[發明專利]強干擾區域的小小區用戶選擇方案

有效

• 申請號: 201510420487.3
• 申請日: 2015-07-16
• 公開（公告）號: CN105120473B
• 公開（公告）日: 2019-09-03
• 發明（設計）人: 張延華;鄭晨;楊睿哲;宗亮;張文圳;司鵬搏
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H04W24/02
• 分類號: H04W24/02
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

1.強干擾區域的小小區用戶選擇方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：

步驟1：小小區位置設置；

將討論動態通信系統的結構以及小小區的放置位置，同時進一步對動態通信系統的數據傳輸過程進行了分析；

步驟1.1強干擾區域分析

在Massive MIMO系統下的TDD蜂窩網絡傳輸系統，干擾強度取決于干擾用戶和被干擾用戶在其各自服務小區的相對位置，以及他們所處小區基站的相對位置；另外，下行傳輸過程中的干擾，主要是由于同一小區和相鄰小區的其他下行傳輸過程造成的；這些干擾的強度則取決于干擾用戶和被干擾用戶的位置，也就是AoAs即和

步驟1.2小小區位置設置

基于以上所述，得到了確定用戶干擾強弱的兩個位置條件，其一是干擾用戶和被干擾用戶在其各自服務小區的相對位置，另外就是他們所處小區基站的相對位置；系統中的強干擾范圍在相鄰宏小區的基站連線中間，在以此為中心的一定范圍內干擾較為嚴重，而得結合小小區通信系統的位置也同樣在此處；

步驟2：搭建傳輸結構及模型；

步驟2.1系統模型；

結合小小區系統的Massive MIMO蜂窩網絡傳輸系統則由L個小區組成，每個小區內有K個單天線用戶被服務，小區基站天線數量為M，系統中有G個小小區分別對宏小區內部的強干擾用戶進行服務，小小區基站天線數量為N，其中N＜＜M；

步驟2.2：時間移動導頻的傳輸；

為了減少各個用戶之間導頻污染的影響，在這一結合小小區的Massive MIMO傳輸網絡仍采用時間移動導頻；傳輸過程中分別體現了宏小區和小小區在時間移動導頻過程當中的傳輸過程，將小小區按照一定的位置進行與宏小區一樣的小區分組，使其在傳輸過程中，最大程度的改善宏小區中的強干擾，同時能夠減少其對周圍的信號干擾或被干擾；

步驟3：數據干擾分析；

結合上一步的數據傳輸過程，得到了本環境下的數據傳輸情況；

正是由于加入了小小區，宏小區的數據分析有所變化，增加了小小區用戶干擾部分，此外此時系統還應考慮小小區內的上下行數據傳輸；綜合考慮，在傳輸過程中，干擾的來源主要是宏小區在下行過程中對本小區其他用戶以及周圍小區的干擾，其干擾的強度取決于其被服務用戶的角度和位置，由此確定了小小區的放置和服務位置，通過用戶選擇方式，使該部分用戶盡可能由小小區服務，以最小化系統內干擾；

步驟4：用戶動態服務方案；

步驟4.1用戶選擇；

上幾步中主要闡述了加入小小區對周圍用戶進行服務的數據傳輸以及影響情況，同時對干擾數據的干擾條件和干擾量大小進行了分析；該分析表明用小小區去服務某一部分用戶，能在其不中斷傳輸的條件下，可有效減少其在整體系統中產生的干擾，來使系統的性能達到最優；因此本步針對該類用戶，提出了一種基于用戶性能以及其造成的干擾共同指標來選擇用戶，使其由臨近的小小區服務；提出的判斷指標為：

其中分子部分為當前宏小區內部存在的被服務用戶在服務過程中的性能，而在分母中考慮對同小區內的影響以及對周圍小區上行過程造成的影響；

通過在系統傳輸過程中，應用這種方案對系統中由宏小區服務的最強干擾用戶進行選擇，并使其用小小區進行服務，這樣即減少了傳輸過程中對強干擾方向的干擾，同時能夠將所有用戶進行持續的服務并使系統的性能達到最優；

