CN102064866B - 多用户下行传输系统中利用信道统计信息的自适应传输方法 - Google Patents

Abstract

多用户下行传输系统中利用信道统计信息的自适应传输方法能够很大地提高通信系统的频谱利用率和功率效率。该传输方法按以下步骤进行：各用户利用信道估计的结果计算自身的信道统计信息，即信道特征模式耦合矩阵、发送相关阵以及各接收天线上的噪声方差，基站根据各用户反馈的信道统计信息，进行功率分配以及预编码传输。本发明提供一种利用信道统计信息的多用户下行传输系统自适应传输方案，能够根据信道的统计特性调整发送参数，获得较高的和速率。

Description

多用户下行传输系统中利用信道统计信息的自适应传输方法

技术领域

本发明涉及一种通过使用多个发送/接收天线来传输高速数据的多用户下行传输系统，尤其涉及一种利用统计信道信息的多用户下行传输系统自适应传输方法。

背景技术

近年来，信息论的研究已经表明，多输入多输出(MIMO)的多天线技术能够显著地提高无线通信系统的传输速率。目前，针对点对点单用户系统的研究已经基本有了定论，而对于多用户系统的容量和最佳传输方案的研究则引起了国际学者们的广泛关注。多用户MIMO系统由于具有分集增益、复用增益和多用户分集增益，可以获得良好的性能和较大的容量，将成为新一代无线通信网络的关键技术之一。

与传统的单用户MIMO相比，多用户MIMO具有以下几个突出的优点：由于采用所谓的多用户复用，多用户MIMO能带来多址接入容量的直接增益(和基站天线数成正比)；利用多用户分集和调度，多用户MIMO能突破困扰单用户MIMO通信的许多传播限制，如信道矩阵秩亏或天线相关；在用户终端只具有单天线的情况下，多用户MIMO仍然能获得空间复用增益，因此有利于开发体积小而且便宜的终端。

遗憾的是，获得多用户MIMO带来的好处是有代价的。对于单用户MIMO通信来说，发送端已知信道信息不是必要的，但是对于许多多用户MIMO下行预编码技术来说却是至关重要的。许多已有的多用户MIMO下行传输系统中都假设基站已知理想的信道信息。在实际的通信中，基站的信道信息是由用户通过上行的有限反馈信道提供的。由于反馈信息的传输不可避免地存在误差和反馈延时，因此，假设发送端已知理想的信道信息往往是不现实的，特别是当用户数和发射天线数较大以及信道状态变化较快的时候。另外，信道信息的反馈给上行容量造成很大的负担，在宽带(如OFDM)系统和具有高移动性系统中，这一问题变得更加严重。因此，利用信道统计信息进行自适应传输是合适的选择。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种多用户下行传输系统中利用信道统计信息的自适应传输方法，提供了一种利用信道统计信息的多用户下行系统自适应传输方案，能够根据信道的统计特性调整发送参数，获得较高的和速率。

