CN104717656B - 动态确定协作小区的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种动态确定协作小区的方法，应用于包括用户终端，基站和中央控制结点的无线通信***中，包括：生成可重叠的候选协作集划分方案的集合的步骤；估算每个候选的协作集划分方案的***和速率的步骤；选择***和速率最大的候选协作集划分方案作为最优协作集划分方案的步骤。优选地，上述估算每个候选协作集划分方案的***和速率的步骤包括：估算候选协作集划分方案包含的每个协作集的和速率的步骤；累加候选协作集划分方案包含的所有协作集的和速率来计算***和速率的步骤。本发明的动态确定协作小区的方法综合各种协作方式的长处，为小区的中心用户和边缘用户同时提供了最好的传输速率，使得整个***的传输和速率最大化。

Description

动态确定协作小区的方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信领域中区域内的小区协作集划分方法，特别是涉及一种动态确定协作小区的方法。

背景技术

近年来，无线通信网络技术取得了巨大的进步。尤其是长期演进（Long TermEvolution，简称LTE）***在网络容量、接入速率等方面相比已有***有了重大突破。在LTE中，由于采用正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，简称OFDM）的多址接入方式，小区内用户的多个子载波相互正交，因此很好地避免了小区内干扰。但由于采用的频谱复用系数为1，不同小区可以在相同的空时频资源上进行无线收发，导致小区间干扰比较严重，特别是小区边缘受到邻近小区的干扰尤为严重，限制了边缘用户的传输性能。所以，LTE的***容量受限于小区间干扰，小区间的干扰抑制成为一个亟待解决的问题。为了进一步提高小区吞吐量，尤其是小区边缘用户的性能，3GPP提出在LTE-A（LTE的后续演进技术，即下一代移动通信网络）***中引入协作多点传输/接收（CoordinatedMultiple Point transmission and reception，简称CoMP）。CoMP技术，是指在地理位置上分开的多个传输点协作地为一个或多个用户服务。在CoMP技术中，邻近协作小区的信号不再是干扰，而变成了有用信号，因此，CoMP是提高***整体性能的有效途径，尤其是，它可以改善小区边缘用户的传输速率。在CoMP技术中，联合传输（Joint Transmission，简称JT）是多个小区在相同的时频资源向某个或某几个用户传输数据，是增强用户接收信号干扰噪声比（SINR）的有效手段。

在CoMP的联合传输中，需要将一定区域内的小区进行划分，来决定哪些小区构成一个协作集，共同为某些用户服务，也就是协作小区划分方法。理论上讲，在所有的传输点之间进行协作，能提供很大的小区边缘和平均的小区吞吐量。但是，在所有的传输节点之间共享用户数据、信道信息需要很高的回传容量，实现复杂度也很高。为了减小复杂度，协作只能在有限的传输点之间，因此需要确定哪些传输点组成一个协作集。根据研究，协作小区数等于3时，能在性能和复杂度之间取得较好的折中，所以3GPP建议每个协作集中的协作小区数不超过3。

CoMP协作集的划分，按照协作集划分是固定不变的还是动态变化的，有静态划分和动态划分两种。

静态划分方法在时间上是固定不变的，划分方法基于终端用户可能的各种位置进行。静态协作集划分方法主要包括基站内（intra-site）协作和基站间（inter-site）协作两种。基站内协作，是同一基站的多个小区作为一个协作集。图1为基站内协作方案示意图，小区1/2/3属于同一基站BS1的三个扇区，它们构成一个协作集；其他基站的多个小区同样分别作为一个协作集。

基站间协作中，每个协作集由属于不同基站的多个小区组成。基站1的3个小区分别属于3个不同的协作集，每个协作集包含3个属于不同基站的小区。基站间协作有两种可能的划分方式，分别如图2和图3所示。在图2中，小区1/4/20构成一个协作集，小区2/7/10和小区3/14/16分别构成一个协作集；在图3中，小区1/16/19构成一个协作集，小区2/4/8和小区3/10/13分别构成一个协作集。

