CN106130609A - 一种波束通信的协作增强传输方法 - Google Patents

一种波束通信的协作增强传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种波束通信的协作增强传输方法，涉及无线通信技术领域，站点依照非波束交叠区UE的传输需求，利用OFDM将非波束交叠区UE所需频率带宽资源分配给非波束交叠区UE，并将剩余的***频率带宽资源分配给波束边缘交叠区的UE，发送端将数据调制到分配的频率带宽上进行数据传输，接收端在相应的频率带宽上进行数据解调，完成数据传输，本发明在单波束服务多UE的服务方式下，避免了单波束服务单UE服务方式下服务效率低、存在资源浪费的问题；多波束协作，可以在保障非波束交叠区UE通信需求的同时，提升波束交叠区UE性能，单站点内多波束进行协作服务，故波束间易于协同，实现简单。

Description

一种波束通信的协作增强传输方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体是一种在采用波束通信中的协作增强传输方法。
背景技术
本发明研究场景为单站点(BS或AP)波束通信场景，单站点为基站BS(BaseStation)或无线访问接入点AP(Wireless Access Point)，站点具备形成多波束与用户终端UE(User Equipment)通信的能力。
5G是面向2020年以后移动通信需求而发展的新一代移动通信***。根据移动通信的发展规律，5G将具有超高的频谱利用率和能效，在传输速率和资源利用率等方面较4G移动通信提高一个量级或更高，其无线覆盖性能、传输时延、***安全和用户体验也将得到显著的提高。Massive-MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)作为5G中的备选关键技术之一，己经取得了广泛的研究。Massive-MIMO是指在基站安装几十根到几百根天线，同时服务几十个用户的***。研究结果表明Massive-MIMO具有极高的频率效率和能量效率，可以在很大程度上抑制小区内和小区间的干扰，极大地提高***的总容量。波束成形的原理是利用空间信道的强相关性以及波的干涉技术，通过调整天线阵元的输出，从而产生强方向性的辐射方向图，使辐射方向图的主瓣指向移动终端所在的地方，从而提高接收信噪比，减小用户之间的干扰，增加***的吞吐量和提高整个***的覆盖范围。
现有的长期演进的演进版本(LTE-A，Long Term Evolution-Advanced)标准中已有协作多点传输/接收(CoMP，Coordinated Multiple Point Transmission andReception)技术。在CoMP技术中，多个基站进行协作，通过各个协作基站间的协调处理，对小区间干扰进行有效的抑制，提高小区边缘UE的性能。但由于CoMP为多基站间协作，各个基站之间必须共享必要信道状态信息、调度信息和数据信息等，交互复杂并存在多基站间同步问题。针对处于同一个基站多个波束交叠区中的UE，本发明提出使用该基站内多个波束协作为这些UE提供服务，本发明方法的优点在于：(1)多波束协作不需要基站间的信息交互与同步，易于实现；(2)通过多波束协作可提高处于多波束交叠区内的UE的性能(比如吞吐量)。
现有的适用于波束通信场景的接入机制为站点和UE建立关联后，站点以波束和UE进行数据传输。Eun Soo Bae和Jun Suk Kim等人在《Radio Resource Management forMulti-Beam Operating Mobile Communications》中提出了一种利用CoMP技术的多波束资源分配方法，增加了调度UE的平均数据传输速率。但是仅考虑了单波束服务单UE的服务方式，其服务效率较低，存在资源浪费的情况。蒋晓琪在《基于波束成形的多用户MIMO-OFDM***资源分配的研究》中提出了在单波束中利用OFDM技术将***频率资源分给多个UE，实现了单波束服务多UE的服务方式。在单波束服务多UE的服务方式下，文章提出了一种基于最小传输能量准则的在算法复杂度和***效率之间折衷的联合资源分配算法，可以以较小的算法复杂度达到近似最优的分配结果。但其未曾考虑波束边缘UE可能存在的性能下降问题。本发明提出了一种在单波束服务多UE的服务方式下，多波束协作为波束交叠区的UE提供服务的方法，不仅避免了单波束服务单UE服务方式下服务效率低，存在资源浪费的问题，还解决了单波束服务多UE服务方式下波束边缘UE性能下降的问题。
