CN101102136B - 一种宽带随机波束的形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带随机波束的形成方法，该方法包括以下步骤：A、产生具有N个酉阵的集合Q，并根据用户对子载波的信号干扰噪声比(SINR)的反馈，确定所述集合Q中每个酉阵的累加速率和，其中N为至少为1的自然数；B、确定所述集合Q中具有最大累加速率和的酉阵Q_i ^*，并且确定一个随机产生的新酉阵Q_rand的累加速率和；C、将Q_i ^*的累加速率和与所述随机产生的新酉阵Q_rand的累加速率和进行比较，选择其中较大者作为波束形成矩阵来，并利用所述波束形成矩阵形成波束。应用本发明以后，针对宽带系统，能在用户数较少的情况下接近容量限。另外，本发明中还对子载波进行分簇反馈，从而进一步减少了反馈量。

Description

一种宽带随机波束的形成方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，更具体地说，本发明涉及一种宽带随机波束的形成方法。

背景技术

多输入多输出(MIMO)系统可以极大地提高系统容量，成为现在研究的热点。众所周知，当收发端的信道状态信息(channel state information，CSI)理想可知时，可以采用多种技术达到容量限。不过，由于CSI的反馈开销非常大，因此其不具有实用性。这些技术都是点对点的通信链路，与此相对，最近的研究热点集中在多天线在多用户网络环境中的应用，特别是对广播信道和多址情况的研究。

MIMO广播的容量域可以由污纸预编码(DPC)到达，但是DPC需要知道CSI，并且其复杂性严重限制了它的实际应用。如果采用随机波束形成，用户只需反馈信号干扰噪声比(SINR)，因此可以极大地降低反馈量，对CSI的需要也低得多。当用户数很大时，随机波束形成的容量可以趋近于具有理想CSI的发射方案的容量。

目前，现有技术中有一种基于记忆的随机波束形成方法(memory-basedopportunistic beamforming，MOB)。在慢变信道的环境中，该方法可以在用户数较少的情况下就趋近于容量限。然而，由于这种基于记忆的随机波束形成方法的基本假设是频率平坦衰落信道，因此它仅针对单载波窄带系统由于多径宽带信道存在有频率选择性衰落，因此现有技术中的这种随机波束形成方法并不适用于宽带系统。

另外，现有技术中还有一种采用多波束、每次服务多个用户随机波束形成的技术，并且这种技术能够扩展到宽带情况。然而，这种技术在用户数很大时才能趋近于最优容量限，而当用户数较少时，系统的速度和容量同理想情况下仍有很大的差距。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的是提出一种宽带随机波束的形成方法，以在用户数较少的情况下接近容量限。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种宽带随机波束的形成方法，该方法包括以下步骤：

A、产生具有N个酉阵的集合Q，并根据用户对子载波的信号干扰噪声比(SINR)的反馈，确定所述集合Q中每个酉阵的累加速率和，其中N为至少为1的自然数；

B、确定所述集合Q中具有最大累加速率和的酉阵Q_i ^*，并且确定一个随机产生的新酉阵Q_rand的累加速率和；

C、将Q_i ^*的累加速率和与所述随机产生的新酉阵Q_rand的累加速率和进行比较，选择其中较大者作为波束形成矩阵，并利用所述波束形成矩阵形成波束。

该方法进一步包括：在步骤C中，如果所述随机产生的新酉阵Q_rand的累加速率和大于集合Q中具有最小累加速率和的酉阵Q_i，min，则在所述集合Q中用Q_rand替代Q_i，min。