基站内（intra-site）协作的优点是，用户数据及反馈信息都在同一个基站内，便于数据交换，易于实现。但是，基站内（intra-site）协作的主要效果是提升基站中心区域的信号质量（SINR，信号干扰噪声比），对小区边缘的SINR提升并不大。

而基站间（inter-site）协作能较好地提升小区边缘的SINR。例如图2中，协作集1/4/20对这三个小区交汇区域的SINR提升十分显著，协作集2/7/10对这三个小区交汇区域的SINR提升十分显著，协作集3/14/16对这三个小区交汇区域的SINR提升十分显著。但是，这种协作集划分方法，对小区1、16、19这三个小区交汇区域的SINR没有提升；同样，对小区2、4、8交汇区域，以及小区3、10、13交汇区域，都没有提升。而图3中的第二种基站间（inter-site）协作集划分方法，情况正好相反。

综上所述，基站间（inter-site）协作的主要不足是，无论如何划分协作集，都不能完全提升所有小区边缘区域的SINR。但是尽管图2和图3所示的两种基站间划分方式，可以互为补充，仍然不能提升基站中心区域的SINR。

由此可见，在静态协作集划分方法中，假设的是用户均匀分布在小区内部。但是，在实际部署中，用户的分布是随机且不均匀的。因此，按照静态协作集方法确定的方案中，不能真实反映网络中用户的实际分布情况。

针对静态协作集划分方法的不足，提出了动态划分协作集的方法。动态协作集划分的核心思想是，通过感知***中用户的分布情况，以及用户的无线链路环境的变化，自适应地确定用户的协作小区集合。通过终端用户上报相邻小区信息到某个中心节点，统计所有终端用户上报的邻小区信息，确定协作小区集合。

但是，现有的动态协作小区划分的方法，也不能提升所有的小区边缘的信号质量，对位于协作集边缘用户的信号质量的提升也十分有限。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种动态确定协作小区的方法，用于解决现有技术中不能真实反映网络中用户的实际分布情况，或者不能提升所有的小区边缘的信号质量且对位于协作集边缘用户的信号质量的提升十分有限的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种动态确定协作小区的方法，应用于包括用户终端，基站和中央控制结点的无线通信***中，其特征在于，包括：生成可重叠的候选协作集划分方案的集合的步骤；估算每个候选的协作集划分方案的***和速率的步骤；选择***和速率最大的候选协作集划分方案作为最优协作集划分方案的步骤。

优选地，上述生成可重叠的候选协作集划分方案的集合的步骤中，允许每个小区属于多个协作集，每个协作集中的协作小区数量不超过给定的数量。

优选地，上述生成可重叠的候选协作集划分方案的集合的步骤中，每个小区最多可属于3个协作集，每个协作集中最多包含3个协作小区。

优选地，上述估算每个候选的协作集划分方案的***和速率的步骤包括：计算所述候选协作集划分方案包含的每个协作集的和速率的步骤；累加每个协作集的和速率来计算所述候选协作集划分方案的和速率的步骤。更优选地，上述计算所述候选协作集划分方案包含的每个协作集的和速率的步骤包括：确定每个用户终端的服务协作集的步骤；计算每个用户终端由确定的所述服务协作集提供服务时的速率的步骤；计算每个协作集的和速率的步骤，即将该协作集的所有服务用户的速率求和的步骤。

优选地，上述确定每个用户终端的服务协作集的步骤包括：确定用户终端的服务小区的步骤；从所述候选协作集划分方案中找出包含该小区的协作集的步骤；分别估算该用户终端由所述找到的多个协作集提供服务时的信号干扰噪声比的步骤；选择其中信号干扰噪声比最大的那个协作集作为该用户的服务协作集的步骤。

