CN101990307A - Mu-mimo下动态门限减小隐式反馈开销方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线通信技术领域的MU-MIMO下动态门限减小隐式反馈开销方法，其步骤包括：(1)划分服务小区和多点协作小区；(2)用户对导频信息进行检测后，用信噪比值表示信道状态信息；(3)选择最优物理资源块；(4)设置中断概率筛选用户，并获得动态门限；(5)对最优的物理资源块进行动态门限判决；(6)采用调度算法分配物理资源块；(7)用户向服务基站反馈信道信息；(8)服务基站根据反馈的信道信息对资源进行调度。本发明在MU-MIMO下通过选择最优物理资源块和动态门限设置，在基本不影响系统容量的前提下，可大量减小用户反馈开销，广泛地适用于复杂的网络系统和用户业务量大的场合。

Description

MU-MIMO下动态门限减小隐式反馈开销方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是一种MU-MIMO下动态门限减小下行链路多点协作隐式反馈开销的方法。

背景技术

在下一代移动通信长期演进(LTE-A)系统中，为了解决无线网络中多点协作架构下用户反馈信息量大且反馈精度不够精确的问题，采用了各种反馈压缩机制来减小下行链路多点协作隐式反馈开销。例如，专利申请“减小下行链路多点协作隐式反馈开销方法”(申请号201010013573.X)公开的技术方案。

该技术方案为了满足LTE-A的性能指标，尤其是达到LTE-A对小区边缘用户的性能要求，在下行链路多点协作联合传输技术下，进行信道状态信总的反馈。在下行多点协作联合接收场景中，要实现服务基站、协作基站和用户之间协作传输，服务基站需要获得协作基站的全部信道信息。因此，要求用户将全部的信道状态信息反馈给服务基站，并通过服务基站和协作基站之间的协调，选择合适的传输链路。该技术方案采用隐式反馈模式，以避免显式反馈模式将全部的信道响应信息反馈给基站，而带给系统巨大的开销。在隐式反馈模式下，用户将信道响应信息量化为信道质量指示/预编码矩阵指示符/秩指示(CQI/PMI/RI)等进行反馈。在信道信息量化成SNR值时，采用了单码本进行预编码。在单用户情况下，通过隐式反馈就可以完成多点协作中诸如动态小区选择、协作抑制干扰的主要操作。

从反馈的数据形式来看，该技术方案的信道信息反馈方法主要是基于CQI的信道质量指示反馈方法，如反馈SINR，这种反馈方法有较少反馈量，一般用于随机波束形成。在下行链路多点协作联合处理模式下，用户只需反馈到服务基站单条链路的信道质量指示CQI，并且只需反馈单条链路的信噪比SNR值，在此基础上，将相邻的物理资源块分为一个簇，以簇内物理资源块的统计CQI信息作为该簇的CQI信息反馈回给服务基站，服务基站根据反馈回的SNR信息与协作基站联合传输为用户传输数据，从而减小反馈量。该技术方案虽然通过选择合适的SNR门限值，可在保证系统容量的前提下，大幅度的减小用户的反馈开销，但是该技术方案只是考虑了SU-MIMO下(即所有协作基站只对一个用户服务下)信道信息反馈，从而导致频谱利用率降低，同时也没有考虑到用户不反馈时产生的中断情况，并且反馈开销仍然比较大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种MU-MIMO下动态门限减小下行链路多点协作隐式反馈开销的方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案设定一个中断概率，选择能够参与反馈的用户，并且在用户端通过预设中断概率进行动态门限设置，保证物理资源块。

本发明的有关术语解释：

先进的LTE(long term evolution-advanced，LTE-A)

多用户多输入输出(Multiple User Multiple Input Multiple Output，MU-MIMO)

单用户多输入输出(Single User Multiple Input Multiple Output，SU-MIMO)

信道质量指示(channel quality indicator，CQI)

多点协作(coordinative multiple point，CoMP)

CoMP传输端结构(Transmission Points Configuration for CoMP，TPCC)

物理资源块(physical resource block，PRB)

