CN101741523B - 多用户多天线系统反馈码字空间距离阈值的有限反馈方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用户多天线系统反馈码字空间距离阈值的有限反馈方法，特征是每个用户向基站反馈码字空间距离阈值以限定与其已选定的预编码矩阵索引指示的码字距离比较大的码字集合，同时反馈相应的多用户信道质量指示，基站根据每个用户汇报的码字空间距离阈值以及预编码矩阵索引按照比例公平原则对用户进行配对传输。反馈码字空间距离阈值充分利用多用户分集调度增益，以较少的额外反馈开销很大程度提高了系统平均吞吐率，复杂度只有很少的增加，在实际系统中较容易实现。

Description

多用户多天线系统反馈码字空间距离阈值的有限反馈方法

技术领域

本发明属于移动通信多用户多输入多输出系统技术领域，具体涉及基于码本的预编码方式中接收端向基站反馈预编码矩阵索引的有限反馈方法。

背景技术

国际标准化机构第三代合作伙伴计划组织(3GPP)针对第三代移动通信系统的长期演进(LTE)项目发布的Release 8(Rel-8)协议(3GPP TS 36.213v8.7.0，7.1.5.Multi-userMIMO scheme，2009-05，pp22和3GPP TS 36.211v8.7.0，6.3.4.2.1.Precoding withoutCDD，2009-05，pp52)中，多用户多入多出空间复用传输可以采用每个用户单个数据流的基于码本的多码字预编码方式，预编码矩阵在接收端获得，并反馈预编码矩阵索引供基站选用。采用Release 8协议的每个用户单个数据流(Rel-8Rank＝1)的多用户空间复用传输时，相对于单用户传输模式，有一定的性能增益。但因其接收端反馈的预编码矩阵索引以及信道质量指示信息未考虑多用户干扰信息，使基站不能较好地选择多用户配对集合来进行多用户空分复用传输。因此现有Release 8协议的预编码矩阵反馈方法不能充分利用多用户分集调度增益来提高系统性能。

发明内容

本发明的目的是提出一种多用户多天线系统反馈码字空间距离阈值的有限反馈方法，以提高系统的平均吞吐率。

本发明多用户多天线系统反馈码字空间距离阈值的有限反馈方法，包括：首先用户在基站和用户之间预定的预编码矩阵码本W中，利用预测的信道状态信息H，根据预编码矩阵索引公式 ${\mathrm{PMI}}_k=\underset{i}{\max }\{P{\left(\mathrm{HW}\left({\mathrm{PMI}}_i\right)\right)}^H\×\mathrm{HW}\left({\mathrm{PMI}}_i\right)\}$ 计算与信道状态信息H最匹配的码字对应的预编码矩阵索引PMI_k；上述预编码矩阵索引公式中，W(PMI_i)表示码本中索引为PMI_i，i＝1，2，...，N所指示的码字，N为预编码矩阵码本大小，P为基站的发射功率；基站则采用此预编码矩阵索引PMI_k指示的码字进行预编码处理；用户根据信道质量指示公式CQI＝P(HW(PMI_k))^H×HW(PMI_k)计算单用户传输模式的信道质量指示；用户将选定的预编码矩阵索引PMI_k以及相应的信道质量指示反馈给基站；其特征在于：每个用户反馈码字空间距离阈值，将预编码矩阵码本W中的其他码字按照与已经选定预编码矩阵索引PMI_k指示的码字之间的空间距离从小到大排列为：w_π(1)，w_π(2)，...，w_π(N-1)，其中，预编码矩阵码本大小N中第j个码字的索引π(j)，j＝1，2，...，N-1，其相应的码字空间距离CSD排成序列CSD_π(1) ≤CSD_π(2)≤...≤CSD_π(N-1)；用户根据信号干扰噪声比公式 ${\mathrm{SINR}}_j=\frac{P}{2}{\left(\mathrm{HW}\left({\mathrm{PMI}}_k\right)\right)}^H\×{(N_{0}I+\frac{P}{2}{\mathrm{Hw}}_{\mathrm{\π}\left(j\right)}\×{\left({\mathrm{Hw}}_{\mathrm{\π}\left(j\right)}\right)}^H)}^{-1}\×\mathrm{HW}\left({\mathrm{PMI}}_k\right)$ 计算与反馈预编码矩阵索引为π(j)的用户配对后的多用户信号干扰噪声比SINR_j，形成与按照码字空间距离排列序列对应的信号干扰噪声比序列：SINR_π(1)，SINR_π(2)，...，SINR_π(N-1)，其中最大的值SINR_max＝max{SINR_j，1≤j≤N-1}，根据上述信号干扰噪声比序列中前i项的信号干扰噪声比SINR_π(1)，SINR_π(2)，...，SINR_π(I)均不小于最大信号干扰噪声比SINR_max与可调节的功率因子power_scaling_factor的乘积SINR_max*power_scaling_factor确定最大的序列号i，其中0≤power_scaling_factor≤1，用户向基站反馈码字空间距离阈值，该码字空间距离阈值等于序列号i对应的码字空间距离CSD_π(i)；用户向基站反馈多用户传输模式的信道质量指示，反馈的多用户信道质量指示为信号干扰噪声比序列中前i项SINR_π(1)，SINR_π(2)，...，SINR_π(i)的均值；基站对每个用户计算其他用户的预编码矩阵索引指示的码字与该用户的预编码矩阵索引指示的码字之间的空间距离，其中与码字空间距离小于该用户反馈的码字空间距离阈值相对应的用户落入与该用户配对的集合中；基站分别将每个用户与落入该用户配对集合中的用户进行配对，根据每个用户反馈的多用户信道质量指示计算容量，按照比例公平调度准则对用户进行配对传输；如果按照反馈的码字空间距离阈值没有用户能进行配对，则按照预编码矩阵索引正交性最好的原则进行用户配对传输。

