TDD协同无线网络多基站多天线之间的功率分配方法

摘要

本发明公开了一种TDD协同无线网络多基站多天线之间的功率分配方法，首先每个基站选择L

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于TDD协同无线网络多基站多天线之间的功率分配方法，属于 移动通信系统中无线资源管理研究技术。

背景技术

在基于多输入多输出-正交频分复用（简称MIMO-OFDM）技术的宽带无线通信系 统中，为了提高频谱利用率，一般采用频率复用因子为1的组网方式；但是，这种组网 方式会在小区边缘产生很强的小区间干扰，严重影响了系统的覆盖范围、容量以及边缘 用户的信号质量。如果不采用有效的方法来解决小区间的干扰问题，将会导致实际的通 信系统无法充分挖掘MIMO-OFDM技术所具有的潜在性能增益。

协同无线网络架构通过将发往小区边缘用户的数据从协作集中的多个相邻基站同 步发射，这样就可以将原来的干扰信号转化为有用信号，从而达到消除小区间干扰、提 高小区边缘用户吞吐量的目的。协同无线网络架构充分地利用了MIMO技术的空间复 用和分集优势，通过基站间的协作调度和资源分配能够较好地控制小区间的干扰，尤其 适合提升小区边缘用户的服务质量。与传统的多基站多天线系统类似，协同无线网络中 的多基站多天线间的下行功率分配算法，即协作基站之间以及基站的天线之间的功率分 配策略，极大地影响着系统的频谱效率和功率效率。然而，传统的多基站多天线系统的 下行功率分配算法仅适用于独立基站的多个天线之间的功率分配问题，无法应用于协同 无线网络中多基站多天线间的功率分配问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种能够提高移动通信系 统功率效率及可靠性的TDD（时分双工）协同无线网络中多基站多天线间的功率分配 方法，它能够简单快速地实现多小区多天线系统中基站及天线的功率分配。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

TDD协同无线网络多基站多天线之间的功率分配方法，每次功率分配中重复系统 运行周期的若干倍数次以下步骤：

（1）基站n(n=1,2,3...N)根据某移动终端的发送信号功率强度射频天线 l(l=1,2,...L)测量到的该移动终端到达基站的无线信号接收功率强度及干扰和噪 声信号功率强度选择L₁个射频天线（一般选取接收功率强度较大的L₁个 射频天线）组成协作天线集其中，上标U表示上行（UL），上 标T表示发送，上标R表示接收，上标NI表示干扰和噪声；

（2）基站n(n=1,2,3...N)根据某移动终端的接收信号功率强度及干扰和噪声 信号功率强度估算出终端信干噪比的一个样本值同时，将基站中的信 干噪比样本值表中的K个样本值左移一个单元，并用更新样本值表最右边的存储 单元；其中，下标i表示信干噪比样本值表中存储单元的序号，上标D表示下行（DL）；

（3）基站n(n=1,2,3...N)计算出信干噪比样本值表中K个样本值该时刻的统计平均 值并将该统计平均值与相邻的N-1个基站进行共享；

（4）每个基站按第一步到第三步同时计算，并根据接收到的N-1个的值对 自身的相邻基站信干噪比表进行更新，得到n=1,2,…,N；同时对表中的N个值 进行从小到大排序，并根据该基站的大小判断其是否参加协同发送，从而确定M 个基站组成的协同发送集Ω_BS={BS₁,BS₂,…,BS_M}；

（5）如果基站n(n=1,2,3...N)参加协同发送，则计算协同发送集中M个基站 n=1,2,…,M的平均值然后更新基站的发送总功率；如果不参加协同 发送，则基站不进行功率更新；

（6）协同发送集Ω_BS中的每个基站对其协作天线集 中的射频天线l,l=1,2,…L₁进行功率分配；如果不参加 协同发送，则基站不对其天线进行功率分配。

优选的，所述步骤（2）中，基站n利用[规则1]：

${\gamma }_{n,i}^D\left(t\right)=\underset{l=1}{\overset{L_1}{\Sigma }}{P}_{n,l}^{U,R}\left(t\right)/P_{n,l}^{U,\mathrm{NI}}\left(t\right)$[规则1]

