CN102025463B - 一种应用于下行链路的mimo无线通信系统的反馈方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于下行链路的MIMO无线通信系统的反馈方法，所述反馈方法，基于隐式反馈，对基站发送的波束方向的分组给出了分组原则，且用户端和基站端悉知该分组原则，并且用户端和基站端根据该分组原则进行相关的工作流程。本发明提供的一种应用于下行链路的MIMO无线通信系统的反馈方法，对于MU-MIMO仅需要增加少量的反馈开销，即可完成MU-MIMO的配对，且反馈的比特量少，能够可以降低配对用户之间的干扰，能够提供整体系统的频率利用率；可以应用于蜂窝移动通信系统的下行MU-MIMO传输。

Description

一种应用于下行链路的MIMO无线通信系统的反馈方法

技术领域

本发明涉及无线通信系统中的多用户通信技术，尤其涉及一种应用于下行链路的MIMO无线通信系统的反馈方法。

背景技术

无线MIMO(Multiple-Input Multiple Output，多输入多输出)通信系统，可以大大提高系统的频谱利用率。在下行链路MIMO传输中，当基站已知多个用户的信道状态信息时，通过预编码，在发送端消除多个用户的干扰，可以进行MU-MIMO(Multi-UserMIMO，多用户MIMO)的空分传输，即基站与多个用户在相同的时间和频率资源上发送信号。但是，由于基站需要已知多个用户的下行信道状态信息，这使得用户的反馈量非常大。因此，在实际系统中，通常采用隐式反馈，即根据用户的下行信道状态信息，考虑基站所能采用的若干波束方向，计算出基站应该采用的波束方向(从预编码码书的角度讲，就是从预先设计的预编码码本中选择一个最好的码字)，用户将该波束方向的序号(或预编码码字)反馈给基站。在基站侧，为了进行多用户的空分，首先需要进行多用户配对，即确定哪些用户可以在相同的时频资源上进行空分。但是，由于基站仅知道某个用户所处的波束方向，但是不知道如果有其他用户与之空分时，其他用户对它的干扰情况。这样，如果配对不好，反而会增加用户之间的干扰，从而降低系统的容量。因此，在基站侧进行多用户的分组、配对，并且设计有效用户的反馈是非常必要的。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种应用于下行链路的MIMO无线通信系统的反馈方法，在降低用户的反馈量的同时便于基站根据各个用户的方向进行多用户MIMO的配对。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种应用于下行链路的MIMO无线通信系统的反馈方法，所述反馈方法，基于隐式反馈，对基站发送的波束方向的分组给出了分组原则，同时根据该分组原则对用户端的工作步骤和基站端的工作步骤做了相关规定。

基站发送的波束方向的分组原则如下：(1)各个分组内的波束方向相互正交；(2)各个分组之间没有交集；(3)波束方向的分组为静态不可变的，且用户端和基站端悉知该分组原则和分组结果。

用户端工作步骤如下：

(a1)用户根据下行链路的信道状态信息计算出针对该用户基站下行发送应采用的波束方向，并根据分组原则确定该波束方向所在的分组；

(a2)基于步骤(a1)确定的波束方向和分组，用户端根据下行链路的信道状态信息，计算基站在该分组内的其他波束方向上发送其他用户的信号时对该用户的干扰的大小，并根据预先设定的阈值，判断其他波束方向对应的其他用户能否与该用户进行空分；

(a3)该用户将其使用的波束方向反馈给基站，同时将步骤(a2)中的判断结果作为附加信息反馈给基站。

基站端工作步骤如下：

(b1)基站根据用户的反馈获知该用户下行使用的波束方向；

(b2)基站根据步骤(b1)所述的用户反馈的附加信息获知能够与该用户进行空分的用户所处于的波束方向；

(b3)基站根据步骤(b1)和步骤(b2)获知的信息，以及其他用户反馈的信息，确定使用的波束方向在相同分组的用户进行多用户的配对。

在步骤(a2)中，对其他波束方向对应的其他用户能否与该用户进行空分，采用二进制方式标识能否与该用户进行空分的其他用户对应的波束方向；比如将能够与该用户进行空分的用户对应的波束方向采用“1”标识，将不能够与该用户进行空分的用户对应的波束方向采用“0”标识。

