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CN102075959B - LTE-A系统中CoMP下的协调波束成形方法 - Google Patents

LTE-A系统中CoMP下的协调波束成形方法 Download PDF

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CN102075959B
CN102075959B CN2011100023508A CN201110002350A CN102075959B CN 102075959 B CN102075959 B CN 102075959B CN 2011100023508 A CN2011100023508 A CN 2011100023508A CN 201110002350 A CN201110002350 A CN 201110002350A CN 102075959 B CN102075959 B CN 102075959B
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China
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李兵兵
刘明骞
黄子甲
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Xidian University
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Xidian University
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    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
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Abstract

本发明公开了一种LTE-A系统中CoMP下行小区协调波束成形方法，主要解决小区间边缘用户吞吐量低和同频干扰问题。其实现步骤是：(1)基站利用导频得到其到用户的信道矩阵并求出相关矩阵；(2)基站根据最大信噪比准则对相关矩阵进行奇异值分解，求出其最大特征值对应的特征向量
Figure DSA00000411593700011
(3)在码本空间中找到距离
Figure DSA00000411593700012
最小的码字
Figure DSA00000411593700013
(3)基站根据用户泄漏信号最小准则在码本中找到码字
Figure DSA00000411593700014
(4)判断
Figure DSA00000411593700015
与
Figure DSA00000411593700016
是否一样，如果一样则找到了用户的波束成形向量，若没有找到则进行下一步；(5)码本空间中找出到码字
Figure DSA00000411593700017
和
Figure DSA00000411593700018
距离之和最小的码字作为用户的波束成形向量。本发明能够在有效控制小区边缘用户泄露信号能量的同时提高小区边缘用户的平均吞吐量，抑制了相邻小区边缘用户间同频干扰。

Description

LTE-A系统中CoMP下的协调波束成形方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种先进的长期演进(Long TermEvolution-Advanced简称LTE-A)系统中在协作多点传输(Coordinated MultiPoint transmission/reception简称CoMP)技术条件下的协调波束成形方法。
背景技术
LTE-A系统中小区内用户间同频干扰可以通过资源分配算法有效地消除，但是在多小区系统中，相邻小区边缘用户间同频干扰依然存在，属于不同小区的用户在相同的时频资源上容易发生冲突，成为小区边缘用户吞吐量进一步提高的主要障碍之一。
为了进一步有效地抑制小区间干扰，LTE-A系统中引入了CoMP技术。由于CoMP技术可以在多个小区间共享信道和数据信息并在这些信息的基础上优化多个小区的整体系统性能，相比于在单小区基础上确定传输方案的LTE系统，其有效改善了边缘用户的性能。协调波束成形技术是下行CoMP技术中的一种，在该种技术下，协作基站只需要共享信道信息，不需要共享数据信息，所要传输的数据信息只能由服务小区所在的基站进行发送，数据信息并不在多个基站之间共享，协作簇内的基站各自服务各自的用户，即一个用户只由一个基站服务，如何进行波束成形则是由协作基站共同决定的。
目前，多小区波束成形技术主要是多小区的块对角化(BlockDiagonalization简称BD)算法，此算法是将若干个协作基站和他们服务的用户等效为一个虚拟多输入多输出(Multiple Input Multiple Output简称MIMO)系统，然后再将BD算法应用于此等效系统，但是必须满足接收天线总数必须小于等于发送天线数，不得不限制服务用户的人数，并且根据协调波束成形技术的特点，要求用户的数据只能由服务小区所在的基站进行发送，即一个用户只由一个基站服务，因此就无法形成一个虚拟MIMO系统，所以BD算法也就很难实现多小区协调波束成形技术。
