CN101848023B - 基于无速率码的多用户mimo下行链路传输模式选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无速率码的多用户MIMO下行链路传输模式选择方法，它根据多用户MIMO下行链路系统的参数，在基于多波束选择的波束成型传输模式和正交空分多址传输模式中，选择一种传输模式，进行信息的传输。本发明在保证传输时延的要求、只需极少的反馈信息和具有较低实现复杂度的条件下，给出不同传输模式的操作步骤、所允许接入系统的用户数目的限制条件、最大化系统净容量时的最佳反馈门限值以及在不同传输模式间相互切换的门限值的确定方法，从而完成多用户MIMO下行链路信息有效可靠的传输。

Description

基于无速率码的多用户MIMO下行链路传输模式选择方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种基于无速率码的多用户MIMO下行链路传输模式选择方法。

背景技术

在过去十年中，支持多媒体业务(如音频、视频、FTP等)的无线通信技术得到了史无前例的快速发展。未来的宽带无线移动通信系统，需要具有良好的消除由时间或频率弥散所引起的无线信道衰落影响的能力，以达到更快的传输速率、更高的传输链路可靠性、更强的Qos(Quality of service)保证的目标。宽带无线移动通信标准(如WIMAX、B3G、LTE)的一个共同特点就是使用多天线MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术。使用MIMO技术能够在不额外增加功率和带宽开销的情况下，提高传输容量和链路可靠性。在MIMO传输中，通常将传输时延作为Qos保证的重要指标。为了保证传输时延的要求，在MIMO传输中采用链路适配的方式。最基本的方法是要求在接收信噪比必须大于某一门限值的情况下完成传输，但这种方法并没有揭示传输时延和传输速率之间的本质关系，效率不高；结合信息论和排队论的相关知识，一种跨层优化的方法(见“Cross-Layer Scheduling With Presctribed QoS Guarantees in Adaptive WirelessNetworks，”IEEE JSAC，vol.23，no.5，pp.1056-1066，May 2005)被提出以保证Qos，但这种方法需要发送端获取完全准确的信道信息，这在实际中很难实现；一种利用ARQ(Auto-Repeat-reQuest)性能，在分集、复用、时延中折中设计的算法(见“The MIMO ARQ Channel：Diversity-Multiplexing-Delay Tradeoff，”IEEETrans.Info.Theory，vol.52，no.8，pp.3601-3621，Aug.2006)虽然能够保证Qos，但只适用于单用户的点对点传输模式。

最近，对于MIMO的研究热点已经由单用户的点对点传输转到多用户传输上。在多用户MIMO传输中，即使每个用户只配置一根天线，只要相互独立的用户数目足够多，空间复用仍然是可用的；而且如果用户数目足够多，还能够达到多用户分集。但是多用户MIMO传输的一个缺点在于其需要足够多的反馈信息和复杂的调度算法，以选择最优的用户集合从而消除用户之间的相互干扰。为了在系统性能和运行负载(包括反馈信息量和计算复杂度)上平衡折中，机会式波束成型OBF(Opportunistic BeamForming)技术(见“A Comparison ofTime-Sharing，DPC，and Beamforming for MIMO Broadcast Channels with ManyUsers，”IEEE Trans.Commun.，vol.55，no.1，pp.11-15，Jan.2007)被广为使用，即在每一个传输时隙，选择具有最大信道增益的用户经过波束成型进行传输，这样能够同时达到空间复用和多用户分集。

另外，一种具有自适应链路适配特性的新型信道编码方式——无速率码(Rateless Code)，被用于有时延限制的无线通信中。无速率码与传统的码率固定的编码方式最大的不同在于它在发送端不设定固定码率，其编码包的个数是没有限制的。发送端可以按照一定方式源源不断的随机产生编码包并发送出去。接收端则可以在接收到这些编码包后尝试译码。从统计意义上来讲，每一个编码包包含着相同的关于消息数据包的信息量，接收端并不关心具体的某一个编码包的接收情况，而是关心接收到的编码包的总数量，只要接收端接收到足够多的编码包，就可以成功译码；如果译码失败，接收端可以再多接收一些编码包然后继续尝试译码，接收端将一直重复这个过程直到译码成功。一旦译码成功，接收端只需要发送一个非常简单的信号告知发送端停止发送即可，这样就完成了整个传输过程。由此可见，采用无速率码编码方式，可以在发送端不知道任何信道状态信息，以及在传输过程中无需任何反馈重传机制的条件下，自适应地调整传输码率，保证信息有效可靠的传输。同时，J.Castura，Y.Mao，andS.Draper等人发现(见“On Rateless Coding over Fading Channels with DelayConstraints，”in proc.IEEE ISIT，pp.1124-1128，July 2006)，使用无速率码可以在具有较低的计算复杂度情况下满足有一定时延要求的通信。

以此为启发，本专利结合OBF技术和无速率码技术，提出一种保证时延Qos的多用户MIMO下行链路传输模式选择方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于无速率码的多用户MIMO下行链路传输模式选择方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。

基于无速率码的多用户MIMO下行链路传输模式选择方法，其特征在于，它根据多用户MIMO下行链路系统的参数，在基于多波束选择的波束成型传输模式和正交空分多址传输模式中，选择一种传输模式，进行信息的传输；其中，多用户MIMO下行链路系统包括1个基站和K个相互独立的用户组成，其中在基站处包括K个消息队列，每一个消息队列对应一个用户，每个用户的信息经上层处理后以帧的形式进入消息队列，其帧达到过程视作是到达率为λ的泊松过程，且每一帧包含L个消息数据包；基站配置有N_t根发射天线，在每一个传输时隙选择基于多波束选择的波束成型传输模式或正交空分多址传输模式中的一种传输模式，按帧将用户的消息数据包经过无速率码编码后，再将编码包经过波束成型进行发送；而每个用户配置有1根天线，源源不断的接收自己的无速率码编码包，设定一个译码信噪比门限值η，当接收信噪比大于此门限时，才能接收到此次传输的无速率码编码包并用于译码，当完成一帧消息数据的译码之后，用户发送一个反馈信息，告知基站开始该用户下一帧消息数据的编码传输。

所述的基于多波束选择的波束成型传输模式包括如下步骤：

1)在每一个传输时隙起始时，基站产生M个相互正交的波束，M为满足2≤M≤N_t的正整数，将这M个波束广播给K个相互独立的用户，用N_t维归一化列矢量w_i表示每一个波束，其中i是波束标号，i＝1，2，...，M；

