CN101183890B - 一种基于码本的多用户预编码系统的cqi反馈方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于码本的多用户预编码系统的CQI反馈方法，包括：在预编码码本矩阵中选择使当前用户容量或吞吐量最大的码本列矢量，与此列矢量构成码本中预编码矩阵的另外的列矢量作为其他干扰用户所采用的预编码矢量，通过选定的码本列矢量计算小区内每个用户考虑有其他用户干扰的信道质量指示CQI₁以及不考虑其他用户干扰的信道质量指示CQI₂与CQI₁的差值Δ，基站根据各用户反馈的CQI₁、差值Δ和预编码矩阵索引进行用户调度。该方法使得发射端基站可以获取更加精确有效的CQI，进一步提高系统性能。

Description

一种基于码本的多用户预编码系统的CQI反馈方法

技术领域

本发明涉及多输入多输出通信系统领域，具体涉及一种基于码本的多用户预编码系统的信道质量指示CQI反馈方法。

背景技术

在第三代合作伙伴计划长期演进3rd Generation Partnership Project LongTerm Evolution，简称3GPP LTE系统中，基于码本的预编码技术得到了应用。在频分双工Frequency Division Duplex，简称FDD系统中，码本的使用大大降低了预编码系统的反馈信息量，在付出极小的反向链路信令开销代价时极大地提升系统的频谱效率。而基于码本的多用户预编码系统，由于其多用户分集带来的增益，相比于基于码本的单用户预编码系统，在用户数比较多时系统性能上有一定的优势。

目前，在3GPP LTE系统中，基于码本的单用户预编码系统方案已经基本确定，基于码本的多用户预编码系统方案则成为现阶段讨论热点，其中信道质量指示Channel Quality Indicator，简称CQI反馈方案就是一个非常重要的方面。基于码本的单用户预编码系统需要反馈选中的码本矩阵索引和两个CQI，根据3GPP LTE的会议结论，3GPP LTE还未确定多用户预编码系统具体的CQI反馈方法，基于码本的多用户预编码系统可以反馈与单用户预编码系统相同的比特数，但反馈开销的大小将作为选择CQI反馈方法的重要依据。

目前很多多用户预编码系统反馈方案只反馈选中的码本矩阵索引和一个CQI，相比于单用户预编码系统就有了若干富余的比特，虽然减少了反馈开销，但是难于为多用户系统调度提供更准确的信道状态信息以进一步提高系统性能。因此，可以考虑充分、合理地利用这些富余的比特反馈另一个CQI。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种基于码本的多用户预编码系统的CQI反馈方法，能够在基于码本的多用户预编码系统中进行更加精确有效的CQI反馈，进一步提高系统的性能。

本发明的上述技术问题这样解决，提供一种基于码本的多用户预编码系统的CQI反馈方法，包括以下步骤：

1.1)小区内所有用户分别进行信道估计并获取当前信道转移矩阵，通过信道转移矩阵和预编码码本矩阵计算当前用户的每个码本列矢量对应的发射数据流的后处理信干噪比Signal Interference Noise Ratio，简称SINR，然后根据容量或吞吐量最大化准则在预编码码本矩阵中选择出使得当前用户容量或吞吐量最大的码本列矢量；

1.2)各用户通过选定的码本列矢量计算出考虑有其他用户干扰的信道质量指示CQI₁以及不考虑其他用户干扰的信道质量指示CQI₂与CQI₁的差值Δ，并将CQI₁、差值Δ和选定的码本列矢量所对应的预编码矩阵索引反馈回基站；

1.3)基站收到各用户反馈的CQI₁、差值Δ和预编码矩阵索引后，进行用户调度。

按照本发明提供的CQI反馈方法，所述信道转移矩阵为N_R×N_T矩阵，所述预编码码本矩阵为N_T×L矩阵，其中N_T为基站发射天线数，N_R为基站接收天线数，L为小区内所有用户中允许同一时间进行预编码操作，发送编码块数据流的用户数。

按照本发明提供的CQI反馈方法，所述步骤1.1)中计算当前用户的每个码本列矢量对应的发射数据流的后处理信干噪比时需假定预编码码本矩阵中该码本列矢量为当前用户的预编码矢量，矩阵中的其他码本列矢量为其他用户对当前用户的干扰。