步驟4.2最優性能決策及流程；

通過上一步的方法將宏小區內的干擾最強用戶選出并決定是否由相鄰小小區進行服務；用戶的服務選擇基于整體系統吞吐量的增長來判斷該干擾用戶是否由小小區服務。

2.根據權利要求1所述的強干擾區域的小小區用戶選擇方法，其特征在于：本方案包括以下步驟：

步驟1：小小區位置設置；

將討論動態通信系統的結構以及小小區的放置位置，同時進一步對動態通信系統的數據傳輸過程進行了分析；

步驟1.1強干擾區域分析

在Massive MIMO系統下的TDD蜂窩網絡傳輸系統，對于用戶的干擾有著以下幾個結論：首先，干擾強度取決于干擾用戶和被干擾用戶在其各自服務小區的相對位置，以及他們所處小區基站的相對位置；這些位置的相互關系可以通過角度θ_lklp以及和傳播系數的方差明確的表示；干擾的影響不僅取決于公式角度和的關系，還取決于角度和θ_lklp的關系；同時在使用一個選擇暫停的傳輸方式，即是通過的期望來決定，選擇和暫停指定的用戶來減少在傳輸過程中的強干擾，以估計誤差的傳輸暫停中的數據速率損失降低干擾，換取系統整體性能的提升；其中，為小區l^*用戶k到基站l^*的到達角，θ_lklp為小區l′用戶k′到基站l′的到達角，為基站l′到基站l^*的離開角，為基站l′到基站l^*的到達角；

其次，下行傳輸過程中的干擾，主要是由于同一小區和相鄰小區的其他下行傳輸過程造成的；這些干擾的強度則取決于干擾用戶和被干擾用戶的位置，尤其是它們的AoAs，也就是和

步驟1.2小小區位置設置

基于以上所述，得到了確定用戶干擾強弱的兩個位置條件，其一是干擾用戶和被干擾用戶在其各自服務小區的相對位置，另外就是他們所處小區基站的相對位置；由結論得到，系統中的強干擾范圍在相鄰宏小區的基站連線中間，在以此為中心的一定范圍內干擾較為嚴重，而得結合小小區通信系統的位置也同樣在此處；

步驟2：搭建傳輸結構及模型；

步驟2.1系統模型；

于是，結合小小區系統的Massive MIMO蜂窩網絡傳輸系統則由L個小區組成，每個小區內有K個單天線用戶被服務，小區基站天線數量為M，系統中有G個小小區分別對宏小區內部的強干擾用戶進行服務，小小區基站天線數量為N，其中N＜＜M；

其中，各個發送接收端的信道中，由于宏小區基站天線數量大，基站端天線間隔小，天線間有很強的相關性，則仍沿用模型；宏基站間的信道與以上相同，小區l的基站與小區l′的基站間的信道矩陣表示為H_l'l^B

其中，將路徑劃分為有限數量的方向P，信道衰落系數服從零均值且方差為的高斯分布，如下公式：

同理，宏基站與小區用戶間的信道表示為

其中，將路徑劃分為有限數量的方向P；且每一個方向都與一個導向矢量a(θ_l′klp)相關，θ_l′klp為隨機到達角AOA，且

系統中加入了小小區的，考慮小小區天線數量少且間距大，相關性較小，N＜＜M，因此采用傳統MIMO系統中的獨立衰落模型，即各收發天線間信道相互獨立分布，則小小區基站g到宏小區基站l的信道表示為

其中導向矢量：

其中，D為基站天線間的距離，λ為信號的波長，且D≤λ/2；m＝1 M 1，M為天線數量，衰落系數，為服從零均值且方差為的高斯分布；同理，用戶到小小區基站間的天線間獨立衰落信道為

為服從零均值且方差為的高斯分布步驟2.2：時間移動導頻的傳輸；

為了減少各個用戶之間導頻污染的影響，在這一結合小小區的Massive MIMO傳輸網絡仍采用時間移動導頻；

宏小區和小小區在時間移動導頻過程當中的傳輸過程，可以看出，可以將小小區按照一定的位置進行與宏小區一樣的小區分組，使其在傳輸過程中，最大程度的改善宏小區中的強干擾，同時能夠減少其對周圍的信號干擾或被干擾；基于以上考慮，采用系統網絡拓撲結構圖；

基于上述的采用時間移動導頻的具有小小區的大規模MIMO傳輸系統，定義上行導頻長度為τ且各個用戶發送導頻在一個小區內相互正交，導頻間干擾忽略不計；小區內用戶k使用的導頻序列表示為s_k＝[s_k1 s_k2 … s_kτ]^T，其中k＝1,2,…,K，且|s_k1|²+…+|s_kτ|²＝τ，設為宏小區內用戶發送功率，為宏小區基站發送功率，為小小區基站發送功率，為小小區內用戶發送功率；

