CN101860386B - 多用户随机波束形成方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用户随机波束形成方法和系统。该方法包括：基站从用户端中选取主用户端和对主用户端干扰最小的辅用户端；基站将选取主用户端时，发送到用户端的预编码码字，定义为第一码字，以及与预设的第一测试信号相乘，得到第一乘积，再将选取辅用户端时，发送到用户端的预编码码字，定义为第二码字，以及与预设的第二测试信号相乘，得到第二乘积，并把第一乘积与第二乘积相加，形成多波束。采用本发明的方法和系统，能控制复用用户之间的相互干扰，并且只需要很少的反馈量，就能取得较大的系统容量。

Description

多用户随机波束形成方法和系统

技术领域

本发明涉及无线移动通信系统，尤其涉及一种无线移动通信系统中多用户随机波束形成方法和系统。

背景技术

在3Gpp长期演进(Long-Term Evolution，LTE)系统中，多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术重要特性被引入，且LTE系统支持多种MIMO技术，基本的MIMO模型是下行2×2、上行1×2个天线。具体的MIMO技术包括下行采用的空频编码、预编码和波束形成等。上行采用的虚拟MIMO技术，该技术可以动态地将用户终端配成一对，并共享相同的时频域资源，进行多用户虚拟MIMO发送，从而提高上行系统的容量。

在多用户环境下，一种较为简单且能够取得较大系统容量的方案是多用户分集，即多用户系统利用各个用户具有彼此独立的随机衰落统计特性，每个用户将信道质量反馈给基站，基站在每个时刻合理地选择最佳的用户来进行通信，从而最有效地利用系统的资源，提高整个系统的吞吐量。

文献[Sharif M and Hassibi B.On the capacity of MIMO broadcastchannels with partial side information.IEEE Trans.On Inform.Thcory，2005，51(2)：506-522]记载，发送端每次调度先随机产生多个波束，然后把各个波束分配给信道条件匹配的多个用户，这样可以同时获得多用户分集增益和空分复用增益。该方法在产生承载多个用户数据的多个波束时，要求各个波束之间相互正交。随着用户数的不断增长，它能渐进地达到多天线系统广播信道容量的增长速度。但当用户数目有限时，该方法的性能会急剧下降。而在文献[Bala E.and Cimini Jr L.J.A random precoding technique for the downlink of multiuser MIMOsystems.Conference on Information Sciences and Systems，PrincetonUniversity，2006.]中提出的随机预编码方法主要是针对用户端配置多根天线的情形，每次调度基站先随机产生多个预编码矩阵，然后把各个矩阵分配给信道条件匹配的多个用户，该方法虽然实现简单，但不能控制复用用户之间的相互干扰。

此外，上述方法的前提都是基于用户是均匀分布在基站周围的，然而在实际系统中，这样的假设常常是不准确的。用户可能集中在少数的几个区域内，当波束指向某个用户密度低的区域时，其多用户分集效果将很差，影响小区边缘用户的通信质量。

另外，目前的LTE系统支持下行波束形成方式，利用端口5提供针对用户的波束形成，但是仅支持单用户单流的数据，却没有给出下行多用户波束形成的应用方式，所以无法有效解决复用用户之间的相互干扰。

发明内容

为解决目前LTE系统影响小区边缘用户的通信质量、无法有效解决复用用户之间的相互干扰的问题，有必要提供一种解决该问题的多用户随机波束形成方法。

此外，还有必要提供一种多用户随机波束形成系统。

本发明多用户随机波束形成方法，其包括以下步骤：

基站从用户端中选取主用户端和对所述主用户端干扰最小的辅用户端；

所述基站将选取所述主用户端时，发送到所述用户端的预编码码字，定义为第一码字，以及与预设的第一测试信号相乘，得到第一乘积，再将选取所述辅用户端时，发送到所述用户端的预编码码字，定义为第二码字，以及与预设的第二测试信号相乘，得到第二乘积，并把所述第一乘积与第二乘积相加，形成多波束。