优选地，所述选择最优协作集划分方案的步骤，包括从所有候选协作集划分方案中选择和速率最大的那个协作集划分方案作为最优协作小区划分的结果。如上所述，本发明的动态确定协作小区的方法，具有以下有益效果：综合各种协作方式的长处，为小区的中心用户和边缘用户同时提供了最好的传输速率，使得整个***的传输和速率最大化。解决了现有技术不能真实反映网络中用户的实际分布情况，或者不能提升所有的小区边缘的信号质量且对位于协作集边缘用户的信号质量的提升十分有限的问题。

附图说明

图1显示为现有技术中静态协作集划分的基站内协作方案示意图；

图2显示为现有技术中静态协作集划分的第一种基站间协作方案示意图；

图3显示为现有技术中静态协作集划分的第二种基站间协作方案示意图；

图4显示为本发明的动态确定协作小区的方法流程图；

图5显示为拟使用本发明的动态确定协作小区的方法的基站及用户终端分布示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

下面结合具体实施方式及附图对本发明思想进行阐释。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提出一种可重叠的动态协作小区划分方法，感知***的无线链路环境的变化，自适应地确定协作小区集合。基本思想是：采用重叠的协作小区，并动态地根据服务用户的分布和信道状况，来确定最终的协作小区划分方案，对不同的协作小区使用不同的协作方案，从而综合各种协作方式的长处，为小区的中心用户和边缘用户同时提供了最好的传输速率，使得整个***的传输和速率最大化。也即在一个可接受的调度复杂度和回传容量的前提下，最大化小区吞吐量。具体而言，每个小区可以最多属于3个协作小区，对位于小区中心的用户，可以采用基站内协作（也可以不使用协作传输）；对于小区边缘用户，可以根据信号和干扰情况，选择基站间协作方案1或基站间协作方案2进行协作传输。这种方案结合了图1（基站内协作方案）、图2（基站间协作方案1）和图3（基站间协作方案2）这3种协作方法的优点，分别为中心用户和边缘用户提高了信号质量和传输速率；同时，该方法弥补了上述3种协作方案的不足。

下面结合图4-图5详细说明本发明的思想。为方便说明，作下面的约定：

用户终端设备记为UE，基站记为BS和中央控制节点记为CCN，本发明的方法由这三者共同协作完成：UE负责进行常规的测量，包括测量服务小区的参考信号接收信号强度RSRP，以及邻小区的参考信号接收信号强度RSRP，并上报给服务基站。BS负责收集所属UE上报的测量信息，并上报给CCN。CCN负责收集并统计所有UE上报的测量信息，按照本发明所提供的方法，确定协作小区划分方案。

再约定：***有B个基站，每个基站有3个扇区化的小区，总计有M=3B个小区。每个小区有N_t个天线。设***内有K个用户，每个用户有一个天线。

***的M个小区组成一个集合Ω＝{Cell₁…Cell_M}。

这M个小区中，若干个小区可组成一个协作集。这里，协作集中协作小区的数量最大值设为3。

Ψ＝{ψ₁…ψ_J}是一个由J个协作集组成的协作集划分方案，该协作集划分方案要满足的条件是，每个小区都属于至少一个协作集，即

所有可能的协作集划分方案构成一个候选协作集划分集合Φ＝{Ψ₁…Ψ_N}，N表示候选协作集划分方案的总数量。

基于以上约定，则本发明要解决的问题可以描述为：在所有候选协作集划分方案的集合Φ中，寻找一个协作集划分方案Ψ_opt，使得该方案的性能最优。本例中，将***的和速率最大作为性能指标。

下面结合图4详细介绍本发明的各步骤，图4显示为本发明动态确定协作小区的方法流程图，图5显示为基站BS及UE分布示意图。如图5所示，本实施例考虑由7个基站组成的***，中心的基站为基站BS1，右上角的为基站BS2，后续基站逆时针方向围绕基站1排列，基站BS7位于基站1的右侧。每个基站有3个扇区化的小区，小区编号如图所示。一些UE主要分布在如图所示的三个热点区域，即基站1的中心区域、小区1/4/20的交界处、小区2/4/8的交界处。

