CN100358257C - 利用随机波束成型的多天线发射接收系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种随机波束成型的多天线发送接收系统及方法。各个小区的基站发送机利用小区标识号、系统的时隙序号产生伪随机波束成型矩阵，用户接收机测量本小区及干扰小区的多天线信道，结合预先知道的未来时隙的伪随机波束成型矩阵，以信号干扰噪声比作为参数评估各个子信道在未来时隙内的通信潜力，将部分质量优良的子信道信息反馈到基站，基站逐一将各个子信道调度分配给在该子信道上具有最佳通信能力的用户使用。利用本发明的收发系统，可以有效提高系统的频谱利用率，同时使得各个用户获得更平等的机会使用共享的无线信道。

Description

利用随机波束成型的多天线发射接收系统及方法

技术领域

本发明属于移动通信和下行链路多址技术领域，特别涉及一种利用随机波束成型的多天线发射接收系统及方法。

背景技术

多输入多输出(MIMO)天线信号处理技术通过利用空间信道的自由度，可以增加系统容量，改善系统性能。MIMO技术正成为未来无线通信提高频谱利用率的关键技术之一，近年来已成为一个研究热点，部分成熟技术已经开始在实际系统中得到应用。MIMO系统在发射端和接收端使用多个天线，通常采用了空间复用技术，使传输的数据流被分开，为了检测这些空间复用的数据流，必须要有非相干传播信道、多接收天线和使用干扰消除结构的接收器。通过增加发射天线的数量，空间复用能够大大地提高峰值数据速率。

大多数过去的研究集中在单用户点到点的通信技术，而更为实际的无线通信技术必须解决多个用户同时通信的多址问题。在多用户多天线技术中，多个用户可能存在的相互干扰加到多个天线之间自身的干扰中使得问题愈加复杂，涉及多用户的多天线技术研究尚待深入。

《国际电子与电气工程师协会通信专刊》(″Transmit beamforming andpower control for cellular wireless systems″.  Selected Areas inCommunications，IEEE Joumal on，Volume：16，Issue：8，Oct.1998Pages：1437-1450)给出了一种所有用户联合进行功率控制和发送波束成型的系统，通过叠代的方法使得多个用户同时通信，最优地利用空间自由度，提高频谱利用率。但该系统要求用户反馈所有收发天线对的信道信息，给上行信道带来巨大开销，倘若在多小区环境下，基站之间还需要交互大量的信道信息，采取较复杂的合作策略。

《国际电子与电气工程师协会信息论杂志》(″Opportunisticbeamforming using dumb antennas″，Information Theory，IEEE Transactionson，Volume：48 Issue：6，Page(s)：1277-1294，June 2002)从另一个角度出发，提出基于多用户分时通信的多天线多址方法。利用随机波束成型技术对下行的各个用户多天线信道人为地产生衰落起伏。各用户反馈未来各个时刻其与基站的通信潜力，基站在每个时隙内选择具有最佳通信能力的用户，与之通信，使得系统的频谱效率得到提高。

在每个用户的多天线接收机看来，MIMO信道可以等效为多个并行子信道，一般情况下这些子信道的衰落是彼此独立的，那么，即使总体具有最佳通信能力的用户未必在每个子信道上都具有最佳的通信能力，因此，基站按照用户为单位对多个用户进行调度未必能充分利用随机波束成型方法。在随机波束成型方法中，在每个时隙内，基站和用户都必须预先知道随机波束成型矩阵，构造各个小区的伪随机矩阵，使得各小区各个时隙的随机波束成型矩阵彼此独立，矩阵本身各向同性成为其中一个关键问题，随机波束成型矩阵发生器尚无成熟案例。另外，适用于多小区环境，上行信道反馈量适中的系统结构未见提出。到目前为止，也未见有关实际可实现的利用随机波束成型的多天线发送机及其接收机结构的报道。

涉及多天线系统选择信道的专利申请还是很多的，如三星电子株式会社的发明名称为“利用多天线发送和接收信号的装置和方法”的专利申请，公开号为1496025A，即揭示了一种是按照用户调度通信能力的方法。华为技术有限公司的发明名称为“无线通信系统下行反馈多天线发射方法与装置”的发明专利申请，公开号为1399425A，揭示了一种多天线发射接收方法，其接收时只需要找出与信道最为匹配的波束，不涉及多用户的调度问题。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提出一种以子信道为单位来调度通信能力的随机波束成型的多天线发送机及其接收机结构。

本发明是通过如下技术方案实现上述目的的：随机波束成型的多天线发送接收系统所在的小区基站具有标识号D₀和K个移动用户，发送机具有M个发送天线，与小区内的K个移动用户通信，第k个移动用户的接收机具有M个接收天线，发送机中对应每个移动用户有一路数据等待发送；其中发送机包括：

