CN101459635A - 空分多址接入系统提高吞吐量性能的方法、系统及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空分多址接入SDMA系统提高吞吐量性能的方法、系统及装置，其中，该方法包括：基站接收用户终端发送的反馈信息，该信息包括接收用户终端在预编码码本中首选波束编号、信道矢量模值相关信息以及矢量相对于首选波束的相位差信息；基站根据接收的所述反馈信息以及基站多天线之间的空间相关信息，采用设定的估计算法，估计出各个发送模式下的当前SDMA系统所支持的和吞吐量，选择对应最大值的和吞吐量的发送模式，采用该发送模式发送数据。因此，本发明实施例提供的方法、系统及装置可以提高SDMA接入系统的发送性能。

Description

空分多址接入系统提高吞吐量性能的方法、系统及装置

技术领域

本发明涉及一种空分多址(SDMA)接入技术领域，特别涉及一种在SDMA接入系统提高吞吐量性能的方法、系统及装置。

背景技术

在多天线广播信道中，利用空间资源可以同时向多个用户终端发送数据，这种技术称为SDMA，相对于传统的时分多址(TDMA)接入，其可以成倍地提高系统吞吐量。研究表明，在给多个用户终端发送数据时，可以通过脏纸编码(DPC)分配空间资源，可以使SDMA获得最优性能，但这种方案由于太高的复杂度以及非因果性而并不实用。目前在SDMA中，分配空间资源常用的方法为采用复杂度较低的多用户预编码技术，比如破零(ZF)多用户预编码技术、最小均方误差(MMSE)多用户预编码技术或基于广义特征值的多用户预编码技术以及迭代的预编码技术等，这些技术可以在分配空间资源时获得较优的性能，当这些技术和用户调度技术联合使用时，还可以获得广播信道的多用户分集。但是，这些技术和用户调度技术联合使用时，需要SDMA接入系统中的基站精确已知所有用户终端的信道状态信息(CSI)。在SDMA接入系统中，反馈所有用户终端的CSI开销太大，因此很难实现。

因此，现有技术中提出了有限反馈SDMA技术，从反馈信息的内容可以大致分为两类：基于信道量化的SDMA和基于预编码码本的SDMA。其中，基于信道量化的SDMA通过对用户终端的CSI进行量化，生成基站和用户终端皆先验已知的信道量化码本，以达到减少反馈信息量的目的，当请求用户数大于SDMA可支持的最大并行用户数时，往往要对预编码和用户调度进行联合设计。基于预编码码本的SDMA需设计多用户预编码码本或采用随机调度技术，预编码码本可以使用一个随机酉矩阵，根据用户反馈信息选择信道条件好的多个用户终端并以该随机酉阵并行发送数据。基于预编码码本的SDMA的这种方案实现简单，反馈CSI开销小，仅需用户终端反馈首选波束的编号及其信干噪比(或对应容量)即可，随着用户数目的不断增大能达到理论上最优和容量增长率。但在稀疏SDMA接入系统中，即用户数目比较少的SDMA接入系统中，由于用户较少且预编码矩阵是随机生成的，基于预编码码本的SDMA调度的多个并行用户终端之间往往存在较强的干扰，因此SDMA接入系统性能提升非常有限。

具体地说，基于预编码码本的SDMA也可以采用随机酉矩阵作为预编码码本，这时，SDMA接入系统发送数据给用户的过程为：首先，用户终端首选酉矩阵中的波束编号(预编码矩阵的列数视为编号)并反馈给基站，用户终端使用首选的波束并存在其他波束(与首选波束从属于同一个酉编码矩阵的其他波束)干扰时支持的容量；然后，基站根据用户终端反馈的首选波束，选择该酉矩阵中对应的波束发送给对应的最优用户终端(该用户终端的首选波束指向该用户终端，且与其他具有相同波束指向的用户终端相比，其支持容量最大)，并且计算出发送该酉矩阵支持的容量。这样，SDMA接入系统中的基站就可以选择具有最大容量的酉矩阵作为发送矩阵，其波束对应的最优用户终端作为发送用户。在该方法中，采用了固定选择整个酉矩阵最为发送矩阵。

