專利名稱：多用戶多天線兩階段有限反饋方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種無線傳輸技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種多用戶多天線兩階段
有限反饋方法。
背景技術(shù)：
多天線(MIM0)系統(tǒng)通過發(fā)射端和接收端的多副天線，無線通信系統(tǒng)的信道容量 可以得到提高。MIMO廣播信道中，基站通過多根天線給多個單天線用戶同時傳送信息。多 用戶MIMO系統(tǒng)的傳輸性能與信道狀態(tài)信息有關(guān)。當(dāng)基站能夠得到完全信道信息時，在總功 率一定時，系統(tǒng)總傳輸速率隨著用戶個數(shù)增加而增大，達到多用戶分集增益。然而，當(dāng)基站 沒有信道狀態(tài)信息時，系統(tǒng)性能和TDMA系統(tǒng)相當(dāng)。實際系統(tǒng)中每個用戶反饋的信息有限， 基站只能接收部分信道狀態(tài)信息，即有限反饋系統(tǒng)。多用戶MIMO有限反饋方案以線性預(yù)編 碼為基礎(chǔ)，相比非線性預(yù)編碼(例如最優(yōu)的DPC技術(shù))，線性預(yù)編碼設(shè)計簡單，傳輸性能損失 小，在實際系統(tǒng)種更易實現(xiàn)。 線性預(yù)編碼方法分為正交隨機波束成形(0RBF)和迫零波束成形(ZFBF) 。 ORBF包 含隨機生成的預(yù)編碼向量組并分別傳送給SINR最大的用戶。因此，每個用戶無需反饋自身 信道信息，只要反饋信道質(zhì)量信息(CQI):最大的SINR和信道方向信息(CDI):對應(yīng)最優(yōu)的 向量號。這種方案由于步驟簡單，應(yīng)用廣泛?；?RBF技術(shù)的反饋方案有2種(l)正交 空分復(fù)用(OSDMA):基站傳給各用戶隨機的一組預(yù)編碼向量組，用戶反饋最大的SINR和對 應(yīng)向量。理論證明系統(tǒng)能夠得到多用戶分集。(2)選擇性正交空分復(fù)用(OSDMA-S):基站 每次隨機產(chǎn)生多組預(yù)編碼向量，用戶反饋最大的信號干擾噪聲比(SINR)和對應(yīng)向量號，增 加了限反饋量但提升了傳輸性能。實際中，選擇性正交空分復(fù)用，又稱為PU2RC，已經(jīng)成為 3GPP-LTE標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)使用ZFBF，基站使用反饋的信道方向信息、信道質(zhì)量信息確定信道向量， 被用于用戶調(diào)度和設(shè)計迫零波束成形的預(yù)編碼矩陣，以消除用戶間干擾。當(dāng)存在完全信道 狀態(tài)信息，用戶間干擾可以完全消除，同時其性能接近最優(yōu)方案。然而，為了使得系統(tǒng)吞吐 量隨著SNR增大持續(xù)上升，避免天花板效益，反饋量必須與信號噪聲比(SNR，單位dB)呈線 性關(guān)系?；赯FBF的反饋方案有2種(1)窮舉法每次選取與發(fā)射天線個數(shù)相同的用戶 組，通過計算得到使用迫零波束成形技術(shù)所能達到的總傳輸速率，最后選取總傳輸速率最 大的用戶組為最佳用戶組。(2)迫零正交空分復(fù)用(ZF-OSDMA):基站確定用戶CSI后，通過 每次迭代選取與各選定用戶相關(guān)系數(shù)和信道增益聯(lián)合最優(yōu)的用戶，在每次迭代中，首先從 待選的用戶組中篩除與已選定用戶組相關(guān)系數(shù)大于門限值的用戶，再從中選取與已選定用 戶組正交分量最大的用戶并求得預(yù)編碼矩陣。這種方法考慮到用戶間相關(guān)性和多次迭代后 得到最優(yōu)用戶組。使用正交隨機波束成形(ORBF)和迫零波束成形(ZFBF)用于提供CSIT 信息的反饋資源在調(diào)度和預(yù)編碼向量設(shè)計中僅使用一次，雖然都能實現(xiàn)多用戶分集，但是 兩者各有缺陷。 完整的有限反饋方案分為用戶調(diào)度與預(yù)編碼兩部分。ORBF的預(yù)編碼向量事先確 定，但是由于向量個數(shù)少，無法精確地用戶調(diào)度；ZFBF的預(yù)編碼向量是通過計算得到，為了減少用戶間干擾，每個用戶都必須反饋更精確的信道方向信息，增加了反饋量。因此，有必 要尋找一種更高效的有限反饋方案。 