CN101667896B - 基于码本的多用户mimo通信系统的用户选择方法 - Google Patents

Abstract

基于码本的多用户MIMO通信系统的用户选择方法，eNodeB根据小区内用户反馈的PMI和CQI对调度用户进行分组并选择。对调度用户进行分组的依据是PMI代表的码本向量之间的准正交性。在系统运行时，eNodeB根据UE反馈的PMI确定每个用户隶属的信道区域，并根据UE上报的CQI在信道分区中选择一个CQI最大的用户作为该区域的最优用户，然后根据预先建立的准正交关系计算各个配对用户组的联合频谱效率的大小，最终选择联合频谱效率最大的一组用户作为当前的配对用户组。本发明可以极大简化多用户MIMO系统用户选择的计算复杂度，并能获得接近最优的吞吐量性能。

Description

基于码本的多用户MIMO通信系统的用户选择方法

技术领域

本发明属于无线通信领域的多用户设备调度技术领域，特别涉及一种多用户设备MIMO系统基于码本的低复杂度多用户设备调度方法。

背景技术

在无线通信系统中，发射机和接收机上使用多副天线，即构成了多输入多输出(MIMO)系统，这种传输方式可以增强无线传输的可靠性，同时提高无线通信系统的容量。理论证明，在MIMO多用户设备系统中，通过线性预编码技术，系统可以获得复用增益，即在一个时刻，可以同时给几个用户设备发送信号。线性预编码技术，是目前比较实用并受关注的技术，这一技术通过对发射端发射的每个用户设备的信号都用一个正交的预编码矩阵来消除用户设备之间的信号干扰，当用户设备数很大的时候，由调度算法选择用户设备，可以实现多用户设备增益。

一般而言，使用线性预编码技术需要进行用户设备选择，目前已有的基于容量最大准则的贪婪算法，通过在调度用户设备集合中搜索，每次选取一个最优的用户设备。虽然这种算法可以获得接近最优的容量，但是由于其高复杂度，使得这种算法并不实用。另外还有一种准正交用户设备选择算法(SUS)，即通过每次迭代选取一组正交性和信道增益联合最优的用户设备，从而实现多用户设备调度。相对于贪婪算法，SUS算法大大降低了多用户设备调度的计算复杂度。然而，这种方法不能保证获得最优的准正交用户设备子集，同时，在SUS中，需要对用户设备进行多次搜索和比较，因而计算复杂度仍然较高。另外，在SUS算法中，发射端对进行多用户设备调度需要信道状态信息，而在实际系统中，发射机并不能准确知道信道状态信息。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种具有实用价值的基于部分信道状态信息的低复杂度的多用户MIMO系统设备的用户设备调度方法，同时又能满足频谱效率优化的需要。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种基于码本的多用户MIMO通信系统的用户选择方法，依次包括以步骤：

A、根据码本建立信道量化区域，即每个码本向量或矩阵代表一个信道区域；

B、根据设定的准正交性门限建立各个信道区域的准正交性关系；

C、每个用户设备反馈PMI和CQI；

D、在eNodeB节点侧，根据每个用户设备反馈的PMI，eNodeB将每个UE分配到PMI对应的信道区域；

E、在每个信道区域，eNodeB根据每个用户设备反馈的CQI，在每个信道区域选择一个信道质量最好的用户设备；

F、根据码本中码本向量的准正交性关系，计算所有具有准正交关系的用户设备组的联合吞吐量，吞吐量最大的一组用户设备作为当前的选择用户设备组。

本发明利用量化技术将信道分区，并利用代表量化信道区域的码字之间的准正交性设计量化信道区域的准正交组集合，利用这些准正交组集合进行用户设备选择。相对于已有的用户设备调度算法，本发明用码字向量的正交性代替用户设备间的正交性计算与搜索，大大简化了用户设备搜索的运算量。而且通过选择适当的码本，本发明还可以获得接近最优的容量性能，因此很适合在实际中应用，可以为第三代(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(WLAN)、无线广域网(WWAN)等系统的预编码方案提供重要的理论依据和具体的实现方法。

以下结合附图及实施例详细说明本发明。

附图说明

图1是带有用户设备选择的多用户设备MIMO系统；

图2是码本的准正交组的原理图。

具体实施方式

一种基于码本的多用户MIMO通信系统的用户选择方法，包括以下步骤：

A、根据LTE(3GPP长期演进)规定的码本建立信道量化区域，即每个码本向量或者代表一个信道区域。其中所述的根据LTE规定的码本建立信道区域，是为了对信道空间进行分区。在闭环MIMO系统中，MIMO信道空间可以量化为互不重叠的有限数量的信道区域，每个量化的信道区域可以用一个向量或者矩阵代表，这个向量或者矩阵称为码字，所有信道区域的码字组成的集合构成码本。在系统运行中，落入每个信道区域的信道向量都可以用相应区域的码字来近似。

