本发明涉及无线通信技术领域， 特别是涉及一种使用密集分布式节点布设的多 用户 空分多址无线通信方法。

背景技术

在频谱资源日益紧缺以及无线数据业务量爆炸 式增长的情况下， 4G之后的无线通信 系统需要进行新的变革。 传统的 MIMO技术在不增加功率和带宽资源下可以有效� �提升 频谱效率， 目前该技术已成为 4G移动通信标准的关键技术。为进一步提高频� ��效率并改 善小区边缘性能， 采用多用户 MIMO和协作多点传输技术， 但是所能够达到的频谱效率 和小区边缘频谱效率仍然较低， 而且所需的发射功率较高。

发明内容

技术问题： 为了能够实现更高频谱效率和绿色无线通信的 双重目标， 需要从根本上 改变无线通信的网络架构和无线传输方法。 为此， 本发明给出一种密集分布式无线通信 方法。

技术方案： 一种密集分布式无线通信方法， 包括如下步骤，

( 1 ) 无线通信的每个小区密集布设多个分布式远端 接入单元 RAU; 每个小区内各 个用户根据预先分配的不同时频资源发送上行 探测信号， 相邻小区发送探测信号时采用 多色时频资源复用技术；

(2)每个小区内的第一类 RAU接收探测信号， 回传给中心处理单元； 第二类 RAU 直接计算出统计信道信息并发送到中心处理单 元；

(3)中心处理单元根据获得的各用户统计信道信 息确定小区边缘区域用户统计信道 信息， 并与相邻小区交互所述边缘区域用户统计信道 信息；

(4)根据相邻小区边缘区域用户统计信道信息， 相邻小区中心处理单元同时调度边 缘区域用户集合以及其相应的 RAU集合；

(5) 在调度完边缘区域用户集合及其相应的 RAU集合之后， 各小区中心处理单元 再利用各小区内用户的统计信道信息， 调度各小区内用户集合及其相应的 RAU集合；

(6) 将未被调度的 RAU设置为休眠模式， 等待下一个调度周期；

(7) 被调度的用户与其相应的 RAU集合在分配的同一时频资源上进行通信。 其中， 所述的分布式远端接入单元 RAU包括第一类 RAU和第二类 RAU， 每个小区 可密集布设同一类 RAU或者同时布设这两类 RAU; 第一类 RAU由收发射频模块单元、 模数和数模转换单元及数字光模块或其他高速 链路端口模块组成，第一类 RAU与中心处 理单元之间交互收发的数字基带信号， 数字基带信号处理由中心处理单元完成； 第二类 RAU具有数字基带信号处理能力， 由收发射频模块单元、 模数和数模转换单元、 数字基 带处理模块及数字光模块或其他高速链路端口 模块组成，第二类 RAU与中心处理单元之 间交互统计信道信息、 收发信息比特序列及其他控制信息；

所述的中心处理单元包括基带处理单元、 用户处理单元、 交换处理单元以及用户调 度单元； 基带处理单元完成单个或多个 RAU的发送后处理或接收预处理； 用户处理单元 完成一个或多个用户频域发送信号的生成和接 收信号的处理； 交换处理单元完成基带信 号处理单元与用户处理单元的信号交互； 用户调度单元完成空分多用户调度；

所述的多色时频资源复用技术的实现方法是相 邻小区发送的探测信号使用不同的时 频资源， 而地理位置相隔一个或多个小区的不同小区复 用相同的时频资源； 同一小区的 不同用户使用不同的时频资源间歇地发送探测 信号；

中心处理单元采用集中式调度小区边缘区域和 小区中心区域的用户集合及其相应的 RAU集合， 并可对其进行云处理。 中心处理单元调度方法是， 利用探测获得的用户统计 信道信息， 依据系统和速率最大准则或能效最大准则， 对各小区中待调度的用户集合独 立进行调度， 确定使用同一时频资源通信的多个用户以及各 用户使用的 RAU集合， 被调 度的用户所属的 RAU集合互不重叠， 用户在 RAU域中实施空分多址传输。

