CN101159466A - 一种自适应随机波束成形传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自适应随机波束成形传输方法，包括以下步骤(1)发射端通过构造的随机波束发送信道估计信号；(2)各接收端接收经过信道衰减后的信道估计信号，计算对应信道矢量与各随机波束内积的模值；(3)各接收端根据反馈判断准则判断是否反馈，如果反馈，进入步骤(4)，否则结束；(4)允许反馈的接收端根据模值生成反馈信号发送给发射端；(5)发射端接收反馈信号作为调度信息；(6)发射端根据调度信息进行发射波束选择和用户调度；(7)发射端发送数据。本发明通过反馈信道矢量与各随机波束内积的模值实现了发射波束的自适应选择，克服了正交随机波束成形要求用户数目大和信噪比低的缺点，同时获得了系统性能的明显提升。

Description

一种自适应随机波束成形传输方法

技术领域

本发明涉及多输入多输出无线通信系统传输技术，特别是涉及一种具有自适应功能的随机波束成形传输方法。

背景技术

随着移动通信用户数量的急剧增加和无线宽带业务(如多媒体业务)的迅速兴起，人们期望未来移动通信系统能提供更高的数据传输率(100Mbps以上)、更高的频谱效率(10bps/Hz以上)。

多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)是一种在发射端和接收端都使用多个天线的技术。MIMO是提高频谱效率的一种有效手段，它能够在不增加发射功率的前提下，成倍的提高系统的频谱效率。

波束成形是一类典型的MIMO技术，其基本思想是在每根发射天线上乘上一个复数来构建一个波束方向。因此对N个发射天线则需乘上一个N维的复向量，通常把这个N维的复向量称为波束成形矢量或一个波束。对于多发射天线系统可以构建多个波束同时并行地发射数据。

不同的波束构造方法对应着不同的波束成形类型，随机波束成形是其中重要的一类，它是通过随机的方式来构造波束。M.Sharif和B.Hassibi发表在IEEE Trans.Inf.Theory的文章“On the capacity of MIMO broadcastchannels with partial side infonnation”提出了一种正交随机波束成形传输方案。该方案通过在发射端同时构建N个正交的随机波束(N为发射天线数)能在中低信噪比且用户数庞大的情况下获得很好的性能，而在实际中当用户数目较少时，系统的传输速率较低；在高信噪比时，系统是干扰受限的。

发明内容

本发明的目的是提供一种自适应随机波束成形传输方法，解决在用户数目小和信噪比高的情况下传输速率低的问题。

本发明中包括以下步骤：

(1)发射端构造L个随机波束，通过随机波束向各接收端发送信道估计信号；

(2)各接收端接收经过信道衰减后的信道估计信号，计算对应信道矢量与各随机波束内积的模值；

(3)各接收端根据反馈判断准则判断是否向发射端发送反馈信号，如果反馈，进入步骤(4)，否则，进入步骤(8)；

(4)  允许反馈的接收端根据模值生成反馈信号，将其发送给发射端；

(5)发射端接收反馈信号，将其作为调度信息；

(6)发射端根据调度信息进行发射波束选择和用户调度；

(7)发射端以选择的发射波束向调度得到的用户发送数据；

(8)结束。

所述步骤3中的判断准则为：若接收端对应的信道矢量与各随机波束内积的模值的离散程度高于预定门限值，该接收端反馈。所述离散程度用所述模值的算术平方根与几何平方根的商来表示，所述门限值取值为

所述步骤3中的判断准则还可为：若接收端对应的信道矢量与各随机波束的最小夹角小于预定门限值，该接收端反馈。

所述步骤(6)具体为：

(6.1)对波束进行组合；

(6.2)分别计算每种波束组合的系统容量；

(6.3)选择具有最大系统容量的波束组合及其对应用户。

本发明通过反馈信道矢量与各随机波束内积的模值实现了发射波束的自适应选择，克服了正交随机波束成形要求用户数目大和信噪比低的缺点，同时获得了系统性能的明显提升。

附图说明

图1为本发明系统框架图；

图2为本发明流程图；

图3为发射端结构图；

图4为接收端结构图；

图5为本发明与正交随机波束成形方法的频谱效率仿真比较图。

具体实施方式

下面就结合附图来具体描述本发明。

如图1所示，本发明的系统包括发射端11和接收端12.1、12.2、......、12.K。每个接收端均对应一个用户。以下为描述方便，将接收端12.1、接收端12.2、......、接收端12.K统称为接收端。

