CN101868018B - 一种用于mimo的低比特反馈用户功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于MIMO的低比特反馈用户功率分配方法，首先为用户天线定义体现功率分配优先级别的编号，通过排列组合得到各天线的所有编号排列。基站发送测试信号，用户对各天线按照信噪比越大，优先级越高的准则赋予天线编号，并将该编号信息同信噪比最大值、最小值反馈给基站，基站计算信噪比中值，并以此选定用户并作第一次功率分配，最后基站根据反馈的编号信息按照天线编号的优先级越高，对该天线分配功率越高的准则给各天线作第二次分配功率。本发明克服了传统用户子信道估计需要反馈信息量过大的缺陷，可以在减少反馈信息量的情况下，有效估计用户所有子信道的基本状态，进行合理用户功率分配，改善了传输性能，提高了数据传输吞吐量。

Description

一种用于MIMO的低比特反馈用户功率分配方法

技术领域

本发明涉及多输入多输出(MIMO)通信领域，具体涉及一种用于MIMO的低比特反馈用户功率分配方法。

背景技术

在MIMO通信***中，它在收发两端配置多天线单元，通过时间-空间联合处理技术，将无线传播中通常被认为是有害的多径传播，转变为对用户有益的多路延迟扩展，从而提高了传送速率。

但是MIMO***中对于理论上能够达到容量最优的污纸编码(DPC)传输方案，由于它的编译码复杂度太高及对信道信息精度的要求太严，其可实用性非常低。后续的研究人员对于复杂度较低的次优传输方案也进行了研究，而迫零波束形成技术(ZFBF)，根据研究，如A.Goldsmith et al.“On the optimality of multiantennabroadcast scheduling using zero-forcing beamforming”，IEEEJournal on Selected Area of Comm.，Vol.24，No.3，March 2006所述，能够在用户数较多的情况下以较低的处理复杂度逼近MIMO***中吞吐率的上限。然而这种方法需要所有用户在每个时隙反馈所有天线子信道信息，以进行合理的用户选择和功率分配。这样会给用户带来很大的反馈开销，并且由于用户数很多，基站选择用户集合的复杂度很高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于MIMO的低比特反馈用户功率分配方法，该方法减少了用户需要反馈的比特数，缩短了基站选择传输用户集合的时间，改善了传输性能，提高了数据传输吞吐量。

一种用于MIMO的低比特反馈用户功率分配方法，具体为：

(1)各用户确定自身的天线编号集合：

(1.1)自定义n个不同的天线编号，编号应体现天线功率分配的优先级别，n为该用户的天线数；

(1.2)将n个天线编号做排列组合，得到天线编号集合A_user＝{a_i，i＝1，2...，2·n！}，第i个排列a_i的第j个元素为第j根天线的编号；

(2)基站存储所有用户的天线编号集合；

(3)基站给所有用户的所有天线发送测试信号；

(4)各用户接收测试信号，并按如下方式操作：

(4.1)对各天线按照收到信号的信噪比越大，该天线功率分配的优先级越高的准则赋予步骤(1.1)定义的编号；

(4.2)查询步骤(4.1)得到的编号结果在该用户的天线编号集合中的序号z；

(4.3)向基站反馈序号z、最大信噪比S_{u_max}和最小信噪比S_{u_min}；

(5)基站对各用户的反馈按照如下方式处理：

(5.1)计算信噪比中值S_{u_aver}＝(S_{u_max}+S_{u_min})/2；

(5.2)若信噪比中值S_{u_aver}大于门限值S_thresh，则为该用户分配功率P_u，进入步骤(5.3)，否则，不分配该用户功率，结束；

(5.3)基站在该用户的天线编号集合中查找天线编号排列a_z，将功率P_u按照天线编号的优先级越高，对该天线分配的功率越高的准则分配给各天线。

本发明与现有技术相比较的优点在于：在D.A.Gore et al.“Transmitselection in spatial multiplexing systems”，IEEE Comm.Letters，Vol.6，No.11，Nov.2002中，分析得到所有子信道的信噪比是服从卡方分布(Chisquared distributed)的随机变量，而信道的信噪比是影响信道信息的关键因素。这就为合理设计反馈方案，简化调度处理方法提供了理论基础。本发明通过在用户端对所有子信道SNR进行排序，确定了用户各子信道的信道状态信息(CSI)的范围；最终用户端只反馈所有子信道SNR的最大值、最小值和天线排列序号，极大的减少了用户端需要反馈的信息量，降低了反馈开销；而基站端只需要计算每个用户反馈的所有子信道SNR的中值就可以得到用户信道状态的基本信息，从而减少了基站端选择传输用户的复杂度，合理的进行功率分配；同时，根据用户的天线排列序号进行二次分配，可以在保证用户基本性能的基础上进一步提高用户的整体性能，同时也保证了子信道功率分配的灵活性。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为在用户最大天线个数为3根到10根时，采用本发明需要反馈的比特数和传统需要反馈全部用户子信道SNR所需要的比特数之间的比示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例子对本发明进一步详细说明。

本实施例子采用K＝20个用户的下行多用户MIMO***。基站端配置M＝12根天线，用户配置3～5根天线不等。假设经过预编码处理，用户天线会分解为独立的子信道，每个子信道服从卡方分布。

