CN101562469B - 一种多用户多入多出模拟反馈系统中的部分用户反馈方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多用户多入多出模拟反馈系统的部分用户反馈方法，特征是基站根据当前服务小区的总用户数、基站天线数、上行信道容许的平均反馈用户数和下行信道模的平方的分布特征，计算得到用户下行信道模值的反馈判决门限值，将该门限值传给所有用户；将满足门限值的用户在每个时隙通过模拟反馈的方式向基站反馈用户的下行信道；基站从接收到的用户模拟反馈信号中按最小均方差估计得到用户的下行信道；基站只在反馈模拟信号的用户中进行传输用户集合的选择。本发明方法降低了多用户环境下模拟反馈产生的巨大反馈开销，并获得相比所有用户参与模拟反馈损失较小的总吞吐率，适于在实际系统中使用，降低了使用成本。

Description

一种多用户多入多出模拟反馈系统中的部分用户反馈方法

技术领域

本发明属于无线通信中的多用户多入多出系统技术领域，具体涉及多入多出系统中基于模拟反馈的部分用户反馈方法。

背景技术

下行多入多出系统中多用户选择空分复用方法是提高无线通信系统吞吐率的一种有效方法。然而该方法需要所有用户向发送端反馈质量较高的用户信道状态信息，在多用户环境下，会带来很大的反馈开销。

《国际电子与电气工程师协会信号处理》(IEEE Transactions on Signal Process，Vol.54，No.4，Nov.2006，pp.1268-1278.)提出的一种多用户多入多出系统中基于模拟线性调制反馈信道状态信息的模拟反馈方法，可以很大程度地减小反馈开销和处理时延，并带来较大的系统吞吐率增益。然而该方法要求系统中所有用户在每个时隙反馈其信道状态信息，在用户数比较多的情况下，仍然会带来巨大的反馈开销，因而并不适于在实际系统中应用。

因此，在用户数比较多的情况下，提出更有效和适于实用的基于模拟反馈的部分用户反馈方法是具有实际意义的。

发明内容

本发明提出一种多用户多入多出模拟反馈系统中的部分用户反馈方法，以克服现有技术的上述不足，能够极大的减小反馈开销，且系统可获得和所有用户都反馈准确信道信息情况相比的吞吐率，从而适于在实际系统中应用。

本发明多用户多入多出模拟反馈系统中的部分用户反馈方法，其特征在于：基站根据当前服务小区的总用户数、基站天线数、上行信道容许的平均反馈用户数和下行信道模的平方服从的卡方分布特征，求出下行信道模值大于及等于门限值的用户数的平均值，按其小于等于上行信道容许的平均反馈用户数的准则进行计算，得到用户下行信道模值的反馈判决门限值，将该门限值传给所有用户；用户判断其下行信道模值大小，若大于或等于门限值，则在每个时隙通过模拟反馈的方式向基站反馈用户的下行信道；然后基站从接收到的用户模拟反馈信号中按最小均方差估计得到用户的下行信道。

基于上述本发明多用户多入多出模拟反馈系统中的部分用户反馈方法的一种具体操作步骤如下：

基站确定模拟反馈的判决门限值步骤：

基站根据当前服务小区用户数K、基站天线数M、上行信道容许的平均反馈用户数U和下行信道模的平方的卡方分布特征，按下行信道模值大于及等于门限值的用户数的平均值小于等于上行信道容许的平均反馈用户数的准则，计算得到用户下行信道模值的反馈判决门限值：

$\mathrm{\η}=F^{-1}(1-\frac{U}{K}),$

上式中，F^-1(γ)为F(γ)的反函数，符号γ表示函数变量； $F\left(\mathrm{\γ}\right)=\underset{0}{\overset{\mathrm{\γ}}{\∫}}\frac{{\mathrm{\ρ}}^{M-1}{e}^{-\mathrm{\ρ}}}{(M-1)!}\mathrm{d\ρ}$ 为信道模值平方的概率分布函数，其中符号ρ表示积分变量；

