CN101415229B - 空分多址系统基于有限反馈限制的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种空分多址系统基于有限反馈限制的方法及装置，用于无线传输技术领域。步骤为：一，根据系统码本中码本子集数，发射天线数，得到矢量量化误差分布函数；二，根据系统支持的总反馈比特数，用户总数，发射天线数，矢量量化误差分布函数设置相应的矢量量化误差阈值、信道增益阈值；三，对用户的信道方向信息和信道质量信息进行量化，记录信道方向信息的矢量量化误差；四，反馈矢量量化误差小于阈值、信道质量信息高于信道增益阈值用户的信道状态信息。所述装置包括接收端装置以及与其配合的发射端装置。本发明在提高了反馈速率控制的精度，性能稳健，易于实现。

Description

空分多址系统基于有限反馈限制的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种无线传输技术领域的正交波束成形方法和装置，具体是一种空分多址系统基于有限反馈限制的方法及装置。

背景技术

MIMO技术作为下一代移动通信(4G)系统的核心技术，能够有效地提高分集增益、增加系统容量，满足用户的高速数据传输基本要求。在移动通信系统中，必须满足同时为多个用户提供服务，对于MIMO下行系统，即广播信道情况，为了提高复用增益，使系统容量与基站发射天线数呈线性关系，可以采用空分多址(SDMA)方式，该方式已被IEEE 802.16e标准采纳，同时也向3GPP长期演进标准进行了提交。为了有效对抗多用户之间的干扰，目前理论上已证明基于干扰预消除的脏纸编码(DPC)技术是最优的一种方法，但是这种方法需要连续编码和解码，计算复杂度较大，不易于在实际系统中实现。作为次优方式的波束成形技术，在能满足同时为多用户提供服务的前提下，针对无线信道的衰落特性，以加权的方式使得发送信号，能够有效地克服信道对信号的衰落，而复杂度可低于脏纸编码(DPC)方式。对移动通信系统而言，合理的发送方式结合有效的调度模式，才能更好地利用系统资源，SDMA方式结合多用户调度，可以充分利用多用户分集增益。对于波束成形和用户调度算法的实现，都充分依赖于基站获知的信道状态信息(CSI)，而实际系统中要想获得完全信道状态信息是不现实的，因此，在SDMA系统中如何有效地将信道状态信息反馈给基站，如何利用有限比特，有效地表征信道状态信息，是当前学术界和产业界所关注的问题。

经对现有技术的文献检索发现，基于部分信道状态信息的SDMA方式中，KaibingHuang等在《IEEE Transactions on Signal Processing》(信号处理)2007年第7期上发表的“SDMA with a sum feedback rate constraint”(反馈速率限制下的空分多址接入)，该文中提出基于正交波束成形的SDMA技术-单一基础流用户和速率控制(PU2RC)，具体方法为：多用户波束成形矢量从具有多个正交波束成形矢量集的码本中选取，用户的矢量量化误差低于误差阈值，信道增益高于增益阈值才反馈信道状态信息，从而控制了反馈用户数，其不足在于：矢量量化误差阈值的设置根据的是矢量量化误差分布的不完全公式，不能精确控制反馈速率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种空分多址系统基于有限反馈限制的方法及装置，使其在能够精确的控制系统总的反馈速率。本发明性能稳健，且易于实现。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所涉及的一种空分多址系统基于精确有限反馈限制的方法，包括如下步骤：

步骤一，根据系统码本中码本子集数，发射天线数，得到矢量量化误差分布函数；

步骤二，根据系统支持的总反馈比特数，用户总数，发射天线数，矢量量化误差分布函数设置相应的矢量量化误差阈值、信道增益阈值；

步骤三，对用户的信道方向信息和信道质量信息进行量化，记录信道方向信息的矢量量化误差；

步骤四，反馈用户选择，矢量量化误差小于量化误差阈值、信道质量信息高于信道增益阈值的用户反馈信道状态信息。

所述步骤一，具体实现如下：

设系统码本中码本子集数N_s，发射天线数N_t，矢量量化误差ε的分布函数为：

$F_{\mathrm{\ϵ}}(\mathrm{\ϵ},N_s)=1-P_{\mathrm{\ϵ}}(\mathrm{\ϵ}\≥\mathrm{\ϵ},N_s)=1-{\left(P_{\mathrm{\ϵ}}(\mathrm{\ϵ}\≥\mathrm{\ϵ})\right)}^{N_s}=1-{\left(F_V(1-\mathrm{\ϵ})\right)}^{N_s}$

其中F_V(v)是单码本子集量化内积，即码本中只含有一组正交码字情况下量化内积v＝1-ε的累积分布函数，当

d∈N时

$F_V\left(v\right)=\underset{i=0}{\overset{d}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{N_t}^i{(-1)}^i{(1-\mathrm{iv})}^{N_t-1}.$