从上述方案可以看出，有限反馈SDMA技术采用基站多天线所能支持的最大数目的并行用户终端同时发送数据。为了达到发送最优的性能，需要对各个并行的数据流进行类似注水的功率分配。但由于有限反馈SDMA技术的基站缺乏足够的广播信道信息，现有SDMA接入系统发送数据的方案大部分假设各个并行用户终端进行等功率信号发送，这会引起一定的发送性能损失。更进一步地，在稀疏SDMA接入系统中，即用户数目远远少于基站的多天线数所能支持的最大数目时，采用基站多天线所能支持的最大数目的并行用户同时发送承载数据的预编码码本，会使当前接入SDMA接入系统的多个并行用户终端之间存在较强的干扰，因此SDMA接入系统的吞吐量性能提升非常有限。

发明内容

本发明实施例提供一种SDMA接入系统提高吞吐量性能的方法，该方法能够提高SDMA接入系统的吞吐量。

本发明实施例还提供一种SDMA接入系统提高吞吐量性能的系统，该系统能够提高SDMA接入系统的吞吐量。

本发明实施例还提供一种SDMA接入系统提高吞吐量性能的装置，该装置能够提高SDMA接入系统的吞吐量。

根据上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种空分多址接入SDMA系统提高吞吐量性能的方法，该方法包括：

基站接收用户终端发送的反馈信息，该信息包括接收用户终端在预编码码本中首选波束编号、信道矢量模值相关信息以及矢量相对于首选波束的相位差信息；

基站根据接收的所述反馈信息以及基站多天线之间的空间相关信息，采用设定的估计算法，估计出各个发送模式下的当前SDMA系统所支持的和吞吐量，选择对应最大值的和吞吐量的发送模式，采用该发送模式发送数据。

一种SDMA系统提高吞吐量性能的系统，该系统包括用户终端和基站，其中，

所述用户终端，用于向基站发送反馈信息，所述反馈信息包括接收用户终端在预编码码本中首选波束编号、信道矢量模值相关信息以及信道矢量相对于首选波束的相位差信息；

所述基站，用于根据接收的所述反馈信息以及基站多天线之间的空间相关信息，采用设定的估计算法，估计出各个发送模式下的当前SDMA系统所支持的和吞吐量，选择对应最大值的和吞吐量的发送模式，采用该发送模式发送数据。

一种SDMA系统提高吞吐量性能的装置，该装置包括反馈信息接收模块、反馈信息处理模块以及选择数据流模块，

所述反馈信息接收模块，用于接收用户终端发送的反馈信息；

所述反馈信息处理模块，用于根据接收的所述反馈信息以及基站多天线之间的空间相关信息，采用设定的估计算法，估计出各个发送模式下的当前SDMA系统所支持的和吞吐量；

所述选择数据流模块，用于选择对应最大值的和吞吐量的发送模式，采用该发送模式发送数据。

从上述方案可以看出，从本发明实施例提供的方法、系统及装置可以看出，SDMA接入系统的基站根据用户终端反馈的首选波束编号、信道矢量模值相关信息以及信道矢量相对于首选波束的相位差信息，以及基站多天线之间的空间相关信息，采用设定的估计算法，估计出各个发送模式下的当前SDMA系统所支持的和吞吐量，选择最优的发送模式以使SDMA系统能获得最大值的和吞吐量；然后根据所选择的最优发送模式以及该发送模式下的波束数码和用户终端，将数据发送给用户终端。由于本发明实施例不需要用户终端反馈CSI，而是采用估计算法进行等效估计；由于本发明实施例不像现有技术那样只根据用户终端反馈的首选波束编号进行SDMA接入系统所支持的吞吐量，也不像现有技术那样需要采用固定的矩阵发送数据，而是自适应地选择矩阵或子矩阵，即根据估计得到的最优发送模式选择并行发送的数据流数，因此，本发明实施例提供的方法、系统及装置可以提高SDMA接入系统的吞吐量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的SDMA接入系统提高吞吐量性能的方法流程图；

图2为本发明实施例所构造的SDMA接入系统模型示意图；

图3为本发明实施例提供的SDMA接入系统提高吞吐量性能的系统示意图；

图4为本发明实施例提供的SDMA接入系统提高吞吐量性能的装置示意图；

图5为本发明实施例等效信道估计的归一化均方误差随相邻发射天线之间的相关系数ρ的变化趋势示意图；

图6为本发明实施例在信噪比为10dB，相关系数ρ为0.8时SDMA接入系统的吞吐量性能示意图；

图7为本发明实施例在信噪比为10dB，相关系数ρ为0.6时SDMA接入系统的吞吐量性能示意图；

图8为本发明实施例在信噪比为10dB，相关系数ρ为0.4时SDMA接入系统的吞吐量性能示意图；

图9为本发明实施例在相关系数ρ为0.4且用户数为20时SDMA接入系统的吞吐量随信噪比增长的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下举具体实施例并参照附图，对本发明进行进一步详细的说明。