如图2所示，本发明步骤包括：S201、S202、S203、S204、S205、S206、S207、S208共八步。

为了进一步描述本发明，下面具体考虑以下实例：发射端11有4根发射天线、接收端有1根接收天线的MIMO系统，该系统中只有一个发射端11，有K＝100个接收端。下面将结合系统流程图来讲述本实例。

在步骤S201中，发射端11构造L个随机波束，L由实际需要确定，在本实施例中取L＝2，则随机波束φ_l，l＝1，2，通过随机波束发射信道估计信号s_l，l＝1，2，则发射的信号为：

$S=\underset{l=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_l{s}_l.$

在步骤S202中，各接收端接收经过信道衰减后的信道估计信号为：

$Y_i=H_{i}S+W_i=\underset{l=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i{\mathrm{\φ}}_l{s}_l+W_i,i=\mathrm{1,2},\·\·\·,100$

其中H_i是第i个用户的信道矢量(本实施例中为1×4维复矢量)，W_i为噪声分量(假定噪声功率为1)，并估计其信道矢量与各随机波束内积的模值|H_iφ_l|，l＝1，2，i＝1，2，…，100。

在步骤S203中，各接收端进行反馈判断，反馈判断准则包括但不限于：(1)对用户信道矢量与各随机波束内积的模值的离散程度设置门限；(2)对用户信道矢量与各随机波束的最小夹角设置门限。

反馈判断的目的是：选择信干噪比较高的用户进行反馈。对于准则(1)可以用|H_iφ_l|，l＝1，2的算术平方根与几何平方根的商来衡量其离散程度，门限值可以取

接收端进行判决时计算判决值，若判决值高于门限，该用户反馈，进入步骤S204，否则不反馈，结束；对于准则(2)门限值可以取0.15-0.25，接收端进行判决时计算|H_iφ_l|，l＝1，2与|H_i|商的最小值作为判决值，若判决值低于门限，该用户反馈，进入步骤S204，否则不反馈，结束。|H_i|，i＝1，2，…，100为信道模值，可在步骤S202中根据接收信号估计其值。

在步骤S204中，允许反馈的接收端生成反馈信号|H_dφ_l|²，l＝1，2，d＝t₁，t₂，…，t_s，将其发送给发射端11，其中S为反馈判决后系统中剩余的用户数目，d＝t₁，t₂，…，t_s，{t₁，t₂，…，t_s}{1，2，...，100}。

在步骤S205中，发射端11接收反馈信号|H_dφ_l|²，l＝1，2，d＝t₁，t₂，…，t_s，将其作为调度信息：

$\left[\begin{array}{cc}{\left|H_{t_1}{\mathrm{\φ}}_1\right|}^2& {\left|H_{t_1}{\mathrm{\φ}}_2\right|}^2\\ {\left|H_{t_2}{\mathrm{\φ}}_1\right|}^2& {\left|H_{t_2}{\mathrm{\φ}}_2\right|}^2\\ \·\·\·& \·\·\·\\ {|H}_{t_S}{\mathrm{\φ}}_1{|}^2& {\left|H_{t_S}{\mathrm{\φ}}_2\right|}^2\end{array}\right]$

该调度信息矩阵中每行对应一个用户的反馈信息，每列对应一个波束上的反馈信息。

在步骤S206中，调度器113根据调度信息完成发射波束选择和用户调度，具体步骤为：

(1)对波束进行组合，本实施例中共 $\underset{l=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{C}_2^l=3$ 种，即[φ₁]、[φ₂]、[φ₁ φ₂]三种组合。

(2)分别计算每种波束组合的系统容量。

(2.1)计算在每种波束组合下每个用户信干噪比：

在波束组合[φ₁]下信干噪比的计算公式为： ${\mathrm{SINR}}_{\left[{\mathrm{\φ}}_1\right],d}=P|H_d{\mathrm{\φ}}_1{|}^2,$

在波束组合[φ₂]下信干噪比的计算公式为： ${\mathrm{SINR}}_{\left[{\mathrm{\φ}}_2\right],d}=P|H_d{\mathrm{\φ}}_2{|}^2,$

在波束组合[φ₁ φ₂]下，

在波束φ₁上信干噪比的计算公式为：

${\mathrm{SINR}}_{\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\φ}}_1& {\mathrm{\φ}}_2\end{array}\right],{\mathrm{\φ}}_1,d}=\frac{{\left|H_d{\mathrm{\φ}}_1\right|}^2}{2/P+{\left|H_d{\mathrm{\φ}}_2\right|}^2}$

