CN100493213C - 在通信系统中处理信号的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有有限速率信道状态信息反馈的FDD多用户MIMO下行传输中具有范围缩小的期望搜索用户组选择方案。所述方法可包括通过通信信道为频分双工系统中的多个用户接收反馈信息。可基于缩小的搜索范围中单个用户的信号、或基于所述单个用户的信号和所述搜索范围剩余部分的另一个用户的至少一个其它信号，使用所述反馈信息将系统容量最大化。反馈信息可包括用户信道状态信息的量化增益和/或方向。

Description

在通信系统中处理信号的方法及系统

技术领域

本发明涉及移动通信系统，更具体地说，涉及一种具有有限速率信道状态信息反馈的FDD多用户MIMO下行传输中范围缩小的期望搜索用户组选择方案。

背景技术

移动通信已经改变了人们的通信方式，而移动电话也已经从奢侈品变成了人们日常生活中不可缺少的一部分。今天，移动设备的使用是由社会环境驱动的，而不受地域和技术的限制。虽然语音通信满足了人们交流的基本要求，且移动语音通信已进一步渗入了人们的日常生活，但移动通信发展的下一阶段是移动互联网。移动互联网和/或移动视频将成为日常信息的普通来源，理所当然应实现对这些数据的简单通用的移动式访问。

第三代(3G)蜂窝网络专门设计来满足移动设备的这些未来的需求。随着这些服务的大量出现和使用，网络容量的成本效率优化和服务质量(QoS)等因素对于网络运营商而言，将变得比现在更为重要。当然，可以通过精细的网络规划和运营、传输方法的改进以及接收机技术的提高来实现这些因素。因此，载波需要允许它们增大下行吞吐量的技术，从而提供比那些有线调制解调器和/或DSL服务提供商的竞争对手更好的QoS容量和速率。

为了满足所述需求，由于承诺在无线衰退环境中显著地增加容量，在发射器和接收器中均使用多个天线的通信系统最近引起了广泛的注意。这些多天线配置，也被称为为智能天线技术，可用于减轻信号接收时多路径和/或信号干涉的负面影响。可预见地，为满足上述系统的渐增的容量需求，将越来越多地使用智能天线技术，同时在蜂窝系统中配置基站设施和移动用户单元。从当前基于语音的服务到下一代可提供语音、视频和数据通信的无线多媒体服务，这些需求都在逐渐显现出来。

多发和/或多收天线的使用被设计为可获得分集增益，并增加自由度，以抑制在信号接收过程中产生的干扰。分集增益通过增加接收信噪比和稳定传输来改进系统性能。另一方面，更多的自由度通过提供更坚固的防信号干涉、和/或允许更高的容量以更高的频率重复使用，来允许多个同时的传输。例如，在集成多天线接收器的通信系统中，M个接收天线可用于使(M-1)个干扰影响无效。相应地，可利用N个发送天线同时在相同带宽中发送N个信号，通过接收器中使用的N个天线集，已发送信号接着可被分解为N个独立信号。使用多个发送和接收天线的系统可称为多入多出(MIMO)系统。多天线系统，尤其是MIMO系统的一个很吸引人的方面在于，使用这些传输配置可大大增加系统容量。对于固定总传输能量，MIMO配置提供的容量与增加的信噪比(SNR)成比例。例如，在多径衰落信道中，SNR每增加3-dB，MIMO配置可增加大概M个额外比特/周期的系统容量。

然而，在无线通信中尤其在无线手持机设备中，由于大小、复杂度和功耗的增加导致的成本增加，限制了多天线系统的广泛发展。这引起无线系统设计和应用的问题。因此，多天线系统的某些初始工作可集中在支持单用户点对点链接的系统上。最近，已专注于将多天线技术应用于多用户环境中，以改善吞吐量。在基站采用多天线的多用户通信系统可显著地增加下行系统容量。如果信道状态信息(CSI)可用，通过在发射器端使用预编码同时与多个用户通信而改善容量。如果用户数量K接近无穷，迫零线性预编码器可达到理论上的系统总和容量。然而，实现用户数量接近无穷的系统是不可行的。

比较本发明后续将要结合附图介绍的系统，现有技术的其它局限性和弊端对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。