所述步骤二，具体实现如下：

设系统支持的总反馈比特数R，用户总数K，发射天线数N_t，信道增益量化级别数L，矢量量化误差分布函数F_ε(ε，N_s)设置相应的矢量量化误差阈值T_ε、信道增益阈值T_ρ，则：

T_ρ＝ln(K)-λln(ln(K))，λ＞0

$T_{\mathrm{\ϵ}}=1-F_V^{-1}\left({(1-\frac{R(N_t-1)!}{K{\log }_2\left(N_t{N}_{s}L\right){\∫}_{T_{\mathrm{\ρ}}}^{\∞}{\mathrm{\ρ}}^{N_t-1}{e}^{-\mathrm{\ρ}}\mathrm{d\ρ}})}^{\frac{1}{N_t}}\right)$

其中λ的最优解通过数值方法得到，本发明取为0.5。

步骤三中，所述的信道方向信息量化，按照量化误差最小准则，用随机正交码本量化用户的信道矢量。具体实现如下：

采用最近准则用码本集合F量化信道h，F包括N_s码本子集V⁽ⁿ⁾，其中V⁽ⁿ⁾包含N_t个相互正交的码字V_i ⁽ⁿ⁾，i＝1，…，N_t，

使量化误差最小，

其中D(V，h)＝1-|hw|²，

步骤四中，所述的反馈用户选择，使用的矢量量化误差阈值和信道增益阈值采用的是步骤二得到的阈值。反馈用户集合K_s满足

K_s＝{1≤k≤K|ε_k≤T_ε，||h||²≥T_ρ}。

基于上述方法，本发明涉及的空分多址系统基于有限反馈限制的方法的接收端装置和与其配合的发送端装置：

所述的空分多址系统基于有限反馈限制的接收端装置包括：

信道状态信息获取单元，获取信道状态信息；

信道方向信息量化单元，根据最小量化误差准则，将信道方向信息量化为码本集合中的一个码字，获取该码字对应的序号；

信道质量信息量化单元，将信道增益量化为设定的量化级，获得相应量化级的序号；

反馈用户选择单元，将用户的矢量量化误差，信道增益分别与对应的阈值比较，只有矢量量化误差小于量化误差阈值，信道增益高于信道增益阈值的用户才反馈信道状态信息；

以及反馈信息合成单元，将所获得的一系列码本矢量序号信息和信道增益量化级序号信息反馈到发射端。

所述的空分多址系统基于有限反馈限制的发送端装置，包括：

反馈信息处理单元，接收合成的反馈信息，提取信道方向信息和信道质量信息；

用户选择单元，基于最大化系统容量准则，利用信道状态信息选取量化信道相互正交的N_t个用户作为服务对象；

波束成形单元，根据信道方向信息，为被选中的用户分配波束成形矢量，再将待发信息用波束成形矢量进行加权合成。

本发明方法上述步骤通过发射端装置和接收端装置的配合完成。发射端装置包括反馈信息处理单元、用户选择单元和波束成形单元。接收端接收到发射端的信息后，完成信道状态信息的获取、信道方向信息量化、信道质量信息量化单元、反馈用户选择、反馈信息合成等一系列任务，接收端将反馈信息发射出去；发射端装置接收到反馈信息后，完成反馈信息处理、用户选择和波束成形等任务，并使用提取出的预编码矢量对准备传送的数据进行预编码，最终形成可发射的信息。

本发明SDMA系统，基于矢量量化误差分布闭式解设置反馈阈值，优化了反馈速率的控制，相对于以往采用不完全矢量量化误差分布函数的方案，本发明更好地控制了反馈的用户数，从而可以精确控制上行反馈信道的速率。本发明又具有更好的灵活性，很适合在实际系统中的应用，可为第三代(3G)、超三代(B3G)、第四代(4G)蜂窝移动通信和数字电视、无线局域网、无线广域网等系统的波束成形方案，提供重要的理论依据和具体的实现方法。

附图说明

图1是SDMA系统原理图。

图2是实际系统装置示意图。

图3是正交码本集合数N_s＝1时量化误差值的概率密度曲线。

图4是正交码本集合数N_s＝1时信号-干扰比(SINR)的概率密度曲线。

图5是不同用户数情况下，利用本发明提出反馈限制得到的反馈用户数曲线。

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的前提下进行实施，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。

