CN102355431B - 用于协作多点传输***的选择性有限反馈方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于协作多点传输***的选择性有限反馈方法，主要解决现有技术平均反馈开销较大的问题。其实现步骤为：(1)利用随机矢量量化生成子码本并存储在待服务用户端和协作基站端；(2)待服务用户通过信道估计得到下行信道矢量；(3)待服务用户对下行信道矢量进行码本选择得到对应的码字序号；(4)待服务用户计算单链路信道增益的信噪比；(5)待服务用户将信噪比与预设的信噪比门限值比较，如果信噪比小于该信噪比门限值，则待服务用户不反馈对应的码字序号，否则则反馈对应的码字序号，该信噪比门限值根据***要求的平均反馈开销设置。本发明将基于连接码本的有限反馈和选择性反馈相结合，大大降低了平均反馈开销。

Description

用于协作多点传输***的选择性有限反馈方法

技术领域

本发明属于移动通信、无线通信技术领域，特别是涉及一种用于协作多点传输***的选择性有限反馈方法。

背景技术

为了满足增强长期演进LTE-A***在频点、带宽、峰值速率、平均吞吐量、边缘吞吐量、时延以及兼容性各方面的新需求，第三代合作伙伴计划3GPP在增强长期演进LTE-A***中提出了很多新的关键技术，协作多点传输技术就是其中之一。

增强长期演进LTE-A***采用正交频分多址接入OFDMA作为其下行的多址接入技术，即利用正交的子载波区分不同用户，从而使得小区内几乎没有用户干扰。但是在频率复用因子为1的多小区***中，小区间干扰ICI依然存在，并且很大程度上限制了小区整体吞吐量以及边缘用户吞吐量的进一步提高。为了解决这个问题，第三代合作伙伴计划3GPP等组织先后提出并讨论通过多种技术，如功率控制、灵活的频率复用、随机干扰消除等。这些技术虽然能提高边缘用户吞吐量，但是往往是以牺牲小区整体吞吐量为代价的。

协作多点传输CoMP通过协作基站间的动态协作，共享一些必要的信息，如调度信息、信道状态信息CSI、数据信息等，可以有效地抑制小区间干扰ICI，化干扰为有用信号，从整体上提高小区吞吐量，尤其是边缘用户吞吐量。但是如果所有协作基站在一个时频资源上同时服务多个用户，就会产生小区间干扰ICI，因此基站端需要使用联合预编码来抑制小区间干扰ICI。尽管预编码可以比较有效地抑制小区间干扰ICI，但前提是所有协作基站可以准确地获得多个用户的信道信息。在频分双工FDD模式下，基站可以通过用户反馈来获取下行的信道信息，从而有效地抑制小区间干扰ICI。

2004年W.Santipach等在“IEEE International Symposium on Information Theory”《国际电气电子工程师协会信息论国际研讨会》(2004年6月-7月)发表的“Asymptotic Capacity of Beamforming with Limited Feedback”《有限反馈中波束成形的渐进容量》中提出一种随机矢量量化RVQ的有限反馈方法；2005年D.J.Love等在“IEEE Trans.on Information Theory”《国际电气电子工程师协会信息论汇刊》(2005年8月第51卷)发表的“Limited feedback unitary precoding for spatial multiplexingsystems”《空间复用***的有限反馈酉矩阵预编码》中提出一种利用格拉斯曼子空间分装的有限反馈方法。上述两种方法都是利用大小为N＝2^L的码本，对下行信道矢量进行矢量量化。这样一来，用户不需要直接反馈下行信道矢量，只需L个比特来反馈对应的码字序号即可，该方法虽然带来一定的性能损失，但是却大大地降低了平均反馈开销。设计的码本越大，则性能越好，但是平均反馈开销也就越大；相反，如果码本越小，则反馈越小，但是性能也就越差。