在上述方法中，基站从用户端中选取主用户端包括：

设置预编码码本；

从所述码本中选取一预编码码字，即所述第一码字，并将所述第一码字及所述第一测试信号发送到各个用户端，在每一所述用户端，根据所述第一码字得到与其它预编码码字有关的第一信噪比，再由所述第一信噪比得到所述用户端支持的第一数据传输速率，所述第一数据传输速率除以所述用户端的数据平均吞吐量，得到第一比值，从所述各个用户端的第一比值中，选取最大的所述第一比值对应的用户端为主用户端。

在上述方法中，所述选取对所述主用户端干扰最小的辅用户端包括：

选取最大的所述第一比值对应的预编码码字，即所述第二码字；

将所述第二码字及所述第二测试信号发送到所述各个用户端，在每一所述用户端，根据所述第二码字得到与所述第一码字有关的第二信噪比，再由所述第二信噪比得到所述用户端支持的第二数据传输速率，所述第二数据传输速率除以所述用户端的数据平均吞吐量，得到第二比值，从所述各个用户端的第二比值中，选取最大的所述第二比值对应的用户端为辅用户端。

在上述方法中，所述根据所述第一码字得到与其它预编码码字有关的第一信噪比为：根据 ${\mathrm{SINR}}_{k,i}=\frac{{\left|G_k^H{H}_k{V}_1\right|}^2}{{\left|G_k^H{H}_k{V}_1\right|}^2+{\left|G_k^H{H}_k{V}_2\right|}^2}$ 计算所述第一信噪比，其中， $G_k={[H_k{V}_1{V}_1^H{H}_k^H+H_k{V}_2{V}_2^H{H}_k^H]}^{-1}{H}_k{V}_1,$ H_k为平坦瑞利衰落信道矩阵，上角标H为共轭转置算子，SINR_k，i为所述第一信噪比，V₁为所述第一码字，V₂为所述其它预编码码字，k为所述用户端的编号，i为所述其它预编码码字V₂在所述码本中的编号，||表示求模运算。

在上述方法中，所述由所述第一信噪比得到所述用户端支持的第一数据传输速率指：根据R_k＝log₂(1+SINR_k，i)计算所述第一数据传输速率，其中，R_k为所述用户端支持的第一数据传输速率。

本发明多用户随机波束形成系统包括基站和用户端，所述基站包括选取模块和运算模块，其中，

所述选取模块用于从用户端中选取主用户端和对所述主用户端干扰最小的辅用户端；

所述运算模块用于将选取主用户端时，发送到所述用户端的预编码码字，定义为第一码字，以及与预设的第一测试信号相乘，得到第一乘积，再将选取辅用户端时，发送到所述用户端的预编码码字，定义为第二码字，以及与预设的第二测试信号相乘，得到第二乘积，并把所述第一乘积与第二乘积相加，形成多波束。

在上述系统中，所述基站还包括码本设置模块，所述码本设置模块用于设置预编码码本，所述第一码字和第二码字为所述预编码码本内的码字。

在上述系统中，所述选取模块还用于从所述码本中选取一预编码码字，即所述第一码字，并将所述第一码字及所述第一测试信号发送到各个用户端，在每一所述用户端，根据所述第一码字得到与其它预编码码字有关的第一信噪比，再由所述第一信噪比得到所述用户端支持的第一数据传输速率，所述第一数据传输速率除以所述用户端的数据平均吞吐量，得到第一比值，从所述各个用户端的第一比值中，选取最大的所述第一比值对应的用户端为主用户端。

在上述系统中，所述选取模块还用于选取最大的所述第一比值对应的预编码码字，即所述第二码字，再将所述第二码字及所述第二测试信号发送到所述各个用户端，在每一所述用户端，根据所述第二码字得到与所述第一码字有关的第二信噪比，再由所述第二信噪比得到所述用户端支持的第二数据传输速率，所述第二数据传输速率除以所述用户端的数据平均吞吐量，得到第二比值，从所述各个用户端的第二比值中，选取最大的所述第二比值对应的用户端为辅用户端。