为了有效补偿有限反馈SDMA接入系统的性能损失，本发明实施例的基站根据用户终端反馈的矩阵首选波束编号、信道矢量模值相关信息以及信道矢量相对于首选波束的相位差信息，在联合设计预编码与用户调度的同时对并行发送数据流的数目(即调整矩阵的宽度)也进行自适应地选择。在SDMA接入系统中，通过自适应地选择并行数据流的数目，即秩自适应(RankAdaptation)技术，能显著提高系统的吞吐量性能，一定程度上能逼近最优功率注水的性能。

具体地，本发明实施例基于预先定义好的预编码码本，用户终端反馈的信息为首选波束编号、信道矢量模值相关信息以及信道矢量相对于首选波束的相位差信息。基站基于这些反馈信息以及基站多天线之间的空间相关信息，按照设定的估计算法估计出不同发送模式下的SDMA接入系统所支持的和吞吐量，择优选择最优的发送模式以使SDMA系统能获得最大值的和吞吐量，从而自适应地选择最优的发送模式以及该发送模式下的波束数目和用户终端，将数量流并行发送给用户终端。

在本发明实施例中，预编码码本为一个酉矩阵或多个酉矩阵，所述酉矩阵中各列表示所述波束。当前，也可以采用其他的矩阵作为预编码码本。

图1为本发明实施例提供的SDMA接入系统提高吞吐量性能的方法流程图，其具体步骤为：

步骤101、基站接收用户终端在预编码码本中首选波束编号、信道矢量模值相关信息和信道矢量相对于首选波束的相位差信息。

在该步骤之前，需要在SDMA接入系统构造一个模型，即基站构造对应多个用户终端的承载数据的矩阵，向多个用户终端等功率的发送数据。这个矩阵可以为随机酉矩阵，这里称之为预编码码本。

在该步骤中，用户终端利用信道估计，得到所建立矩阵中的首选波束编号、信道矢量模值相关信息和信道矢量相对于首选波束的相位差信息。

在该步骤中，用户终端为多个。

步骤102、基站根据在步骤101中用户终端反馈信息以及基站多天线之间的空间相关信息，采用设定的估计算法，估计出各个发送模式下的当前SDMA接入系统所支持的和吞吐量，择优选取最优的发送模式使SDMA系统能获得最大值的和吞吐量。

在估计时，采用的估计算法可以为最大似然估计算法，也就是根据步骤101中用户终端反馈信息以及基站多天线之间的空间相关信息，估计用户终端的CSI或其等效信道。

步骤103、基站根据所选择最大值的和吞吐量确定对应的发送模式以及该发送模式下的波束数目和用户终端，将数据流承载在所述确定的波束中发送给用户终端。

在实施例中，所支持的发送数据流之间为了避免干扰，发送数据流对应的波束之间正交归一。

以下举一个具体实施例说明本发明实施例提供的方法。

假设SDMA接入系统为一个多用户多天线通信系统，SDMA接入系统中的基站同时服务于U个用户终端。假设基站配置M_t根发射天线，每个用户终端配置单根天线。为了充分利用基站多天线的空间资源，如图2所示，图2为本发明实施例所构造的SDMA接入系统模型示意图，基站同时选择K个用户终端并行发送数据，K可以根据基站从用户终端接收到的广播信道信息自适应地选取，并满足K≤M_t，即K不能大于基站多天线所能支持的最大并行数据流数。假设被选中的K个用户终端的发送信号矢量为s＝[s₁，...，s_K]^T，并满足E[|s_k|²]＝1，k＝1，...，K。第k个用户终端以波束矢量w_k进行发送，则基站总的发射信号可以表示为公式(1)：

$\tilde{s}=\sqrt{E_s}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{s}_k{w}_k$                      公式(1)

其中E_s表示发送信号功率，这里假设各个用户终端以等功率发送信号。在该实施例的SDMA接入系统中，每个用户终端的波束矢量w_k皆选自预编码码本中预编码矩阵的某一列，这里将约束w_k正交归一，即约束SDMA接入系统的预编码为酉预编码范畴。第k个用户终端的等效基带接收信号可以表示为公式(2)：

$y_k=\sqrt{E_s}\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{h}_k^T{w}_i{s}_i+v_k$                     公式(2)

