一种基于干扰对齐技术的多基站协作下行传输方法与流程

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种未来5G基于干扰对齐技术的多基站协作通信的传输方法。

背景技术：

多输入多输出(MIMO)技术和大规模多入多出(Massive MIMO)技术由于能够显著提高频谱利用率和系统吞吐量，被公认为下一代移动通信的关键物理层技术之一。为了满足未来高速发展的通信应用需求，3GPP在LTE-A中也提出了诸如载波聚合、增强多天线等很多新的关键技术以提高系统的性能。然而，同频组网方式下尤其是未来5G超高密度同频组网下，小区间干扰(ICI,Inter-Cell interference)依然存在，严重削弱了MIMO多天线技术的高频谱效率优势。因此，在多小区MIMO系统中如何有效抑制小区间干扰，提高边缘用户的吞吐量成为一个研究热点。

干扰对齐技术(IA,Interference alignment)相对于传统的干扰处理技术具有明显优势和研究潜力，能有效抑制同频组网方式下小区间干扰，提高小区边缘用户的吞吐量，提高系统容量，为解决上述问题提供了一种新思路。该技术的核心是设计一对预编码和干扰消除矩阵，使网络中的接收机将来自非期望发射机的干扰信号对齐到同一子空间中，在接收端设置干扰抑制滤波器(把干扰信号迫零，获取期望信号)，实际上就是把干扰信道转化为多个并行的无干扰的高斯信道。

干扰对齐技术实现的核心预编码技术需要发射端已知其到接收端的信道矩阵。目前，对干扰对齐技术的研究主要集中在理论算法的研究，且LTE-A中一般是发射端向接收端发送导频，再有接收端根据接收到的导频完成信道的测量并进行有限反馈，导致小区间的干扰无法对齐，从而无法完全有效的消除小区间边缘用户之间的干扰，影响了小区系统容量。

技术实现要素：

针对未来5G超密集组网、小区半径越来越小、在频率复用因子为1时，小区间干扰严重，且频谱资源紧张等问题，本发明提供了一种基于干扰对齐技术的多基站协作下行传输方法。本发明在宏基站控制下，多个同频组网微蜂窝小区协作通信，并完成了相关的导频及帧结构设计。本方法解决了现有技术在使用干扰对技术进行信道量化时因有限反馈等导致的干扰无法完全对齐问题，有效地提高了频谱效率与系统容量，同时降低了传输时延，从而使得IA技术在未来具有更广阔的应用前景。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案来实现：一种基于干扰对齐技术的多基站协作下行传输方法，具体包括如下步骤：

(1)宏基站在其服务覆盖的范围内选择进行协作传输的微基站，并在选定的微基站中指定其中一个作为主微基站，其余作为从微基站，宏基站发送反馈指示信号至各选定的微基站；

(2)多个终端同时发射信道测量信号；所述的信道测量信号包括同步信息及导频序列；

(3)各选定的微基站根据终端发射的信道测量信号进行信号捕获及MIMO信道估计，获得每个终端到微基站的信道状态信息；

(4)各从微基站通过有线传输的方式将信道状态信息发送给主微基站；

(5)主微基站根据选取的干扰对齐算法及信道状态信息，计算实现信息传输需要的预编码矩阵及干扰抑制矩阵，将预编码矩阵发送给各从微基站，将干扰抑制矩阵发送给各终端；

(6)各微基站使用预编码矩阵对信息传输帧进行预编码后同时同频发射；所述的信息传输帧由同步信息及传输信息组成；

(7)各终端根据干扰抑制矩阵实现信息的接收；

完成基于干扰对齐技术的多基站协作下行传输。

其中，所述的信道测量信号由重复的短训练序列、长训练序列和天线上相互正交的导频序列组成，短训练序列和长训练序列组成同步信息；短训练序列、长训练序列和导频序列均具有恒包络零自相关特性；每根天线上的导频序列都是前一个天线上的导频序列的N_shift次循环移位，且N_shift*T_symbol大于传输信道的最大多径延时，其中，T_symbol为采样时间。

其中，所述的短训练序列的长度为D，短训练序列是长训练序列最后D点的重复，其中，D为整数。

其中，信道测量信号中短训练序列的重复次数大于等于3，长训练序列的重复次数等于1或者2。

其中，步骤(6)中所述的信息传输帧的同步信息与步骤(2)中所述的信道测量信号的同步信息相同；信息传输帧的总长度小于传输信道的相干时间。

本发明相比背景技术的优点在于：

(1)本发明结合未来5G的组网特点，利用未来5G网络中的宏基站作为多小区协作传输的控制中心，利用信道的互易性在小区基站侧完成信道的估计，且在基站侧利用光纤等有线方式传输信道信息并完成预编码和干扰抑制矩阵的求解，更有效地消除了小区间的干扰，提高了系统容量；

