专利名称：一种基于SINR门限和令牌的CoMP下行动态协作簇选择方法
技术领域：
本发明涉及蜂窝协作通信系统下行传输时动态选择多小区协作簇的方 法，尤其涉及一种基于信干噪比(SINR)门限和令牌的协作多点传输 (Coordinated Multi-Point, CoMP)下行动态协作簇选择方法，属于移动通 信、无线通信技术领域。
(二)
背景技术：
随着通信业务的发展以及人们需求的增长，未来的无线通信系统需要支 持高速率、大容量。目前的蜂窝通信系统存在若干问题，小区间的干扰是其 中较为严重的一个。位于小区边缘的用户容易受到相邻小区的干扰，于是小 区边缘用户的性能很差，成为制约系统整体性能的瓶颈。
针对这一 问题，近年出现了协作多点传输(CoMP)的方法。其基本思想 是让不同小区的基站下行协作传输数据。协作多点传输能充分利用多基站、 多用户和多天线资源，提高小区用户平均性能尤其是小区边缘用户的性能。
在下行协作多点传输过程中，协作基站需将用户的信道信息传递给中心 处理单元，中心处理单元实现用户调度和预编码，并将调度和预编码的结果 传给协作基站。随着协作基站个数的增加，对协作基站与中心处理单元间的 回传信道容量的要求大大增加，协作所需的信令和反馈开销迅速增加，资源 分配和预编码的实现复杂度也急剧增长，但是协作带来的性能增益却在逐步 减小。为了降低协作传输系统的复杂度，需要将网络中的大量基站划分为不 同的协作簇，在各协作簇内进行基站协作传输。
固定分簇是最简单的协作簇划分方法。对于由固定分簇事先设计的任意 一种分簇结果，簇内的若干小区将构成一个"超级小区，，进行协作下行传输， 从而使簇内不再产生小区间干扰。但是，这种"超级小区"的边缘用户仍然受 到较强的簇间千扰，因此其性能依然较差。
本发明针对这一问题，提出了一种动态选择协作簇的方法，保证了边缘
5用户的性能。
发明内容
1、 发明目的
本发明的目的在于提供一种基于SINR门限和令牌的CoMP下行动态协 作簇选择方法。通过基于SINR门限动态选择协作簇，且簇内多个基站进行 协作下行多天线预编码传输，可以改善小区边缘用户的性能；通过传输和管 理令牌，可以解决选簇时的冲突问题。
2、 4支术方案
本发明的基本思想是根据小区边缘用户来确定协作簇，这样可以保证 边缘用户的性能；挑选干扰最大的小区来协作，这样可以使协作增益最大； 以使小区边缘用户的信干噪比达到给定门限的准则来确定协作蔟的大小，这 样可以灵活调整门限从而在性能和复杂度之间折中；基于令牌来选择协作 簇，避免了不同用户同时选择协作小区时的冲突问题。
本发明的具体技术方案是 一种基于SINR门限和令牌的CoMP下行动 态协作簇选择方法，它是由基于SINR门限的动态分簇方法和基于令牌的冲 突避免方法两部分组成，其具体步骤如下 (1 )基于SINR门限的动态分簇方法
假设有iVc个小区，每个小区内的基站(BS)配有iW个天线。在每个小 区内散布有7VM个用户(UE)，每个用户配有A/r个天线。设C表示所有小区
的集合，S表示尚未分簇的小区集合，U(S)表示S集合里的各个小区内所有
用户的集合。初始状态时S-C。 步骤一选出SINR最差的用户
每一个用户均可以接收所有基站发送的导频信号，并测量其强度。用户 将所在小区基站发送的信号看做有用信号，将其余iVc-l个基站发送的信号 看做干扰，用有用信号的能量除以干扰信号和噪声的能量之和，就可以计算 出自己的SINR。计算各个用户的SINR时，既可以使用瞬时导频信号能量， 也可以使用对导频信号长时间统计所得的能量。
在集合U(S)中选出SINR最差的用户，并基于它来选择协作簇。步骤二选择一个协作簇
假设步骤一挑出用户所在的小区为Cl,在S中按照对该用户干扰从大到
小的顺序依次选出〖个小区C2,C3,…,Cm与c,协作。协作簇的大小为〖+ l，其
中尺由以下原则确定
1、 当协作簇大小为尺时，协作后用户的SINR达不到给定门限，即
-< 5"層—Aw/w W
2、 当协作簇大小为K + 1时，协作后用户的SINR可以达到给定门限，
即
-2 S層—紐AoW
以上两个不等式左边的分式表示小区协作后该用户的信干噪比，分子部 分为有用信号能量，分母部分为干扰信号能量和噪声能量之和。其中尸c,表