一种密集分布式无线通信系统， 包括 RAU模块、 用户终端模块以及中心处理模块， RAU模块到中心处理模块之间的数据传输， 以及各小区中心处理模块之间的数据传输通 过光纤或者其他高速链路实现； 其中，

用户终端模块， 使用不同的时频资源发送上行探测信号；

RAU模块， 密集布设在无线通信的每个小区； 用于接收探测信号， 直接回传中心处 理模块或处理后传给中心处理模块；

中心处理模块， 包括基带处理单元、 用户处理单元、 交换处理单元以及用户调度单 元； 基带处理单元完成单个或多个 RAU的发送后处理或接收预处理； 用户处理单元完成 一个或多个用户频域发送信号的生成和接收信 号的处理； 交换处理单元完成基带信号处 理单元与用户处理单元的信号交互； 用户调度单元完成空分多用户调度。 所述 RAU模块包括第一类 RAU和第二类 RAU， 每个小区可密集布设同一类 RAU 或者同时布设这两类 RAU;其中第一类 RAU将接收到的探测信号回传给中心处理单元， 根据接收到的探测信号， 中心处理单元估计各用户与相邻 RAU的信道参数， 获得各用户 调度所需的统计信道信息；第二类 RAU根据接收到的探测信号计算出所需的统计信 道信 息， 并发送到中心处理单元。

本发明采用上述技术方案， 具有以下有益效果： 1、 通过密集布设 RAU可以进一步 縮短用户和 RAU的接入距离， 有效地对抗大尺度衰落， 提高功率效率、 频谱效率、 传输 可靠性和定位的准确度， 降低信号处理的复杂度； 2、 相邻小区发送探测信号时采用多色 时频资源复用技术， 解决了探测信号之间的干扰问题； 3、 相邻小区调度边缘区域用户集 合及其 RAU集合， 仅需共享边缘区域用户的统计信道信息， 显著减少了小区间共享的开 销， 有效提高小区边缘用户的吞吐量； 4、 未被调度的 RAU可以使用休眠模式， 进一步 降低系统的整体能耗； 5、 该方法可适用于时分双工 （TDD ) 和频分双工 （FDD ) 系统， 并且其基带传输方案可向下兼容于 LTE和 LTE-A标准。

附图说明

图 1为本发明实施例的一种密集分布式无线通信� �统网络架构的示意图； 图 2 ( a)、 （b )为本发明实施例的一种相邻小区各用户统计� �道信息获取示意图： 图

2(a) 多小区上行探测三色时频资源复用示意图； 图 2(b)相邻的三小区各用户探测信号所 占时频资源情况；

图 3为本发明实施例的一种密集分布式无线通信� �法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例， 进一步阐明本发明， 应理解这些实施例仅用于说明本发明而 不用于限制本发明的范围， 在阅读了本发明之后， 本领域技术人员对本发明的各种等价 形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定 的范围。

1 . 无线通信系统网络架构

本实施例的密集分布式无线通信系统网络架构 如图 1所示，图示场景由相邻的三个小 区组成， 每个小区有 L个 RAU， RAU集合为 {1, 2,— , L}， 通过光纤（或其他高速链路）连 接到中心处理单元，每个 !^11有 根天线，每个小区有 个用户，用户集合为 {1, 2,· · · , }， 每个用户终端有 Μ根天线，相邻小区的中心处理单元通过光纤� ��或其他高速链路）相连。 整个系统由模块 101、 模块 102、 模块 103和模块 104组成， 其中模块 101是第一类 RAU 和第二类 RAU， 主要作用是负责收发数据， 其中第一类 RAU由射频模块、模数和数模转换 器、 数字光模块 （或其他高速链路端口模块） 组成， 第二类 RAU由收发射频模块单元、 模数和数模转换单元、 数字基带处理模块及数字光模块 （或其他高速链路端口模块） 组 成； 模块 102是中心处理单元， 主要作用是负责基带信号处理、 用户处理单元、 交换处 理单元以及用户调度算法等； 模块 103是用户终端， 是用户收发数据的设备； 模块 104 是光纤链路（或其他高速链路）， 主要作用是 RAU到中心处理单元之间的数据传输， 以及 各小区中心处理单元之间的数据传输； 为了方便描述， 定义每个小区所有 RAU集合与中 心处理单元通过光纤 （或其他高速链路） 连接构成一个小区基站。

