專利名稱：一種基于部分信道信息反饋的正交隨機波束成型傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多輸入多輸出(MIM0)無線通信系統(tǒng)傳輸技術(shù)，特別是涉及一種結(jié)合隨機波束成型與部分信道信息反饋波束成型的MIM0傳輸方法，適用于具有一個發(fā)射端和多個接收端，發(fā)射端包含多根發(fā)射天線，接收端包含一根天線的通信系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著移動通信用戶數(shù)量的急劇增加和無線寬帶業(yè)務(wù)(如多媒體業(yè)務(wù))的迅速興起，人們期望未來移動通信系統(tǒng)能提供更高的數(shù)據(jù)傳輸率(100Mbps以上)、更高的頻譜效率(10bps/Hz以上)。
多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)是一種在發(fā)射端和接收端同時使用多根天線的技術(shù)，該技術(shù)也可簡化為僅在發(fā)射端使用多根天線的多輸入單輸出(Multiple I叩ut SingleOutput, MISO)技術(shù)和僅在接收端使用多根天線的單輸入多輸出(Single Input Multiple Output, SIMO)技術(shù)。MIMO是提高頻譜效率的一種有效手段，它能夠在不增加發(fā)射功率的前提下，成倍的提高系統(tǒng)的頻譜效率。
波束成型是一類典型的MIMO技術(shù)，其基本思想是在每根發(fā)射天線上乘上一個復(fù)數(shù)來構(gòu)建一個波束方向。因此對M根發(fā)射天線則需乘上一個N維的復(fù)向量，通常把這個N維的復(fù)向量稱為波束成型矢量或一個波束。對于多發(fā)射天線系統(tǒng)可以構(gòu)建多個波束并行地發(fā)射數(shù)據(jù)。
隨機波束成型和部分CSI反饋波束成型是兩類波束成型技術(shù)。
隨機波束成型是在發(fā)射端隨機地構(gòu)建M個波束(M通常為發(fā)射端天線數(shù))同時進行數(shù)據(jù)發(fā)射。然后，接收端計算在每個波束上的信干噪比并反饋最大信干噪比以及對應(yīng)的波束索引值給發(fā)射端。最后，發(fā)射端在每個波束上選擇信干噪比最大的用戶進行發(fā)射。
隨機波束成型的優(yōu)點在于反饋開銷小、實施復(fù)雜度低，且在用戶數(shù)足夠大的情況下能獲得絕大部分多用戶分集增益，但是在實際用戶數(shù)情況下隨機波束成型只能獲得部分多用戶分集增益，遠沒有達到多
用戶MIM0系統(tǒng)的容量。同時，該傳輸方案存在較大的多用戶波束間的干擾，即使是在天線數(shù)耗費較高的情況下，系統(tǒng)性能也難以達到預(yù)期的效果。
部分CSI反饋的波束成型中每個接收端只需要反饋其部分信道狀態(tài)信息，以獲取信道矩陣的主奇異值，得到其對應(yīng)的主右奇異向量，基站以此構(gòu)建波束矢量，實現(xiàn)波束矢量與用戶精確匹配。接收機使用主左奇異向量對接收信息進行濾波，獲得較高的系統(tǒng)容量。
部分CSI反饋波束成型以較小的反饋開銷為代價獲得較高的系統(tǒng)容量，但是波束矢量并非正交，仍存在較大的波束間干擾。特別是對于信道相關(guān)性強的情況下，也會對系統(tǒng)容量造成很大影響。
因此在保證低反饋開銷，低復(fù)雜度，高容量的前提下尋求一種低干擾甚至無干擾的波束成型技術(shù)，是具有很大現(xiàn)實意義的。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于部分信道信息反饋的正交隨機波束成型傳輸方法，反饋開銷小，系統(tǒng)容量大，有效消除干擾。
一種基于部分信道信息反饋的正交隨機波束成型傳輸方法，涉及一個發(fā)射端和一個以上的接收端，發(fā)射端包含有一根以上的發(fā)射天
線，接收端包含一根接收天線，該方法按照以下步驟進行
步驟l發(fā)射端向各接收端發(fā)射導(dǎo)頻信號矢量；
步驟2第k個接收端通過信道估計得到信道矩陣，并對其作奇異值分解，得到主左奇異向量"k,和二元信息CSI(^,^)， ^為主奇異值，^為^,對應(yīng)的主右奇異矢量，k-l，2，…，N， N為接收端的個數(shù)；
步驟3第k個接收端將二元信息CSI (j^,;^)反饋給發(fā)射端；步驟4發(fā)射端從接收的N個二元信息中選出主奇異值最大的m個，將其對應(yīng)的接收端作為備選用戶；
步驟5發(fā)射端構(gòu)建波束矢量矩陣》-[^,^，…，I^,:h發(fā)射端將
第P個備選用戶以外的其他M—l個備選用戶的主奇異值組成預(yù)處理
矩陣0p 二[^p…,^-u，^;+u,^^]，求取預(yù)處理矩陣&的標準正交基
《—1 ，《+1 ，…， ]，再將第p個備選用戶的主右奇異值
一 似
^在正交基&上投影得到^ = - Z 〈《，^〉'< ，最后做歸一
化處理得到第P個備選用戶的波束=
步驟6發(fā)射端從所有備選用戶和波束矢量矩陣中選擇此次數(shù)據(jù)發(fā)送的用戶和對應(yīng)波束；