經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，Motorolar公司在3GPP TSG RAN WG1第49次會議 (2007年5月)提案Rl-072175上發(fā)表的"E-UTRA Precoding FeedbackOverhead"(E-UTRA 預(yù)編碼反饋機制)中，認(rèn)為用于調(diào)度和預(yù)編碼向量設(shè)計需要的反饋資源量是不同的。調(diào)度 階段需要所有用戶反饋信道信息，但是每個用戶的反饋量很少；相反，預(yù)編碼階段僅需要被 調(diào)度的小部分用戶反饋更加精確的信道信息。所以，完全可以將反饋資源分成兩個階段分 別利用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種多用戶多天線兩階段有限反饋方 法，通過兩階段有限反饋方法，使得第一階段每個用戶反饋粗量化的信道信息幫助基站用 戶調(diào)度，第二階段基站要求被調(diào)度的用戶反饋細(xì)量化的信道信息來得到預(yù)編碼向量。本發(fā) 明提升了傳輸速率且反饋量低易于實現(xiàn)。 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟
步驟一 基站發(fā)送導(dǎo)頻信號給用戶端，用戶端接收導(dǎo)頻信號和信道狀態(tài)信息；
所述的信道狀態(tài)信息指的是信道向量，該信道向量中的每個元素為基站對應(yīng)天線 到用戶端天線的信道衰落系數(shù)； 步驟二 用戶端將信道狀態(tài)信息量化為信道質(zhì)量信息并通過小尺寸碼本得到低階 信道方向信息，并進行第一階段反饋，將信道質(zhì)量信息和低階信道方向信息發(fā)送至基站；
所述的信道質(zhì)量信息指的是由信道狀態(tài)信息與總傳輸信噪比計算得到的信擾噪 比。 所述的小尺寸碼本碼字個數(shù)為23_24。 所述的低階信道方向信息指的是小尺寸碼本中與信道向量最匹配的碼字序號，其 中，低階信道方向信息使用小尺寸碼本，信道量化粗糙，其結(jié)果用低階信道方向信息標(biāo)識。
步驟三基站由用戶反饋的信道質(zhì)量信息、低階信道方向信息進行用戶調(diào)度，選取 最優(yōu)用戶組作為調(diào)度用戶，并通知調(diào)度用戶反饋高階信道方向信息，并使用低階信道方向 信息作為預(yù)編碼矩陣，開始發(fā)送數(shù)據(jù)給調(diào)度用戶； 所述的用戶調(diào)度指的是基站由低階信道方向信息將所有用戶歸類并從中選取信
道質(zhì)量信息最大的用戶，再將選取的用戶分組，從中選取信道質(zhì)量信息和最大的用戶組； 所述的最優(yōu)用戶組指的是組中用戶信道質(zhì)量信息和最大的用戶組； 步驟四調(diào)度用戶由大尺寸碼本得到高階信道方向信息，并進行第二階段反饋，將
高階信道方向信息發(fā)送至基站，基站根據(jù)調(diào)度用戶反饋的高階信道方向信息計算得到優(yōu)化
預(yù)編碼矩陣，并根據(jù)優(yōu)化預(yù)編碼矩陣發(fā)送數(shù)據(jù)至調(diào)度用戶； 所述的大尺寸碼本碼字個數(shù)為21Q_218個； 所述的優(yōu)化預(yù)編碼矩陣是指調(diào)度用戶的高階信道方向信息的偽逆矩陣。
本發(fā)明將反饋資源分為兩個階段，第一階段用于用戶調(diào)度，第二階段用于預(yù)編碼。 相比于已有方案，本方案有效增加系統(tǒng)的吞吐量的同時減少了反饋量。因此，本發(fā)明提出的 方案具有高傳輸速率和低有限反饋的特點，可以為第三代(3G)、超三代(S3G)、第四代 4G)蜂窩移動通信等系統(tǒng)的蜂窩小區(qū)有限反饋策略提供具體的實現(xiàn)方法。


圖l為本發(fā)明示意圖。
圖2為實施例的時序圖。 圖3為碼本正交碼字組設(shè)計示例圖。 圖4為不同有限反饋方案傳輸性能仿真圖。
具體實施例方式