另外，将基于用户泄漏信号最小(Signal to Leakage and Noise Ratio简称SLNR)准则应用于多小区协调波束成形，用户进行波束赋形时，要求泄露到其他用户的信号能量最小。该算法无用户数目和收发天线数目限制，但其缺点是用户吞吐量不高，仅仅减少了泄露信号的能量。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种适用于LTE-A系统的多小区协调波束成形方法。实现本发明目的的基本思想是：将SLNR准则应用于多小区系统，协作小区共享码本，基站不仅仅要根据SLNR准则找到对相邻小区同频用户干扰最小的波束成形向量，而且也要根据最大信噪比(Signal Noise Ratio简称SNR)准则找到使用户信号能量最大的波束成形向量，然后在码本空间中找出到以上两个向量距离之和最小的码字作为用户的波束成形向量。
本发明的方法包括如下步骤：
一种LTE-A系统中CoMP下行小区协调波束成形方法，包括如下步骤：
(1)确定参与CoMP的M个基站BSm，m＝1，…，M和协作小区中的M个同频用户，共享码本C＝(c1，c2，…，cN)，每个基站有Nt个发送天线，每个用户有Nr个接受天线，目标用户i由基站BSi服务；
(2)基站BSi通过上，下行信道的互易性，得到BSi到目标用户
Figure BSA00000411594000031
的信道状态矩阵
Figure BSA00000411594000032
和BSi到其他同频用户
Figure BSA00000411594000033
的信道状态矩阵
Figure BSA00000411594000034
j＝1，…，M，j≠i，然后计算
Figure BSA00000411594000035
(3)对相关矩阵进行SVD分解
Figure BSA00000411594000036
并求出其最大特征值
Figure BSA00000411594000037
对应的特征向量
(4)计算
Figure BSA00000411594000039
l＝1…N，cl∈C得到d1，…，dN，找到d＝min{d1，d2，…，dN}所对应的码字记为
Figure BSA000004115940000310
其中，‖·‖F代表取Frobenius范数，H代表取共轭；
(5)计算
Figure BSA00000411594000041
l＝1…N，cl∈C得SLNRi，1，…，SLNRi，N找到
Figure BSA00000411594000042
所对应的码字记为
Figure BSA00000411594000043
代表接收到的高斯白噪声的均值；
(6)如果
Figure BSA00000411594000046
则就作为用户
Figure BSA00000411594000048
的波束成形向量Fi，否则执行步骤(7)；
(7)求找到d＝min{d1，d2，…，dN}所对应的cl记为
Figure BSA000004115940000410
就作为用户
Figure BSA000004115940000411
的波束成形向量Fi；
(8)对于j＝1…M，j≠i重复(2)～(7)得到
Figure BSA000004115940000413
的波束成形向量Fj，以及其对应码字的索引，这些索引号通过基站间的信息交互实现共享；
(9)发送信号
Figure BSA000004115940000414
乘Fi后一起发送，同时从控制信道发送其对应码字的索引和协作小区中其他同频用户的索引号；
(10)接收到信号yk(k＝1，…M)后，根据控制信息中的索引号，从而得到目标用户
Figure BSA000004115940000415
的相应Fi以及其他同频用户的波束成形向量，采用MMSE检测算法恢复出信号。
所述的LTE-A系统中CoMP下行小区协调波束成形方法，其中步骤(1)所述的码本C＝(c1，c2，…，cN)，是通过Household变换产生的酉矩阵码本，码本构造包括如下步骤：
(1)构造层映射层数v＝1时满足格拉斯曼子空间集合问题的预编码矩阵；
(2)对于层映射层数v＝N，N为发端天线数，构造单位列向量u，使得Household矩阵HHousehold＝I-2uuH的第一列等于层数v＝1时的预编码矩阵，取该HHousehold作为预编码矩阵；
(3)对于层映射层数1＜v＜N的情况，选取HHousehold的前v列作为预编码矩阵。
所述的LTE-A系统中CoMP下行小区协调波束成形方法，其中步骤(2)所述的上，下行信道的互易性是通过在TDD的MIMO系统中，用户在上行信道发送信号时，同时发送sounding导频信号，不同用户选择不同的码作为sounding导频发送；在基站侧，通过对sounding导频信号检测，估计出用户的上行信道Hup，利用TDD系统中上下行信道的互易性，即可得出下行信道Hup≈Hdown。
所述的LTE-A系统中CoMP下行小区协调波束成形方法，其中步骤(3)中所述的对相关矩阵进行SVD分解是指对
Figure BSA00000411594000061
进行奇异值分解，如下式：
Figure BSA00000411594000062
设秩
Figure BSA00000411594000063
为r，即
Figure BSA00000411594000064
其中V(1)为r个非零特征值所对应的特征向量，而V(0)为剩余的Nt-r个零值所对应的特征向量，U和D是分别为一个酉矩阵和对角矩阵。
所述的LTE-A系统中CoMP下行小区协调波束成形方法，其中步骤(8)所述的索引号通过基站间的信息交互实现共享，是通过连接基站间的光纤进行信息交流，使协作集中每个基站均可获得其他基站所服务的同频用户的波束成形向量。