由于本发明采用了反馈码字空间距离阈值以及相应的多用户信道质量指示的反馈方法，与现有Rel-8Rank＝1方案的反馈方法相比较，通过增加较少的反馈开销，以提高多用户分集调度增益，从而达到提高系统平均吞吐率的目的。

现有3gpp RAN1会议的提案中，针对LTE-Advanced系统8-Tx下行MIMO传输设计的码本，在码本设计准则的约束下，有部分码本和LTE的4-Tx码本不同，不是由多组相互正交的码字组成，码字之间不一定存在完全正交的情况。这样针对基于码本的多用户MIMO预编码传输，一些公司提出的改进方案(如阿尔卡特朗讯的Best Companion方案[R1-092546])，不能较好地适应这种码本的特点，需要根据这种码字“不完全正交”的码本设计优化的增强多用户MIMO反馈机制。

本发明提出通过用户反馈码字空间距离阈值，即用户在反馈适合自身信道的预编码矩阵索引PMI和单用户传输模式的信道质量指示(CQI)的同时，也反馈给基站可与当前用户进行配对的其他可选码字集合和与此相应的多用户传输模式的信道质量指示CQI，该码字集合由码本中与当前用户PMI空间距离小于反馈的码字空间距离阈值并且使当前用户仍能获得一定的信号干扰噪声比要求的码字组成。对每个用户而言，反馈的码字空间距离阈值CSDT-value表示了用户允许的其他配对用户的PMI与当前用户的PMI的空间距离的最大容忍值，限制了多少个可以供基站选择的其他用户是不确定的，和用户本身的信道质量有关。本发明使得基站可以利用各个用户反馈的码字空间距离阈值，获得较准确的多用户干扰信息，从而能进行优化的多用户配对，并且反馈给基站的多用户传输模式的CQI可以减小基站的CQI的不匹配程度，从而获得了较大的系统吞吐率的提升。

与现有的Rel-8的Rank＝1方案相比，本发明中每个用户反馈一个码字空间距离阈值大小CSDT-value以及对应的多用户CQI与单用户CQI差值Delta_CQI；基站根据这些信息进行用户配对，获得更好的多用户分集调度增益，从而提高了系统的平均吞吐率。

从整体上来看，本发明方法与现有方法相比，复杂度只有很少的增加，而使得系统平均吞吐率得到了很大的提高，在实际系统中较容易实现。

附图说明

图1是实施例中采用的多用户多输入多输出系统实现结构框图。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的实施例。