用户(user equipment，UE)

信噪比(signal to noise ratio，SNR)

信干噪比(signal to interference plus noise ratio，SINR)

本发明的具体步骤如下：

(1)划分用户所处的服务小区和选择多点协作小区；

(2)用户对导频信息进行检测后，用SNR值表示信道状态信息；

(3)用户按照信道条件对所有物理资源块进行重排，只反馈其中最优的T个物理资源块；

(4)设置一个反馈中断概率，得出参与反馈的用户数，并获得动态门限；

(5)对最优的T个物理资源块进行动态门限设置；

(6)服务基站采用调度算法将通过门限设置后的物理资源块分配给参与反馈的所有用户；

(7)用户向服务基站反馈信道信息；

(8)服务基站对资源进行调度，服务基站根据用户反馈回的信噪比信息，向协作小区基站发起协作请求，协作基站接到请求后，使用和服务基站相同的频率资源，向用户发送相同的数据信息。

所述的MU-MIMO下动态门限减小隐式反馈开销方法，所述步骤(1)的划分服务小区是根据服务小区半径大小，将用户所处服务小区划分为中心区域和边缘区域，设定用户所处的服务小区半径为R米，以基站为中心将0～r半径范围划分为中心区域，r～R半径范围划分为边缘区域，R＞r。所述的MU-MIMO下动态门限减小隐式反馈开销方法，所述步骤(1)的划分小区是根据基站发送信号强弱，将用户所处服务小区划分为中心区域和边缘区域，设定用户所处的服务小区信号强度大于α划分为中心区域，信号强度小于α划分为边缘区域。

所述的MU-MIMO下动态门限减小隐式反馈开销方法，所述步骤(1)的选择多点协作小区的原则是，中心区域的用户，由本小区服务基站为其提供服务；边缘区域的用户，将根据链路质量选择合适的协作小区与本小区的服务基站共同为其提供服务。

所述的MU-MIMO下动态门限减小隐式反馈开销方法，所述步骤(2)的用户对导频信息进行检测后，用信噪比值表示信道状态信息，是指基站通过波束将拟要发送的导频信息传输给用户，每个波束仅传输一个用户的导频信息；用户在导频信息上检测出M个下行链路传输物理资源块，再将每个物理资源块的状态信息通过下列公式计算出信噪比值：

$\mathrm{SNR}\left(j\right)=\frac{{\left|\right|Q_j{H}_j{P}_j\left|\right|}^{2}E}{N}$

其中，SNR(j)为第j个物理资源块上的信噪比值，j＝1，2，3，……，M

H_j为信道增益

Q_j、P_j为传输第j个物理资源块时的预编码矩阵；

E为发送功率

N为加性高斯白噪声功率。

所述的MU-MIMO下动态门限减小隐式反馈开销方法，所述步骤(3)用户按照信道条件对所有物理资源块进行重排，只反馈其中最优的T个物理资源块，是指按照用户计算的信噪比值按从大到小的顺序进行排列，并且从大到小选择的T个物理资源块SNR(j)，j＝1、2、3、……、T，T＜M。所述的MU-MIMO下动态门限减小隐式反馈开销方法，所述步骤(4)设置一个反馈中断概率，得出参与反馈的用户数，并获得动态门限，是指在一定的中断概率γ_target下，限定信道较差的用户反馈，并可通过下列公式计算出动态门限：

$R\left(U\right)={\left\{{-2\mathrm{\δ}}^2\ln \right[1-{\mathrm{\γ}}_{t\arg \mathrm{et}}^{\frac{1}{U}}\left]\right\}}^{\frac{1}{2}}$

