专利名称：基于ffr的多蜂窝合作mimo系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于FFR的多蜂窝合作MIMO系统，属于蜂窝无线通信领域。
背景技术：
随着社会信息化的推进，移动多媒体和移动互联网等吞噬大量带宽的无线应用迅猛发展，不断挑战现有无线通信网络的性能极限。虽然通过功能更强大的纠错码和自适应调制等先进技术已经使系统性能大幅度提高，但使蜂窝网容量受限的根本问题-同频道用户间的干扰，依然没有解决。而且随着用户数的增加，蜂窝网中基站的密度也不断提高，迫使下一代蜂窝网中采用更紧密的频率复用方式，这样同频道干扰对蜂窝系统性能的瓶颈作用尤为凸显。近年来出现的多蜂窝合作MIMO(multiple-input multiple-output多输入多输出)技术为同频道干扰问题的解决提供了一种可能，并在LTE-Advanced等新一代无线网络标准中被广泛讨论，仿真研究表明多蜂窝合作MIMO技术对整个网络性能在覆盖范围、蜂窝边缘吞吐量、可靠性和频谱效率等多方面都有所提高。目前，基于多蜂窝合作MIMO系统的设计多考虑网络中的所有基站都使用相同频率构成一个MIMO簇进行合作的情况，这样在整个MIMO簇内的同频道干扰问题就可以通过基站间的联合信号处理来解决。但对于某个由成百上千个基站构成的无线蜂窝网，如果构成一个庞大的MIMO簇，簇内基站间用户数据和信道状态等信息交换的开销庞大，而且这个簇内的信号处理也会非常复杂。所以实际中只能考虑用有限个蜂窝来构成一个虚拟合作 MIMO簇，在这个MIMO簇内所有用户使用相同频率，这样就需要使用多个MIMO簇来覆盖某个较大的区域，比如用一些由3个、7个或19个合作蜂窝作为一个基本单元来覆盖整个区域， 这些MIMO簇如果使用相同的频率，也会互相干扰。如图 1 所示(此图来自 J. Zhang, R. Chen, J. G. Andrews, A. Ghosh, and R. W. Heath Jr, "Networked MIMO with clustered linear precoding,，，IEEE Trans. Wireless Commun.，vol. 8，no. 4，pp. 1910-1921，Apr. 2009)。在此方案中，提出了一种基于 MIMO 簇 b 的下行全频率复用的合作蜂窝a网络实现方式，通过MIMO簇内部基站间的充分合作来消除簇内的同频道干扰，同时在各个MIMO簇之间也进行一定的合作，对簇边缘用户间的同频道干扰进行预消除。目前人们对如图1所示的下行蜂窝系统中基于虚拟MIMO簇的设计进行了较多关注，在下行系统中因为基站的位置是确定的而且基站之间可以通过高速链路来通信，因此可以通过基站间合作进行的一些预编码技术比如DPC(dirty paper coding)和块对角化等来进行干扰抑制，而在上行系统中，由于用户的位置在每个小区中一般是随机分布的，而且用户之间也很难交流，因此这些干扰抑制技术在上行系统中是很难使用的。另外，在这些现有的基于虚拟MIMO簇的设计中，多考虑每个MIMO簇内和各个MIMO 簇间都使用相同频率的全频率复用网络，而我们通过研究发现，同频MIMO簇间的干扰会使这种网络的信道容量大幅度下降。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于FFR的多蜂窝合作MIMO系统。 该系统在合作MIMO簇中的蜂窝数有限的情况下，提出了基于FFR(fractional frequency reuse，分数频率复用)的合作ΜΙΜΟ簇结构来实现蜂窝网络设计中频谱利用率与同频干扰抑制的折中，从而获得与全频率复用系统相比更大的信道容量。