随着业务数据流量急剧增长，5G移动通信***需要满足未来10年移动互联网流量增加1000倍的发展需求，因而波束接入传输机制正备受关注。但是，虽然现有的适用于波束通信场景的波束接入传输机制可以提高***频谱与空间资源效率、增大***吞吐量，但仍然存在资源浪费、波束边缘UE性能下降的问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明在波束通信场景中利用单站点内多波束协作，解决边缘UE性能下降问题。
在本发明提出的波束通信的协作增强传输方法中，站点具备多波束通信能力，每个波束可以为多个UE提供服务。
站点依照非波束交叠区UE的传输需求，利用正交频分复用OFDM(OrthogonalFrequency Division Multiplexing)技术将非波束交叠区UE所需频率带宽资源分配给非波束交叠区UE，并将剩余的***频率带宽资源分配给波束边缘交叠区的UE，多个相邻波束利用单基站多个波束易于协同的特点，通过协作共同为波束边缘交叠区的UE提供服务，增强波束边缘UE性能。发送端将数据调制到分配的频率带宽上进行数据传输，接收端在相应的频率带宽上进行数据解调，完成数据传输。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
步骤1：设在一个站点中存在站点波束i，i＝1，2，...，n，n＞1，分别服务非波束交叠区UEij，其中j＝1，2，...，mi mi＞1，n为参与同一协作的站点波束个数，mi为站点波束i服务的非波束交叠区UE个数，同时UEk处于n个站点波束的共同交叠区，其中k＝1，2，...，1，1＞0，1为波束交叠区UE的总数，***总频率资源带宽为BW；
当下行时，即站点有数据向UE发送时，站点发起传输请求，UE同意后，站点波束i关联到待服务UE上，建立传输链路，转入步骤2；
当上行时，即UE有数据向站点发送时，UE发起传输请求，站点同意后，站点波束i关联到待服务UE上，建立传输链路，转入步骤5；
步骤2：站点波束i确定自己服务的所有非波束交叠区UEij所需的最小频率带宽资源总和为BWi，转入步骤3；
步骤3：每个站点波束服务的所有非波束交叠区UE均共同分配max(BWi)频率带宽，max(BWi)为各波束内非波束交叠区UE所需最小频率带宽总和的最大值，所有波束交叠区UE共同分配剩余***频率带宽BWR＝BW-max(BWi)，通过OFDM，站点波束i将自己服务的所有非波束交叠区UEij的数据对应调制到频率带宽BWij上，并将共同协作增强的波束交叠区UEk的数据调制到频率带宽BWRk上，BWRk为波束共同的交叠区用户k分配的带宽，发送数据，转入步骤4，其中，k＝1，2，..，1m≥1＞0；
步骤4：各个UE接收数据，并在相应的频率带宽上对数据进行解调；
步骤5：站点波束i确定自己服务的所有非波束交叠区UEij所需的最小频率带宽资源总和为BWi，转入步骤6；
步骤6：每个站点波束服务的所有非波束交叠区UE均共同分配max(BWi)频率带宽，所有波束交叠区UE共同分配剩余***频率带宽BWR＝BW-max(BWi)，通过OFDM，非波束交叠区UEij将自己的数据调制到频率带宽BWij上，波束交叠区UEk将自己的数据调制到频率带宽BWRk上，发送数据，转入步骤7；
步骤7：各个站点波束接收数据，并在相应的频带上对数据进行解调。
