一种协作迫零波束成形方法
阅读：427发布：2020-05-15
专利汇可以提供一种协作迫零波束成形方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种协作迫零波束成形方法。本发明的方法中协作集内的各基站根据用户的上行 信号 功率根据信道互易性和一阶扰动补偿 算法 导致的损失计算出该基站对此用户造成干扰功率；基站根据其造成的干扰功率决定其使用一阶补偿计算波束成形矢量的步长；各基站在步长的传输时间内使用一阶扰动补偿计算波束成形矢量。本发明的基于用户上行信号功率降低小区间干扰的自适应低复杂度协作迫零波束成形方案能够在降低复杂度的同时，有效提高边缘用户的性能。，下面是一种协作迫零波束成形方法专利的具体信息内容。
1.一种协作迫零波束成形方法，具体包括如下步骤：
步骤1.协作集内的各基站根据需要协作服务的用户的上行信号的功率得到该基站对此用户造成的干扰功率；
步骤2.各基站根据其在用户端造成的干扰功率决定其使用一阶补偿计算波束成形矢量的步长；
步骤3.各基站在步长的传输时间内使用一阶补偿计算波束成形矢量。
2.根据权利要求1所述的协作迫零波束成形方法，其特征在于，步骤2中所述的波束成形矢量的步长具体为：
协作集内用户ki所在的基站i计算出使用一阶扰动补偿计算波束成形矢量的步长pi：
其中，Si为基站i在同一时频资源上服务的用户个数，K为协作集内协作基站的个数。
为基站l到用户ki的下行信号功率，ptotal为协作集预先定义的一个总的一阶扰动补偿步长，即协作集内的各基站使用一阶补偿计算波束成形矢量的和是ptotal。
协作集内其它基站j计算出使用一阶扰动补偿计算波束成形矢量的步长pj：
其中， 为基站j到用户ki的下行信号功
率。
3.根据权利要求1或2所述的协作迫零波束成形方法，其特征在于，下行信号功率的具体计算过程如下：
其中， 为基站j接收到的需要协作服务的用户ki的上行信号的功率，PBS为基站的下行信号发射功率，PUE为用户的上行信号发射功率。
一种协作迫零波束成形方法
技术领域
[0001] 本发明属于移动通信技术领域，涉及多小区协作波束成形技术，具体涉及一种低复杂度的多小区协作迫零波束成形方法。
背景技术
[0002] 未来移动通信在传输速率、性能和系统业务容量等方面对无线通信系统提出了更高的要求。LTE采用同频复用组网时，现有的多用户MIMO技术在提高数据传输率的同时也引入了同频干扰，大大限制了小区用户尤其小区边缘用户的频谱效率的提高，成为了制约LTE系统容量提升的主要问题。因此，LTE-A技术规范工作组将小区平均吞吐性能和小区边缘容量的提升作为研究重点，提出了多小区协同通信的概念，其核心思想是：利用协同多点发送与接收(Coordinated Multi-Point transmission and reception，CoMP)技术进行多小区协同处理，通过基站端进行空间、时间及频率的资源调度与预编码技术有效地消除多小区间同频干扰，从而满足LTE-A系统的性能需求。
[0003] LTE-A中，下行CoMP技术包括两种协同方案：联合处理(Joint Processing，JP)以及协作调度/波束成形(Coordinated Scheduling/Coordinated Beamforming，CS/CB)。在联合处理中协作的小区间需要共享发射给用户的数据及用户的下行信道信息、调度信息等，小区之间联合为目标用户提供服务，然而这种方案需要协作小区间的大量信息交换，从而增加了网络开销，限制了其应用范围。相比于联合处理，协同调度/波束成形技术只需要共享用户的信道信息，各小区通过协作波束成形和协作调度对小区网络的空间资源做更合理的分配，从而减小边缘用户受到的干扰和提高小区平均性能。这种方案大大节省了系统进行数据共享、联合预编码等操作所带来的开销，因此得到了广泛的应用。
[0004] TDD系统中基站可以根据信道互易性获取用户的下行信道信息，非常适合协作波束成形技术的应用，然而波束成形技术中高复杂度的矩阵运算制约了其在实际系统中的应用，未来无线通信系统中天线数的增长使得该问题尤其突出。
