CN103747531A - 一种协作分簇传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种协作分簇传输方法，首先根据信道隔离度将用户分为小区中心用户和边缘用户，然后根据每个用户的接收信号功率，将边缘用户进一步分为簇内小区边缘用户和簇边缘用户；分别对这三种不同类型的用户使用非协作、静态簇协作以及动态簇协作方案，来减小来自簇内其他小区基站的干扰和来自簇外其他基站的干扰。本发明通过对不同类型用户采用不同的协作传输模式，以较低的复杂度和回程开销来获得较好的吞吐量增益。

Description

一种协作分簇传输方法

技术领域

本发明属于协作多点传输技术领域，更为具体地讲，涉及一种协作分簇传输方法。

背景技术

CoMP（Coordinated Multiple Points，协作多点传输）技术是3GPP（The 3rdGeneration Partnership Project，第三代合作伙伴计划）制定的LTE-A（LTE-Advanced，LTE的演进）关键技术之一。在LTE-A***中，通过采用正交频分复用（OFDM）技术，可以有效地消除小区内的干扰。但是，小区间干扰一直是一个亟待解决的问题。在实际应用中，频率资源越来越稀缺，对频谱效率的要求也就更高，因此希望***的频率复用因子为1，但是这样小区边缘用户就会受到来自相邻小区的严重的同频干扰。CoMP技术正是基于这样的背景提出的，协作多点传输是指地理位置上分离的多个传输点，协同参与为一个终端用户传输数据，来减小小区间干扰，甚至是将干扰信号变为所期望的有用信号，从而有效地抑制小区间干扰，显著提高边缘用户的吞吐量。参与协作的多个传输点通常指不同小区的基站。

下行CoMP分为协作调度/波束赋形（Coordinated Scheduling/CoordinatedBeamforming，CS/CB）和联合处理（Joint Processing，JP）。在联合处理JP模式中，协作簇内的各个小区共享用户数据和信道信息，多个小区协作起来同时在一个资源块（Resource Block，RB）上向一个或多个用户传输数据，通过在发送端的采用联合预编码技术消除用户间干扰，以获得较高的***性能增益。协作的基站间通过高容量的回传链路（比如光纤）连接，通过回传链路实现信令和信道状态信息在协作基站间的互传和分享。

在一个大型的蜂窝***中，更多的基站协作可以实现更好的性能增益，但是这也会带来巨大的反馈开销，增加***复杂度。为了解决这个问题，在实际中采用分簇的方案，只选择有限的几个节点组成小的协作簇来进行协作。一般地，有两种比较流行的分簇方案：静态分簇方案和动态分簇方案。在静态分簇协作方案中，***内的基站被预先划分为若干个簇，每个簇内的协作基站在一段比较长的时间内都是固定不变的，因而信道状态信息就不用随时更新和交互，这样就使***吞吐量的改善很小。在动态分簇方案中，通过实时地更新和交互信道状态信息，每个用户终端都可以始终选择它的最佳传输基站来组成协作簇进行传输，这样就可以获得一个比较好的性能增益，但是同时也是以更大的开销和复杂度为代价的。因此，对于每一个用户来说，选择合适的协作基站对于获得协作增益是十分重要的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种协作分簇传输方法，采用了静态簇和动态簇相结合的方案，以比较低的复杂度和回程开销来获得较好的吞吐量增益。

为实现上述发明目的，本发明协作分簇传输方法，包括以下步骤：

S1：划分用户类型，包括：

S1.1：将每三个相邻小区划分为一个静态协作簇，计算每个用户k的信道隔离度，计算公式为：

$g_k=\frac{{\left|\right|H_k^b\left|\right|}^2}{{\left|\right|H_k^b\left|\right|}^2+\underset{\underset{i\≠b}{i\∈C_k}}{\mathrm{\Σ}}{\left|\right|H_k^i\left|\right|}^2}$