有益效果：本发明提供的一种应用于下行链路的MIMO无线通信系统的反馈方法，对于MU-MIMO仅需要增加少量的反馈开销，即可完成MU-MIMO的配对，且反馈的比特量少，能够可以降低配对用户之间的干扰，能够提供整体系统的频率利用率；可以应用于蜂窝移动通信系统的下行MU-MIMO传输。

附图说明

图1为本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种应用于下行链路的MIMO无线通信系统的反馈方法的流程图，其包括三个部分。

图1的中间部分为基站发送的波束方向的分组原则：各个分组内的波束方向相互正交；各个分组之间没有交集；波束方向的分组为静态不可变的，且用户端和基站端悉知该分组原则和分组结果。图1左边的用户端和图1右边的基站端的工作步骤都基于该分组原则。

用户端工作步骤如下：

(a1)用户根据下行链路的信道状态信息计算出针对该用户基站下行发送应采用的波束方向，并根据分组原则确定该波束方向所在的分组；

(a2)基于步骤(a1)确定的波束方向和分组，用户端根据下行链路的信道状态信息，计算基站在该分组内的其他波束方向上发送其他用户的信号时对该用户的干扰的大小，并根据预先设定的阈值，判断其他波束方向对应的其他用户能否与该用户进行空分；采用二进制方式标识判断结果，其中，能够与该用户进行空分的用户对应的波束方向采用“1”标识，不能够与该用户进行空分的用户对应的波束方向采用“0”标识。

(a3)该用户将其使用的波束方向反馈给基站，同时将步骤(a2)中的判断结果即采用二进制方式标识的波束方向的结果，作为附加信息反馈给基站。

基站端工作步骤如下：

(b1)基站根据用户的反馈获知该用户下行使用的波束方向；

(b2)基站根据步骤(b1)所述的用户反馈的附加信息获知能够与该用户进行空分的用户所处于的波束方向；

(b3)基站根据步骤(b1)和步骤(b2)获知的信息，以及其他用户反馈的信息，确定使用的波束方向在相同分组的用户进行多用户的配对。

下面以3GPP(Third Generation Project Partner)LTE(Long Term Evolution)中8根发送天线的码书为例，对本发明方法进行详细说明。不失一般性，以下的描述中用户1为当前用户。

首先考虑8根发送天线，用户1发送的数据流的个数为1，即秩(rank)为1的情形。根据文献[3GPP R1-105011，Way Forward on 8Tx Codebook for Rel.10DL MIMO]记载，在LTE的8天线的码本中，用户反馈的码字包括两个部分W₁和W₂，基站用它们的乘积作为实际发送的预编码矩阵。它们的取值如下：

B＝[b₀ b₁ L b₃₁]，

m＝0，1，2，3，n＝0，1，L，31

X^(k)∈{[b_2kmod32 b_(2k+1)mod32 b_(2k+2)mod32 b_(2k+3)mod32]：k＝0，1，L，15}

$W_1^{\left(k\right)}=\left[\begin{array}{cc}{X}^{\left(k\right)}& 0\\ 0& X^{\left(k\right)}\end{array}\right]$

Codebook 1： $C_1=\{W_1^{\left(0\right)},W_1^{\left(1\right)},W_1^{\left(2\right)},L,W_1^{\left(15\right)}\}$

$W_2\∈C_2=\{\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{c}Y\\ Y\end{array}\right],\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{c}Y\\ \mathrm{jY}\end{array}\right],\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{c}Y\\ -Y\end{array}\right],\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{c}Y\\ -\mathrm{jY}\end{array}\right]\}$

其中，

表示长度为4的列矢量，第i个元素为1，其它元素为0。

可以看出，基站采用32个波束方向(b_n，n＝0，1，L，31)，我们将32个波束方向分成8个组，每个组内的波束互相正交，其中第l组可以表示为：

G_l＝[b_l b_8+l b_16+l b_24+l]