其中，小小區根據角度影響分布于宏小區中用戶干擾最強位置，若有用戶加入小小區傳輸后，系統中的上行和下行的接收信號分別有：

·宏小區基站接收上行導頻的信號及干擾情況

其中，為本宏小區基站接收到的正確上行導頻信息，為周圍非同組宏小區基站的下行數據干擾，為周圍非同組小小區中的下行數據干擾，其中噪聲N₀為均值為零，方差為的高斯白噪聲，表示為宏小區基站接收上行導頻的信號；

·小小區基站接收上行導頻的信號及干擾情況

其中，第一項為該小小區內服務用戶的上行導頻信息，

第二項為周圍非同組的小小區基站的下行數據干擾，

第三項為周圍非同組宏小區內的下行數據干擾，其中噪聲N₀為均值為零，方差為的高斯白噪聲，為小小區基站接收上行導頻的信號

·宏小區中被服務用戶接收下行數據時的信號及干擾情況

其中，第一項為接收的正確下行傳輸數據，從第二項開始為干擾信號，

第二項為同小區內周圍用戶獲得的下行數據干擾，

第三項為周圍宏小區用戶的上行導頻數據干擾，

第四項為周圍小小區中服務用戶的上行導頻數據干擾，

第五項和第六項為周圍宏小區以及小小區的下行數據干擾，為均值為零，方差為的高斯白噪聲，表示宏小區中被服務用戶接收下行數據時的信號；

·小小區中被服務用戶接收下行數據時的信號及干擾情況

上式表示為小小區中被服務用戶接收的下行數據信號及干擾，

其中的第一項為接收的正確下行數據信號，

而后幾項均為干擾，包括，同小小區內的對其他用戶下行數據干擾周圍宏小區用戶的上行導頻數據干擾周圍小小區內用戶的上行導頻數據干擾周圍宏小區和小小區的下行用戶數據干擾和為均值為零，方差為的高斯白噪聲；

步驟3：數據干擾分析；

結合上一步的數據傳輸過程，得到了本環境下的數據傳輸情況；

正是由于加入了小小區，宏小區的數據分析有所變化，增加了小小區用戶干擾部分，此外此時系統還應考慮小小區內的上下行數據傳輸；

傳輸過程中的w_kl為宏小區基站發送下行數據的波束賦型向量，為而w_kg為小小區基站在發送下行數據的波束賦型向量，由于如前所述考慮小小區天線數量較少，可同時服務用戶數較少，且天線間信道獨立衰落，所以采用ZFBF的波束賦型方法來得到，其中為小小區基站與其服務用戶間的信道估計值；

將統一對系統中不同傳輸過程中的干擾源進行分析討論，得到干擾作用條件；

1)干擾類型I₁：為周圍下行狀態宏小區的基站數據對上行狀態宏小區上行數據的干擾：

其中

式中若并且e_k′l＝0；因此，得到干擾與信號的比為

由以上公式中的推導體現出，干擾的影響不僅取決于角度和的關系，還取決于公式角度和θ_lklp的關系；因此，對于一個在和間有很強相關性的用戶，可通過小小區來對其進行服務，來降低其對整體系統的干擾；

2)干擾類型I₂：干擾為周圍下行傳輸小小區的基站發送數據對上行狀態宏小區上行數據的干擾，這類干擾由于小小區的不同位置而不同；基于小小區基站服務半徑較小且服務用戶較少，設小小區基站服務功率較?。粚τ谳^遠的小小區基站，其干擾情況隨著兩基站的距離越遠而越小至可忽略；而相對距離較近的小小區基站，可通過控制其較小的發送功率和宏小區的信道估計的抗干擾設計來降低其對系統的影響；

3)干擾類型I₃：干擾為周圍下行狀態小小區的基站數據對上行狀態小小區上行數據的干擾，同干擾I₂類似，由于每個小小區間的距離相對較遠，而其服務功率又較小，其干擾影響較?。?/p>