其中h_k表示平均功率归一化的第k个用户终端的瞬时信道矢量，且假设服从平坦衰落；v_k表示高斯白噪声，其单边功率谱密度为N₀。

K个用户终端接收到公式(2)的信号后，进行反馈，将反馈信息发送给基站，基站收集所有用户终端的反馈信息，根据设置的估计算法得到当前SDMA接入系统在各个模式下所支持的和吞吐量，从中选择最大值的和吞吐量和确定该最大值的和吞吐量对应的发送模式，采用该发送模式发送数据。在该实施例中，接收到公式(2)信号的用户终端除了反馈最优波束矢量对应的编号外，还需要反馈信道矢量的模值以及信道矢量相对最优波束的相位差，以供基站进行统筹调度。

假设预编码码本为F＝{F₁，...，F_N}，其码字F_i是阶数为M_t的酉阵，即 $F_i{F}_i^H=I_{M_i}.$ 令 $F_i=[f_1^{\left(i\right)},...,f_{M_t}^{\left(i\right)}],$ 酉阵中的各列

视为用户终端的发送波束矢量。用户终端k根据估计的信道状态信息h_k，首先按公式(3)从预编码码本中选择最优的发送波束矢量q_k：

                                  公式(3)

并把q_k在预编码码本中的编号p_k通过低速反馈信道反馈给基站，由于预编码码本中发送波束矢量的总数为NM_t，因此反馈p_k需要占用log₂(NM_t)个信息比特。

在该实施例中，除了让用户终端k选择与其信道条件最匹配的发送波束外，还需要充分抑制并行发送用户终端之间的相互干扰，以及充分利用多发送用户分集。为此，用户终端k还需要反馈其信道的模值ρ_k＝‖h_k‖，以及其信道矢量相对于最优波束的相位差cos(θ_k)，其定义为公式(4)：

$\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)=\left|h_k^T{q}_k\right|/\left|\right|h_k\left|\right|=\left|{\tilde{h}}_k^T{q}_k\right|$                           公式(4)

由于在该实施例中，用户终端反馈其信道的矢量，需要增加几个比特的反馈信息，该反馈信息也可以通过低速反馈信道反馈给基站，

预编码码本F＝{F₁，...，F_N}，现有技术的有限反馈SDMA技术在优化设计时一般约定基站同时以M_t个波束并行发送数据，即以预编码码本中某个酉阵为发送矩阵，除非其中的某些波束不能找到匹配用户终端，而本发明实施例提供的方法约定并行发送波束的个数可以在1和M_t之间进行自由选择，最终发送数据流个数以最大化和吞吐量为准则。同时约束并行发送波束之间是正交归一，使用符号{w₁，...，w_K}表示所有的并行发送数据流，其个数K满足1≤K≤M_t，并行发送数据流构成的发送矩阵W＝[w₁…w_K]必为预编码码本中某一个码字或为包含某K个列的子矩阵，不同的W分别对应不同的发送模式，分别记为 $W^{\left(i\right)}=[w_1^{\left(i\right)}\·\·\·w_{K_i}^{\left(i\right)}],$ 上标表示发送模式的编号。预编码码本的尺度N以及发射天线数M_t，最多可以有 $M_p=N\underset{k=1}{\overset{M_t}{\mathrm{\Σ}}}\left(\begin{array}{c}{M}_t\\ k\end{array}\right)$ 种不同的发送模式。对于某一种发送模式W⁽ⁱ⁾，i＝1，...，M_p，若其中某一个并行发送数据流是某些用户终端的首选波束，则根据该用户终端反馈的CSI，可以计算该模式下支持的最大和吞吐量，即公式(5)

$T_i=\underset{j=1}{\overset{K_i}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+{m\sin r}_j^{\left(i\right)})$                             公式(5)

其中

表示该模式下第j个发送波束支持的最大信干噪比，表示如公式(6)：

       公式(6)

其中snr_k表示用户终端k的发射信噪比，即snr_k＝E_s/N₀。由于该实施例提供的方法中基站不能获得用户终端CSI，因此并不能精确计算公式(6)式中的值，只能利用有限的反馈信息对其进行最大似然估计。观察公式(6)式可以发现，对于预编码码本中用户终端k指向的码字F_n(即p_k对应的该用户最优波束q_k从属于F_n的某一列)，若能估计出等效信道矢量 ${\tilde{h}}_{k,e}=F_n^T{h}_k,$ 则能得到的估计值，因为

必为

中的某个元素。不失一般性，在该实施例中置换码字F_n的波束(列向量)位置，以使q_k位于矩阵的第一列，置换后矩阵用F表示，则置换后的等效信道表示为h_k，e＝F^Th_k。

