CN101695008B - 多用户多天线两阶段有限反馈方法 - Google Patents

Abstract

一种无线传输技术领域的多用户多天线两阶段有限反馈方法，包括：用户端将信道状态信息量化为信道质量信息并通过小尺寸码本得到低阶信道方向信息，并进行第一阶段反馈；基站选取最优用户组作为调度用户，并通知调度用户反馈高阶信道方向信息，并使用低阶信道方向信息作为预编码矩阵，开始发送数据给调度用户；调度用户由大尺寸码本得到高阶信道方向信息，并进行第二阶段反馈，基站根据调度用户反馈的高阶信道方向信息计算得到优化预编码矩阵，并根据优化预编码矩阵发送数据至调度用户。本发明具有高传输速率和低有限反馈的特点，可以为第三代、超三代、***蜂窝移动通信等***的蜂窝小区有限反馈策略提供具体的实现方法。

Description

多用户多天线两阶段有限反馈方法

技术领域

本发明涉及的是一种无线传输技术领域的方法，具体是一种多用户多天线两阶段有限反馈方法。

背景技术

多天线(MIMO)***通过发射端和接收端的多副天线，无线通信***的信道容量可以得到提高。MIMO广播信道中，基站通过多根天线给多个单天线用户同时传送信息。多用户MIMO***的传输性能与信道状态信息有关。当基站能够得到完全信道信息时，在总功率一定时，***总传输速率随着用户个数增加而增大，达到多用户分集增益。然而，当基站没有信道状态信息时，***性能和TDMA***相当。实际***中每个用户反馈的信息有限，基站只能接收部分信道状态信息，即有限反馈***。多用户MIMO有限反馈方案以线性预编码为基础，相比非线性预编码(例如最优的DPC技术)，线性预编码设计简单，传输性能损失小，在实际***种更易实现。

线性预编码方法分为正交随机波束成形(ORBF)和迫零波束成形(ZFBF)。ORBF包含随机生成的预编码向量组并分别传送给SINR最大的用户。因此，每个用户无需反馈自身信道信息，只要反馈信道质量信息(CQI)：最大的SINR和信道方向信息(CDI)：对应最优的向量号。这种方案由于步骤简单，应用广泛。基于ORBF技术的反馈方案有2种：(1)正交空分复用(OSDMA)：基站传给各用户随机的一组预编码向量组，用户反馈最大的SINR和对应向量。理论证明***能够得到多用户分集。(2)选择性正交空分复用(OSDMA-S)：基站每次随机产生多组预编码向量，用户反馈最大的信号干扰噪声比(SINR)和对应向量号，增加了限反馈量但提升了传输性能。实际中，选择性正交空分复用，又称为PU2RC，已经成为3GPP-LTE标准。当使用ZFBF，基站使用反馈的信道方向信息、信道质量信息确定信道向量，被用于用户调度和设计迫零波束成形的预编码矩阵，以消除用户间干扰。当存在完全信道状态信息，用户间干扰可以完全消除，同时其性能接近最优方案。然而，为了使得***吞吐量随着SNR增大持续上升，避免天花板效益，反馈量必须与信号噪声比(SNR，单位dB)呈线性关系。基于ZFBF的反馈方案有2种：(1)穷举法：每次选取与发射天线个数相同的用户组，通过计算得到使用迫零波束成形技术所能达到的总传输速率，最后选取总传输速率最大的用户组为最佳用户组。(2)迫零正交空分复用(ZF-OSDMA)：基站确定用户CSI后，通过每次迭代选取与各选定用户相关系数和信道增益联合最优的用户，在每次迭代中，首先从待选的用户组中筛除与已选定用户组相关系数大于门限值的用户，再从中选取与已选定用户组正交分量最大的用户并求得预编码矩阵。这种方法考虑到用户间相关性和多次迭代后得到最优用户组。使用正交随机波束成形(ORBF)和迫零波束成形(ZFBF)用于提供CSIT信息的反馈资源在调度和预编码向量设计中仅使用一次，虽然都能实现多用户分集，但是两者各有缺陷。

完整的有限反馈方案分为用户调度与预编码两部分。ORBF的预编码向量事先确定，但是由于向量个数少，无法精确地用户调度；ZFBF的预编码向量是通过计算得到，为了减少用户间干扰，每个用户都必须反馈更精确的信道方向信息，增加了反馈量。因此，有必要寻找一种更高效的有限反馈方案。