发明内容

本发明提供了一种具有有限速率信道状态信息反馈的FDD多用户MIMO下行传输中范围缩小的期望搜索用户组选择方案。如结合至少一幅所述，在权利要求中有更完整地说明。

根据本发明的一个方面，提供一种在通信系统中处理信号的方法，所述方法包括：

通过通信信道为频分双工系统中的多个用户接收反馈信息；以及

基于缩小的搜索范围中单个用户的信号、或基于所述单个用户的信号和所述搜索范围剩余部分的另一个用户的至少一个其它信号，使用所述反馈信息将系统容量最大化。

优选地，所述反馈信息包括所述多个信号的量化增益。

优选地，所述方法进一步包括请求所述缩小的搜索范围内用户的量化信道信息。

优选地，所述请求的量化信道信息包括所述缩小的搜索范围内用户的量化的信道方向。

优选地，所述方法进一步包括接收所述缩小的搜索范围内用户的量化信道方向。

优选地，所述方法进一步包括：

从所述缩小的搜索范围内的多个用户中选择第一用户，该第一用户对应的信道增益大于所述缩小的搜索范围内所述多个用户的剩余部分对应的信道增益；以及

基于所述选择的第一用户将所述系统容量最大化。

优选地，所述方法进一步包括基于与所述已选择第一用户对应的信道增益将系统容量最大化。

优选地，所述方法进一步包括选择与所述最大化系统容量相关的一对接收器。

优选地，所述方法进一步包括计算所述缩小的搜索范围内的信号初始数。

优选地，所述方法进一步包括动态地计算所述缩小的搜索范围内的信号数。

根据本发明的一个方面，提供一种在通信系统中处理信号的系统，所述系统包括：

通过通信信道为频分双工系统中的多个用户接收反馈信息的电路；以及，

所述电路基于缩小的搜索范围中单个用户的信号、或基于所述单个用户的信号和所述搜索范围剩余部分的另一个用户的至少一个其它信号，使用所述反馈信息将系统容量最大化。

优选地，所述反馈信息包括所述多个用户的量化增益。

优选地，所述电路请求所述缩小的搜索范围内用户的量化信道信息。

优选地，所述请求的量化信道信息包括所述缩小的搜索范围内用户的量化信道方向。

优选地，所述电路接收所述缩小的搜索范围内所述用户的量化信道方向。

优选地：

所述电路从所述缩小的搜索范围内的多个用户中选择第一用户，该第一用户对应的信道增益大于所述缩小的搜索范围内所述多个用户的剩余部分对应的信道增益；以及

所述电路基于所述选择的第一用户将所述系统容量最大化。

优选地，所述电路基于与所述已选择第一用户对应的所述信道增益将系统容量最大化。

优选地，所述电路选择与所述最大化系统容量相关的一对接收器。

优选地，所述电路计算所述缩小的搜索范围内的信号初始数。

优选地，所述电路动态地计算所述缩小的搜索范围内的信号数。

本发明的各种优点、各个方面和创新特征，以及其中所示例的实施例的细节，将在以下的说明书和附图中进行详细介绍。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1A是本发明具有线性预编码的多用户多输入多输出(MIMO)下行传输系统的高阶框图；

图1B是本发明图1A中基站和接收器之间通信的示意图；

图2是本发明多用户MIMO下行传输中用户选择范围缩小方案的方法的步骤流程图；

图3A是本发明基站进行用户组选择的步骤流程图；

图3B是本发明基站进行用户组选择的步骤310的细节的流程图；

图4是本发明以总和速率形式展示下行传输方案的图；

图5是本发明以误比特率形式展示下行传输方案的图。

具体实施方式

本发明提供了一种具有有限速率信道状态信息反馈的FDD多用户MIMO下行传输中范围缩小的期望搜索用户组选择的方法和系统。所述方法的各个方面包括通过通信信道为频分双工系统中的多个用户接收反馈信息。基于缩小的搜索范围中单个用户的信号、或基于所述单个用户的信号和所述搜索范围剩余部分的另一个用户的至少一个其它信号，使用所述反馈信息将系统容量最大化。反馈信息可包括用户信道状态信息的量化增益和/或方向。本说明书中使用的术语“用户”可以是移动通信设备。

美国专利申请号：_______(代理所代号17026US01)，申请日2005年9月21日，提供了一种具有有限速率信道状态信息反馈的FDD多用户MIMO下行传输的范围缩小的双搜索用户组选择方案的方法和系统。在这点上，该申请提供了一种将系统容量最大化的范围缩小的双搜索用户组选择。本申请描述了使用范围缩小的期望搜索用户组选择将系统容量最大化。期望搜索用户组选择方案的实施例在“Optimality of zero-forcing beamforming with multiuserdiversity”中进行了描述，作者T.Yoo和A.J.Goldsmith，2005年IEEE国际通信会议，首尔，韩国，2005年5月，第542-546页。其相关部分在本说明书中作参考。期望搜索通常指从用户组中选择具有最强信号增益的用户。