其中，

为用户k服务小区的基站b到用户k的信道矩阵，C_k为用户k所在的静态协作簇，

为C_k中除基站b以外基站i到用户k的信道矩阵，i的范围为

||·||²表示范数的平方；

当用户k的信道隔离度g_k≥α时，则将该用户划分为小区中心用户；当用户k的信道隔离度g_k＜α时，则将该用户划分为边缘用户；其中α为设定的阈值；

S1.2：对步骤S1.1得到的边缘用户，计算来自基站b的接收信号功率

以及来自静态协作簇C_k中除基站b以外基站i的接收信号功率

当

则将该用户划分为簇内小区边缘用户，当则将该用户划分为簇边缘用户，其中β为设定的阈值；

S2：为不同类型用户确定传输模式：

对于小区中心用户，采用非协作传输；

对于簇内小区边缘用户，采用静态协作簇进行协作传输；

对于簇边缘用户，确定动态协作簇，进行协作传输；

S3：根据步骤S2确定的各用户传输模式，调度用户，各基站为其用户分配资源，传送数据。

其中，步骤S1中接收信号功率

的计算公式为：

接收信号功率的计算公式为：

,i∈C_k,i≠b，其中P_b、P_i分别表示基站b和基站i的发射功率。

其中，步骤S2中确定动态协作簇的方法为：将用户k接收到的来自所有小区的接收信号功率按降序排列；选取接收信号功率最大的2个基站与其服务小区的基站b构成动态协作簇。

其中，步骤S3中调度用户采用基于比例公平的调度方法，包括：

S3.1：资源块数量记为N，初始化资源块序号n＝1；

S3.2：记全网用户集合为U，全网基站集合为S，对于每个用户k，向其发送数据的基站集合记为D_k；

S3.3：计算用户集合U中所有用户在第n个资源块RB_n上的优先级P_k,n,k∈U，计算公式为：

$P_{k,n}=\frac{R_k}{{\stackrel{\_}{T}}_k}$

其中，R_k表示用户k的最大吞吐量，

表示用户k的长期平均吞吐量；

S3.4：选取户集合U中优先级P_k,n值最大的用户如果

令用户集合

再次执行步骤S3.4；如果

，则调度用户

将资源块RB_n分配给用户

令用户集合 $\begin{array}{cc}U=U-\hat{k},& S=S-D_{\hat{k}},\end{array}$ 更新 $\stackrel{\‾}{T_{\hat{k}}}=(1-1/t_c)\stackrel{\‾}{T_{\hat{k}}}+R_{\hat{k}}/t_c,$ 其中t_c为资源调度的间隔时间，如果此时S≠φ，再次执行步骤S3.4，如果S＝φ，进入步骤S3.5；

S3.5：判断是否n＝N，如果是，资源调度结束，如果不是，令n＝n+1，返回步骤S3.2。

本发明协作分簇传输方法，首先根据信道隔离度将用户分为小区中心用户和边缘用户，然后根据每个用户的接收信号功率，将边缘用户进一步分为簇内小区边缘用户和簇边缘用户；分别对这三种不同类型的用户，使用非协作、静态簇协作以及动态簇协作方案，来减小来自簇内其他小区基站的干扰和来自簇外其他基站的干扰。本发明通过对不同类型用户采用不同的协作传输模式，以较低的复杂度和回程开销来获得较好的吞吐量增益。同时配合使用基于比例公平算法的资源调度方法，在保证***公平性的基础上，进一步提高吞吐量增益。

附图说明

图1是典型的下行CoMP联合传输***模型示意图；

图2是本发明中用户类型位置示意图；

图3是本发明协作分簇传输方法的一种具体实施方式流程图；

图4是图3中资源调度的一种具体实施方式示意图；

图5是不同传输方法下的用户平均吞吐量对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

假设整个蜂窝***包含N个基站，每个基站有Nt根发射天线天线，每个用户终端有N_r根接收天线。在下行传输中，B（B<N）个基站协作组成一个簇为所有用户传输服务。因此，每个簇内基站和用户间形成了一个虚拟MIMO矩阵。图1是典型的下行CoMP联合传输***模型示意图。如图1所示，三个基站协作同时为用户服务，信道状态信息和传输的数据通过回程链路在这三个协作基站间共享。