所述集合Q中的每个酉阵，由随机选择N_t个已知的用户方向向量而组合形成，其中N_t为发射天线数。

所述随机产生的新酉阵，由随机选择N_t个已知的用户方向向量而组合形成，其中N_t为发射天线数。

步骤A所述反馈子载波的SINR具体包括：

A11、对子载波进行分簇；

A12、用户反馈每簇内中央子载波的SINR。

集合Q中的所有酉阵都满足等方分布，并且所述随机产生的新酉阵也满足等方分布。

该方法进一步预先设定子载波的SINR门限值，步骤A所述反馈子载波的SINR包括：用户反馈大于所述SINR门限值的SINR。

该方法进一步包括预先设定子载波的SINR门限值的步骤，

步骤A12所述用户反馈每簇内中央子载波的SINR为：用户反馈每簇内大于所述SINR门限值的中央子载波SINR。

优选地，所述N的取值范围为2≤N≤10。

更加优选地，所述N的取值范围为2≤N≤5。

从上述技术方案中可以看出，在本发明中，首先产生具有N个酉阵的集合Q，并根据用户对子载波的SINR的反馈，确定所述集合Q中每个酉阵的累加速率和，其中N为至少为1的自然数；然后确定所述集合Q中具有最大累加速率和的酉阵Q_i ^*，并且再确定一个随机产生的新酉阵Q_rand的累加速率和；最后将Q_i ^*的累加速率和与所述随机产生的新酉阵Q_rand的累加速率和进行比较，选择其中较大者作为波束形成矩阵，并利用所述波束形成矩阵来形成波束。应用本发明以后，由于是基于信道记忆的方式来进行随机波束形成，而不是传统的随机波束形成中每次采用一个随机的发射矩阵，因此能够利用宽带信道的慢变特性，在用户数较少的情况下达到现有技术中要在更多用户数要求下才能达到的性能。

另外，本发明优选对子载波进行分簇反馈，只反馈簇内中央子载波的最大SINR，因此极大地减少了反馈量。同时，在本发明中，还可以通过设定门限值，只反馈大于所设定门限值的SINR，进而使得网络中的反馈量进一步降低。

附图说明

图1为根据本发明的宽带随机波束的形成方法的示范性流程示意图。

图2为根据本发明实施例的宽带随机波束的形成方法的示范性流程示意图。

图3为应用本发明于窄带系统下的速率和与性能示意图，其中用户数为20。

图4为应用本发明于窄带系统下的速率和与性能示意图，其中用户数为20，发射天线数固定为8。

图5为应用本发明于窄带系统下的集合大小(N)和性能的对比示意图。

图6为根据本发明的宽带系统下随机波束形成方法的速率和与性能示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

本发明的主要思想是：A、产生具有N个酉阵的集合Q，并根据用户对子载波的信号干扰噪声比SINR的反馈，确定所述集合Q中每个酉阵的累加速率和，其中N为至少为1的自然数；B、确定所述集合Q中具有最大累加速率和的酉阵Q_i ^*，并且确定一个随机产生的新酉阵Q_rand的累加速率和；C、将Q_i ^*的累加速率和与所述随机产生的新酉阵Q_rand的累加速率和进行比较，选择其中较大者作为波束形成矩阵来形成波束。

本发明基于信道记忆的方法进行随机波束形成，而不是传统的随机波束形成中每次都产生并使用一个随机的发射矩阵，而是和上一时隙用过的矩阵进行比较，因此能够利用宽带信道的慢变特性，在用户数较少的情况下达到现有技术中要在更多用户数要求下才能达到的性能。

图1为根据本发明的宽带随机波束的形成方法的示范性流程示意图。如图1所示，该方法包括：

步骤101：产生具有N个酉阵的集合Q，并根据用户对子载波的信号干扰噪声比(SINR)的反馈，确定所述集合Q中每个酉阵的累加速率和，其中N为至少为1的自然数；

其中，在用户位置相对固定，并且基站知道用户位置信息时，可以优选设计更有效的Q。此时，集合Q中的每个酉阵，优选由随机选择N_t个已知的用户方向向量而组合形成，其中N_t为发射天线数。这样做可以充分利用用户的位置信息，避免在随机波束形成时指向无用户的方向。

另外，还可以优选只反馈每簇内中央子信道的SINR，从而降低了反馈量，此时反馈子载波的SINR具体包括：首先对子载波进行分簇，然后再反馈每簇内中央子载波的SINR。

步骤102：确定所述集合Q中具有最大累加速率和的酉阵Q_i ^*，并且确定一个随机产生的新酉阵Q_rand的累加速率和；

同样，在用户位置相对固定，并且基站知道用户位置信息时，随机产生的新酉阵也可以由随机选择N_t个已知的用户方向向量而组合形成，其中N_t为发射天线数。

步骤103：将Q_i ^*的累加速率和与所述随机产生的新酉阵Q_rand的累加速率和进行比较，并选择其中较大者作为波束形成矩阵，并利用所述波束形成矩阵来形成波束。

