CN102710371B - 多天线两跳中继***中利用有限反馈信息的传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多天线两跳中继***中利用有限反馈信息的传输方法，按如下步骤进行：首先***依据基站和中继站的发射功率及天线数，以及限定的性能损失阈值和用户天线数等信息，确定两条反馈链路上的反馈比特数大小，并采用随机调度方法选择符合天线数要求的有限个多天线用户等待接收数据；然后中继站和每个用户通过信道估计分别获得基站到中继站以及中继站到本用户的信道信息；接着中继站和用户分别对获得的信道信息进行量化，并将该信息通过***已定的有限个比特反馈到前级；最后，基站和中继站分别依据通过反馈获得的信道信息进行预编码传输。本发明能够有效提高蜂窝小区的覆盖范围，并获得逼近理想信道信息情况的***可达传输速率。

Description

多天线两跳中继***中利用有限反馈信息的传输方法

技术领域

本发明涉及一种多天线两跳中继***中基于信息反馈的传输方法，属于多天线中继***中的预编码传输方法设计领域。

背景技术

在现有蜂窝通信***中，小区边缘用户由于受到相邻小区信号的强烈干扰，其接收信干噪比（SINR）一般比较低，严重影响了边缘用户的通信质量，制约着***性能的进一步提升。为了解决这一问题，近年来研究人员尝试在蜂窝小区中引入中继站，对本小区的基站信号进行功率增强后转发给小区边缘用户，以提高其接收的信号强度，进而扩大蜂窝小区的覆盖范围，提高整个***的可达传输速率。另一方面，近十年来，多天线技术（MIMO）日益受到研究人员的广泛关注，该技术能够利用发射端和接收端的多根天线提供的多个空间自由度，对已有时间和频率资源进行空间上的复用，从而显著提高频谱资源的利用效率和***的通信容量。

然而，要充分利用多天线提供的空间自由度，使***获得满复用增益，发射端需要知晓理想的下行信道状态信息。而在实际应用场景中，无论是时分双工（TDD）还是频分双工（FDD）***，这一前提都很难满足。若***采用时分双工（TDD），发送端可以通过互易性原理，在基站估计上行链路信道信息并将其作为下行链路的信道信息。但是上行链路和下行链路并不是完全对称的，因而基站通过互易性获得的信道信息中就不可避免存在估计误差。若***采用频分双工（FDD），通常由用户终端来估计下行链路信道信息，然后用户通过反馈链路将下行链路的信道信息反馈给基站。但是实际***中用户可以反馈的信息量是有限的，用户为了满足反馈链路的容量要求，往往是先将信道信息进行量化，然后将量化后的信息通过有限的比特反馈给基站，最后基站根据此反馈信息尽可能地恢复出信道信息，该方案被称为有限比特反馈。采用有限比特反馈将导致基站获得的***信道信息与真实的信道信息之间存在一定的量化误差，此量化误差的大小由反馈链路的容量决定。因而，在实际的多天线中继***中，我们需要评估发射端获知的下行信道状态信息存在量化误差对***性能造成的不良影响，并据此对有限反馈技术进行一定改进，以获得逼近理想信道信息情况的***可达传输速率。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种多天线两跳中继***中利用有限反馈信息的传输方法，以扩大蜂窝小区的覆盖范围，并获得逼近理想信道信息情况的***可达传输速率。

本发明采用的技术方案是：一种多天线两跳中继***中利用有限反馈信息的传输方法，该方法包括以下步骤：

1)基站拥有M根天线，中继站和每个用户分别拥有N_t和N_r根天线的两跳中继***，***依据基站和中继站的发射功率及天线数，以及限定的性能损失阈值和用户天线数等信息，确定中继站到基站以及用户到中继站的两级反馈比特数B₁和B₂的大小：