2011年P.Agisilaos在“IEEE Trans.on Vehicular Technology”《国际电气电子工程师协会车辆技术汇刊》(2011年1月第60卷)发表的“Efficient Selective FeedbackDesign for Multicell Cooperative Networks”《多小区协作网络中有效的选择性反馈设计》中提出一种用户选择性反馈下行信道矢量的方法。该方法通过预先设定一个门限值γ_th，然后用户根据估计的单链路信道矢量h_ij来计算协作基站j到它的单链路信道增益的信噪比

并与门限值γ_th进行比较。如果γ_ij＜γ_th，则不反馈对应的单链路信道矢量h_ij；否则则反馈对应的单链路信道矢量h_ij。这样一来，通过提高预设的信噪比门限值γ_th，在一定程度上可以降低***的平均反馈开销，但是这是以牺牲***性能为代价的。该方法没有对下行信道矢量做任何处理，而是直接进行反馈，在确保性能较好的情况下，平均反馈开销仍然比较大。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种用于协作多点传输***的选择性有限反馈方法，以实现在满足数据的可靠性传输和提高频谱效率的同时，进一步降低了***的平均反馈开销。

实现本发明目的的技术方案是：利用随机矢量量化生成子码本并存储在待服务用户端和协作基站端；待服务用户通过信道估计得到下行信道矢量；待服务用户对下行信道矢量进行码本选择得到对应的码字序号；待服务用户计算单链路信道增益的信噪比；待服务用户将信噪比与预设的信噪比门限值比较，如果信噪比小于该信噪比门限值，则待服务用户不反馈对应的码字序号，否则则反馈对应的码字序号，该信噪比门限值根据***要求的平均反馈开销设置。上述协作多点传输***将基于连接码本的有限反馈和选择性反馈相结合，以实现在满足数据的可靠性传输和提高频谱效率的同时，进一步降低了***的平均反馈开销，其实现步骤包括如下：

(1)利用随机矢量量化生成子码本Ω＝{w₁,w₂,...,w_N}，其中w_k,k＝1,...,N为子码本的第k个码字，N为码本大小，并存储在待服务用户端和协作基站端；

(2)待服务用户i对所有协作基站到它的下行链路进行信道估计，得到它的下行信道矢量：h_i＝[h_i1 ^T,...,h_ij ^T,...,h_iB ^T]^T，其中h_ij,i＝1,...,K,j＝1,...,B为协作基站j到待服务用户i的单链路信道矢量，K为待服务用户数，B为协作基站数；

(3)待服务用户i对它的下行信道矢量h_i＝[h_i1 ^T,...,h_ij ^T,...,h_iB ^T]^T进行码本选择，得到对应的码字序号index_ij，j＝1,...,B：

(3.1)待服务用户i根据单链路信道矢量h_ij计算出对应的单链路信道方向：其中为协作基站j到待服务用户i的单链路信道增益；

(3.2)待服务用户i依次选择单链路信道方向j＝1,...,B的码字序号；

(4)待服务用户i计算单链路信道增益的信噪比：其中P_t为发射总功率，σ²为信道噪声的平均功率，

为量化误差因子，

为单链路信道方向

的码字；

(5)待服务用户i将信噪比γ_ij,j＝1,2,...,B与预设的信噪比门限值γ_th比较，如果γ_ij＜γ_th，则待服务用户i不反馈对应的码字序号，否则则反馈对应的码字序号，该预设的信噪比门限值γ_th根据***要求的平均反馈开销设置。

本发明具有如下优点：

1）本发明使用了基于码本的有限反馈，待服务用户不直接反馈它的下行信道矢量，而是反馈码字序号，从而降低了***的平均反馈开销；

2）本发明使用了选择性反馈，通过预设一个信噪比门限值γ_th，使得待服务用户仅仅反馈信噪比γ_ij≥γ_th的码字序号，从而降低了***的平均反馈开销；

3）本发明使用了连接码本，在待服务用户端和协作基站端存储相同的子码本，待服务用户利用随机矢量量化RVQ依次选择单链路信道方向的码字序号，在获得相同性能的条件下，减小了码本大小，从而降低了待服务用户端和所有协作基站端码本的存储复杂度，且能够灵活地适应协作基站数的变化；

