CN101394215B - 总反馈量受限的mimo-ofdma波束成形传输方法 - Google Patents

Abstract

一种无线通信系统传输技术领域的总反馈量受限的MIMO-OFDMA波束成形传输方法，包括以下步骤：步骤一，发射端设计反馈门限值并将其广播给所有用户；步骤二，各用户接收门限值并判断每个子信道是否满足反馈条件，如果满足则进入步骤三，否则结束；步骤三，各用户在每个满足反馈条件的子信道上确定接收合并矢量；步骤四，各用户在每个满足反馈条件的子信道上生成反馈信息并发送回发射端；步骤五，发射端根据反馈信息在每个子信道上进行用户调度，然后发射端发送数据。本发明根据用户数，波束成形矢量码本长度和接收天线数自适应地设置反馈门限，极大地减小了总反馈量，同时还能随着用户数的增加而渐进地获得与无门限方法相同的频谱效率。

Description

总反馈量受限的MIMO-OFDMA波束成形传输方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信技术领域的方法，具体是一种总反馈量受限的MIMO-OFDMA波束成形传输方法。

背景技术

随着移动通信系统用户量的急剧增长以及多媒体业务的迅速兴起，多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技术能产生多个并行的空间子信道来传输多个数据流，从而在不增加系统带宽和发射功率的前提下成倍的提高系统的容量和频谱效率。同时，MIMO技术还能提供丰富的空间分集增益，能极大地提高通信的可靠性。另一方面，正交频分复用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，OFDM)技术也由于其结构简单、频谱效率高、能对抗频率选择性衰落等优点而受到广泛的关注。OFDM技术已经被广泛应用于HIPERLAN2，802.11a，DVB等系统中。在多用户系统中，不同的频域子信道可以自适应地分配给信道条件最好的用户，从而构成正交频分多址系统(OrthogonalFrequency Division Multiple Access)。OFDMA技术最显著的优势就是能在频率域获得多用户分集增益。目前，OFDMA技术已经成为3GPP LTE、WiMAX等无线通信系统的关键技术之一。将MIMO和OFDMA两种技术相结合所构成的MIMO-OFDMA宽带无线通信系统可以同时提高传输速率、频谱效率和可靠性。在MIMO-OFDMA无线通信系统中，由于通信资源包括空、时、频、用户和发射功率，其传输方法和资源分配策略都非常复杂。

现有的MIMO-OFDMA无线通信系统，特别是下行系统中的传输方法大都假设发射端具有理想的信道信息。在FDD系统中，这意味着每个用户都必须将其在每个频域子信道上的信道响应矩阵全部反馈回发射端，反馈链路总的反馈量会随着用户数、发射天线数和接收天线数的增加而线性增加。

经对现有技术文献的检索发现，刘毅和张海林发表在在西安电子科技大学学报(自然科学版)2007年2月第1期第34卷的文章“有限反馈多用户MIMO-OFDMA下行链路预编码”提出了一种无反馈门限的MIMO-OFDMA波束成形传输方法，该方法在发射端和所有的接收端都采用一个固定的、根据格拉斯曼(Grassmann)装箱原理构建的波束成形矢量码本，接收端在每个子信道上计算其最优的波束成形矢量，并把该最优波束成形矢量在码本中的索引号以及信道响应矩阵与该最优波束成形矢量乘积矢量的2-范数平方值反馈回发射端，发射端在每个子信道上再利用这些反馈信息来调度用户。该方法虽然可以有效地减少每个用户的反馈量，但是由于没有设置任何反馈门限，每个用户在每个子信道上都有反馈，总的反馈量还是会随着用户数的增加而线性增加，当用户数逐渐增加时反馈链路的负担也逐渐沉重。

发明内容

本发明针对上述现有技术中的不足，提出一种总反馈量受限的MIMO-OFDMA波束成形传输方法，根据用户数和波束成形矢量码本长度自适应地设置反馈门限，有效地减少了总反馈量，克服了现有方法总反馈量较大的问题。

本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

步骤一，发射端设定反馈门限值γ并将其广播给所有用户；

步骤二，各用户接收反馈门限值γ，并获得最优波束成形矢量，以判断该子信道上的方差归一化信道响应矩阵与最优波束成形矢量乘积的2-范数的平方值是否大于反馈门限值γ，即在每个子信道上判断是否满足反馈条件，若满足则用户在该子信道上有反馈信息，进入步骤三，否则，则无反馈信息，终止步骤；