伪随机矩阵发生器8，其利用小区标识号、系统时钟的时隙序号产生伪随机波束成型矩阵B₀(n)；

随机波束成型模块7，在第n个时隙里将待发送的信号数据与伪随机波束成型矩阵B₀(n)相乘，得到天线上发送的信号并通过下行天线业务信道12发送；

接收机包括：

子信道质量评估模块26，其测量本小区及干扰小区的多天线信道，结合预先知道的第n+1个时隙的伪随机波束成型矩阵，以信号干扰噪声比作为参数评估各个子信道在未来时隙内的通信潜力，将质量最优的子信道信息反馈到基站，对其它子信道信息则不进行反馈；

数据解调模块24，用于将接收到的数据解调解码，恢复出用户数据；

发送机还包括调度模块3，在第n+1个时隙开始，调度模块根据用户接收机的子信道质量评估模块26反馈的子信道的信号干扰噪声比逐一将各个子信道调度分配给在该子信道上具有最佳通信能力的用户使用。

利用本发明提出的收发机及系统结构，可以有效提高系统的频谱利用率，同时使得各个用户获得更平等的机会使用共享的无线信道。

附图说明

图1是本发明多天线发送接收系统的发送机的框图。

图2是本发明多天线发送接收系统的移动用户接收机的框图。

图3是本发明发送机中伪随机矩阵发生器的结构图。

图4是本发明与现有技术的系统性能比较图。

图5是本发明部分反馈子信道质量度量时的系统性能图。

具体实施方式

本发明应用于移动通信系统下行同步链路，包括基站的发送机和移动用户的接收机以及辅助的上行反馈链路。

请参阅图1，本发明实施例的多天线发送机用于具有K＝32个用户的某个小区，设为第0小区。该小区以一个24位的二进制数D₀＝0x551F00为其标识号，该小区的基站发送机具有M＝4个发送天线，与小区内的K＝32个移动用户通信，每个移动用户的接收机都具有4个接收天线。在基站发送机内，每个移动用户有1路数据存在缓冲区1里等待发送。设时隙长度为T，在第n个时隙里(t∈[(n-1)T，nT])，基站发送机同时发送M路信号，其调度模块3根据后述的调度方法从32个用户数据缓冲区2中为每路信号选择最优的承载数据，经过自适应的编码调制生成4路信号4，设为X₀(t)＝[x₁(t)，x₂(t)，x₃(t)，x₄(t)]^T，[g]^T表示转置，若第m路上承载的是用户u_m的数据，记承载矢量5为u(n)＝[u₁(n)，u₂(n)，u₃(n)，u₄(n)]^T。

基站具有一个全网同步的时隙时钟9，记录时隙序号n。根据时隙序号n和小区标识号D₀，伪随机矩阵发生器8生成4×4的伪随机波束成型矩阵43，记为B₀(n)，[B₀(n)]_ij表示其第i行第j列的元素。请参阅图3，在伪随机矩阵发生器8内，25个寄存器构成移位寄存器组A，寄存器33为最低位，25个寄存器构成移位寄存器组B，寄存器35为最低位，37为模2的加法器，移位寄存器组A置初值0x1551F00，移位寄存器组B置初值0x1FFFFFF。A，B同时开始移位并反馈，产生序列(37.1)c1(p)，(37.1)c2(p)。串并转换模块38从 $\stackrel{\‾}{p}=128n+32(i-1)+8(j-1)+1$ 开始连续取出序列c1(p)的L＝8位数据，以 为最低位转换为L＝8位字长的数据f_ij ¹(n)，归一化为 $g_{\mathrm{ij}}^1\left(n\right)=f_{\mathrm{ij}}^1\left(n\right)/2^8.$ 令 $F\left(x\right)={\∫}_{-\∞}^x\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{-1^2}\mathrm{dt},$ F^-1(x)为F(x)的反函数，在[0，1]内均匀分布的g_ij ¹(n)通过高斯分布产生器39生成高斯伪随机变量 ${41G}_{\mathrm{ij}}^1\left(n\right)=F^{-1}\left(g_{\mathrm{ij}}^1\left(n\right)\right).$ 经过类似过程可以从c2(p)生成变量42G_ij ²(n)。通过矩阵生成器40可以生成随机矩阵G₀(n)，其元素 $[G_0\left(n\right){]}_{\mathrm{ij}}=G_{\mathrm{ij}}^1\left(n\right)+\sqrt{-1}{G}_{\mathrm{ij}}^2\left(n\right).$ 对G₀(n)进行奇异值分解得到G₀(n)＝B₀(n)Λ(n)V(n)，其中B₀(n)，V(n)为酉阵，Λ(n)为对角阵。B₀(n)被用作伪随机波束成型矩阵43。每个小区具有相同的伪随机矩阵发生器，但彼此的小区标识号不同，本发明的伪随机矩阵发生器能够产生小区间独立，时隙间独立的任意尺寸矩阵。因为每个矩阵是从一个元素独立同为复高斯分布的中间矩阵奇异值分解而来，酉阵各向同性，使得人为产生的信道衰落在小区内分布均匀。各个小区基站按照时隙序号以及各自的小区标识号产生伪随机矩阵，无需进行小区之间的优化合作，因此降低了系统的复杂度。