2)各个用户计算自己的M个接收信噪比，用k表示用户标号，k＝1，2，...，K，则对于用户k，接收信噪比计算式为：

Υ_i，k＝P·|h_kw_i|²    i＝1，2，...，M

式中P是基站发送功率，N_t维行矢量h_k表示用户k的信道增益，信道噪声满足零均值，单位方差的高斯特性；

3)如果用户k的最大接收信噪比大于反馈门限值ζ_MOBF，即满足

i＝1，2，...，M

则将相应的波束标号k_max和接收信噪比

经过量化后反馈给基站；

4)基站从所有反馈信息中选择接收信噪比最大的一个波束和用户的组合，

将用户k′的一个编码包在此传输时隙中用波束i′进行发送。

所述的K个相互独立的用户的数目需要满足

式中D₀为各用户每一帧数据传输的最大可容忍时延，N为用户能成功译出一帧消息数据所需的编码包个数的统计平均值，λ为各用户消息队列到达率，

表示下取整运算。

所述的反馈门限值ζ_MOBF是：在给定基站发送天线数目N_t、每个传输时隙所使用的正交波束个数M、各用户消息队列到达率λ、一帧所包含的消息数据包个数L、用户能成功译出一帧消息数据所需的编码包个数的统计平均值N、下行链路传输带宽B、译码信噪比门限值η、各用户每一帧数据传输的最大可容忍时延D₀、量化接收信噪比所用的比特数N_b、传输时隙长度T_c、系统用户数目K、基站发送功率P的情况下，使用基于多波束选择的波束成型传输模式最佳反馈门限值的确定方法以确定最佳的反馈门限值ζ_MOBF ^*，从而最大化系统净容量，具体包括如下步骤：

1)计算ζ_MOBF的取值范围，下限ζ_MOBF，min＝η，上限

${\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{MOBF},\max }=-P\·\ln (1-{(1-\frac{\mathrm{KN\λ}}{D_0+1-\sqrt{{D_0}^2+1}})}^{\frac{1}{\mathrm{KM}}});$

2)计算拐点值ζ使其满足

3)综合ζ_MOBF，min、ζ_MOBF，max、ζ三个数值进行判决：

如果ζ＜ζ_MOBF，min＜ζ_MOBF，max，则 ${\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{MOBF}}^{*}={\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{MOBF},\min };$

如果ζ_MOBF，min＜ζ＜ζ_MOBF，max，则 ${\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{MOBF}}^{*}=\stackrel{\‾}{\mathrm{\ζ}};$

如果ζ_MOBF，min＜ζ_MOBF，max＜ζ，则 ${\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{MOBF}}^{*}={\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{MOBF},\max }.$

所述的正交空分多址传输模式包括如下步骤：

1)在每一个传输时隙起始时，基站产生M个相互正交的波束，M为满足2≤M≤N_t的正整数，将这M个波束广播给K个相互独立的用户，用N_t维归一化列矢量w_m表示每一个波束，其中m是波束标号，m＝1，2，...，M；

2)各个用户计算自己的M个接收信噪比，用k表示用户标号，k＝1，2，...，K，则对于用户k，接收信噪比计算式为：

${\mathrm{SINR}}_{m,k}=\frac{P\·{\left|h_k{w}_m\right|}^2}{1+P\underset{i=1,i\≠m}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_k{w}_i\right|}^2}$ m＝1，2，...，M

式中P是基站发送功率，N_t维行矢量h_k表示用户k的信道增益，信道噪声满足零均值，单位方差的高斯特性；

3)如果用户k的最大接收信噪比大于反馈门限值ζ_OSDMA，即满足

${\mathrm{SINR}}_{k_{\max ,},k}=\max \left\{{\mathrm{SINR}}_{m,k}\right\}>{\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{OSDMA}}$ m＝1，2，...，M

则将相应的波束标号k_max和接收信噪比

经过量化后反馈给基站；

4)基站从所有反馈信息中，为每一个波束m选择接收信噪比最大的一个用户m_max，将用户m_max的一个编码包在此传输时隙中用波束m进行发送。

所述的K个相互独立的用户的数目需要满足

式中M为每个传输时隙所使用的正交波束个数，D₀为各用户每一帧数据传输的最大可容忍时延，N为用户能成功译出一帧消息数据所需的编码包个数的统计平均值，λ为各用户消息队列到达率，

表示下取整运算。

所述的反馈门限值ζ_OSDMA是：在给定基站发送天线数目N_t、每个传输时隙所使用的正交波束个数M、各用户消息队列到达率λ、一帧所包含的消息数据包个数L、用户能成功译出一帧消息数据所需的编码包个数的统计平均值N、下行链路传输带宽B、译码信噪比门限值η、各用户每一帧数据传输的最大可容忍时延D₀、量化接收信噪比所用的比特数N_b、传输时隙长度T_c、系统用户数目K、基站发送功率P的情况下，使用正交空分多址传输模式最佳反馈门限值的确定方法以确定最佳的反馈门限值ζ_OSDMA ^*，从而最大化系统净容量，具体包括如下步骤：

1)计算ζ_OSDMA的取值范围，下限ζ_OSDMA，min＝η，上限ζ_OSDMA，max满足

$P(M-1)\ln (1+{\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{OSDMA},\max })+{\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{OSDMA},\max }\text{+Pln}(1-{(1-\frac{\mathrm{KN\λ}}{M(D_0+1-\sqrt{{D_0}^2+1})})}^{\frac{1}{K}})=0;$

2)计算拐点值

使其满足

3)综合ζ_OSDMA，min、ζ_OSDMA，max、

三个数值进行判决：

如果 $\widetilde{\mathrm{\&zeta;}}<{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\min }<{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\max },$ 则 ${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA}}^{*}={\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\min };$

如果 ${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\min }<\widetilde{\mathrm{\&zeta;}}<{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\max },$ 则 ${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA}}^{*}=\widetilde{\mathrm{\&zeta;}};$

如果 ${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\min }<{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\max }<\widetilde{\mathrm{\&zeta;}},$ 则 ${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA}}^{*}={\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\max }.$

所述的根据多用户MIMO下行链路系统的参数，在基于多波束选择的波束成型传输模式和正交空分多址传输模式中，选择一种传输模式，进行信息的传输为：在给定基站发送天线数目N_t、每个传输时隙所使用的正交波束个数M、各用户消息队列到达率λ、一帧所包含的消息数据包个数L、用户能成功译出一帧消息数据所需的编码包个数的统计平均值N、下行链路传输带宽B、译码信噪比门限值η、各用户每一帧数据传输的最大可容忍时延D₀、量化接收信噪比所用的比特数N_b和传输时隙长度T_c的情况下，按照如下两种方法进行两种传输模式的选择：

给定基站发送功率P，根据系统用户数目的变化选择传输模式的方法包括如下步骤：

1)计算系统所允许接入的最大用户数目：

式中

表示下取整运算，并令k＝1；

2)确定两种传输模式在接入系统用户数目为k时使系统净容量最大化的最佳反馈门限值ζ_MOBF ^*(k)和ζ_OSDMA ^*(k)；

3)将ζ_MOBF ^*(k)代入基于多波束选择的波束成型传输模式的系统净容量π_MOBF的表达式

${\mathrm{\&pi;}}_{\mathrm{MOBF}}\left(k\right)=\frac{\mathrm{LB}}{N}{\&Integral;}_{{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF}}^{*}\left(k\right)}^{\&infin;}{\log }_2(1+x)\&CenterDot;\left(\frac{\mathrm{kM}}{P}{e}^{-\frac{x}{P}}{(1-e^{-\frac{x}{P}})}^{\mathrm{kM}-1}\right)\mathrm{dx}$