在这里，将Q_i ^*的累加速率和与所述随机产生的新酉阵Q_rand的累加速率和进行比较，并选择其中较大者作为波束形成矩阵来形成波束。

另外，如果所述随机产生的新酉阵Q_rand的累加速率和大于集合Q中具有最小累加速率和的酉阵Q_i，min，则在集合Q中用Q_rand替代Q_i，min。

以上过程中，集合Q中的所有酉阵和所述随机产生的新酉阵优选都满足等方分布。

优选地，本发明可以针对各个时隙连续执行，并且每时隙随机产生的新矩阵都要和上一时隙采用的波束形成矩阵进行比较。

优选地，进一步预先设定子载波的SINR门限值的步骤，步骤101所述反馈子载波的SINR包括：反馈大于所述SINR门限值的SINR。或者，在反馈SINR的过程中进行量化反馈，以减少反馈量。

图2为根据本发明实施例的宽带随机波束的形成方法的示范性流程示意图。

如图2所示，该方法包括两个阶段，分别为初始化阶段和数据传输阶段。初始化阶段包括：

步骤201：基站(BS)产生一个具有N个酉阵的集合 $Q=\{Q_1,Q_2,\·\·\·,Q_N\},Q_i\∈C^{N_t\×N_t}$ (N_t为BS发射天线数)，Q_i服从等方分布，即Q_i的列向量的元素服从CN(0，1)，列向量之间彼此正交。其中，N为一个设计量，取值优选大于2。如果N越大，则系统吞吐量在用户数很少时也可以接近最优。仿真中可以将N设定为10，实际使用时为减少反馈开销可取2～5。

步骤202：BS广播所确定的集合Q中的每个酉阵，也就是广播集合Q中的Q_i。

步骤203：将子载波分簇，第k个MS计算每个簇的中央子载波(下标为q)对于第m(m＝1…N_t)个波束的SINR；MS反馈簇内中央子载波的最大SINR，即

以及对应波束的标号m和子载波标号q；

步骤204：BS根据反馈的SINR，计算矩阵Q_i对应第q个子载波的速率和(sum rate)，并计算Q_i对于所有反馈子载波的累加速率和(aggregate sumrate)，确定集合Q中所有Q_i的累加速率和，选择其最大者，记为Q_i ^*，此处的q为每个簇的中央子载波标号。

至此，完成初始化阶段，然后进入数据传输阶段。数据传输阶段包括：

步骤205：在每个时隙t，BS随机产生并广播一个发射矩阵Q_rand；

步骤206：每个移动台(MS)反馈以Q_rand列向量为波束向量的最大SINR、对应波束的标号和子载波标号，其中具体计算和初始化阶段的步骤203相同；

步骤207：计算Q_rand的速率和SR(Q_rand)，根据此刻MS反馈的SINR更新Q_i ^*。也就是说，如果 $\mathrm{SR}\left(Q_i^{*}\right)>\mathrm{SR}(Q\_\mathrm{rand}),$ 则选择Q_i ^*作为波束形成矩阵，否则采用Q_rand。同时，如果SR(Q_rand)＞SR(Q_i，min)，优选在Q中用Q_rand替代Q_i，min；

步骤208：利用选定的波束形成矩阵来形成波束，并传输数据。其中，为了保证网络中用户的公平性，可以采用部分公平调度(proportional fairscheduling，PFS)。在这里，部分公平调度的具体技术对于本领域技术人员而言是清楚的，因此本发明对其不进行赘述。

可将本发明应用于针对802.22提案场景的应用。首先，给出宽带信道系统模型。

假设现在有一个具有L个抽头的宽带信道H，通过采用正交频分复用(OFDM)，L个抽头被分解成N个子载波。输入输出信号表示为：

$y\left[t\right]=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{l}x[t-l]+w\left[t\right]---\left(1\right)$

记H＝[h₀，h₁，…，h_l]^T，则H在频率q的响应为

$H\left(q\right)=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_l{e}^{-j2\mathrm{\πq}\frac{1}{N}},q=1,\·\·\·,N---\left(2\right)$

由矩阵形式表示， $H\left(q\right)=V_{q}H,V_q=[1,e^{-j2\mathrm{\πq}\frac{1}{N}},\·\·\·e^{-j2\mathrm{\πq}\frac{L-1}{N}}].$

假设N个酉阵的集合Q＝{Q₁，Q₂，…，Q_N}， $Q_i\∈C^{N_t\×N_t}$ 为波束形成矩阵。在第q个子载波上发射的符号表示为 $S_q\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}{s}_m^q\left(t\right){\mathrm{\φ}}_m\left(t\right),$ 其中φ_m为Q_i的列向量。