B、根据设定的准正交性门限建立各个信道区域的准正交性关系。这是为了在用户设备配对过程中通过比较具有正交关系的用户设备的联合吞吐量，从而缩小了为计算联合吞吐量时的用户设备搜索范围，起到降低计算复杂度的作用。

C、每个UE周期性或者非周期反馈码本矩阵索引号(Precoding Matrix Index，PMI)和信道质量信息(Channel Quality Information，CQI)。该步骤是根据协议在规定的反馈周期或者事件触发得到的与有限比特近似的信道信息，节点(eNodeB)根据这两种信息进行用户设备选择。

D、在eNodeB侧，根据每个UE反馈的PMI，eNodeB将每个UE分配到PMI对应的信道区域。这是为了将具有相同PMI的UE划分到同一信道区域中，并认为一个区域的用户设备具有相同的信道向量方向，以简化用户设备调度算法。例如，如果码本包含4个码本向量，则所有的UE将根据PMI被划分到最多4个信道区域中；如果码本包含16个码本向量，则所有的UE将根据PMI被划分到最多16个信道区域中。

E、在每个信道区域，eNodeB根据每个UE反馈的CQI，在每个信道区域选择一个信道质量最好的用户设备。本发明中信道质量最好的用户设备即指CQI最大的用户设备，使用的CQI为用户设备(UE)测量的SINR的量化结果。这是由于根据步骤D可知，对于UE数量多于码本大小的场景，至少有一个信道区域会出现多个用户设备。选择CQI最大的用户设备可保证选到最优的用户设备并简化运算量，并达到配对用户设备组联合频谱效率最大的目的。

F、根据码本中码本向量的准正交性关系，计算所有具有准正交关系的用户设备组的联合吞吐量，吞吐量最大的一组用户设备作为当前的选择用户设备组。这样可达到配对用户设备组总容量最优目标。

其中，步骤A中的所述码本为LTE协议中规定的矩阵，码本中的每个码本向量代表一个信道区域，码本向量之间的夹角表征信道区域之间的关系。

其中，步骤C中的所述UE反馈的PMI与CQI，具体为：每个用户设备通过信道估计得到各自的信道信息。每个用户设备用信道估计得到的单位化信道向量与预先存于用户设备的码本中的各个码本向量作相关运算，并用相关性最大的码本向量来代替该用户设备的信道方向，并以该码本向量或矩阵在码本中的序号作为PMI，将其用少量比特来表示并反馈到发射端。CQI信号可以通过UE测量得到，它表征各个用户设备的均衡后的信号噪声干扰比(SINR)。

进一步地，所述步骤F包括：基于已有的信道区域，可以计算出各个信道区域的码本向量之间夹角，即准正交性关系。根据预先设定的准正交性门限，可以将低于准正交性门限的一组码本向量组成准正交组，从而形成准正交信道区域集合。在各个信道区域选择了CQI最大的用户设备以后，可以在这些准正交信道区域中进行用户设备配对。配对准则为联合频谱效率最大准则。联合频谱效率最大的配对用户设备组作为当前选择的最优用户设备组。

其中，所述步骤A中的所述LTE协议规定的下行MIMO系统使用的码本分为基于天线数为2和4的码本，分别如下表1和表2所示：

表1发射天线为2的1个数据流和2个数据流的码本

表2发射天线为4的1，2，3，4个数据流码本

对于发射天线为4的MIMO系统，码本矩阵W可以根据数据流数量从表2中选取。表中，

代表由从矩阵

中子集{S}所代表的列向量组成的矩阵，其中I为4×4的单位矩阵，u_n从表2中选择。

对于准正交性门限，一般取1≤α≤0.3，两个码字的正交性的计算如下：

$\frac{\left|c_i{c}_j^H\right|}{\left|\right|c_i\left|\right|\·\left|\right|c_j\left|\right|}\≤\mathrm{\α},i,j\∈S,\left|S\right|\≤N_t---\left(1\right)$

当两个码字的正交性小于等于α门限时，可以认为两个码字之间具有准正交关系，同时可以认为两个码字所代表的量化信道区域具有准正交性。处于同一量化信道区域的用户设备信道单位化向量具有较大的相关性，因此认为具有准正交性的信道区域里的用户设备的信道也具有相同的准正交性。

按照向量相关性的定义，可以对码字进行准正交性分组，得到一组或多组具有准正交性的码字，其中|S|为一个准正交组中的码字集合的大小。按照上面的向量相关性的定义，对于一个给定码字，可以搜索出较多的准正交组，而所有的这些准正交组构成了一个准正交组集合，这个准正交组集合即为量化信道区域的准正交组集合。

3)每个用户设备都预编存有一个和发射端一样的码本，每个用户设备通过信道估计得到信道信息后，将得到的信道系数与码本中所有码字进行相关计算，方法如下：

$\mathrm{PMI}=\arg \underset{1\≤j{\≤N}_B}{\max {\left|\right|{\tilde{h}}_i{c}_j^H\left|\right|}^2}---\left(2\right)$