其中，U为小区内所有用户数，

R(U)为在用户数为U的条件下的门限值，

δ²为瑞利衰落信道方差。

所述的MU-MIMO下动态门限减小隐式反馈开销方法，所述步骤(5)对最优的T个物理资源块进行动态门限设置，其原则是：

若SNR(j)＞R(U)，j＝1、2、3、……、T，则第j个物理资源块可分配给参与反馈的用户；

若SNR(j)＜R(U)，j＝1、2、3、……、T，则第j个物理资源块丢弃。

所述的MU-MIMO下动态门限减小隐式反馈开销方法，所述步骤(6)服务基站采用调度算法将通过门限设置后的物理资源块分配给参与反馈的所有用户，是指服务基站采用轮询算法或最大载干比算法或比例公平算法作为调度准则将物理资源块分配给参与反馈的用户。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明在MU-MIMO条件下协作基站在一个时频资源块上能够同时服务多个用户，因此较之于SU-MIMO能提供更高的小区平均频谱利用率，同时获得比SU-MIMO更好的系统增益。

第二，本发明在信道信息用SNR值表示时，预编码采用了双码本，比起现有技术采用单码本进行预编码的方案，由于可共选择的码本更多，与信道更匹配，精度更高，反馈信息质量将更好。

第三，本发明对物理资源块进行重排后选择最优的T个物理资源块，比起现有技术不进行物理资源块重排的方案，由于相邻的物理资源块SNR值更加接近，从而使物理资源块分配产生的误差更小，并且对物理资源块进行处理和筛选后，能够获得更高的效率。

第四，本发明采用中断概率，对信道较差的用户进行限定，使之不参与反馈，从而获得更好的信道增益；同时通过中断概率得到随用户数变化的动态门限，比起现有技术使用固定门限方案，由于从统计意义上进行动态门限设置，可以在相对较少的容量损失下，很大程度上减少反馈量。

本发明使用于用户数大、协作小区数多、通信时间长的热点区域时，反馈信息质量好，与估算的实际信道信息接近，能提供更高的小区平均频谱利用率，极大程度上减少反馈量，从而降低了使用成本。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明的系统模型图。

图3为本发明与现有技术比较后的系统吞吐量比值图。

图4为本发明与现有技术比较后的系统反馈量比值图。

具体实施方式

实施例1

参照图1，本发明的具体实施步骤如下：

步骤1，划分用户所处的服务小区和选择多点协作小区。

1a)划分用户所处的服务小区

根据服务小区半径大小或者是基站发送信号强弱，将用户所处的服务小区划分为中心区域和边缘区域。

图2描述了根据服务小区半径大小划分服务小区的实施例，其中服务小区半径为R米，中心区域范围为0～r米；边缘区域范围为r～R米。

根据信号强弱划分服务小区是指，当用户接收到服务基站发送的导频信号或者接收功率较强时，则判定该用户位于服务小区的中心区域，反之，则判定该用户位于服务小区的边缘区域。

1b)选择多点协作小区

当用户位于中心区域时，只有服务基站为用户提供服务；

当用户位于边缘区域时，由于存在路径损耗，在离用户最近的L个小区中根据链路质量选择小区为用户提供服务。

图2描述了多个用户位于边缘区域时的情况，其中

分别为小区c⁽⁰⁾、c⁽¹⁾……c^(L-1)到第k个用户的信道矩阵。

本实施例假设基站发送功率都相等，则第k个用户接收到的信号为：

$y_k=Q_k^{\left(0\right)}{H}_k^{\left(0\right)}{P}_k^{\left(0\right)}s+Q_k^{\left(1\right)}{H}_k^{\left(1\right)}{P}_k^{\left(1\right)}s+Q_k^{\left(2\right)}{H}_k^{\left(2\right)}{P}_k^{\left(2\right)}s\·\·\·\·\·\·+Q_k^{(L-1)}{H}_k^{(L-1)}{P}_k^{(L-1)}s+n_k$

(i＝0，1……L-1)为第k个用户第i条链路上信道增益，发送端天线和接收端天线数目为N_f×N_r＝8×2，对

奇异值分解得

和

为酉矩阵，d为

的特征矩阵，s为发送信息，n_k为第k个用户的加性高斯白噪声，

(i＝0，1……L-1)为第k个用户第i条链路上的预编码矩阵，其大小分别为

的第一列元素。

步骤2，用户对导频信息进行检测后，用信噪比(SNR)值表示信道状态信息。

基站通过波束将拟要发送的导频信息传输给用户，每个波束仅传输一个用户的导频信息。用户在导频信息上检测出M个下行链路传输物理资源块，再将每个物理资源块的状态信息通过下列公式计算出信噪比(SNR)值：