2)***根据中继站的天线数N_t，在本小区内采用随机调度方法选择K个多天线用户等待数据传输，以满足N_t＝KN_r；

3)每次传输开始时，中继站首先进行信道估计，获得基站到中继站的信道信息G；同时每个用户通过信道估计，获得中继站到本用户的下行信道信息H_k；

4)中继站对所获信道信息G进行奇异值分解，即G＝U[∑ 0][V V₀]^H，其中，U表示酉矩阵，∑表示对角元素为G的奇异值的对角阵，V表示另一酉矩阵的前N_t列，V₀表示该酉矩阵的后M-N_t列。中继站根据码字数为的已***本，对矩阵V的列向量进行量化，量化结果记为V。接着中继站将量化后的信息V通过B₁个比特反馈给基站，基站依据该信息对发送符号进行预编码传输；

5)用户k根据码字数为的已***本，对所获的信道信息H_k进行矩阵量化，量化结果记为H_k。接着该用户将量化后的信息H_k通过B₂个比特反馈给中继站，中继站依据所有用户反馈的下行信道信息，对转发符号采用块对角化技术进行预编码传输。

本发明所述多天线中继***中利用有限反馈信道信息的传输方法，要求中继站到基站以及用户到中继站两级反馈比特数B₁和B₂依据下述公式进行调整，以保证***可达传输速率相较于理想情况的性能损失处于一个预定可控的范围内：

$B_1=\mathrm{Ceil}\left\{(M-1)({\log }_2{P}_2-{\log }_2(M+\frac{N_t}{P_1})+{\log }_2\frac{2T}{N_t(b^{\frac{1}{N_r}}-1)})\right\}$

$B_2=\mathrm{Ceil}\{T{\log }_2{P}_2+T{\log }_2\frac{2A}{N_t(b^{\frac{1}{N_r}}-1)}\}$

其中，P₁和P₂分别表示基站及中继站的发射功率，b限定性能损失阈值，Ceil{X}表示不小于X的最小整数，T和A分别由下式给出：

T=N_t(N_t-N_r)

$A=\frac{N_t}{N_r}\frac{\mathrm{\Γ}\left(\frac{1}{T}\right)}{T}{\left(\frac{1}{T!}\underset{i=1}{\overset{N_r}{\mathrm{\Π}}}\frac{(N_t-i)!}{(N_r-i)!}\right)}^{-\frac{1}{T}}$

其中， $\mathrm{\Γ}\left(\mathrm{\α}\right)={\∫}_0^{\∞}{e}^{-t}{t}^{\mathrm{\α}-1}\mathrm{dt}$ 表示伽马函数。

有益效果：1）本发明方法能够提高蜂窝小区边缘用户接收信号强度，扩大小区覆盖范围，所采用的线性预编码方式，实现复杂度低，且性能较好；

2）本发明方法中依据基站和中继站的发射功率及天线数，以及限定的性能损失阈值和用户天线数等信息确定两级反馈比特数大小的做法能够保证，相对于理想信道信息情况而言，***的性能损失被控制在一个限定范围内，并获得逼近理想情况的***可达传输速率。

附图说明

图1是本发明提出的多天线两跳中继***中利用有限反馈信息的传输方法的***框图；

图2是在发射端获知不同信道信息情况下，***可达传输速率随基站和中继站发射功率增大而变化的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

如图1所示：本发明的具体实施步骤如下：

1)***依据基站和中继站的发射功率P₁，P₂及天线数M，N_t，以及由b限定的性能损失阈值和用户天线数N_r等信息，依据下式确定中继站到基站以及用户到中继站的两级反馈比特数B₁和B₂的大小：

$B_1=\mathrm{Ceil}\left\{(M-1)({\log }_2{P}_2-{\log }_2(M+\frac{N_t}{P_1})+{\log }_2\frac{2T}{N_t(b^{\frac{1}{N_r}}-1)})\right\}$

$B_2=\mathrm{Ceil}\{T{\log }_2{P}_2+T{\log }_2\frac{2A}{N_t(b^{\frac{1}{N_r}}-1)}\}.$