将ζ_OSDMA ^*(k)代入正交空分多址传输模式的系统净容量π_OSDMA的表达式

${\mathrm{\&pi;}}_{\mathrm{OSDMA}}\left(k\right)=\frac{\mathrm{MLB}}{N}{\&Integral;}_{{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA}}^{*}\left(k\right)}^{\&infin;}{\log }_2(1+x)\&CenterDot;(k\frac{e^{-\frac{x}{P}}}{{(1+x)}^M}\&CenterDot;(\frac{1}{P}(1+x)+M-1)\&CenterDot;{(1-\frac{e^{-\frac{x}{P}}}{{(1+x)}^{M-1}})}^{k-1})\mathrm{dx}$

式中表示上取整运算，计算两种传输模式下的系统净容量π_MOBF(k)和π_OSDMA(k)，并令Δ(k)＝π_MOBF(k)-π_OSDMA(k)且定义Δ(0)＝0；

4)如果满足k＞K_max或者Δ(k)＝0或者Δ(k-1)·Δ(k)＜0三者中任意一个条件，则进入步骤5)；否则令k＝k+1，进入步骤2)；

5)如果k＞K_max，则此系统在所有允许接入的用户数目情况下只存在一种最佳传输模式，若Δ(k-1)＞0则传输模式为基于多波束选择的波束成型传输模式，反之为正交空分多址传输模式；如果k≤K_max，则k为用户数目的切换门限值，即若Δ(k-1)＞0，则在用户数K∈[1，k-1]时使用基于多波束选择的波束成型传输模式，K∈[k，K_max]时使用正交空分多址传输模式，若Δ(k-1)＜0，则在用户数K∈[1，k-1]时使用正交空分多址传输模式，K∈[k，K_max]时使用基于多波束选择的波束成型传输模式；

给定系统用户数目K，根据基站发送功率的变化选择传输模式的方法包括如下步骤：

1)计算系统所允许接入的最大用户数目：

式中

表示下取整运算，如果K＞K_max，即系统用户数目超过系统所允许接入的最大用户数目，此时系统传输时延要求无法保证，也就不存在两种传输模式的选择，退出整个选择方法的过程；如果K≤K_max，进入步骤2)；

2)设定一个最大发送功率值P_max，并令n＝1，p(n)＝0.1dBw；

3)确定两种传输模式在基站发送功率为p(n)时使系统净容量最大化的最佳反馈门限值ζ_MOBF ^*(p(n))和ζ_OSDMA ^*(p(n))；

4)将ζ_MOBF ^*(p(n))代入基于多波束选择的波束成型传输模式的系统净容量π_MOBF的表达式

${\mathrm{\&pi;}}_{\mathrm{MOBF}}\left(p\left(n\right)\right)=\frac{\mathrm{LB}}{N}{\&Integral;}_{{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF}}^{*}\left(p\left(n\right)\right)}^{\&infin;}{\log }_2(1+x)\&CenterDot;\left(\frac{\mathrm{KM}}{p\left(n\right)}{e}^{-\frac{x}{p\left(n\right)}}{(1-e^{-\frac{x}{p\left(n\right)}})}^{\mathrm{KM}-1}\right)\mathrm{dx}$

将ζ_OSDMA ^*(p(n))代入正交空分多址传输模式的系统净容量π_OSDMA的表达式

${\mathrm{\&pi;}}_{\mathrm{OSDMA}}\left(p\left(n\right)\right)=\frac{\mathrm{MLB}}{N}{\&Integral;}_{{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA}}^{*}\left(p\left(n\right)\right)}^{\&infin;}{\log }_2(1+x)\&CenterDot;(K\frac{e^{-\frac{x}{p\left(n\right)}}}{{(1+x)}^M}\&CenterDot;(\frac{1}{p\left(n\right)}(1+x)+M-1)\&CenterDot;{(1-\frac{e^{-\frac{x}{p\left(n\right)}}}{{(1+x)}^{M-1}})}^{K-1})\mathrm{dx}$

式中

表示上取整运算，计算两种传输模式下的系统净容量π_MOBF(p(n))和π_OSDMA(p(n))，并令Δ(p(n))＝π_MOBF(p(n))-π_OSDMA(p(n))且定义Δ(p(0))＝0；

5)如果满足p(n)＞P_max或者Δ(p(n))＝0或者Δ(p(n-1))·Δ(p(n))＜0三者中任意一个条件，则进入步骤6)；否则令n＝n+1，p(n)＝p(n-1)+Δ_p，其中Δ_p＝0.1dBw，进入步骤3)；

6)如果p(n)＞P_max，则此系统在所允许的最大传输功率范围内只存在一种最佳传输模式，若Δ(p(n-1))＞0则传输模式为基于多波束选择的波束成型传输模式，反之为正交空分多址传输模式；如果p(n)≤P_max，则p(n)为传输功率的切换门限值，即若Δ(p(n-1))＞0，则在传输功率P∈[p(1)，p(n-1)]时使用基于多波束选择的波束成型传输模式，P∈[p(n)，P_max]时使用正交空分多址传输模式，若Δ(p(n-1))＜0，则在传输功率P∈[p(1)，p(n-1)]时使用正交空分多址传输模式，P∈[p(n)，P_max]时使用基于多波束选择的波束成型传输模式。

本发明在保证传输时延要求、只需极少的反馈信息和具有较低实现复杂度的条件下，给出不同传输模式的操作步骤、所允许接入系统的用户数目的限制条件、最大化系统净容量时的最佳反馈门限值以及在不同传输模式间相互切换的门限值的确定方法，从而完成多用户MIMO下行链路信息有效可靠的传输。