估算出终端信干噪比的一个样本值

优选的，所述步骤（3）中，基站n利用[规则2]：

${\gamma }_{n,\mathrm{avg}}^D\left(t\right)=\frac{1}{K}\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}{w}_i\left(t\right){\gamma }_{n,i}^D\left(t\right)$[规则2]

计算出信干噪比样本值表中K个样本值该时刻的统计平均值其中，w_i(t)为 加权系数，通常令其值为1。

优选的，所述步骤（5）中，协同发送集中的基站n利用[规则3]：

${\gamma }_{\mathrm{avg}}^D\left(t\right)=\frac{1}{M}\underset{n=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\left({\gamma }_{n,\mathrm{avg}}^D\left(t\right)\right)}^{-1}$[规则3]

计算协同发送集中M个基站n=1,2,…,M的平均值

优选的，所述步骤（5）中，在第t次功率更新中，协同发送集中的基站n利用[规则 4]：

$P_n^D(t+1)=P_n^D\left(t\right)-\delta \frac{{\left({\gamma }_{n,\mathrm{avg}}^D\left(t\right)\right)}^{-1}-{\gamma }_{\mathrm{avg}}^D\left(t\right)}{\underset{n=1}{\overset{M}{\Sigma }}|{\left({\gamma }_{n,\mathrm{avg}}^D\left(t\right)\right)}^{-1}-{\gamma }_{\mathrm{avg}}^D\left(t\right)|}$[规则4]

更新基站的发送总功率；其中，δ表示基站的功率调整系数，由本方法的运行周期 决定。

优选的，所述步骤（6）中，协同发送集中的基站n利用[规则5]：

$P_{n,l}^D(t+1)=\frac{P_n^D(t+1)/(P_{n,l}^{U,T}\left(t\right)/P_{n,l}^{U,R}\left(t\right))}{{\Sigma }_{m=1}^{L_1}1/(P_{n,m}^{U,T}\left(t\right)/P_{n,m}^{U,R}\left(t\right))}$[规则5]

对其协作天线集中的射频天线l,l=1,2,…L₁进行 功率分配。

每次功率分配的过程均是以每个系统运行周期的倍数（如j*TTI(j=1,2,...J)）次重 复以上步骤（1）至步骤（6）。其中，TTI表示无线链路中的传输时间间隔，在LTE和 LTE-A系统中，1个TTI的取值为1ms。

基站中的信干噪比样本值表用来存放终端信干噪比的估计值；基站中的相邻基站信 干噪比表用来存储相邻基站及其自身的信干噪比值。本方法能够提高多小区多天线协同 无线系统的功率效率，增强用户通信的可靠性；算法的主要工作是计算基站分配功率的 大小，使用逐次更新的功率分配方法，降低实际系统运行过程中的复杂度。

有益效果：本发明提供的TDD协同无线网络多基站多天线之间的功率分配方法， 通过在多基站间进行系统容量最大化的功率分配和多天线间进行提高传输可靠性的功 率分配，能够达到选择信道质量较好的基站和天线进行功率分配，具有提高无线网络系 统的功率效率、降低无线信号发送功率、增强无线信号传输可靠性和降低功率分配算法 复杂度的特点。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明方法的一种实现装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种用于TDD协同无线网络多基站多天线之间的功率分配方法，通过基站间的协 作实现基站间的功率分配及各个射频天线间的功率补偿，如图1所示，每次功率分配中 重复系统运行周期的若干倍数次以下步骤：

（1）基站n(n=1,2,3...N)根据某移动终端的发送信号功率强度射频天线 l(l=1,2,...L)测量到的该移动终端到达基站的无线信号接收功率强度及干扰和噪 声信号功率强度选择L₁个接收功率强度较大的射频天线组成协作天线 集其中，上标U表示上行（UL），上标T表示发送，上标R表 示接收，上标NI表示干扰和噪声；