2)***根据中继站的天线数N_t，在本小区内采用随机调度方法选择K个多天线用户等待数据传输，以满足N_t＝KN_r；

3)每次传输开始时，中继站首先进行信道估计，获得基站到中继站的信道信息G，接着，中继站对所获信道信息G进行奇异值分解，即G＝U[∑0][V V₀]^H，其中，U表示酉矩阵，∑表示对角元素为G的奇异值的对角阵，V表示另一酉矩阵的前N_t列，V₀表示该酉矩阵的后M-N_t列；

4)中继站根据码字数为的已***本，对矩阵V的列向量进行量化，并将量化后的信息V通过B₁个比特反馈给基站，基站依据该信息对发送符号进行预编码传输；

5)每个用户通过信道估计，获得中继站到本用户的下行信道信息H_k，再根据码字数为的已***本，对所获的信道信息H_k进行矩阵量化，并将量化结果H_k通过B₂个比特反馈给中继站，中继站依据所有用户反馈的下行信道信息，对转发符号采用块对角化技术进行预编码传输。

如图2所示：我们预定的性能损失阈值为2bps/Hz，由图中可以发现，本发明提出的调整两级反馈比特数的方案能够有效控制信道量化造成的性能损失，而固定反馈比特数将会造成高信噪比情况下，性能损失的急剧恶化。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种多天线两跳中继***中利用有限反馈信息的传输方法，其特征在于：该传输方法按以下步骤进行：

1.基站拥有M根发射天线，中继站和每个用户分别拥有N_t和N_r根天线的两跳中继***，***依据基站和中继站的发射功率及天线数，以及限定的性能损失阈值b和用户天线数这些信息确定中继站到基站以及用户到中继站的两级反馈比特数的大小B₁和B₂；所述反馈比特数B₁和B₂由下述公式确定，保证***可达传输速率相较于理想情况的性能损失处于一个预定可控的范围内：

$B_1=\mathrm{Ceil}\left\{(M-1)({\log }_2{P}_2-{\log }_2(M+\frac{N_t}{P_1})+l{\mathrm{og}}_2\frac{2T}{N_t(b^{\frac{1}{N_r}}-1)})\right\}$

$B_2=\mathrm{Ceil}\{T{\log }_2{P}_2+T{\log }_2\frac{2A}{N_t(b^{\frac{1}{N_r}}-1)}\}$

其中，P₁和P₂分别表示基站及中继站的发射功率，b限定性能损失阈值，Ceil{X}表示不小于X的最小整数，T和A分别由下式给出：

T＝N_t(N_t-N_r)

$A=\frac{N_t}{N_r}\frac{\mathrm{\Γ}\left(\frac{1}{T}\right)}{T}{\left(\frac{1}{T!}\underset{i=1}{\overset{N_r}{\mathrm{\Π}}}\frac{(N_t-i)!}{(N_r-i)!}\right)}^{-\frac{1}{T}}$

其中，表示伽马函数；

2.***根据中继站的天线数N_t，在本小区内采用随机调度方法选择K个多天线用户等待数据传输，以满足N_t＝KN_r，其中N_r表示每个用户的天线数；

3.每次传输开始时，中继站首先进行信道估计，获得基站到中继站的信道信息G；同时每个用户通过信道估计，获得中继站到本用户的下行信道信息H_k；

4.中继站对所获信道信息G进行奇异值分解，即G＝U[Σ0][V V₀]^H，其中，U表示酉矩阵，Σ0表示对角元素为G的奇异值的对角阵，V表示另一酉矩阵的前N_t列，V₀表示该酉矩阵的后M-N_t列，M表示基站的发射天线数；中继站根据码字数为的已***本，对矩阵V的列向量进行量化，量化结果记为接着中继站将量化后的信息通过B₁个比特反馈给基站，基站依据该信息对发送符号进行预编码传输；

5.用户k根据码字数为的已***本，对所获的下行信道信息H_k进行矩阵量化，量化结果记为接着该用户将量化后的信息通过B₂个比特反馈给中继站，中继站依据所有用户反馈的下行信道信息，对转发符号采用块对角化技术进行预编码传输。