关性场景。其它仿真参数见表1。

表1 仿真参数

参数	设置
		HUE数量	8
MUE数量	8
		HUE的发射天线数	1
HeNB的接收天线数	2
		***带宽	20MHz
子载波间隔	15kHz
		采样频率	30.72MHz
载波频率	2GHz
		总子载波数	2048

用户子载波数	1200
		信道模型	基于3GPP EPA的femtocell信道
层内配对的调制方式	QPSK
		跨层配对的调制方式	16QAM
编码方式	Turbo 1/3
		信道估计	理想
噪声功率	-14dB
		误比特率增长控制系数	0.1

在不同跨层干扰功率条件下分别取一个调度周期的数据进行比较，每个调度周期执行如下步骤：

（1）采用轮询方法选取一个未配对的家庭基站用户HUE作为配对用户组的第一个用户；

（2）根据跨层干扰大小选择层内与HUE配对或跨层与宏基站用户MUE配对；

（3）比较已加入配对用户组的用户数N_q与接收天线数N_R的大小，若N_q＜N_R，执行步骤（4）；否则执行步骤（5）；

（4）比较配对用户平均误比特率的增长率η(i)与误比特率增长控制系数η_c的大小，若η(i)≤η_c，令i＝i+1并通过跨层配对继续下一轮配对；否则执行步骤（5）；

（5）配对完成，家庭基站通知所有参与配对用户在下个调度周期发送数据。

图2、图3和图4是不同跨层干扰功率分布下的配对算法模式切换的仿真性能图。图2、图3和图4中各MUE的跨层干扰功率都满足均匀分布且均值同为P_M=0dB，但方差不同，三种仿真场景中跨层干扰功率的分布区间分别为[P_M–5，P_M+5]、[P_M–10，P_M+10]和[P_M–20，P_M+20]，单位为dB，其功率参考值为HUE的平均发射功率。在三张仿真图中得到了不同的临界信干比分别为12dB、17.5dB和23.8dB。即当实际信干比大于临界信干比时HeNB选择层内配对模式，当实际信干比小于临界信干比时HeNB切换成跨层配对模式。以这种方式进行配对模式切换，可以使***在保证误比特率性能的前提下获得较高的配对效率。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (5)

1.一种具有模式切换的LTE家庭基站用户配对方法，其特征在于：按调度周期进行用户配对，每个调度周期执行如下步骤：

（1）采用轮询方法选取一个未配对的家庭基站用户HUE作为配对用户组的第一个用户；

（2）根据跨层干扰大小选择层内与HUE配对或跨层与宏基站用户MUE配对；

（3）比较已加入配对用户组的用户数N_q与接收天线数N_R的大小，若N_q＜N_R，执行步骤（4）；否则执行步骤（5）；

（4）比较配对用户平均误比特率的增长率η(i)与误比特率增长控制系数η_c的大小，若η(i)≤η_c，令i＝i+1并通过跨层配对继续下一轮配对；否则执行步骤（5）；

（5）配对完成，家庭基站通知所有参与配对用户在下个调度周期发送数据。

2.根据权利要求1所述具有模式切换的LTE家庭基站用户配对方法，其特征在于：步骤（1）中配对用户组的第一个用户配对指示向量Q(1)的对应元素其中n₁表示被选取的HUE在所有N₀个HUE用户中的序号；

SA-BPS算法寻找配对天线组的方法如下：

其中，Q是N×1的配对指示向量，N为家庭基站内包括HUE和MUE在内所有用户数量；

是所有可能的指示向量的集合；

表示整个配对过程中用户平均误比特率的变化，q_n为第n个用户配对指示向量Q(n)的对应元素。

3.根据权利要求2所述具有模式切换的LTE家庭基站用户配对方法，其特征在于：所述配对指示向量Q的第n个元素

满足：若第n个用户的天线被选作配对，则否则，

还需满足条件：

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{q}_n\≤N_R,q_n\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\}$

N_R是家庭基站接收天线的数量。

4.根据权利要求3所述具有模式切换的LTE家庭基站用户配对方法，其特征在于：步骤（2）选取配对方式如下：

当实际信干比高于临界信干比时家庭基站选择层内配对模式，即家庭基站在未配对的HUE中选取一个用户加入配对用户组，使平均误比特率

的增长最小化；选取用户后，令配对指示向量Q(i)中的元素其中n_i表示第i轮配对所选的HUE的序号；

当实际信干比低于临界信干比时家庭基站选择跨层配对模式，即家庭基站在未配对的MUE中选取一个用户加入配对用户组，使平均误比特率

的增长最小化；选取用户后，令配对指示向量Q(i)中的元素

其中n_i表示第i轮配对所选的MUE的序号。

5.根据权利要求4所述具有模式切换的LTE家庭基站用户配对方法，其特征在于：步骤（3）中N_q需满足：

$N_q=\underset{n=1}{\overset{N_0}{\mathrm{\Σ}}}{q}_n=\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{n_j}$

N_q为已加入配对用户组的用户数，N₀表示HeNB中所有HUE用户的数量，q_n为第n个用户配对指示向量Q(n)的对应元素。

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