本发明的有益效果是提出了的波束通信的协作增强传输方法，在单波束服务多UE的服务方式下，单站点多波束协作为波束交叠区的UE提供服务，采用单波束服务多UE的服务方式，避免了单波束服务单UE服务方式下服务效率低、存在资源浪费的问题；多波束协作，可以在保障非波束交叠区UE通信需求的同时，提升波束交叠区UE性能，单站点内多波束进行协作服务，故波束间易于协同，实现简单。
附图说明
图1是本发明的技术方案场景。
图2是本发明的技术方案原理，其中图2(a)是总频率资源带宽分配示意图，图2(b)是各波束内非波束交叠区UE所需最小带宽总和示意图，图2(c)是波束i中非波束交叠区UE频率带宽分配示意图。
其中，BW为***总带宽，max(BWi)为各波束内非波束交叠区UE所需最小频率带宽总和的最大值，BWR为分配完max(BWi)后***的剩余频率带宽，BWR1到BWR1为波束共同的交叠区中用户1到1分配到的带宽，BW1到BWn为波束1到波束n内非波束交叠区UE所需最小频率带宽总和，BWi1到为波束i中非波束交叠区UEi1到分配到的带宽。
图3是本发明UE采用全向天线时的实施实例场景。其中，UE11、UE12与UE21分别为BS波束1与波束2的非波束交叠区UE，UE1处于两个波束的交叠区，由BS波束1和波束2共同服务。
图4是本发明UE采用全向天线时的频率资源带宽分配，图4(a)是总频率资源带宽分配示意图，图4(b)是波束1中UE频率带宽分配示意图，其中，BW为***总带宽，BW1为波束1内UE11与UE12所需最小频率带宽的总和，BW2为波束2内UE21所需最小频率带宽，BW3为UE1分配到的带宽，max(BW1，BW2)为BW1与BW2的最大值，BW11与BW12分别为UE11、UE12分配到的带宽。
图5是是本发明UE采用阵列天线的实施实例场景。其中UE1、UE2分别为BS波束1与波束2的非波束交叠区UE，UE3处于两个波束的交叠区，由BS波束1和波束2共同服务
图6是本发明UE采用阵列天线的频率资源带宽分配示意图，BW为***总带宽，BW1为波束1内UE1所需最小频率带宽，BW2为波束2内UE2所需最小频率带宽，BW3为UE3分配到的带宽。
图7是本发明波束交叠区存在多个UE实施实例场景，其中UE1、UE2分别为BS波束1与波束2的非波束交叠区UE，UE3与UE4处于两个波束的交叠区，由BS波束1和波束2共同服务。
图8是本发明波束交叠区存在多个UE的频率资源带宽分配示意图。其中，BW为***总带宽，BW1为波束1内UE1所需最小频率带宽，BW2为波束2内UE2所需最小频率带宽，BW3为UE3分配到的带宽，BW4为UE4分配到的带宽
图9是本发明无线局域网环境实施实例场景，其中，UE1、UE2分别为AP波束1与波束2的非波束交叠区UE，UE3处于两个波束的交叠区，由AP波束1和波束2共同服务。
图10是本发明无线局域网环境的频率资源带宽分配示意图，其中，BW为***总带宽，BW1为波束1内UE1所需最小频率带宽，BW2为波束2内UE2所需最小频率带宽，BW3为UE3分配到的带宽。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
步骤1：如图1所示，假设在一个站点中存在站点波束i，i＝1，2，...，n，n＞1，分别服务非波束交叠区UEij，其中j＝1，2，...，mimi＞1，n为参与同一协作的站点波束个数，mi为站点波束i服务的非波束交叠区UE个数，同时UEk处于n个站点波束的共同交叠区，其中k＝1，2，...，l，l＞0，1为波束交叠区UE的总数，***总频率资源带宽为BW；
当下行时，即站点有数据向UE发送时，站点发起传输请求，UE同意后，站点波束i关联到待服务UE上，建立传输链路，转入步骤2；
当上行时，即UE有数据向站点发送时，UE发起传输请求，站点同意后，站点波束i关联到待服务UE上，建立传输链路，转入步骤5；
步骤2：站点波束i确定自己服务的所有非波束交叠区UEij所需的最小频率带宽资源总和为BWi，如图2(c)所示，转入步骤3；