（2）基站n(n=1,2,3...N)根据某移动终端的接收信号功率强度及干扰和噪声 信号功率强度利用[规则1]：

${\gamma }_{n,i}^D\left(t\right)=\underset{l=1}{\overset{L_1}{\Sigma }}{P}_{n,l}^{U,R}\left(t\right)/P_{n,l}^{U,\mathrm{NI}}\left(t\right)$[规则1]

估算出终端信干噪比的一个样本值同时，将基站中的信干噪比样本值表中 的K个样本值左移一个单元，并用更新样本值表最右边的存储单元；其中，下标i 表示信干噪比样本值表中存储单元的序号，上标D表示下行（DL）；

（3）基站n(n=1,2,3...N)根据[规则2]：

${\gamma }_{n,\mathrm{avg}}^D\left(t\right)=\frac{1}{K}\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}{w}_i\left(t\right){\gamma }_{n,i}^D\left(t\right)$[规则2]

计算出信干噪比样本值表中K个样本值该时刻的统计平均值并将该统计 平均值与相邻的N-1个基站进行共享；其中，w_i(t)为加权系数，通常令其值为1；

（4）每个基站按第一步到第三步同时计算，并根据接收到的N-1个的值对 自身的相邻基站信干噪比表进行更新，得到n=1,2,…,N；同时对表中的N个值 进行从小到大排序，并根据该基站的大小判断其是否参加协同发送，从而确定M 个基站组成的协同发送集Ω_BS={BS₁,BS₂,…,BS_M}；

（5）如果基站n(n=1,2,3...N)参加协同发送，则根据[规则3]：

${\gamma }_{\mathrm{avg}}^D\left(t\right)=\frac{1}{M}\underset{n=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\left({\gamma }_{n,\mathrm{avg}}^D\left(t\right)\right)}^{-1}$[规则3]

计算协同发送集中M个基站n=1,2,…,M的平均值然后根据[规 则4]：

$P_n^D(t+1)=P_n^D\left(t\right)-\delta \frac{{\left({\gamma }_{n,\mathrm{avg}}^D\left(t\right)\right)}^{-1}-{\gamma }_{\mathrm{avg}}^D\left(t\right)}{\underset{n=1}{\overset{M}{\Sigma }}|{\left({\gamma }_{n,\mathrm{avg}}^D\left(t\right)\right)}^{-1}-{\gamma }_{\mathrm{avg}}^D\left(t\right)|}$[规则4]

更新基站的发送总功率；如果不参加协同发送，则基站不进行功率更新；其中，δ 表示基站的功率调整系数，由本方法的运行周期决定；

（6）协同发送集Ω_BS中的每个基站对其协作天线集 中的射频天线l,l=1,2,…L₁根据[规则5]：

$P_{n,l}^D(t+1)=\frac{P_n^D(t+1)/(P_{n,l}^{U,T}\left(t\right)/P_{n,l}^{U,R}\left(t\right))}{{\Sigma }_{m=1}^{L_1}1/(P_{n,m}^{U,T}\left(t\right)/P_{n,m}^{U,R}\left(t\right))}$[规则5]

进行功率分配；如果不参加协同发送，则基站不对其天线进行功率分配。

图2给出了该方法的一种实现装置，无线信号测量及信干噪比估计装置用来测量信 号及干扰和噪声的功率强度，选择协作天线集，估算终端的信干噪比；基站功率更新装 置可以实现基站信干噪比表的更新和基站功率的更新；射频天线功率分配装置根据一定 的功率分配准则对协作天线集中的天线进行功率分配。

下面根据具体实施例对本发明作出进一步的说明。

实施例1

设定在TD-LTE/TD-LTE-A系统的多基站和集中式多天线场景中，每个基站的发射 天线数为L=2，基站中信干噪比样本值表的大小为5，即K=5，每个基站与其相邻的 6个基站进行信息共享，即N=7，基站功率限制为P_max=30w，每次功率分配的运行周 期为200个TTI，即j=200，基站功率调整系数δ=8，基站为移动终端选择的射频天 线数为L₁=2。

