CN101977098A - 无线多用户多输入多输出***中的用户选择和预编码方法 - Google Patents

Abstract

一种无线通信技术领域的无线多用户多输入多输出***中的用户选择和预编码方法，通过用户对基站发出的导频信息进行信道估计，并根据得到信道矩阵和信噪比分别计算信道方向信息及其对应码字和信道信号对干扰和噪声比后反馈至基站，由基站分别根据信道方向信息进行用户选择，并根据信道信号对干扰和噪声比进行预编码处理。本发明采用了基于离散傅里叶变换矩阵的码本，实现了多用户多输入多输出***中基站端的用户选择操作和预编码处理，具有支持多用户传输，***吞吐量高，用户间干扰小，码本存储方便的特点。

Description

无线多用户多输入多输出***中的用户选择和预编码方法 

技术领域

本发明涉及的是一种无线通信技术领域的方法，具体是一种无线多用户多输入多输出***中的用户选择和预编码方法。 

背景技术

传统的多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技术，是通过利用基站和用户端的多天线结构，实现分集和空分复用，从而增加***吞吐量的一种技术。在多输入多输出技术的基础上，人们又提出了多用户多输入多输出(Multiple Users Multiple Input Multiple Output，MU-MIMO)技术。多用户多输入多输出技术与传统的多输入多输出技术的不同在于，采用多用户多输入多输出技术的基站在同一时刻内，可以为多个用户传输数据。这一改进使得多用户多输入多输出***的空间复用率更好，大大提高了***的总容量。但是多用户多输入多输出***带来的缺点是同时传输的用户间存在干扰。因此，必须针对多用户多输入多输出***的特点，设计相应的预处理方法，以消除用户间干扰，并达到最优的吞吐量。多用户多输入多输出***中的预处理方法主要包括：基站端的用户选择操作和基站端的预编码操作。 

经对现有文献检索发现，Taesang Yoo等在《IEEE Journal on Selected Areas in Communications》(美国电气与电子工程师协会通信期刊，2007年9月第七卷第1478至第1491页)上，发表了“Multi-Antenna Downlink Channels with Limited Feedback and User Selection”(“采用有限反馈和用户选择的多天线下行信道研究”)，该文提出了，在多天线多输入多输出***中的，采用信道质量指示(CQI)和信道方向信息(CDI)的有限反馈方法，以及半正交用户选择方法(Semi-orthogonal User Selection，SUS)，可以得到较优的***吞吐量。其方法是，首先，在所有用户中选择信道质量指示最大的用户，作为第一个调度用户；其次，找出与第一个用户的相关性小于一定阈值的其它用户，并选择其中信道质量指示最大的用户作为第二个调度用户；其次，找出与第一个用户的相关性小于一定阈值的其它用户，并选择其中信道质量指示最大的用户作为第二个调度用户；然后，以此类推，调度用户数等于天线数，或者半正交用户集为空集；最后，对所选择的用户进行迫零预编码(Zero-Forcing Precoding)，并传输数据。其不足之处在于，半正交用户选择方法并不能得到最优的调度用户集合；采用文中的随机预编码矩阵也不能获得最优的***吞吐量。 

又经检索发现，Kaibin Huang等在《IEEE Transaction on Vehicular Technology》(美国 电气与电子工程师协会车载技术学报，2009年1月第58卷第152页至第163页)上，发表了“Performance of Orthogonal Beamforming for SDMA With Limited Feedback”(“采用有限反馈的空分复用***中正交波束赋型的性能研究”)，该文提出了采用基于正交组的用户选择方法(Orthogonal User Selection，OUS)和每用户酉矩阵速率控制的预编码方法(Per-user UnitaryRate Control，PU²RC)，能够获得比迫零波束成形更高的***吞吐量。其方法是，首先，将用户按照其反馈的信道方向信息分组；其次，在每一组中选择信道质量指示最大的用户，作为本组的预调度用户并排除本组其它用户；然后，计算预调度用户中所有正交组合的和速率，并取和速率最大的一组作为调度用户组；最后，对调度用户进行每用户酉矩阵速率控制预编码，并发送数据。其不足之处在于，每用户酉矩阵速率控制的预编码方法要求用户间信道完全正交，限制了该方法在现实***中的使用；完全正交的用户选择方法相对于半正交的用户选择方法，吞吐量上有损失；文中给出的方案没有考虑预编码码本的设计。 

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种无线多用户多输入多输出***中的用户选择和预编码方法，采用了基于离散傅里叶变换矩阵的码本，实现了多用户多输入多输出***中基站端的用户选择操作和预编码处理，具有支持多用户传输，***吞吐量高，用户间干扰小，码本存储方便的特点。 