步骤三，各用户在每个满足反馈条件的子信道上确定最大比接收合并矢量；

步骤四，各用户在每个满足反馈条件的子信道上形成反馈信息并发送回发射端；

步骤五，发射端根据反馈信息在每个子信道上进行用户调度，调度之后再发送数据，用户用步骤三获得的接收合并矢量接收数据。

步骤一中，所述设定反馈门限值γ，是指令系统平均总反馈量的上限与系统内用户数成自然对数关系，获得门限值的方程： $\ln (1+\mathrm{\γ})-\mathrm{\γ}-\ln \left(\frac{\ln K}{\mathrm{MK}}\right)=0,$ 式中：γ为反馈门限值，K是系统内用户数，利用牛顿法求得反馈门限值γ。

步骤四中，所述反馈信息，包括三部分：子信道的编号、最优波束成形矢量在波束成形矢量码本中的索引号、该子信道上的方差归一化信道响应矩阵与最优波束成形矢量乘积的2-范数的平方值。

步骤五中，所述发射端根据反馈信息在每个子信道上进行用户调度，包括如下具体步骤：

第一步，建立每个子信道上的反馈用户集∏_c：

∏_c＝{k∈{1，…，K}|FI_k，c(1)＝c}，c＝1，…，C

∏_c是由所有在子信道c上有反馈的用户的索引号组成的集合；

第二步，计算每个子信道上所有反馈用户的信道容量：

$\∀.j\∈{\mathrm{\Π}}_c,$ 则用户j在子信道c上的SNR_j，c为

${\mathrm{SNR}}_{j,c}=\frac{P}{C}{\left|\right|\mathrm{\Γ}\left|\right|}_1\·{\mathrm{FI}}_{j,c}\left(3\right)=\frac{P}{C}{\left|\right|\mathrm{\Γ}\left|\right|}_1\·{\left|\right|{\stackrel{\‾}{H}}_j\left(c\right)w_{j_k\left(c\right)}\left|\right|}_2^2$

其中，P表示总的发射功率，在每个子信道上平均分配，上式中假设噪声方差为1，根据香农公式，用户j在子信道c上的信道容量I_j，c为：

I_j，c＝log₂(1+SNR_j，c)；

第三步，将每个子信道分配给对应反馈用户集中具有最大信道容量的用户，表示如下： $a\left(c\right)=\underset{j\∈{\mathrm{\Π}}_c}{\max }{I}_{j,c},$ c＝1，…，C，则最终使用子信道c。

所述发射端和用户接收端，均采用固定的波束成形矢量码本，且波束成形矢量码本根据格拉斯曼装箱原理构建。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明根据用户数，波束成形矢量码本长度和用户接收天线数自适应地设置反馈门限值，有效地减少了总反馈量(不超过BClnK)。同时，当用户数K逐渐增加时，本发明渐进地获得与无反馈门限波束成形传输方法相同的频谱效率。

附图说明

图1为本发明的工作流程图；

图2为本发明方法与无反馈门限MIMO-OFDMA波束成形传输方法的平均总反馈量仿真比较图；

图3为本发明方法与无反馈门限MIMO-OFDMA波束成形传输方法的频谱效率仿真比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例中，发射天线数为4，用户接收端天线数N＝2，频域子信道数C＝64，功率时延谱Γ＝[1e^-1e^-2]，用户数为K的MIMO-OFDMA无线通信系统。每条路径为独立的瑞利衰落。只有一个发射端，4×M的波束成形矢量码本W根据Grassmann装箱原理构建，长度为M，即W＝{w₁，…，w_M}，且提前存储在发射端和所有用户接收端。用户接收端具有精确的信道状态信息。

如图1所示，本实施例包括如下步骤：

步骤一，发射端设定反馈门限值γ并将其广播给所有用户；具体方法如下：

令H_k(c)表示用户k(k∈{1，…，K})在第c(c∈{1，…，C})个子信道上的2×4的信道响应矩阵，发射端虽然不知道H_k(c)，但是根据OFDM原理，H_k(c)的元素为独立同分布的均值为0、方差为‖Γ‖₁的复高斯随机变量，其中‖Γ‖₁表示Γ的1-范数。定义方差归一化信道响应矩阵H_k(c)＝H_k(c)/‖Γ‖₁，则H_k(c)的元素为独立同分布的均值为0、单位方差的复高斯随机变量。