说明书附图

图1是基于无速率码的多用户MIMO下行链路系统的系统框图；

图2是基于多波束选择的波束成型和正交空分多址两种传输模式在固定基站发送功率P的情况下，系统净容量随着接入系统的用户数目K的变化而变化的仿真曲线图；

图3是基于多波束选择的波束成型和正交空分多址两种传输模式在固定接入系统的用户数目K的情况下，系统净容量随着基站发送功率P的变化而变化的仿真曲线图。

具体实施方式

基于无速率码的多用户MIMO下行链路传输模式选择方法是根据多用户MIMO下行链路系统的参数，在基于多波束选择的波束成型传输模式和正交空分多址传输模式中，选择一种传输模式，进行信息的传输；其中，多用户MIMO下行链路系统包括1个基站和K个相互独立的用户组成，其中在基站处包括K个消息队列，每一个消息队列对应一个用户，每个用户的信息经上层处理后以帧的形式进入消息队列，其帧达到过程视作是到达率为λ的泊松过程，且每一帧包含L个消息数据包；基站配置有N_t根发射天线，在每一个传输时隙选择基于多波束选择的波束成型传输模式或正交空分多址传输模式中的一种传输模式，按帧将用户的消息数据包经过无速率码编码后，无速率码编码方式可以采用RaptorCode(见“Raptor Codes”，IEEE Transactions on Information Theory，Vol.52，No.6，June 2006)，再将编码包经过波束成型进行发送；而每个用户配置有1根天线，源源不断的接收自己的无速率码编码包，设定一个译码信噪比门限值η，当接收信噪比大于此门限时，才能接收到此次传输的无速率码编码包并用于译码，当完成一帧消息数据的译码之后，用户发送一个反馈信息，告知基站开始该用户下一帧消息数据的编码传输。

我们设定系统的基本参数，这些基本参数包括：基站发送天线数目N_t＝4，每个传输时隙所使用的正交波束个数M＝4，各用户消息队列到达率λ＝0.005帧/传输时隙，一帧所包含的消息数据包个数L＝6，用户能成功译出一帧消息数据所需的编码包个数的统计平均值N＝9，下行链路传输带宽B＝50kHz，译码信噪比门限值η＝0.3dB，各用户每一帧数据传输的最大可容忍时延D₀＝5s，量化接收信噪比所用的比特数N_b＝3，传输时隙长度 $T_c=\frac{1}{3}\mathrm{ms}.$

所述的基于多波束选择的波束成型传输模式包括如下步骤：

1)在每一个传输时隙起始时，基站产生4个相互正交的波束，将这4个波束广播给K个相互独立的用户，用4维归一化列矢量w_i表示每一个波束，其中i是波束标号，i＝1，2，3，4；

2)各个用户计算自己的4个接收信噪比，用k表示用户标号，k＝1，2，...，K，则对于用户k，接收信噪比计算式为：

Υ_i，k＝P·|h_kw_i|²    i＝1，2，3，4

式中P是基站发送功率，4维行矢量h_k表示用户k的信道增益，信道噪声满足零均值，单位方差的高斯特性；

3)如果用户k的最大接收信噪比大于反馈门限值ζ_MOBF，即满足

i＝1，2，3，4

则将相应的波束标号k_max和接收信噪比

经过量化后反馈给基站；

4)基站从所有反馈信息中选择接收信噪比最大的一个波束和用户的组合，

将用户k′的一个编码包在此传输时隙中用波束i′进行发送。

基于多波束选择的波束成型传输模式，由于在每一个传输时隙只会选择接收信噪比最大的一个波束和用户的组合进行编码包的发送，因此对于每一个用户而言，其编码传输具有一定的时延。为了保证传输时延的要求，对接入系统的用户数目有所限制，所述的K个相互独立的用户的数目需要满足

基于多波束选择的波束成型传输模式的系统吞吐量为：

$T_{\mathrm{MOBF}}=\frac{\mathrm{LB}}{N}{\&Integral;}_{{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF}}}^{\&infin;}{\log }_2(1+x)\&CenterDot;\left(\frac{\mathrm{KM}}{P}{e}^{-\frac{x}{P}}{(1-e^{-\frac{x}{P}})}^{\mathrm{KM}-1}\right)\mathrm{dx}$

$=3.33\&times;{10}^4{\&Integral;}_{{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF}}}^{\&infin;}{\log }_2(1+x)\&CenterDot;(\frac{4K}{P}\&CenterDot;e^{-\frac{x}{P}}{(1-e^{-\frac{x}{P}})}^{4K-1})\mathrm{dx}$

其传输反馈量为：

$=1.5\&times;{10}^4\&CenterDot;K\&CenterDot;(1-{(1-e^{-\frac{{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF}}}{P}})}^4)$

我们定义基于多波束选择的波束成型传输模式的系统吞吐量与反馈量的差值为基于多波束选择的波束成型传输模式的系统净容量：

π_MOBF＝T_MOBF-R_MOBF

可以看到，系统净容量与反馈门限值ζ_MOBF、系统用户数目K和基站发送功率P的取值有关，所述的反馈门限值ζ_MOBF在给定系统的基本参数，且进一步确定了系统用户数目K和基站发送功率P时，能够使用基于多波束选择的波束成型传输模式最佳反馈门限值的确定方法以确定最佳的反馈门限值ζ_MOBF ^*，从而最大化系统净容量，具体包括如下步骤：

1)计算ζ_MOBF的取值范围，下限ζ_MOBF，min＝η＝0.3dB，上限

${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF},\max }=-P\&CenterDot;\ln (1-{(1-\frac{\mathrm{KN\&lambda;}}{D_0+1-\sqrt{{D_0}^2+1}})}^{\frac{1}{\mathrm{KM}}})=-P\&CenterDot;\ln (1-{(1-0.05K)}^{\frac{1}{4K}});$

2)计算拐点值ζ使其满足

即

$1.5\&times;{10}^4-3.33\&times;{10}^4{\log }_2(1+\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&zeta;}})\&CenterDot;\left({(1-e^{-\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&zeta;}}}{p}})}^{4(k-1)}\right)=0;$

3)综合ζ_MOBF，min、ζ_MOBF，max、ζ三个数值进行判决：

如果ζ＜ζ_MOBF，min＜ζ_MOBF，max，则 ${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF}}^{*}={\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF},\min };$

如果ζ_MOBF，min＜ζ＜ζ_MOBF，max，则 ${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF}}^{*}=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&zeta;}};$

如果ζ_MOBF，min＜ζ_MOBF，max＜ζ，则 ${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF}}^{*}={\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF},\max }.$

只要确定了系统用户数目K和基站发送功率P，就能算出基于多波束选择的波束成型传输模式的最佳的反馈门限值ζ_MOBF ^*。

所述的正交空分多址传输模式包括如下步骤：

1)在每一个传输时隙起始时，基站产生4个相互正交的波束，将这4个波束广播给K个相互独立的用户，用4维归一化列矢量w_m表示每一个波束，其中m是波束标号，m＝1，2，3，4；

2)各个用户计算自己的4个接收信噪比，用k表示用户标号，k＝1，2，...，K，

则对于用户k，接收信噪比计算式为：

${\mathrm{SINR}}_{m,k}=\frac{P\&CenterDot;{\left|h_k{w}_m\right|}^2}{1+P\underset{i=1,i\&NotEqual;m}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|h_k{w}_i\right|}^2}$ m＝1，2，3，4