2. 系统模型

在上行链路， 小区 c 的基站在 RAU集合 B _{i e} 上接收到第 用户的信号为

其中 _P "为用户的发射功率， 为小区 _C 中第个用户发射的信号矢量， n _; 为加性白高 斯噪声（AWGN)， n;为小区 (和相邻小区其他用户在 RAU集合 B _{i £} 上的干扰信号与^之和， 由于大尺度衰落的影响， 只有小区边缘用户的 RAU集合才会受到相邻小区边缘用户的干 扰，小区内用户的 RAU集合只受到本小区用户干扰， [Η^ ] 表示小区^中第个用户与 RAU 集合 B _{i £} 之间的上行信道， 5 _ε 表示小区^中使用相同时频资源的用户集� �。 在下行链路， 小区 c 中第 用户的信号接收到的信号为

其中 P ^d 为基站的发射功率， 为小区 中 RAU集合 发射给第 i个用户信号矢量， n,为加性白高斯噪声 （AWGN)， 为小区 c和相邻小区其他用户 RAU集合对用户 的干 扰信号与 之和。 由于大尺度衰落的影响， 只有小区边缘用户才会受到相邻小区边缘用 户 RAU集合的干扰， 小区内用户只受到本小区用户 RAU集合的干扰， [H^ ] ^B "表示小区 _C 中 RAU集合 Β _; , _ε 与第 i个用户之间的下行信道。 3. 统计信道信息获取

本发明实施例提供一种相邻小区统计信道信息 获取方法， 如图 2所示， 图 2 (a) 表 示多小区上行探测三色时频资源复用即相邻的 三个小区上行探测信号使用不同的时频资 源区域， 因此小区 c探测信号复用标识/：取值 1~3， 每个小区都有 个用户， 每个用户 配置 M根天线，各用户使用的 N _s 组子载波。如所有标识为 1的小区可使用子载波资源集 合 Q ={ΐ,2,···,Μ^ν ₅ } ，所有标识为 2 的 小 区 可使用 子载波 资源集合 ( = {MSV _s +l,MSV _s +2, 2MSV _s }，所有标识为 3 的小区可使用子载波资源集合 ( = {2MKN _s + 1, 2MKN _s +2,···, 3MKN _s }； 统计信道信息获取由上行链路的信道探测过程 完成。 在上行链路， 各小区各用户间 歇地发送探测信号， 各小区所有用户的探测信号可以在一个时隙的 一个 OFDM符号上发 送， 各小区不同用户探测信号使用不同的子载波资 源， 各小区各用户中不同的天线在不 同的子载波上发送探测信号， 每个用户多个天线所占的子载波资源为相邻子 载波组成的 多组子载波资源，各个天线使用这些子载波组 中不同编号的子载波。各小区的第一类 RAU 将接收到的探测信号回传给各小区基站， 估计各用户的信道参数， 由此计算出各用户的 统计信道信息。 各小区的第二类 RAU根据接收到的探测信号计算出所需的统计信 道信 息， 并发送到中心处理单元。 小区的边缘用户除了本小区可以进行统计信道 信息获取， 同时相邻小区也可以进行统计信道信息获取。

图 2 (b) 为相邻小区上行探测信号资源三色复用下各小 区各用户探测信号所占时频 资源情况， 图中水平方向表示时间， 竖直方向表示 OFDM子载波， 不同的斜线阴影表示 各小区不同用户进行统计信道信息获取时占用 的时频资源。 记 OFDM子载波集合为 C={l,2,...,3MBV _s },其中 M表示每个用户配置的收发天线数， 表示小区中用户数， N 示各用户使用的子载波组数，小区 c中用户 的第 个天线上发送的探测信号所占的子载 波集合为： U?, _c = (J { (i -l)M + m + (k- l)MK + (f _c - \)N _S MK} , /：表示小区 c探测信号复 用标识号， 因此， 小区 c中第 个用户的 M根天线上发送的探测信号所占的子载波集合