假设用户k处于基站b所在的小区边缘（即该小区为用户k的服务小区），基站b所在的协作簇为C_k。那么用户k所接收到的来自于基站b的信号强度为：

$y_k^b=H_k^b{w}_k^b{x}_k^b+\underset{\underset{i\&NotEqual;b}{i\&Element;C_k}}{\mathrm{\&Sigma;}}{H}_k^i{w}_k^i{x}_k^i+\underset{j\&NotElement;C_k}{\mathrm{\&Sigma;}}{H}_k^j{w}_k^j{x}_k^j+n---\left(1\right)$

其中，

分别为基站b、C_k中除基站b以外的基站i以及C_k之外的基站j发送给用户k的信息，

分别为基站b、C_k中除基站b以外的基站i以及C_k之外的基站j到用户k的信道矩阵，

分别是用户k为了消除各基站的同频干扰而生成的预编码矩阵；n是均值为0，方差为σ的高斯白噪声。

在式（1）中，右边的第一项是来自于服务小区的信号，第二项和第三项分别表示来自于协作簇内其他基站的干扰以及来自于协作簇外基站的干扰。

因此，当不协作的时候，用户k的信干噪比SINR为：

${\mathrm{SINR}}_k^{\mathrm{non}}=\frac{P_b{\left|H_k^b{w}_k^b\right|}^2}{\underset{\underset{i\&NotEqual;b}{i\&Element;C_k}}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_i{\left|H_k^i{w}_k^i\right|}^2+\underset{j\&NotElement;C_k}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_j{\left|H_k^j{w}_k^b\right|}^2+n}---\left(2\right)$

其中，P_b、P_i、P_j分别表示基站b、基站i、基站j的发射功率，|·|表示求绝对值。

当采用CoMP协作之后，协作簇C_k内的小区进行协作，将来自于簇内其他基站的干扰转变为有用信号，因此信干噪比SINR变为：

${\mathrm{SINR}}_k^{\mathrm{CoMP}}=\frac{P_b{\left|H_k^b{w}_k^b\right|}^2+\underset{\underset{i\&NotEqual;b}{i\&Element;C_k}}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_i{\left|H_k^i{w}_k^i\right|}^2}{\underset{j\&NotElement;C_k}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_j{\left|H_k^j{w}_k^b\right|}^2+n}---\left(3\right)$

根据香农理论，用户k的吞吐量为：

$R_k={B\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_k^{\mathrm{CoMP}})---\left(4\right)$

其中B为MIMO***中每个资源块的带宽。

本发明的优化目标就是最大化用户的吞吐量，即：

$\underset{C_k}{\max }{\mathrm{SINR}}_k^{\mathrm{CoMP}}---\left(5\right)$

图2是本发明中用户类型位置示意图。如图2所示，本发明采用一种分类方法，将用户类型分为小区中心用户、簇内小区边缘用户、簇边缘用户三种，对每种采用不同的传输模式，使传输方式更加合理。

图3是本发明协作分簇传输方法的一种具体实施方式流程图。如图3所示，本发明协作分簇传输方法包括以下步骤：

S301：所有用户k反馈其静态协作簇C_k内各基站到其的信道矩阵，本发明中静态协作簇的划分方式是采用每三个相邻小区划分为一个静态协作簇。

S302：计算每个用户k的信道隔离度，计算公式为：

$g_k=E\left\{{\left|H_k^b\right|}^2\right\}/\underset{i\text{'}\&Element;C_k}{\mathrm{\&Sigma;}}E\left\{{\left|H_k^{i\text{'}}\right|}^2\right\}=\frac{{{\left|\right|H}_k^b\left|\right|}^2}{\underset{i\text{'}\&Element;C_k}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left|\right|H_k^{i\text{'}}\left|\right|}^2}=\frac{{\left|\right|H_k^b\left|\right|}^2}{{\left|\right|H_k^b\left|\right|}^2+\underset{\underset{i\&NotEqual;b}{i\&Element;C_k}}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left|\right|H_k^i\left|\right|}^2}=\frac{1}{1+\mathrm{\&rho;}},\mathrm{\&rho;}=\frac{\underset{\underset{i\&NotEqual;b}{i\&Element;C_k}}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left|\right|H_k^i\left|\right|}^2}{{\left|\right|H_k^b\left|\right|}^2}---\left(6\right)$