为了估计等效信道矢量h_k，e，该实施例将充分利用信道的统计相关特性，其定义公式(7)：

$R_k=E\left[h_k{h}_k^H\right]$                             公式(7)

R_k表征了基站多个天线之间的空间相关性，它的取值和天线间距、周围散射体分布和出射角等因素相关。当基站的各天线之间不存在空间相关性时，有 $R_k=I_{M_t}.$ 但在实际SDMA接入系统中，由于基站往往缺乏散射体而使多个天线之间存在一定的相关性。相比瞬时信道h_k随时间的变化，R_k变化缓慢，因此基站可以通过反馈或者利用上行数据进行估计的方法获得该统计信息。

假设信道h_k服从零均值复高斯分布，则h_k，e也服从零均值复高斯分布，其二阶统计相关性为公式(8)：

$R_{k,e}=E\left[h_{k,e}{h}_{k,e}^H\right]=F^T{R}_{k}F$                        公式(8)

因此h_k，e的概率密度分布函数可以表示为公式(9)：

$f\left(h_{k,e}\right)=\frac{1}{{\mathrm{\π}}^{N_t}\det \left(R_{k,e}\right)}\exp (-h_{k,e}^H{R}_{k,e}^{-1}{h}_{k,e})$                 公式(9)

由部分反馈信息可知h_k，e还满足如下约束条件： $h_{k,e}^H{h}_{k,e}=h_{k,e}^H{h}_k={\mathrm{\ρ}}_k^2;$ $h_{e,1}=q_k^T{h}_k={\mathrm{\ρ}}_k\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right),$ 这里h_e，1表示h_k，e的第一个元素。则h_k，e的最大似然估计可以表示为如下的约束优化公式(10)：

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{h}_{e,1}={\mathrm{\ρ}}_k\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\\ h_{k,e}^H{h}_{k,e}={\mathrm{\ρ}}_k^2\end{array}\right.$              公式(10)

公式(10)可等效成公式(11)：

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{h}_{e,1}={\mathrm{\ρ}}_k\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\\ h_{k,e}^H{h}_{k,e}={\mathrm{\ρ}}_k^2\end{array}\right.$              公式(11)

由拉格朗日极值法可得公式(12)：

${\hat{h}}_{k,e}={\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\ρ}}_k\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)& b^T\end{array}\right]}^T$

$b=-{\mathrm{\ρ}}_k\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right){({\mathrm{\Φ}}^T{R}_k^{-1}{\mathrm{\Φ}}^{*}-\mathrm{\ξI})}^{-1}{\mathrm{\Φ}}^T{R}_k^{-1}{q}_k^{*}$          公式(12)

其中Φ表示F的第2到第M_t列组成的子矩阵，即F＝[q_k Φ]，拉格朗日乘子ξ为下列方程的最小根，表示为公式(13)：

$\underset{i=1}{\overset{M_t-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\left|a_i\right|}^2}{{({\mathrm{\λ}}_i-\mathrm{\ξ})}^2}={\mathrm{\ρ}}_k^2\frac{1-{\cos }^2\left({\mathrm{\θ}}_k\right)}{{\cos }^2\left({\mathrm{\θ}}_k\right)}$                公式(13)

其中 ${\left[\begin{array}{ccc}{a}_1& \·\·\·& a_{M_t-1}\end{array}\right]}^T={\mathrm{\Φ}}^T{R}_k^{-1}{q}_k^{*},$ {λ_i}表示矩阵

的特征根。观察公式(13)可以发现，该公式是一个分区间凸函数，假设λ₁表示矩阵

的最小特征根，则公式(13)的最小根必属于区间[-∞，λ₁)，用数值求解法很容易得到拉格朗日乘子ξ。

利用等效信道的估计值利用公式(5)和公式(6)可以计算基于预编码码本所有的可能发送模式支持的和吞吐量，基站选择具有最大值和吞吐量的发送模式进行并行数据流的发送，即公式(14)

                  公式(14)

被调度的K_o个用户终端的标号可分别表示为公式(15)：

        公式(15)

其中

表示通过等效信道估计获得的的估计值，其值可以由

计算获得，被调度用户终端所首选的发送波束编号对应W^(o)中的各列。

但是，观察上述估计算法的计算步骤，其复杂度除了确定和求解公式(13)外主要来自公式(12)中的矩阵求逆。由于相关矩阵R_k随时间缓慢变化，因此对其的求逆运算只需隔一段时间更新即可。在已知