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过用户对基站发出的导频信息进行信道估计，并根据得到信道矩阵和信噪比分别计算信道方向信息及其对应码字和信道信号对干扰和噪声比后反馈至基站，由基站分别根据信道方向信息进行用户选择，并根据信道信号对干扰和噪声比进行预编码处理。 

所述的信道估计是指： 

1)在导频信息处采用最小二乘法求出信道矩阵的估计值； 

2)在频域采用线性最小均方误差算法，对信道矩阵进行内插得到数据信息处的频域信道估计值。 

3)在时域采用线性最小均方误差算法，对信道矩阵进行内插得到数据信息处的时域信道估计值。 

4)从时域和频域的信道估计值中，提取出信道矩阵和信道信噪比。 

所述的计算信道方向信息是指： 

a)对信道矩阵做归一化处理，得到归一化后的信道矩阵； 

b)运用基于离散傅里叶变换矩阵的码本和信道归一化矩阵，计算信道方向信息所对应的码字，具体是指：基于离散傅里叶变换矩阵的码本F为： 

$F={\left(\begin{array}{cccc}{f}_1^H& f_2^H& ...& f_N^H\end{array}\right)}^H=\frac{1}{\sqrt{M}}\left(\begin{array}{cccc}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_1\·0}& e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_2\·0}& ...& e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_M\·0}\\ e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_1\·1}& e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_2\·1}& ...& e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_M\·1}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_1\·(N-1)}& e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_2\·(N-1)}& ...& e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_M\·(N-1)}\end{array}\right)$

其中：F为基于离散傅里叶变换矩阵的码本，M为基站天线数，u＝(u₁  u₂  ... u_M)为生成向量，f_i为码本中第i个码字。通过选择生成向量u，来得到正交码字组最多的F作为码本。 

c)运用基于离散傅里叶变换矩阵的码本、信道方向信息和信道信噪比ρ，计算信道信号对干扰和噪声比。 

所述的用户选择是指： 

其中：S为调度用户，U_i为所有用户的第i种发送组合，R_i为在用户组合为U_i时***的总吞吐量。 

所述的预编码处理是指：B＝WX，其中：W为预编码矩阵，X为S中所有用户待发送信息组成的信息矩阵，B为预编码后的发送信号。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是：码本存储方便，反馈开销小；***吞吐量更高，用户间干扰小；计算复杂度更小，用户选择更优。 

附图说明

图1为本发明流程图。 

图2为实施例中基站端采用4天线和16码字码本传输时，不同用户选择方法下的***吞吐率对比示意图。 

图3为实施例中基站端采用4天线和16码字码本传输时，不同预编码码本下的***吞吐率对比示意图。 

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。 

本实施例适用于多用户多输入多输出***，基站可以采用4根双极化天线传输。每个用户天线数为1，数据流数为1。信道采用平坦衰落、准静态的瑞利信道，信道矩阵的元素为独立同分布的零均值、单位方差的复高斯随机变量，噪声为均值为零、协方差矩阵为单位阵的加性高斯白噪声，各个用户经历的信道相互独立。 

如图1所示，本实施例包括以下步骤： 

第一步，基站向用户发送导频信息。 

第二步，用户接收对导频信息，并对信道进行信道估计，得到信道矩阵和信噪比。

所述的信道估计，包括以下步骤： 

1)在导频信息处采用最小二乘法(Least Square，LS)求出信道矩阵的估计值 

2)在频域采用线性最小均方误差(Linear Minimum Mean Square Error，LMMSE)算法，对信道矩阵进行内插得到数据信息处的频域信道估计值。 

3)在时域采用线性最小均方误差算法，对信道矩阵进行内插得到数据信息处的时域信道估计值。 

4)从时域和频域的信道估计值中，提取出信道矩阵h和信道信噪比ρ。 

第三步，用户根据信道矩阵h和码本C，分别计算信道方向信息(Channel Direction Information，CDI)所对应的码字和信道信号对干扰和噪声比(Signal to Interference and Noise Ratio，SINR)。 

所述的信道方向信息的计算，包括以下步骤： 

1)对信道矩阵h做归一化处理，得到信道方向信息 

${\hat{h}}_K=h_K/\left|\right|h_K\left|\right|$

其中：h_K表示第K个用户的信道矩阵， 表示第K个用户的信道方向信息。 

2)运用基于离散傅里叶变换矩阵的码本C和信道方法信息 

计算信道方向信息所对应的码字： 

$d_k=\arg \underset{f_j\∈C}{\max }\left|{\hat{h}}_k{f}_j^H\right|$

其中：d_k表示第K个用户信道方向信息所对应的码字，f_j表示码本C当中的第j个码字。 

3)运用基于离散傅里叶变换矩阵的码本C、信道矩阵h、信道方向信息 

码字d和信道信噪比ρ，计算信道信号对干扰和噪声比： 

${\mathrm{SINR}}_k=\frac{\mathrm{\ρ}{\left|\right|h_k\left|\right|}^2{\left|{\hat{h}}_k{d}_k^H\right|}^2}{1+\mathrm{\ρ}{\left|\right|h_k\left|\right|}^2\underset{f_j\≠w_k}{\mathrm{\Σ}}{\left|{\hat{h}}_k{f}_j^H\right|}^2}$