按照本发明提供的CQI反馈方法，所述步骤1.1)中当发射端同一时间只能发送2个编码块数据流时，即L＝2时，所述差值Δ的计算可以在计算CQI₁的过程中同步得出，具体为 ${\mathrm{\Δ}}_1=\frac{b^2}{{\mathrm{\σ}}_n^{2}d}$ 或 ${\mathrm{\Δ}}_2=\frac{b^2}{{\mathrm{\σ}}_n^{2}a},$ 其中，变量a，b，d构成的矩阵 $\left[\begin{array}{cc}a& b\\ b^{*}& d\end{array}\right]=[{\mathrm{\σ}}_n^{2}I+{\left(\mathrm{HP}\right)}^H\left(\mathrm{HP}\right)],$ H为信道转移矩阵，P为预编码码本矩阵，σ_n ²为噪声功率，I为单位矩阵。

按照本发明提供的CQI反馈方法，所述矩阵 $\left[\begin{array}{cc}a& b\\ b^{*}& d\end{array}\right]=[{\mathrm{\σ}}_n^{2}I+{\left(\mathrm{HP}\right)}^H\left(\mathrm{HP}\right)]$ 为一个共轭对称矩阵，其主对角线之外的元素表示另一个用户对当前用户的干扰。

按照本发明提供的CQI反馈方法，所述步骤1.2)中在各用户将CQI₁、差值Δ和选定的码本列矢量所对应的预编码矩阵索引反馈回基站之前，还包括：将CQI₁、差值Δ进行量化。

按照本发明提供的CQI反馈方法，所述将CQI₁、差值Δ进行量化时，对CQI₁采用相同的量化间隔，对差值Δ根据后处理信干噪比或接收信噪比大小的不同采用不同的量化间隔。

按照本发明提供的CQI反馈方法，所述步骤1.3)中所述用户调度具体包括：基站首先根据CQI₁进行多用户的配对调度，从所有可调度的用户对中选出容量或吞吐量最大的L个用户作为系统当前调度用户进行数据发送，当没有满足容量或吞吐量最大条件的可调度的用户对时，基站将各用户反馈的CQI₁和差值Δ相加得到各用户不考虑其他用户干扰的信道质量指示CQI₂，根据CQI₂依次从小区所有用户中根据容量或吞吐量最大化准则选出一个用户进行数据发送。

按照本发明提供的CQI反馈方法，所述系统当前调度用户的码本列矢量所构成的码本矩阵必须为预编码码本矩阵集合中的矩阵。

按照本发明提供的CQI反馈方法，该反馈方法应用于3GPP LTE系统中。

本发明提供的一种基于码本的多用户预编码系统的CQI反馈方法，通过小区内各用户反馈考虑有其他用户干扰的信道质量指示CQI₁和不考虑其他用户干扰的信道质量指示CQI₂与CQI₁的差值Δ两个信道质量指示值，并对差值Δ采用同样的反馈比特数和不同的量化间隔进行量化，保证了在使用相同的反馈比特数的前提下，发射端基站可以获取更加精确有效的CQI；同时，反馈CQI₂与CQI₁的差值Δ有利于减少反馈比特数，降低反馈开销。进一步提高系统性能；

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步对本发明进行详细说明。

在基于码本的多用户预编码系统中，定义N_T为发射天线数，N_R为接收天线数，小区内有K个用户，但同一时间只对L个用户进行预编码操作，发送数据，发射编码块数据流数量为L，每个用户对应一个数据流，发射端基站和接收端用户存储同样的码本矩阵集合。

系统模型为：

y＝HPx+n

其中H是N_R×N_T信道转移矩阵，P为N_T×L预编码码本矩阵，预编码码本矩阵的集合为C_B＝{P₁，P₂，…，P_R}，P∈C_B，x是L×1发射数据矢量，n是N_R×1加性高斯噪声，y是N_R×1接收信号矢量。

根据3GPP LTE中对单用户闭环空间复用MIMO系统的规定，发端只能同时发送2个编码块数据流。为了保证多用户MIMO系统和单用户MIMO系统硬件设备的一致性，L取值为2。