步驟7發(fā)射端以選定的波束向選定的用戶發(fā)射數(shù)據(jù)；步驟8被選定用戶接收數(shù)據(jù)信號，并濾波。
p = l，2，...， M;
本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明同時獲得了隨機波束成型反饋開銷小和部分CSI反饋波束成型系統(tǒng)容量大的優(yōu)點。系統(tǒng)通過剔除對系統(tǒng)容量影響小的大量用戶，并且只反饋部分信道信息，降低了系統(tǒng)的反饋開銷和實施復(fù)雜度；同時通過對部分CSI波束成型的正交化來消除干擾，并獲得系統(tǒng)容量的提升。
圖1為本發(fā)明系統(tǒng)框架圖;
6圖2為本發(fā)明流程圖3為系統(tǒng)容量與信噪比的關(guān)系圖(N二10);
圖4為系統(tǒng)容量與用戶數(shù)的關(guān)系圖(SNR二15dB);
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。
如圖1所示，本發(fā)明的MIM0通信系統(tǒng)包括一個發(fā)射端和N個接收端，發(fā)射端有M根天線，接收端有L根天線，在本發(fā)明中L4。
如圖2所示，本發(fā)明流程包括Al， A2, A3, A4， A5， A6， A7， A8共八個步驟，具體如下
在步驟A1中，發(fā)射端構(gòu)建由M個隨機波束么,m-l，...,M組成的波束矩陣0^A,…，^]，然后向各接收端發(fā)射導(dǎo)頻信號矢量義=[;^2廣.，;^， T表示矢量轉(zhuǎn)置，則第k個接收端U=l，2,…，
N)接收到的導(dǎo)頻信號i;表示為-
其中//4為第k個接收端的"M復(fù)信道矩陣，『t為丄xl的加性噪
聲。這里仏={~,^^， /^表示發(fā)射端第/個發(fā)送天線到第k個接收端的第y個接收天線的信道特征，假定其為獨立同分布的復(fù)高斯隨機
變量，分布滿足、a CW(0，1)，仏通過對信道進行估計得到。^表示
為K=[>v，w2y，>^:r，假定為復(fù)高斯白噪聲，分布滿足
v^,廣CW(0,l)，^l,2…，丄。對于功率受限的通信系統(tǒng)，約定總的發(fā)射功率為P。在步驟A2中，各接收端分別對其信道矩陣做處理。第k個接收 端對信道矩陣A做奇異值分解(sigular value decomposition, SVD) 得到/f一^4^f ， H表示矩陣轉(zhuǎn)置，^為"Z的酉矩陣，K的第一 列為主左奇異矢量"w ， ^為MxM的酉矩陣，A是一個丄xM的奇異 值矩陣，<formula>formula see original document page 8</formula>是信道矩陣的特征值。
、 v ' V
接收天線數(shù)L二1，則々，,=0， i=2，…，M，然后得到主奇異值^對應(yīng) 的主右奇異矢量、,。
在步驟A3中，第k個接收端將得到的二元信息CSI(^,^,)反饋 給發(fā)射端。可以看出，這里只需要反饋部分CSI，即^和&,，而不需 要反饋精確CSI，即A。
在步驟A4中，發(fā)射端接收二元信息CSI(^,4》，從N個主奇異 值中選擇最大的M個，將這M個主奇異值對應(yīng)的接收端作為備選用 戶，組成備選用戶集S。
在步驟A5中，發(fā)射端對備選用戶集S中的M個備選用戶對應(yīng)的
二元信息進行處理發(fā)射端采用格拉姆-施密特(Grayz -SW孤VO正
交化方法對第P個備選用戶的主右奇異矢量^,做預(yù)處理，將其它M-l
個備選用戶對應(yīng)的主右奇異矢量組成預(yù)處理矩陣&，即子空間V，并
求出其對應(yīng)的標準正交基^，可以表示為<formula>formula see original document page 8</formula>將第p個備選用戶的主右奇異矢量^,在正交基^上投影可得
= - Z Op ，〉 5
做歸一化處理后有
J = F / f
、1 、l/ 、1
(5)
因為^與^中任意向量正交，故^與&子空間正交。 按照上述方法對用戶集S中所有備選用戶的主右奇異矢量做相
同處理，構(gòu)建得到新的波束矢量矩陣^-[^，^,…,^]。
在步驟A6中，發(fā)射端根據(jù)調(diào)度算法選擇相應(yīng)的用戶及波束組合。
調(diào)度算法可以根據(jù)實際情況選取，本發(fā)明采用如下算法每次都選擇
備選用戶集S中的全部M個用戶以及相對應(yīng)的波束&,， ；7=1， 2,...., M。
在步驟A7中，發(fā)射端以選定的波束向選定的用戶發(fā)射數(shù)據(jù)。 在步驟A8中，被選定的用戶接收數(shù)據(jù)，并根據(jù)已有的主左奇異 矢量對接收數(shù)據(jù)進行濾波，具體為采用主左奇異矢量f^ (f/^已在
步驟A2得到，H表示矩陣轉(zhuǎn)置)對第p個被選定用戶接收的數(shù)據(jù)信 號 進行濾波，則處理后的接收信號為
a/
而由前面正交化處理結(jié)果可知，對于V/7"， C,=0 ，所以有
,1、1、1 卞up，1.