经对现有技术的文献检索发现，Motorolar公司在3GPP TSG RAN WG1第49次会议(2007年5月)提案R1-072175上发表的“E-UTRA Precoding FeedbackOverhead”(E-UTRA预编码反馈机制)中，认为用于调度和预编码向量设计需要的反馈资源量是不同的。调度阶段需要所有用户反馈信道信息，但是每个用户的反馈量很少；相反，预编码阶段仅需要被调度的小部分用户反馈更加精确的信道信息。所以，完全可以将反馈资源分成两个阶段分别利用。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种多用户多天线两阶段有限反馈方法，通过两阶段有限反馈方法，使得第一阶段每个用户反馈粗量化的信道信息帮助基站用户调度，第二阶段基站要求被调度的用户反馈细量化的信道信息来得到预编码向量。本发明提升了传输速率且反馈量低易于实现。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

步骤一：基站发送导频信号给用户端，用户端接收导频信号和信道状态信息；

所述的信道状态信息指的是信道向量，该信道向量中的每个元素为基站对应天线到用户端天线的信道衰落系数；

步骤二：用户端将信道状态信息量化为信道质量信息并通过小尺寸码本得到低阶信道方向信息，并进行第一阶段反馈，将信道质量信息和低阶信道方向信息发送至基站；

所述的信道质量信息指的是由信道状态信息与总传输信噪比计算得到的信扰噪比。

所述的小尺寸码本码字个数为2³-2⁴。

所述的低阶信道方向信息指的是小尺寸码本中与信道向量最匹配的码字序号，其中，低阶信道方向信息使用小尺寸码本，信道量化粗糙，其结果用低阶信道方向信息标识。

步骤三：基站由用户反馈的信道质量信息、低阶信道方向信息进行用户调度，选取最优用户组作为调度用户，并通知调度用户反馈高阶信道方向信息，并使用低阶信道方向信息作为预编码矩阵，开始发送数据给调度用户；

所述的用户调度指的是基站由低阶信道方向信息将所有用户归类并从中选取信道质量信息最大的用户，再将选取的用户分组，从中选取信道质量信息和最大的用户组；

所述的最优用户组指的是组中用户信道质量信息和最大的用户组；

步骤四：调度用户由大尺寸码本得到高阶信道方向信息，并进行第二阶段反馈，将高阶信道方向信息发送至基站，基站根据调度用户反馈的高阶信道方向信息计算得到优化预编码矩阵，并根据优化预编码矩阵发送数据至调度用户；

所述的大尺寸码本码字个数为2¹⁰-2¹⁸个；

所述的优化预编码矩阵是指：调度用户的高阶信道方向信息的伪逆矩阵。

本发明将反馈资源分为两个阶段，第一阶段用于用户调度，第二阶段用于预编码。相比于已有方案，本方案有效增加***的吞吐量的同时减少了反馈量。因此，本发明提出的方案具有高传输速率和低有限反馈的特点，可以为第三代(3G)、超三代(S3G)、***(4G)蜂窝移动通信等***的蜂窝小区有限反馈策略提供具体的实现方法。

附图说明

图1为本发明示意图。

图2为实施例的时序图。

图3为码本正交码字组设计示例图。

图4为不同有限反馈方案传输性能仿真图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例涉及的多用户MIMO下行链路中两阶段有限反馈方案，***框图如图1所示，整个***由多天线基站、单天线用户端，无限信道、有限反馈信道组成。多天线基站含M根发射天线，基站接收用户端通过有限反馈信道反馈的信息，进行用户调度，并将调度用户的待发信息进行预编码处理，最后通过天线发射到无线信道；K个独立的用户从无线信道接收由基站传来的信息，得到自己需要的部分，同时根据这些信息进行信道处理，将信道向量值量化后经过有限反馈信道反馈给基站。无线信道和有限反馈信道在频域是相互独立的。

本实施例整个过程的时序如图3所示，具体包括如下步骤：

(1)基站发送导频信号给用户端

基站发送导频信号，导频信号离线时基站与发送端已知，用于信道处理。

(2)用户端接收导频信号，处理信道状态信息

由于用户端预先知道基站发送的导频信号，接受由信道传输的导频信号后，通过比较和各种信道处理方法，可以得到信道向量h_k∈□^1×M，即信道状态信息。

(3)用户端将信道状态信息量化为信道质量信息和低阶信道方向信息

用户端使用基于FFT矩阵结构的小尺寸码本C，其每个码字c_n是N×M FFT矩阵一行，

$C=\left[\begin{array}{c}{c}_1\\ c_2\\ .\\ .\\ .\\ c_N\end{array}\right]=\frac{1}{\sqrt{M}}\left[\begin{array}{cccc}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_1\·0}& e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_2\·0}& ...& e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_M\·0}\\ e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_1\·1}& e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_2\·1}& ...& e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_M\·1}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_1\·(N-1)}& e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_2\·(N-1)}& ...& e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_M\·(N-1)}\end{array}\right]---\left(1\right)$