图1A是是本发明具有线性预编码的多用户多输入多输出(MIMO)下行传输系统的高阶框图。参照图1A，展示了通信系统100，可包括基站102a和多个用户102b，…，102c。在通信系统100，基站102a可配备M个天线，并且K个用户102b，…，102c的每个可具有一个天线。在这个实施例中，用户或接收器天线的总数可等于或多于基站天线的数量，就是说，K>M。

基站102a可包括多个信道编码器104a，…，104b、范围缩小算法模块106、用户调度器108a、多个调制器(MOD)110a，…，112a、功率控制模块114a、波束成形或线性与编码模块116a、处理器144和存储器146。多个用户102b，…，102c的每个可包括多个解调器(DEM)118a，…，128a之一、多个信道解码器120a，…，130a之一、多个信道估测器122a，…，132a之一、多个反馈控制器124a，…，134a之一、以及多个信道量化器126a，…，136a之一。

信道编码器104a，…，104b可包括恰当的逻辑、电路和/或编码，可对通信系统中K个用户的每一个的二进制数据编码。范围缩小算法模块106可包括恰当的逻辑、电路和/或编码，可将搜索范围缩小，具有最大信道增益的一组信号位于该搜索范围内。波束成形或线性预编码模块116a可包括恰当的逻辑、电路和/或编码，可处理用户数据符号，以分离不同用户的信号，以此，每个用户接收来自其它用户的很少的干扰或不接收任何干扰。由于基站102a配备M个天线，波束成形或线性预编码模块116a可分离至少M个不同的信号，就是说，基站102a可同时传输至最多M个用户。因此，对于每个信道实现，基站102a需要在所有的K个用户中选择M或小于M个用户进行传输。

用户调度器108a可包括恰当的逻辑、电路和/或编码，可找到优化例如系统的总和吞吐量之类的特定性能标准的最佳用户组。在这点上，用户调度器108a可执行期望搜索用户组选择算法的步骤，以找到最佳用户组。用户调度器108a可基于第一用户确定第一最大系统容量，并基于第二用户确定第二最大系统容量。用户调度器108a也可选择第一最大系统容量和第二最大系统容量中的最大者作为通信系统100所支持的最大系统容量。在这点上，当M＝2的情况下，用户调度器108a可选择包括与已选择最大系统容量的相关的一对用户的用户组。

调制器110a，…，112a可包括恰当的逻辑、电路和/或编码，可调制用户调度器108a选择的每个用户的二进制数据。在这点上，对二进制数据的调制操作可产生多个复数符号。功率控制模块114a可包括恰当的逻辑、电路和/或编码，可根据各自的信道质量对不同的用户分配不同的功率级别。用户调度器108a、功率控制模块114a和/或波束成形或线性预编码模块116可要求下行信道的状态信息。

处理器144可包括恰当的逻辑、电路和/或编码，可处理与基站102a处产生传输信号相关的信息和/或数据。处理器144也可控制基站102a的至少一部分操作。例如，处理器144可确定是否将移动用户转交给另一个基站。存储器146可包括恰当的逻辑、电路和/或编码，可存储数据和/或控制信息，该数据和/或控制信息用于至少一部分基站102a的操作。

用户102b，…，102c的解调器118a，…，128a可包括恰当的逻辑、电路和/或编码，可解调从基站102a接收的信号。信道解码器120a，…，130a可包括恰当的逻辑、电路和/或编码，可将来自解调器118a，…，128a的解调信号解码为二进制比特流。信道估测器122a，…，132a可包括恰当的逻辑、电路和/或编码，可产生由基站102a传输的信号的信道估测。信道量化器126a，…，136a可包括恰当的逻辑、电路和/或编码，可将来自信道估测器122a，…，132a的信道估测量化为离散值。所带来的影响是将信道估测四舍五入为少量的量化值。反馈控制器124a，…，134a可包括恰当的逻辑、电路和/或编码，可用来生成从信道估测器122a，…，132a的信道估测和来自信道量化器126a，…，136a的量化信道估测至基站102a的反馈信号。

图1B是本发明图1A中基站和接收器之间通信的示意图。展示了基站170、第一用户(用户1)160、以及第二用户(用户2)162。基站170可包括天线172、174、176和178。基站170的操作可与图1A中描述的基站102a的操作完全类似。第一用户160和第二用户162的操作完全类似于图1A中用户102b，…，102c的操作。在这点上，第一用户160和第二用户162均具有单个天线。

在这个例子中，基站170可传输信号161b和163b，第一用户160可传输反馈信号161a，第二用户162可传输反馈信号163a。信号161b可由第一用户160接收。

如果基站170配备M个天线，并且K个用户均配备了单个天线，所述信号模型可表示为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\γ}}_1\\ {\mathrm{\γ}}_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\γ}}_K\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{h}_1\\ h_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ h_K\end{array}\right]x+n$