可以对UE进行标识：属于小区i的第j个UE记为UE_i,j。如图5，小区1所属的UE有6个，UE_1,1～UE_1,6，其中UE_1,1～UE_1,3位于小区中心区域，UE_1,4～UE_1,6位于和小区20交界的边缘区域；小区2所属的UE有5个，UE_2,1～UE_2,5，其中UE_2,1位于小区中心区域，UE_2,2～UE_2,5位和小区4/8交界的边缘区域；小区20所属的UE有4个，UE_20,1～UE_20,4，位于和小区1/4交界的边缘区域；小区4所属的UE有3个，UE_4,1～UE_4,3，其中UE_4,1位于和小区1/20交界的边缘区域，UE_4,2和UE_4,3位于和小区2/8交界的边缘区域；小区8所属的UE有1个，UE_8,1，位于与小区4/1交界的边缘区域。

在最近一段时间内，UE1,1上报了服务小区1和邻小区2、3、4、5、20、19和16的RSRP，表明该UE受到这些小区的干扰较强，另一方面也表明，该UE的协作小区应该在这些小区选择。这些信息有助于候选协作小区的生成。UE_i,j测量小区k的第n个天线端口参考信号接收功率记为CCN收集各小区的所有UE上报的RSRP测量结果，进行计算，执行图4中的步骤：

其中步骤S1表示生成候选协作集划分方案的集合Φ＝{Ψ₁…Ψ_N}。此步骤由CNN完成，其中，每个协作集划分方案由J个协作集构成，每个协作集由最多3个协作小区组成，每个小区可最多属于3个协作集。并且优选地，候选协作集之间是可重叠的。在构建协作集划分方案时，为了控制候选协作集划分方案的数量，应避免把地理上远离的小区划分到同一个协作集中。

步骤S2表示估算每个候选的协作集划分方案的***和速率。本例中，候选的协作集划分方案的***和速度的估算采用如下方式：

步骤S21：收集用户终端的信道状态信息，然后对所有用户终端，估算其SINR，确定其服务协作集。由于一个小区最多可以属于3个协作集，对于属于该小区的某个用户，首先要确定该用户应该由这3个协作集中的哪一个提供服务。可以通过分别计算该用户在这3个协作集服务时的SINR，选择使得该用户的SINR最大的那个协作集为该用户提供服务。估算的方式为：

1.确定该UE的服务小区i，标记该UE为小区i下的第j个UE为UE_i,j；

2.找出协作集划分方案Ψ中包含小区i的协作集，最多有3个，记为

3.分别估算该UE_i,j由这3个协作集提供服务时的干扰信号噪声比和估算该（ψ可以是）的方法如下：

根据约定，设是M个小区中若干个小区（最多3个）组成的一个协作集。设用户UE_i,j的服务小区在协作集ψ中，则计算用户UE_i,j由协作集ψ提供服务时的SINR为

其中，表示小区m的第n个天线到用户UE_i,j的路径损耗因子。P是基站的发射功率。σ²表示用户UE_i,j接收到的加性高斯白噪声方差。{Ω\ψ}表示所有小区集合Ω中除去协作集ψ中的小区之外的其他小区组成的小区集合。