在第n个时隙里，随机波束成型模块7将上述待发送的4路信号4与伪随机波束成型矩阵43B₀(n)相乘，得到天线上发送的信号10，S₀(t)＝B₀(n)X₀(t)在下行多天线信道12中发送。同时，承载矢量u(n)、时隙序号n、以及小区标识号D₀通过额外独立的信道11在系统内广播。

各个用户接收机主要包括子信道质量评估和数据解调两个子模块。

在第n个时隙内，用户k的接收机收到的系统广播信息14通过广播信息解调器22，获知本小区的标识号和当前的时隙序号21，并且本地时钟25同步上当前的时隙序号n后，在子信道质量评估模块26中利用与伪随机矩阵发生器8相同的结构，可以预先产生本小区在第n+1个时隙内的伪随机波束成型矩阵B₀(n+1)。设用户通过额外的训练序列，信号15经过信号前端17后，信道估计模块18准确获得下行信道信息H_k ⁰(n)，预测在第n+1个时隙内 $H_k^0(n+1)=H_k^0\left(n\right).$ 若存在较强的干扰小区信号，设用户接收机的信道估计模块18通过额外的训练序列也可准确获得用户k的接收机可以获得干扰小区基站到用户的信道信息H_k ⁰(n+1)，f＝1，2，...，I，其中I为强干扰小区个数(在实施本例中只分别考察I＝0，I＝1两种情况系统的性能)，以及干扰小区标识号，进而在子信道质量评估模块26中利用伪随机波束成型矩阵发生器得到干扰小区在第n+1个时隙内的伪随机波束成型矩阵B_f(n+1)，f＝1，2，...，I。

可以预期在第n+1个时隙内的接收机前端输出的信号20为4×1的矢量：

$r_k\left(t\right)=J_k^0(n+1)X_0\left(t\right)+\underset{f=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{J}_k^f(n+1)X_f\left(t\right)+w\left(t\right),t\∈[\mathrm{nT},(n+1)T]$

其中 $J_k^i(n+1)=H_k^0(n+1)B_l(n+1),$ w(t)为高斯热噪声矢量，定义接收机平均信噪比SNR。

本发明所述接收机，采样线性最小均方误差(MMSE)接收机结构，不但可以有效抑制多天线之间的干扰，而且还能抑制小区之间的干扰。

X(t)＝A(n+1)r_k(t)，t∈[nT，(n+1)T]

其中 $A(n+1)=J_k^{0H}(n+1)[J_k^0(n+1)J_k^{0H}(n+1)+\underset{f=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{J}_k^f(n+1)J_k^{\mathrm{fH}}(n+1)+\frac{M}{\mathrm{SNR}}I{]}^{-1},$

[g]^H表示共轭转置。

用户k与本小区基站之间的传输信道可等效为M个子信道，每个子信道的等效信号干扰噪声比为：

${\mathrm{\β}}_{k,q}(n+1)=\frac{{\left|\right[A(n+1)J_k^0(n+1){]}_{\mathrm{qq}}|}^2}{{\mathrm{SNR}}^2\underset{p=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right[A{(n+1)]}_{\mathrm{qp}}|}^2+\frac{1}{M}\underset{p=1p\≠q}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right[A(n+1)J_k^0(n+1){]}_{\mathrm{qp}}|}^2+\frac{1}{M}\underset{f=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}\underset{p=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right[A(n+1)J_k^f(n+1){]}_{\mathrm{qp}}|}^2}$