(2)本方法基于基站侧进行信道估计，解决了现有干扰对齐技术中因有限反馈导致干扰无法完全对齐的问题；

(3)本方法针对具体的传输系统实现，完成了上下行传输信号的前导及帧结构的设计，解决了干扰对齐技术的实际工程实现问题。

附图说明

图1为本发明的应用场景示意图；

图2为本发明实施例的应用场景示意图；

图3为本发明方法的流程图；

图4为本发明的信道测量信号的帧结构；

图5为本发明的信息传输帧的帧结构；

图6为本发明的协作传输方法的误码率与基于有限反馈协作传输的误码率比较曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

图1示出了本发明的应用场景。宏基站是整个传输系统的控制中心，在其覆盖区域内控制着多个微蜂窝小区及其区域内的终端，相邻微蜂窝小区采用同频组网即多个小区的微基站工作在同一频带内，相互之间通过光纤等有线的方式连接，且每个微基站配置Nt(Nt≥2)根天线，每个终端配置Nr(Nr≥2)根天线。

图2为一个具体的实施系统示例，其中有三个微蜂窝小区的微基站进行协作传输，且每个小区的微基站及终端均配置2根天线。

一种基于干扰对齐技术的多基站协作下行传输方法，具体执行流程图如图3所示。具体包括如下步骤：

步骤1、宏基站在其服务覆盖的范围内选择进行协作传输的微基站，并在选定的微基站中指定其中一个作为主微基站，其余作为从微基站，宏基站发送反馈指示信号至各选定的微基站；

步骤2、多个终端同时发射信道测量信号；所述的信道测量信号包括同步信息及导频序列；每根天线上的导频序列都是前一个天线上的导频序列的N_shift次循环移位，且N_shift*T_symbol大于传输信道的最大多径延时，其中，T_symbol为采样时间。

信道测量信号的具体帧结构设计如图4所示。包括3段32点重复的短训练序列和2段256点重复的长训练序列以及75点天线上相互正交的导频序列；每段长度为32的短训练序列是长训练序列最后32点的重复；其中，256点长训练序列及75点正交的导频序列ψ₁分别选择恒包络零自相关特性的Frank-Zadoff序列和chu序列，其I路和Q路信号如下：

I(k)＝cos(θ(k))

Q(k)＝sin(θ(k))

式中，k为1到73的整数。

对于Frank-Zadoff序列，则有：

$\mathrm{\θ}\left(k\right)=2\mathrm{\π}mn/\sqrt{256}$

对于chu序列，则有：

θ(k)＝πn²/73

式中m＝0,1,…,16，n＝0,1,…,16，k＝m+n*16。

假设终端1的第一根天线上发射的正交导频为ψ₁，则第二根天线上的正交导频ψ₂是ψ₁循环移位N_shift＝12点后的序列；依次类推，终端3天线上的导频ψ₆是其前一根天线上的导频序列ψ₅循环移位δ_shift＝12点后的序列。

步骤3、各选定的微基站根据终端发射的信道测量信号完成信号捕获及MIMO信道估计，获得信道状态信息(Channel State Information，CSI)；

步骤4、各从基站通过有线的方式发送CSI给主基站；

假设小区1的微基站为主微基站，则其他两个小区的微基站通过光纤把各自的CSI发送给小区1的微基站。

步骤5、主微基站根据选取的干扰对齐算法及CSI，计算各小区的预编码矩阵U及干扰抑制矩阵V，并反馈给从微基站及对应的终端；

为了获得更好的干扰抑制效果，实施例中选取具有鲁棒性的WMMSE干扰对齐算法，完成基站侧的预编码矩阵U的求解及终端的干扰抑制矩阵V的求解。

步骤6、各微基站利用预编码矩阵U对信息传输帧进行预编码后同时同频发射；信息传输帧由同步信息及传输信息组成，信息传输帧的总长度小于传输信道的相干时间；

基站侧预编码前的信息传输帧结构如图5所示，信息传输帧包含与步骤2相同的训练序列(包括短训练序列和长训练序列)及8个256点的数据帧；各基站侧对信息传输帧完成预编码后，待传输信息由一路变为两路，然后同时同频的由两根天线发射。

步骤7、各终端利用干扰抑制矩阵V实现对有用信息的正确接收；

各终端通过两根天线上的接收数据与干扰抑制矩阵V相乘，实现对干扰信号(其他基站的发射数据)的抑制及对应基站数据的接收。

图6为本发明的协作传输系统的误码率与基于有限反馈协作传输系统的误码率比较曲线。从图中可以看出，本发明实施例中结合未来5G网络结构特点提出的多基站协作下行传输系统的误码率明显优于有限反馈的协作传输系统，从而有效地提高的频谱效率，降低了传输时延。

上面所描述的实施例仅是本发明一个具体的实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。