所述的LTE-A系统中CoMP下行小区协调波束成形方法，其中步骤(10)所述的MMSE检测算法匹配滤波器的表达式如式：
Figure BSA00000411594000065
并最终估计出发送信号，如下式所示：
Figure BSA00000411594000066
本发明与现有技术相比具有的优点：不仅能够有效控制泄露到其他用户的信号能量，降低相邻小区边缘用户间同频干扰，而且有效提高了小区边缘用户的平均吞吐量。
附图说明
图1是本发明流程示意图；
图2是本发明协调波束成形方法与基于用户泄漏信号最小(SLNR)准则的协调波束成形方法的用户平均吞吐量仿真比较图；
图3是本发明协调波束成形方法与基于用户泄漏信号最小(SLNR)准则的协调波束成形方法的用户平均泄露能量与噪声能量比仿真比较图。
具体实施方式
参见图1，本发明LTE-A系统中协调波束成形方法实现步骤如下：
步骤1，确定参与CoMP的M个基站BSm，m＝1，…，M和协作小区中的M个同频用户，共享码本C＝(c1，c2，…，cN)，每个基站有Nt个发送天线，每个用户有Nr个接受天线，目标用户i由基站BSi服务；上述协作小区中的M个同频用户是指每个小区内部已经完成频率资源分配，小区内时频资源充足，可以实现小区内每个用户在同一时刻使用不同的频段，所以小区内部不存在同频干扰，只需考虑协作集中小区间用户的同频干扰，M个协作基站BSm，m＝1，…，M，所以至多有M个同频用户；
步骤2，基站BSi通过上，下行信道的互易性，得到BSi到目标用户的信道状态矩阵
Figure BSA00000411594000072
和BSi到其他同频用户
Figure BSA00000411594000073
的信道状态矩阵
Figure BSA00000411594000074
j＝1，…，M，j≠i，然后计算相关矩阵
Figure BSA00000411594000075
上述的上，下行信道的互易性是通过在TDD的MIMO系统中，用户在上行信道发送信号时，同时发送sounding导频信号，不同用户选择不同的码作为sounding导频发送。在基站侧，通过对sounding导频信号检测，估计出用户的上行信道Hup，利用TDD系统中上下行信道的互易性，即可得出下行信道Hup≈Hdown。
步骤3，对相关矩阵
Figure BSA00000411594000081
进行SVD分解
Figure BSA00000411594000082
并求出其最大特征值
Figure BSA00000411594000083
对应的特征向量
其中步骤3中所述的对相关矩阵进行SVD分解是指对
Figure BSA00000411594000085
进行奇异值分解，如下式：
设秩
Figure BSA00000411594000087
为r，即
Figure BSA00000411594000088
其中V(1)为r个非零特征值所对应的特征向量，而V(0)为剩余的Nt-r个零值所对应的特征向量，U和S是分别为一个酉矩阵和对角矩阵。
步骤4，计算
Figure BSA00000411594000089
l＝1…N，cl∈C得到d1，…，dN，找到d＝min{d1，d2，…，dN}所对应的码字记为
Figure BSA000004115940000810
其中步骤4所述的公式
Figure BSA000004115940000811
‖·‖F代表取Frobenius范数，H代表取共轭。
步骤5，计算
Figure BSA000004115940000812
l＝1…N，cl∈C得SLNRi，1，…，SLNRi，N找到所对应的码字记为
Figure BSA000004115940000814
其中步骤5所述的公式
Figure BSA000004115940000815
代表接收到的高斯白噪声的均值。
步骤6，如果则
Figure BSA000004115940000819
就作为用户的波束成形向量Fi，否则进行步骤7；
步骤7，寻找到码字
Figure BSA00000411594000091
和
Figure BSA00000411594000092
距离之和最小的码字作为用户的波束成形向量，即计算
Figure BSA00000411594000093
找到d＝min{d1，d2，…，dN}所对应的cl记为就作为用户的波束成形向量Fi；
步骤8，同理，对于
Figure BSA00000411594000096
j＝1…M，j≠i重复(2)～(7)得到
Figure BSA00000411594000097
的波束成形向量Fj，以及其对应码字的索引，这些索引号通过基站间的信息交互实现共享；
所述的索引号通过基站间的信息交互实现共享，是通过连接基站间的光纤进行信息交流，使协作集中每个基站均可获得其他基站所服务的同频用户的波束成形向量。
步骤9，发送信号
Figure BSA00000411594000098
乘Fi后一起发送，同时从控制信道发送其对应码字的索引和协作小区中其他同频用户的索引号；
步骤10，接收到信号yk(k＝1，…M)后，根据控制信息中的索引号，从而得到目标用户的相应Fi以及其他同频用户的波束成形向量，采用MMSE检测算法恢复出信号。
本发明的效果可以通过仿真图2，3进一步说明：
仿真环境，见表1
表1：仿真环境
  小区构造   六边形2小区每小区3个扇区
  基站间距离   500米
Figure BSA00000411594000101
仿真结果：