[0005] 利用信道时域上的相关性，使用一阶扰动补偿得到时域上临近的信道矩阵分解可以大大降低系统的运算复杂度，使用一阶扰动补偿在降低复杂度的同时也导致了性能的下降，协作系统中用户受到来自各基站的干扰功率不对称情况下，如何设置协作集内各基站的扰动补偿的步长以降低小区间干扰是协作波束成形技术的关键问题。
发明内容
[0006] 本发明的目的是为了解决现有技术存在的上述问题，提出了一种协作迫零波束成形方法。
[0007] 本发明的技术方案为：一种协作迫零波束成形方法，具体包括如下步骤：
[0009] 步骤2.各基站根据其在用户端造成的干扰功率决定其使用一阶补偿计算波束成形矢量的步长；
[0010] 步骤3.各基站在步长的传输时间内使用一阶补偿计算波束成形矢量。
[0011] 本发明的有益效果：本发明的方法根据用户上行信号功率分配各协作基站的一阶扰动补偿的步长，从而减小了协作系统中当来自不同基站的干扰功率不同时，各基站等步长设置的一阶扰动补偿方法的性能损失。本发明的方法通过分配协作集内各小区不同的一阶扰动补偿步长以低复杂度分布式实现了协作迫零波束成形，能够降低小区边缘用户的干扰，提高了小区边缘用户的性能。附图说明
[0012] 下面将通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：
[0013] 图1为本发明协作迫零波束成形方法的流程示意图；
[0014] 图2为本发明基站端基于用户上行信号功率的自适应一阶扰动补偿的波束成形示意框图；
[0015] 图3为本发明中协作波束成形使用场景的示意图；
[0016] 图4为本发明中使用一阶扰动补偿计算波束成形矢量的流程图；
[0017] 图5为本发明自适应一阶扰动补偿协作波束成形在服务小区和干扰小区的步长示意图；
[0018] 图6为本发明方法与传统方法的浮点运算次数与天线数的关系示意图；
[0019] 图7为本发明在多小区环境下用户发射上行信号到基站波束成形数据发射的示意图。
具体实施方式
[0020] 为使本发明的目的、技术方案更加清楚明白，以下参照附图并根据实施例，对本发明做进一步的详细说明。
[0021] 本发明协作迫零波束成形方法的流程示意图如图1所示，具体包括如下步骤：
[0022] 步骤1.协作集内的基站j根据接收到的需要协作服务的用户ki的上行信号的功率 得到该基站到此用户的下行信号功率
[0023]
[0024] 其中，PBS为基站的下行信号发射功率，PUE为用户的上行信号发射功率。
[0025] 由下行信号功率 即可得到该基站对此用户造成的干扰功率。
[0026] 步骤2.各基站根据其在用户端造成的干扰功率根据下式决定其使用一阶补偿计算波束成形矢量的步长。
[0027] 协作集内用户ki所在的基站i计算出使用一阶扰动补偿计算波束成形矢量的步长pi：
[0028]
[0029] 其中，Si为基站i在同一时频资源上服务的用户个数，K为协作集内协作基站的个数。 为根据式(1)得到的基站l到用户ki的下行信号功率。
[0030] 协作集内其它基站j计算出使用一阶扰动补偿计算波束成形矢量的步长pj：
[0031]
[0032] 步骤3.各基站在步长的传输时间内使用一阶补偿计算波束成形矢量。
[0033] 参照图2，具体说明如下：
[0034] 根据协作调度器的调度决策，协作集内各基站测量出接收到的需要协作波束成形服务的用户ki的上行信号功率 其中，基站i服务的用户k记为用户ki。
[0035] 各基站通过测量的用户信号功率 根据上下行的互易性计算出基站到用户的信号功率
[0036] 在步骤303中，协作集预先定义的一个总的一阶扰动补偿步长ptotal，即协作集内的各基站使用一阶补偿计算波束成形矢量的和是ptotal。
[0037] 在步骤303中，基站根据其使用一阶扰动补偿导致的干扰项的期望计算其最优的步长，一阶扰动补偿的迫零波束成形引入的干扰功率的期望表示为：