然后基站将用户下行信道模值的反馈判决门限值η传给所有用户；

用户进行门限判决及模拟反馈步骤：

设每个用户的下行信道为h_k，h_k为1×M维矢量，用二阶范数||h_k||表示h_k的模值；对于全体用户集合{1，...K}中的每一个用户k判断其下行信道模值||h_k||大小，若该值大于等于反馈判决门限值η，那么用户k将其下行信道通过模拟反馈的方式反馈给基站，若反馈信号发送功率为β₂P，其中功率乘积因子β₂表示反馈每个信道系数使用的信道数，设γ_k，1，...，γ_k，M为M个1×β₂M维二阶范数为1的导频序列，则用户k发送模拟反馈信号为：

$x_k=\sqrt{{\mathrm{\β}}_{2}P}{h}_k{[{\mathrm{\γ}}_{k,1}^T\·\·\·{\mathrm{\γ}}_{k,M}^T]}^T,$

式中右上标的符号^T表示转置；

若用户的下行信道模值小于反馈判决门限值η，则该用户不发送模拟反馈信号；

基站按最小均方差估计用户上行信道步骤：

在用户进行门限判决及模拟反馈步骤里发送了模拟反馈信号的每一个用户k再发送上行信道训练符号，若发送功率为β₁P，其中功率乘积因子β₁表示训练每个信道系数使用的导频数，设

为1×β₁M维二阶范数为1的导频序列，则用户k发送上行信道训练符号为

若g_k为用户k到基站的上行信道，为M×1维矢量；设n_k为噪声，方差为N₀；则基站收到每一个用户k的上行信道训练符号的接收向量为

$y_k=g_k{s}_k+n_k$

基站对用户的上行信道进行最小均方差信道估计，得到每一个用户k的上行信道的估计值

基站按最小均方差估计得到模拟反馈信号中的用户下行信道步骤：

在用户进行门限判决及模拟反馈步骤里发送了模拟反馈信号的用户k，设n_k，f为噪声，方差为N₀，则由下式计算得到基站对用户k的模拟反馈信号的接收向量为：

$x_{k,f}=\sqrt{{\mathrm{\β}}_{2}P}{g}_k{h}_k{[{\mathrm{\γ}}_{k,1}^T\·\·\·{\mathrm{\γ}}_{k,M}^T]}^T+n_{k,f};$

根据基站按最小均方差估计用户上行信道步骤得到的基站对用户k的上行信道的估计值基站对接收向量进行如下操作：

其中， $n_{k,f}^{\′}=n_{k,f}[{\mathrm{\γ}}_{k,1}^T\·\·\·{\mathrm{\γ}}_{k,M}^T];$ 式中右上标的符号

表示共轭转置；

基站对x_k，f中的h_k进行最小均方差估计计算得到用户k的下行信道为：

${\hat{h}}_k=\sqrt{\frac{{\mathrm{\β}}_{1}P}{N_0+{\mathrm{\β}}_{1}P}}\frac{\sqrt{{\mathrm{\β}}_{2}P}}{N_0+{\mathrm{\β}}_{2}P}{\stackrel{\‾}{x}}_{k,f}.$

与现有技术相比较，本发明的优点在于：由于通过采用部分用户反馈的方法，用户根据基站确定的下行信道模值的反馈判决门限值进行判决反馈，使得只有部分用户向基站反馈信道状态信息，极大地降低了多用户环境下模拟反馈产生的巨大反馈开销；减小了基站端选择传输用户集合时遍历的用户数，从而降低了基站端选择传输用户集合的复杂度；对于模拟反馈而言，本发明中具备模拟反馈资格的用户集合是在所有用户中具有较高信道质量的一个用户集，从而相比所有用户参与模拟反馈，系统的吞吐率损失较小。因此，本发明在降低模拟反馈开销，减小基站选择传输用户集合复杂度的同时，获得相比所有用户参与模拟反馈损失较小的系统吞吐率，适于在实际系统中使用，降低了使用成本。