本发明主要保护点在于提出了蜂窝网中基于FFR的虚拟合作MIMO技术以及系统的总带宽在MIMO簇中的分配方法，具体技术方案如下本发明包括至少一个HMC，所述每个HMC包括内部合作MIMO簇和外部合作MIMO 簇，所述外部合作MIMO簇沿所述内部合作MIMO簇的外缘周向布置，所述各HMC中的内部合作MIMO簇使用相同的频率，所述各HMC之间相邻的外部合作MIMO簇使用不同的频率，在每个HMC内部所有合作的MIMO簇间使用不同频率。所述HMC中总蜂窝数Nmc要满足无缝覆盖的条件，即Nhk = i2+j2+ij，其中i，j均为大于0的整数。所述外部合作MIMO簇进一步满足如下要求所述外部合作MIMO簇中的蜂窝层数 Ncl ^ 1，所述外部合作MIMO簇中蜂窝的个数N从2开始逐渐增加，并针对每个N值进行信道容量计算，直到获得预期的系统信道容量为止；如果不能满足要求则增大HMC中的总蜂窝数。所述基于FFR的多蜂窝合作MIMO系统的总带宽在内部合作MIMO簇、各外部合作MIMO簇间的分配原则如下设所述内部合作MIMO簇中分配的带宽为&N，每个外部合作 MIMO簇中的带宽相等，均为Bott，设系统的总带宽为1，则
Γ ^BINCm / Ncin — BoutCout / Ncojjt<j
\B1N+NBOUT=I上式中CIN为每个内部合作ΜΙΜΟ簇中的信道容量，每个外部合作ΜΙΜΟ簇中的信道容量。相对于现有技术而言，本发明的优点是在合作蜂窝系统中采用了基于FFR的频率分配方式，可以获得与全频率复用系统相比更大的信道容量。另外本发明中不需要通过各MIMO簇间的合作进行的一些预编码技术来实现簇间同频道干扰消除，因此在上行和下行系统中都可以使用。本发明在每个合作MIMO簇内进行充分合作，而在各个合作MIMO簇之间不需要进行合作，因此系统设计相对简单，实现方便。
图1为合作蜂窝数为7的全频率复用系统示意图；图2为单个HMC构成示意图；图3 为 Ncin = 7，Ncout = 6，Ncl = 2，Nhmc = 37 的 HMC 构成示意图；图4以Nhk = 37的HMC为单元构成的蜂窝网络示意图；图5为图3中所示HMC结构与其他两种合作MIMO结构所对应的信道容量比较。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。本发明中把基于单个蜂窝的FFR思想扩展到基于虚拟合作MIMO簇的蜂窝系统中。 基于单个小区的FFR设计思路是相邻小区内部的用户之间干扰较小，可以采用全频率复用，而相邻小区边缘用户间的干扰较大，需要使用不同的频率。在本发明的基于MIMO簇的 FFR系统中，如图2所示，每个hyper ΜΙΜΟ cluster (HMC)由一个内部合作ΜΙΜΟ簇MCin和N 个外部合作MIMO簇MCqut」、...MCouo组成，整个网络通过此HMC作为基本单元来覆盖。在各HMC中，内部的MIMO簇中都使用相同频率，各HMC之间相邻的外部合作MIMO簇之间使用不同频率，此外HMC中的总蜂窝数Nmc要满足无缝覆盖的条件=Nmc = i2+j2+ij，其中i，j均为大于0的整数。基于FFR的合作MIMO系统设计原则在基于合作MIMO技术的蜂窝网络中，系统的合作信道容量增益随MIMO簇中合作蜂窝数的增加而变大，另一方面，系统的复杂度和内部通信开销也随之增大。因此我们希望在合作的蜂窝数尽可能小的前提下得到足够大的信道容量增益。因此首先需要对某种合作网络结构的信道容量进行计算，计算方法与文献1 (朴大志，王昭诚，杨知行，“基于合作 MIMO和分数频率复用的上行蜂窝系统信道容量”，清华大学学报，2011，51 (3)，158-163)中描述的计算方法相同，如果不能满足要求则需要增大HMC中的总蜂窝数。设每个内部MIMO簇中的合作蜂窝数为Nera，每个外部MIMO簇中的蜂窝数相等均为 Νωυτ。