示第。个小区的基站到该用户的信号能量，o"2表示噪声能量，
S/JV7 — AmAoW为给定的信干噪比门限。
步骤三选出所有协作簇
从s中剔除步骤二中选出的/:+i个小区，重复步骤一、二，选出下一个 协作簇。直至7Vc个小区全部分簇。 步骤四每个协作簇内调度用户
在每一个协作簇内，可以同时服务多个用户。调度用户时，第一个调度 划分本协作簇时所依据的那个最差SINR用户。调度其余的用户时，以和数 据率最大为原则进行挑选在未被调度的用户集合中选出一个用户，将该用 户加入已调度用户集合后，所有用户可达到的总数据率最大，且大于未将该 用户加入已调度用户集合时的总数据率。 (2) 基于令牌的冲突避免方法为了提高分簇效率，可以让多个用户同时选择协作簇。但若不同的用户 同时选择同一个小区构成协作簇，就会发生沖突。针对多个用户同时选择协 作簇时的冲突问题，提出了如下基于令牌的动态分蔟方法。
步骤一将多个小区划分为若干区域，每个区域内确定一个令牌管理基站。
步骤二各用户向所在小区基站上行反馈自身的SINR等统计信息，各 基站将本小区内的最差SINR用户信息上传给本区域的令牌管理基站。
步骤三令牌管理基站根据收到的统计信息，将令牌发给本区域内SINR 最差的用户。依据该用户划分一个协作簇后，将令牌传递给本区域内尚未分 簇小区中的最差SINR用户。直至本区域的所有小区全部分簇后，停止本区 域令牌的发力文。
划分出的若千区域只是为了便于令牌的管理和发放，并不限制隶属不同 区域的基站之间进行协作。 3、优点及功效
本发明一种基于SINR门限和令牌的CoMP下行动态协作簇选择方法， 具有如下优点
a、 一般SINR最差的用户都处于小区边缘，基于这些边缘用户来挑选 协作簇，可以保证边缘用户的性能。相对于固定分簇而言，基于边缘用户的 动态分簇方法可以获得更高的小区边缘数据率。
b、 通过挑选干扰最大的小区进行协作，有效地降低了干扰，使得协作 增益最大。
c、 给定的SINR门限保证了边缘用户的性能水平，门限越高边缘用户 的性能越好；同时SINR门限确定了协作簇的大小，协作簇内的小区数目随 门限的增大而增多，协作的开销也增大。适当地调整SINR门限可以在性能 和复杂度之间折中。
d、 由于引入了令牌，多个用户可以同时选择协作簇而不会发生冲突， 这样可以提高分簇的效率。
图1为14个蜂窝小区进行CoMP下行传输的网络结构示意图。 图2为本发明一种基于SINR门限和令牌的CoMP下行动态协作簇选 择方法的流程示意图。
具体实施例方式
本发明一种基于SINR门限和令牌的CoMP下行动态协作簇选择方法， 其具体实施例如下。
为详细说明本发明的技术方案和优势，下面给出14个小区协作场景下 本发明的具体实施方式
。如图1，假设每个基站有两根天线，每个小区内有 4个用户。
首先，将14个小区划分为两个区域，区域A和区域B。其中小区1 —7 为区域A，小区8—14为区域B。在区域A中确定基站1为令牌管理基站， 在区域B中确定基站8为令牌管理基站
每个小区内的每一个用户根据自己接收到的来自各个基站的导频信号 的能量，计算出自己的SINR，并将自己的SINR上行反馈给该用户所在小区 的基站。基站/根据接收到的反馈信息，从第/个小区内的4个用户
i^,气2，气3,M,4中挑出SINR最小的用户，并将其上报给本区域的令牌管理基 站。
令牌管理基站比较本区域内的7个基站上报的7个用户，挑出其中SINR 最小的用户，并为它发放令牌。本实施例中，区域A的令牌管理基站1得到
的7个用户集合为&4 = ^,3,"2""3，4,"4""5,2,"6,3,"7,2),且其中"7,2的SINR最小，
于是令牌管理基站1为用户"72发放令牌；区域B的令牌管理基站8得到的7
个用户集合为= ("8，p"9,4，"H),2，"u,p",2,3,"u,4,"!4,J ，且其中"8 ,的SINR最小，
于是令牌管理基站8为用户"81发放令牌。