其中q＝1，2，....M；

用户接收机需要反馈信道质量信息到基站，在本发明中以β_k，q(n+1)指示用户k第n+1个时隙里在第q个子信道上与基站的潜在通信能力。定义一个动态门限 ${\mathrm{\μ}}_k(n+1)=m_{{\mathrm{\β}}_k(n+1)}+\mathrm{\α}{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\β}}_k(n+1)},$ 其中 $m_{{\mathrm{\β}}_k(n+1)}=\frac{1}{w\×M}\underset{q=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=n-W}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_{k,q}\left(l\right),$ ${\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\β}}_k(n+1)}\sqrt{\frac{1}{w\×M}\underset{q=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=n-W}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\β}}_{k,q}\left(l\right)-m_{{\mathrm{\β}}_k(n+1)}{]}^2}$ 分别为用户k过去w个时隙内所有子信道信干噪比的平均值和方差，系统参数w=64，α的取值在反馈量和系统性能之间提供一种折中，见后述数值仿真结果。若β_k，q(n+1)＞μ_k(n+1)，用户k在第n个时隙里将该等效子信道q的等效信干噪比的量化值汇同子信道号16经过上行反馈信道13传给基站，否则不做反馈，基站视该用户在该子信道上的通信能力为0。用户接收机通过设置门限，只反馈质量较好的子信道，供基站调度选择，这样有效减少了上行反馈信道的开销。

子信道质量评估子模块26将线性接收机矩阵28A(n+1)存在存储器30中以备第n+1个时隙内解调数据之用。在第n个时隙，用户k的接收机除了对第n+1个时隙内各个子信道质量进行评估，还可能需要接收第n个时隙里基站发给用户k的数据。用户k通过额外的信道11收到系统广播信息14，经过广播信息解调器22，获得承载矢量23u(n)=[u₁(n)，u₂(n)，u₃(n)，u₄(n)]^T，若发现其中有u_q(n)＝k，用户的数据解调器24取出上一个时隙存下的线性矩阵29A(n)，得到：

$\hat{X}\left(t\right)=[x_1\left(t\right),x_2\left(t\right),...,x_M\left(t\right)]=A\left(n\right)r_k\left(t\right),,t\∈[(n-1)T,\mathrm{nT}]$

将第n个时隙内x_q(t)的数据收齐经过解调解码，恢复出用户k的数据31。

在下一个时隙，即第n+1个时隙的起始，基站发送机从上行反馈信道13接收子信道信号，收齐所有用户反馈的等效信干噪比后，其调度模块3对共享的无线信道资源进行调度，基站以子信道为单位在各个用户之间调度无线资源。对子信道q选出最佳的承载信号，

$u_q(n+1)=k_q^{*}(n+1)=\underset{k=\mathrm{1,2},,k}{\arg \max \left\{{\mathrm{\β}}_{k,q}(n+1)\right\}}$

在子信道q上，用户u_q(n+1)，最多可以按照 ${\log }_2(1+{\mathrm{\β}}_{u_q(n+1),q}(n+1))\mathrm{bps}/\mathrm{Hz}$ 的频谱效率传送信息数据。在本发明的基站调度模块以子信道为单位来调度无线时分共享资源，而不是以用户为单位调度，使得无线资源利用率提高，同时各个用户获得更为平等的机会使用无线资源。

为了阐述本发明的性能优势，特对蜂窝小区的多用户通信的情况进行了数值仿真。假设小区内的用户低速移动，在小区内均匀分布，各个用户的多天线到基站的多天线之间的信道为理想信道，信道矩阵的元素都为独立复高斯分布。假定下行链路理想同步，信道估计准确，上行反馈信道无误码。

为了定量衡量系统性能，特定义以下变量。定义 $C\left(n\right)=\mathrm{\ϵ}\left\{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k^{\mathrm{asslgned}}\left(n\right)\right\}$ 为第n个时隙内小区内的数据吞吐率，其中C_k ^asslgned(n)为第n个时隙内用户k分到的通信速率。取C(n)的时间平均C表示系统的平均吞吐率。另外定义每个用户在一段时间内(例如T_w＝64)的吞吐量： $C_k^{\mathrm{cum}}\left(n\right)=\underset{l=n-T_n+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k^{\mathrm{asslgned}}\left(i\right),$

据此定义各个用户吞吐率的方差用于表示用户获得信道资源的公平度：

$F\left(n\right)=\frac{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{|C_k^{\mathrm{cum}}\left(n\right)-{\stackrel{\‾}{C}}_{\mathrm{cum}}\left(n\right)|}^2}{K\·{\stackrel{\‾}{C}}_{\mathrm{cum}}^2\left(n\right)},$ 其中的 ${\stackrel{\‾}{C}}_{\mathrm{cum}}\left(n\right)=\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k^{\mathrm{cum}}\left(n\right),$ 该值越小说明用户之间的公平度越好。