其中，

为用户k服务小区的基站b到用户k的信道矩阵，C_k为用户k所在的静态协作簇，

为C_k中所有基站到用户k的信道矩阵，

为C_k中除基站b以外基站i到用户k的信道矩阵，E{|·|²}表示求矩阵范数的平方，‖·‖²表示范数的平方。

用户的信道隔离度g_k能在一定程度上反映用户与基站之间的距离和信道质量状况。对于小区中心用户来说，其服务小区的基站对其影响越强烈，信道质量越好，隔离度接近于1；而边缘用户，其服务小区对其响应较弱，信道隔离度则较低，因此以此来对用户进行分类。

S303：判断是否信道隔离度g_k≥α，其中α为设定的阈值。如果信道隔离度g_k≥α，进入步骤S304，如果信道隔离度g_k＜α，进入步骤S305。

S304：将用户k划分为小区中心用户，采用非协作传输，即只有服务小区的基站b向其发送数据，进入步骤S210。

此种传输模式下，用户k的数据信息不进行共享，只有所属的服务小区的基站向其发送数据。其信干噪比为：

${\mathrm{SINR}}_k^{\mathrm{non}}=\frac{P_b{\left|H_k^b{w}_k^b\right|}^2}{\underset{\underset{i\&NotEqual;b}{i\&Element;C_k}}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_i{\left|H_k^i{w}_k^i\right|}^2+\underset{j\&NotElement;C_k}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_j{\left|H_k^j{w}_k^j\right|}^2+{\mathrm{\&sigma;}}^2}---\left(7\right)$

S305：将该用户k划分为边缘用户，进入步骤S306。

S306：计算静态协作簇内各基站到用户k的接收信号功率RSRP值，其中来自服务小区的基站b的接收信号功率为：

${\mathrm{RSRP}}_k^{\mathrm{serving}}=P_b\&CenterDot;{\left|H_k^b\right|}^2---\left(8\right)$

来自静态协作簇C_k中除基站b以外基站i的接收信号功率为：

${\mathrm{RSRP}}_k^i=P_i\&CenterDot;{\left|H_k^i\right|}^2,i\&Element;C_k,i\&NotEqual;b---\left(9\right)$

其中P_b、P_i分别表示基站b和基站i的发射功率。

S307：判断是否

其中β为设定的阈值。如果 ${\mathrm{RSRP}}_k^{\mathrm{serving}}-\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{RSRP}}_k^i\&le;\mathrm{\&beta;},$ 进入步骤S308；如果 ${\mathrm{RSRP}}_k^{\mathrm{serving}}-\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{RSRP}}_k^i>\mathrm{\&beta;},$ 进入步骤S309。

S308：将用户k划分为簇内小区边缘用户，采用静态协作传输，进入步骤S210。

此种传输模式下，用户的数据信息在静态协作簇内进行完全共享，协议簇内的所有基站都将簇内的所有用户发送数据，从而实现协议簇内部的多点协作。假设用户k的静态协作簇C_k＝{a,b,c}，b即为用户k的服务小区的基站，a、c为协作基站，从而构成了一个虚拟的MIMO矩阵 $H=\left[\begin{array}{ccc}{H}_k^a& H_k^b& H_k^c\end{array}\right]$ 。可以通过联合预编码将簇内的干扰消除，其预编码矩阵W可以采用W＝H^H(HH^H)^-1，其中上标H表示共轭转置，上标-1表示矩阵求逆。此时用户的信干噪比为：