式中P是基站发送功率，4维行矢量h_k表示用户k的信道增益，信道噪声满足零均值，单位方差的高斯特性；

3)如果用户k的最大接收信噪比大于反馈门限值ζ_OSDMA，即满足

${\mathrm{SINR}}_{k_{\max },k}=\max \left\{{\mathrm{SINR}}_{m,k}\right\}>{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA}}$ m＝1，2，3，4

则将相应的波束标号k_max和接收信噪比

经过量化后反馈给基站；

4)基站从所有反馈信息中，为每一个波束m选择接收信噪比最大的一个用户m_max，将用户m_max的一个编码包在此传输时隙中用波束m进行发送。

正交空分多址传输模式，由于在每一个传输时隙各个相互正交的波束都会选取各自相应的最佳用户进行编码包的发送，因此对于每一个用户而言，其编码传输具有一定的时延。为了保证传输时延的要求，所述的K个相互独立的用户的数目需要满足

正交空分多址传输模式的系统吞吐量为：

$T_{\mathrm{OSDMA}}=\frac{\mathrm{MLB}}{N}{\&Integral;}_{{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA}}}^{\&infin;}{\log }_2(1+x)\&CenterDot;(K\frac{e^{-\frac{x}{P}}}{{(1+x)}^M}\&CenterDot;(\frac{1}{P}(1+x)+M-1)\&CenterDot;{(1-\frac{e^{-\frac{x}{P}}}{{(1+x)}^{M-1}})}^{K-1})\mathrm{dx}$

$=1.33\&times;{10}^5{\&Integral;}_{{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA}}}^{\&infin;}{\log }_2(1+x)\&CenterDot;(K\frac{e^{-\frac{x}{P}}}{{(1+x)}^4}\&CenterDot;(\frac{1}{P}(1+x)+3)\&CenterDot;{(1-\frac{e^{-\frac{x}{P}}}{{(1+x)}^3})}^{K-1})\mathrm{dx}$

其传输反馈量为：

$=1.5\&times;{10}^4\&CenterDot;K\&CenterDot;(1-{(1-\frac{e^{-\frac{{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA}}}{P}}}{{(1+{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA}})}^3})}^4)$

我们定义正交空分多址传输模式的系统吞吐量与反馈量的差值为正交空分多址传输模式的系统净容量：

π_OSDMA＝T_OSDMA-R_OSDMA

可以看到，系统净容量与反馈门限值ζ_OSDMA、系统用户数目K和基站发送功率P的取值有关，所述的反馈门限值ζ_OSDMA在给定系统的基本参数，且进一步确定了系统用户数目K和基站发送功率P时，能够使用正交空分多址传输模式最佳反馈门限值的确定方法以确定最佳的反馈门限值ζ_OSDMA ^*，从而最大化系统净容量，具体包括如下步骤：

1)计算ζ_OSDMA的取值范围，下限ζ_OSDMA，min＝η＝0.3dB，上限ζ_OSDMA，max满足

$P(M-1)\ln (1+{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\max })+{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\max }+P\ln (1-{(1-\frac{\mathrm{KN\&lambda;}}{M(D_0+1-\sqrt{{D_0}^2+1})})}^{\frac{1}{K}})=0,$ 即

$3P\ln (1+{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\max })+{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\max }+P\ln (1-{(1-0.0125K)}^{\frac{1}{K}})=0;$

2)计算拐点值

使其满足

即

$1.5\&times;{10}^4\&CenterDot;(1+\widetilde{\mathrm{\&zeta;}})-3.33\&times;{10}^4\&CenterDot;{\log }_2(1+\widetilde{\mathrm{\&zeta;}})\&CenterDot;\left({(1-\frac{e^{-\frac{\widetilde{\mathrm{\&zeta;}}}{P}}}{{(1+\widetilde{\mathrm{\&zeta;}})}^3})}^{K-3}\right)=0;$

3)综合ζ_OSDMA，min、ζ_OSDMA，max、

三个数值进行判决：

如果 $\widetilde{\mathrm{\&zeta;}}<{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\min }<{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\max },$ 则 ${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA}}^{*}={\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\min };$

如果 ${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\min }<\widetilde{\mathrm{\&zeta;}}<{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\max },$ 则 ${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA}}^{*}=\widetilde{\mathrm{\&zeta;}};$

如果 ${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\min }<{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\max }<\widetilde{\mathrm{\&zeta;}},$ 则 ${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA}}^{*}={\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\max }.$

只要确定了系统用户数目K和基站发送功率P，就能算出正交空分多址传输模式的最佳的反馈门限值ζ_OSDMA ^*。

由上述描述可见，系统用户数目K和基站发送功率P将直接决定基于多波束选择的波束成型传输模式的最佳反馈门限值ζ_MOBF ^*和正交空分多址传输模式的最佳反馈门限值ζ_OSDMA ^*，而系统用户数目K和基站发送功率P这两个量也是基于无速率码的多用户MIMO下行链路传输模式选择方法的关键。所述的根据多用户MIMO下行链路系统的参数，在基于多波束选择的波束成型传输模式和正交空分多址传输模式中，选择一种传输模式，进行信息的传输为：在给定系统的基本参数的情况下，按照如下两种方法进行两种传输模式的选择：

给定基站发送功率P，根据系统用户数目的变化选择传输模式的方法包括如下步骤，这里我们给定发送功率为P＝5dBw＝3.16Watt：

1)计算系统所允许接入的最大用户数目：

并令k＝1；

2)确定两种传输模式在接入系统用户数目为k时使系统净容量最大化的最佳反馈门限值ζ_MOBF ^*(k)和ζ_OSDMA ^*(k)；

3)将ζ_MOBF ^*(k)代入基于多波束选择的波束成型传输模式的系统净容量π_MOBF的表达式

${\mathrm{\&pi;}}_{\mathrm{MOBF}}\left(k\right)=\frac{\mathrm{LB}}{N}{\&Integral;}_{{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF}}^{*}\left(k\right)}^{\&infin;}{\log }_2(1+x)\&CenterDot;\left(\frac{\mathrm{kM}}{P}{e}^{-\frac{x}{P}}{(1-e^{-\frac{x}{P}})}^{\mathrm{kM}-1}\right)\mathrm{dx}$

$=3.33\&times;{10}^4{\&Integral;}_{{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF}}^{*}\left(k\right)}^{\&infin;}{\log }_2(1+x)\&CenterDot;(1.2658k\&CenterDot;e^{-\frac{x}{3.16}}{(1-e^{-\frac{x}{3.16}})}^{4k-1})\mathrm{dx}$

$-1.5\&times;{10}^4\&CenterDot;k\&CenterDot;(1-{(1-e^{-\frac{{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF}}^{*}\left(k\right)}{3.16}})}^4)$