式(1)中令u＝[u₁ … u_M]为待定系数。任意两个不同码字c_m和c_m′(m≠m′)之间相关系数为|c_mc_m′ ^H|。基于FFT矩阵结构的码本通过选择合适的u，可以使码字间相关系数很小，从而码字均匀分布在向量空间。仿真验证过程中，取N＝8时u＝[1 2 3 5]。

用户反馈的低阶信道方向信息为小尺寸码本C中与信道向量h_k互相关系数最大的码字d_k，

$d_k=\arg \underset{c_n\∈C}{\max }|h_k\·c_n^H|/\left|\right|h_k\left|\right|---\left(2\right)$

用户反馈的信道质量信息q_k为用户k可达传输速率处理值。由于被调度的用户组对应低阶信道方向信息是正交的。当调度的用户数|S_opt|＝M时这些码字构成M维向量一组完备正交基。用户k∈S可达传输速率处理值q_k满足，

$q_k=\log (1+\frac{\mathrm{\ρ}{\left|\right|h_k{d}_k\left|\right|}^2}{1+\mathrm{\ρ}{\mathrm{\Σ}}_{i\∈S_{\mathrm{opt}}\backslash \left\{k\right\}}{\left|\right|h_k{d}_i\left|\right|}^2})=\log (1+\frac{\mathrm{\ρ}{\left|\right|h_k{d}_k\left|\right|}^2}{1+\mathrm{\ρ}({\left|\right|h_k\left|\right|}^2-{\left|\right|h_k{d}_k\left|\right|}^2)})---\left(3\right)$

(4)用户端反馈信道质量信息和低阶信道方向信息给基站

用户将信道质量信息和低阶信道方向信息由上行有限反馈信道，在时隙1反馈给基站。上行有限反馈信道和下行数据传输信道是频域分离的。

(5)基站由用户反馈的信息进行用户调度，选取最优用户组

由于小尺寸码本C已知，可以根据码本预先得到多组具有M个相互间正交的码字组。具体方法为：作码本的拓扑图，以码字为节点，当任意码字间相关系数 $\left|c_m{c}_{m^{\′}}^H\right|=0,$ 即正交，两节点间连线。最后遍历搜索整个拓扑图，任意M个两两都连线的节点即为一组准正交码字组S_r(r＝1，…，R)。图3为码本大小N＝8，u＝[1 2 3 5]时的码本拓扑图，其中准正交码字共4组，分别为：{1-2-5-6}，{2-3-6-7}，{3-4-7-8}，{4-5-8-1}。

用户调度，首先，基站参考用户反馈的低阶信道方向信息，将用户归类到相应码字代表的量化区域。令码字c_n代表量化区域中用户集合为G_n。对于每一个用户k，根据其低阶信道方向信息d_k的值归入

即

$G_n=\left\{k\right|\∀d_k=c_n,k=1...K\}---\left(4\right)$

其次，对每个码字代表的量化区域G_n中取信道质量信息q_k最大的用户，筛除其余用户。令每个码字代表的量化区域G_n中选取的用户号为v(n)，则v(n)满足

$v\left(n\right)=\arg \underset{k\∈G_n}{\max }{q}_k---\left(5\right)$

最后，比较各码字组中码字对应用户可达总传输速率和的处理值即q_k的和，取值最大的那一组用户即为调度的用户组S_opt，

$S_{\mathrm{opt}}=\underset{S_r,r=1...R}{\max }\underset{v\left(n\right),n\∈S_r}{\mathrm{\Σ}}{q}_{v\left(n\right)}---\left(6\right)$

(6)基站通知被调度的用户反馈高阶信道方向信息，并开始发送数据

基站通知用户k∈S_opt反馈高阶信道方向信息，用于精确的预编码设计。

同时，由于调度用户的低阶信道方向信息两两相交，可以直接作为预编码矩阵。基站暂时利用这个预编码矩阵来为调度的用户传输数据。

(7)被调度的用户由大尺寸码本得到高阶信道方向信息

预编码阶段，使用了基于随机矢量量化(RVQ)的大尺寸码本C_RVQ，码本中每个码字都是独立随机产生，服从复高斯分布的向量。值得注意的是，使用任何针对性设计的码本都比基于随机矢量量化码本的性能好。

用户使用大尺寸码本C_RVQ，反馈的高阶信道方向信息，D_k为码本C_RVQ中与信道向量h_k互相关系数最大的码字，

$D_k=\arg \underset{c_n\∈C_{\mathrm{RVQ}}}{\max }|h_k\·c_n^H|/\left|\right|h_k\left|\right|---\left(7\right)$