为了使相邻HMC中内部ΜΙΜΟ簇间的同频干扰足够小，它们之间的距离要足够大，因此构成外部合作MIMO簇的蜂窝层数Na要满足Na > 1。另一方面，为了使外部的MIMO簇间的同频干扰足够小，同频MIMO簇间的间隔也要足够大，因此Ν(外部合作MIMO簇的个数) 不能太小，但为了获得足够的合作MIMO信道容量增益，每个外部MIMO簇中的合作蜂窝数又不能太小，因此N也不能太大(当内部和外部合作蜂窝层数确定后，N的选择可从2开始逐渐增加，并针对每个N值进行信道容量计算，直到获得预期的系统信道容量为止)。因此首先需要对某种合作网络结构的信道容量进行计算(计算方法可以在相关文献1中找到)，如果不能满足要求则需要增大HMC中的总蜂窝数，然后按照上述原则选择内部和外部MIMO簇内的合作蜂窝数。显然，此系统的信道容量与系统的总带宽在内、外合作MIMO簇中的分配方式有关。已有相关设计中多采用整个网络的平均和数据率最大的原则来进行系统的资源分配， 但这种原则中忽略了用户间的公平性。本发明中采用基于每用户平均信道容量相等的原则。设内部MIMO簇中分配的带宽为&Ν，每个外部MIMO簇中的带宽相等，均为Bqut,设系统的总带宽为1，则
权利要求
1.一种基于FFR的多蜂窝合作MIMO系统，其特征在于，包括至少一个HMC，所述每个 HMC包括内部合作MIMO簇和外部合作MIMO簇，所述外部合作MIMO簇沿所述内部合作MIMO 簇的外缘周向布置，所述各HMC中的内部合作MIMO簇使用相同的频率，所述各HMC之间相邻的外部合作MIMO簇使用不同的频率，在每个HMC内部所有合作的MIMO簇间使用不同频率。
2.如权利要求1所述的一种基于FFR的多蜂窝合作MIMO系统，其特征在于所述HMC 中总蜂窝数Nhk要满足无缝覆盖的条件，即Nhk = i2+j2+i j，其中i，j均为大于0的整数。
3.如权利要求1所述的一种基于FFR的多蜂窝合作MIMO系统，其特征在于所述外部合作MIMO簇进一步满足如下要求所述外部合作MIMO簇中的蜂窝层数Na > 1 ；所述外部合作MIMO簇中蜂窝的个数N从2开始逐渐增加，并针对每个N值进行信道容量计算，直到获得预期的系统信道容量为止；如果不能满足要求则增大HMC中的总蜂窝数。
4.如权利要求1所述的一种基于FFR的多蜂窝合作MIMO系统，其特征在于所述基于 FFR的多蜂窝合作MIMO系统的总带宽在内部合作MIMO簇、各外部合作MIMO簇间的分配原则如下设所述内部合作MIMO簇中分配的带宽为&N，每个外部合作MIMO簇中的带宽相等，均为Bott，设系统的总带宽为1，则J BinCin / Ncin — BoutCout / Ncout [Bin+NBout=I上式中CIN为每个内部合作MIMO簇中的信道容量，Cout为每个外部合作MIMO簇中的信道容量。
全文摘要
本发明公开了一种基于FFR的多蜂窝合作MIMO系统，属于蜂窝无线通信领域。该系统包括至少一个HMC，所述每个HMC包括内部合作MIMO簇和外部合作MIMO簇，所述外部合作MIMO簇沿所述内部合作MIMO簇的外缘周向布置，所述各HMC中的内部合作MIMO簇使用相同的频率，所述各HMC之间相邻的外部合作MIMO簇使用不同的频率，在每个HMC内部所有合作的MIMO簇间使用不同频率。本发明在合作蜂窝系统中采用了基于FFR的频率分配方式，可以获得与全频率复用系统相比更大的信道容量。另外本发明中不需要通过各MIMO簇间的合作进行的一些预编码技术来实现簇间同频道干扰消除，因此在上行和下行系统中都可以使用。
文档编号H04L25/03GK102281130SQ20111025640
公开日2011年12月14日 申请日期2011年9月1日 优先权日2011年9月1日
发明者曹三省, 朴大志, 王玲, 逯贵祯 申请人:中国传媒大学