第一步：基站n(n=1,2,3...7)根据某移动终端的发送信号功率强度多个射 频天线l(l=1,2)测量到的该移动终端到达基站的无线信号接收功率强度及干扰 和噪声信号功率强度选择2个接收功率强度较大的射频天线组成协作 天线集Ω_A={A_n,1,A_n,2}。

第二步：基站n(n=1,2,3...7)根据某移动终端的接收信号功率强度及干扰和 噪声信号功率强度利用

${\gamma }_{n,i}^D\left(t\right)=\underset{l=1}{\overset{2}{\Sigma }}{P}_{n,l}^{U,R}\left(t\right)/P_{n,l}^{U,\mathrm{NI}}\left(t\right)$[规则1] 估算出终端信干噪比的一个样本值同时，将基站中的信干噪比样本值表中的5 个样本值左移一个单元，并用更新样本值表最右边的存储单元，即表1

表1信干噪比样本值表

第三步：基站n(n=1,2,3...7)根据

${\gamma }_{n,\mathrm{avg}}^D\left(t\right)=\frac{1}{5}\underset{i=1}{\overset{5}{\Sigma }}{\gamma }_{n,i}^D\left(t\right)$[规则2] 计算出信干噪比样本值表中5个样本值在该时刻的统计平均值 并将该平均值与相邻的6个基站进行共享。

第四步：每个基站按第一步到第三步同时计算，并根据接收到的6个的值 对自身的相邻基站信干噪比表进行更新，得到n=1,2,…,7。同时对表中的7个 值进行从小到大排序，如果该基站的值位于有序表的后半部分，即则该 基站参加协同发送，否则，该基站不参加协同发送，从而确定由3个基站组成的协同发 送集Ω_BS={BS₁,BS₂,BS₅}。其中，表示在有序表中的位序。

表2相邻基站信干噪比表

第五步：如果基站n(n=1,2,3...7)参加协同发送，则根据

${\gamma }_{\mathrm{avg}}^D\left(t\right)=\frac{1}{3}(\frac{1}{{\gamma }_{1,\mathrm{avg}}^D\left(t\right)}+\frac{1}{{\gamma }_{2,\mathrm{avg}}^D\left(t\right)}+\frac{1}{{\gamma }_{5,\mathrm{avg}}^D\left(t\right)})$[规则3] 计算协同发送集中3个基站的信干噪比倒数的平均值然后根据

$P_n^D(t+1)=P_n^D\left(t\right)-8\frac{{\left({\gamma }_{n,\mathrm{avg}}^D\left(t\right)\right)}^{-1}-{\gamma }_{\mathrm{avg}}^D\left(t\right)}{\underset{n\in {\Omega }_{\mathrm{BS}}}{\Sigma }|{\left({\gamma }_{n,\mathrm{avg}}^D\left(t\right)\right)}^{-1}-{\gamma }_{\mathrm{avg}}^D\left(t\right)|}$[规则4] 更新基站的发送总功率。如果不参加协同发送，则基站不进行功率更新。

第六步：协同发送集Ω_BS中的每个基站对其协作天线集Ω_A={A_n,1,A_n,2},n=1,2,5中 的天线l,l=1,2根据

$P_{n,l}^D(t+1)=\frac{P_n^D(t+1)/(P_{n,l}^{U,T}\left(t\right)/P_{n,l}^{U,R}\left(t\right))}{{\Sigma }_{m=1}^{2}1/(P_{n,m}^{U,T}\left(t\right)/P_{n,m}^{U,R}\left(t\right))}$[规则5] 进行功率分配。如果不参加协同发送，则基站不对其天线进行功率分配。

每次功率分配的过程是在每个系统运行周期200*TTI内重复以上第1步到第6步。

实施例2

设定在TD-LTE/TD-LTE-A系统的多基站和分布式多天线场景中，每个基站连接8 个分布式射频单元，每个射频单元有1根天线，基站中信干噪比样本值表的大小为5， 即K=5。每个基站与其相邻的6个基站进行信息共享，即N=7，基站功率限制为 P_max=20w，每次功率分配的运行周期为200个TTI，即j=200，基站功率调整系数 δ=5，基站为移动终端选择的射频天线数为L₁=4。