下面针对802.22中2k模式的参数设定来阐述本发明。

设定参数为：FFT点数为2048，数据和导频(pilot)子载波数为1680，分为30个子信道，每个子信道分为4个BIN。每个BIN包括12个数据子载波和2个pilot子载波，可以令一个BIN的14个相邻子载波为一簇(cluster)。

对于初始化阶段：

步骤1：BS产生一个具有N个酉阵的集合 $Q=\{Q_1,Q_2,\·\·\·,Q_N\},Q_i\∈C^{N_t\×N_t}$ (N_t为BS发射天线数)，并通过广播信道广播Q_i给所有用户，其中Q_i服从等方分布。在这里，N为一个设计量，N越大则系统吞吐量在用户数很少时也可以接近最优，仿真优选设置为5。

步骤2：每个用户通过每个BIN中的一个pilot估计自己的信道H^k，根据相关性，该信道系数可以作为这个BIN的所有其他子载波的信道系数。

第k个MS计算每个BIN的中央子载波(下标为q)对第m个波束的SINR；

${\mathrm{SINR}}_{q,m}^k=\frac{H_m^{k*}{V}_q^{*}{V}_q{H}_m^k}{\frac{1}{\mathrm{\ρ}}+{\mathrm{\Σ}}_{i=1,i\≠m}^{N_t}{H}_i^{k*}{V}_q^{*}{V}_q{H}_i^k};---\left(3\right)$

其中m＝1，…，N_t， $H_m^k=H^k{\mathrm{\φ}}_m,$ ρ为收端信噪比，q＝1，......，1680；φ_m为Q_i的第m个列向量，代表了第m个波束。

步骤3：将子载波分簇，其中簇的大小为14个子载波，包括12个数据子载波和2个pilot子载波(对应于一个BIN)，MS反馈簇内中央子载波的最大SINR，即以及对应波束的标号m和子载波标号q。

步骤4：BS根据反馈的SINR，由

$R_q=E\left\{\underset{m=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}\log 2(1+\underset{1\≤k\≤K}{\max }{\mathrm{SINR}}_{q,m}^k)\right\}---\left(4\right)$

计算第q个子载波速率和(这里的q为每个BIN的中央的子载波标号)，由

$R={\mathrm{\Σ}}_{q=1}^N{R}_q---\left(5\right)$

计算Q_i的累加速率和(aggregate sum rate)，确定集合Q中所有元素的速率和，选择具有最大速率和的矩阵，记为Q_i ^*。

此时，在数据传输阶段，包括以下步骤：

步骤1：在每个时隙t，BS随机产生等方分布的发射矩阵Q_rand，并广播此发射矩阵Q_rand。

步骤2：MS反馈以Q_rand为发射矩阵的最大SINR、对应波束的标号和子载波标号。

步骤3：计算Q_rand的速率和SR(Q_rand)，根据此刻MS反馈的SINR更新Q_i ^*。其中，如果 $\mathrm{SR}\left(Q_i^{*}\right)>\mathrm{SR}(Q\_\mathrm{rand}),$ 则选择Q_i ^*作为波束形成矩阵发射数据，否则采用Q_rand作为波束形成矩阵发射数据。同时，如果SR(Q_rand)＞SR(Q_i，min)，优选在集合Q中用Q_rand替代Q_i，min。

以上过程中，在初始化阶段：反馈量为N×NumberofUser×NumberofCluster个SINR和N×NumberofUser×NumberofCluster个最大SINR对应的波束下标，其中N为酉阵集合Q的大小。在数据传输阶段：反馈量为2NumberofUser×NumberofCluster个SINR和2NumberofUser×NumberofCluster个最大SINR对应的波束下标。

对于802.22提案下的应用，在2K FFT模式下每个6MHz频带包括30个子信道，每个子信道包括4个BIN，每个BIN又包括14个子载波。所以在初始化阶段系统总共反馈120N×NumberofUser个SINR和120N×NumberofUser波束下标，在数据传输阶段反馈240×NumberofUser个SINR和240×NumberofUser个波束下标。

对于单个用户而言，如果一个用户被分配了64个子载波，4个子载波一组，发射天线数为4，用3bit量化SINR，则每个用户反馈16*3+16*2＝10byte；若发射天线为2，则每个用户反馈16*3+16*1＝8byte。