其中γ_K(k＝1，...，K)是用户k接收的信号，

是用户K的信道向量，

是基站170传输的符号向量，以及，

是具有零均值和单位变量的附加白高斯噪音(AWGN)。传输符号可满足特定的功率约束，例如，E[X^HX]其中(·)^H表示复数共轭转置阵。

在这个分析中，h_k的每个元素可以是具有单位方差的零均值循环对称复数高斯(ZMCSCG)随机变量。此外，用户可承受独立的衰减，因此信道向量

在统计上可相互独立。信道状态信息(CSI)，h_k可对用户k已知，但对其它用户非已知。基站170可有所有用户的CSI信息。这可发生在频分双工(FDD)系统，其中CSI反馈可由基站170从用户接收。

在蜂窝多用户通信系统中，在基站处采用多天线可增加下行系统容量。所述方法可用于任何多用户MIMO系统，如CDMA2000、WCDMA和无线LAN(WLAN)。如果信道状态信息可用，可通过发射器端或基站预编码同时与多个用户来改善容量。在这点上，发射器或基站可以指用来与多个其它设备、用户和/或接收器通信的任何设备或器件。此外，用户或接收器指的是可与基站和/或其它设备通信的用户设备和/或器件。脏纸编码(DPC)可用作达到总和容量的预编码方案，然而，因为其复杂性，是很难实现的。也可能有其它次优化但相当低复杂性的多用户MIMO下行传输方案，例如，线性预编码、汤林森-何洛绪玛预编码和向量编码。

最近，如果组合无限阶多用户分集，就是说，如果用户数量K接近无限，迫零(ZF)线性预编码器可达到总和的容量。此外，尽管用户数量有限，例如K＝10，ZF预编码器仍可提供接近优化的性能。

迫零预编码器可以是特定类型的线性预编码器。如果基站例如图1A中的基站102a决定传输至一组用户 $D\⊆\{1,...,K\},$ 其中d＝|D|≤K，在从基站传输前，线性预编码方案线性加权数据符号，s＝[s_l，...，s_d]^T，

x＝FPs                                    (2)

其中x是等式1中的传输信号向量，F＝[f₁，...，f_d]是量化列(‖f_k‖＝1)的M×d线性预编码矩阵，P＝diag{p₁，...，P_d}是将传输功率分配至不同用户的功率控制矩阵，其中 ${\mathrm{\Σ}}_{i=1}^d{P}_i\≤P.$ 数据符号s可对应多个调制器110a…，112a产生的数据符号u₁…u_M。线性预编码矩阵F的元素可表示预编码器116a使用的多个加权系数。对角阵P的非零元素可表示功率控制模块114a使用的多个缩放因子p1…pM。所述接收的信号如下面的表达式：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\γ}}_1\\ {\mathrm{\γ}}_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\γ}}_d\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{h}_1\\ h_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ h_d\end{array}\right]\mathrm{FPs}+n---\left(3\right)$

如果H_D可具有行满秩，根据下面的等式，迫零预编码器可将总体信道矩阵 $H_D={(h_1^T,...,h_d^T)}^T$ 的伪逆矩阵用作加权矩阵：

其中

是W_D的列。通过定义

${\mathrm{\ξ}}_i\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\frac{1}{w_i}---\left(6\right)$

并将等式(5)代入等式(3)，具有迫零预编码的每个用户接收的信号可以表示为，

γ_i＝ξ_iP_is_i+n_i   $\∀i\∈D$                 (7)

在这点上，多用户下行信道可变成一组平行的信道。给定用户组D的最大总和速率可由下面的等式定义：

$C_D=\underset{i\∈D}{\mathrm{\Σ}}\log (1+{\mathrm{\ξ}}_i{P}_i)---\left(8\right)$

其中优化P_i由灌水方案给定，

$P_i={(\mathrm{\μ}-\frac{1}{{\mathrm{\ξ}}_i})}^{+}---\left(9\right)$

水位μ选择来满足 ${\mathrm{\Σ}}_{i\∈D}{(\mathrm{\μ}-\frac{1}{{\mathrm{\ξ}}_i})}^{+}=P.$ 可通过搜索所有可能的用户组获得给定信道实现的最大可达到的总和速率，即，