在波束φ₂上信干噪比的计算公式为：

${\mathrm{SINR}}_{[\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\φ}}_1& {\mathrm{\φ}}_2\end{array}\right],{\mathrm{\φ}}_2,d}=\frac{{\left|H_d{\mathrm{\φ}}_2\right|}^2}{2/P+{\left|H_d{\mathrm{\φ}}_1\right|}^2}$

其中P为发射功率。

(2.2)对于每组波束组合中的每个波束，在该波束上选择其最大信干噪比，按照香农容量公式C＝log(1+SINR)计算该波束的系统容量，然后将波束组合中各波束的系统容量累加作为该波束组合的系统容量。

(3)选择具有最大系统容量的波束组合及其对应的用户作为发射波束组合和调度用户。

在步骤S207中，发射端11以选择的发射波束向调度用户发射数据。

步骤S208，结束。

如图3所示，发射端11包括：随机波束成形器111、反馈信息处理器112、调度器113、用户选择器114、双工射频器115以及多根发射天线。

随机波束成形器111用于构造随机波束；根据来自调度器113的发射波束信息选择发射波束；向双工射频器115传送发射波束、信道估计信号和用户数据。

双工射频器115和位于其上的发射天线用于向接收端12发送信道估计信号和用户数据；接收来自接收端12的反馈信号，传送给反馈信息处理器112；

反馈信息处理器112用于接收反馈信号，并将其作为调度信息传送给调度器113；

调度器113用于根据调度信息进行发射波束选择和用户调度，将选择的发射波束信息和调度用户信息分别传送给随机波束成形器111和用户选择器114。

用户选择器114用于接收来自调度器113的调度用户信息，向随机波束成形器111传送用户数据。

如图4所示，接收端包括：接收信号处理器121、反馈判决器122、反馈生成器123、双工射频器124以及多根接收天线。

双工射频器1 24和位于其上的接收天线用于接收来自发射端11的信道估计信号和用户数据，将接收的信号传送给接收信号处理器121；接收来自反馈生成器123的反馈信号，发送给发射端11；

接收信号处理器121用于根据来自双工射频器124的信道估计信号估计信道矢量与各随机波束内积的模值，并将模值传送给反馈判决器122；还原来自双工射频器124的用户数据。

反馈判决器122用于根据模值进行反馈判断，如果接收端反馈，则将模值传送给反馈生成器123；

反馈生成器123用于根据模值生成反馈信号，传送给双工射频器124。

图5为本发明与正交随机波束成形方法(ORBF，Orthogonal RandomBeamforming)的频谱效率仿真比较图。在发射天线数N＝4、接收天线数M＝1、用户数K＝100、发射功率P＝0～40dB的条件下，分别仿真了发射端构造L＝2、3、4个随机波束的情况下，本发明和正交随机波束成形的频谱效率。从图中可以看出，本发明频谱效率明显优于传统的正交随机波束成形。本发明在实际系统条件下具有低反馈开销、低复杂度且性能优异的特点。

Claims (5)

1.一种自适应随机波束成形传输方法，包括以下步骤：

(1)发射端构造L个随机波束，通过随机波束向各接收端发送信道估计信号；

(2)各接收端接收来自发射端的信道估计信号，计算对应信道矢量与各随机波束内积的模值；

(3)各接收端根据反馈判断准则判断是否向发射端发送反馈信号，如果反馈，进入步骤(4)，否则，进入步骤(8)；

(4)允许反馈的接收端根据模值生成反馈信号，将其发送给发射端；

(5)发射端接收反馈信号，将其作为调度信息；

(6)发射端根据调度信息进行发射波束选择和用户调度；

(7)发射端以选择的发射波束向调度得到的用户发送数据；

(8)结束。

2.如权利要求1所述的一种自适应随机波束成形传输方法，其特征在于，所述步骤3中的判断准则为：若接收端对应的信道矢量与各随机波束内积的模值的离散程度高于预定门限值，该接收端反馈。

3.如权利要求2所述的一种自适应随机波束成形传输方法，其特征在于，所述离散程度用所述模值的算术平方根与几何平方根的商来表示，所述门限值取值为

4.如权利要求1所述的一种自适应随机波束成形传输方法，其特征在于，所述步骤3中的判断准则为：若接收端对应的信道矢量与各随机波束的最小夹角小于预定门限值，该接收端反馈。

5.如权利要求1至4所述的任一种自适应随机波束成形传输方法，其特征在于，所述步骤(6)具体为：

(6.1)对波束进行组合；

(6.2)分别计算每种波束组合的系统容量；

(6.3)选择具有最大系统容量的波束组合及其对应用户。

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