小区 c中各用户统计信道信息通过如下信道探测过� �得到：

步骤 1: 计算各用户上行链路信道参数： 小区 c中第 个用户的第 个天线在第 个 时隙第 I (i, k, m)个子载波上的信道参数由下式计算：

其中，， y , _m )为小区 c中第 r个 RAU接收信号矢量， 第 /( ,fc,m)个子载波上发送 的探测信号为 ^( , _m )， 其中 = (ί-1)Μ + (k-l)MK + (f _c -l)N _s MST + m表示为小 区 c中第 个用户的第 m个天线使用第 组中第 m个子载波；

将第 M个天线的信道参数构成如下信道矩阵： ，

步骤 2: 计算各用户的上行链路统计信道信息:

利用信道的互易性计算各用户的下行链路的统 计信道信息:

R 其中， 上标 表示共轭转置， 为发送探测信号的次数。

步骤 3: 计算用户 i在 RAU集合 的上行链路统计信道信息:

[R" _c ] ^B "' ^c =diag(---,R" _W ,---), r e B. _c

用户 i在 RAU集合 的下行链路统计信道信息：

Ί ^Β ',

R' 另外小区 c除了可以获得本小区用户的统计信道信息， 还可以获得相邻小区边缘用 户的统计信道信息， 例如， 假设小区 1、小区 2和小区 3中的第 2个用户都位于三小区的 边缘， 如图 2 (b)所示， 小区 1可以在子载波集合 t/ ₂ , ₂ 和 t/ ₂ , ₃ 上分别收到小区 2和小区 3 中第 2用户的探测信号， 小区 2可以在子载波集合 ί/ ₂ 和 t/ ₂ , ₃ 上分别收到小区 1和小区 3 中第 2用户的探测信号， 小区 3可以在子载波集合 和 t/ ₂ , ₂ 上分别收到小区 1和小区 2 中第 2用户的探测信号， 各小区按照上述 3步骤同样可以获得相邻小区边缘用户的统计 信道信息。

4. 系统的调度准则

利用 3中获得的各用户统计信道信息， 依据调度准则， 如小区和速率最大准则或小 区能效最大准则等， 对小区中的用户进行调度， 确定可使用同一时频资源通信的多个用 户以及各用户使用的 RAU集合， 调度后， 通信各用户的 RAU集合互不重叠， 用户与各 RAU集合进行空分多址传输。

以小区 c中存在 个用户和 L个 RAU为例， S _t {1,2,··· /^表示小区 c中被选择进 行空分多址通信的用户集合， | 为小区 c中调度的用户数， B _i£ 表示小区 c中第；个用户 使用的 RAU集合， 即 ^ 二 ,^…,/^ _Ί }， R _c ^ |J 表示 S 集合的用户使用各自 相应 RAU集合。 下面介绍一下系统可以采用的调度准则：

a) 小区和速率最大准则

对于上行链路， 设用户发射功率为 Ρ"， 接收信号中噪声的方差为 σ ² ， 根据小区和速 率最大准则， 去调度用户和相应 RAU集合的组合。 选择上行链路用户集合和相应 RAU 集合的公式为：

{S ,R _c "} = argmax R(S _ctf R _c

s.t. V/, j, B _ic nB. _iC =0

, |B, _c |≤N _i¾

其中， Β _ίε Π Β _Λε =0表示为每个 RAU集合只能服务于一个用户， N _tk 表示每 个 RAU集合最多使用 RAU的数目， 例如一般设 _¾ 为 1~3； R(S， R 表示用户集合 S 中的用户与对应的 RAU集合^进行上行链路通信时的系统和速率， 其近似表达式为：

R(S _c ， R ∑iog 其中， 「 " = diag R" ,R" ,---,R" 表示小区 c的基站在 RAU集合 Β,. 上获得用户 的上行链路统计信道信息， diag(.)表示对角阵， 1 ！为叫 卜叫 」的单 位阵；