下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行 實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。 本實施例涉及的多用戶MIM0下行鏈路中兩階段有限反饋方案，系統(tǒng)框圖如圖1所 示，整個系統(tǒng)由多天線基站、單天線用戶端，無限信道、有限反饋信道組成。多天線基站含M 根發(fā)射天線，基站接收用戶端通過有限反饋信道反饋的信息，進行用戶調(diào)度，并將調(diào)度用戶 的待發(fā)信息進行預(yù)編碼處理，最后通過天線發(fā)射到無線信道；K個獨立的用戶從無線信道 接收由基站傳來的信息，得到自己需要的部分，同時根據(jù)這些信息進行信道處理，將信道向 量值量化后經(jīng)過有限反饋信道反饋給基站。無線信道和有限反饋信道在頻域是相互獨立 的。 本實施例整個過程的時序如圖3所示，具體包括如下步驟
(1)基站發(fā)送導(dǎo)頻信號給用戶端 基站發(fā)送導(dǎo)頻信號，導(dǎo)頻信號離線時基站與發(fā)送端已知，用于信道處理。
(2)用戶端接收導(dǎo)頻信號，處理信道狀態(tài)信息 由于用戶端預(yù)先知道基站發(fā)送的導(dǎo)頻信號，接受由信道傳輸?shù)膶?dǎo)頻信號后，通過 比較和各種信道處理方法，可以得到信道向量hk G口 1XM，即信道狀態(tài)信息。
(3)用戶端將信道狀態(tài)信息量化為信道質(zhì)量信息和低階信道方向信息
用戶端使用基于FFT矩陣結(jié)構(gòu)的小尺寸碼本C，其每個碼字cn是NXM FFT矩陣一
行， C =
<formula>formula see original document page 5</formula> 式(1)中令u為待定系數(shù)。任意兩個不同碼字Cm和Cm, (m^m')之 間相關(guān)系數(shù)為|cmcv H|?；贔FT矩陣結(jié)構(gòu)的碼本通過選擇合適的u，可以使碼字間相關(guān)系 數(shù)很小，從而碼字均勻分布在向量空間。仿真驗證過程中，取N = 8時u = [1235]。
用戶反饋的低階信道方向信息為小尺寸碼本C中與信道向量hk互相關(guān)系數(shù)最大 的碼字dk，
= argmax
(2) 用戶反饋的信道質(zhì)量信息qk為用戶k可達傳輸速率處理值。由于被調(diào)度的用戶 組對應(yīng)低階信道方向信息是正交的。當(dāng)調(diào)度的用戶數(shù)|S。pt| 二M時這些碼字構(gòu)成M維向量 一組完備正交基。用戶k G S可達傳輸速率處理值qk滿足， 《* = log
1 +
J2
、
=log
1+
"/KIM2-|MJ2)J
(3) (4)用戶端反饋信道質(zhì)量信息和低階信道方向信息給基站 用戶將信道質(zhì)量信息和低階信道方向信息由上行有限反饋信道，在時隙1反饋給 基站。上行有限反饋信道和下行數(shù)據(jù)傳輸信道是頻域分離的。
(5)基站由用戶反饋的信息進行用戶調(diào)度，選取最優(yōu)用戶組 由于小尺寸碼本C已知，可以根據(jù)碼本預(yù)先得到多組具有M個相互間正交的碼字 組。具體方法為作碼本的拓?fù)鋱D，以碼字為節(jié)點，當(dāng)任意碼字間相關(guān)系數(shù)卜 《.| = 0，即正交，
兩節(jié)點間連線。最后遍歷搜索整個拓?fù)鋱D，任意M個兩兩都連線的節(jié)點即為一組準(zhǔn)正交碼 字組Sr(r二l，…，R)。圖3為碼本大小N二 8，u = [1235]時的碼本拓?fù)鋱D，其中準(zhǔn)正交 碼字共4組，分別為{1-2-5-6} ， {2-3-6-7} ， {3-4_7_8} ， {4_5-8_1}。 用戶調(diào)度，首先，基站參考用戶反饋的低階信道方向信息，將用戶歸類到相應(yīng)碼字 代表的量化區(qū)域。令碼字 代表量化區(qū)域中用戶集合為Gn。對于每一個用戶k，根據(jù)其低 階信道方向信息dk的值歸入G ，即
G =c ,A: = l..Jf} (4) 其次，對每個碼字代表的量化區(qū)域Gn中取信道質(zhì)量信息qk最大的用戶，篩除其余 用戶。令每個碼字代表的量化區(qū)域Gn中選取的用戶號為v(n)，則v(n)滿足
<formula>formula see original document page 6</formula>v(") = argip^x& 最后，比較各碼字組中碼字對應(yīng)用戶可達總傳輸速率和的處理值即qk的和，取值 最大的那一組用戶即為調(diào)度的用戶組s。Dt，