4）本发明将基于连接码本的有限反馈和选择性反馈相结合，以实现在满足数据的可靠性传输和提高频谱效率的同时，进一步降低了***的平均反馈开销。

附图说明

图1是本发明的总流程图；

图2是本发明的码本选择子流程图；

图3是本发明使用的协作多点传输***的模型图；

图4是本发明的平均反馈开销与信噪比门限值的仿真关系曲线与理论关系曲线的比较图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明作进一步描述。

本发明使用的协作多点传输***模型如图3所示，其中中心处理基站CU和协作基站BS₁、BS₂、BS₃配置多根天线；待服务用户UE₁、UE₂、UE₃由于体积、功耗和硬件复杂度因素的限制，只能配置单天线。服务基站BS₁、BS₂、BS₃利用本发明分别得到待服务用户UE₁、UE₂、UE₃对应的码字序号，并向中心处理基站CU反馈，中心处理基站CU用接收到的码字序号还原出码字，再根据所***字重构待服务用户UE₁、UE₂、UE₃的完整协作多点传输信道，用于后续处理。

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，利用随机矢量量化生成子码本Ω＝{w₁,w₂,...,w_N}，其中w_k,k＝1,...,N为子码本的第k个码字，N为码本大小，并存储在待服务用户端和协作基站端。

步骤2，待服务用户i对所有协作基站到它的下行链路进行信道估计，得到它的下行信道矢量：h_i＝[h_i1 ^T,...,h_ij ^T,...,h_iB ^T]^T，其中h_ij,i＝1,...,K,j＝1,...,B为协作基站j到待服务用户i的单链路信道矢量，K为待服务用户数，B为协作基站数。

本步骤的实现待服务用户可通过以下两种算法对下行链路进行信道估计：

一是基于训练序列的信道估计算法，该算法思想是基站发送已知的训练序列，用户在接收到该训练序列时进行初始的信道估计，当基站再次发送有用的信息数据时，用户利用初始的信道估计结果进行一个判决更新，完成实时的信道估计；

二是基于导频符号的信道估计算法，该算法思想是基站在发送的有用数据中***已知的导频符号，用户可以得到导频位置的信道估计结果，接着利用导频位置的信道估计结果，通过内插得到有用数据位置的信道估计结果，完成信道估计。

步骤3，待服务用户i对它的下行信道矢量h_i＝[h_i1 ^T,...,h_ij ^T,...,h_iB ^T]^T进行码本选择，得到对应的码字序号index_ij，j＝1,...,B。

参照图2，本步骤的实现如下：

(3.1)待服务用户i根据单链路信道矢量h_ij计算出对应的单链路信道方向：

其中

为协作基站j到待服务用户i的单链路信道增益；

(3.2)待服务用户i按如下步骤依次选择单链路信道方向

j＝1,...,B的码字序号：

首先，计算子码本Ω＝{w₁,w₂,...,w_N}中所***字和单链路信道方向

的内积 $\left|{{\tilde{h}}_{\mathrm{ij}}}^H{w}_k\right|,k=1,...,N;$

然后，选择内积最大的码字

作为单链路信道方向

的码字： ${\tilde{h}}_{\mathrm{ij}}=w_{{\mathrm{index}}_{\mathrm{ij}}},{\mathrm{index}}_{\mathrm{ij}}=\underset{k=,...N,}{\arg \max }\left|{{\tilde{h}}_{\mathrm{ij}}}^H{w}_k\right|,j=1,.B,,$ 得到对应的码字序号index_ij,j＝1,...,B。