(8)被调度的用户反馈高阶信道方向信息D_k

被调度的用户将高阶信道方向信息D_k由上行有限反馈信道，在时隙2反馈给基站。

(9)基站根据调度用户反馈计算得到更精确预编码矩阵

令 $S_{\mathrm{opt}}=\{s_1,s_2...s_{\left|S_{\mathrm{opt}}\right|}\},$ $H={\left[\begin{array}{cccc}{D}_{s_1}^H& D_{s_2}^H& ...& D_{s_{\left|S_{\mathrm{opt}}\right|}}^H\end{array}\right]}^H,$ 则预编码矩阵W满足，

W＝H^H(HH^H)^-1                            (8)

由于使用了高阶信道方向信息，W与(6)中的预编码矩阵相比更精确，能够更好地消除用户间干扰，增大***吞吐量。

(10)基站发送信息给调度用户

基站将调度用户的数据经预编码处理后由M根发射天线经下行信道同时传送给用户。当下一周期开始重复以上步骤，保障无线小区的基站和所有用户正常运行。

本实施例相比于已有方案，本方案有效增加***的吞吐量的同时减少了反馈量。这些可以从仿真中得到证实。

如图4所示，比较了各种发射策略：两阶段有限反馈策略、EU2RC的总传输速率。其中两阶段有限反馈策略第一阶段小尺寸码本码字个数N1为8(使用3GPPTS 36.211 V8.30 Table 6.3.4.2.3-2的4天线N＝16码本前8个码字)，第二阶段大尺寸码本码字个数N2的值取2¹²、2¹⁴、2¹⁸和inf(无穷大，即第二阶信道方向信息为理想状态，其值等于h_k/||h_k||)；EU2RC(使用3GPP TS 36.211 V8.30 Table6.3.4.2.3-2的4天线N＝16码本)码本码字个数为16。整个***，发射端天线数为4，用户端天线数为1，发射端信噪比P/N＝10dB。

随着用户数增加，三种策略的***吞吐量也增加，实现了用户分集。两阶段有限反馈策略随着第二阶段码本码字个数增加，吞吐量不断上升。比较3种策略，使用两阶段有限反馈策略的***吞吐量更大。

比较反馈量，两阶段策略第一阶段每个用户反馈3bit低阶信道方向信息，第二阶段仅4个用户需要反馈12-18bit高阶信道方向信息；而EU2RC每个用户都要反馈4bit信道方向信息。所以当用户数较大(超过100)时，两阶段策略总反馈量更小。

因此，本实施例提出的多用户MIMO下行链路中两阶段有限反馈方案是一种优化方案，有效增加***的吞吐量的同时减少了反馈量，可为多天线蜂窝小区的多用户调度策略提供重要的依据和具体的实现方法。

Claims (4)

1.一种多用户多天线两阶段有限反馈方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：基站发送导频信号给用户端，用户端接收导频信号和信道状态信息；

步骤二：用户端将信道状态信息量化为信道质量信息并通过小尺寸码本得到低阶信道方向信息，并进行第一阶段反馈，将信道质量信息和低阶信道方向信息发送至基站；

步骤三：基站由用户反馈的信道质量信息、低阶信道方向信息进行用户调度，选取最优用户组作为调度用户，并通知调度用户反馈高阶信道方向信息，并使用低阶信道方向信息作为预编码矩阵，开始发送数据给调度用户；

步骤四：调度用户由大尺寸码本得到高阶信道方向信息，并进行第二阶段反馈，将高阶信道方向信息发送至基站，基站根据调度用户反馈的高阶信道方向信息计算得到优化预编码矩阵，并根据优化预编码矩阵发送数据至调度用户；

所述的信道状态信息指的是信道向量，该信道向量中的每个元素为基站对应天线到用户端天线的信道衰落系数；

所述的信道质量信息指的是由信道状态信息与总传输信噪比计算得到的信扰噪比；

所述的低阶信道方向信息指的是小尺寸码本中与信道向量最匹配的码字序号，该低阶信道方向信息使用小尺寸码本，用低阶信道方向信息标识；

所述的用户调度指的是基站由低阶信道方向信息将所有用户归类并从中选取信道质量信息最大的用户，再将选取的用户分组，从中选取信道质量信息和最大的用户组；

所述的优化预编码矩阵是指：调度用户的高阶信道方向信息的伪逆矩阵。

2.根据权利要求1所述的多用户多天线两阶段有限反馈方法，其特征是，所述的小尺寸码本码字个数为2³-2⁴。

3.根据权利要求1所述的多用户多天线两阶段有限反馈方法，其特征是，所述的最优用户组指的是组中用户信道质量信息之和最大的用户组。

4.根据权利要求1所述的多用户多天线两阶段有限反馈方法，其特征是，所述的大尺寸码本码字个数为2¹⁰-2¹⁸个。

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