用户k在子信道c上存在反馈的概率P_v可以表示为：

$P_v=\mathrm{Pr}\{\underset{j\∈\{1,\·\·\·,M\}}{\max }{\left|\right|{\stackrel{\‾}{H}}_k\left(c\right)w_j\left|\right|}_2^2>\mathrm{\γ}\}$

$\≤\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Pr}\{{\left|\right|{\stackrel{\‾}{H}}_k\left(c\right)w_j\left|\right|}_2^2>\mathrm{\γ}\}---\left(1\right)$

$=\mathrm{MPr}\{{\left|\right|{\stackrel{\‾}{H}}_k\left(c\right)w_j\left|\right|}_2^2>\mathrm{\γ}\}$

$=M(1-\mathrm{Pr}\{{\left|\right|{\stackrel{\‾}{H}}_k\left(c\right)w_j\left|\right|}_2^2\≤\mathrm{\γ}\})$

上式中，M是波束成形矢量码本长度，

表示矢量H_k(c)w_j的2-范数的平方，第二个不等号是根据联合上限，第三个等式是由于H_k(c)w_j(j∈{1，…，M})具有相同的统计分布。由于‖w_j‖₂＝1(j∈{1，…，M})，因此随机矢量H_k(c)w_j的元素也是独立同分布的零均值、单位方差的复高斯随机变量，故而随机变量是具有4个自由度的X²分布。的累积概率分布为：

$\mathrm{Pr}\{{\left|\right|{\stackrel{\‾}{H}}_k\left(c\right)w_j\left|\right|}_2^2\≤\mathrm{\γ}\}=1-e^{-\mathrm{\γ}}{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{N-1}\frac{{\mathrm{\γ}}^i}{i!}---\left(2\right)$

将式(2)代入式(1)得到：

$P_v\≤M{e}^{-\mathrm{\γ}}{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{N-1}\frac{{\mathrm{\γ}}^i}{i!}---\left(3\right)$

因此，整个系统的平均反馈量F可以表示为

$\stackrel{\‾}{F}={\mathrm{BCKP}}_v\≤\mathrm{BCKM}{e}^{-\mathrm{\γ}}{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{N-1}\frac{{\mathrm{\γ}}^i}{i!}---\left(4\right)$

其中，B是每个反馈信息所需要的比特数，N是用户接收天线数。

令系统平均总反馈量与用户数K成自然对数关系，即式(4)中给出的平均反馈总量等于BClnK：

$\mathrm{BCKM}{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{N-1}\frac{{\mathrm{\γ}}^i}{i!}=\mathrm{BC}\ln K---\left(5\right)$

化简后上式等效于：

$e^{-\mathrm{\γ}}{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{N-1}\frac{{\mathrm{\γ}}^i}{i!}=\frac{\ln K}{\mathrm{MK}}---\left(6\right)$

由上式可以看出γ与用户数K，波束成形矢量码本长度M和用户接收天线数N都有关系。将N＝2代入上式并对两端取自然对数后可得到：

$\ln (1+\mathrm{\γ})-\mathrm{\γ}-\ln \left(\frac{\ln K}{\mathrm{MK}}\right)=0---\left(7\right)$

反馈门限值γ可利用牛顿法解方程(7)来获得。发射端得到γ后需要通过下行广播信道将γ通知各用户。

步骤二，接收反馈门限值γ并进行反馈判断：各用户在接收到反馈门限值γ以后，首先计算每个子信道上的最优波束成形矢量：

$i_k\left(c\right)=\arg \underset{j\∈(1,\·\·\·,M)}{\max }{\left|\right|{\stackrel{\‾}{H}}_k\left(c\right)w_j\left|\right|}_2^2,k\∈\{1,\·\·\·,K\}---\left(8\right)$

即用户k在子信道c上的最优波束成形矢量为

参数i_k(c)表示在码本W中的索引号。

然后，进行反馈判断：用户k(k∈{1，…，K})在子信道c(c∈{1，…，C})上的反馈判断条件如下： ${\left|\right|{\stackrel{\‾}{H}}_k\left(c\right)w_{i_k\left(c\right)}\left|\right|}_2^2>\mathrm{\γ}---\left(9\right)$