下面给出对实施例的部分仿真结果。图4是使用随机波束成型技术，基站以用户为单位进行调度与基站以子信道为单位调度的比较，信噪比为10dB，强干扰小区数为0。左A图的纵坐标表示系统的吞吐率，1为以用户为单位调度的结果，2为以子信道为单位调度的结果。右B图则表示上述定义的公平度。从图中可见，本发明采用的以子信道为单位调度，比较以用户为单位调度可以取得更高的信道利用率，同时用户之间的公平性更好。当考虑在用户的下行链路中存在I＝1个强干扰小区信号时，结果类似，只是由于干扰的存在，以用户为单位进行调度和以子信道为单位进行调度的系统性能都有稍许下降。在多小区环境下，本发明所述的发射机和接收机比较以用户为单位进行调度的方案仍然具有较优的性能。图5显示不同反馈参数α对系统性能的影响以及上行反馈量的节约情况。左A图的横坐标即为α，纵坐标为系统吞吐率，右B图的纵坐标则为部分子信道度量反馈带来的节约量，全部反馈时，节约量为0％。从图中可见，α＝1时系统吞吐率几乎不受影响，但此时大约节省了80％的上行反馈信道的开销。

Claims (21)

1.一种随机波束成型的多天线发送接收系统，该发送接收系统所在的小区基站具有标识号D₀和K个移动用户，发送机具有M个发送天线，与小区内的K个移动用户通信，第k个移动用户的接收机具有M个接收天线，发送机中对应每个移动用户有一路数据等待发送；其特征在于：

发送机包括：

伪随机矩阵发生器(8)，其利用小区标识号、系统时钟的时隙序号产生伪随机波束成型矩阵B₀(n)；

随机波束成型模块(7)，在第n个时隙里待发送的信号数据与伪随机波束成型矩阵B₀(n)相乘，得到天线上发送的信号并通过下行天线业务信道(12)发送；

接收机包括：

子信道质量评估模块(26)，其包括用于计算第n+1个时隙的伪随机波束成型矩阵的伪随机矩阵发生器，子信道质量评估模块(26)测量本小区及干扰小区的多天线信道，结合预先知道的第n+1个时隙的伪随机波束成型矩阵，以信号干扰噪声比作为参数评估各个子信道在未来时隙内的通信能力，将质量最优的子信道信息反馈到基站发送机，对其它子信道信息则不进行反馈；

数据解调模块(24)，用于将接收到的数据解调解码，恢复出用户数据；

发送机还包括调度模块(3)，在第n+1个时隙开始，调度模块根据用户接收机的子信道质量评估模块(26)反馈的子信道的通信能力信息逐一将各个子信道调度分配给在该子信道上具有最佳通信能力的用户使用。

2.如权利要求1所述的多天线发送接收系统，其特征在于：子信道质量评估模块(26)以信号干扰噪声比作为子信道在未来时隙内的通信潜力的参数。

3.如权利要求2所述的多天线发送接收系统，其特征在于：[B₀(n)]_ij表示其第i行第j列的伪随机波束成型矩阵元素；伪随机矩阵发生器(8)包括：

复数个寄存器构成移位寄存器组A，复数个寄存器构成移位寄存器组B，模2的加法器(37)，串并转换模块(38)，高斯分布产生器(39)以及矩阵生成器(40)；

移位寄存器组A，包括最低位寄存器(33)和最高位寄存器(34)；移位寄存器组B包括最低位寄存器(35)和最高位寄存器(36)；移位寄存器组A，B同时开始移位并反馈，产生序列c1(p)，c2(p)，串并转换模块(38)从 $\stackrel{\‾}{p}=n\·M\·M\·L+(i-1)\·M\·L+(j-1)\·L+1$ 开始连续取出序列c1(p)的L位数据，以

为最低位转换为L位字长的数据f_ij ¹(n)，归一化为 $g_{\mathrm{ij}}^1\left(n\right)=f_{\mathrm{ij}}^1\left(n\right)/2^L;$ 令 $F\left(x\right)={\∫}_{-\∞}^x\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{{-t}^2}\mathrm{dt},$ F^-1(x)为F(x)的反函数，在[0，1]内均匀分布的g_ij ¹(n)通过高斯分布产生器(39)生成高斯伪随机变量 $G_{\mathrm{ij}}^1\left(n\right)=F^{-1}\left(g_{\mathrm{ij}}^1\left(n\right)\right)$ (41)；经过与上面相同的过程可以从c2(p)生成G_ij ²(n)(42)；通过矩阵生成器(40)可以生成随机矩阵G0(n)，其元素 $[G_0\left(n\right){]}_{\mathrm{ij}}=G_{\mathrm{ij}}^1\left(n\right)+\sqrt{-1}{G}_{\mathrm{ij}}^2\left(n\right);$ 对G₀(n)进行奇异值分解得到G₀(n)＝B₀(n)Λ(n)V(n)，其中B₀(n)，V(n)为酉阵，Λ(n)为对角阵；B₀(n)即为伪随机波束成型矩阵(43)。

