CN101110623B - 一种有限反馈多入多出多用户系统的部分用户反馈方法 - Google Patents

Abstract

一种有限反馈多入多出多用户系统的部分用户反馈方法，在基站和用户端设置不同的随机矢量码本集合，基站端的随机矢量码本集合是用户端的随机矢量码本集合的子集；用户基于用户端的随机矢量码本集合量化测量到的信道矢量方向；只有用户信道矢量方向量化后落入基站端的随机矢量码本集合的用户才具备反馈资格；具有反馈资格的用户在每个时隙向基站反馈信道增益和基于基站随机矢量码本集合的信道方向矢量索引；基站根据用户反馈的信道方向矢量索引和信道增益以及基站随机矢量码本集合进行用户的信道重构；基站只在参与反馈的重构后的用户信道中进行传输用户集合选择。本发明降低了反馈开销，提高系统的吞吐率，适合在实际系统中使用。

Description

一种有限反馈多入多出多用户系统的部分用户反馈方法

技术领域

本发明涉及无线通信中的多入多出多用户系统，特别是一种基于有限反馈的部分用户反馈方法。

背景技术

下行多入多出系统中多用户选择空分复用方法是提高无线通信系统吞吐率的一种有效方法。

《国际电子与电气工程师协会专题》(IEEE Journal on Selected AreasinCommunications(JSAC)，Special lssue on 4G Wire/ess Systems，vol.24，issue 3，Mar.2006，pp.528-541.)中提出了一种基于迫零波束成型(ZFBF)的MIMO系统多用户选择方案，该方案以较低的运算复杂度逼近了MIMO多用户系统中的吞吐率上限。然而，这种方法要求系统中所有用户在每个时隙反馈其信道的准确值，这会在用户数比较多的情况下带来巨大的反馈开销，在实际系统中不能实现。并且在用户数比较多的情况下，基站选择传输用户集合的复杂度很高。

《国际电子与电气工程师协会信息理论》(IEEE Transactions onInformation Theory，Volume.52，No.11，pp.5045-5059，Nov.2006)提出了一种基于随机矢量量化(RVQ)的有限反馈方案，该方案可以很大程度的减小反馈开销。然而这种方法只在总用户数等于发送天线数的情况下才适用，在用户数比较多的情况下，该方法无法利用多用户选择带来的系统吞吐率。

发明内容

本发明解决的技术问题：克服现有技术不足，提出一种MIMO多用户有限反馈系统中部分用户反馈的方法。该方法能够极大的减小反馈开销，并且系统可以获得和所有用户都反馈准确信道信息情况相比的吞吐率，适于在实际系统中应用。

本发明的技术解决方案：一种有限反馈多入多出多用户系统的部分用户反馈方法，其特点在于：

(1)在基站和用户端建立不同的随机矢量码本集合，基站端的随机矢量码本集合是用户端的随机矢量码本集合的子集；

(2)用户基于用户端的随机矢量码本集合量化得到信道矢量方向；

(3)只有用户信道矢量方向量化后落入基站的随机矢量码本集合的用户才具备反馈资格，具有反馈资格的用户在每个时隙向基站反馈信道增益和基于基站随机矢量码本集合的矢量索引；

(4)基站根据用户反馈的信道方向矢量索引和信道增益以及基站端的随机矢量码本集合来进行用户的信道重构；

(5)基站根据重构后的用户信道只在参与反馈的用户中进行传输用户集合的选择。

与现有技术相比较的优点在于：本发明通过在用户端设置大于基站端随机矢量码本集合(基站端随机矢量码本集合是用户端随机矢量码本集合的子集)的方法，使得只有部分用户向基站反馈信道矢量，极大降低了反馈开销，减小了基站端选择传输用户集合时遍历的用户数，从而降低了基站端选择传输用户集合的复杂度；同时，具有反馈资格的用户信道矢量方向量化的误差比全部用户参与反馈的情形明显的减小，从而提高了系统的吞吐率。本发明可以在降低反馈开销，减小基站传输用户集合选择复杂度的同时，提高系统的吞吐率，适合在实际系统中使用，降低使用成本。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明在信噪比为10dB，基站配置4根发送天线，基站随机矢量码本集合大小为256时，在不同的用户端随机矢量码本集合大小的情况下，总吞吐率和用户数的关系曲线；