与现有技术相比较，本发明多用户随机波束形成方法和系统能控制复用用户之间的相互干扰，并且只需要很少的反馈量，就能取得较大的系统容量。

在结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明多用户随机波束形成方法流程示意图；

图2是用户非均匀分布的小区示意图；

图3是本发明多用户随机波束形成系统模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明多用户随机波束形成方法和系统进行说明。

请参阅图1，其是本发明多用户随机波束形成方法流程示意图。

本发明多用户随机波束形成方法，包括以下步骤：

步骤101、设置预编码码本；

定义一组包含n个矢量的集合{w₀，w₁，...，w_n-1}，构成一个预编码码本。其中，每个预编码矢量作为一个码字对应一个唯一的标号。例如，可以采用3GPP TS 36.211给出的4天线码本{w₀，w₁，...w_j...，w₁₅}。

步骤102、选取主用户端；

在调度的初始阶段，基站从预编码码本中随机选取一个预编码码字，如w₁，作为此次调度的发送的第一码字。基站将第一码字w₁及预设的第一测试信号s₁发送到各个用户端。

各个用户端接收该第一码字w₁。以用户端k为例，k为用户端的编号，假设对于用户端k采用最小均方误差检测方法，且不考虑噪声影响，线性处理后的用户端k接收到的信号为：

$y_k=G_k^H{H}_k{V}_1{s}_1+G_k^H{H}_k{V}_2{s}_2$

其中，V₁为基站发送的预编码码字，s₁为基站发送的第一测试信号，第一码字w₁在调度初始阶段已经确定，故有V₁＝w₁。G_k ^HH_kV₂s₂为是其他用户端的干扰项，V₂为码本中除w₁外的某一码字。G_k表示检测算法中的检测算子， $G_k={[H_k{V}_1{V}_1^H{H}_k^H+H_k{V}_2{V}_2^H{H}_k^H]}^{-1}{H}_k{V}_1.$ Hk为平坦瑞利衰落信道矩阵。上角标H为共轭转置算子。s₂为干扰信号。

当V₂取码本中的第i个码字w_i时，则用户端k的信噪比为：

${\mathrm{SINR}}_{k,i}=\frac{{\left|G_k^H{H}_k{V}_1\right|}^2}{{\left|G_k^H{H}_k{V}_1\right|}^2+{\left|G_k^H{H}_k{V}_2\right|}^2}$

其中，||表示求模运算。

当V₂为第i个码字w_i时，用户端k支持的数据传输速率为：

R_k＝log₂(1+SINR_k，i)

且用户端k的数据平均吞吐量为T_k，可以根据一段时间(例如20000帧)正确传输的数据估计得到。则速率与吞吐量比值为：

${\mathrm{TR}}_{k,i}=\frac{R_k}{T_k}$

遍历V₂在码本中的所有可能取值，得到用户端k能支持的最大的速率与吞吐量比值为：

此时，TR_k ¹中的V₂对应的码字即为对用户端k干扰最小的码字，其序号记为I_k。

最后，用户端k向基站反馈TR_k ¹和对应的I_k。

基站从所有用户端反馈的最大的速率与吞吐量比值中，选取最大值，最大值 ${\mathrm{TR}}^1=\max \left\{{\mathrm{TR}}_k^1\right\},$ 将TR¹对应的用户端，作为主用户端u₁。并把同时反馈的TR¹对应的

对应的码字定义为第二码字，记为w_j，此时第二码字w_j对主用户端u₁具有最小的干扰。

步骤103、选取辅用户端；

根据对主用户端u₁干扰最小的第二码字w_j，选择辅用户。

与上述步骤102确定主用户类似，采用 $y_m=G_m^H{H}_m{V}_3{s}_3+G_m^H{H}_m{V}_4{s}_4$ 来估计各个用户的速率与吞吐量比值，与步骤102不同的是，此时令V₃＝w_j，V₄＝w₁，采用上述的估计方法，可以得到用户端m最大的速率与吞吐量比值：