接收端使用线性最小均方误差均衡器，如下所示：

$G={\left(\mathrm{HP}\right)}^H{[\left(\mathrm{HP}\right){\left(\mathrm{HP}\right)}^H+{\mathrm{\σ}}_n^{2}I]}^{-1}$

其中G为均衡后的整体信道，σ_n ²是噪声功率，I是单位矩阵。

用户对应每个发射数据流的后处理信干噪比SINR为：

${\mathrm{\γ}}_k=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_n^2{[{\mathrm{\σ}}_n^{2}I+{\left(\mathrm{HP}\right)}^H\left(\mathrm{HP}\right)]}_{\mathrm{kk}}^{-1}}-1=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_n^2{\left[T^{-1}\right]}_{\mathrm{kk}}}-1,$ 式中 $T=[{\mathrm{\σ}}_n^{2}I+{\left(\mathrm{HP}\right)}^H\left(\mathrm{HP}\right)].$

在考虑其他用户干扰的情况下：

$T=\left[\begin{array}{cc}a& b\\ b^{*}& d\end{array}\right],$ $T^{-1}={\left[\begin{array}{cc}a& b\\ b^{*}& d\end{array}\right]}^{-1}=\frac{1}{\mathrm{ad}-b^2}\left[\begin{array}{cc}d& -b\\ {-b}^{*}& a\end{array}\right]$

其中a，b，d是变量。T为一个共轭对称矩阵，主对角线之外的元素表征了另一个用户对当前用户的干扰。

在不考虑其他用户干扰的情况下，可以得到2个用户的后处理信干噪比SINR为：

${\mathrm{\γ}}_1^{\′}=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_n^2{\left[\begin{array}{cc}a& 0\\ 0& d\end{array}\right]}_{11}^{-1}}-1=\frac{a}{{\mathrm{\σ}}_n^2}-1,$ ${\mathrm{\γ}}_2^{\′}=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_n^2{\left[\begin{array}{cc}a& 0\\ 0& d\end{array}\right]}_{22}^{-1}}-1=\frac{d}{{\mathrm{\σ}}_n^2}-1$

而考虑其他用户干扰的后处理信干噪比SINR可以表示为：

${\mathrm{\γ}}_1={\mathrm{\γ}}_1^{\′}-\frac{b^2}{{\mathrm{\σ}}_n^{2}d},$ ${\mathrm{\γ}}_2={\mathrm{\γ}}_2^{\′}-\frac{b^2}{{\mathrm{\σ}}_n^{2}a}$

根据上面的公式，可以明显看出考虑其他用户干扰的后处理信干噪比SINR与不考虑其他用户干扰的后处理信干噪比SINR之间的联系，之间的差值Δ为 ${\mathrm{\Δ}}_1=\frac{b^2}{{\mathrm{\σ}}_n^{2}d}$ 或 ${\mathrm{\Δ}}_2=\frac{b^2}{{\mathrm{\σ}}_n^{2}a}.$

将考虑其他用户干扰的后处理信干噪比γ_k作为CQI₁进行反馈，同时将考虑其他用户干扰的后处理信干噪比γ_k与不考虑其他用户干扰的后处理信干噪比γ_k′之间的差值进行反馈。

基站接收到各用户反馈CQI₁的和预编码矩阵索引后，首先根据CQI₁进行多用户的配对调度，如果没有可以配对的多用户，则将各用户反馈的CQI₁和差值Δ相加得到各用户不考虑其他用户干扰的信道状态信息CQI₂，从中选择一个单用户进行数据发送。

下表的例子列出了在考虑其他用户干扰和不考虑其他用户干扰的情况下后处理信干噪比的差值，差值在不同接收信噪比时的量值大小不同，所以差值可以在不同接收信噪比时采用不同的量化间隔。也就是说，用同样的反馈比特数对差值进行量化，根据γ_k或接收信噪比大小的不同，对差值的量化间隔大小也应该有所不同。这样可以保证使用相同的反馈比特数的前提下，发端可以获得尽量精确有效的CQI。

接收信噪比SNR(dB)	线性差值	dB差值
			0	0.1	0.5
5	0.5	1.1
			10	3.8	2.6
15	16	4.2
			20	50	5.6