$C=\underset{D\⊆\{1,...,K\},\left|D\right|\≤M}{\max }{C}_D---\left(10\right)$

ZF预编码的优化或最佳用户组选择可要求搜索所有 ${\mathrm{\Σ}}_{i=1}^M\left(\begin{array}{c}K\\ i\end{array}\right)$ 个候选用户组以找到最大总和速率的那一个，这产生相当高的运算成本。此外，在FDD系统中，发射器需要的用于执行优化用户组搜索的所有信道状态信息可通过反馈链接，例如，反馈链接142a从用户获得。因为优化搜索要求来自每个用户的CSI，并且每个用户的信道是维数为M的复数向量，即每个用户2M个实数，为了获得所述信息，反馈连接142a承受沉重的负担。因为反馈链接142a具有非常有限的容量，这可能是非常麻烦的。更简单和要求更少反馈信息的用户组选择方案在具有多传输天线的多用户通信系统中是非常有用的。

图2是本发明多用户MIMO下行传输中用户选择范围缩小方案的方法的步骤流程图。参照图2，在步骤200中，可推导出信道状态信息(CSI)，步骤210包括优化用户搜索，步骤220可包括在用户指数中计算累积分布函数(CDF)，步骤230可包括计算缩小的搜索范围。

在步骤200中，可基于T个独立信道实现推导出CSI，例如：

$\begin{array}{cc}{\left\{h_k\left(t\right)\right\}}_{k=1}^K,& t=1,...,T\end{array}---\left(11\right)$

CSI可包括信道增益或信号增益信息。对于每个信道实现，可按照基于K个用户的每一个所对应的信道增益值的顺序，将全组K个用户中的用户存储并编号。例如，与具有较小对应信道增益值的用户指数相比，具有较大对应信道增益值的用户的指数可位于较高指数的分类表中，如下面的表达式：

γ₁(t)≥γ₂(t)≥...≥γ_K(t)，t＝1，...，T               (12)

其中

${\mathrm{\γ}}_k\left(t\right)\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{\left|\right|h_k\left(t\right)\left|\right|}^2---\left(13\right)$

可通过离线信道探测或在线信道估测执行信道测量。在FDD系统中，下行CSI可由用户102b，…，102c估测，并随后通过专用反馈链接142a传输至基站102a。

在步骤210，对于等式(11)的每个信道实现，可根据等式(8)和(10)确定优化用户组，如下面的等式：

$\begin{array}{cc}{D}_{\mathrm{opt}}\left(t\right)=\arg \underset{D\⊆\{1,...,K\},\left|D\right|\≤M}{\max }{C}_D\left(t\right),& t=1,...,T\end{array}---\left(14\right)$

其中

$C_D\left(t\right)=\underset{i\∈D}{\mathrm{\Σ}}\log (1+{\mathrm{\ξ}}_i\left(t\right)P_i\left(t\right))---\left(15\right)$

其中ξ_i(t)和P_i(t)分别如等式(6)和(9)定义的。D_opt(t)可表示为行向量，该行向量包含与信道实现t的优化组中包含的用户102b，…，102c相对应的指数。通过将优化用户的指数表示为随机变量X，下面的表达式中的向量可包含随机变量X的采样：

$D_{\mathrm{opt}}\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}[D_{\mathrm{opt}}\left(1\right),D_{\mathrm{opt}}\left(2\right),...,D_{\mathrm{opt}}\left(T\right)]---\left(16\right)$

在步骤220中，可基于在步骤210中根据等式(16)确定的优化用户指数向量X的采样，生成X的累积分布函数(CDF)

的估测。

在步骤230中，选择阈值δ_th∈(0，1]。缩小的搜索范围可由下面的等式关系确定：

$L={\hat{F}}^{-1}\left({\mathrm{\δ}}_{\mathrm{th}}\right)---\left(17\right)$

其中

是

的逆函数，例如：

$X={\hat{F}}^{-1}\left(\hat{F}\left(X\right)\right)$

阈值可以是对在K个用户范围内被评估的信道实现包括L个用户子集的可能性的测量。

在本发明的各个实施例中，可通过以包括优化用户指数X的随机变量的形式对

列表、以及搜索与δ_th对应的X值，来实现等式(17)。阈值δ_th可测量总和速率的统计学可能性，并接近在全部K个用户中计算的优化性能，其中所述统计学可能性是在缩小搜索范围内的L个用户子集中计算的。

虽然本发明的实施例展示了搜索范围缩小方案以及一种使用简单迫零预编码器的系统，但本发明不限于此。本发明的各个实施例也可用于其它更复杂的编码器，例如，最小均方根误差(MMSE)预编码器、汤林森-何洛绪玛预编码器(THP)或球编码预编码器。