第一步：基站n(n=1,2,3...7)根据某移动终端的发送信号功率强度多个射 频天线l(l=1,2,…8)测量到的该移动终端到达基站的无线信号接收功率强度及干 扰和噪声信号功率强度选择4个接收功率强度较大的射频天线组成协 作天线集Ω_A={A_n,1,A_n,2,A_n,3,A_n,4}。

第二步：基站n(n=1,2,3...7)根据某移动终端的接收信号功率强度及干扰和 噪声信号功率利用

${\gamma }_{n,i}^D\left(t\right)=\underset{l=1}{\overset{4}{\Sigma }}{P}_{n,l}^{U,R}\left(t\right)/P_{n,l}^{U,\mathrm{NI}}\left(t\right)$[规则1] 估算出终端信干噪比的一个样本值同时，将基站中的信干噪比样本值表中的5 个样本值左移一个单元，并用更新样本值表最右边的存储单元，即表3

表3信干噪比样本值表

第三步：基站n(n=1,2,3...7)根据

${\gamma }_{n,\mathrm{avg}}^D\left(t\right)=\frac{1}{5}\underset{i=1}{\overset{5}{\Sigma }}{\gamma }_{n,i}^D\left(t\right)$[规则2] 计算出信干噪比样本值表中5个样本值在该时刻的统计平均值 并将该平均值与相邻的6个基站进行共享。

第四步：每个基站按第一步到第三步同时计算，并根据接收到的6个的值 对自身的相邻基站信干噪比表进行更新，得到n=1,2,…,7。同时对表中的7个 值进行从小到大排序，如果该基站的值位于有序表的后半部分，即则该 基站参加协同发送，否则，该基站不参加协同发送，从而确定由3个基站组成的协同发 送集Ω_BS={BS₁,BS₄,BS₅}。其中，表示在有序表中的位序。

表4相邻基站信干噪比表

第五步：如果基站n(n=1,2,3...7)参加协同发送，则根据

${\gamma }_{\mathrm{avg}}^D\left(t\right)=\frac{1}{3}(\frac{1}{{\gamma }_{1,\mathrm{avg}}^D\left(t\right)}+\frac{1}{{\gamma }_{4,\mathrm{avg}}^D\left(t\right)}+\frac{1}{{\gamma }_{5,\mathrm{avg}}^D\left(t\right)})$[规则3] 计算协同发送集中3个基站的信干噪比倒数的平均值然后根据

$P_n^D(t+1)=P_n^D\left(t\right)-5\frac{{\left({\gamma }_{n,\mathrm{avg}}^D\left(t\right)\right)}^{-1}-{\gamma }_{\mathrm{avg}}^D\left(t\right)}{\underset{n\in {\Omega }_{\mathrm{BS}}}{\Sigma }|{\left({\gamma }_{n,\mathrm{avg}}^D\left(t\right)\right)}^{-1}-{\gamma }_{\mathrm{avg}}^D\left(t\right)|}$[规则4] 更新基站的发送总功率。如果不参加协同发送，则基站不进行功率更新。

第六步：协同发送集Ω_BS中的每个基站对其协作天线集 Ω_A={A_n,1,A_n,2,A_n,3,A_n,4},n=1,4,5中的天线l,l=1,2,3,4根据

$P_{n,l}^D(t+1)=\frac{P_n^D(t+1)/(P_{n,l}^{U,T}\left(t\right)/P_{n,l}^{U,R}\left(t\right))}{{\Sigma }_{m=1}^{4}1/(P_{n,m}^{U,T}\left(t\right)/P_{n,m}^{U,R}\left(t\right))}$[规则5] 进行功率分配。如果不参加协同发送，则基站不对其天线进行功率分配。

每次功率分配的过程是在每个系统运行周期200*TTI内重复以上第1步到第6步。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。