Claims (10)

1.一种基于码本的多用户预编码系统的CQI反馈方法，其特征在于，包括以下步骤：

1.1)小区内所有用户分别进行信道估计并获取当前信道转移矩阵，通过信道转移矩阵和预编码码本矩阵计算当前用户的每个码本列矢量对应的发射数据流的后处理信干噪比，然后根据容量或吞吐量最大化准则在预编码码本矩阵中选择出使得当前用户容量或吞吐量最大的码本列矢量；

1.2)各用户通过选定的码本列矢量计算出考虑有其他用户干扰的信道质量指示CQI₁以及不考虑其他用户干扰的信道质量指示CQI₂与CQI₁的差值Δ，并将CQI₁、差值Δ和选定的码本列矢量所对应的预编码码本矩阵索引反馈回基站；

1.3)基站收到各用户反馈的CQI₁、差值Δ和预编码码本矩阵索引后，进行用户调度。

2.根据权利要求1所述CQI反馈方法，其特征在于，所述信道转移矩阵为N_R×N_T矩阵，所述预编码码本矩阵为N_T×L矩阵，其中N_T为基站发射天线数，N_R为基站接收天线数，L为小区内所有用户中允许同一时间进行预编码操作，发送编码块数据流的用户数。

3.根据权利要求1所述CQI反馈方法，其特征在于，所述步骤1.1)中计算当前用户的每个码本列矢量对应的发射数据流的后处理信干噪比时需假定预编码码本矩阵中该码本列矢量为当前用户的预编码矢量，矩阵中其他码本列矢量为其他用户对当前用户的干扰。

4.根据权利要求1所述CQI反馈方法，其特征在于，所述步骤1.1)中当发射端同一时间只能发送2个编码块数据流时，即L＝2时，所述差值Δ的计算可以在计算CQI₁的过程中同步得出，具体为

或

其中，变量a，b，d构成的矩阵 $\left[\begin{array}{cc}a& b\\ b^{*}& d\end{array}\right]=[{\mathrm{\σ}}_n^{2}I+{\left(\mathrm{HP}\right)}^H\left(\mathrm{HP}\right)],$ H为信道转移矩阵，P为预编码码本矩阵，

为噪声功率，I为单位矩阵。

5.根据权利要求4所述CQI反馈方法，其特征在于，所述矩阵 $\left[\begin{array}{cc}a& b\\ b^{*}& d\end{array}\right]=[{\mathrm{\σ}}_n^{2}I+{\left(\mathrm{HP}\right)}^H\left(\mathrm{HP}\right)]$ 为一个共轭对称矩阵，其主对角线之外的元素表示另一个用户对当前用户的干扰。

6.根据权利要求1所述CQI反馈方法，其特征在于，所述步骤1.2)中在各用户将CQI₁、差值Δ和选定的码本列矢量所对应的预编码码本矩阵索引反馈回基站之前，还包括：将CQI₁、差值Δ进行量化。

7.根据权利要求6所述CQI反馈方法，其特征在于，所述将CQI₁、差值Δ进行量化时，对CQI₁采用相同的量化间隔，对差值Δ根据后处理信干噪比或接收信噪比大小的不同采用不同的量化间隔。

8.根据权利要求1所述CQI反馈方法，其特征在于，所述步骤1.3)中所述用户调度具体包括：基站首先根据CQI₁进行多用户的配对调度，从所有可调度的用户对中选出容量或吞吐量最大的L个用户作为系统当前调度用户进行数据发送，当没有满足容量或吞吐量最大条件的可调度的用户对时，基站将各用户反馈的CQI₁和差值Δ相加得到各用户不考虑其他用户干扰的信道质量指示CQI₂，根据CQI₂依次从小区所有用户中根据容量或吞吐量最大化准则选出一个用户进行数据发送。

9.根据权利要求8所述CQI反馈方法，其特征在于，所述系统当前调度用户的码本列矢量所构成的码本矩阵必须为预编码码本矩阵集合中的矩阵。

10.根据权利要求1所述CQI反馈方法，其特征在于，该反馈方法应用于3GPP LTE系统中。