步骤3：每个站点波束服务的所有非波束交叠区UE均共同分配max(BWi)频率带宽，如图2(b)所示，所有波束交叠区UE共同分配剩余***频率带宽BWR＝BW-max(BWi)，如图2(a)所示。通过OFDM，站点波束i将自己服务的所有非波束交叠区UEij的数据对应调制到频率带宽BWij上，并将共同协作增强的波束交叠区UEk的数据调制到频率带宽BWRk上，发送数据，转入步骤4，其中，k＝1，2，...，lm≥l＞0；
步骤4：各个UE接收数据，并在相应的频率带宽上对数据进行解调；
步骤5：站点波束i确定自己服务的所有非波束交叠区UEij所需的最小频率带宽资源总和为BWi，如图2(c)所示，转入步骤6；
步骤6：每个站点波束服务的所有非波束交叠区UE均共同分配max(BWi)频率带宽，如图2(b)所示，所有波束交叠区UE共同分配剩余***频率带宽BWR＝BW-max(BWi)，如图2(a)所示。通过OFDM，非波束交叠区UEij将自己的数据调制到频率带宽BWij上，波束交叠区UEk将自己的数据调制到频率带宽BWRk上，发送数据，转入步骤7；
步骤7：各个站点波束接收数据，并在相应的频带上对数据进行解调。
由于是单站点内多波束进行协作服务，故波束间易于协同，实现简单；站点可在保障为非波束交叠区UE服务不浪费资源的同时提升波束交叠区UE性能。
实施实例1
实例场景如图3所示，在蜂窝网小区中，UE采用全向天线，UE11、UE12与UE21分别为BS波束1与波束2的非波束交叠区UE。UE1处于两个波束的交叠区，由BS波束1和波束2共同服务，***总频率资源带宽为BW。
步骤1：当BS有数据向UE发送时，站点发起传输请求，UE同意后，BS波束资源1关联到待服务用户UE11、UE12、UE1，波束资源2关联到待服务用户UE21、UE1，建立传输链路，转入步骤2；当UE有数据向BS发送时，UE发起传输请求，站点同意后，BS波束资源1关联到待服务用户UE11、UE12、UE1，波束资源2关联到待服务用户UE21、UE1，建立传输链路，转入步骤5；
步骤2：BS波束1确定UE11、UE12所需的最小频率带宽资源总和为BW1；BS波束2确定UE21所需的最小频率带宽资源为BW2，转入步骤3；
步骤3：通过OFDM，BS的波束1将UE11数据调制到BW11上发送，将UE12数据调制到BW12上发送，将UE1数据调制到BW3＝BW-max(BW1，BW2)上发送，BS的波束2将UE21数据调制到max(BW1，BW2)上发送，将UE1数据调制到BW3上发送，频率带宽分配示意如图4(a)、图4(b)所示。转入步骤4；
步骤4：各个UE接收数据。UE11在BW11上对数据进行解调，UE12在BW12上对数据进行解调，UE21在max(BW1BW2)上对数据进行解调，UE1在BW3上对数据进行解调。
步骤5：BS波束1确定UE11、UE12所需的最小频率带宽资源总和为BW1；BS波束2确定UE21所需的最小频率带宽资源为BW2，转入步骤6；
步骤6：UE11将数据调制到BW11上发送，UE12数据调制到BW12上发送，UE21数据调制到max(BW1，BW2)上发送，UE1将数据调制到BW3＝BW-max(BW1，BW2)，频率带宽分配示意如图4(a)和图(b)所示。上发送转入步骤7；
步骤7：各个BS波束接收数据。BS的波束1在BW11上对UE11的数据进行解调，在BW12上对UE12的数据进行解调，在BW3上对UE1的数据进行解调。波束2在max(BW1，BW2)上对UE21的数据进行解调，在BW3上对UE1的数据进行解调。
实施实例2
实例场景如图5所示，在蜂窝网小区中，UE采用阵列天线，UE1、UE2分别为BS波束1与波束2的非波束交叠区UE。UE3处于两个波束的交叠区，由BS波束1和波束2共同服务，***总频率资源带宽为BW。
步骤1：当BS有数据向UE发送时，站点发起传输请求，UE同意后，BS波束资源1关联到待服务用户UE1、UE3，波束资源2关联到待服务用户UE2、UE3，建立传输链路，转入步骤2；