4.如权利要求3所述的多天线发送接收系统，其特征在于：设时隙长度为T，在第n个时隙里(t∈[(n-1)T，nT])，其调度模块(3)从K个用户数据缓冲区(2)中为每路信号选择最优的承载数据，经过自适应的编码调制生成M路信号(4)，设为X₀(t)＝[x₁(t)，x₂(t)，...，x_M(t)]^T，[□]^T表示转置，若第m路上承载的是用户u_m的数据，记承载矢量(5)为u(n)＝[u₁(n)，u₂(n)，...，u_M(n)]^T；同时，承载矢量u(n)、时隙序号n、以及小区标识号D₀通过额外独立的信道(11)在系统内广播。

5.如权利要求4所述的多天线发送接收系统，其特征在于：接收机利用线性最小均方误差结构。

6.如权利要求5所述的多天线发送接收系统，其特征在于：多天线接收机的子信道质量评估模块(26)，在第n个时隙内，用户k的接收机收到的系统广播信息(14)，通过广播信息解调器(22)获知本小区的标识号和当前的时隙序号(21)，并且本地时钟(25)同步上当前的时隙序号n后，在子信道质量评估模块(26)中利用与发送机中的伪随机矩阵发生器(8)相同的伪随机矩阵发生器，可以预先产生本小区在第n+1个时隙内的伪随机波束成型矩阵B₀(n+1)；用户通过额外的训练序列，信号经过信号前端(17)后，信道估计模块(18)准确获得下行信道信息H_k ⁰(n)，预测在第n+1个时隙内信道不变，即 ${\tilde{H}}_k^0(n+1)=H_k^0\left(n\right);$ 若存在较强的干扰小区信号，设用户接收机的信道估计模块(18)通过额外的训练序列也可准确获得干扰小区基站到用户的信道信息 ${\tilde{H}}_k^f(n+1),f=\mathrm{1,2},...,I,$ 其中I为强干扰小区个数，以及干扰小区标识号，进而在子信道质量评估模块(26)中利用伪随机矩阵发生器得到干扰小区在第n+1个时隙内的伪随机波束成型矩阵B_f(n+1)，f＝1，2，...，I；

可以预期在第n+1个时隙内的接收机前端输出的信号(20)为m_k×1的矢量：

$r_k\left(t\right)=J_k^0(n+1)X_0\left(t\right)+\underset{f=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{J}_k^f(n+1)X_f\left(t\right)+w\left(t\right),t\∈[\mathrm{nT},(n+1)T]$

其中 $J_k^i(n+1)={\tilde{H}}_k^i(n+1)B_i(n+1),$ w(t)为高斯热噪声矢量，定义接收机平均信噪比SNR；

接收机利用线性最小均方误差接收机结构：

$\tilde{X}\left(t\right)=A(n+1)r_k\left(t\right),t\∈[\mathrm{nT},(n+1)T]$

其中 $A(n+1)=J_k^{0H}(n+1){[J_k^0(n+1)J_k^{0H}(n+1)+\underset{f=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{J}_k^f(n+1)J_k^{\mathrm{fH}}(n+1)+\frac{M}{\mathrm{SNR}}I]}^{-1},$

[□]^H表示共轭转置；

用户k与本小区基站发送机之间的传输信道可等效为M个子信道，每个子信道的等效信号干扰噪声比为：

${\mathrm{\β}}_{k,q}(n+1)=\frac{{\left|{\left[A(n+1)J_k^0(n+1)\right]}_{\mathrm{qq}}\right|}^2}{{\mathrm{SNR}}^2\underset{p=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{\left[A(n+1)\right]}_{\mathrm{qp}}\right|}^2+\frac{1}{M}\underset{p=1,p\≠q}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{\left[A(n+1)J_k^0(n+1)\right]}_{\mathrm{qp}}\right|}^2\frac{1}{M}\underset{f=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}\underset{p=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{\left[A(n+1)J_k^f(n+1)\right]}_{\mathrm{qp}}\right|}^2}$

其中q＝1，2，...，M；

以β_k，q(n+1)指示用户k第n+1个时隙里在第q个子信道上与基站发送机的潜在通信能力；定义一个动态门限

${\mathrm{\μ}}_k(n+1)=m_{{\mathrm{\β}}_k(n+1)}+{\mathrm{\α\σ}}_{{\mathrm{\β}}_k(n+1)}$