4)干擾類型I₄：本干擾為非同組宏小區內的下行數據對小小區上行的干擾，表示為：

其中

并且與和Δθ相關；當用戶k具有與較強的相關性時，將其加入小小區，從而盡可能的最小化實際系統存在這類干擾；

5)干擾類型I₅：本干擾為宏小區的同小區內周圍用戶獲得的下行數據干擾，表示為：

其中

并且與和Δθ相關；

6)干擾類型I₆：本類型干擾分別包括：周圍宏小區用戶的上行導頻數據干擾、周圍小小區中服務用戶的上行導頻數據干擾以及周圍小小區的下行數據干擾對目標宏小區內下行服務用戶的干擾；由于其天線數量及其有限且發射功率較小，因此干擾具有漸進性，有

7)干擾類型I₇：為周圍宏小區的下行數據對目標宏小區下行過程的干擾，分析如下：

其中

可以由和Δθ決定；當用戶k具有與較強的相關性時，可將其加入小小區，從而盡可能的最小化實際系統存在這類干擾；

8)干擾類型I₈：干擾為同一小小區內用戶間下行數據干擾，由于小小區內部的下行過程采用迫零編碼，理論上達到了干擾的消除；

9)干擾類型I₉和I₁₀：和分別為周圍宏小區用戶的上行導頻數據對小小區內目標用戶的干擾以及周圍小小區內用戶的上行導頻數據小小區內目標用戶的干擾，由于這兩種干擾的功率相對較低，而不同小小區的距離較遠，所以其干擾程度較?。?/p>

10)干擾類型I₁₁：為周圍小小區的下行用戶數據對小小區內目標用戶接收數據的干擾，由于小小區之間距離較遠且基站發射功率較小，其干擾程度遠遠小于傳統蜂窩網絡中小區間的干擾；

綜合考慮，在傳輸過程中，干擾的來源主要是宏小區在下行過程中對本小區其他用戶以及周圍小區的干擾，其干擾的強度取決于其被服務用戶的角度和位置，由此確定了小小區的放置和服務位置，通過用戶選擇方式，使該部分用戶盡可能由小小區服務，以最小化系統內干擾；

步驟4：用戶動態服務方案；

步驟4.1用戶選擇；

上幾步中主要闡述了加入小小區對周圍用戶進行服務的數據傳輸以及影響情況，同時對干擾數據的干擾條件和干擾量大小進行了分析；該分析表明用小小區去服務某一部分用戶，能在其不中斷傳輸的條件下，可有效減少其在整體系統中產生的干擾，來使系統的性能達到最優；因此針對該類用戶，提出了一種基于用戶性能以及其造成的干擾共同指標來選擇用戶，使其由臨近的小小區服務；提出的判斷指標為：

其中分子部分為當前宏小區內部存在的被服務用戶在服務過程中的性能，而在分母中考慮對同小區內的影響以及對周圍小區上行過程造成的影響；

系統運行過程中的具體情況為：

通過下行數據傳輸過程判斷影響最差用戶：

上式中，分子部分為該用戶在被服務的過程中自身所獲得的收益：

而分母部分包括：對同一宏小區中其他被該基站服務的用戶的數據干擾計算得到

對周圍非同組上行傳輸數據的干擾計算得到

對于小小區上行過程的干擾的影響，若系統中沒有用戶被小小區服務，則該部分干擾為0：

得到指標計算公式

通過在系統傳輸過程中，應用這種方案對系統中由宏小區服務的最強干擾用戶進行選擇，并使其用小小區進行服務，這樣即減少了傳輸過程中對強干擾方向的干擾，同時能夠將所有用戶進行持續的服務并使系統的性能達到最優；

步驟4.2最優性能決策及流程；

通過上一步的方法將宏小區內的干擾最強用戶選出并決定是否由相鄰小小區進行服務；用戶的服務選擇基于整體系統吞吐量的增長來判斷該干擾用戶是否由小小區服務；則系統的總吞吐量可表示為：

式中和分別為本系統中宏小區和小小區內用戶的總下行吞吐量的期望值，其中每一用戶吞吐量分別表示為：

其中分別為宏小區和小小區中用戶的下行信號干擾比，由數據干擾分析部分可知，在下行過程中，干擾I₆由于具有漸進性，干擾I₈采用迫零編碼，理論上達到了干擾的消除，干擾I₉、I₁₀、I₁₁由于其它用戶上行功率較小，且周圍小小區與目標小小區距離較遠，則干擾至小忽略；

宏小區的信干比期望通過下式得到，式中考慮在情況下：

對于小小區中的信干比期望，由于小小區采用ZF的波束賦型方法對小小區用戶進行服務，且采用傳統MIMO系統中的獨立衰落模型，可以得到：