同理选择下行链路用户集合和相应 RAU集合的公式为：

, |B, _c |≤N _i¾

其 统和速率的近似表达式为

其中 [ ^] ^1C = X R _crc 表示小区 c的基站在 RAU集合 Β _Λε 上获得用户 i的下行链 路统计信道信息， ^为 >< 的单位阵。

b) 小区能效最大准则

对于上行链路， 根据小区能效最大准则去选择用户集合和相应 RAU集合的公式为： {b _c ， _c } = arg max —— -

S _C {1,2, ... i^S _c ^

U ^B 'V

s.t. V,7, Β^ΠΒ.^ =0

, |B, _C |<N _;¾

其用户 的上行链路速率近似表达式为：

P _ms 为用户终端电

路和信号处理的功率， / 为 RAU和中心处理单元电路和信号处理的功率， 为放大器 效率系数。

同理选择下行链路用户集合和相应 RAU集合的公式为： R.(S _c ,R _c ^

{S ,R = arg max ^

P

U

v, |B, _c |≤N _i¾ 的下行链路速率近似表达式为:

其中 + P

) + P _ms , |B _iiC I为 RAU集合中 RAU的数目。

为了得到上下行链路一致的调度用户及其相应 RAU集合，可以采用上行链路与下行 链路的性能加权求和最大来调度。

5. 小区边缘用户信道信息交互与调度实施过程

按照 4中的调度准则， 需要共享相邻小区所有用户的统计信道信息， 并实施全局集 中式调度才能获得最优解， 但在实际系统中不可能获得所有小区所有用户 的统计信道信 息， 每个小区基站只能获得本小区用户的统计信道 信息， 以及相邻小区边缘用户交互的 统计信道信息， 因此各小区必须实施分区域集中式调度算法， 具体的实施步骤如下： 步骤 1: 根据各小区用户发送的上行探测信号， 利用 （3) 中实施步骤获得各用户的 统计信道信息， 并判断用户和 RAU是否在小区的边缘区域；

小区 c中第 r个 RAU收到本小区用户 的探测信号， 可获得统计信道信息 1^,^和

Ri^ _c ， 同时小区 c中第 r个 RAU在其它时频资源上收到相邻小区 c'中用户 j 的探测信 号， 可获得统计信道信息 1^, 和1¾^， 根据如下几种情况， 判断用户和 RAU是否处 于小区边缘区域：

1 ) Tr(R" _{c r c} )≥ < Tr(R". _{c> c} )≤ p _th ， 该条件说明小区 c第 r个 RAU可能与本小区 用户 通信， 而对相邻小区 c'中用户 造成干扰， 需 要交互；

2) Tr(R _i )≥ _A¾ 且 Tr(R;^J≥ _A¾ ， 说明小区 c第 r个 RAU可能与本小区用户 通信， 也可能与相邻小区 c'中用户 通信， 需要交互； 3) _Pl < Tr(R" _crc )< _A¾ Tr(R; )≥ p _th ， 说明小区（：第 r个 RAU可能与相邻小区 c'中 用户 通信， 而对本小区用户 造成干扰， 需要交互;

4) p,< Tr(R" _{icr c} )≤ _A¾ 且 A≤ Tr(R^ _CVC )< p _th , 说明小区 c中第 r个 RAU对本小区用户 与相邻小区 c'中用户 造成干扰， 该 RAU不可能被调度， 所以无需交互。

其中>¾为相邻 RAU大尺度衰落门限， 为干扰 RAU大尺度衰落门限， 满足上述前

3种情况的所有用户和 RAU都位于小区的边缘区域。

步骤 2: 各小区按照步骤 1可找出各自小区边缘用户集合以及边缘用户� � RAU集合， 并与相邻小区交互边缘用户的统计信道信息；

小区 c按照步骤 1可得到边缘用户集合 ί//和边缘用户的 RAU集合 |J ，相邻小区

'·

c'可得到边缘用户集合 和边缘用户的 RAU集合 |J B _I ； c需要将本小区所有边缘用户的统计信道信息 u {[RI, c将小区 c'边缘用户集合 U:' 的统计信道信息 传送给小区 C'的基站;