其中l＝0，1，2，K，7，且基站和每个用户对这个分组的方法都是已知的。

在LTE中，当用户根据下行参考信号估计出下行信道状态信息，根据信道状态信息计算出码字W₁和W₂。假设用户得到的W₁和W₂分别为：

$W_1=W_1^{\left(5\right)}=\left[\begin{array}{cc}{X}^{\left(5\right)}& 0\\ 0& X^{\left(5\right)}\end{array}\right]$ 和

X⁽⁵⁾＝[b₁₀ b₁₁ b₁₂ b₁₃]

用户将W₁和W₂反馈给基站(可以采用W₁和W₂的码字的索引号)，基站得到W₁和W₂后即可获知：

即：用户1使用的波束方向为b₁₂。根据分组原则，用户1处于G₄＝[b₄ b₁₂ b₂₀ b₂₈]组。为了支持MU-MIMO，用户1除了反馈W₁和W₂，还需要增加3个比特的信息，用来指示该组中哪些波束可以给其它用户使用(即可以与用户1空分构成MU-MIMO)。例如，用户1根据下行信道信息计算其它波束上如果有用户使用时的干扰强度。如果某个波束方向被占用时干扰较强，那么用户1需要建议基站不能有其它用户在该波束方向上与用户1空分(可以用0指示)。相反，如果某个波束方向被占用时干扰较弱，那么用户1建议基站可以有其它用户在该波束方向上与用户1空分(可以用1指示)。在上述例子中，如果用户1反馈的3个比特为010，则基站知道，b₄和b₂₈方向上不能有其它用户与用户1空分，而b₂₀可以有其他用户与用户1空分。这样，基站根据各个用户的反馈来进行配对构成MU-MIMO。

考虑8根发送天线，用户1的发送的数据流的个数为2，即秩(rank)为2的情形。在8天线的码本中，W₁的取值与秩为1时相同，仍采用32个波束方向，W₂的取值如下公式：

$W_2\∈C_2=\{\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}{Y}_1& Y_2\\ Y_1& -Y_2\end{array}\right],\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}{Y}_1& Y_2\\ j{Y}_1& -j{Y}_2\end{array}\right]\}$

由于波束方向仍为32个，分组方法与秩为1时相同。

在LTE中，当用户根据下行参考信号估计出下行信道状态信息，根据信道状态信息计算出码字W₁和W₂。假设用户1得到的W₁和W₂分别为：

$W_1=W_1^{\left(5\right)}=\left[\begin{array}{cc}{X}^{\left(5\right)}& 0\\ 0& X^{\left(5\right)}\end{array}\right]$ 和

X⁽⁵⁾＝[b₁₀ b₁₁ b₁₂ b₁₃]

用户将W₁和W₂反馈给基站(可以采用W₁和W₂的码字的索引号)。基站得到W₁和W₂后即可获知：

即：用户1使用的波束方向为b₁₁。分组原则，用户1处于G₃＝[b₃ b₁₁ b₁₉ b₂₇]组。与上面秩为1的例子相同，为了支持MU-MIMO，用户1除了反馈W₁和W₂，还需要增加3个比特的信息，用来指示该组中哪些波束可以给其它用户使用(即可以与用户1空分构成MU-MIMO)。在该例中，如果用户1反馈的3个比特为110，则基站知道，b₂₇方向上不能有其它用户与用户1空分，而b₃和b₁₉可以有其他用户与用户1空分。这样，基站根据各个用户的反馈来进行配对构成MU-MIMO。

考虑8根发送天线，用户1的发送的数据流的个数为3，即秩(rank)为3的情形。

在8天线的码本中，秩为3时，W₁的取值为：

B＝[b₀ b₁ L b₁₅]，m＝0，1，2，3，n＝0，1，L 15

X^(k)∈{[b_4kmod16 b_(4k+1)mod16 L b_(4k+7)mod16]：k＝0，1，2，3}

$W_1^{\left(k\right)}=\left[\begin{array}{cc}{X}^{\left(k\right)}& 0\\ 0& X^{\left(k\right)}\end{array}\right]$