<formula>formula see original document page 6</formula>(6)
(6)基站通知被調(diào)度的用戶反饋高階信道方向信息，并開始發(fā)送數(shù)據(jù) 基站通知用戶k G S。pt反饋高階信道方向信息，用于精確的預(yù)編碼設(shè)計。 同時，由于調(diào)度用戶的低階信道方向信息兩兩相交，可以直接作為預(yù)編碼矩陣?；?站暫時利用這個預(yù)編碼矩陣來為調(diào)度的用戶傳輸數(shù)據(jù)。
(7)被調(diào)度的用戶由大尺寸碼本得到高階信道方向信息 預(yù)編碼階段，使用了基于隨機矢量量化(RVQ)的大尺寸碼本CKVQ，碼本中每個碼字 都是獨立隨機產(chǎn)生，服從復(fù)高斯分布的向量。值得注意的是，使用任何針對性設(shè)計的碼本都 比基于隨機矢量量化碼本的性能好。 用戶使用大尺寸碼本CKVQ，反饋的高階信道方向信息，Dk為碼本CKVQ中與信道向量 hk互相關(guān)系數(shù)最大的碼字，<formula>formula see original document page 7</formula>(8)被調(diào)度的用戶反饋高階信道方向信息Dk
被調(diào)度的用戶將高階信道方向信息Dk由上行有限反饋信道，在時隙2反饋給基
(9)基站根據(jù)調(diào)度用戶反饋計算得到更精確預(yù)編碼矩陣 令S—={wjw}，H =[《…DfM]H，則預(yù)編碼矩陣w滿足，
W = HH(HHH)—1 (8)
由于使用了高階信道方向信息，W與(6)中的預(yù)編碼矩陣相比更精確，能夠更好地 消除用戶間干擾，增大系統(tǒng)吞吐量。
(10)基站發(fā)送信息給調(diào)度用戶 基站將調(diào)度用戶的數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)編碼處理后由M根發(fā)射天線經(jīng)下行信道同時傳送給 用戶。當(dāng)下一周期開始重復(fù)以上步驟，保障無線小區(qū)的基站和所有用戶正常運行。
本實施例相比于已有方案，本方案有效增加系統(tǒng)的吞吐量的同時減少了反饋量。 這些可以從仿真中得到證實。 如圖4所示，比較了各種發(fā)射策略兩階段有限反饋策略、EU2RC的總傳輸速率。 其中兩階段有限反饋策略第一階段小尺寸碼本碼字個數(shù)N1為8(使用3GPPTS 36.211 V8. 30 Table 6. 3. 4. 2. 3-2的4天線N = 16碼本前8個碼字)，第二階段大尺寸碼本碼字 個數(shù)N2的值取212、214、218和inf (無窮大，即第二階信道方向信息為理想狀態(tài)，其值等于 hk/||hk||) ;EU2RC(使用3GPP TS 36.211 V8. 30 Table6. 3. 4. 2. 3-2的4天線N = 16碼本) 碼本碼字個數(shù)為16。整個系統(tǒng)，發(fā)射端天線數(shù)為4，用戶端天線數(shù)為1，發(fā)射端信噪比P/N二 10dB。 隨著用戶數(shù)增加，三種策略的系統(tǒng)吞吐量也增加，實現(xiàn)了用戶分集。兩階段有限反 饋策略隨著第二階段碼本碼字個數(shù)增加，吞吐量不斷上升。比較3種策略，使用兩階段有限 反饋策略的系統(tǒng)吞吐量更大。 比較反饋量，兩階段策略第一階段每個用戶反饋3bit低階信道方向信息，第二階
段僅4個用戶需要反饋12-18bit高階信道方向信息；而EU2RC每個用戶都要反饋4bit信
道方向信息。所以當(dāng)用戶數(shù)較大(超過100)時，兩階段策略總反饋量更小。 因此，本實施例提出的多用戶MIMO下行鏈路中兩階段有限反饋方案是一種優(yōu)化
方案，有效增加系統(tǒng)的吞吐量的同時減少了反饋量，可為多天線蜂窩小區(qū)的多用戶調(diào)度策
略提供重要的依據(jù)和具體的實現(xiàn)方法。
權(quán)利要求