$\mathrm{SNR}\left(j\right)=\frac{{\left|\right|Q_j{H}_j{P}_j\left|\right|}^{2}E}{N}$

其中，SNR(j)为第j个物理资源块上的信噪比值

j＝1，2，3，……，M

H_j为信道增益

Q_j、P_j为传输第j个物理资源块时的预编码矩阵；

E为发送功率

N为加性高斯白噪声功率。

步骤3，用户按照信道条件对所有物理资源块进行重排，只反馈其中最优的T个物理资源块。

用户将计算出的物理资源块的信噪比(SNR)值按照从大到小的顺序进行排列，并且从大到小选择的T个物理资源块SNR(j)，j＝1、2、3、……、T，T＜M。

步骤4，设置一个反馈中断概率，得出参与反馈的用户数，并获得动态门限。

本实施例设反馈中断概率为γ_target，

则参与反馈的用户数为U′＝(U*γ_target)_-

动态门限为

其中，U为小区内所有用户数，

U′为参与反馈的用户数，

(·)_-表示取下整，

R(U)为在用户数为U的条件下的门限值，

δ²为瑞利衰落信道方差。

步骤5，对最优的T个物理资源块进行动态门限设置。

若SNR(j)＞R(U)，j＝1、2、3、……、T，则第j个物理资源块可分配给参与反馈的用户。

若SNR(j)＜R(U)，j＝1、2、3、……、T，则第j个物理资源块丢弃。

步骤6，服务基站采用调度算法将通过门限设置后的物理资源块分配给参与反馈的所有用户。

服务基站可采用轮询(RR)算法、最大载干比(Max C/I)算法、比例公平(PF)算法等调度准则将物理资源块分配给参与反馈的用户。

本实施例采用轮询(RR)算法，服务基站对其用户进行物理资源块的轮询调度，其方法是选择一个要调度的物理资源块并判断这个物理资源块是否可用，如果该物理资源块可用，根据队列先入先出的性质，将该物理资源块分配给最前边的用户，否则，这个资源不分给任何用户。再判断是否还有其他物理资源块可分，如果有再跳转到判断后一个物理资源块是否可用，如果该物理资源块可用，则将该物理资源块分配给下一个用户，直至把所有物理资源块分完。最后将分配好的物理资源块给用户传递信道信息。

若采用最大载干比(Max C/I)算法，则是服务基站对其用户进行了物理资源块的最大载干比调度，首先选择一个要调度的资源块并判断这个资源块是否可用，如果资源可用，根据队列中用户的载干比，把资源分配给载干比最大的用户，否则，这个资源不分给任何用户。再判断是否还有资源可分，如有再跳转到判断资源是否可用这层，否则，把分配好的物理资源块表输出。

若采用比例公平(PF)算法，则是服务基站对其用户进行了物理资源块的正比公平调度，首先选择一个要调度的资源块并判断这个资源块是否可用，如果资源不可用，跳转到下个资源，否则首先要判断用户以前是否分配过物理资源块，如果用户以前没有分配过物理资源块且可以反馈信道信息，那么服务基站要选出这些用户中载干比最大的一个来分配，否则，要先根据可能的物理资源块SNR值和原来分配过的物理资源块的SNR值得到正比公平值，再根据这个公平值的大小选择用户，如果正比公平值大的用户有多个，再在这些用户中选出这些载干比最大的用户来做为资源分配的对象。再判断是否还有资源可分，如有再跳转到判断资源是否可用这层，否则，把分配好的物理资源块表输出。