Codebook 1： $C_1=\{W_1^{\left(0\right)},W_1^{\left(1\right)},W_1^{\left(2\right)},W_1^{\left(3\right)}\}$

W₂的取值如下公式：

$W_2\∈C_2=\left\{\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}{Y}_1& Y_2\\ Y_1& -Y_2\end{array}\right]\right\}$

$(Y_1,Y_2)\∈\left\{\begin{array}{c}(e_1,\left[\begin{array}{cc}{e}_1& e_5\end{array}\right]),(e_2,\left[\begin{array}{cc}{e}_2& e_6\end{array}\right]),(e_3,\left[\begin{array}{cc}{e}_3& e_7\end{array}\right]),(e_4,\left[\begin{array}{cc}{e}_4& e_8\end{array}\right]),\\ (e_5,\left[\begin{array}{cc}{e}_1& e_5\end{array}\right]),(e_6,\left[\begin{array}{cc}{e}_2& e_6\end{array}\right]),(e_7,\left[\begin{array}{cc}{e}_3& e_7\end{array}\right]),(e_8,\left[\begin{array}{cc}{e}_4& e_8\end{array}\right]),\\ (\left[\begin{array}{cc}{e}_1& e_5\end{array}\right],e_5),(\left[\begin{array}{cc}{e}_2& e_6\end{array}\right],e_6),(\left[\begin{array}{cc}{e}_3& e_7\end{array}\right],e_7),(\left[\begin{array}{cc}{e}_4& e_8\end{array}\right],e_8),\\ (\left[\begin{array}{cc}{e}_5& e_1\end{array}\right],e_1),(\left[\begin{array}{cc}{e}_6& e_2\end{array}\right],e_2),(\left[\begin{array}{cc}{e}_7& e_3\end{array}\right],e_3),(\left[\begin{array}{cc}{e}_8& e_4\end{array}\right],e_4)\end{array}\right\}$

可以看出，基站采用16个波束方向(b_n，n＝0，1，L，15)，将16个波束方向分成4个组，每个组内的波束互相正交，其中第l组可以表示为：

G_l＝[b_l b_4+l b_8+l b_12+l]

其中l＝0，1，2，3，且基站和每个用户对这个分组的方法都是已知的。

当用户根据下行参考信号估计出下行信道状态信息，根据信道状态信息计算出码字W₁和W₂。假设用户1得到的W₁和W₂分别为：

和(Y₁，Y₂)＝(e₂，[e₂ e₆])

X⁽²⁾＝[b₈ b₉ b₁₀ b₁₁ b₁₂ b₁₃ b₁₄ b₁₅]

用户将W₁和W₂反馈给基站(可以采用W₁和W₂的码字的索引号)。基站得到W₁和W₂后即可获知：

$W_1{W}_2=\left[\begin{array}{cc}{X}^{\left(2\right)}& 0\\ 0& X^{\left(2\right)}\end{array}\right]\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{ccc}{e}_2& e_2& e_6\\ e_2& -e_2& -e_6\end{array}\right]=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{ccc}{b}_9& b_9& b_{13}\\ b_9& {-b}_9& -b_{13}\end{array}\right]$

即：用户1使用的波束方向为b₉和b₁₃。根据分组原则，用户1处于G₁＝[b₁ b₅ b₉ b₁₃]组。为了支持MU-MIMO，用户1除了反馈W₁和W₂，还需要增加1个比特的信息(对于秩为3，我们限定只能有其他秩为3或4的用户可以进行配对)，用来指示该组中哪些波束可以给其它用户使用(即可以与用户1空分构成MU-MIMO)。在该例中，如果用户1反馈的1个比特为1，则基站知道，b₁和b₅可以有其他用户与用户1空分。这样，基站根据各个用户的反馈来进行配对构成MU-MIMO。