${\mathrm{SINR}}_k^{\mathrm{CoMP}}=\frac{P_b{\left|H_k^b{w}_k^b\right|}^2+\underset{\underset{i\&NotEqual;b}{i\&Element;C_k}}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left|H_k^i{w}_k^i\right|}^2}{\underset{j\&NotElement;C_k}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_j{\left|H_k^j{w}_k^j\right|}^2+{\mathrm{\&sigma;}}^2}---\left(10\right)$

S309：将用户k划分为簇内小区边缘用户，采用动态协作传输，进入步骤S210。

此种传输模式下，根据反馈的信道状态信息，在环绕用户k服务小区的6个小区中选取2个基站和服务小区的基站b组成具有3个基站的协作簇。本实施方式中，选择最佳协作用户的方法为：计算用户k接收来自所有基站的接收信号功率

，其中s∈B，B表示所有基站，并按降序排列。选取接收信号功率最大的2个基站x、y与其服务小区的基站b进行协作，构成一个动态协作簇

此时，该用户的信干噪比为：

${\mathrm{SINR}}_k^d=\frac{\underset{u\&Element;C_k^b}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_u{\left|H_k^u{w}_k^u\right|}^2}{\underset{\underset{\tilde{u}\&NotEqual;4}{\tilde{u}=1}}{\overset{B}{\mathrm{\&Sigma;}}}p\tilde{u}{\left|H_k^{\tilde{u}}{w}_k^{\tilde{u}}\right|}^2+{\mathrm{\&sigma;}}^2}---\left(11\right)$

分别为动态协作簇

内的基站u、所有基站中除

外的基站

到用户k的信道矩阵，分别是用户k为了消除各基站的同频干扰而生成的预编码矩阵。

S310：根据步骤S2确定的各用户传输模式，调度用户，各基站，即服务小区的基站和协作簇内的基站为其用户分配资源，传送数据。

图4是图3中调度用户的一种具体实施方式示意图。本实施方式中，调度用户采用的方法为基于比例公平的调度方法，包括以下步骤：

S401：资源块数量记为N，初始化资源块序号n＝1。

S402：数据初始化：即U为全网用户集合，S为全网基站集合，对于每个用户k，向其发送数据的基站集合记为D_k。

S403：计算用户集合U中所有用户在第n个资源块RB_n上的优先级P_k,n,k∈U，计算公式为：

$P_{k,n}=\frac{R_k}{{\stackrel{\_}{T}}_k}---\left(12\right)$

其中，R_k表示用户k的最大吞吐量，

表示用户k的长期平均吞吐量。

S404：选取户集合U中优先级P_k,n值最大的用户

S405：判断是否

如果

进入步骤S406；如果

进入步骤S407。

S406：更新用户集合

返回步骤S403。

S407：调度用户

将资源块RB_n分配给用户

更新用户集合

更新

其中t_c为资源调度的间隔时间，进入步骤S408。

S408：判断是否S＝φ，如果S≠φ，返回步骤S404，如果S＝φ，进入步骤S409。

S409：判断是否n＝N，如果是，资源调度结束，如果不是，进入步骤S410。

S410：令n＝n+1，返回步骤S402。

为说明本发明的有益效果，采用本发明进行实验仿真，调度算法采用基于比例公平的调度方法。表1为仿真参数表。

参数	参数值
		小区数量	57
小区基站数	1
		每个簇小区数	3
小区拓扑	正六边形
		小区半径	1000m
子载波间隔	15kHz
		基站天线配置	Nt=4
用户接收天线配置	Nr=1
		基站发射功率	10dB
用户分布	随机分布
		调度算法	正比公平(PF)算法

表1

图5是不同传输方法下的用户平均吞吐量对比图。其中CDF表示累积分布函数（Cumulative Distribution Function）。表2是不同传输方法下的不同类型用户的平均吞吐量。