区域A中的用户"72拿到令牌后，就开始挑选与其所在小区(小区7) 协作的小区。在除去小区7的13个小区里，小区2对用户"72的干扰最大， 于是挑出小区2与小区7来协作。协作后，用户w7 2的SINR仍未达到给定门限(在本实例中，SINR的门限为10dB)，于是继续从小区1， 3， 4, 5, 6, 8, 9， 10, 11， 12， 13， 14中挑出对用户"72干扰最大的小区6，使得小区6与
小区7, 2协作。此时，用户"72的SINR达到门限。所以，小区7, 2, 6形 成一个协作簇，记为簇l。同时，区域B内的用户"81也按照同样的原则选出 小区8, 12， ll形成一个协作蔟，记为簇2。
在&4中剔除掉已经分簇的小区里的用户，即W = {气3，"3,4,"4,2,"5>2},从
更新过的W中挑出SINR最小的用户m42,将令牌转发给它；在SS中剔除掉 已经分簇的小区里的用户，即幼={"94，"1()2,"134，"|41},从更新过的幼中挑出 SINR最小的用户w141 ，将令牌转发给它。
按照上述的分簇原则， 2挑出小区4， 1， 5形成协作簇，记为簇3; w14l
挑出小区14, 13, 3形成协作簇，记为簇4。
此时，区域A中的7个小区已经全部分蔟，停止区域A的令牌发放。 在S5中剔除掉已经分簇的小区里的用户，即55 = {"94,"1()2},选出SINR最小
的用户"9，4,将令牌转发给它。"94选出小区9, IO形成协作簇，记为簇5。 至此，14个小区已经被分为5个协作簇。
然后，在簇l内进行多用户调度，首先选定用户1172,其余的用户根据 和数据率最大的原则来选取，在本实例中，调度出 来服务。 同理，蔟2内调度出
"8,1 ， "12,3 ， "12,4 , "11,2
;簇3内调度出
"4 2 , "1 1 ， "5 2 ， "5,4 ， "1,3 , "4,3 ，
蔟4内调度出W14,l, Wm,2,w13,3, "3,1, "13,2 ;蔟5内调度出"9.4，"9，3,Ml。,2,"10'3 -
分簇和调度均完成以后，即可在各个簇内以迫零预编码等线性预编码方 法协作发射数据。
实践证明，本方法具有广泛的实用价值和应用前景。
权利要求
<claim id="cl001" num="1" >1.一种基于SINR门限和令牌的CoMP下行动态协作簇选择方法，其特征在于它是由基于信干噪比门限即SINR门限的动态分簇方法和基于令牌的冲突避免方法两部分组成，其具体步骤如下(1)基于SINR门限的动态分簇方法假设有Nc个小区，每个小区内的基站即BS配有Nt个天线，在每个小区内散布有Nu个用户即UE，每个用户配有Nr个天线，设C表示所有小区的集合，S表示尚未分簇的小区集合，U(S)表示S集合里的各个小区内所有用户的集合，初始状态时S＝C；步骤一选出SINR最差的用户每一个用户均接收所有基站发送的导频信号，并测量其强度；用户将所在小区基站发送的信号看做有用信号，将其余Nc-1个基站发送的信号看做干扰，用有用信号的能量除以干扰信号和噪声的能量之和，就可以计算出自己的信干噪比即SINR；计算各个用户的SINR时，使用瞬时导频信号能量；在集合U(S)中选出SINR最差的用户，并基于它来选择协作簇；步骤二选择一个协作簇假设步骤一挑出用户所在的小区为c1，在S中按照对该用户干扰从大到小的顺序依次选出K个小区c2，c3，…，cK+1与c1协作，协作簇的大小为K+1，其中K由以下原则确定1、当协作簇大小为K时，协作后用户的SINR达不到给定门限，即<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mfrac> <mrow><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>K</mi></munderover><msub> <mi>Pc</mi> <mi>i</mi></msub> </mrow> <mrow><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mi>K</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>Nc</mi></munderover><msub> <mi>Pc</mi> <mi>j</mi></