[0038]
[0039]
[0040]
[0041] 其中， 是n时刻基站i到用户ki的信道矩阵， 是用户mi的波束成形矢2
量，c′=4×0.102，Ts是符号时间，λ是波长， 用户mi计算波束成形矢量的扰动步长，Nt是基站的反射天线数，vi是用户相对于基站i的移动速度，
量，c′=4×0.102，Ts是符号时间，λ是波长， 用户mi计算波束成形矢量的扰动步长，Nt是基站的反射天线数，vi是用户相对于基站i的移动速度，
[0043] 为了降低一阶扰动补偿导致的干扰项(4)，协作集内各小区总扰动步长为ptotal时最小化干扰的问题为：
[0044] （5）
[0045]
[0046] 其中，L为一个小区服务的用户个数，K为协作集内协作基站的个数。由式（5）被协作波束成形服务的用户受到的来自各小区的干扰只与其接收到的基站信号功率有关系，因此一个小区内的共用此时频资源的用户的一阶扰动补偿步长是相同的，从而：
[0047] （6）
[0048]
[0049] 其中，|Si|代表小区i在同一时频资源服务的用户个数,pi是基站i的更新波束成形矢量的扰动补偿步长。式（6）的拉格朗日函数为：
[0050] （7）
[0051]
[0052] 对p1，...,pK和λ求导，得到：
[0053]
[0054]
[0055]
[0056] 解(8-10)得到约束问题式(5)的解，得到基站为最小化协作集内基站总干扰使用的一阶扰动补偿计算波束成形矢量的步长：
[0057]
[0058]
[0059] 其中，Si为基站i在同一时频资源服务的用户个数，K为协作集内协作基站的个数， 为基站l到用户ki的信号功率。
[0060] 需要说明的是：干扰功率是通过下行信号功率乘以式（4）得到的，因而要得到干扰功率首先要得到下行信号功率，干扰功率决定了扰动补偿的步长，因此最终的步长只与下行信号功率有关。
[0061] 在步骤304中，基站i在步长pi的时间间隔内使用一阶扰动补偿计算出迫零波束成形矢量：
[0062] （13）
[0063]
[0064] 其中， 为时刻n用户ki的波束成形矢量， 为时刻n与时刻m的信道矩阵变化， 为 的伪逆：
[0065]
[0066] 为用户ki的合成干扰信道矩阵：
[0067]
[0068] L为一个基站在同一时频资源上服务的用户个数， 为用户kj到基站i的下行信道矩阵。
[0069] 当协作调度器在基站i调度到新的用户或使用一阶扰动补偿更新pi次之后，对进行奇异值分解得到此时刻的波束成形矢量wk：
[0070]
[0071] 其中， 是矩阵 的奇异值分解的右奇异矩阵，即
[0072] 图3给出了本发明中协作波束成形使用场景的示意图，协作调度器为每个小区在一个时频资源上调度用户，并将受小区间干扰较强的需要协作波束成形服务的边缘用户告知协作集内各基站。图4为本发明中使用一阶扰动补偿计算波束成形矢量的流程图。
[0073] 图5为本发明自适应一阶扰动补偿协作波束成形两小区协作时，总扰动补偿步长ptotal=20时，服务小区和干扰小区的步长配置结果；
[0074] 图6为本发明方法与传统方法的浮点运算次数与天线数的关系示意图；
[0075] 图7为本发明在多小区环境下根据用户发射的上行信号功率在基站端使用自适应步长的一阶扰动补偿的波束成形数据发射示意图。
[0076] 协作集内各基站根据用户的上行信号在发射端根据以上方法设置本基站的一阶扰动补偿的步长，基站端在所得步长内使用一阶扰动补偿的迫零波束成形得到波束成形矢量，对用户数据进行加权后发射带有用户解调专用参考信号（DM-RS）的数据，实现了对用户的协作波束成形数据发射服务。从图中可以看出，本发明的方法通过分配协作集内各小区不同的一阶扰动补偿步长以低复杂度分布式实现了协作迫零波束成形，能够降低小区边缘用户的干扰，提高小区边缘用户的性能。
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