实施例1：

本实施例应用于MIMO-OFDM系统，基站采用基于码本的预编码方案，每个时频资源块上允许调用两个用户，多个发送数据流之间是不相关的；每个用户计算预编码矩阵索引PMI和码字空间距离阈值CDRT，以及对应的单用户CQI和多用户CQI，反馈给基站；基站根据每个用户的反馈信息对每个资源块进行用户调度配对，发送信号；每个用户采用最小均方误差干扰消除(MMSE-IC)方案进行接收。

通过引入码字空间距离阈值，用户的反馈过程包括下面两步操作：

1)选择单用户下最优的预编码矩阵，用PMIk指示。对于每个用户，在接收端根据信道预测得到的信道矩阵H，再依据式(1)的计算从预编码码本中选出与其最匹配的码字，

${\mathrm{PMI}}_k=\underset{i}{\max }\{P{\left(\mathrm{HW}\left({\mathrm{PMI}}_i\right)\right)}^H\×\mathrm{HW}\left({\mathrm{PMI}}_i\right)\}---\left(1\right)$

其中，基站预定的预编码矩阵码本W，预编码矩阵码本大小N，码本中索引为PMI_i，i＝1，2，...，N所指示的码字W(PMI_i)，基站的发射功率P，则每个用户预测的单用户传输模式的信道质量指示CQI为

CQI＝P(HW(PMI_k))^H×HW(PMI_k)(2)

用户将选定的预编码矩阵索引PMI_k以及相应的单用户信道质量指示CQI值反馈给基站。

2)计算要反馈的码字空间距离阈值CSDT。码字W1和W2的空间距离 $d(W1,W2)=\mathrm{Tr}\left(V^H{W}_2{W}_2^{H}V\right),$ 其中V表示由码字W1张成的空间包含的正交基组成的矩阵，Tr表示对矩阵的对角线元素的加法操作。首先将预编码矩阵码本W中的其他码字按照与已经选定预编码矩阵索引PMI_k指示的码字之间的空间距离从小到大排列为：w_π(1)，w_π(2)，...，w_π(N-1)，其中，预编码矩阵码本大小N，码字索引号π(j)，j＝1，2，...，N-1，其相应的码字空间距离CSD排成序列CSD_π(1)≤CSD_π(2)≤...≤CSD_π(N-1)。用户计算考虑了与反馈预编码矩阵索引为π(j)的用户配对后的多用户信号干扰噪声比，

${\mathrm{SINR}}_j=\frac{P}{2}{\left(\mathrm{HW}\left({\mathrm{PMI}}_k\right)\right)}^H\×{(N_{0}I+\frac{P}{2}{\mathrm{Hw}}_{\mathrm{\π}\left(j\right)}\×{\left({\mathrm{Hw}}_{\mathrm{\π}\left(j\right)}\right)}^H)}^{-1}\×\mathrm{HW}\left({\mathrm{PMI}}_k\right)---\left(3\right)$

形成和按照码字空间距离排列对应的信号干扰噪声比序列：SINR_π(1)，SINR_π(2)，...，SINR_π(N-1)，其中最大的值SINR_max＝max{SINR_j，1≤j≤N-1}。确定最大的序列号i要求上述信号干扰噪声比序列中前i项的信号干扰噪声比SINR_π(1)，SINR_π(2)，...，SINR_π(i)均不小于最大信号干扰噪声比SINR_max与可调节的功率因子power_scaling_factor  的乘积SINR_max*power_scaling_factor，其中0≤power_scaling_factor≤1，用户向基站反馈的空间距离阈值的大小CSDT-value等于序列号i对应的码字空间距离CSD_π(i)。用户需要反馈多用户传输模式的信道质量指示，反馈的多用户信道质量指示为信号干扰噪声比序列中前i项SINR_π(1)，SINR_π(2)，...，SINR_π(i)的均值以提高基站信道质量指示的匹配程度。采用反馈多用户CQI与单用户CQI差值Delta_CQI的方式以减小反馈开销。