当UE有数据向BS发送时，UE发起传输请求，站点同意后，BS波束资源1关联到待服务用户UE1、UE3，波束资源2关联到待服务用户UE2、UE3，建立传输链路，转入步骤6；
步骤2：BS确定为UE1和UE2服务的最小频率带宽资源BW1和BW2，转入步骤3；
步骤3：通过波束成形技术，UE1将自身波束对准BS的波束1，UE2将自身波束对准BS的波束2，UE3通过波束扫描将自身波束对准最大增益方向。通过OFDM，BS的波束1将UE1数据调制到max(BW1，BW2)上发送，将UE3数据调制到BW3＝BW-max(BW1，BW2)上发送。BS的波束2将UE2数据调制到max(BW1，BW2)上发送，将UE3数据调制到BW3上发送，频率带宽分配示意如图6所示。转入步骤4；
步骤4：各个UE接收数据。UE1在max(BW1，BW2)上对数据进行解调，UE2在max(BW1，BW2)上对数据进行解调，UE3在BW3上对数据进行解调。
步骤5：BS确定为UE1和UE2服务的最小频率带宽资源BW1和BW2，转入步骤6；
步骤6：通过波束成形技术，UE1将自身波束对准BS的波束1，UE2将自身波束对准BS的波束2，UE3通过波束扫描将自身波束对准最大增益方向。UE1将数据调制到max(BW1，BW2)上发送，UE2数据调制到max(BW1，BW2)上发送，UE3将数据调制到BW3＝BW-max(BW1，BW2)上发送，频率带宽分配示意如图6所示。转入步骤7；
步骤7：各个BS波束接收数据。BS的波束1在max(BW1，BW2)上对UE1的数据进行解调，在BW3上对UE3的数据进行解调。波束2在max(BW1，BW2)上对UE2的数据进行解调，在BW3上对UE3的数据进行解调。
实施实例3
实例场景如图7所示，在蜂窝网小区中，UE采用全向天线，UE1、UE2分别为BS波束1与波束2的非波束交叠区UE。UE3与UE4处于两个波束的交叠区，由BS波束1和波束2共同服务，***总频率资源带宽为BW。
步骤1：当BS有数据向UE发送时，站点发起传输请求，UE同意后，BS波束资源1关联到待服务用户UE1、UE3、UE4，波束资源2关联到待服务用户UE2、UE3、UE4，建立传输链路，转入步骤2；当UE有数据向BS发送时，UE发起传输请求，站点同意后，BS波束资源1关联到待服务用户UE1、UE3、UE4，波束资源2关联到待服务用户UE2、UE3、UE4，建立传输链路，转入步骤5；
步骤2：BS确定为UE1和UE2服务的最小频率带宽资源BW1和BW2，转入步骤3；
步骤3：通过OFDM，BS的波束1将UE1数据调制到max(BW1，BW2)上发送，将UE3和UE4的数据分别调制到BW3和BW4上发送。BS的波束2将UE2数据调制到max(BW1，BW2)上发送，将UE3和UE4的数据分别调制到BW3和BW4上发送，频率带宽分配示意如图8所示。转入步骤4；
步骤4：各个UE接收数据。UE1在max(BW1，BW2)上对数据进行解调，UE2在max(BW1，BW2)上对数据进行解调，UE3在BW3上对数据进行解调，UE4在BW4上对数据进行解调。
步骤5：BS确定为UE1和UE2服务的最小频率带宽资源BW1和BW2，转入步骤6；
步骤6：UE1将数据调制到max(BW1，BW2)上发送，UE2数据调制到max(BW1，BW2)上发送，UE3将数据调制到BW3上发送，UE4将数据调制到BW4上发送，频率带宽分配示意如图8所示。转入步骤7；
步骤7：各个BS波束接收数据。BS的波束1在max(BW1，BW2)上对UE1的数据进行解调，在BW3上对UE3的数据进行解调，在BW4上对UE4的数据进行解调。波束2在max(BW1，BW2)上对UE2的数据进行解调，在BW3上对UE3的数据进行解调，在BW4上对UE4的数据进行解调。
实施实例4
实例场景如图9所示，在无线局域网中，UE采用全向天线，UE1、UE2分别为AP波束1与波束2的非波束交叠区UE。UE3处于两个波束的交叠区，由AP波束1和波束2共同服务，***总频率资源带宽为BW。