附图说明

图1为本发明在反馈用户数U设定为50时，总吞吐率和用户数的关系曲线；

图2为本发明在反馈用户数U设定为50时，用户数和归一化的相对反馈开销的关系曲线。

具体实施方式

实施例1：

本实施例采用用户数K＝500的下行多用户多入多出系统。设每个用户信道向量都服从独立同分布的瑞利分布，并设数据传输信噪比为10dB，上行信道训练符号和模拟反馈信号的发送功率均为8瓦，噪声功率为1瓦。基站配置M＝4根发送天线，每个用户配备1根接收天线。因此每个用户的信道h_k都是一个1×4维的矢量。设实际参与反馈的用户数为U′。

具体操作步骤如下：

基站确定模拟反馈的判决门限值步骤：

基站根据当前服务小区用户数K＝500，基站天线数M＝4，上行信道容许的平均反馈用户数U＝50和下行信道模的平方的卡方分布特征，按下行信道模值大于及等于门限值的用户数的平均值小于等于上行信道容许的平均反馈用户数的准则，即

K(1-F(η))≤U，

计算得到用户下行信道模值的反馈判决门限值η：

$\mathrm{\η}=F^{-1}(1-\frac{U}{K}),$

上式中，F^-1(γ)为F(γ)的反函数，符号γ表示函数变量； $F\left(\mathrm{\γ}\right)=\underset{0}{\overset{\mathrm{\γ}}{\∫}}\frac{{\mathrm{\ρ}}^{M-1}{e}^{-\mathrm{\ρ}}}{(M-1)!}\mathrm{d\ρ}$ 为信道模值平方的概率分布函数，其中符号ρ表示积分变量；

然后基站将用户下行信道模值的反馈判决门限值η＝6.68传给所有用户；

用户进行门限判决及模拟反馈步骤：

设每个用户的下行信道为h_k，h_k为1×4维矢量，用二阶范数||h_k||表示h_k的模值；对于全体用户集合{1，...500}中的每一个用户k判断其下行信道模值||h_k||大小，若该值大于等于反馈判决门限值6.68，那么用户k将其下行信道通过模拟反馈的方式反馈给基站，若反馈信号发送功率为β₂P，其中功率乘积因子β₂＝1表示反馈每个信道系数使用的信道数，P＝8瓦；设γ_k，1，...，γ_k，M为4个1×4维二阶范数为1的导频序列，则用户k发送模拟反馈信号为

$x_k=\sqrt{{\mathrm{\β}}_{2}P}{h}_k{[{\mathrm{\γ}}_{k,1}^T\·\·\·{\mathrm{\γ}}_{k,M}^T]}^T,$

式中右上标的符号^T表示转置；

若用户的下行信道模值小于反馈判决门限值6.68，则该用户不发送模拟反馈信号；

基站按最小均方差估计用户上行信道步骤：

在用户进行门限判决及模拟反馈步骤里发送了模拟反馈信号的每一个用户k再发送上行信道训练符号，若发送功率为β₁P，其中功率乘积因子β₁＝1表示训练每个信道系数使用的导频数，P＝8瓦；设

为1×4维二阶范数为1的导频序列，则用户k发送上行信道训练符号为

若g_k为用户k到基站的上行信道，为4×1维矢量；设n_k为噪声，方差为N₀＝1；则基站收到每一个用户k的上行信道训练符号的接收向量为

$y_k=g_k{s}_k+n_k$

基站对用户的上行信道进行最小均方差信道估计，得到每一个用户k的上行信道的估计值

基站按最小均方差估计得到模拟反馈信号中的用户下行信道步骤：

在用户进行门限判决及模拟反馈步骤里发送了模拟反馈信号的用户k，设n_k，f为噪声，方差为N₀＝1，则由下式计算得到基站对用户k的模拟反馈信号的接收向量为：

$x_{k,f}=\sqrt{{\mathrm{\β}}_{2}P}{g}_k{h}_k{[{\mathrm{\γ}}_{k,1}^T\·\·\·{\mathrm{\γ}}_{k,M}^T]}^T+n_{k,f};$

