CN101174870A - 一种基于波束集选择的随机波束成形传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于波束集选择的随机波束成形传输方法，包括：(1)基站构造一个随机单位波束，通过该波束向每个用户发射一个导频符号，各用户向基站反馈信息，基站根据反馈信息确定第一备选传输用户和传输波束；(2)基站构造两个随机单位波束，通过这两个波束向每个用户发射两个导频符号，各用户向基站反馈信息，基站根据反馈信息确定第二备选传输用户和传输波束；(3)选择传输效率高的备选传输用户和传输波束为最终选定用户和波束；(4)基站采用最终选定波束向选定用户发送数据。本发明使用波束个数少，减小了用户之间的相互干扰，降低了计算复杂度；通过波束集选择寻找更合适的用户，提升了总速率性能。

Description

一种基于波束集选择的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(Multiple Input Multiple Output，MIMO)通信技术，尤其是涉及随机波束成形传输方法。

背景技术

选择合适的用户进行传输是吞吐量优化的一个关键点。

闭环MIMO系统典型地从接收端向发射端反馈信道状态信息。发射端根据反馈的信息选择合适的用户进行传输。反馈信道状态信息会消耗在其它情况下可用于数据业务量的带宽，但是发射端获得信道状态信息对提升系统性能有很大的帮助。

M.Sharif和B.Hassibi发表在2005年2月的IEEE Trans.Inf.Theory的文草“On the capacity of MIMO broadcast channels with partial sideinformation”提出了一种正交随机波束成形(Orthogonal Random Beam-forming，ORBF)传输方案，该方案的基本思想是在发射端构造多个随机正交波束，根据用户反馈的信干比(Signal to Noise-Plus-Interference Ratios，SINR)选择用户并使用相应的波束进行传输。在用户数充分大的时候，多用户分集使得随机构造的波束也能与一组用户的信道相匹配，因此该方案能使用少量的反馈信息获得满意的传输速率。但是在实际的系统中，同一时刻有服务需求的用户通常较少，在这种情形下ORBF性能不佳。另外在系统平均信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)高的情形下，ORBF是干扰受限的。

发明内容

本发明的目的是解决原始ORBF方案在用户数少或平均SNR高的情形下速率性能差的问题。

本发明步骤如下：

(1)基站根据同向分布构造一个随机单位波束Φ₁，通过波束Φ₁向各用户发送导频符号s₁；

(2)各用户接收基站发送的导频符号s₁，估算导频符号s₁对应的有效信噪比，将其发送给基站；

(3)基站接收各用户发送的有效信噪比，选择最大信噪比对应的用户作为第一备选传输用户u₁，将波束Φ₁作为第一备选传输波束；计算基站与第一备选传输用户u₁传输的理论速率R₁；

(4)基站根据同向分布构造两个随机单位波束Φ₁′和Φ₂′，采用波束Φ₁′和Φ₂′向各用户发送两个导频符号s₁′和s₂′；

(5)各用户接收基站发送的导频符号s₁′和s₂′，分别估算导频符号s₁′和s₂′对应的有效信干比，将最大的有效信干比和其对应的导频符号信息发送给基站；

(6)基站接收各用户发送的有效信干比和其对应的导频符号信息，在导频符号s₁′对应的有效信干比中选出最大值，得到该最大值对应的用户u₁′，在导频符号s₂′对应的有效信干比中选出最大值，得到该最大值对应的用户u₂′，将{u₁′，u₂′}作为第二备选传输用户，{Φ₁′，Φ₂′}作为第二备选传输波束；计算基站与第二备选传输用户{u₁′，u₂′}传输的理论速率R₂；

(7)比较R₁和R₂大小，选择较大值对应的备选传输用户和备选传输波束作为最终选定用户和最终选定传输波束；

(8)基站采用最终选定传输波束向最终选定用户传输数据。

本发明的优点在于，相比原始的ORBF方案减少了每次使用的波束个数，从而减小了用户之间的相互干扰，降低了计算复杂度；通过波束集选择寻找更合适的用户，提升了总速率性能。

附图说明

图1为本发明系统结构图；

图2为本发明流程图。

具体实施方式

图1示出了本发明系统结构。图1包括基站11和用户121、122、......、12N。基站11通过无线信道与用户121、122、......、12N通信，N为用户个数。基站可以是第三代移动通信3G蜂窝通信网络的基站，也可以是微波存取全球互通WiMAX或第四代移动通信4G系统的接入点。

由于基站使用随机构造的波束，在用户数不多的情形下，难以找到一组信道匹配程度高的用户。如果使用较多的波束，则会增加用户之间的干扰。通过仿真分析发现，使用一个或者两个波束能在大多数情形下获得最好的总速率性能。因此，本发明在原始ORBF方案的基础上增加了一个训练周期，减少了每次使用的波束个数，以获得一个或者两个波束的速率性能优势。

图2为本发明流程图，下面结合附图和实例详细说明本发明。

设定基站11使用M(M≥2)根发射天线，每个用户使用单根天线，申请服务的用户数为N，通常用户数N大于发射天线数M，总发射功率为P。考虑信道块衰落(Block fading model)的情形，即每个用户的信道矩阵H_i(1×M)在每个相干时间内保持不变，在不同的相干时间之间独立地变化。每个相干时间内基站11首先使用两个训练周期选择合适的用户，然后与选择的用户进行数据传输。