其中 $m_{{\mathrm{\β}}_k(n+1)}=\frac{1}{w\×M}\underset{q=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=n-W}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_{k,q}\left(l\right),$ ${\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\β}}_k(n+1)}=\sqrt{\frac{1}{w\×M}\underset{q=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=n-1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\β}}_{k,q}\left(l\right)-m_{{\mathrm{\β}}_k(n+1)}{]}^2}$ 分别为用户k过去w个时隙内所有子信道信干噪比的平均值和方差，α和w为系统参数；若β_k，q(n+1)＞μ_k(n+1)，用户k在第n个时隙里将该等效子信道q的等效信干噪比的量化值汇同子信道号(16)经过上行反馈信道(13)传给基站发送机，否则不做反馈，基站发送机视该用户在该子信道上的通信能力为0。

7.如权利要求6所述的多天线发送接收系统，其特征在于：接收机的子信道质量评估子模块(26)将线性接收机矩阵A(n+1)(28)存在存储器(30)中以备第n+1个时隙内解调数据之用；在第n个时隙，用户k的接收机除了对第n+1个时隙内各个子信道质量进行评估，还需要接收第n个时隙里基站发送机发给用户k的数据；用户k通过额外的信道(11)收到系统广播信息(14)，经过广播信息解调器(22)，获得承载矢量u(n)＝[u₁(n)，u₂(n)，...，u_M(n)]^T(23)，若发现其中有u_q(n)＝k，用户的数据解调器(24)取出上一个时隙存下的线性矩阵A(n)(29)，得到：

$\hat{X}\left(t\right)=[x_1\left(t\right),x_2\left(t\right),...,x_M\left(t\right)]=A\left(n\right)r_k\left(t\right),,t\∈[(n-1)T,\mathrm{nT}]$

将第n个时隙内x_q(t)的数据收齐经过解调和解码，恢复出用户k的数据(31)。

8.如权利要求7所述的多天线发送接收系统，其特征在于：第n+1个时隙的起始，基站发送机收齐所有用户反馈的等效信干噪比后，其调度模块(3)对共享的无线信道资源进行调度，基站发送机以子信道为单位在各个用户之间调度无线资源；对子信道q选出最佳的承载信号，

$u_q(n+1)=k_q^{*}(n+1)=\underset{k=\mathrm{1,2},...,K}{\arg \max }\left\{{\mathrm{\β}}_{k,q}(n+1)\right\}$

在子信道q上，用户u_q(n+1)，按照log₂(1+β_uq(n+1)q(n+1))bps/Hz的频谱效率传送信息数据。

9.一种随机波束成型的多天线发送接收方法，小区基站具有标识号D₀和K个移动用户，发送机具有M个发送天线，与小区内的K个移动用户通信，第k个移动用户的接收机具有M个接收天线，发送机中对应每个移动用户有一路数据等待发送；其特征在于包括如下步骤：

1)发送机的伪随机矩阵发生器(8)利用小区标识号、系统时钟的时隙序号产生伪随机波束成型矩阵B₀(n)；

2)发送机的随机波束成型模块(7)在第n个时隙里将待发送的信号数据与伪随机波束成型矩阵B₀(n)相乘，得到天线上发送的信号并通过下行天线业务信道(12)发送；

3)接收机的子信道质量评估模块(26)测量本小区及干扰小区的多天线信道，结合预先知道的第n+1个时隙的伪随机波束成型矩阵，以信号干扰噪声比作为参数评估各个子信道在未来时隙内的通信潜力，将质量最优的子信道信息反馈到基站发送机，对其它子信道信息则不进行反馈；

4)接收机的数据解调模块(24)将接收到的数据解调解码，恢复出用户数据；

5)发送机的调度模块(3)在第n+1个时隙开始，调度模块根据用户接收机的子信道质量评估模块(26)反馈的子信道的通信能力逐一将各个子信道调度分配给在该子信道上具有最佳通信能力的用户使用。

10.如权利要求9所述的多天线发送接收方法，其特征在于：子信道质量评估模块(26)以信号干扰噪声比作为子信道在未来时隙内的通信潜力的度量参数。

11.如权利要求10所述的多天线发送接收方法，其特征在于：接收机利用线性最小均方误差结构。

12.一种随机波束成型的多天线发送装置，该发送装置所在的小区基站具有标识号D₀和K个移动用户，发送机具有M个发送天线，与小区内的K个移动用户通信，发送机中对应每个移动用户有一路数据等待发送；其特征在于包括：