技术方案：本发明的利用信道统计信息的自适应传输方法按如下步骤进行：

1)基站信道统计信息的获取：多用户下行链路中，用户数为K，基站的发射天线数为n_T，每个用户的接收天线数为n_R，将基站与用户k之间的信道矩阵H_k建模为

其中，上标代表共轭转置；

U_T和

分别为n_T×n_T和n_R×n_R的固定的酉矩阵；M^(k)为n_R×n_T的固定的实矩阵，其元素非负，且满足

l_k为M^(k)的非零列向量的个数， 为n_R×l_K的矩阵，0_p×q表示p×q维的元素均为0的矩阵；

是一个由均值为零，方差为1的独立同分布的随机变量组成的n_R×n_T的随机矩阵，H_k满足

E{·}表示求期望，tr(·)表示求矩阵的迹，e代表Hadama乘积。各用户利用信道参数的估计值，用

和

计算其发送相关阵和接收相关阵；接下来各用户分别对自身的发送相关阵和接收相关阵进行特征值分解：

其中

和

为对角阵；然后各用户计算其信道特征模式耦合矩阵：

其中，为n_R×l_k的矩阵，

上标(·)^*表示矩阵的共轭运算；最后，各用户将自身的发送相关阵

信道特征模式耦合矩阵Ω^(k)和各接收天线上的噪声方差σ²反馈给基站。

2)基站对信道统计信息中的各用户发送相关阵进行特征值分解：

得到发送方向预编码矩阵U_Q＝U_T。

3)基站根据信道统计信息计算各用户的功率分配矩阵

k＝1，...，K，其中，

diag{·}表示以大括号中的向量的元素为对角线元素的对角阵，

，为矩阵

的(j，i)元素，μ为由

决定的常数，P发射总功率。

4)利用步骤2)和步骤3)中计算出的发送方向预编码矩阵和功率分配矩阵进行功率分配，以及预编码传输。

有益效果：本发明提供了一种利用信道统计信息的自适应多用户下行传输方法，该方法具有如下优点：

1、本方法仅需要信道的统计信息，适用于各种典型的无线通信系统；

2、本方法中的信道模型考虑了信道的发送相关、接收相关以及收发联合相关，更逼近实际信道；

3、本方法中的功率分配算法复杂度低、易于实现；

4、本方法能获得较高的和速率。

具体实施方式

本发明的方法主要包括以下步骤：

步骤1)、各用户利用信道估计的结果计算出信道的统计信息，并将其发送至基站；

步骤2)、基站根据信道统计信息计算发送方向预编码矩阵U_Q；

步骤3)、基站根据信道统计信息计算功率分配矩阵Λ_Q；

步骤4)、基站利用前两个步骤计算出的发送方向预编码矩阵和功率分配矩阵进行功率分配以及预编码传输。

考虑一个多用户MIMO下行链路，用户数为K，基站采用n_T根发送天线，每个用户采用n_R根接收天线，基站向每个用户发送相互独立的信号。在对其和速率进行分析的基础上，通过最大化和速率的一个上界可以构建出如下的预编码传输方案：

在用户端：用户k对数字基带接收信号

进行信道估计，其中

表示用户k的第i个接收天线的接收信号，上标(·)^T表示转置。利用信道估计的结果计算信道的统计信息，并将信道统计信息反馈给基站。

在基站端：利用各用户反馈的信道统计信息计算各用户的空间功率分配矩阵以及发送方向预编码矩阵U_Q。然后对各用户的输入符号流

进行线性预编码，得到发送信号

其中

表示用户k的第i个输入符号流，s_i(n)表示基站的第i个发送天线的发送信号。d^(k)(n)和s(n)之间满足如下关系：

$s\left(n\right)=U_Q\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\mathrm{\Λ}}_Q^{\left(k\right)}\right)}^{1/2}{d}^{\left(k\right)}\left(n\right)$ 【1】