根据每个用户的反馈信息，基站的调度过程包括下面三个步骤：

1)、对于每个用户，基站根据其反馈的码字空间距离阈值的大小CSDT-value选择用户与该用户配对。如果其他用户的预编码矩阵索引指示的码字与当前用户的预编码矩阵索引指示的码字之间的空间距离小于当前用户反馈的码字空间距离阈值，则落入与该前用户配对的集合中，与该前用户配对的用户可能有一个或者多个，由CSDT-value和其他用户的PMI决定。

2)、基站分别将每个用户与落入该用户配对集合中的用户进行配对，所有可配对的用户对集合记作A，则(i，j)∈A表示用户i和用户j配对；根据每个用户反馈的多用户信道质量指示计算容量MU_CQI＝CQI+Delta_CQI，对用户对集合中的每组用户配对(i，.j)∈A计算在多用户传输模式下的瞬时信道容量 $C_{(i,j)}=\log (1+\frac{P}{2}\×\mathrm{MU}\_\mathrm{CQ}{I}_i)+\log (1+\frac{P}{2}\×\mathrm{MU}\_C{\mathrm{QI}}_j),$ 其中MU_CQI_i和MU_CQI_j分别表示用户i和用户j的多用户CQI，P是基站发射功率；按照比例公平调度PF准则将用户配对平均传输速率对瞬时速率的进行归一化选择最佳用户配对，即选择用户配对 ${(i,j)}^{*}=\underset{(i,j)\∈A}{\arg \max }\left\{\frac{C_{(i,j)}}{R_{(i,j)}}\right\}$ 传输，其中R_(i，j)表示用户i和用户j的平均传输速率之和。

3)、如果按照码字空间距离阈值没有用户能进行配对，则基站按照预编码矩阵索引正交性最好原则进行用户配对，即选择用户配对使得这两个用户对应的预编码矩阵索引指示的码字之间的距离不大于其他任意两个用户配对时的预编码矩阵索引指示的码字之间的距离。

每个用户的反馈开销由表1给出，用4bits量化每个PMI，5bits量化单用户CQI，4bits量化码字空间距离阈值大小CSDT-value，3bits量化多用户CQI与单用户CQI的差值Delta_CQI。同时给出了Rel-8 Rank＝1方案作为对比方案的反馈开销，如表2。对比表1和表2，相对于Rel-8 Rank＝1方案，本发明方法增加了一定的反馈开销，然而，因为本发明的方法反馈的是码字空间距离阈值大小CSDT-value，这增大了基站的调度灵活性，获得了很好的多用户分集调度增益；同时反馈相应的多用户CQI，提高了基站的信道质量指示CQI的匹配程度，从而整体上提高了系统的平均吞吐率。

表1.提出方案：16bit反馈开销

UE反馈信息	反馈比特开销
		PMI	4bits
SNR/CQI(SU-MIMO mode)	5bits
		CSDT-value	4bits
Delta CQI(MU-MIMO mode)	3bits

表2.Rel-8Rank＝1方案：9bit反馈开销

UE反馈信息	反馈比特开销
		PMI	4bits
CQI(SU-MIMO mode)	5bits

为了具体说明本发明的优点，说明书中给出了仿真结果。系统框图如图1，系统实现的参数参考表3。本发明方案中，每个用户向基站反馈一个预编码矩阵索引PMI，一个单用户传输模式的CQI，一个码字空间距离阈值CSDT-value以及与此相对应的多用户传输模式的CQI与单用户CQI的差值，记作Delta_CQI；基站根据这些反馈信息进行多用户调度传输。

表3.仿真参数

系统参数	参数值
		传输带宽	10MHz
FFT点数	1024
		可用子载波	600
子载波间隔	15kHz
		子帧持续时间	1ms
载频	2.0GHz
		资源块大小(RB)	12
信道模型	3GPP事例3参考TR36.814SCM(Macro Urban)
		天线距离	[0.50.5][40.5]
移动速度	3Km/Hr
		调度算法	比例公平
反馈延迟	4TTI
		反馈周期	4TTI
接收机	MMSE-IC
		天线配置	8x2
用户数	10
		CQI汇报/预编码矩阵选择和调度的子带大小	5RB’s
信道估计	理想
		码本大小	8-Tx：华为码本
链路自适应	R1-091955中表5采用MCS表