如果上述条件成立则说明用户k在子信道c上有反馈信息，否则无反馈信息。反馈判断是为了尽量将每个子信道上具有较高

的用户的信息反馈回发射端，避免

较低的用户反馈信息，从而降低系统的总反馈量。步骤三，确定接收合并矢量：如果用户k的子信道c满足反馈条件(式(9))，则用户k在子信道c上的最大比接收合并(MRC)矢量为：

$z_{k,c}=w_{i_k\left(c\right)}^{+}{\stackrel{\‾}{H}}_k{\left(c\right)}^{+}/{\left|\right|{\stackrel{\‾}{H}}_k\left(c\right)w_{i_k\left(c\right)}\left|\right|}_2---\left(10\right)$

步骤四，生成反馈信息并发送回发送端：如果用户k的子信道c满足反馈条件(式(9))，则在该子信道上生成的反馈信息为： ${\mathrm{FI}}_{k,c}\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\{c,i_k\left(c\right),{\left|\right|{\stackrel{\‾}{H}}_k\left(c\right)w_{i_k\left(c\right)}\left|\right|}_2^2\}.$ 不同用户的FI_k，c通过正交方式，例如TDMA，发送回发射端。c的量化需要

个比特，ik(c)的量化需要

个比特，

的量化可以用8个比特，则反馈一个FI_k，c总共需要

比特，其中符号

表示取上整。

步骤五，发射端用户调度，包括如下具体步骤：

第一步，建立每个子信道上的反馈用户集∏c

∏_c＝{k∈{1，…，K}|FI_k，c(1)＝c}，c＝1，…，C   (11)

从上式可以看出∏_c实际上是由所有在子信道c上有反馈的用户的索引号组成的集合。

第二步，计算每个子信道上所有反馈用户的信道容量：

$\∀.j\∈{\mathrm{\Π}}_c,$ 则用户j在子信道c上的SNR_j，c为

${\mathrm{SNR}}_{j,c}=\frac{P}{C}{\left|\right|\mathrm{\Γ}\left|\right|}_1\·{\mathrm{FI}}_{j,c}\left(3\right)=\frac{P}{C}{\left|\right|\mathrm{\Γ}\left|\right|}_1\·{\left|\right|{\stackrel{\‾}{H}}_j\left(c\right)w_{j_k\left(c\right)}\left|\right|}_2^2---\left(12\right)$

其中，P表示总的发射功率，在每个子信道上平均分配。上式中假设噪声方差为1。根据香农公式，用户j在子信道c上的信道容量I_j，c为：

I_j，c＝log₂(1+SNR_j，c)   (13)

第三步，将每个子信道分配给对应反馈用户集中具有最大信道容量的用户，具体如下：

$a\left(c\right)=\underset{j\∈{\mathrm{\Π}}_c}{\max }{I}_{j,c},c=1,\·\·\·,C---\left(14\right)$

最终使用子信道c。

通过上述步骤，发射端将子信道c分配给用户a(c)并在该子信道上使用波束成形矢量 $w_{{\mathrm{FI}}_{a\left(c\right),c}\left(2\right)}=w_{i_{a\left(c\right)}\left(c\right)}.$

步骤六，发射端在子信道c(c∈{1，…，C})上以波束成形矢量

向用户a(c)发送数据，该用户用接收合并矢量z_a(c)，c接收数据。

如图2所示，是本实施例方法与无反馈门限的MIMO-OFDMA波束成形传输方法(标记为NoThld)的平均总反馈量仿真比较图。图中假设发射功率P＝10dB，M＝4和16。同时给出了本实施例方法的平均总反馈量上限值BClnK的曲线。注意：为了便于观察，图中的平均反馈总量是对B进行归一化后的值，而且纵坐标取的是对数值。从图中不难看出，本实施例方法的平均总反馈量要远远小于无反馈门限的方法，而且不会超过上限值BClnK。在相同的K下，M越大反馈总量值越小。

如图3所示，是本实施例方法与无反馈门限的MIMO-OFDMA波束成形传输方法的频谱效率仿真比较图。图中总的发射功率P＝10dB，分别给出了波束成形矢量码本长度M＝4和16的仿真结果。从图中可以看到，当用户数K较小时，本实施例方法的频谱效率要低于无反馈门限的方法，但是随着K的增加本实施例方法渐进地获得与无反馈门限方法相同的频谱效率。