为使本发明中的技术方案更加清楚明白，下面对本方案进行具体描述：

一、信道统计信息的获得

所述方案中各用户根据信道估计的结果计算其接收端各天线上的噪声方差σ²、发送相关阵、接收相关阵以及信道的特征模式耦合矩阵Ω^(k)。

我们用n_R×n_T的矩阵H_k表示基站与用户k之间的信道矩阵，信道矩阵H_k建模为：

其中，U_T和

分别为n_T×n_T和n_R×n_R的固定的酉矩阵；M^(k)为n_R×n_T的固定的实矩阵，其元素非负，且满足

l_k为M^(k)的非零列向量的个数，

为n_R×l_k的矩阵，0_p×q表示p×q维的元素均为0的矩阵；

是一个由均值为零，方差为1的独立同分布的随机变量组成的n_R×n_T的随机矩阵，H_k满足

E{·}表示求期望，tr(·)表示求矩阵的迹，e代表Hadama乘积，上标

代表共轭转置。各用户利用信道参数的估计值，分别计算其发送相关阵和接收相关阵：

接下来分别对发送相关阵和接收相关阵进行特征值分解

然后计算其信道特征模式耦合矩阵

其中，

上标(·)^*表示矩阵的共轭运算。最后，各用户将自身的发送相关阵

信道特征模式耦合矩阵Ω^(k)和各接收天线上的噪声方差σ²反馈给基站。

二、发送方向预编码矩阵

基站对各用户发送相关阵进行特征值分解：

得到U_T，所述方案中的发送方向预编码矩阵U_Q的选择为U_Q＝U_T。

三、功率分配矩阵

本方案中的用户k的功率分配矩阵可以表示为：

其中，diag{·}表示以大括号中的向量的元素为对角线元素的对角阵，用如下公式计算：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Qi}}^{\left(k\right)}=\max (0,\mathrm{\μ}-{\mathrm{\σ}}^2{\left(\underset{j=1}{\overset{n_R}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{-}{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{ji}}^{\left(k\right)}\right)}^{-1}),1\≤i\≤l_k,$ 【9】

其中，

为矩阵

的(j，i)元素，μ为由决定的常数，P发射总功率。

本发明具体实施方式如下：

用户端：

1)利用接收信号进行信道估计，得出接收端各天线上的噪声方差σ²、利用公式【3】和公式【4】计算其发送相关阵

和接收相关阵

2)对发送相关阵和接收相关阵进行特征值分解，得到U_T和

3)利用特征值分解的结果U_T，

和公式【7】计算信道特征模式耦合矩阵Ω^(k)。

4)将Ω^(k)和σ²反馈给基站，进入步骤5)。

基站端：

5)对各用户的发送相关阵进行特征值分解，得到U_T。

6)利用噪声方差σ²以及各用户的信道特征模式耦合矩阵Ω^(k)，根据公式【8】和公式【9】计算各用户的功率分配矩阵

7)令发送方向预编码阵U_Q＝U_T。

8)利用6)和7)中计算出的U_Q和

按照公式【1】进行发送控制。

Claims (1)

1.一种多用户下行传输系统中利用信道统计信息的自适应传输方法，其特征在于该方法按如下步骤进行： 

1)基站信道统计信息的获取：多用户下行链路中，用户数为K，基站的发射天线数为n_T，每个用户的接收天线数为n_R，基站与用户k之间的信道矩阵为H_k；H_k建模为

其中，上标代表共轭转置； 

U_T和

分别为n_T×n_T和n_R×n_R的固定的酉矩阵；M^(k)为n_R×n_T的固定的实矩阵，其元素非负，且满足

l_k为M^(k)的非零列向量的个数，

为n_R×l_k的矩阵，0_p×q表示p×q维的元素均为0的矩阵；

是一个由均值为零，方差为1的独立同分布的随机变量组成的n_R×n_T的随机矩阵，H_k满足

E{·}表示求期望，tr(·)表示求矩阵的迹，⊙代表Hadama乘积；各用户利用信道参数的估计值计算其发送相关阵和接收相关阵

接下来各用户分别对自身的发送相关阵和接收相关阵进行特征值分解，得到发送和接收相关阵的特征向量矩阵U_T和

以及发送和接收相关阵的特征值矩阵

和

然后各用户计算出其信道特征模式耦合矩阵 

其中，l_k为Ω^(k)的非零列向量的个数，

为n_R×l_k的矩阵，0_p×q表示p×q维的元素均为0的矩阵；最后，各用户将自身的发送相关阵

信道特征模式耦合矩阵Ω^(k)和各接收天线上的噪声方差σ²反馈给基站； 

2)基站对信道统计信息中的各用户发送相关阵进行特征值分解，得到发送相关阵的特征向量矩阵U_T，令发送方向预编码矩阵U_Q＝U_T； 

3)基站根据信道统计信息计算各用户的功率分配矩阵

k＝1，...，K，其中， 

diag{·}表示以大括号中的向量的元素为对角线元素的对角阵，

1≤i≤l_k，1≤k≤K，

为矩阵

的(j，i)元素，μ为由

决定的常数，P发射总功率； 

4)利用步骤2)和步骤3)中计算出的发送方向预编码矩阵和功率分配矩阵进行功率分配，以及预编码传输。