考虑8根发送天线，用户1的发送的数据流的个数为4，即秩(rank)为4的情形。在8天线的码本中，秩为4时，W₁的取值与前面秩为3相同，基站仍采用16个波束方向，因此分组方法与秩为3相同。W₂的取值如下公式：

$W_2\∈C_2=\{\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}Y& Y\\ Y& -Y\end{array}\right],\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}Y& Y\\ jY& -jY\end{array}\right]\}$

Y∈{[e₁  e₅]，[e₂ e₆]，[e₃ e₇]，[e₄ e₈]}

当用户根据下行参考信号估计出下行信道状态信息，根据信道状态信息计算出码字W₁和W₂。假设用户1得到的W₁和W₂分别为：

$W_1=W_1^{\left(2\right)}=\left[\begin{array}{cc}{X}^{\left(2\right)}& 0\\ 0& X^{\left(2\right)}\end{array}\right]$ 和 $W_2=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}Y& Y\\ Y& -Y\end{array}\right],$ Y＝[e₄ e₈]

X⁽²⁾＝[b₈ b₉ b₁₀ b₁₁ b₁₂ b₁₃ b₁₄ b₁₅]

用户将W₁和W₂反馈给基站(可以采用W₁和W₂的码字的索引号)。基站得到W₁和W₂后即可获知：

$W_1{W}_2=\left[\begin{array}{cc}{X}^{\left(2\right)}& 0\\ 0& X^{\left(2\right)}\end{array}\right]\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cccc}{e}_4& e_8& e_4& e_8\\ e_4& e_8& -e_4& -e_8\end{array}\right]=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cccc}{b}_{11}& b_{15}& b_{11}& b_{15}\\ b_{11}& b_{15}& -b_{11}& -b_{15}\end{array}\right]$

即：用户1使用的波束方向为b₁₁和b₁₅。根据分组原则，用户1处于G₃＝[b₃ b₇ b₁₁ b₁₅]组。为了支持MU-MIMO，用户1除了反馈W₁和W₂，还需要增加1个比特的信息(对于秩为4，我们限定只能有其他秩为3或4的用户可以进行配对)，用来指示该组中哪些波束可以给其它用户使用(即可以与用户1空分构成MU-MIMO)。在该例中，如果用户1反馈的1个比特为1，则基站知道，b₃和b₇可以有其他用户与用户1空分。这样，基站根据各个用户的反馈来进行配对构成MU-MIMO。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种应用于下行链路的MIMO无线通信系统的反馈方法，其特征在于：所述反馈方法中，先对基站发送的波束方向进行分组，使得各个分组内部的波束方向相互正交，且各个分组之间没有交集，再将分组信息发送给用户端和基站端，其中：

用户端工作步骤如下：

（a1）用户根据下行链路的信道状态信息计算出针对该用户基站下行发送应采用的波束方向，并确定该波束方向所在的分组；

（a2）基于步骤（a1）确定的波束方向和分组，用户根据下行链路的信道状态信息，计算基站在该分组内的其他波束方向上发送其他用户的信号时对该用户的干扰的大小，并根据预先设定的阈值，判断其他波束方向对应的其他用户能否与该用户进行空分；

（a3）该用户将其使用的波束方向反馈给基站，同时将步骤（a2）中的判断结果作为附加信息反馈给基站；

基站端工作步骤如下：

（b1）基站根据用户的反馈获知该用户下行使用的波束方向；

（b2）基站根据步骤（b1）所述的用户反馈的附加信息获知能够与该用户进行空分的用户所处于的波束方向；

（b3）基站根据步骤（b1）和步骤（b2）获知的信息，以及其他用户反馈的信息，确定使用的波束方向在相同分组的用户进行多用户的配对。

2.根据权利要求1所述的应用于下行链路的MIMO无线通信系统的反馈方法，其特征在于：所述步骤（a2）中，对其他波束方向对应的其他用户能否与该用户进行空分，采用二进制方式标识能否与该用户进行空分的其他用户对应的波束方向。

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