的基础上，公式(13)中参数{a_i}通过矩阵乘法可由

式决定，而参数{λ_i}则需要对矩阵

进行特征分解，通常需要O((M_t-1)³)的计算复杂度。在实际上，一旦完成对A的特征分解后，则可由下面的方式通过简单的乘法得到公式(12)中的矩阵(B＝(A-ξI))求逆运算，从而简化计算复杂度。A的特征分解表示成如下形式：

$A=U_A{D}_A{U}_A^H$                      公式(16)

其中， $D_A=\mathrm{diag}({\mathrm{\λ}}_1,...,{\mathrm{\λ}}_{M_t-1}).$ 则有公式(17)：

$B=U_A(D_A-\mathrm{\ζI})U_A^H$

$B^{-1}=U_A{D}_C{U}_A^H$                              公式(17)

其中， $D_C=\mathrm{diag}(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1-\mathrm{\ξ}},...,\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{M_t-1}-\mathrm{\ξ}}).$

这样，基站就可以根据用户终端反馈的首选波束编号、信道矢量模值相关信息以及信道矢量相对于首选波束的相位差信息，以及基站多天线之间的空间相关信息，采用设定的估计算法得到支持当前SDMA系统中的最大值和吞吐量的发送模式，以及该模块支持的发送数据流数，构造具有所支持的发送数据流数的该发送模式，发送数据流给对应的用户终端。

本发明实施例还提供一种SDMA接入系统提高吞吐量性能性能的系统示意图，如图3所示，包括基站和用户终端，其中，

所述用户终端，用于向基站反馈在预编码码本中的首选波束编号、信道矢量模值相关信息以及信道矢量相对于首选波束的相关信息；

所述基站，用于根据用户终端反馈的首选波束编号、信道矢量模值相关信息以及信道矢量相对于首选波束的相位差信息，以及基站多天线之间的空间相关信息，采用设定的估计算法，估计出各个发送模式下的当前SDMA系统所支持的和吞吐量，选择最优的发送模式以使SDMA系统能获得最大值的和吞吐量；然后根据所选择的最优发送模式以及该发送模式下的波束数码和用户终端，将数据发送给用户终端。

在该实施例中，用户终端包括反馈模块，用于向基站反馈在预编码码本中的首选波束编号、信道矢量模值相关信息以及信道矢量相对于首选波束的相关信息。

在该实施例中，基站包括反馈信息接收模块，反馈信息处理模块以及选择数据流数模块，其中，

反馈信息接收模块，用于接收用户终端反馈的首选波束编号、信道矢量模值相关信息以及信道矢量相对于首选波束的相位差信息；

反馈信息处理模块，用于根据用户终端反馈的首选波束编号、信道矢量模值相关信息以及信道矢量相对于首选波束的相位差信息，以及基站多天线之间的空间相关信息，采用设定的估计算法，估计出各个发送模式下的当前SDMA系统所支持的和吞吐量，选择最优的发送模式以使SDMA系统能获得最大值的和吞吐量；

选择数据流模块，用于根据所选择的最优发送模式以及该发送模式下的波束数目和用户终端，将数据发送给用户终端。

在该实施例中，选择数据流模块还包括模式选择模块以及模式下数据流模块，其中，模式选择模块，用于确定当前SDMA接入系统所支持最大值的和吞吐量对应的发送模式；模式下数据流模块，用于在对应的发送模式下确定波束数目和用户终端，将数据承载在确定的波束上发送给用户终端。

本发明实施例还提供一种SDMA接入系统提高吞吐量性能的装置示意图，如图4所示，包括：反馈信息接收模块，反馈信息处理模块以及选择数据流数模块，其中，

反馈信息接收模块，用于接收用户终端反馈的首选波束编号、信道矢量模值相关信息以及信道矢量相对于首选波束的相位差信息；

反馈信息处理模块，用于根据用户终端反馈的首选波束编号、信道矢量模值相关信息以及信道矢量相对于首选波束的相位差信息，以及基站多天线之间的空间相关信息，采用设定的估计算法，估计出各个发送模式下的当前SDMA系统所支持的和吞吐量，选择最优的发送模式以使SDMA系统能获得最大值的和吞吐量；

选择数据流模块，用于根据所选择的最优发送模式以及该发送模式下的波束数目和用户终端，将数据发送给用户终端。

在该实施例中，选择数据流模块还包括模式选择模块以及模式下数据流模块，其中，模式选择模块，用于确定当前SDMA接入系统所支持最大值的和吞吐量对应的发送模式；模式下数据流模块，用于在对应的发送模式下确定波束数目和用户终端，将数据承载在确定的波束上发送给用户终端。