美国专利申请号______(代理所代号17024US01)提供了在图2中的流程图中部分描述的用户组选择的范围缩小算法的详细描述，在此引用全文作为参考。

本发明的一个实施例在具有从用户至基站的有限速率反馈的FDD多用户MIMO下行信道环境中、使用范围缩小的期望搜索用户组选择算法。为了维持非常低的计算复杂性，本发明的各种实施例也要求非常低的CSI反馈速率，例如，与几个比特类似。用户选择算法可组合可由用户调度器108a使用期望搜索用户组选择算法、以及确定缩小/更小的用户范围的范围缩小算法，在所述缩小/更小的用户范围中，调度器搜索最佳用户组。用户调度器108a、功率控制器114a和线性预编码器116a可要求下行信道状态信息。在频分双工(FDD)系统中，基站需要通过有限速率反馈链接获得下行信道状态信息，例如，通过反馈链接142a从用户102b，...，102c获得下行信道状态信息。每个用户可估测自有信道并根据反馈速率约束来量化该信道。然后每个用户的反馈控制器124a或134a可决定对基站102a的请求反馈何种信息。

需要注意的是，在3G蜂窝通信标准中可采用两个天线，例如WCDMA和CDMA2000，使用的天线数量可以是2(M＝2)。然而，所述算法可简便地扩展至任何M值。

图3A是本发明用户组选择的步骤流程图。参照图3a，在步骤302，范围缩小算法可被应用以找到缩小的用户搜索范围L。因此，必须搜索L个最强用户以找到需要的用户组。因为已经结合图2中进行详细描述，确定缩小的用户搜索范围L的步骤将不进行详细描述。本发明的实施例可将离线计算的用户范围用作初始值，同时使用在线信道测量实时更新L。

可假设用户提供理想信道状态信息至接收器(CSIR)，因此多输入单输出(MISO)信道脉冲响应

(M＝2)可对每个用户完全已知。在步骤304中，通过每信道更新量化解析度为Bg比特的有限速率标量量化器，每个用户可量化其自有信道增益(或信道功率)γ_k＝‖h_k‖²。所述量化信道增益

或相等的量化指数可通过约束速率的或很低比特速率的反馈链接142a传递回基站102a。信道增益量化器可被优化以匹配发射器端使用的预编码器，例如迫零预编码器。例如容量和误比特率之类的特定性能尺度以及信道统计分布可被考虑以改进系统性能。

在步骤306中，基于反馈信息

所有用户可以其信道增益的形式被分类和编号，

${\widehat{\mathrm{\γ}}}_i\≥{\widehat{\mathrm{\γ}}}_2\≥...\≥{\widehat{\mathrm{\γ}}}_K---\left(19\right)$

进一步基于从步骤302获得的范围[1，L]，基站102a可请求第一L个最强用户以反馈其信道方向v_i＝h_i/‖h_i‖。

在步骤308，基于来自基站102a的请求，对于1≤i≤L，第i个用户可通过具有内部积量化标准的向量量化器量化其自有信道方向。方向向量v_i因此可被量化为

每信道更新的量化解析度为B_v比特。可使用反馈链接142a将量化向量

或量化指数反馈回基站102a。

在步骤310，可基于具有最大即时总和容量的用户对[idx₁，idx₂]的反馈信道信息

以及

搜索第一L个最强用户。结合图3B对步骤310进行详细描述。

在步骤312，基于步骤310的搜索处理结果，可获得优化用户对指数[idx₁，idx₂]。获得的指数有两种情况。第一种情况，如果idx₁和idx₂都是1和K之间的有效指数，那么基站102a使用空间双工同时与用户idx₁和用户idx₂通信。可使用下面的表达式生成发射器预编码矩阵F：

$F=\left[\begin{array}{cc}{\hat{v}}_{\mathrm{idx}2}^{\⊥H}& {\hat{v}}_{\mathrm{idx}1}^{\⊥H}\end{array}\right]/\sqrt{2}---\left(20\right)$

可与等式(5)的形式相同。

第二种情况，如果idx₂等于0，表示仅传输至最强的用户，例如，idx₁的用户可提供比使用空间双工更好的总和容量。在这种情况下，预编码矩阵F可以是

$F={\hat{v}}_{\mathrm{idx}1}^H---\left(21\right)$

图3B是本发明的图3A中用于用户组选择的一个步骤的流程图。参照图3B，展示了图3A的步骤310的更详细的描述，包括步骤310a、310b、310c、310d和310e。步骤310可描述期望搜索用户组选择。在本发明的一个实施例中，步骤310可使用循环以获得优化用户对。在步骤310a中，最大系统容量C_max可被初始化为C_max＝C(1)，这与基站102a仅传输至最强用户的情况相对应，如下面的等式：

$C_{\max }=C\left(1\right)={\log }_2(1+\mathrm{\ρ}\·{\widehat{\mathrm{\γ}}}_1)---\left(22\right)$