根据基站按最小均方差估计用户上行信道步骤得到的基站对用户k的上行信道的估计值

基站对接收向量进行如下操作：

其中， $n_{k,f}^{\′}=n_{k,f}[{\mathrm{\γ}}_{k,1}^T\·\·\·{\mathrm{\γ}}_{k,M}^T];$ 式中右上标的符号

表示共轭转置；

基站对x_k，f中的h_k进行最小均方差估计计算得到用户k的下行信道为：

${\hat{h}}_k=\sqrt{\frac{{\mathrm{\β}}_{1}P}{N_0+{\mathrm{\β}}_{1}P}}\frac{\sqrt{{\mathrm{\β}}_{2}P}}{N_0+{\mathrm{\β}}_{2}P}{\stackrel{\‾}{x}}_{k,f}.$

基站得到用户模拟反馈的信道后，进行如下的传输用户集合选择：

在实际的执行用户进行门限判决及模拟反馈步骤中之用户进行反馈步骤的部分用户模拟反馈数U′不小于基站发送天线数M＝4的前提下，基站在该U′个反馈用户集合{1，...U′}中按最优用户优先的准则进行传输用户集选择：

1)初始化：初始备选用户集合Γ₁＝{1，...U′}，选择第一个传输用户 $\mathrm{\π}\left(1\right)=\arg \underset{j\∈{\mathrm{\Γ}}_1}{\max }{\left|\right|{\hat{h}}_j\left|\right|}^2,$ 设置传输用户序号i＝2；

2)更新备选用户集合其中ε＝0.46；

3)选择第i个传输用户 $\mathrm{\π}\left(i\right)=\arg \underset{j\∈{\mathrm{\Γ}}_1}{\max }{\left|\right|h_j\left|\right|}^2,$ 更新传输用户序号i＝i+1；如果i＜4，则执行本传输用户集合选择中之步骤2)；否则，执行本传输用户集合选择中之步骤4)；

4)最终确定选择出的传输用户集合为{π(1)...π(4)}。

基站对选中的传输用户集发送数据。

附图1给出了本发明在数据传输信噪比为10dB，上行信道训练符号和信道模拟反馈信号的发送功率均为8瓦，噪声功率为1瓦；基站配置4根发送天线，每个用户配备1根接收天线；反馈用户数U＝50；图中总吞吐率和用户数的关系曲线a的特征为：随用户数增大，相比于全部用户参与模拟反馈方法的曲线b，其总吞吐率损失始终保持在一个较小的范围内。在实施例中，用户数为500，那么由附图1可以看到，在选择用户下行信道模值门限值为6.68的情况下，本发明方法所对应的总吞吐率和用户数的关系曲线a达到的总吞吐率为13.51比特/秒/赫兹；相比于全部用户参与模拟反馈的方法所对应的曲线b达到的总吞吐率为14.26比特/秒/赫兹，本发明部分用户模拟反馈的方法仅损失了0.75比特/秒/赫兹的总吞吐率。

附图2给出了本发明在数据传输信噪比为10dB，上行信道训练符号和信道模拟反馈信号的发送功率均为8瓦，噪声功率为1瓦；基站配置4根发送天线，每个用户配备1根接收天线；反馈用户数U＝50；并设全部用户参与反馈的情况下总的反馈开销为1；对比全部用户参与反馈，本发明中用户数和归一化的相对反馈开销的关系曲线c在不同的用户数K情况下，反馈用户数降低到全部用户参与反馈情况下的50/K，总的反馈开销也降低到全部用户参与反馈情况下的50/K。同时，减小了基站端选择传输用户集合时遍历的用户数，从而降低了基站端选择传输用户集合的复杂度。在本实施例中，本发明方法所对应的用户数和归一化的相对反馈开销的关系曲线c，归一化的相对反馈开销降低到全部用户参与反馈情况下的10％。从附图2可见，用户数和归一化的相对反馈开销的关系曲线c的特征为，当用户数K大于U时，曲线纵坐标的取值永远小于1，表示归一化的相对反馈开销的降低；随着用户数K的增大，反馈开销的降低越大。