(1)各用户确定天线编号集合：

以用户有4根天线为例，定义四个天线编号分别为1，2，3，4，其中1表示天线功率分配的优先级最低，2高于1，3高于2，4的优先级最高。用户天线排列集合A_user＝{a₁，a₂，…，a₄₈}，a₁＝(1，2，3，4)，a₂＝(1，2，4，3)，…，第i个排列a_i的第j个元素为第j根天线的编号，i＝1，2...，48。

(2)基站存储所有用户的天线编号集合；

(3)基站给所有用户的所有天线发送测试信号；

(4)各用户接收测试信号，并按如下方式操作：

用户根据每根天线收到信号的SNR按由大到小对天线排序，假设用户有4根天线，第一根天线到第四根天线接收到的SNR依次为{10dB，8dB，11dB，3dB}，对第一到第四根天线按照收到的信号信噪比越大，改天线功率分配的优先级越高的准则依次赋予编号得到{3，2，4，1}。用户首先查找天线排列集合，得到编号{3，2，4，1}对应的天线排列序号为140。并且记录用户子信道SNR的最大值11dB和最小值3dB。用户将SNR的最大值11dB、最小值3dB和天线排列序号140发送给基站。

(5)基站端进行用户选择和第一次功率分配。

以步骤(4)示例作说明：

(5.1)基站根据用户反馈来的SNR的最大值和最小值进行中值处理，即 $S_{u\_\mathrm{aver}}=(11\mathrm{dB}+3\mathrm{dB})/2=\sqrt{11.3}\mathrm{dB}\≈5.7\mathrm{dB}.$

(5.2)基站根据用户的中值S_{u_aver}＝5.7dB进行用户选择，其中值大于门限值(一般取3～5dB)，则该用户被选中，基站和选中用户进行通信。

基站对这些选中的用户进行通信时首先要对用户进行功率分配，可采用注水算法(即根据用户的S_{u_aver}的大小来分配功率，S_{u_aver}小的分配功率少，S_{u_aver}大的分配功率大)来实现用户信道容量的最大化。S_{u_aver}＝5.7dB的用户被分配的功率为1mW。

(6)基站根据所选用户的天线排列序号进行第二次功率分配

同样以步骤(4)示例作说明：

(6.1)基站对所选择的用户在其天线编号集合查找对应的天线排列序号a₁₄₀。

(6.2)根据用户天线数目进行子信道用户功率量化，量化方式为：

其中，k_i为根据用户天线排列序号a_i查到的第i根天线对应的数字编号。实例中，n＝4，P_u＝1mW，按照这样的分配策略，用户的四根天线分配到得功率分别为 $\{1\mathrm{mW}\·\frac{3}{3+2+4+1},1\mathrm{mW}\·\frac{2}{3+2+4+1},1\mathrm{mW}\·\frac{4}{3+2+4+1},1\mathrm{mW}\·\frac{1}{3+2+4+1}\},$ 即{0.3mW，0.2mW，0.4mW，0.1mW}。该量化方式充分体现出将第一次分配的用户功率按照天线编号体现的优先级越高，对该天线分配的功率越高的准则分配给各天线，具体分配方式不局限于此，只要满足此原则的任何方式均可。

在被选择的某个用户的天线大于3根时，本反馈方法需要反馈的比特数将小于需要反馈用户所有天线子信道的SNR所需要的比特数。并且本方法反馈的比特数和原始方法反馈的比特数的比值会随着用户天线数目的增加而减少。图2表示当用户的天线个数从3根增长到10根时，两种方法需要反馈的比特数比值的变化。

定义的编号形式不局限于实例中的数字形式，可采用其它任何形式例如字母，关键点在于要明确各编号的优先级别关系。

Claims (1)

1.一种用于MIMO的低比特反馈用户功率分配方法，具体为：

(1)各用户确定自身的天线编号集合：

(1.1)自定义n个不同的天线编号，编号应体现天线功率分配的优先级别，n为该用户的天线数；

(1.2)将n个天线编号做排列组合，得到天线编号集合A_user＝{a_i，i＝1，2...，2·n！}，第i个排列a_i的第j个元素为第j根天线的编号；

(2)基站存储所有用户的天线编号集合；

(3)基站给所有用户的所有天线发送测试信号；

(4)各用户接收测试信号，并按如下方式操作：

(4.1)对各天线按照收到信号的信噪比越大，该天线功率分配的优先级越高的准则赋予步骤(1.1)定义的编号；

(4.2)查询步骤(4.1)得到的编号结果在该用户的天线编号集合中的序号z；

(4.3)向基站反馈序号z、天线收到信号的最大信噪比S_{u_max}和最小信噪比S_{u_min}；

(5)基站对各用户的反馈按照如下方式处理：

(5.1)计算信噪比中值S_{u_aver}＝(S_{u_max}+S_{u_min})/2；

(5.2)若信噪比中值S_{u_aver}大于门限值S_thresh，则为该用户分配功率P_u，进入步骤(5.3)，否则，不分配该用户功率，结束；

(5.3)基站在该用户的天线编号集合中查找天线编号排列a_z，将功率P_u按照天线编号的优先级越高，对该天线分配的功率越高的准则分配给各天线。

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