优化用户指数可被初始化为[idx₁，idx₂]＝[1，0]，idx₂＝0表示没有第二用户。计数变量k设为1。

循环可起始于步骤310b，并包括步骤310c、310d和310e。在步骤310b，系统最大总和容量C_max，C(1，k)可由下面的等式给定：

$\begin{array}{cc}C(1,k)={\log }_2(1+\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}\·{\widehat{\mathrm{\γ}}}_1\·{\mathrm{\α}}_{1,k})+{\log }_2(1+\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}\·{\widehat{\mathrm{\γ}}}_K\·{\mathrm{\α}}_{1,k})& k=2,...,L\end{array}---\left(23\right)$

其中ρ可以是系统的平均SNR，α_1，k可以是描述

和

之间直交关系的参数，

${\mathrm{\α}}_{1,k}=1-{|\⟨{\hat{v}}_1,{\hat{v}}_k\⟩|}^2---\left(24\right)$

如果系统容量C(1，k)大于当前最大容量C_max，进入步骤310c。否则，进入步骤310d。在这点上，当传输至由[idx₁，idx₂]＝[1，0]表示的一个用户或[idx₁，idx₂]＝[1，k]表示的两个用户时，系统最大总和容量C_max对应系统的传输数据速率。

在步骤310c，C_max可使用C(1，k)更新，优化用户指数[idx₁，idx₂]可由[1，k]更新。在步骤310d，计数变量k与L比较。如果技术变量k大于L，进入步骤312，否则进入步骤310e。在步骤310e，计数变量k递增1，下一步为步骤310b。

循环包括步骤310b、310c、310d和310e，循环可检查所有可能的用户对[1，k]，k＝2，…，L、以及在搜索算法最后的可产生最大系统总和容量的优化用户对指数[idx₁，idx₂]。

图4是本发明以总和速率形式展示的下行传输方案的图。参照图4，展示了数字仿真的结果，该结果与具有单个基站和K＝100个用户的蜂窝系统的总和速率对应。例如，基站可配备M＝2个天线，每个用户可配备单个天线。信道是平雷利衰减信道。基站的发射天线可分开以承受独立的衰减。调制格式可以是例如四相相移键控(QPSK)。

图4可产生3种结果。第一种结果是信号402和100个用户的用户组，信号402可对应具有发射器端理想CSI的强力选择的速率总和。第二种结果是信号404以及10个最强用户的缩小的搜索范围(L＝10)，信号404对应分配给信道增益反馈3比特(B_g＝3)、分配给信道方向反馈6比特(B_v＝6)的期望搜索用户组选择算法的速率总和。第三种结果是信号406以及5个最强用户的缩小的搜索范围(L＝5)，信号406对应分配给信道增益反馈3比特(B_g＝3)、分配给信道方向反馈6比特(B_v＝6)的期望搜索用户组选择算法的速率总和。

图5是本发明以误比特率形式展示下行传输方案的图。参照图5，展示了数字仿真的结果，该结果与具有单个基站和K＝100个用户的蜂窝系统的总和速率对应。例如，基站可配备M＝2个天线，每个用户可配备单个天线。信道是平雷利衰减信道。基站的发射天线可分开以承受独立的衰减。调制格式可以是例如四相相移键控(QPSK)。

图5可产生3种结果。第一种结果是信号502和100个用户的用户组，信号502可对应具有发射器端理想CSI(CSIT)的强力选择的BER。第二种结果是信号504以及10个最强用户的缩小的搜索范围(L＝10)，信号504对应分配给信道增益反馈3比特(B_g＝3)、分配给信道方向反馈6比特(B_v＝6)的期望搜索用户组选择算法的BER。第三种结果是信号506以及5个最强用户的缩小的搜索范围(L＝5)，信号506对应分配给信道增益反馈3比特(B_g＝3)、分配给信道方向反馈6比特(B_v＝6)的期望搜索用户组选择算法的BER。

图4和图5表示，具有缩小的搜索范围L＝10或L＝5的期望搜索用户组选择算法可提供与全搜索范围L＝100的优化强力搜索方案的非常近似的容量和/或BER性能。然而，强力搜索算法需要在

个用户组中搜索，M＝2，而期望搜索用户组选择算法具有L-1个用户组。这在下面的表1中进行总结。因此用户选择技术能够达到接近优化的性能，同时显著地缩小基站102a的计算负担。

此外，在频分双工(FDD)系统中，基站102a必须通过反馈链接142a从用户102b，…，102c获得CSI，反馈量被降低，因为基站102a仅需要L个最强用户的所有信息而不是K个用户的信息。如果对于每个用户的信道hk，Bg比特用于量化其增益‖h_k‖²、B_v比特用于量化其方向

反馈的总量可以给定为：

B＝K·B_g+L·B_v                                    (25)