其中：SINR_k为第K个用户的信道信号对干扰和噪声比，ρ为信道信噪比。 

本实施例中，码本C是基于离散傅里叶变换矩阵的码本。 

基站采用4天线传输时，其8码字的码本为： 

$\left[\begin{array}{cccc}0.5000& 0.5000& 0.5000& 0.5000\\ 0.3536+0.3536i& -0.3536+0.3536i& -0.3536-0.3536i& 0.3536-0.3536i\\ 0.5000i& -0.5000i& 0.5000i& -0.5000i\\ -0.3536+0.3536i& 0.3536+0.3536i& 0.3536-0.3536i& -0.3536-0.3536i\\ -0.5000& -0.5000& -0.5000& -0.5000\\ -0.3536-0.3536i& 0.3536-0.3536i& 0.3536+0.3536i& -0.3536+0.3536i\\ -0.5000i& 0.5000i& -0.5000i& 0.5000i\\ 0.3536-0.3536i& -0.3536-0.3536i& -0.3536+0.3536i& 0.3536+0.3536i\end{array}\right]$

基站采用4天线传输时，其16码字的码本为： 

$\left[\begin{array}{cccc}0.5000& 0.5000& 0.5000& 0.5000\\ 0.4619+0.1913i& 0.1913+0.4619i& -0.4619-0.1913i& -0.1913-0.4619i\\ 0.3536+0.3536i& -0.3536+0.3536i& 0.3536+0.3536i& -0.3536+0.3536i\\ 0.1913+0.4619i& -0.4619-0.1913i& -0.1913-0.4619i& 0.4619+0.1913i\\ 0.5000i& 0.5000i& 0.5000i& -0.5000i\\ -0.1913+0.4619i& 0.4619-0.1913i& 0.1913-0.4619i& -0.4619+0.1913i\\ -0.3536+0.3536i& 0.3536+0.3536i& -0.3536+0.3536i& 0.3536+0.3536i\\ -0.4619+0.1913i& -0.1913+0.4619i& 0.4619-0.1913i& 0.1913-0.4619i\\ -0.5000& -0.5000& -0.5000& -0.5000\\ -0.4619-0.1913i& -0.1913-0.4619i& 0.4619+0.1913i& 0.1913+0.4619i\\ -0.3536-0.3536i& 0.3536-0.3536i& -0.3536-0.3536i& 0.3536-0.3536i\\ -0.1913-0.4619i& 0.4619+0.1913i& 0.1913+0.4619i& -0.4619-0.1913i\\ -05000i& 0.5000i& -0.5000i& 0.5000i\\ 0.1913-0.4619i& -0.4619+0.1913i& -0.1913+0.4619i& 0.4619-0.1913i\\ 0.3536-0.3536i& -0.3536-0.3536i& 0.3536-0.3536i& -0.3536-0.3536i\\ 0.4619-0.1913i& 0.1913-0.4619i& -0.4619+0.1913i& -0.1913+0.4619i\end{array}\right]$

第四步，用户将信道方向信息对应的码字和信道信号对干扰和噪声比反馈给基站，基站根据反馈信息进行用户选择。 

所述的用户选择，包括以下步骤： 

1)按照反馈的码字对用户进行分组，将反馈相同码字的用户分为一组： 

T_j＝{u_k|d_k＝f_j，f_j∈C}

其中：T_i表示对应码本C中第j个码字的用户组，u_k表示第K个用户。 

2)从每一个码字所对应的用户组中，取出信道信号对于扰和噪声比最大的用户作为该码字的代表用户，并放弃本组其它用户： 

${\mathrm{\ξ}}_i=\arg \underset{u_k\∈T_i}{\max }{\mathrm{SINR}}_k$

其中：ξ_i表示用户组T_i的代表用户。 

3)对码本中所有的半正交码字组，计算该组中所***字代表用户的总吞吐量，并总吞吐量最大的一组作为调度用户： 

$S=\arg \underset{O_i}{\max }\underset{{\mathrm{\ξ}}_k\∈O_i}{\mathrm{\Σ}}\log (1+{\mathrm{SINR}}_k)$

其中：S为调度用户组，O_i为码本C中第i个半正交码字组。 

第五步，基站根据反馈码字，对调度用户组中所有用户做迫零预编码处理，并发送信号。 

所述的迫零预编码处理，是： 

B＝WX＝H^H(HH^H)^-1X 

其中：W为预编码矩阵，H为S中所有用户码字组成的信道矩阵，X为S中所有用户待发送信息组成的信息矩阵，B为预编码后的发送信号。 

将本实施例的方案记为方案1；采用传统半正交用户选择方法和本实施例的预编码方法的方案记为方案2；采用传统半正交用户选择方法和3GPP LTE(长期演进)***的预编码方法的方案记为方案3。 