一種多用戶多天線兩階段有限反饋方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一基站發(fā)送導(dǎo)頻信號給用戶端，用戶端接收導(dǎo)頻信號和信道狀態(tài)信息；步驟二用戶端將信道狀態(tài)信息量化為信道質(zhì)量信息并通過小尺寸碼本得到低階信道方向信息，并進行第一階段反饋，將信道質(zhì)量信息和低階信道方向信息發(fā)送至基站；步驟三基站由用戶反饋的信道質(zhì)量信息、低階信道方向信息進行用戶調(diào)度，選取最優(yōu)用戶組作為調(diào)度用戶，并通知調(diào)度用戶反饋高階信道方向信息，并使用低階信道方向信息作為預(yù)編碼矩陣，開始發(fā)送數(shù)據(jù)給調(diào)度用戶；步驟四調(diào)度用戶由大尺寸碼本得到高階信道方向信息，并進行第二階段反饋，將高階信道方向信息發(fā)送至基站，基站根據(jù)調(diào)度用戶反饋的高階信道方向信息計算得到優(yōu)化預(yù)編碼矩陣，并根據(jù)優(yōu)化預(yù)編碼矩陣發(fā)送數(shù)據(jù)至調(diào)度用戶。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多用戶多天線兩階段有限反饋方法，其特征是，所述的信道 狀態(tài)信息指的是信道向量，該信道向量中的每個元素為基站對應(yīng)天線到用戶端天線的信道 衰落系數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多用戶多天線兩階段有限反饋方法，其特征是，所述的信道 質(zhì)量信息指的是由信道狀態(tài)信息與總傳輸信噪比計算得到的信擾噪比。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多用戶多天線兩階段有限反饋方法，其特征是，所述的小尺 寸碼本碼字個數(shù)為23-24。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多用戶多天線兩階段有限反饋方法，其特征是，所述的低階 信道方向信息指的是小尺寸碼本中與信道向量最匹配的碼字序號，該低階信道方向信息使 用小尺寸碼本，用低階信道方向信息標(biāo)識。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多用戶多天線兩階段有限反饋方法，其特征是，所述的用戶 調(diào)度指的是基站由低階信道方向信息將所有用戶歸類并從中選取信道質(zhì)量信息最大的用 戶，再將選取的用戶分組，從中選取信道質(zhì)量信息和最大的用戶組。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多用戶多天線兩階段有限反饋方法，其特征是，所述的最優(yōu) 用戶組指的是組中用戶信道質(zhì)量信息和最大的用戶組。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多用戶多天線兩階段有限反饋方法，其特征是，所述的大尺 寸碼本碼字個數(shù)為210-218個。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多用戶多天線兩階段有限反饋方法，其特征是，所述的優(yōu)化 預(yù)編碼矩陣是指調(diào)度用戶的高階信道方向信息的偽逆矩陣。
全文摘要
一種無線傳輸技術(shù)領(lǐng)域的多用戶多天線兩階段有限反饋方法，包括用戶端將信道狀態(tài)信息量化為信道質(zhì)量信息并通過小尺寸碼本得到低階信道方向信息，并進行第一階段反饋；基站選取最優(yōu)用戶組作為調(diào)度用戶，并通知調(diào)度用戶反饋高階信道方向信息，并使用低階信道方向信息作為預(yù)編碼矩陣，開始發(fā)送數(shù)據(jù)給調(diào)度用戶；調(diào)度用戶由大尺寸碼本得到高階信道方向信息，并進行第二階段反饋，基站根據(jù)調(diào)度用戶反饋的高階信道方向信息計算得到優(yōu)化預(yù)編碼矩陣，并根據(jù)優(yōu)化預(yù)編碼矩陣發(fā)送數(shù)據(jù)至調(diào)度用戶。本發(fā)明具有高傳輸速率和低有限反饋的特點，可以為第三代、超三代、第四代蜂窩移動通信等系統(tǒng)的蜂窩小區(qū)有限反饋策略提供具體的實現(xiàn)方法。
文檔編號H04B7/04GK101695008SQ20091019751
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月22日
發(fā)明者俞暉, 吳幼龍, 張宇, 徐朝凱, 羅漢文 申請人:上海交通大學(xué);