表4和表5分别给出了发射天线距离等于4λ和0.5λ的结果。

表4.4λ基站天线距离的相对增益

发送方案	相对增益
		提出方案	24.48％
Rel-8Rank＝1方案	参考基准

表5.0.5λ基站天线距离的相对增益

发送方案	相对增益
		提出方案	15.18％
Rel-8Rank＝1方案	参考基准

表4和表5表明，不管发射天线距离等于4λ还是0.5λ，相对于Rel-8Rank＝1方案本发明的方案性能都有很大的提高；对比表4和表5，当发射天线距离等于4λ时，本发明的方案获得的平均系统吞吐率提高要大于发射天线距离等于0.5λ的情况。

Claims (1)

1.一种多用户多天线系统反馈码字空间距离阈值的有限反馈方法，包括：首先用户在基站和用户之间预定的预编码矩阵码本W中，利用预测的信道状态信息H，根据预编码矩阵索引公式 

计算与信道状态信息H最匹配的码字对应的预编码矩阵索引PMI_k；上述预编码矩阵索引公式中，W(PMI_i)表示码本中索引为PMI_j，i＝1，2，...，N所指示的码字，N为预编码矩阵码本大小，P为基站的发射功率；基站则采用此预编码矩阵索引PMI_k指示的码字进行预编码处理；用户根据信道质量指示公式CQI＝P(HW(PMI_k))^H×HW(PMI_k)计算单用户传输模式的信道质量指示；用户将选定的预编码矩阵索引PMI_k以及相应的信道质量指示反馈给基站；其特征在于：每个用户反馈码字空间距离阈值，将预编码矩阵码本W中的其他码字按照与已经选定预编码矩阵索引PMI_k指示的码字之间的空间距离从小到大排列为：w_π(1)，w_π(2)，...，w_π(N-1），其中，预编码矩阵码本大小N中第j个码字的索引π(j)，j＝1，2，...，N-1，其相应的码字空间距离CSD排成序列CSD_π(1)≤CSD_π(2)≤...≤CSD_π(N-1)；用户根据信号干扰噪声比公式 

计算与反馈预编码矩阵索引为π(j)的用户配对后的多用户信号干扰噪声比SINR_j，形成与按照码字空间距离排列序列对应的信号干扰噪声比序列：SINR_π(1)，SINR_π(2)，...，SINR_π(N-1)，其中最大的值SINR_max＝max{SINR_j，1≤j≤N-1}，根据上述信号干扰噪声比序列中前i项的信号干扰噪声比SINR_π(1)，SINR_π(2)，...，SINR_π(i)均不小于最大信号干扰噪声比SINR_max与可调节的功率因子power_scaling_factor的乘积SINR_max ^*power_scaling_factor确定最大的序列号i，其中0≤power_scaling_factor≤1，用户向基站反馈码字空间距离阈值，该码字空间距离阈值等于序列号i对应的码字空间距离CSD_π(i)；用户向基站反馈多用户传输模式的信道质量指示，反馈的多用户信道质量指示MU_CQI为信号干扰噪声比序列中前i项SINR_π(1)，SINR_π(2)，...，SINR_π(i)的均值；基站对每个用户计算其他用户的预编码矩阵索引指示的码字与该用户的预编码矩阵索引指示的码字之间的空间距离，其中与码字空间距离小于该用户反馈的码字空间距离阈值相对应的用户落入与该用户配对的集合中；基站分 别将每个用户与落入该用户配对集合中的用户进行配对，所有可配对的用户对集合记作A，则(i，j)∈A表示用户i和用户j配对；根据每个用户反馈的多用户信道质量指示，对用户对集合中的每组用户配对(i，j)∈A计算在多用户传输模式下的瞬时信道容量 

其中MU_CQI_i和MU_CQI_j分别表示用户i和用户j的多用户信道质量指示，P是基站发射功率；按照比例公平调度PF准则将用户配对平均传输速率对瞬时速率的进行归一化选择最佳用户配对，即选择用户配对 

传输，其中R_(i，j)表示用户i和用户j的平均传输速率之和；如果按照反馈的码字空间距离阈值没有用户能进行配对，则按照预编码矩阵索引正交性最好的原则进行用户配对传输。 

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