在多用户多输入多输出***中，分别采用方案1和方案2进行用户选择和预编码，得到的***吞吐率比较示意图如图2所示。由图2可知：在信道信噪比分别为0dB，10dB和20dB的情况下，方案1的***吞吐率高于方案2的***吞吐率，且随着用户数的增加，方案1的优势更为明显。鉴于两个方案均采用相同的预编码方法，因此可知，在相同复杂度条件下，采用本实施例的用户选择方法对用户空间的搜索更彻底，所选出的用户组合更优，因而***吞吐率得到提升。 

在多用户多输入多输出***中，分别采用方案2和方案3进行用户选择和预编码，得到的***吞吐率比较示意图如图3所示。由图3可知：在信道信噪比分别为0dB，10dB和20dB的情况下，用户数小于45时，方案2的***吞吐率均高于方案3的***吞吐率；在用户数大于45时，两个方案的***吞吐率均达到***上限。同时，方案2的***吞吐率在用户数大于25时达到***上限，而方案3的***吞吐率则在用户数大于40时才达到***上限。鉴于两个方案均采用相同的用户选择方法，因此可知，在相同复杂度条件下，采用本实施例的预编码方法和预编码码本时，被调度用户间的正交性更好，用户间干扰更小，***吞吐率更高，且***吞 吐率能在用户数更低的情况下达到上限。 

因此，本方法具有***吞吐率更高，***吞吐率随用户数上升更快，调度用户间正交性更好，用户间干扰更小的特点，可以适用于各种移动和无线通信***，特别是采用多用户多输入多输出技术和预编码技术的无线通信***。 

Claims (6)

1.一种无线多用户多输入多输出***中的用户选择和预编码方法，其特征在于，通过用户对基站发出的导频信息进行信道估计，并根据得到信道矩阵和信噪比分别计算信道方向信息及其对应码字和信道信号对干扰和噪声比后反馈至基站，由基站分别根据信道方向信息进行用户选择，并根据信道信号对干扰和噪声比进行预编码处理。

2.根据权利要求1所述的无线多用户多输入多输出***中的用户选择和预编码方法，其特征是，所述的信道估计是指：

1)在导频信息处采用最小二乘法求出信道矩阵的估计值；

2)在频域采用线性最小均方误差算法，对信道矩阵进行内插得到数据信息处的频域信道估计值。

3)在时域采用线性最小均方误差算法，对信道矩阵进行内插得到数据信息处的时域信道估计值。

4)从时域和频域的信道估计值中，提取出信道矩阵和信道信噪比。

3.根据权利要求1所述的无线多用户多输入多输出***中的用户选择和预编码方法，其特征是，所述的计算信道方向信息是指：

a)对信道矩阵做归一化处理，得到归一化后的信道矩阵；

b)运用基于离散傅里叶变换矩阵的码本和信道归一化矩阵，计算信道方向信息所对应的码字；

c)运用基于离散傅里叶变换矩阵的码本、信道方向信息和信道信噪比ρ，计算信道信号对干扰和噪声比。

4.根据权利要求3所述的无线多用户多输入多输出***中的用户选择和预编码方法，其特征是，所述的步骤b)，具体是指：基于离散傅里叶变换矩阵的码本F为：

$F={\left(\begin{array}{cccc}{f}_1^H& f_2^H& ...& f_N^H\end{array}\right)}^H=\frac{1}{\sqrt{M}}\left(\begin{array}{cccc}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_1\·0}& e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_2\·0}& ...& e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_M\·0}\\ e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_1\·1}& e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_2\·1}& ...& e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_M\·1}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_1\·(N-1)}& e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_2\·(N-1)}& ...& e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{u}_M\·(N-1)}\end{array}\right)$

其中：F为基于离散傅里叶变换矩阵的码本，M为基站天线数，u＝(u₁  u₂ ... u_M)为生成向量，f_i为码本中第i个码字。通过选择生成向量u，来得到正交码字组最多的F作为码本。

5.根据权利要求1所述的无线多用户多输入多输出***中的用户选择和预编码方法，其特征是，所述的用户选择是指：

其中：S为调度用户，U_i为所有用户的第i种发送组合，R_i为在用户组合为U_i时***的总吞吐量。

6.根据权利要求3所述的无线多用户多输入多输出***中的用户选择和预编码方法，其特征是，所述的预编码处理是指：B＝WX，其中：W为预编码矩阵，X为S中所有用户待发送信息组成的信息矩阵，B为预编码后的发送信号。

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