此外，在实际系统中B_v远远大于B_g。因此，缩小L可显著地节省基站102a需要的反馈量。表1给出了当B_g＝2比特、B_v＝6比特时各种L的值的反馈量的总结。

 

选择方案M＝2，K＝100，B<sub>g</sub>＝2比特，B<sub>v</sub>＝6比特	强力L＝100	期望搜索L＝10	期望搜索L＝5
				候选用户组数量	5050	9	4
反馈量B(比特)	800	260	230

表1

本发明的一个实施例可包括通过通信信道为频分双工系统中多个用户接收反馈信息。可基于缩小的搜索范围内的单个用户的信号或基于单个用户的信号和剩余部分的搜索范围内的另一个用户的至少一个其他信号、使用反馈信息将系统容量最大化。反馈信息可包括用户的信道状态信息的量化增益和/或方向。

搜索范围的缩小可由范围缩小算法模块106执行。范围缩小算法模块106可计算缩小的用户搜索范围L。本发明的实施例可将离线计算的用户范围用作初始值，同时使用在线信道测量动态地实时更新L。信号组可由用户102b，…，102c传输。反馈信息可包括信号的量化增益，并可通过反馈链接142a从接收用户设备反馈。量化信道信息包括量化信道方向，可由缩小的搜索范围内的用户请求，并且量化信道方向可被接收。

期望搜索用户组选择被执行以确定可用于最大化系统容量的至少一个用户。系统容量最大化可包括确定第二用户。因此，最大化系统容量可与第一用户相关，或与第一和第二用户相关。可结合图3B描述期望搜索用户组选择。对于期望搜索用户组选择，可由用户调度器108a选择第一用户，调度器108a对应的信道增益大于缩小的搜索范围内其它用户的信道增益。用户调度器108a可基于第一和/或第二用户的信道状态信息将系统容量最大化。由用户调度器108a选择与最大化系统容量相关的第一对接收器。基站102a的下行传输可传输数据至所选择的接收器。

因此，本发明可以通过硬件、软件，或者软、硬件结合来实现。本发明可以在至少一个计算机系统中以集中方式实现，或者由分布在几个互连的计算机系统中的不同部分以分散方式实现。任何可以实现所述方法的计算机系统或其它设备都是可适用的。常用软硬件的结合可以是安装有计算机程序的通用计算机系统，通过安装和执行所述程序控制计算机系统，使其按所述方法运行。

本发明还可以通过计算机程序产品进行实施，所述程序包含能够实现本发明方法的全部特征，当其安装到计算机系统中时，通过运行，可以实现本发明的方法。本文件中的计算机程序所指的是：可以采用任何程序语言、代码或符号编写的一组指令的任何表达式，该指令组使系统具有信息处理能力，以直接实现特定功能，或在进行下述一个或两个步骤之后，a)转换成其它语言、编码或符号；b)以不同的格式再现，实现特定功能。

虽然本发明是通过几个具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或具体情况，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (10)

1、一种在通信系统中处理信号的方法，其特征在于，包括：

通过通信信道为频分双工系统中的多个用户接收反馈信息；

推导信道状态信息，搜索优化用户，在用户指数中计算累积分布函数，根据累积分布函数计算缩小的搜索范围；以及

基于缩小的搜索范围中单个用户的信号、或基于所述单个用户的信号和所述搜索范围剩余部分的另一个用户的至少一个其它信号，使用所述反馈信息将系统容量最大化。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反馈信息包括所述多个信号的量化增益。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，进一步包括请求所述缩小的搜索范围内用户的量化信道信息。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述请求的量化信道信息包括所述缩小的搜索范围内的所述用户的量化信道方向。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括接收所述缩小的搜索范围内的所述用户的量化信道方向。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括：

从所述缩小的搜索范围内的多个用户中选择第一用户，该第一用户对应的信道增益大于所述缩小的搜索范围内所述多个用户的剩余部分对应的信道增益；以及

基于所述选择的第一用户将所述系统容量最大化。

7、一种在通信系统中处理信号的系统，其特征在于，包括：

通过通信信道为频分双工系统中的多个用户接收反馈信息的电路；

所述电路推导信道状态信息，搜索优化用户，在用户指数中计算累积分布函数，根据累积分布函数计算缩小的搜索范围；以及，

所述电路基于缩小的搜索范围中单个用户的信号、或基于所述单个用户的信号和所述搜索范围剩余部分的另一个用户的至少一个其它信号，使用所述反馈信息将系统容量最大化。

8、根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述反馈信息包括所述多个用户的量化增益。

9、根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述电路请求所述缩小的搜索范围内用户的量化信道信息。

10、根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述请求的量化信道信息包括所述缩小的搜索范围内用户的量化信道方向。

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