伪随机矩阵发生器(8)，其利用小区标识号、系统时钟的时隙序号产生伪随机波束成型矩阵B₀(n)；

随机波束成型模块(7)，在第n个时隙里将待发送的信号数据与伪随机波束成型矩阵B₀(n)相乘，得到天线上发送的信号并通过下行天线业务信道(12)发送；

调度模块(3)，在第n+1个时隙开始，调度模块从上行反馈信道(13)接收用户接收机反馈的子信道信号，根据用户接收机反馈的子信道的信号干扰噪声比逐一将各个子信道调度分配给在该子信道上具有最佳通信能力的用户使用。

13.如权利要求12所述的多天线发送装置，其特征在于：调度模块(3)将待发送的用户数据经过自适应的编码调制生成M路信号(4)，若第m路上承载的是用户u_m的数据，记承载矢量(5)为u(n)＝[u₁(n)，u₂(n)，...，u_M(n)]^T；同时，承载矢量u(n)、时隙序号n、以及小区标识号D₀通过额外独立的信道(11)在系统内广播。

14.一种随机波束成型的多天线接收装置，该接收装置具有M个接收天线，其特征在于包括：

信号前端(17)，从发送机的下行天线业务信道中接收本小区及干扰小区信号；

信道估计模块(18)，根据信号前端后的信号准确获得下行信道信息；

子信道质量评估模块(26)，其中有伪随机矩阵发生器，其利用小区标识号、系统时钟的时隙序号产生第n+1个时隙的伪随机波束成型矩阵B₀(n)；子信道质量评估模块(26)根据本小区及干扰小区信号和下行信道信息，结合预先知道的第n+1个时隙的伪随机波束成型矩阵，以信号干扰噪声比作为参数评估各个子信道在未来时隙内的通信潜力，将质量最优的子信道信息反馈到基站发送机，对其它子信道信息则不进行反馈；

数据解调模块(24)，用于根据接收到的数据和子信道质量评估模块(26)的线性接收机矩阵(28)解调解码，恢复出用户数据。

15.如权利要求14所述的多天线接收装置，其特征在于：接收机利用线性最小均方误差结构。

16.一种随机波束成型的多天线发送方法，小区基站具有标识号D₀和K个移动用户，发送机具有M个发送天线，与小区内的K个移动用户通信，发送机中对应每个移动用户有一路数据等待发送；其特征在于包括如下步骤：

伪随机矩阵发生器(8)利用小区标识号、系统时钟的时隙序号产生伪随机波束成型矩阵B₀(n)；

随机波束成型模块(7)在第n个时隙里将待发送的信号数据与伪随机波束成型矩阵B₀(n)相乘，得到天线上发送的信号并通过下行天线业务信道(12)发送；

调度模块(3)在第n+1个时隙开始，调度模块从上行反馈信道(13)接收用户接收机反馈的子信道信号，根据用户接收机反馈的子信道的通信能力逐一将各个子信道调度分配给在该子信道上具有最佳通信能力的用户使用。

17.如权利要求16所述的多天线发送方法，其特征在于：以信号干扰噪声比作为子信道在未来时隙内的通信能力的参数。

18.如权利要求17所述的多天线发送方法，其特征在于：调度模块(3)将待发送的用户数据经过自适应的编码调制生成M路信号(4)，若第m路上承载的是用户u_m的数据，记承载矢量(5)为u(n)＝[u₁(n)，u₂(n)，...，u_M(n)]^T；同时，承载矢量u(n)、时隙序号n、以及小区标识号D₀通过额外独立的信道(11)在系统内广播。

19.一种随机波束成型的多天线接收方法，其中接收装置具有M个接收天线，其特征在于包括如下步骤：

信号前端(17)从发送机的下行天线业务信道中接收本小区及干扰小区信号；

信道估计模块(18)根据信号前端(17)后的信号准确获得下行信道信息；

子信道质量评估模块(26)的伪随机矩阵发生器利用小区标识号、系统时钟的时隙序号产生第n+1个时隙的伪随机波束成型矩阵；子信道质量评估模块(26)根据本小区及干扰小区信号和下行信道信息，结合预先知道的第n+1个时隙的伪随机波束成型矩阵，以信号干扰噪声比作为参数评估各个子信道在未来时隙内的通信潜力，将质量最优的子信道信息反馈到基站发送机，对其它子信道信息则不进行反馈；

数据解调模块(24)根据接收到的数据和子信道质量评估模块(26)的线性接收机矩阵(28)解调解码，恢复出用户数据。

20.如权利要求19所述的随机波束成型的多天线接收方法，其特征在于：子信道质量评估模块(26)以信号干扰噪声比作为子信道在未来时隙内的通信潜力的参数。

21.如权利要求20所述的随机波束成型的多天线接收方法，其特征在于：接收机利用线性最小均方误差结构。

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