基于表1设置的仿真参数进行仿真的结果如图2，图3所示。图2中给出了在LTE-A系统下，本发明协调波束成形方法与基于SLNR准则协调波束成形方法的用户平均吞吐量仿真比较图。由图2可知，本发明提出的协调波束成形方法与基于SLNR准则协调波束成形方法相比，在高信噪比条件下有效提高了小区边缘用户的平均吞吐量。图3给出了本发明协调波束成形方法与基于SLNR准则波束成形方法的用户平均泄露能量与噪声能量比仿真比较图，由图3可知，本发明提出的协调波束成形方法与基于SLNR准则协调波束成形方法相比，并没有引起较大平均泄露能量，有效抑制了相邻小区同频用户间的干扰。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种LTE-A系统中CoMP下行小区协调波束成形方法，其特征在于，包括如下步骤： 
(1)确定参与CoMP的M个基站BSm，m＝1，…，M和协作小区中的M个同频用户，共享码本C＝(c1，c2，…，cN)，每个基站有Nt个发送天线，每个用户有Nr个接受天线，目标用户i由基站BSi服务； 
(2)基站BSi通过上，下行信道的互易性，得到BSi到目标用户
Figure FSB00001073926200011
的信道状态矩阵
Figure FSB00001073926200012
和BSi到其他同频用户
Figure FSB00001073926200013
的信道状态矩阵
Figure FSB00001073926200014
然后计算
Figure FSB00001073926200015
(3)对相关矩阵进行SVD分解
Figure FSB00001073926200016
并求出其最大特征值
Figure FSB00001073926200017
对应的特征向量
其中，设
Figure FSB00001073926200019
的秩为r，V＝V(1)V(0)，v(1)为r个非零特征值所对应的特征向量，而v(0)为剩余的Nt-r个零值所对应的特征向量，U和S分别为一个酉矩阵和对角矩阵； 
(4)计算
Figure FSB000010739262000110
l＝1…N，cl∈C得到d1，…，dN，找到d＝min{d1，d2，…，dN}所对应的码字记为其中，||·||F代表取Frobenius范数，H代表取共轭； 
(5)计算
Figure FSB000010739262000112
l＝1…N，cl∈C得SLNRi，l，…，SLNRi，N找到 
Figure FSB000010739262000113
所对应的码字记为
Figure FSB000010739262000114
Figure FSB000010739262000115
代表接收到的高斯白噪声的均值；
(6)如果
Figure FSB000010739262000117
则
Figure FSB000010739262000118
就作为用户
Figure FSB000010739262000119
的波束成形向量Fi，否则执 行步骤(7)； 
(7)求
Figure FSB00001073926200021
找到d＝min{d1，d2，…，dN}所对应的cl记为
Figure FSB00001073926200022
，就作为用户
Figure FSB00001073926200023
的波束成形向量Fi； 
(8)对于
Figure FSB00001073926200024
j＝1…M，j≠i重复(2)～(7)得到
Figure FSB00001073926200025
的波束成形向量Fj，以及其对应码字的索引，这些索引号通过基站间的信息交互实现共享； 
(9)发送信号
Figure FSB00001073926200026
乘Fi后一起发送，同时从控制信道发送其对应码字的索引和协作小区中其他同频用户的索引号； 
(10)接收到信号yk(k＝1，…M)后，根据控制信息中的索引号，从而得到目标用户
Figure FSB00001073926200027
的相应Fi以及其他同频用户的波束成形向量，采用MMSE检测算法恢复出信号。 
2.根据权利要求1所述的LTE-A系统中CoMP下行小区协调波束成形方法，其特征在于，其中步骤(1)所述的码本C＝(c1，c2，…，cN)，是通过Household变换产生的酉矩阵码本，码本构造包括如下步骤： 
(1)构造层映射层数v＝1时满足格拉斯曼子空间集合问题的预编码矩阵； 
(2)对于层映射层数v＝N，N为发端天线数，构造单位列向量u，使得Household矩阵HHousehold＝I-2uuH的第一列等于层数v＝1时的预编码矩阵，取该HHousehold作为预编码矩阵； 
(3)对于层映射层数1＜v＜N的情况，选取HHousehold的前v列作为预编码矩阵。 
3.根据权利要求1所述的LTE-A系统中CoMP下行小区协调波束成形方法，其特征在于，其中步骤(2)所述的上，下行信道的互易性是通过 在TDD的MIMO系统中，用户在上行信道发送信号时，同时发送sounding导频信号，不同用户选择不同的码作为sounding导频发送；在基站侧，通过对sounding导频信号检测，估计出用户的上行信道Hup，利用TDD系统中上下行信道的互易性，即可得出下行信道Hup≈Hdown。 
4.根据权利要求1所述的LTE-A系统中CoMP下行小区协调波束成形方法，其特征在于，其中步骤(8)所述的索引号通过基站间的信息交互实现共享，是通过连接基站间的光纤进行信息交流，使协作集中每个基站均可获得其他基站所服务的同频用户的波束成形向量。 
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