步骤21为第一个训练周期，分为211、212、213以下3个子步骤进行。

步骤211：基站11根据同向分布构造一个随机单位波束矢量Φ₁(M×1)，然后使用这个波束分别向用户121、122、......、12N发送一个导频符号s₁。

步骤212：第i个用户的接收信号为，

$y_i=\sqrt{P}{H}_i{\mathrm{\Φ}}_1{s}_1+w_i---\left(1\right)$

w_i是第i个用户对应的加性高斯白噪声，噪声功率为1；P和H_i分别为总发射功率和第i个用户的信道向量。

第i个用户估计有效信噪比 ${\mathrm{SNR}}_i=\sqrt{P}{H}_i{\mathrm{\Φ}}_1$ 并反馈给基站11，本领域技术人员应当理解，有效SNR值可以是模拟信息，也可以是量化信息。

步骤213：基站11选择具有最大有效信噪比的用户作为备选传输用户u₁，将波束Φ₁作为第一备选传输波束，并根据香农公式计算基站与用户u₁进行传输的理论速率

$R_1={\log }_2(1+\underset{1\≤i\≤N}{\max }{\mathrm{SNR}}_i)={\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_{u_1})---\left(2\right)$

步骤22为第二个训练周期，分为221、222、223这3个子步骤进行。

步骤221：基站11根据同向分布独立构造两个随机的单位波束矢量Φ₁′(M×1)和Φ₂′(M×1)，然后使用这两个波束向用户121、122、......、12N发射两个导频符号s₁′和s₂′。

步骤222：第i个用户接收信号为

$y_i^{\′}=\sqrt{P/2}{H}_i{{\mathrm{\Φ}}_1}^{\′}{s_1}^{\′}+\sqrt{P/2}{H}_i{{\mathrm{\Φ}}_2}^{\′}{s_2}^{\′}+w_i^{\′}---\left(3\right)$

考虑等功率分配，w_i′为第i个用户对应的加性高斯白噪声(独立于w_i)，噪声功率为1，P和H_i分别为总发射功率和第i个用户的信道向量。

每个用户将某个导频符号作为期望信号，而将另一个导频符号作为干扰信号，估计出两个有效信干比，

${\mathrm{SINR}}_{i,1}=\frac{{\left|H_i{{\mathrm{\Φ}}_1}^{\′}\right|}^2}{2/P+{\left|H_i{{\mathrm{\Φ}}_2}^{\′}\right|}^2}---\left(4\right)$

${\mathrm{SINR}}_{i,2}=\frac{{\left|H_i{{\mathrm{\Φ}}_2}^{\′}\right|}^2}{2/P+{\left|H_i{{\mathrm{\Φ}}_1}^{\′}\right|}^2}---\left(5\right)$

比较这两个有效信干比，将最大值和其对应的导频符号信息反馈给基站11。若两个值相等，则任意选择一个值以及其对应导频符号信息进行反馈。

步骤223：基站11接收到反馈信息后，找出导频符号s₁′对应的最大有效信干比和导频符号s₂′对应的最大有效信干比，将这两个值对应的用户作为备选传输用户组，用{u₁′，u₂′}表示，若最大值同时对应两个用户，则任意选择一个用户。将{Φ₁′，Φ₂′}作为第二备选传输波束。根据香农公式计算与该用户组中两个用户进行传输的理论速率

$R_2={\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{{u_1}^{\′}1})+{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{{u_2}^{\′}2})---\left(6\right)$

步骤23：比较R₁和R₂，若R₁＞R₂则选择用户u₁和波束Φ₁作为最终选定用户和传输波束，否则选择{u₁′，u₂′}和{Φ₁′，Φ₂′}为最终选定用户和传输波束。

步骤24：基站11采用最终选定传输波束向最终选定用户传输数据。

在下一个相干时间内，基站11重复图2所示的各个步骤，但要保证每次构造的随机波束相互独立。

根据以上的实例说明，虽然本发明增加了一个训练周期，但是通过减少使用的波束个数降低了计算复杂度，减小用户的相互干扰，而且总的反馈信息量并未增加。另一方面，通过波束集选择寻找更合适的用户，在多数情况下能提升总速率性能。

与原始的ORBF方案一样，在本发明中也可以设置信噪比和信干比反馈门限，只有当信噪比和信干比超过反馈门限时用户才反馈信息，这样在对性能影响很小的情况下可以进一步减少系统的总反馈信息量。

Claims (1)

1.一种基于波束集选择的随机波束成形传输方法，包括以下步骤：

(1)基站根据同向分布构造一个随机单位波束Φ₁，通过波束Φ₁向各用户发送导频符号s₁；

(2)各用户接收基站发送的导频符号s₁，估算导频符号s₁对应的有效信噪比，将其发送给基站；

(3)基站接收各用户发送的有效信噪比，选择最大信噪比对应的用户作为第一备选传输用户u₁，将波束Φ₁作为第一备选传输波束；计算基站与第一备选传输用户u₁传输的理论速率R₁；

(4)基站根据同向分布构造两个随机单位波束Φ₁′和Φ₂′，采用波束Φ₁′和Φ₂′向各用户发送两个导频符号s₁′和s₂′；

(5)各用户接收基站发送的导频符号s₁′和s₂′，分别估算导频符号s₁′和s₂′对应的有效信干比，将最大的有效信干比和其对应的导频符号信息发送给基站；

(6)基站接收各用户发送的有效信干比和其对应的导频符号信息，在导频符号s₁′对应的有效信干比中选出最大值，得到该最大值对应的用户u₁′，在导频符号s₂′对应的有效信干比中选出最大值，得到该最大值对应的用户u₂′，将{u₁′，u₂′}作为第二备选传输用户，{Φ₁′，Φ₂′}作为第二备选传输波束；计算基站与第二备选传输用户{u₁′，u₂′}传输的理论速率R₂；

(7)比较R₁和R₂大小，选择较大值对应的备选传输用户和备选传输波束作为最终选定用户和最终选定传输波束；

(8)基站采用最终选定传输波束向最终选定用户传输数据。

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