本发明通过采用部分用户反馈的方法，用户根据基站确定的下行信道模值的反馈判决门限值进行判决反馈，使得只有部分用户向基站反馈信道状态信息，极大地降低了多用户环境下模拟反馈产生的巨大反馈开销；减小了基站端选择传输用户集合时遍历的用户数，从而降低了基站端选择传输用户集合的复杂度；对于模拟反馈而言，本发明中具备模拟反馈资格的用户集合是在所有用户中具有较高信道质量的一个用户集，从而相比所有用户参与模拟反馈，系统的吞吐率损失较小。因此，本发明在降低模拟反馈开销，减小基站选择传输用户集合复杂度的同时，获得相比所有用户参与模拟反馈损失较小的系统吞吐率，适于在实际系统中使用，降低了使用成本。

Claims (2)

1.一种多用户多入多出模拟反馈系统中的部分用户反馈方法，其特征在于：基站根据当前服务小区用户数K、基站天线数M、上行信道容许的平均反馈用户数U和下行信道模的平方的卡方分布特征，按下行信道模值大于及等于门限值的用户数的平均值小于等于上行信道容许的平均反馈用户数的准则，计算得到用户下行信道模值的反馈判决门限值：

上式中，F^-1(γ)为F(γ)的反函数，符号γ表示函数变量； 

为信道模值平方的概率分布函数，其中符号ρ表示积分变量；

然后基站将用户下行信道模值的反馈判决门限值η传给所有用户；

用户判断其下行信道模值大小，若大于或等于门限值η，则在每个时隙通过模拟反馈的方式向基站反馈用户的下行信道；然后基站从接收到的用户模拟反馈信号中按最小均方差估计得到用户的下行信道。

2.如权利要求1所述多用户多入多出模拟反馈系统中的部分用户反馈方法，特征在于基站将反馈判决门限值η传给所有用户后的后续步骤具体为：

用户进行门限判决及模拟反馈步骤：

设每个用户的下行信道为h_k，h_k为1×M维矢量，用二阶范数||h_k||表示h_k的模值；对于全体用户集合{1，…K}中的每一个用户k判断其下行信道模值||h_k||大小，若该值大于等于反馈判决门限值η，那么用户k将其下行信道通过模拟反馈的方式反馈给基站，若反馈信号发送功率为β₂P，其中功率乘积因子β₂表示反馈每个信道系数使用的信道数，设γ_k，1，…，γ_k，M为M个1×β₂M维二阶范数为1的导频序列，则用户k发送模拟反馈信号为：

式中右上标的符号^T表示转置；

若用户的下行信道模值小于反馈判决门限值η，则该用户不发送模拟反馈信号； 

基站按最小均方差估计用户上行信道步骤：

在用户进行门限判决及模拟反馈步骤里发送了模拟反馈信号的每一个用户k再发送上行信道训练符号，若发送功率为β₁P，其中功率乘积因子β₁表示训练每个信道系数使用的导频数，设 

为1×β₁M维二阶范数为1的导频序列，则用户k发送上行信道训练符号为

若g_k为用户k到基站的上行信道，为M×1维矢量；设n_k为噪声，方差为N₀；则基站收到每一个用户k的上行信道训练符号的接收向量为

基站对用户的上行信道进行最小均方差信道估计，得到每一个用户k的上行信道的估计值

基站按最小均方差估计得到模拟反馈信号中的用户下行信道步骤：

在用户进行门限判决及模拟反馈步骤里发送了模拟反馈信号的用户k，设n_k，f为噪声，方差为N₀，则由下式计算得到基站对用户k的模拟反馈信号的接收向量为：

根据基站按最小均方差估计用户上行信道步骤得到的基站对用户k的上行信道的估计值 

基站对接收向量进行如下操作：

其中，式中右上标的符号 

表示共轭转置；

基站对 

中的h_k进行最小均方差估计计算得到用户k的下行信道为：

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