步骤4，待服务用户i计算单链路信道增益

的信噪比：

其中P_t为发射总功率，σ²为信道噪声的平均功率， $\mathrm{\υ}={\left|{h_{\mathrm{ij}}}^H{\stackrel{-}{h}}_{\mathrm{ij}}\right|}^2/{||h_{\mathrm{ij}}||}_2^2={\left|{{\tilde{h}}_{\mathrm{ij}}}^H{\stackrel{-}{h}}_{\mathrm{ij}}\right|}^2$ 为量化误差因子， ${\stackrel{-}{h}}_{\mathrm{ij}}$ 为单链路信道方向 ${\tilde{h}}_{\mathrm{ij}}=\frac{h_{\mathrm{ij}}}{{\left|\right|h_{\mathrm{ij}}\left|\right|}_2}$ 的码字。

步骤5，待服务用户i将信噪比γ_ij,j＝1,2,...,B与预设的信噪比门限值γ_th比较，如果γ_ij＜γ_th，则待服务用户i不反馈对应的码字序号，否则则反馈对应的码字序号，该预设的信噪比门限值γ_th根据***要求的平均反馈开销设置。

本发明的优点通过下述理论分析与仿真结果来进一步说明：

1)理论分析

由

和w_k是相互独立的各向同性矢量，可知

服从β(M-1,)1分布，其中M为每个基站的发射天线数，得到累积分布函数为F_X(x)＝x^M-1x∈[0,1]，因而量化误差因子

的累积分布函数F_υ(x)和概率密度函数f_υ(x)分别为：

F_υ(x)＝(1-(1-x)^M-1)^N,x∈[0,1]

f_υ(x)＝N(M-1)(1-x)^M-2(1-(1-x)^M-1)^N-1,x∈[0,1]；

由h_j是复高斯随机矢量可知

服从自由度为2M的χ²分布，因而h的概率密度函数为

其中Γ(M+1)=MΓ(M)，协作基站j到待服务用户i的单链路信道增益的信噪比γ_ij,i＝1,...,K,j＝1,2,...,B服从同一分布，因此统一用γ表示；根据f_υ(x)和f_h(y)的表达式得到信噪比γ的累积分布函数F_γ(γ_th)为

$\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{\γ}}\left({\mathrm{\γ}}_{\mathrm{th}}\right)=P(\mathrm{\γ}\≤{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{th}})=P(\mathrm{h\υ}\≤\frac{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{th}}}{P_t/{\mathrm{\σ}}^2})\\ =\frac{1}{\mathrm{\Γ}\left(M\right)}[{\∫}_0^c{e}^{-y}{y}^{M-1}\mathrm{dy}+\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_N^i{(-1)}^{i}c{\∫}_0^1\frac{{(1-x)}^{i(M-1)}{e}^{-\frac{c}{x}}{\left(\frac{c}{x}\right)}^{M-1}}{x^2}\mathrm{dx}]{|}_{c=\frac{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{th}}}{P_t/{\mathrm{\σ}}^2}}\end{array};$

假设N(t)表示t时刻所有待服务用户反馈的全部码字个数，平均反馈开销

表示平均每个待服务用户反馈的码字个数。显然N(t)服从(BK,p)的二项分布，由 $p=P(N\left(t\right)=n)C_{\mathrm{BK}}^n{[1-F_{\mathrm{\γ}}\left({\mathrm{\γ}}_{\mathrm{th}}\right)]}^n{\left[F_{\mathrm{\γ}}\left({\mathrm{\γ}}_{\mathrm{th}}\right)\right]}^{\mathrm{BK}-n},$ 得到平均反馈开销与信噪比门限值γ_th的闭合关系式：

$\stackrel{-}{L}=\frac{1}{K}{E}_t\left[N\left(t\right)\right]=\frac{1}{K}\underset{n=0}{\overset{\mathrm{BK}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{nP}(N\left(t\right)=n)=B[1-F_{\mathrm{\γ}}\left({\mathrm{\γ}}_{\mathrm{th}}\right)]$