本发明实施例提供的方法、系统及装置能够提高SDMA接入系统的吞吐量性能，以下以仿真结果来演示。

假设SDMA接入系统的信道为平坦衰落信道，并在一个用户终端调度周期内保持不变，而在不同的调度周期之间信道独立变化。基站配置4根天线，而所有用户终端都配置单根天线，信道具有相同的平均功率。基站多天线之间的空间相关性矩阵R_k简单表示为如公式(18)：

                 公式(18)

仿真中编码码本采用了IEEE802.20协议中的SDMA码本。

基站利用有限反馈信息估计等效信道矩阵时需要利用基站在信道发送端的空间相关矩阵R_k，因此在本发明实施例中考察R_k对信道估计性能的影响，图5为本发明实施例等效信道估计的归一化均方误差随相邻发射天线之间的相关系数ρ的变化趋势示意图。归一化均方误差(NMSE，NormalizedMean Square Error)定义为公式(19)：

                   公式(19)

由图5所示，归一化均方误差随着ρ的增加准线性地下降，说明信道估计性能与发射天线之间的空间相关性密切相关，相关性越强，估计性能越优。

图6-9给出了基于公式(18)的空间相关性矩阵R_k以及基于公式(19)的相关系数ρ在不同信道环境下自适应SDMA接入系统的吞吐量性能示意图，其中，图6为本发明实施例在信噪比为10dB，相关系数ρ为0.8时SDMA接入系统的吞吐量性能示意图；图7为本发明实施例在信噪比为10dB，相关系数ρ为0.6时SDMA接入系统的吞吐量性能示意图；图8为本发明实施例在信噪比为10dB，相关系数ρ为0.4时SDMA接入系统的吞吐量性能示意图；图9为本发明实施例在相关系数ρ为0.4且用户数为20时SDMA接入系统的吞吐量随信噪比增长的示意图。在图6～图9中，用实心菱形标注的曲线为理想的最优SDMA接入系统的吞吐量，空心圆形标注的曲线为根据本发明实施例提供的方法得到的SDMA接入系统的最大和吞吐量；空心三角形为现有技术基于预编码码本的SDMA接入系统的吞吐量。

在图6～图9中，作为比较，同时给出了只考虑现有的4波束发送模式的自适应SDMA(即IEEE802.20中的MISO-SDMA方案)的性能(图中空心三角形表示)，以及假设不存在等效信道估计误差的理想自适应SDMA的性能(图中实心菱形表示)。可以看出，在稀疏网络中，本发明实施例提出的自适应SDMA方案在吞吐量性能上明显优于IEEE802.20 MISO-SDMA方案，发射天线间相关性越强，性能优势则越明显，也越接近理想自适应SDMA的性能。随着用户数的增加，该实施例提出的自适应SDMA相比IEEE802.20 MISO-SDMA的性能优势逐渐减弱，在低相关性时甚至表现出性能劣势。这是由于在IEEE802.20 MISO-SDMA中，随着用户的增多被调度的并行用户之间的干扰逐渐减少，而在低相关性时，本发明实施例提供的方案中的等效信道估计误差相对较大，此涨彼消。可以从图9看出，本发明实施例提供的方案由于能有效控制并行用户之间的相互干扰，因此能避免性能平台的出现。

从本发明实施例提供的方法、系统及装置可以看出，本发明实施例不仅能有效结合MIMO传输技术和多用户终端调度技术，而且能自适应地选择最优数目的并行发送数据流(可以称为波束)。本发明实施例使用预编码码本减少用户终端的反馈量，用户终端除了反馈在预编码码本中的最优波束编号、信道矢量模值相关信息外，还需同时反馈信道矢量相对于首选波束的相位差信息，以使基站能通过约束最大似然估计的方式，在调度信道条件好的用户终端的同时自适应地选择最优的并行用户发送模式以及在该发送模式下并行发送的数据流。本发明实施例充分利用了多天线信道的统计信息以提高似然估计的精度。仿真结果表明：在SDMA接入系统的稀疏网络中本发明实施例相比现有的SDMA方案有明显的性能优势。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1、一种空分多址接入SDMA系统提高吞吐量性能的方法，其特征在于，该方法包括：