本实施例实施步骤：

首先根据系统码本中码本子集数，发射天线数，得到矢量量化误差分布函数；

其次，根据系统支持的总反馈比特数，用户总数，发射天线数，信道增益量化级，矢量量化误差分布函数设置相应的矢量量化误差阈值、信道增益阈值；

之后，通过比较矢量量化误差、信道增益与相应的阈值，实现反馈用户的控制。

以下给出本实施例详细实施的描述。

(1)SDMA系统的构造

带有发射波束成形和接收检测的SDMA系统的构造如图1所示，本实施例采用基站发射天线数为4，用户接收天线为1的带有发射波束成形和接收检测的SDMA系统。信道状态信息在接收端由接收检测单元获取，本实施例不涉及具体的获取方式。信道量化单元，包括获取信道状态信息和反馈信息控制，利用信道状态信息进行码本搜索，最终形成反馈信息。发射端依据反馈信息搜索预编码向量，完成对用户的选择和发射信号的波束成形。为了全面测试本发明对系统容量性能的影响，采用多径Rayleigh信道模型。多径Rayleigh信道模型的信道多径数目为3，其归一化功率、延时参数为：[11/exp(1)1/exp(2)]，其中exp(α)代表以自然对数为底数的α次幂。

(2)实际系统装置配置

实际系统装置示意图如图2所示。接收端用户Us包括信道状态信息获取单元CSIU，信道状态信息量化单元CSIQU，包含信道方向信息量化单元CDIQU和信道方向信息量化单元CQIQU，以及反馈信息合成单元FBIU；发射端基站B包括用户选择单元USU和波束成形单元BFU。用户Us接收到基站B发射的信息FWI后，完成信道状态信息的获取、信道量化、反馈判决、反馈信息合成等一系列任务，将反馈信息FBI发射出去；基站B接收到反馈信息FBI后，完成反馈信息处理、用户选择、波束成形矢量提取等任务，并使用提取出的波束成形矢量对准备传送的数据进行加权合并，最终形成可发射的信息FWI。

实例验证1：本实例验证生量化误差值的分布函数的准确性，以N_s＝1，N_t＝4为例，码本为：

码字1	码字2
		-0.2826956288361130.466284581534241-0.134828617531090i-0.033000462970637+0.796338027561757i0.012775241380390-0.221532442015823i	-0.250946408455287-0.010241552877504i-0.428919082973030+0.149217864427407i0.018057230833519+0.398166809354657i0.014525997648434+0.756048664842828i
码字3	码字4
		-0.677531125402329-0.011008974388860i0.038578402000871-0.508524102027578i-0.172043886595880-0.341446165555605i0.359233301543491+0.074244012045321i	-0.630645208924268+0.011008595270509i-0.063870838992888+0.542215679040952i0.189238065227942-0.154590476507689i-0.415692087923382-0.267542392714407i

结果如图3所示可以发现本发明给出的闭式解(Theo)与实际仿真情况(Sim)十分吻合，而与Kaibing Huang文献中提出的量化误差小于0.5的情况([1])相吻合。相比较不考虑码字之间正交性的近似分析情况(Approx)，量化误差小的概率较高，即近似分析情况夸大了量化误差，因此，本发明给出的量化误差分布闭式解精确地分析了量化误差的实际分布。

实例验证2：本实例验证生量化误差值的分布函数推得SINR分布函数的准确性：

$f_Q\left(q\right)={\∫}_0^1{f}_{Q|V}\left(q\right|v)f_V\left(v\right)\mathrm{dv}={\∫}_0^1{f}_{\mathrm{\ρ}}\left(\frac{q}{\mathrm{\γ}((1+q)v-q)}\right)\frac{v}{\mathrm{\γ}{((1+q)v-q)}^2}{f}_V\left(v\right)\mathrm{dv}$

以N_s＝1，N_t＝4，单个用户的SNR为10dB为例，码本为：

码字1	码字2
		-0.195371609498171-0.050536297989840+0.400434728480589i-0.408802865165133-0.114351169669317i0.228596257111071+0.7526458819903941	0.598415802168386-0.011755711431212i-0.011252851144832+0.673193434095960i0.307639656350722-0.259738587617675i0.117727859937242-0.111705700537153i
码字3	码字4
		0.442423588921348-0.006647731353944i-0.016406933555963+0.137801190246844i-0.533875185981670+0.577922789522371i-0.405528389022274-0.038575652585040i	-0.638417527615785+0.015182267049285i-0.005926058825397+0.603728921593128i0.046799529209739+0.191023753968684i-0.246690119587553-0.357956065240314i

结果如图4所示，本发明给出的闭式解(Theo)与实际仿真情况(Sim)十分吻合，而不考虑码字之间正交性的近似分析情况(Approx)，SINR小的概率较高，这是因为近似分析情况夸大了量化误差，因此本发明给出的SINR分布闭式解精确地分析了SINR的实际分布。

实例验证3：本实例验证实际的反馈限制精度，正交码本子集合数N_s＝16，N_t＝4信道增益量化级L＝4，用户数K从50到500，总反馈比特数R＝120，则最大反馈的用户数为