基站从所有用户端反馈的最大的速率与吞吐量比值中，选取最大值，最大值 ${\mathrm{TR}}^2=\max \left\{{\mathrm{TR}}_m^2\right\},$ 将TR²对应的用户端作为辅用户u₂。

步骤104、形成多波束。

将主用户端u₁的第一测试信号s₁与对应的第一码字w₁相乘，得到第一乘积w₁s₁，辅用户端u₂的第二测试信号s₃与对应的第二码字w_j相乘，得到第二乘积w_js₃，并把所述第一乘积w₁s₁与第二乘积w_js₃相加，得到和值w₁s₁+w_js₃，形成多波束，再通过天线端口发送。

请参阅图2，其是用户非均匀分布的小区示意图。

对于用户非均匀分布的小区，用户可能集中在少数的几个区域内，区域1和区域2中的用户密度较高，而其他区域用户较少。显然当波束指向某个用户密度低的区域时，其多用户分集效果将很差。因此，将波束更多地指向用户密度较大的区域，从而更好的利用多用户分集带来的增益。考虑空间用户密度非均匀分布的联合区域用户的比例公平性的随机波束形成方法，利用空间上用户密度不均匀的特点，保证用户间通信的公平性。

请参阅图3，其是本发明多用户随机波束形成系统模块示意图。

本发明多用户随机波束形成系统包括：基站和用户端。

基站包括码本设置模块、选取模块和运算模块。

码本设置模块用于设置预编码码本。

选取模块用于从用户端中选取主用户端和对主用户端干扰最小的辅用户端。其中，选取模块从预编码码本中选取一预编码码字，即第一码字，并将第一码字及预设的第一测试信号发送到各个用户端，在每一用户端，根据第一码字得到与其它预编码码字有关的第一信噪比，再由第一信噪比得到用户端支持的第一数据传输速率，第一数据传输速率除以用户端的数据平均吞吐量，得到第一比值，选取模块从各个用户端的第一比值中，选取最大的第一比值对应的用户端为主用户端；选取模块选取最大的第一比值对应的预编码码字，即第二码字，再将第二码字及预设的第二测试信号发送到各个用户端，在每一用户端，根据第二码字得到与第一码字有关的第二信噪比，再由第二信噪比得到用户端支持的第二数据传输速率，第二数据传输速率除以用户端的数据平均吞吐量，得到第二比值，从各个用户端的第二比值中，选取最大的第二比值对应的用户端为辅用户端。

运算模块用于将选取主用户端时，发送到所述用户端的预编码码字，定义为第一码字，以及与预设的第一测试信号相乘，得到第一乘积，再将选取辅用户端时，发送到所述用户端的预编码码字，定义为第二码字，以及与预设的第二测试信号相乘，得到第二乘积，并把所述第一乘积与第二乘积相加，形成多波束，再发送。第一码字和第二码字为预编码码本内的码字。

与现有技术相比较，本发明多用户随机波束形成方法和系统能控制复用用户之间的相互干扰，并且只需要很少的反馈量，就能取得较大的系统容量。另外，本发明还可以很方便地应用到现有的无线系统中，因为它对接收端不做额外的信号处理，也不需要更新已有的空中接口标准。此外，在多小区无线通信系统中，本发明可以有效地提高接收信噪比，降低或抵消小区间干扰，达到基站间协作通信的效果，从而提高小区边缘用户的通信质量。

以上仅为本发明的优选实施案例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多用户随机波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：

基站从用户端中选取主用户端和对所述主用户端干扰最小的辅用户端；

所述基站将选取所述主用户端时，发送到各个用户端的预编码码字，定义为第一码字，以及与预设的第一测试信号相乘，得到第一乘积，再将选取所述辅用户端时，发送到各个用户端的预编码码字，定义为第二码字，以及与预设的第二测试信号相乘，得到第二乘积，并把所述第一乘积与第二乘积相加，形成多波束。