因为0≤F_γ(γ_th)≤1，所以平均反馈开销当且仅当所有协作基站到待服务用户的单链路信道增益的信噪比γ_ij≥γ_th时，等号成立。由此可知，待服务用户通过选择性反馈，降低了***的平均反馈开销，并且预设的信噪比门限值γ_th越高，信噪比累积分布函数F_γ(γ_th)越大，因而平均反馈开销L也就越低。

根据上述理论分析，得到平均反馈开销L与信噪比门限值γ_th的理论关系曲线，如图4中的虚线所示。

2)仿真实验

在协作基站数B＝3、用户数K＝1、每个协作基站的发射天线数M＝2、每个待服务用户的接收天线数R＝1、码本大小N＝16、发射总功率P_t=20dB和平坦瑞利块衰落信道的条件下，对平均反馈开销

与信噪比门限值γ_th的关系进行蒙特卡罗仿真，得到对应的仿真关系曲线，如图4中的实线所示。

图4中的横坐标表示信噪比门限值γ_th，纵坐标表示平均反馈开销从图4中可以看出，仿真关系曲线与理论关系曲线的变化趋势基本一致，当信噪比门限值从10dB增大到30dB，对应的平均反馈开销

从3减小到0，说明本发明能够通过提高信噪比门限值γ_th降低***的平均反馈开销

Claims (2)

1.一种用于协作多点传输***的选择性有限反馈方法，包括如下步骤：

(1)利用随机矢量量化生成子码本Ω＝{w₁,w₂,...,w_N}，其中w_k,k＝1,...,N为子码本的第k个码字，N为码本大小，并存储在待服务用户端和协作基站端；

(2)待服务用户i对所有协作基站到它的下行链路进行信道估计，得到它的下行信道矢量：h_i＝[h_i1 ^T,...,h_ij ^T,...,h_iB ^T]^T，其中h_ij,i＝1,...,K,j＝1,...,B为协作基站j到待服务用户i的单链路信道矢量，K为待服务用户数，B为协作基站数；

(3)待服务用户i对它的下行信道矢量h_i＝[h_i1 ^T,...,h_ij ^T,...,h_iB ^T]^T进行码本选择，得到对应的码字序号index_ij，j＝1,...,B：

(3.1)待服务用户i根据单链路信道矢量h_ij计算出对应的单链路信道方向：

其中||h_ij||₂为协作基站j到待服务用户i的单链路信道增益；

(3.2)待服务用户i依次选择单链路信道方向

j＝1,...,B的码字序号；

(4)待服务用户i计算单链路信道增益||h_ij||₂的信噪比：

其中P_t为发射总功率，σ²为信道噪声的平均功率，

为量化误差因子，

为单链路信道方向

的码字；

(5)待服务用户i将信噪比γ_ij,j＝1,2,...,B与预设的信噪比门限值γ_th比较，如果γ_ij＜γ_th，则待服务用户i不反馈对应的码字序号，否则则反馈对应的码字序号，该预设的信噪比门限值γ_th根据***要求的平均反馈开销设置。

2.根据权利要求1所述的用于协作多点传输***的选择性有限反馈方法，其中步骤(3.2)所述的依次选择单链路信道方向

j＝1,...,B的码字序号，按如下步骤进行：

首先，计算子码本Ω＝{w₁,w₂,...,w_N}中所***字和单链路信道方向

的内积 $\left|{{\tilde{h}}_{\mathrm{ij}}}^H{w}_k\right|,k=1,...,N;$

然后，选择内积最大的码字作为单链路信道方向的码字： ${\stackrel{\‾}{h}}_{\mathrm{ij}}=w_{{\mathrm{index}}_{\mathrm{ij}}},{\mathrm{index}}_{\mathrm{ij}}=\arg \underset{k=1,...,N}{\max }\left|{{\tilde{h}}_{\mathrm{ij}}}^H{w}_k\right|,j=1,...,B,$ 得到对应的码字序号index_ij,j＝1,...,B。

Images