将ζ_OSDMA ^*(k)代入正交空分多址传输模式的系统净容量π_OSDMA的表达式

${\mathrm{\&pi;}}_{\mathrm{OSDMA}}\left(k\right)=\frac{\mathrm{MLB}}{N}{\&Integral;}_{{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA}}^{*}\left(k\right)}^{\&infin;}{\log }_2(1+x)\&CenterDot;(k\frac{e^{-\frac{x}{P}}}{{(1+x)}^M}\&CenterDot;(\frac{1}{P}(1+x)+M-1)\&CenterDot;{(1-\frac{e^{-\frac{x}{P}}}{{(1+x)}^{M-1}})}^{k-1})\mathrm{dx}$

$=1.33\&times;{10}^5{\&Integral;}_{{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA}}^{*}\left(k\right)}^{\&infin;}{\log }_2(1+x)\&CenterDot;(k\frac{e^{-\frac{x}{3.16}}}{{(1+x)}^4}\&CenterDot;(\frac{1}{3.16}(1+x)+3)\&CenterDot;{(1-\frac{e^{-\frac{x}{3.16}}}{{(1+x)}^3})}^{k-1})\mathrm{dx}$

$-1.5\&times;{10}^4\&CenterDot;k\&CenterDot;(1-{(1-\frac{e^{-\frac{{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA}}^{*}\left(k\right)}{3.16}}}{{(1+{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA}}^{*}\left(k\right))}^3})}^4)$

计算两种传输模式下的系统净容量π_MOBF(k)和π_OSDMA(k)，并令Δ(k)＝π_MOBF(k)-π_OSDMA(k)且定义Δ(0)＝0；

4)如果满足k＞K_max或者Δ(k)＝0或者Δ(k-1)·Δ(k)＜0三者中任意一个条件，则进入步骤5)；否则令k＝k+1，进入步骤2)；

5)如果k＞K_max，则此系统在所有允许接入的用户数目情况下只存在一种最佳传输模式，若Δ(k-1)＞0则传输模式为基于多波束选择的波束成型传输模式，反之为正交空分多址传输模式；如果k≤K_max，则k为用户数目的切换门限值，即若Δ(k-1)＞0，则在用户数K∈[1，k-1]时使用基于多波束选择的波束成型传输模式，K∈[k，K_max]时使用正交空分多址传输模式，若Δ(k-1)＜0，则在用户数K∈[1，k-1]时使用正交空分多址传输模式，K∈[k，K_max]时使用基于多波束选择的波束成型传输模式；

按照上述步骤可以算出切换两种传输模式的用户数目门限值为k＝20，当K∈[1，19]时使用基于多波束选择的波束成型传输模式，当K＝20时使用正交空分多址传输模式。

给定系统用户数目K，根据基站发送功率的变化选择传输模式的方法包括如下步骤，这里我们给定系统用户数目为K＝20：

1)计算系统所允许接入的最大用户数目：

如果K＞K_max，即系统用户数目超过系统所允许接入的最大用户数目，此时系统传输时延要求无法保证，也就不存在两种传输模式的选择，退出整个选择方法的过程；如果K≤K_max，进入步骤2)，此时K＝K_max，于是进入步骤2)；

2)设定一个最大发送功率值P_max＝12dBw，并令n＝1，p(n)＝0.1dBw；

3)确定两种传输模式在基站发送功率为p(n)时使系统净容量最大化的最佳反馈门限值ζ_MOBF ^*(p(n))和ζ_OSDMA ^*(p(n))；

4)将ζ_MOBF ^*(p(n))代入基于多波束选择的波束成型传输模式的系统净容量π_MOBF的表达式

${\mathrm{\&pi;}}_{\mathrm{MOBF}}\left(p\left(n\right)\right)=\frac{\mathrm{LB}}{N}{\&Integral;}_{{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF}}^{*}\left(p\left(n\right)\right)}^{\&infin;}{\log }_2(1+x)\&CenterDot;\left(\frac{\mathrm{KM}}{p\left(n\right)}{e}^{-\frac{x}{p\left(n\right)}}{(1-e^{-\frac{x}{p\left(n\right)}})}^{\mathrm{KM}-1}\right)\mathrm{dx}$

$=3.33\&times;{10}^4{\&Integral;}_{{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF}}^{*}\left(p\left(n\right)\right)}^{\&infin;}{\log }_2(1+x)\&CenterDot;\left(\frac{80}{p\left(n\right)}{e}^{-\frac{x}{p\left(n\right)}}{(1-e^{-\frac{x}{p\left(n\right)}})}^{79}\right)\mathrm{dx}$

$-3\&times;{10}^5\&CenterDot;(1-{(1-e^{-\frac{{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF}}^{*}\left(P\left(n\right)\right)}{p\left(n\right)}})}^4)$

将ζ_OSDMA ^*(p(n))代入正交空分多址传输模式的系统净容量π_OSDMA的表达式

${\mathrm{\&pi;}}_{\mathrm{OSDMA}}\left(p\left(n\right)\right)=\frac{\mathrm{MLB}}{N}{\&Integral;}_{{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA}}^{*}\left(p\left(n\right)\right)}^{\&infin;}{\log }_2(1+x)\&CenterDot;(K\frac{e^{-\frac{x}{p\left(n\right)}}}{{(1+x)}^M}\&CenterDot;(\frac{1}{p\left(n\right)}(1+x)+M-1)\&CenterDot;{(1-\frac{e^{-\frac{x}{p\left(n\right)}}}{{(1+x)}^{M-1}})}^{K-1})\mathrm{dx}$

$=1.33\&times;{10}^5{\&Integral;}_{{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA}}^{*}\left(p\left(n\right)\right)}^{\&infin;}{\log }_2(1+x)\&CenterDot;(20\&CenterDot;\frac{e^{-\frac{x}{p\left(n\right)}}}{{(1+x)}^4}\&CenterDot;(\frac{1}{p\left(n\right)}(1+x)+3)\&CenterDot;{(1-\frac{e^{-\frac{x}{p\left(n\right)}}}{{(1+x)}^3})}^{19})\mathrm{dx}$

$-3\&times;{10}^5\&CenterDot;(1-{(1-\frac{e^{-\frac{{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA}}^{*}\left(p\left(n\right)\right)}{p\left(n\right)}}}{{(1+{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA}}^{*}\left(p\left(n\right)\right))}^3})}^4)$

计算两种传输模式下的系统净容量π_MOBF(p(n))和π_OSDMA(p(n))，并令Δ(p(n))＝π_MOBF(p(n))-π_OSDMA(p(n))且定义Δ(p(0))＝0；

5)如果满足p(n)＞P_max或者Δ(p(n))＝0或者Δ(p(n-1))·Δ(p(n))＜0三者中任意一个条件，则进入步骤6)；否则令n＝n+1，p(n)＝p(n-1)+Δ_p，其中Δ_p＝0.1dBw，进入步骤3)；