(7)
9AAl表示第^個被選定用戶的主奇異值，F(xiàn) ,表示第^個被選定用
戶的主右奇異矢量，J^表示為第^個被選定用戶對應(yīng)的波束，^，，表 示第^個被選定用戶的主左奇異矢量，^表示第^個被選定用戶的噪
聲，H表示矩陣轉(zhuǎn)置。
因此可以完全消除多波束之間的干擾，這樣第^個被選定用戶的 接收機處理后的信干比(SINR， Signal-to-Interference and Noise Ratio)為
2
、=
義
M/p
(8)
其中;^1,2,…,M，各個發(fā)送天線之間采用平均功率分配，即有 /7,=P/M。若采用自適應(yīng)的功率分配，則根據(jù)拉格朗日(Zagra/^e)
算法，在約束條件下Z二^,-p，可以求得自適應(yīng)功率分配下每個波
束對應(yīng)的功率值。
進一步可以得到基于部分信道反饋正交波束成型多用戶分集下 的系統(tǒng)容量為
M 似 2 2
C-五(藝log2(l + ;^》五(藝log2(l + Al義wl K，w )} (9)
A=p/M， J^可以由公式(5)類似得到。
圖3，圖4是仿真結(jié)果圖，圖3中，基站發(fā)射天線數(shù)M二4，接收端 數(shù)N40，用戶接收天線數(shù)L-1;圖4中，基站發(fā)射天線數(shù)M二4，用戶 接收天線數(shù)L二1， SNR=10。由圖可以看出，本發(fā)明提出的方法明顯優(yōu) 于現(xiàn)存的隨機波束成型和部分CSI反饋波束成型，本發(fā)明在具有較小 反饋開銷的同時，顯著地提升了多用戶系統(tǒng)容量。
權(quán)利要求
1、一種基于部分信道信息反饋的正交隨機波束成型傳輸方法，涉及一個發(fā)射端和一個以上的接收端，發(fā)射端包含有一根以上的發(fā)射天線，接收端包含一根接收天線，該方法按照以下步驟進行步驟A1發(fā)射端向各接收端發(fā)射導(dǎo)頻信號矢量；步驟A2第k個接收端通過信道估計得到信道矩陣，并對其作奇異值分解，得到主左奇異向量Uk，1和二元信息CSI(Vk，1，λk，1)，λk，1為主奇異值，Vk，1為λk，1對應(yīng)的主右奇異矢量，k＝1，2，…，N，N為接收端的個數(shù)；步驟A3第k個接收端將二元信息CSI(Vk，1，λk，1)反饋給發(fā)射端；步驟A4發(fā)射端從接收的N個二元信息中選出主奇異值最大的M個，將其對應(yīng)的接收端作為備選用戶；步驟A5發(fā)射端構(gòu)建波束矢量矩陣<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mover> <mi>Φ</mi> <mo>~</mo></mover><mo>=</mo><mo>[</mo><msub> <mover><mi>V</mi><mo>~</mo> </mover> <mn>1,1</mn></msub><mo>,</mo><msub> <mover><mi>V</mi><mo>~</mo> </mover> <mn>2,1</mn></msub><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><msub> <mover><mi>V</mi><mo>~</mo> </mover> <mrow><mi>M</mi><mo>,</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>]</mo><mo>:</mo> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2009100624540002C1.tif" wi="38" he="5" top= "115" left = "109" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>發(fā)射端將第p個備選用戶以外的其他M-1個備選用戶的主奇異值組成預(yù)處理矩陣Qp＝[V1，1，…，Vp-1，1，Vp+1，1，VM，1]，求取預(yù)處理矩陣Qp的標準正交基<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>q</mi> <mi>p</mi></msub><mo>=</mo><mo>[</mo><msubsup> <mrow><msubsup> <mi>ϵ</mi> <mi>p</mi> <mn>1</mn></msubsup><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><msubsup> <mi>ϵ</mi> <mi>p</mi> <mrow><mi>p</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msubsup><mo>,</mo><msubsup> <mi>ϵ</mi> <mi>p</mi> <mrow><mi>p</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></msubsup><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><mi>ϵ</mi> </mrow> <mi>p</mi> <mi>M</mi></msubsup><mo>]</mo><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0002" file="A2009100624540002C2.tif" wi="70" he="7" top= "147" left = "23" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>再將第p個備選用戶的主右奇異值Vp，1在正交基qp上投影得到<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mover><mi>V</mi><mo>‾</mo> </mover> <mrow><mi>p</mi><mo>,</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>=</mo><msub> <mi>V</mi> <mrow><mi>p</mi><mo>,</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>-</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mi>i</mi><mo>≠</mo><mi>p</mi> </mrow> <mi>M</mi></munderover><mo><</mo><msub> <mrow><msubsup> <mi>ϵ</mi> <mi>p</mi> <mi>i</mi></msubsup><mo>,</mo><mi>V</mi> </mrow> <mrow><mi>p</mi><mo>,</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>></mo><mo>·</mo><msubsup> <mi>ϵ</mi> <mi>p</mi> <mi>i</mi></msubsup><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0003" file="A2009100624540002C3.tif" wi="61" he="12" top= "158" left = "68" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>最后做歸一化處理得到第p個備選用戶的波束<maths id="math0004" num="0004" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mover><mi>V</mi><mo>~</mo> </mover> <mrow><mi>p</mi><mo>,</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>=</mo><msub> <mover><mi>V</mi><mo>‾</mo> </mover> <mrow><mi>p</mi><mo>,</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>/</mo><mo>|</mo><mo>|</mo><msub> <mover><mi>V</mi><mo>‾</mo> </mover> <mrow><mi>p</mi><mo>,</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>|</mo><mo>|</mo><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0004" file="A2009100624540002C4.tif" wi="41" he="9" top= "176" left = "73" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>p＝1，2，…，M；步驟A6發(fā)射端從所有備選用戶和波束矢量矩陣中選擇此次數(shù)據(jù)發(fā)送的用戶和對應(yīng)波束；步驟A7發(fā)射端以選定的波束向選定的用戶發(fā)射數(shù)據(jù)；步驟A8被選定用戶接收數(shù)據(jù)信號。
2、根據(jù)權(quán)利1所述的基于部分信道信息反饋的正交隨機波束成型傳輸?shù)趐個備選用戶的波束^,1 =FP,i/ 「^ ， p-l，2，…，M;方法，其特征在于，第e個被選定用戶接收數(shù)據(jù)信號、后，還對其作濾波處理得到最終數(shù)據(jù)信號K = ^e，l「e，l「e,lA+"e,l^e， e = l，2，...，f， f表示被選定的用戶數(shù)，A,表示第e個被選定用戶在步驟A2作奇異值分解得到的主奇異值，^表示^對應(yīng)的主右奇異矢量，^表示第e個被選定用戶對應(yīng)的波束，R,，表示第e個被選定用戶在步驟A2作奇異值分解得到的主左奇異矢量，^表示第e個被選定用戶的接收噪聲，H表示矢量轉(zhuǎn)置。
全文摘要
本發(fā)明提出一種基于部分信道信息反饋的正交隨機波束成型傳輸方法，發(fā)射端向各接收端發(fā)射導(dǎo)頻信號矢量，接收端通過信道估計得到信道矩陣，對信道矩陣作奇異值分解，將分解得到的部分信道信息反饋給發(fā)射端，發(fā)射端確定備選用戶以及新的正交發(fā)射波束，發(fā)射端從中選擇波束向用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，被選定用戶接收數(shù)據(jù)信號并對其濾波。該方法基于正交隨機波束成型和部分信道信息反饋波束成型方案，在具有較小反饋開銷的同時，消除了多用戶波束之間的相互干擾，顯著地提升了多用戶系統(tǒng)容量。
文檔編號H04B7/08GK101567716SQ20091006245
公開日2009年10月28日 申請日期2009年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月9日
發(fā)明者付代宇, 錦 俞, 劉應(yīng)狀, 朱光喜, 林宏志, 王德勝, 葛曉虎, 沖 詹, 亮 郝 申請人:華中科技大學(xué)