实际反馈用户数如图5所示，可以发现在不同用户数下都能很好地实现反馈的限制。

上述实施例的适应性：上述是针对不同用户数情况下的实施，结果表明，上述实施例生成的正交码本集对不同规模的系统都具有适应性。

Claims (8)

1.一种空分多址系统基于有限反馈限制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，根据系统码本中码本子集数、发射天线数，得到矢量量化误差分布函数，具体实现如下：

设系统码本中码本子集数N_s、发射天线数N_t、矢量量化误差ε的分布函数为：

$F(\mathrm{\ϵ},N_s)={1-\left(F_V(1-\mathrm{\ϵ})\right)}^{N_s}$

其中F_V(v)是单码本子集量化内积，即码本中只含有一组正交码字情况下量化内积v＝1-ε的累积分布函数，当

时

$F_V\left(v\right)=\underset{i=0}{\overset{d}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{N_t}^i{(-1)}^i{(1-\mathrm{iv})}^{N_t-1}$

步骤二，根据系统支持的总反馈比特数、用户总数、发射天线数、矢量量化误差分布函数设置相应的矢量量化误差阈值、信道增益阈值，具体实现如下：

设系统支持的总反馈比特数R、用户总数K、发射天线数N_t、信道增益量化级L、矢量量化误差分布函数F(ε，N_s)设置相应的矢量量化误差阈值T_ε、信道增益阈值T_ρ，则：

T_ρ＝ln(K)-λln(ln(K))，λ＞0

$T_{\mathrm{\ϵ}}=1-F_V^{-1}\left({(1-\frac{R(N_t-1)!}{K{\log }_2\left(N_t{N}_{s}L\right){\∫}_{T_{\mathrm{\ρ}}}^{\∞}{\mathrm{\ρ}}^{N_t-1}{e}^{-\mathrm{\ρ}}\mathrm{d\ρ}})}^{\frac{1}{N_s}}\right)$

其中λ的最优解通过数值方法得到；

步骤三，对用户的信道方向信息和信道质量信息进行量化，记录信道方向信息的矢量量化误差；

步骤四，反馈用户选择：矢量量化误差小于矢量量化误差阈值、信道质量信息高于信道增益阈值的用户反馈信道状态信息。

2.如权利要求1所述的空分多址系统基于有限反馈限制的方法，其特征是，所述λ值取为0.5。

3.如权利要求1所述的空分多址系统基于有限反馈限制的方法，其特征是，步骤三中，所述的信道方向信息量化，按照量化误差最小准则，用随机正交码本量化用户的信道矢量。

4.如权利要求1所述的空分多址系统基于有限反馈限制的方法，其特征是，步骤三中，采用最近准则用码本集合F量化信道h，以获得量化后的信道

F包括N_s个码本子集V⁽ⁿ⁾，其中V⁽ⁿ⁾包含N_t个相互正交的码字V_i ⁽ⁿ⁾，i＝1，…，N_t，

使量化误差最小，

其中

D(V，h)＝1-|hw|²，w为N_t维复数变量。

5.如权利要求1所述的空分多址系统基于有限反馈限制的方法，其特征是，步骤四中，所述的反馈用户选择中使用的矢量量化误差阈值和信道增益阈值采用的是步骤二得到的阈值。

6.如权利要求5所述的空分多址系统基于有限反馈限制的方法，其特征是，步骤四中，反馈用户集合K_s满足

K_s＝{1≤k≤K|ε_k≤T_ε，||h||²≥T_ρ}，

其中：用户总数K，矢量量化误差阈值T_ε、信道增益阈值T_ρ，信道h，用户序号k，用户k对应的量化误差ε_k。

7.一种根据权利要求1所述的空分多址系统基于有限反馈限制的方法的接收端装置，其特征在于，包括：

信道状态信息获取单元，获取信道状态信息，信道状态信息包含信道方向信息和信道质量信息；

信道方向信息量化单元，根据最小量化误差准则将信道方向信息量化为码本集合中的一个码字，获取该码字对应的序号；

信道质量信息量化单元，将信道增益量化为设定的量化级，获得相应量化级的序号；

反馈用户选择单元，将用户的矢量量化误差、信道增益分别与对应的阈值比较，只有矢量量化误差小于量化误差阈值、信道增益高于信道增益阈值的用户才反馈信道状态信息；

以及反馈信息合成单元，将所获得的一系列码本矢量序号信息和信道增益量化级序号信息反馈到发送端。

8.一种根据权利要求1所述的空分多址系统基于有限反馈限制的方法的发送端装置，其特征在于，包括：

反馈信息处理单元，接收合成的反馈信息，提取信道方向信息和信道质量信息；

用户选择单元，基于最大化系统容量准则，利用信道状态信息选取量化信道相互正交的N个用户作为服务对象；

波束成形单元，根据信道方向信息，为被选中的用户分配波束成形矢量，再将待发信息用波束成形矢量进行加权合成。

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