以上过程中，还可以预先设定SINR门限值，MS只反馈大于预先设定某个门限的SINR，从而使得网络中的反馈量进一步降低为 $\mathrm{KPr}(\underset{1\≤m\≤M}{\max }\mathrm{SIN}{R}_{i,m}\≥\mathrm{\η}),$ 其中K为用户数。可选地，在反馈SIRR的过程中还可以进行量化反馈，减少反馈量。

下面对本发明的仿真情况进行说明。

本发明是针对宽带系统在用户数较少的情况下如何接近容量限的问题而提出，显然，由于窄带系统可以认为是宽带系统的一种特例(其中子载波数为1)。为了仿真方便，先对本发明应用于窄带情况下进行示范性说明。

图3为应用本发明于窄带系统下的速率和与性能示意图，其中用户数为20。图3中的仿真条件为：信道为独立瑞利衰落信道、最大多谱勒频移为10Hz、信噪比为0dB、每个时隙为1ms、仿真为1000个时隙、用户数为20。

图4为应用本发明于窄带系统下的速率和与性能示意图，其中用户数为20，发射天线数固定为8。图4中的仿真条件为：信道为独立瑞利衰落信道、最大多谱勒频移为10Hz、信噪比为0dB、每个时隙为1ms、仿真为1000个时隙、用户数为20、天线数固定为8。由图3和图4可见，在用户数较少的情况下，本发明就已经有了较高的速率和。

图5为应用本发明于窄带系统下的集合大小(N)和性能的对比示意图，其中tx为天线数，u为用户数。图5中示出了4天线20用户(20u，4tx)、8天线20用户(20u，8tx)、和8天线40用户(40u，8tx)的情形。由图5可以看出，在窄带情况下，集合Q的大小N对速率和的影响并不显著。

图6为根据本发明的宽带系统下随机波束形成方法的速率和与性能示意图。图6的仿真条件为：根据提案中的2k模式，对1680个数据和pilot子载波进行分配，信道抽头数L＝6；簇(cluster)的大小为14个子载波；发射天线数为2；酉阵的集合Q的大小为5。

由图6可见，针对提案中的2k模式的参数进行仿真，当用户数较少时已经可以达到较大的速率和。累加速率和由 $R={\mathrm{\Σ}}_{q=1}^N{R}_q$ 计算，其中累加速率和表示采用发射矩阵Q_i时所有被使用子载波的速率和。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽带随机波束的形成方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

A、产生具有N个酉阵的集合

并根据用户对子载波的信号干扰噪声比(SINR)的反馈，确定所述集合

中每个酉阵的累加速率和，其中N为至少为1的自然数；

B、确定所述集合

中具有最大累加速率和的酉阵Q_i ^*，并且确定一个随机产生的新酉阵Q_rand的累加速率和；

C、将Q_i ^*的累加速率和与所述随机产生的新酉阵Q_rand的累加速率和进行比较，选择其中累加速率和较大者作为波束形成矩阵，并利用所述波束形成矩阵形成波束。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：在步骤C中，如果所述随机产生的新酉阵Q_rand的累加速率和大于集合

中具有最小累加速率和的酉阵Q_i，min，则在所述集合

中用Q_rand替代Q_i，min。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当用户方向可知且位置固定时，所述集合

中的每个酉阵，由随机选择N_t个已知的用户方向向量而组合形成，其中N_t为发射天线数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当用户方向可知且位置固定时，所述随机产生的新酉阵Q_rand，由随机选择N_t个已知的用户方向向量而组合形成，其中N_t为发射天线数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A所述用户对子载波的信号干扰噪声比(SINR)的反馈具体包括：

A11、对子载波进行分簇；

A12、用户反馈每簇内中央子载波的SINR。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，集合

中的所有酉阵都满足等方分布，并且所述随机产生的新酉阵也满足等方分布。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步预先设定子载波的SINR门限值，步骤A所述用户对子载波的信号干扰噪声比(SINR)的反馈为：用户反馈大于所述SINR门限值的SINR。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括预先设定子载波的SINR门限值的步骤，

步骤A12所述用户反馈每簇内中央子载波的SINR为：用户反馈每簇内大于所述SINR门限值的中央子载波SINR。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述N的取值范围为2≤N≤10。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述N的取值范围为2≤N≤5。

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