基站接收用户终端发送的反馈信息，该信息包括接收用户终端在预编码码本中首选波束编号、信道矢量模值相关信息以及矢量相对于首选波束的相位差信息；

基站根据接收的所述反馈信息以及基站多天线之间的空间相关信息，采用设定的估计算法，估计出各个发送模式下的当前SDMA系统所支持的和吞吐量，选择对应最大值的和吞吐量的发送模式，采用该发送模式发送数据。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用该发送模式发送数据之前，还包括：

确定该发送模式下的波束数目和用户终端；

所述采用该发送模式发送数据为：将数据承载在所确定波束数目的波束上，发送给用户终端。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预编码码本为一个酉矩阵或多个酉矩阵，所述酉矩阵中各列表示所述波束。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述估计出各个发送模式下的当前SDMA系统所支持的和吞吐量的过程为：

在各个发送模式下，计算得到在发送模式下支持的和吞吐量 $T_i=\underset{j=1}{\overset{K_i}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+{m\sin r}_j^{\left(i\right)}),$ 其中，K为用户终端数目，j为用户终端所选波束编号，

表示该发送模式下第j个发送波束支持的最大信干噪比；

该发送模式下第j个发送波束支持的最大信干噪比为

其中snr_k表示用户终端k的发射信噪比。

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，在计算

时根据所述反馈信息估计所有用户终端的信道矢量或等效信道，所述设定的估计算法为最大似然估计算法，包括：

采用等效信道 ${\tilde{h}}_{k,e}=F_n^T{h}_k$ 的估计值

作为计算所述

时需要的信息，其中，F_n为预编码码本中的酉矩阵，h_k为用户k的信道矢量；

${\hat{h}}_{k,e}={\left[{\mathrm{\ρ}}_k\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)b^T\right]}^T$

$b=-{\mathrm{\ρ}}_k\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right){({\mathrm{\Φ}}^T{R}_k^{-1}{\mathrm{\Φ}}^{*}-\mathrm{\ξI})}^{-1}{\mathrm{\Φ}}^T{R}_k^{-1}{q}_k^{*}$ ，其中，R_k为基站多天线之间的空间相关信息，根据天线间距、周围散射体分布和出射角进行取值，Φ表示F的第2到第M_t列组成的子矩阵，拉格朗日乘子ξ满足如下的方程：

$\underset{i=1}{\overset{M_t-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\left|a_i\right|}^2}{{({\mathrm{\λ}}_i-\mathrm{\ξ})}^2}={\mathrm{\ρ}}_k^2\frac{1-{\cos }^2\left({\mathrm{\θ}}_k\right)}{{\cos }^2\left({\mathrm{\θ}}_k\right)}$

其中 ${\left[\begin{array}{ccc}{a}_1& \·\·\·& a_{M_t-1}\end{array}\right]}^T={\mathrm{\Φ}}^T{R}_k^{-1}{q}_k^{*},$ {λ_i}表示矩阵

的特征根。

6、一种SDMA系统提高吞吐量性能的系统，其特征在于，该系统包括用户终端和基站，其中，

所述用户终端，用于向基站发送反馈信息，所述反馈信息包括接收用户终端在预编码码本中首选波束编号、信道矢量模值相关信息以及信道矢量相对于首选波束的相位差信息；

所述基站，用于根据接收的所述反馈信息以及基站多天线之间的空间相关信息，采用设定的估计算法，估计出各个发送模式下的当前SDMA系统所支持的和吞吐量，选择对应最大值的和吞吐量的发送模式，采用该发送模式发送数据。

7、如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述基站包括反馈信息接收模块、反馈信息处理模块以及选择数据流模块，

所述反馈信息接收模块，用于接收用户终端发送的反馈信息；

所述反馈信息处理模块，用于根据接收的所述反馈信息以及基站多天线之间的空间相关信息，采用设定的估计算法，估计出各个发送模式下的当前SDMA系统所支持的和吞吐量；

所述选择数据流模块，用于选择对应最大值的和吞吐量的发送模式，采用该发送模式发送数据。

8、一种SDMA系统提高吞吐量性能的装置，其特征在于，该装置包括反馈信息接收模块、反馈信息处理模块以及选择数据流模块，

所述反馈信息接收模块，用于接收用户终端发送的反馈信息；

所述反馈信息处理模块，用于根据接收的所述反馈信息以及基站多天线之间的空间相关信息，采用设定的估计算法，估计出各个发送模式下的当前SDMA系统所支持的和吞吐量；

所述选择数据流模块，用于选择对应最大值的和吞吐量的发送模式，采用该发送模式发送数据。

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