图3为本发明在基站配置4根发送天线，基站随机矢量码本集合大小为256，用户端随机矢量码本集合大小和相对反馈开销和基站选择传输用户集合的复杂度的关系曲线。

具体实施方式

如图1所示，本发明的具体步骤如下：

(1)建立用户端码本集合

a.选择用户的随机矢量码本集合大小：

N_user＞2^FB

FB是在每个时隙，每个参与向基站反馈的用户来代表用户的矢量信道方向的比特数。

b.随机生成用户随机矢量码本集合：

$F_{\mathrm{user}}=\{v_1,...,v_{N_{\mathrm{user}}}\}$

其中v₁，…，都是随机生成的||V_i||＝1(i＝1，…，N_user)的1×M的矢量，M为基站发送天线数。

(2)建立基站端随机矢量码本集合选择F_user中的前N_BS个矢量组成的集合作为基站端的随机矢量码本集合：

$F_{\mathrm{BS}}=\{v_1,...,v_{N_{\mathrm{BS}}}\}$

其中N_BS＝2^FB。

(3)用户量化信道矢量

a.对于全体用户集合{1，…K}中的每一个用户k对下行信道进行信道估计：

$h_k=\left|\right|h_k\left|\right|{\tilde{h}}_k$

其中||h_k||是h_k的二阶范数，表示第k个用户的信道增益； ${\tilde{h}}_k=h_k/\left|\right|h_k\left|\right|$ 表示了用户k信道矢量的方向。

b.用户k从用户随机矢量码本集合中挑选一个向量做为量化后的信道矢量方向索引，挑选信道矢量方向索引的原则如下：

即：量化后的信道方向表示为 ${\hat{h}}_k=v_{n_k}.$

(4)对于全体用户集合{1，…K}中的每一个用户k进行反馈判决并将信道增益和量化后信道矢量方向索引反馈到基站。

a.反馈判决，如果 $v_{n_k}\∈F_{\mathrm{BS}},$ 即n_k＜2^FB，那么用户k向基站反馈并执行步骤(4)b；否则用户k保持静默；

b.决定参与反馈的用户把信道方向矢量索引n_k和信道增益||h_k||通过上行信道传递给基站，因为n_k＜2^FB，所以只需要FB比特就可以把n_k反馈到基站。

在步骤(3)b中，所有用户都对其信道矢量方向在大小为N_user的用户随机矢量码本集合中选取一个矢量进行量化，因此，每个用户的信道矢量量化误差和使用log₂N_user比特进行反馈的信道矢量量化误差相同。但是，由步骤(4)a只有量化后信道矢量方向

落入大小为2^FB的F_BS的情况才参与反馈，所以只需要FB比特就可以把n_k反馈到基站。因此，通过这种在基站端设置随机矢量码本集合是用户端随机矢量码本集合子集的方法，每个参与向基站反馈的用户只需要向基站反馈FB比特，就可以使信道矢量方向量化的误差降低到到反馈log₂N_user比特的水平。即：在减小了反馈用户总数，减小反馈开销的同时，又降低了信道矢量方向量化的误差。

(5)基站重构用户信道

对于任意一个在步骤(4)中参与反馈的用户k，基站根据其反馈的信道矢量方向索引n_k在F_BS中查找相应

并结合||h_k||，将其信道重构为：

$h_k^{\mathrm{est}}=\left|\right|h_k\left|\right|v_{n_k}$

(6)基站在所有K₀个反馈用户集合

中进行传输用户集选择

a.初始化： ${\mathrm{\Γ}}_1=\{U_1,...,U_{K_0}\},$ i＝2， $\mathrm{\π}\left(1\right)=\arg \underset{U_j\∈{\mathrm{\Γ}}_1}{\max }{\left|\right|h_{U_j}^{\mathrm{est}}\left|\right|}^2;$

b.

其中ε是一个远小于1的固定的参数；

c. $\mathrm{\π}\left(i\right)=\arg \underset{U_k\∈{\mathrm{\Γ}}_i}{\max }{\left|\right|h_{U_k}^{\mathrm{est}}\left|\right|}^2$

i＝i+1；如果i＜M，执行步骤(6)b；

d.最终确定的传输用户集合为{U_π(1)，…，U_π(M)}。

下面结合具体实施例对本发明进一步详细说明。

本实施例采用K＝1000个用户的下行多用户MIMO系统。基站端配置M＝4根发送天线，每个用户配备1根接收天线。因此每个用户的信道h_k都是一个1×4的向量。假设每个用户信道向量都服从独立同分布的瑞利分布。假设每个时隙具有反馈资格的用户向基站反馈FB＝8bits，因此基站端的随机矢量码本集合大小为256。用户端的随机矢量码本集合大小为832。