步骤7，向基站反馈信道信息。

统计筛选后的所有物理资源块数目Y，和每个参与反馈用户的分配后所得的物理资源块数目X，并将信道信息反馈回给服务基站。

即第k个用户分配到的物理资源块为SNR_k(μ)，μ＝1、2、……、X。

步骤8，服务基站对资源进行调度。

服务基站根据用户反馈回的信噪比信息，向协作小区基站发起协作请求，协作基站接到请求后，使用和服务基站相同的频率资源，向用户发送相同的数据信息。

实施例2

本发明的实施效果可通过以下仿真做进一步说明：

仿真条件：

本发明的仿真中首先要构建一个下行链路多点协作模型。该协作模型包括一个服务基站和两个协作基站，在考虑多个用户同时处于边缘区域时的系统容量和反馈量大小时，仿真参数选取如表1所示：

参数	值
		发送天线数目	8
接收天线数目	2
		小区数目	3
物理资源块总数目	48
		带宽	10MHz
码本数目	4
		每个物理资源块上发送功率	50mw
噪声功率	75mw

信道	瑞利信道
		小区半径	500m
边缘区域	300-500m
		阴影衰落	8dB
路径损耗	30.18+26log(d)km

表1

仿真内容：

求现有技术系统容量Capacity和反馈量R_f

在现有技术中，采用相邻物理资源块分簇方案时：测得总共有M个物理资源块，4个相邻的物理资源块分为一个簇，带宽为B，每个簇内4个物理资源块上测得的平均信噪比SNR表示该簇的信道状态信息，则第i个簇的平均信道状态信息为：

SNR_mean(m)＝min(SNR(4m-3)，SNR(4m-2)，SNR(4m-1)，SNR(4m))

系统容量为：

$\mathrm{Capacity}=\underset{u=1}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{M/4}{\mathrm{\Σ}}}4B{\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{mean}}\left(m\right))$

所有反馈量使用8bit量化，全反馈时，反馈量大小为：

R_f＝MUb/4

其中，M表示物理资源块数目

U表示用户数目

b＝(log₂ M/4)₊+(log₂ N_code)₊+8表示每个资源块所需的bit数，(·)₊表示取上整

N_code表示预编码码本数目。

求本发明系统容量Capacity′和反馈量R_f′

本发明MU-MIMO下动态门限设置减小隐式反馈开销方法，

第k个用户的系统容量为：

所有参与反馈的用户系统容量为：

${\mathrm{Capacity}}^{\′}=\underset{u}{\overset{U^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{Capacity}}_k}^{\′}$

其中，U表示用户数目

B表示系统带宽

SNR_mean(k)表示簇平均信噪比。

本发明动态分簇减小隐式反馈开销方法反馈量：

R_f′＝YU′b′

其中，Y可用物理资源块数目；

U′＝(U*γ_target)_-表示参与反馈的用户数，U表示小区内所有用户数目；

b′＝(log₂Y)₊+(log₂N_code)₊+8表示每个资源块所需的bit数，(·)₊表示取上整；

N_code表示预编码码本数目。

仿真结果：

图3中，矩形灰色区域表示本发明与现有技术在系统容量上的比值，显而易见，随着用户数的增加本发明的系统容量和现有技术的系统容量基本上没有变化，因此在本发明反馈机制下，系统并没有损失太大的容量，从而表明在降低了上行信道的信令开销同时，能保证反馈用户的信道响应信总的精确性。

图4中，折线表示本发明与现有技术在系统反馈量上的比值，随着用户数的增加本发明的反馈量明显下降，由反馈带来的上行链路的额外开销也随之降低，上行链路的额外开销降低的同时，提高了上行链路的频谱利用效率，使得MU-MIMO动态门限反馈机制在实际中可以有效应用。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.MU-MIMO下动态门限减小隐式反馈开销方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)划分用户所处的服务小区和选择多点协作小区；

(2)用户对导频信息进行检测后，用SNR值表示信道状态信息；

(3)用户按照信道条件对所有物理资源块进行重排，只反馈其中最优的T个物理资源块；

(4)设置一个反馈中断概率，得出参与反馈的用户数，并获得动态门限；

(5)对最优的T个物理资源块进行动态门限设置；

(6)服务基站采用调度算法将通过门限设置后的物理资源块分配给参与反馈的所有用户；

(7)用户向服务基站反馈信道信息；

(8)服务基站对资源进行调度，服务基站根据用户反馈回的信噪比信息，向协作小区基站发起协作请求，协作基站接到请求后，使用和服务基站相同的频率资源，向用户发送相同的数据信息。