从本实施例的仿真结果可以发现，随着用户数K的增加，本实施例方法的频谱效率逐渐接近无反馈门限方法的频谱效率，但是其总反馈量却大大小于无反馈门限方法。

Claims (5)

1.一种总反馈量受限的MIMO-OFDMA波束成形传输方法，包括如下步骤：

步骤一，发射端设定反馈门限值γ并将其广播给所有用户；

步骤二，各用户接收反馈门限值γ；

针对每个子信道进行以下步骤：

a)计算最优波束成形矢量；

b)计算子信道上的方差归一化信道响应矩阵与最优波束成形矢量乘积的2范数的平方值，并判断该平方值是否大于反馈门限值γ：若大于，则判定子信道满足反馈条件、用户在该子信道上有反馈信息，进入步骤三；否则，则无反馈信息，终止步骤；

步骤三，各用户在每个满足反馈条件的子信道上确定最大比接收合并矢量；

步骤四，各用户在每个满足反馈条件的子信道上形成反馈信息并发送回发射端；

步骤五，发射端根据反馈信息在每个子信道上进行用户调度，调度之后再发送数据，用户用步骤三获得的接收合并矢量接收数据；

所述用户接收端天线数N＝2。

2.根据权利要求1所述的总反馈量受限的MIMO-OFDMA波束成形传输方法，其特征是，步骤一中，所述设定反馈门限值γ，是指令系统平均总反馈量的上限与系统内用户数成自然对数关系，获得门限值的方程：

式中：γ为反馈门限值，K是系统内用户数，利用牛顿法求得反馈门限值γ，M为波束成形矢量码本长度。

3.根据权利要求1所述的总反馈量受限的MIMO-OFDMA波束成形传输方法，其特征是，步骤四中，所述反馈信息，包括三部分：子信道的编号、最优波束成形矢量在波束成形矢量码本中的索引号、该子信道上的方差归一化信道响应矩阵与最优波束成形矢量乘积的2范数的平方值。

4.根据权利要求1所述的总反馈量受限的MIMO-OFDMA波束成形传输方法，其特征是，步骤五中，所述发射端根据反馈信息在每个子信道上进行用户调度，包括如下具体步骤：

第一步，建立每个子信道上的反馈用户集∏_c：

∏_c＝{k∈{1，…，K}|FI_k，c(1)＝c}，c＝1，…，C

∏_c是由所有在子信道c上有反馈的用户的索引号组成的集合；

k为用户的编号；

K为用户数量；

c为子信道索引号；

C为子信道数量；

FI_k，c(1)为用户k在子信道c上得到的反馈信息的第1个元素；

第二步，计算每个子信道上所有反馈用户的信道容量：

则用户j在子信道c上的SNR_j，c为

${\mathrm{SNR}}_{j,c}=\frac{P}{C}{\left|\right|\mathrm{\Γ}\left|\right|}_1\·{\mathrm{FI}}_{j,c}\left(3\right)=\frac{P}{C}{\left|\right|\mathrm{\Γ}\left|\right|}_1\·{\left|\right|{\stackrel{\‾}{H}}_j\left(c\right)w_{j_k\left(c\right)}\left|\right|}_2^2$

其中，P表示总的发射功率，在每个子信道上平均分配，上式中假设噪声方差为1，根据香农公式，用户j在子信道c上的信道容量I_j，c为：

j为用户编号；

I_j，c＝log₂(1+SNR_j，c)；

FI_j，c(3)为用户j在子信道c上得到的反馈信息的第3个元素；

||Γ||₁为功率时延谱Γ的1范数；

为矢量

的2范数的平方；

其中为方差归一化信道响应矩阵

H_j(c)的元素为独立同分布的均值为0、方差为||Γ||₁的复高斯随机变量，

为波束成形矢量码；

第三步将每个子信道分配给对应反馈用户集中具有最大信道容量的用户，表示如下：

则最终使用子信道c；

a(c)为使用了子信道c的具有最大信道容量的用户。

5.根据权利要求1所述的总反馈量受限的MIMO-OFDMA波束成形传输方法，其特征是，所述发射端和用户接收端，均采用固定的波束成形矢量码本，且波束成形矢量码本根据格拉斯曼装箱原理构建。

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