其中，PMI为与用户设备信道系数最匹配的码字序列号，N_B为码本中码字数量大小，

为用户设备的信道系数。公式(2)标识选择与用户设备的单位化信道向量相关性最大码字作为对用户设备信道方向向量的近似，并以码字的序号作为PMI反馈至发射端。

每个准正交组的联合频谱效率按照如下的公式计算：

$C_{\mathrm{sum}}^i=\underset{k=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+\mathrm{CQ}{I}_k),i\∈[1,...,N_s]---\left(3\right)$

其中，N_s为准正交组个数，N_i为每个准正交组中的用户设备数。一般而言，准正交组中用户设备数量不超过发射天线数。

以下以一实例进行说明。

该实例中带有用户设备选择的多用户设备MIMO系统构造如图1所示，在无线系统中，发射端的发射天线数为4。信道状态信息在接收端获取，本发明不涉及具体的获取方式，因此省略对获取方式的详细描述。

本实施例中，假设使用的码本大小为8。图2中的8个节点代表8个量化信道区域或者码字。按照准正交化的定义，根据设定的准正交化门限，搜索量化区域的准正交组，从而得到四组准正交组，即每个准正交组中的码字两两准正交。可以发现，码字之间的准正交关系是比较复杂的，如果在线完成，计算量将会非常大，因此需要预先搜索好，以降低系统运行时的复杂度。

在系统运行中，eNodeB只需要根据每个UE反馈的PMI将各个用户设备划分到不同的信道区域，并根据每个用户设备反馈的CQI信息在每个量化区域选择CQI最大的用户设备，从而大大缩小了用户设备搜索范围。接下来，基于图2所示的准正交组，按照公式(2)分别计算4个正交组的联合频谱效率：

1(1-2-5-6)、2(2-3-6-7)、3(3-4-7-8)、4(4-5-8-1)

选择联合频谱效率最大的一组用户设备作为当前最优的用户设备组，从而以很低的复杂度完成了用户设备选择，实现了多用户设备增益。

Claims (7)

1.基于码本的多用户MIMO通信系统的用户选择方法，其特征在于依次包括以下步骤：

A、根据码本建立信道量化区域，即每个码本向量或者码本矩阵代表一个信道区域；

B、根据设定的准正交性门限建立各个信道区域的准正交性关系；

C、每个用户设备向eNodeB反馈PMI和CQI；

D、在eNodeB侧，根据每个用户设备反馈的PMI，eNodeB将每个用户设备分配到PMI对应的信道区域；

E、在每个信道区域，eNodeB根据每个用户设备反馈的CQI，在每个信道区域选择一个信道质量最好的用户设备；

F、根据码本向量的准正交性关系，计算所有具有准正交关系的用户设备组的联合吞吐量，吞吐量最大的一组用户设备作为当前的选择用户设备组。

2.如权利要求1所述的基于码本的多用户MIMO通信系统的用户选择方法，其特征在于：所述步骤E中，信道质量最好的用户设备为CQI最大的用户设备，该CQI为用户设备测量的SINR的量化结果。

3.如权利要求2所述的基于码本的多用户MIMO通信系统的用户选择方法，其特征在于：所述步骤C中，每个用户设备周期性或者非周期反馈PMI和CQI；该步骤是根据规定的反馈周期或者事件触发得到的与有限数量比特近似的信道信息。

4.如权利要求3所述的基于码本的多用户MIMO通信系统的用户选择方法，其特征在于：所述步骤A中，所述码本为LTE协议中规定的矩阵，码本中的每个码本向量代表一个信道区域，码本向量之间的夹角表征信道区域之间的关系。

5.如权利要求4所述的基于码本的多用户MIMO通信系统的用户选择方法，其特征在于：所述步骤C中所述用户设备反馈的PMI与CQI的具体步骤为：每个用户设备通过信道估计得到各自的信道信息，每个用户设备用信道估计得到的单位化信道向量或矩阵与预先存于用户设备的码本中的各个码本向量或矩阵作相关运算，并用相关性最大的码本向量或矩阵来代替该用户设备的信道方向，并以该码本向量或矩阵在码本中的序号作为PMI，并将PMI用比特来表示，然后反馈到eNodeB；所述CQI通过用户设备测量得到且表征各个用户设备的均衡后的信号噪声干扰比。

6.如权利要求5所述的基于码本的多用户MIMO通信系统的用户选择方法，其特征在于：所述步骤F具体包括：基于已有的信道区域，计算出各个信道区域的码本向量之间夹角，即准正交性关系；根据预先设定的准正交性门限，将低于准正交性门限的一组码本向量组成准正交组，形成准正交信道区域集合；在各个信道区域选择了CQI最大的用户设备后，再在这些准正交信道区域中进行用户设备配对；配对准则为联合频谱效率最大；联合频谱效率最大的配对用户设备组作为当前选择的最优用户设备组。

7.如权利要求6所述的基于码本的多用户MIMO通信系统的用户选择方法，其特征在于：所述步骤A中的所述码本为LTE规定的下行MIMO系统使用的基于天线数为2和4的码本。

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