(1)建立用户端随机矢量码本集合：

a.选择用户端的随机矢量码本集合大小：

832＞2^FB＝2⁸

b.随机生成用户随机矢量码本集合：

F_user＝{v₁，…，v₈₃₂}

其中v₁，…，v₈₃₂都是随机生成的且满足||v_i||＝1(i＝1，…，832)的4×1矢量。

(2)建立基站端随机矢量码本集合：选择F_user中的前N_BS＝2^FB＝256个矢量组成的集合作为基站端的随机矢量码本集合：

F_BS＝{v₁，…，v₂₅₆}

其中N_BS＝2^FB。

(3)用户量化信道矢量：

a.对于全体用户集合{1，…1000}中的每一个用户k对下行信道进行信道估计：

$h_k=\left|\right|h_k\left|\right|{\tilde{h}}_k,$

其中||h_k||是h_k的二阶范数，表示第k个用户的信道增益； ${\tilde{h}}_k=h_k/\left|\right|h_k\left|\right|$ 表示了用户k信道矢量的方向。

b.用户k从用户随机矢量码本集合中挑选一个向量作为量化后的信道方向矢量索引，挑选信道方向矢量索引的原则如下：

即：量化后的信道方向表示为 ${\hat{h}}_k=v_{n_k}.$

(4)对于全体用户集合{1，…，1000}中的每一个用户k进行反馈判决并将信道增益和量化后的信道方向矢量索引反馈到基站：

a.反馈判决：

如果 $v_{n_k\∈}{F}_{\mathrm{BS}},$ 即n_k＜256，那么用户k向基站反馈并执行步骤(4)b；否则用户k保持静默。

b.决定参与反馈的用户把n_k和||h_k||通过上行信道传递给基站。因为n_k≤2^FB＝2⁸，所以只需要8比特就可以把n_k反馈到基站。

在步骤(3)b中，所有用户都对其信道矢量方向在大小为N_user的用户随机矢量码本集合中选取一个矢量进行量化，因此，每个用户的信道矢量量化误差和使用log₂N_user＝9.7比特进行反馈的信道矢量量化误差相同。但是，由步骤(4)a只有量化后信道矢量方向落入大小为2^FB＝256的F_BS的情况才参与反馈，所以只需要8比特就可以把n_k反馈到基站。因此，通过这种在基站端设置随机矢量码本集合是用户端随机矢量码本集合子集的方法，在本实施例每个参与向基站反馈的用户只需要向基站反馈8比特，就可以使信道矢量方向量化的误差降低到到反馈log₂N_user＝9.7比特的水平。在这种情况下，反馈用户的总是会降低到全部用户反馈的2^FB/N_user＝256/832＝0.3076，反馈总开销相应也会降低到全部用户反馈的0.3076，即：在减小了反馈用户总数，减小反馈开销的同时，又降低了信道矢量方向量化的误差。

(5)基站重构用户信道：

对于任意一个在步骤(4)中参与反馈的用户k，基站根据其反馈的n_k在F_BS中查找相应并结合||h_k||，将其信道重构为：

$h_k^{\mathrm{est}}=\left|\right|h_k\left|\right|v_{n_k}$

(6)假设基站得到了K₀个用户的反馈，那么基站在所有K₀个反馈用户集合

中进行传输用户集选择：

a.初始化： ${\mathrm{\Γ}}_1=\{U_1,...,U_{K_0}\},$ i＝2， $\mathrm{\π}\left(1\right)=\arg \underset{U_j\∈{\mathrm{\Γ}}_1}{\max }{\left|\right|h_{U_j}^{\mathrm{est}}\left|\right|}^2;$

b.

其中ε是一个远小于1的固定的参数。

c. $\mathrm{\π}\left(i\right)=\arg \underset{U_k\∈{\mathrm{\Γ}}_i}{\max }{\left|\right|h_{U_k}^{\mathrm{est}}\left|\right|}^2$

i＝i+1；如果i＜4，执行步骤(6)b。

d.最终确定的传输用户集合为{U_π(1)，…，U_π(4)}

图2给出了本发明在信噪比10dB的情况下，基站配置4根发送天线，基站随机矢量码本集合大小为256时，在不同的用户端随机矢量码本集合大小的情况下，总吞吐率和用户数的关系曲线。其曲线特征为，用户数越大，系统的总的吞吐率越大；用户数越大，相对于全部用户参与反馈的方法，产生的系统总的吞吐率越大。在实施例中，用户数为1000，那么由图2，在选择用户端随机矢量码本集合大小为832的情况下，达到的吞吐率为11.12比特/秒/赫兹。相对于全部用户参与反馈在1000用户数时系统达到的10.09比特/秒/赫兹的吞吐率，部分用户反馈的方法提供了1.03比特/秒/赫兹的系统吞吐率增益。