根据式（1），具体到本例中，计算方式为：

其中，表示用户UE_i,j的测量并上报的小区m的第n个天线的参考信号接收功率。

4.选择中最大的那个协作集作为该UE_i,j的服务协作集。步骤S22表示分别计算每个协作集的和速率R(ψ)。

设协作集ψ为I个用户{k₁,...,k_I}提供服务，其中的一个用户k_i的速率为

则协作集ψ的和速率为

根据式（2）、（3），具体到本例中，设协作集ψ为I个用户{k₁,...,k_I}提供服务，用户UE_i,j由协作集ψ服务时的速率及协作集ψ的和速率分别为：

步骤23表示确定某个候选协作集划分方案的***和速率。根据式（3），不难确定，候选协作集划分方案Ψ的***和速率为

步骤S3表示选择***和速率最大的协作集划分方案Ψ_opt作为本次选定的最优协作集划分方案。

Ψ_opt＝arg max R(Ψ) （5）

至此已经选出最优化的协作集划分方案。

更优选地，在条件改变时，比如经过一定时间段之后，或大部分用户的位置/信道状态发生了变化之后，再重复步骤S2到步骤S3，得到新条件下的最优协作集划分方案。

上述步骤由***中的中央控制节点（Central Control Node，简称CCN）执行，CCN可以是一个独立的网络单元，也可由某个基站承担相应功能。CCN连接***中一定范围内的基站，这些基站向CCN上报所需的信息，包括所属用户的信道状态，如该用户测量到的服务小区和邻小区的参考信号接收功率RSRP等。

综上所述，本发明综合各种协作方式的长处，为小区的中心用户和边缘用户同时提供了最好的传输速率，使得整个***的传输和速率最大化。解决了现有技术不能真实反映网络中用户的实际分布情况，或者不能提升所有的小区边缘的信号质量且对位于协作集边缘用户的信号质量的提升十分有限的问题。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种动态确定协作小区的方法，应用于包括用户终端，基站和中央控制结点的无线通信***中，其特征在于，包括：

生成可重叠的候选协作集划分方案的集合的步骤；

估算每个候选的协作集划分方案的***和速率的步骤；

选择***和速率最大的候选协作集划分方案作为最优协作集划分方案的步骤；

所述生成可重叠的候选协作集划分方案的集合的步骤中，每个小区最多属于3个协作集，

每个协作集中最多包含3个协作小区；以及，

其中，所述估算每个候选的协作集划分方案的***和速率的步骤包括：

计算所述候选协作集划分方案包含的每个协作集的和速率的步骤；

累加每个协作集的和速率来计算所述候选协作集划分方案的和速率的步骤；以及，

所述计算所述候选协作集划分方案包含的每个协作集的和速率的步骤包括：

对所有用户终端k，估算其由协作集ψ_j提供服务时的信号干扰噪声比的步骤；

对所有用户终端，确定其服务协作集的步骤；

估算协作集中每个服务用户的速率的步骤；

累加协作集的所有服务用户的速率得到所述协作集的和速率的步骤；

其中，所述确定用户终端的服务协作集的步骤包括：

确定用户终端的服务小区的步骤；

找出所述协作集划分方案中包含所述服务小区的各协作集的步骤；

根据用户终端上报的测量信息，分别估算该用户终端由包含所述服务小区的各协作集提供服务的信号干扰噪声比SINR的步骤；

选择SINR最大的那个协作集作为该用户终端的服务协作集的步骤。

2.根据权利要求1所述的动态确定协作小区的方法，其特征在于，所述计算用户终端k由所述协作集ψ_j提供服务的信号干扰噪声比的方法为：

其中，表示小区m的第n个天线到所述用户终端k的路径损耗因子；P是基站的发射功率；σ²表示所述用户终端k接收到的加性高斯白噪声方差；表示所有小区集合Ω中除去所述协作集ψ_j中的小区之外的其他小区组成的集合；Nt为小区天线数量。

3.根据权利要求1所述的动态确定协作小区的方法，其特征在于，所述估算协作集ψ_j中每个服务用户k_i的速率的方法为：其中表示估算出的用户终端k_i由协作集ψ_j提供服务时的信号干扰噪声比。

4.根据权利要求2所述的动态确定协作小区的方法，其特征在于，依据用户终端上报的测量信息估算用户终端UE_i,j由所述协作集ψ提供服务的信号干扰噪声比具体的估算方式为：

其中，表示用户UE_i,j的测量并上报的小区m的第n个天线的参考信号接收功率。

5.根据权利要求1-2任意一项所述的动态确定协作小区的方法，其特征在于，所述生成候选协作集划分方案的集合的步骤，所述估算每个候选的协作集划分方案的***和速率的步骤和选择最优协作集划分方案的步骤均由中央控制结点执行。