传输模式	非协作	静态协作	本发明
				所有用户	4.067	4.399	4.626
边缘用户	0.1292	0.3406	0.4038

表2

从图5和表2可以看出，采用本发明可以显著提高用户的平均吞吐量，特别是边缘用户，本发明的边缘用户相对于非协作传输平均吞吐量可以提高100%以上，相对于静态协作传输平均吞吐量可以提高18%。而且在本发明中，由于只有部分用户采用了动态协作传输，相对于完全采用动态协作传输的传输方法，其复杂度相对较低，回程开销相对较少。可见，本发明以较低的复杂度和回程开销来获得较好的吞吐量增益。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种协作分簇传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：划分用户类型，包括：

S1.1：将每三个相邻小区划分为一个静态协作簇，计算每个用户k的信道隔离度，计算公式为：

$g_k=\frac{{\left|\right|H_k^b\left|\right|}^2}{{\left|\right|H_k^b\left|\right|}^2+\underset{\underset{i\&NotEqual;b}{i\&Element;C_k}}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left|\right|H_k^i\left|\right|}^2}$

其中，

为用户k服务小区的基站b到用户k的信道矩阵，C_k为用户k所在的静态协作簇，

为C_k中除基站b以外基站i到用户k的信道矩阵，i的范围为i∈C_k,i≠b，||·||²表示范数的平方；

当用户k的信道隔离度g_k≥α时，则将该用户划分为小区中心用户；当用户k的信道隔离度g_k＜α时，则将该用户划分为边缘用户；其中α为设定的阈值；

S1.2：对步骤S1.1得到的边缘用户，计算来自基站b的接收信号功率以及来自静态协作簇C_k中除基站b以外基站i的接收信号功率

当

则将该用户划分为簇内小区边缘用户，当

则将该用户划分为簇边缘用户，其中β为设定的阈值；

S2：为不同类型用户确定传输模式：

对于小区中心用户，采用非协作传输；

对于簇内小区边缘用户，采用静态协作簇进行协作传输；

对于簇边缘用户，确定动态协作簇，进行协作传输；

S3：根据步骤S2确定的各用户传输模式，调度用户，各基站为其用户分配资源，传送数据。

2.根据权利要求1所述的协作分簇传输方法，其特征在于，所述步骤S1中接收信号功率

的计算公式为：

接收信号功率

的计算公式为：

其中P_b、P_i分别表示基站b和基站i的发射功率。

3.根据权利要求1所述的协作分簇传输方法，其特征在于，所述步骤S2中确定动态协作簇的方法为：将用户k接收到的来自所有小区的接收信号功率按降序排列；选取接收信号功率最大的2个基站与其服务小区的基站b构成动态协作簇。

4.根据权利要求1所述的协作分簇传输方法，其特征在于，所述步骤S3中资源调度采用基于比例公平的调度方法，包括：

S3.1：资源块数量记为N，初始化资源块序号n＝1；

S3.2：记全网用户集合为U，全网基站集合为S，对于每个用户k，向其发送数据的基站集合记为D_k；

S3.3：计算用户集合U中所有用户在第n个资源块RB_n上的优先级P_k,n,k∈U，计算公式为：

$P_{k,n}=\frac{R_k}{{\stackrel{\_}{T}}_k}$

其中，R_k表示用户k的最大传输速率，T_k表示用户k的长期平均吞吐量；

S3.4：选取户集合U中优先级P_k,n值最大的用户

如果

令用户集合

再次执行步骤S3.4；如果

，则调度用户

，将资源块RB_n分配给用户，令用户集合 $U=U-\hat{k},S=S-D_{\hat{k}},$ 更新 $\stackrel{\&OverBar;}{T_{\hat{k}}}=(1-1/t_c)\stackrel{\&OverBar;}{T_{\hat{k}}}+R_{\hat{k}}/t_c$ ，其中t_c为资源调度的间隔时间，如果此时S≠φ，再次执行步骤S3.4，如果S＝φ，进入步骤S3.5；

S3.5：判断是否n＝N，如果是，资源调度结束，如果不是，令n＝n+1，返回步骤S3.2。

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