msub><mo>+</mo><msup> <mi>σ</mi> <mn>2</mn></msup> </mrow></mfrac><mo><</mo><mi>SINR</mi><mo>_</mo><mi>threshold</mi> </mrow>]]></math></maths>2、当协作簇大小为K+1时，协作后用户的SINR可以达到给定门限，即<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mfrac> <mrow><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mrow><mi>K</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><msub> <mi>Pc</mi> <mi>i</mi></msub> </mrow> <mrow><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mi>K</mi><mo>+</mo><mn>2</mn> </mrow> <mi>Nc</mi></munderover><msub> <mi>Pc</mi> <mi>j</mi></msub><mo>+</mo><msup> <mi>σ</mi> <mn>2</mn></msup> </mrow></mfrac><mo>≥</mo><mi>SINR</mi><mo>_</mo><mi>threshold</mi> </mrow>]]></math></maths>以上两个不等式左边的分式表示小区协作后该用户的信干噪比，分子部分为有用信号能量，分母部分为干扰信号能量和噪声能量之和；其中Pci表示第ci个小区的基站到该用户的信号能量，σ2表示噪声能量，SINR_threshold为给定的信干噪比门限；步骤三选出所有协作簇从S中剔除上述步骤二中选出的K+1个小区，重复步骤一、二，选出下一个协作簇，直至Nc个小区全部分簇；步骤四在每个协作簇内调度用户在每一个协作簇内同时服务多个用户，调度用户时，第一个调度划分本协作簇时所依据的那个最差SINR用户；调度其余的用户时，以和数据率最大为原则进行挑选在未被调度的用户集合中选出一个用户，将该用户加入已调度用户集合后，所有用户可达到的总数据率最大，且大于未将该用户加入已调度用户集合时的总数据率；(2)基于令牌的冲突避免方法针对多个用户同时选择协作簇时的冲突问题，提出了如下基于令牌的动态分簇方法；步骤(一)将多个小区划分为选定的各区域，每个区域内确定一个令牌管理基站；步骤(二)各用户向所在小区基站上行反馈自身的SINR统计信息，各基站将本小区内的最差SINR用户信息上传给本区域的令牌管理基站；步骤(三)令牌管理基站根据收到的统计信息，将令牌发给本区域内SINR最差的用户；依据该用户划分一个协作簇后，将令牌传递给本区域内尚未分簇小区中的最差SINR用户，直至本区域的所有小区全部分簇后，停止本区域令牌的发放。
2.根据权利要求1所述的基于SINR门限和令牌的CoMP下行动态协作簇选择方法，其特征在于在基于SINR门限的动态分簇方法的步骤一中， 计算各个用户的SINR时，也可以使用对导频信号长时间统计所得的能量。
全文摘要
本发明提供一种基于SINR门限和令牌的CoMP下行动态协作簇选择方法，属于无线通信、移动通信领域。该方法根据小区边缘信干噪比即SINR最差的用户来确定协作簇，保证边缘用户的性能；挑选对SINR最差用户干扰最大的邻近小区来协作，使协作增益最大；以使用户协作后的SINR达到给定门限的准则来确定协作簇的大小，可以灵活调整门限从而在性能和复杂度之间折中；另外，该方法将蜂窝小区划分为不同区域，在每个区域内颁发令牌并基于令牌来选择协作簇，避免了不同用户同时选择协作小区时的冲突问题。
文档编号H04W28/16GK101621834SQ20091008962
公开日2010年1月6日 申请日期2009年7月23日 优先权日2009年7月23日
发明者璨 孙, 千 张, 杨晨阳, 新 王, 韩圣千 申请人:北京航空航天大学