6)如果p(n)＞P_max，则此系统在所允许的最大传输功率范围内只存在一种最佳传输模式，若Δ(p(n-1))＞0则传输模式为基于多波束选择的波束成型传输模式，反之为正交空分多址传输模式；如果p(n)≤P_max，则p(n)为传输功率的切换门限值，即若Δ(p(n-1))＞0，则在传输功率P∈[p(1)，p(n-1)]时使用基于多波束选择的波束成型传输模式，P∈[p(n)，P_max]时使用正交空分多址传输模式，若Δ(p(n-1))＜0，则在传输功率P∈[p(1)，p(n-1)]时使用正交空分多址传输模式，P∈[p(n)，P_max]时使用基于多波束选择的波束成型传输模式。

按照上述步骤可以算出切换两种传输模式的基站发送功率门限值为p＝9.6dBw，当P∈[0.1dBw，9.5dBw]时使用正交空分多址传输模式，当P∈[9.6dBw，12dBw]时使用基于多波束选择的波束成型传输模式。

Claims (7)

1.一种基于无速率码的多用户MIMO下行链路传输模式选择方法，其特征在于，它根据多用户MIMO下行链路系统的参数，在基于多波束选择的波束成型传输模式和正交空分多址传输模式中，选择一种传输模式，进行信息的传输；其中，多用户MIMO下行链路系统包括1个基站和K个相互独立的用户组成，其中在基站处包括K个消息队列，每一个消息队列对应一个用户，每个用户的信息经上层处理后以帧的形式进入消息队列，其帧达到过程视作是到达率为λ的泊松过程，且每一帧包含L个消息数据包；基站配置有N_t根发射天线，在每一个传输时隙选择基于多波束选择的波束成型传输模式或正交空分多址传输模式中的一种传输模式，按帧将用户的消息数据包经过无速率码编码后，再将编码包经过波束成型进行发送；而每个用户配置有1根天线，源源不断的接收自己的无速率码编码包，设定一个译码信噪比门限值η，当接收信噪比大于此门限时，才能接收到此次传输的无速率码编码包并用于译码，当完成一帧消息数据的译码之后，用户发送一个反馈信息，告知基站开始该用户下一帧消息数据的编码传输；所述的根据多用户MIMO下行链路系统的参数，在基于多波束选择的波束成型传输模式和正交空分多址传输模式中，选择一种传输模式，进行信息的传输为：在给定基站发送天线数目N_t、每个传输时隙所使用的正交波束个数M、各用户消息队列到达率λ、一帧所包含的消息数据包个数L、用户能成功译出一帧消息数据所需的编码包个数的统计平均值N、下行链路传输带宽B、译码信噪比门限值η、各用户每一帧数据传输的最大可容忍时延D₀、量化接收信噪比所用的比特数N_b和传输时隙长度T_c的情况下，按照如下两种方法进行两种传输模式的选择；

所述给定基站发送功率P，根据系统用户数目的变化选择传输模式的方法包括如下步骤：

1)计算系统所允许接入的最大用户数目：

式中

表示下取整运算，并令k＝1；

2)确定两种传输模式在接入系统用户数目为k时使系统净容量最大化的最佳反馈门限值

和

3)将

代入基于多波束选择的波束成型传输模式的系统净容量π_MOBF的表达式

将

代入正交空分多址传输模式的系统净容量π_OSDMA的表达式

式中

表示上取整运算，计算两种传输模式下的系统净容量π_MOBF(k)和π_OSDMA(k)，并令Δ(k)＝π_MOBF(k)-π_OSDMA(k)且定义Δ(0)＝0；

4)如果满足k＞K_max或者Δ(k)＝0或者Δ(k-1)·Δ(k)＜0三者中任意一个条件，则进入步骤5)；否则令k＝k+1，进入步骤2)；

5)如果k＞K_max，则此系统在所有允许接入的用户数目情况下只存在一种最佳传输模式，若Δ(k-1)＞0则传输模式为基于多波束选择的波束成型传输模式，反之为正交空分多址传输模式；如果k≤K_max，则k为用户数目的切换门限值，即若Δ(k-1)＞0，则在用户数K∈[1，k-1]时使用基于多波束选择的波束成型传输模式，K∈[k，K_max]时使用正交空分多址传输模式，若Δ(k-1)＜0，则在用户数K∈[1，k-1]时使用正交空分多址传输模式，K∈[k，K_max]时使用基于多波束选择的波束成型传输模式；

给定系统用户数目K，根据基站发送功率的变化选择传输模式的方法包括如下步骤：

1)计算系统所允许接入的最大用户数目：

式中

表示下取整运算，如果K＞K_max，即系统用户数目超过系统所允许接入的最大用户数目，此时系统传输时延要求无法保证，也就不存在两种传输模式的选择，退出整个选择方法的过程；如果K≤K_max，进入步骤2)；

2)设定一个最大发送功率值P_max，并令n＝1，p(n)＝0.1dBw；

3)确定两种传输模式在基站发送功率为p(n)时使系统净容量最大化的最佳反馈门限值

和

4)将

代入基于多波束选择的波束成型传输模式的系统净容量π_MOBF的表达式

将

代入正交空分多址传输模式的系统净容量π_OSDMA的表达式

式中

表示上取整运算，计算两种传输模式下的系统净容量π_MOBF(p(n))和π_OSDMA(p(n))，并令Δ(p(n))＝π_MOBF(p(n))-π_OSDMA(p(n))且定义Δ(p(0))＝0；

5)如果满足p(n)＞P_max或者Δ(p(n))＝0或者Δ(p(n-1))·Δ(p(n))＜0三者中任意一个条件，则进入步骤6)；否则令n＝n+1，p(n)＝p(n-1)+Δ_p，其中Δ_p＝0.1dBw，进入步骤3)；

6)如果p(n)＞P_max，则此系统在所允许的最大传输功率范围内只存在一种最佳传输模式，若Δ(p(n-1))＞0则传输模式为基于多波束选择的波束成型传输模式，反之为正交空分多址传输模式；如果p(n)≤P_max，则p(n)为传输功率的切换门限值，即若Δ(p(n-1))＞0，则在传输功率P∈[p(1)，p(n-1)]时使用基于多波束选择的波束成型传输模式，P∈[p(n)，P_max]时使用正交空分多址传输模式，若Δ(p(n-1))＜0，则在传输功率P∈[p(1)，p(n-1)]时使用正交空分多址传输模式，P∈[p(n)，P_max]时使用基于多波束选择的波束成型传输模式。

2.根据权利要求1所述的一种基于无速率码的多用户MIMO下行链路传输模式选择方法，其特征在于所述的基于多波束选择的波束成型传输模式包括如下步骤：

1)在每一个传输时隙起始时，基站产生M个相互正交的波束，M为满足2≤M≤N_t的正整数，将这M个波束广播给K个相互独立的用户，用N_i维归一化列矢量w_i表示每一个波束，其中i是波束标号，i＝1，2，...，M；