步骤1：当AP有数据向UE发送时，站点发起传输请求，UE同意后，AP波束资源1关联到待服务用户UE1、UE3，波束资源2关联到待服务用户UE2、UE3，建立传输链路，转入步骤2；当UE有数据向AP发送时，UE发起传输请求，站点同意后，AP波束资源1关联到待服务用户UE1、UE3，波束资源2关联到待服务用户UE2、UE3，建立传输链路，转入步骤5；
步骤2：AP确定为UE1和UE2服务的最小频率带宽资源BW1和BW2，转入步骤3；
步骤3：通过OFDM，AP的波束1将UE1数据调制到max(BW1，BW2)上发送，将UE3数据调制到BW3＝BW-max(BW1，BW2)上发送。AP的波束2将UE2数据调制到max(BW1，BW2)上发送，将UE3数据调制到BW3上发送，频率带宽分配示意如图10所示。转入步骤4；
步骤4：各个UE接收数据。UE1在max(BW1，BW2)上对数据进行解调，UE2在max(BW1，BW2)上对数据进行解调，UE3在BW3上对数据进行解调。
步骤5：AP确定为UE1和UE2服务的最小频率带宽资源BW1和BW2，转入步骤6；
步骤6：UE1将数据调制到max(BW1，BW2)上发送，UE2数据调制到max(BW1，BW2)上发送，UE3将数据调制到BW3＝BW-max(BW1，BW2)上发送，频率带宽分配示意如图10所示。转入步骤7；
步骤7：各个AP波束接收数据。AP的波束1在max(BW1，BW2)上对UE1的数据进行解调，在BW3上对UE3的数据进行解调。波束2在max(BW1，BW2)上对UE2的数据进行解调，在BW3上对UE3的数据进行解调。

Claims (1)

1.一种波束通信的协作增强传输方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1：设在一个站点中存在站点波束i，i＝1，2，...，n，n＞1，分别服务非波束交叠区UEij，其中j＝1，2，...，mi mi＞1，n为参与同一协作的站点波束个数，mi为站点波束i服务的非波束交叠区UE个数，同时UEk处于n个站点波束的共同交叠区，其中
k＝1，2，...，1，1＞0，1为波束交叠区UE的总数，***总频率资源带宽为BW；
当下行时，即站点有数据向UE发送时，站点发起传输请求，UE同意后，站点波束i关联到待服务UE上，建立传输链路，转入步骤2；
当上行时，即UE有数据向站点发送时，UE发起传输请求，站点同意后，站点波束i关联到待服务UE上，建立传输链路，转入步骤5；
步骤2：站点波束i确定自己服务的所有非波束交叠区UEij所需的最小频率带宽资源总和为BWi，转入步骤3；
步骤3：每个站点波束服务的所有非波束交叠区UE均共同分配max(BWi)频率带宽，max(BWi)为各波束内非波束交叠区UE所需最小频率带宽总和的最大值，所有波束交叠区UE共同分配剩余***频率带宽BWR＝BW-max(BWi)，通过OFDM，站点波束i将自己服务的所有非波束交叠区UEij的数据对应调制到频率带宽BWij上，并将共同协作增强的波束交叠区UEk的数据调制到频率带宽BWRk上，BWRk为波束共同的交叠区用户k分配的带宽，发送数据，转入步骤4，其中，k＝1，2，...，lm≥l＞0；
步骤4：各个UE接收数据，并在相应的频率带宽上对数据进行解调；
步骤5：站点波束i确定自己服务的所有非波束交叠区UEij所需的最小频率带宽资源总和为BWi，转入步骤6；
步骤6：每个站点波束服务的所有非波束交叠区UE均共同分配max(BWi)频率带宽，所有波束交叠区UE共同分配剩余***频率带宽BWR＝BW-max(BWi)，通过OFDM，非波束交叠区UEij将自己的数据调制到频率带宽BWij上，波束交叠区UEk将自己的数据调制到频率带宽BWRk上，发送数据，转入步骤7；
步骤7：各个站点波束接收数据，并在相应的频带上对数据进行解调。
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