图3给出了本发明在基站配置4根发送天线，基站端随机矢量码本集合大小为256，用户端随机矢量码本集合大小和相对反馈开销和基站选择传输用户集合的复杂度的关系曲线。此曲线中，假设全部用户反馈的情况下总的反馈开销和基站选择传输用户集合的复杂度都是1。在不同的用户数N_user情况下，部分用户反馈的方法的反馈用户数会降低到全部用户反馈情况下的256/N_user，因此总的反馈开销也会相应降低到全部用户反馈情况下的256/N_user。同时，由于基站在说明书步骤(6)传输用户集合选择的复杂度和反馈的用户数是成线性的，因此，用户传输集合的选择的复杂度也会减低到全部用户反馈情况下的256/N_user。对于实施例中的情形，选择用户端随机矢量集合的大小为832，部分用户反馈的方法的反馈开销和基站选择传输用户集合的复杂度都会降低到全部用户反馈情况下的0.3076。图2的曲线特征为，曲线纵坐标的取值永远小于1，表示反馈开销和基站用户传输集合选择的复杂度的降低；随着用户端随机矢量码本集合大小的增大，反馈开销和基站选择传输集合的复杂度的降低越大。

Claims (5)

1.一种有限反馈多入多出多用户系统的部分用户反馈方法，其特征在于：

(1)在基站和用户端建立不同的随机矢量码本集合，基站端的随机矢量码本集合是用户端的随机矢量码本集合的子集；

(2)用户基于用户端的随机矢量码本集合量化得到信道矢量方向，实现步骤如下：

a.对于全体用户集合{U₁…U_k}中的每一个用户k对下行信道进行信道估计：

其中||h_k||是h_k的二阶范数，表示第k用户的信道增益；表示了用户k信道矢量的方向；

b.用户k从用户随机矢量码本集合中挑选一个向量作为量化后的信道矢量方向索引，挑选信道矢量方向索引的公式如下：

其中：为量化后的信道方向；v_j为用户随机矢量码本集合F_user中的码字；F_user为用户随机矢量码本集合；

(3)只有用户信道矢量方向量化后落入基站的随机矢量码本集合的用户才具备反馈资格，具有反馈资格的用户在每个时隙向基站反馈信道增益和基于基站随机矢量码本集合的矢量索引；

(4)基站根据用户反馈的信道方向矢量索引和信道增益以及基站端的随机矢量码本集合来进行用户的信道重构，所述信道重构方法为：对于任意一个在步骤(4)中参与反馈的用户k，基站根据其反馈的信道矢量方向索引n_k在基站端随机矢量码本集合F_BS中查找相应

并结合||h_k||，将其信道重构为： $h_k^{\mathrm{est}}=\left|\right|h_k\left|\right|v_{n_k};$

(5)基站根据重构后的用户信道只在参与反馈的用户中进行传输用户集合的选择。

2.根据权利要求1所述的有限反馈多入多出多用户系统的部分用户反馈方法，其特征在于：所述步骤(1)中的用户端建立随机矢量码本集合的步骤如下：

(1)选择用户的随机矢量码本集合大小：

N_user＞2^FB

FB是在每个时隙，每个参与向基站反馈的用户来代表用户的矢量信道方向的比特数；

(2)随机生成用户随机矢量码本集合：

$F_{\mathrm{user}}=\{v_1,...,v_{N_{\mathrm{user}}}\}$

其中v₁，…，

都是随机生成的归一化的1×M的矢量，M为基站发送天线数。

3.根据权利要求1所述的有限反馈多入多出多用户系统的部分用户反馈方法，其特征在于：所述步骤(1)中的基站端建立随机矢量码本集合的步骤如下：选择用户随机矢量码本集合F_user中的前N_BS个矢量组成的集合作为基站端的随机矢量码本集合：

$F_{\mathrm{BS}}=\{v_1,...,v_{N_{\mathrm{BS}}}\}$

其中N_BS＝2^FB，

FB是在每个时隙，每个参与向基站反馈的用户来代表用户的矢量信道方向的比特数。

4.根据权利要求1所述的有限反馈多入多出多用户系统的部分用户反馈方法，其特征在于：所述步骤(3)中的具有反馈资格的用户在每个时隙向基站反馈信道增益和基于基站随机矢量码本集合的矢量索引步骤如下：

①反馈判决

如果即n_k＜2^FB，则用户k向基站反馈并执行步骤②，否则用户k保持静默；FB是在每个时隙，每个参与向基站反馈的用户来代表用户的矢量信道方向的比特数；为从基站端随机矢量码本集合中挑选出来的最接近用户实际信道方向的代表矢量；

②决定参与反馈的用户把信道方向矢量索引n_k和信道增益||h_k||通过上行信道传递给基站。

5.根据权利要求1所述的有限反馈多入多出多用户系统的部分用户反馈方法，其特征在于：所述步骤(5)中选择的方法为：

A.初始化：i＝2，

K₀为反馈用户的个数；

B.

其中ε是一个远小于1的固定的参数；

C. $\mathrm{\π}\left(i\right)=\arg \underset{U_k\∈{\mathrm{\Γ}}_i}{\max }{\left|\right|h_{U_k}^{\mathrm{est}}\left|\right|}^2$

i＝i+1；如果i＜M，M为基站发送天线数，执行步骤B；

D.最终确定的传输用户集合为{U_π(1)，…，U_π(M)}。

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