2.根据权利要求1所述的MU-MIMO下动态门限减小隐式反馈开销方法，其特征在于：所述步骤(1)的划分服务小区是根据服务小区半径大小，将用户所处服务小区划分为中心区域和边缘区域，设定用户所处的服务小区半径为R米，以基站为中心将0～r半径范围划分为中心区域，r～R半径范围划分为边缘区域，R＞r。

3.根据权利要求1所述的MU-MIMO下动态门限减小隐式反馈开销方法，其特征在于：所述步骤(1)的划分小区是根据基站发送信号强弱，将用户所处服务小区划分为中心区域和边缘区域，设定用户所处的服务小区信号强度大于α划分为中心区域，信号强度小于α划分为边缘区域。

4.根据权利要求1所述的MU-MIMO下动态门限减小隐式反馈开销方法，其特征在于：所述步骤(1)的选择多点协作小区的原则是，中心区域的用户，由本小区服务基站为其提供服务；边缘区域的用户，将根据链路质量选择合适的协作小区与本小区的服务基站共同为其提供服务。

5.根据权利要求1所述的MU-MIMO下动态门限减小隐式反馈开销方法，其特征在于：所述步骤(2)的用户对导频信息进行检测后，用信噪比值表示信道状态信息，是指基站通过波束将拟要发送的导频信息传输给用户，每个波束仅传输一个用户的导频信息；用户在导频信息上检测出M个下行链路传输物理资源块，再将每个物理资源块的状态信息通过下列公式计算出信噪比值：

$\mathrm{SNR}\left(j\right)=\frac{{\left|\right|Q_j{H}_j{P}_j\left|\right|}^{2}E}{N}$

其中，SNR(j)为第j个物理资源块上的信噪比值

j＝1，2，3，……，M

H_j为信道增益

Q_j、P_j为传输第j个物理资源块时的预编码矩阵；

E为发送功率

N为加性高斯白噪声功率。

6.根据权利要求1所述的MU-MIMO下动态门限减小隐式反馈开销方法，其特征在于：所述步骤(3)用户按照信道条件对所有物理资源块进行重排，只反馈其中最优的T个物理资源块，是指按照用户计算的信噪比值按从大到小的顺序进行排列，并且从大到小选择的T个物理资源块SNR(j)，j＝1、2、3、……、T，T＜M。

7.根据权利要求1所述的MU-MIMO下动态门限减小隐式反馈开销方法，其特征在于：所述步骤(4)设置一个反馈中断概率，得出参与反馈的用户数，并获得动态门限，是指在一定的中断概率γ_target下，限定信道较差的用户反馈，并可通过下列公式计算出动态门限：

$R\left(U\right)={\left\{{-2\mathrm{\δ}}^2\ln \right[1-{\mathrm{\γ}}_{t\arg \mathrm{et}}^{\frac{1}{U}}\left]\right\}}^{\frac{1}{2}}$

其中，U为小区内所有用户数，

R(U)为在用户数为U的条件下的门限值，

δ²为瑞利衰落信道方差。

8.根据权利要求1所述的MU-MIMO下动态门限减小隐式反馈开销方法，其特征在于：所述步骤(5)对最优的T个物理资源块进行动态门限设置，其原则是：

若SNR(j)＞R(U)，j＝1、2、3、……、T，则第j个物理资源块可分配给参与反馈的用户；

若SNR(j)＜R(U)，j＝1、2、3、……、T，则第j个物理资源块丢弃。

9.根据权利要求1所述的MU-MIMO下动态门限减小隐式反馈开销方法，其特征在于：所述步骤(6)服务基站采用调度算法将通过门限设置后的物理资源块分配给参与反馈的所有用户，是指服务基站采用轮询算法或最大载干比算法或比例公平算法作为调度准则将物理资源块分配给参与反馈的用户。

Images