2.根据权利要求1所述的多用户随机波束形成方法，其特征在于，基站从用户端中选取主用户端包括：

设置预编码码本；

从所述码本中选取一预编码码字，即所述第一码字，并将所述第一码字及所述第一测试信号发送到各个用户端，在每一所述用户端，根据所述第一码字得到与其它预编码码字有关的第一信噪比，再由所述第一信噪比得到所述用户端支持的第一数据传输速率，所述第一数据传输速率除以所述用户端的数据平均吞吐量，得到第一比值，从所述各个用户端的第一比值中，选取最大的所述第一比值对应的用户端为主用户端。

3.根据权利要求2所述的多用户随机波束形成方法，其特征在于，所述选取对所述主用户端干扰最小的辅用户端包括：

选取最大的所述第一比值对应的预编码码字，即所述第二码字；

将所述第二码字及所述第二测试信号发送到所述各个用户端，在每一所述用户端，根据所述第二码字得到与所述第一码字有关的第二信噪比，再由所述第二信噪比得到所述用户端支持的第二数据传输速率，所述第二数据传输速率除以所述用户端的数据平均吞吐量，得到第二比值，从所述各个用户端的第二比值中，选取最大的所述第二比值对应的用户端为辅用户端。

4.根据权利要求2所述的多用户随机波束形成方法，其特征在于，所述根据所述第一码字得到与其它预编码码字有关的第一信噪比为：根据

计算所述第一信噪比，其中， $G_k={[H_k{V}_1{V_1}^H{H}_k^H+H_k{V}_2{V_2}^H{H}_k^H]}^{-1}{H}_k{V}_1$ ，H_k为平坦瑞利衰落信道矩阵，上角标H为共轭转置算子，SINR_k，i为所述第一信噪比，V₁为所述第一码字，V₂为所述其它预编码码字，k为所述用户端的编号，i为所述其它预编码码字V₂在所述码本中的编号，||表示求模运算。

5.根据权利要求4所述的多用户随机波束形成方法，其特征在于，所述由所述第一信噪比得到所述用户端支持的第一数据传输速率指：根据R_k＝log_２(1+SINR_k，i)计算所述第一数据传输速率，其中，R_k为所述用户端支持的第一数据传输速率。

6.一种多用户随机波束形成系统，其包括基站和用户端，其特征在于，所述基站包括选取模块和运算模块，其中，

所述选取模块用于从用户端中选取主用户端和对所述主用户端干扰最小的辅用户端；

所述运算模块用于将选取主用户端时，发送到各个用户端的预编码码字，定义为第一码字，以及与预设的第一测试信号相乘，得到第一乘积，再将选取辅用户端时，发送到各个用户端的预编码码字，定义为第二码字，以及与预设的第二测试信号相乘，得到第二乘积，并把所述第一乘积与第二乘积相加，形成多波束。

7.根据权利要求6所述的多用户随机波束形成系统，其特征在于，所述基站还包括码本设置模块，所述码本设置模块用于设置预编码码本，所述第一码字和第二码字为所述预编码码本内的码字。

8.根据权利要求7所述的多用户随机波束形成系统，其特征在于，所述选取模块还用于从所述码本中选取一预编码码字，即所述第一码字，并将所述第一码字及所述第一测试信号发送到各个用户端，在每一所述用户端，根据所述第一码字得到与其它预编码码字有关的第一信噪比，再由所述第一信噪比得到所述用户端支持的第一数据传输速率，所述第一数据传输速率除以所述用户端的数据平均吞吐量，得到第一比值，从所述各个用户端的第一比值中，选取最大的所述第一比值对应的用户端为主用户端。

9.根据权利要求8所述的多用户随机波束形成系统，其特征在于，所述选取模块还用于选取最大的所述第一比值对应的预编码码字，即所述第二码字，再将所述第二码字及所述第二测试信号发送到所述各个用户端，在每一所述用户端，根据所述第二码字得到与所述第一码字有关的第二信噪比，再由所述第二信噪比得到所述用户端支持的第二数据传输速率，所述第二数据传输速率除以所述用户端的数据平均吞吐量，得到第二比值，从所述各个用户端的第二比值中，选取最大的所述第二比值对应的用户端为辅用户端。

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