2)各个用户计算自己的M个接收信噪比，用k表示用户标号，k＝1，2，...，K，则对于用户k，接收信噪比计算式为：

γ_i，k＝P·|h_kw_i|²i＝1，2，...，M

式中P是基站发送功率，N_t维行矢量h_k表示用户k的信道增益，信道噪声满足零均值，单位方差的高斯特性；

3)如果用户k的最大接收信噪比大于反馈门限值ζ_MOBF，即满足

${\mathrm{\&gamma;}}_{k_{\max },k}=\max \left\{{\mathrm{\&gamma;}}_{i,k}\right\}>{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF}}$ i＝1，2，...，M

则将相应的波束标号k_max和接收信噪比

经过量化后反馈给基站；

4)基站从所有反馈信息中选择接收信噪比最大的一个波束和用户的组合，

$k^{\&prime;}=\underset{k}{\arg }\max \left\{{\mathrm{\&gamma;}}_{k_{\max },k}\right\}$ $i^{\&prime;}=\underset{k_{\max }}{\arg }\max \left\{{\mathrm{\&gamma;}}_{k_{\max },k}\right\}$

将用户k′的一个编码包在此传输时隙中用波束i′进行发送。

3.根据权利要求2所述的一种基于无速率码的多用户MIMO下行链路传输模式选择方法，其特征在于所述的K个相互独立的用户的数目需要满足

式中D₀为各用户每一帧数据传输的最大可容忍时延，N为用户能成功译出一帧消息数据所需的编码包个数的统计平均值，λ为各用户消息队列到达率，

表示下取整运算。

4.根据权利要求2所述的一种基于无速率码的多用户MIMO下行链路传输模式选择方法，其特征在于所述的反馈门限值ζ_MOBF是：在给定基站发送天线数目N_t、每个传输时隙所使用的正交波束个数M、各用户消息队列到达率λ、一帧所包含的消息数据包个数L、用户能成功译出一帧消息数据所需的编码包个数的统计平均值N、下行链路传输带宽B、译码信噪比门限值η、各用户每一帧数据传输的最大可容忍时延D₀、量化接收信噪比所用的比特数N_b、传输时隙长度T_c、系统用户数目K、基站发送功率P的情况下，使用基于多波束选择的波束成型传输模式最佳反馈门限值的确定方法以确定最佳的反馈门限值从而最大化系统净容量，具体包括如下步骤：

1)计算ζ_MOBF的取值范围，下限ζ_MOBF，min＝η，上限

${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF},\max }=-P\&CenterDot;\ln (1-{(1-\frac{\mathrm{KN\&lambda;}}{D_0+1-\sqrt{{D_0}^2+1}})}^{\frac{1}{\mathrm{KM}}});$

2)计算拐点值使其满足

3)综合ζ_MOBF，min、ζ_MOBF，max、

三个数值进行判决：

如果 $\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&zeta;}}<{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF},\min }<{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF},\max },$ 则 ${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF}}^{*}={\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF},\min };$

如果 ${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF},\min }<\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&zeta;}}<{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF},\max },$ 则 ${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF}}^{*}=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&zeta;}};$

如果 ${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF},\min }<{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF},\max }<\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&zeta;}},$ 则 ${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF}}^{*}={\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{MOBF},\max }.$

5.根据权利要求1所述的一种基于无速率码的多用户MIMO下行链路传输模式选择方法，其特征在于所述的正交空分多址传输模式包括如下步骤：

1)在每一个传输时隙起始时，基站产生M个相互正交的波束，M为满足2≤M≤N_t的正整数，将这M个波束广播给K个相互独立的用户，用N_t维归一化列矢量w_m表示每一个波束，其中m是波束标号，m＝1，2，...，M；

2)各个用户计算自己的M个接收信噪比，用k表示用户标号，k＝1，2，...，K，则对于用户k，接收信噪比计算式为：

${\mathrm{SINR}}_{m,k}=\frac{P\&CenterDot;{\left|h_k{w}_m\right|}^2}{1+P\underset{i=1,i\&NotEqual;m}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|h_k{w}_i\right|}^2}$ m＝1，2，...，M

式中P是基站发送功率，N_t维行矢量h_k表示用户k的信道增益，信道噪声满足零均值，单位方差的高斯特性；

3)如果用户k的最大接收信噪比大于反馈门限值ζ_OSDMA，即满足

${\mathrm{SINR}}_{k_{\max },k}=\max \left\{{\mathrm{SINR}}_{m,k}\right\}>{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA}}$ m＝1，2，...，M

则将相应的波束标号k_max和接收信噪比

经过量化后反馈给基站；

4)基站从所有反馈信息中，为每一个波束m选择接收信噪比最大的一个用户m_max，将用户m_max的一个编码包在此传输时隙中用波束m进行发送。

6.根据权利要求5所述的一种基于无速率码的多用户MIMO下行链路传输模式选择方法，其特征在于所述的K个相互独立的用户的数目需要满足

式中M为每个传输时隙所使用的正交波束个数，D₀为各用户每一帧数据传输的最大可容忍时延，N为用户能成功译出一帧消息数据所需的编码包个数的统计平均值，λ为各用户消息队列到达率，表示下取整运算。

7.根据权利要求5所述的一种基于无速率码的多用户MIMO下行链路传输模式选择方法，其特征在于所述的反馈门限值ζ_OSDMA是：在给定基站发送天线数目N_t、每个传输时隙所使用的正交波束个数M、各用户消息队列到达率λ、一帧所包含的消息数据包个数L、用户能成功译出一帧消息数据所需的编码包个数的统计平均值N、下行链路传输带宽B、译码信噪比门限值η、各用户每一帧数据传输的最大可容忍时延D₀、量化接收信噪比所用的比特数N_b、传输时隙长度T_c、系统用户数目K、基站发送功率P的情况下，使用正交空分多址传输模式最佳反馈门限值的确定方法以确定最佳的反馈门限值从而最大化系统净容量，具体包括如下步骤：

1)计算ζ_OSDMA的取值范围，下限ζ_OSDMA，min＝η，上限ζ_OSDMA，max满足

$P(M-1)\ln (1+{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\max })+{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\max }+P\ln (1-{(1-\frac{\mathrm{KN\&lambda;}}{M(D_0+1-\sqrt{{D_0}^2+1})})}^{\frac{1}{K}})=0;$

2)计算拐点值

使其满足

3)综合ζ_OSDMA，min、ζ_OSDMA，max、

三个数值进行判决：

如果 $\widetilde{\mathrm{\&zeta;}}<{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\min }<{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\max },$ 则 ${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA}}^{*}={\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\min };$

如果 ${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\min }<\widetilde{\mathrm{\&zeta;}}<{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\max },$ 则 ${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA}}^{*}=\widetilde{\mathrm{\&zeta;}};$

如果 ${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\min }<{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\max }<\widetilde{\mathrm{\&zeta;}},$ 则 ${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA}}^{*}={\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{OSDMA},\max }.$

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