同理， 小区 C'需要将本小区所有边缘用户的统计信道信息 [J [R" u {[R^] ^b "1 以及小区 c'将小区 c边缘用户集合 u:的统计信道信息

U {[RL] ^b "1 U 传送给小区 c的基站；

为了方便描述，将相邻小区的边缘区域的用户 集合表示 U _e = U:'，相应的 RAU 集合表示 = |J B^， 其中 表示边缘区域用户 的 RAU集合， 边缘区域共享的统计 信道信息为 u {[ ] ^B 卞 }和口 υU { ^ίΓ ["' ^ηΒ ' 步骤 3: 根据步骤 2共享的统计信道信息， 小区 c和小区 c'同时利用 （4) 的调度准 则实施边缘区域用户的调度， 避让相邻小区的干扰； a)根据系统边缘和速率最大准则， 选择上行链路边缘用户集合和相应 RAU集合的公 式为：

{S;,R;} = argmaxR(S _e ,R _e ^ s.t. V ,7, Β _;β ηΒ _Λβ =0

同理， 选择下行链路边缘用户集合和相应 RAU集合的公式为：

O argmaxI^Se, !^

s.t. V ,7, Β _;β ηΒ _Λβ =0

, |B, _e |≤N _i¾ b) 根据系统边缘能效最大准则选择上行链路边缘 用户集合和相应 RAU集合的公式 为：

{b _e , K _e ) = arg max —— - s.t. V/, j, _ie f] _je =0

其中 用户 RAU集合中 RAU的数目， P _ms 为 用户终端电路和信号处理的功率， P 为 RAU和中心处理单元电路和信号处理的功率， 为放大器效率系数。

同理， 选择下行链路边缘用户集合和相应 RAU集合的公式为：

{S ,R } = argmax∑ ^R ^ ^{Se, R} ^

s.t. V,7, B _ie ] _je =0

其中 = |B _iie I ( Ρ ^ά /ζ + P ) + P _ms , RAU集合中 RAU的数目。

为得到上下行链路一致的调度边缘用户及其相 应 RAU集合，可以采用上行链路与下 行链路的性能加权求和最大来调度。

步骤 4: 小区 c和小区 c'同时再利用 （4) 的调度准则实施各自小区用户调度； 按照上述同样的方法可以实现相邻多小区之间 统计信道信息的交互， 并且每个小区 执行相同的调度算法。

6. 密集分布式无线通信的实现方法：

本发明实施例提供了一种密集分布式无线通信 方法如图 3所示， 该方法包括以下步 骤：

步骤 301 : 唤醒休眠的 RAIL 各小区各用户根据预先分配的不同时频资源， 发送上 行探测信号。

步骤 302: 各小区第一类 RAU在不同时频资源上接收探测信号， 并且将接收的探测 信号回传给中心处理单元， 中心处理单元通过基带信号处理， 获得每个用户的统计信道 信息； 第二类 RAU根据接收到的探测信号计算出所需的统计信 道信息， 并发送到中心处 理单元。

步骤 303: 根据获得各用户的统计信道信息来判断用户和 RAU是否位于小区的边缘 区域， 从而获取边缘区域用户的统计信道信息， 并与相邻小区共享该边缘区域用户的统 计信道信息。

步骤 304: 根据相邻小区共享的边缘区域用户统计信道信 息， 相邻小区同时利用 4 的调度准则实施边缘区域用户及其 RAU集合的调度， 避让相邻小区的干扰。

步骤 305: 在完成了边缘区域用户及其相应 RAU集合的调度， 同时再利用 4的调度 准则实施各自小区内部用户及其相应 RAU集合的调度。

步骤 306: 在此次调度周期内， 可以将未被调度的 RAU设置为休眠模式， 等待下一 个调度周期， 唤醒休眠的 RAU， 进行统计信道信息的获取。

步骤 307: 调度的用户与其相应 RAU集合在分配的时频资源上同时进行无线通信 。 在本申请所提供的实施例中， 应该理解到， 所揭露的方法， 在没有超过本申请的精 神和范围内， 可以通过其他的方式实现。 当前的实施例只是一种示范性的例子， 不应该 作为限制， 所给出的具体内容不应该限制本申请的目的。 例如， 多个单元或组件可以结 合或者可以集成到另一个系统， 或一些特征可以忽略， 或不执行。