CN102497254B - 无线通信多基站多天线协作传输的信道信息反馈方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线通信多基站多天线协作传输的信道信息反馈方法，属于无线通信技术领域。该方法充分利用每个小区的长期统计平均信号能量不相等的特性，在每个用户用于信道信息的量化的和比特数目受限的前提下，设计了量化比特的分配方案，保证协作传输系统中被服务的用户根据每个小区的长期统计平均信号能量的不同，调整对每个小区的信道方向信息和相位模糊信息的量化比特数目，从而使信道信息量化更加准确。同时被服务的用户根据量化比特数目的分配结果，分别对每个小区的信道方向信息和相位模糊信息进行量化，并将这些量化以后的信息反馈给相应的基站做进一步的处理。

Description

无线通信多基站多天线协作传输的信道信息反馈方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信多基站多天线协作传输的信道信息反馈方法，尤其涉及一种多基站用户有限反馈系统中用户对每小区信道方向量化信息和相位模糊量化信息进行量化反馈时比特分配的方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

协作多点传输(Coordinated Multi-Point，CoMP)可以有效提高频谱效率，抑制小区间、扇区间干扰，是长期演进计划(LTE-A)的重要技术之一。在CoMP协作传输系统中，基站能否有效地获得信道信息(CSI)成为发挥CoMP系统优势的重要条件。频分双工(FDD)下行协作传输系统需要通过带宽受限的上行信道反馈信道信息，因此减小上行信道的反馈量成为FDD系统需要克服的问题。过大的上行反馈量甚至会抵消CoMP协作传输带来的系统性能增益。因此，在有效反馈信道信息的前提下，尽可能降低有限反馈的反馈量至关重要。

与传统的非协作传输系统相比，CoMP协作处理系统具有自身的一些特点，比如信道非对称性、协作基站数目为动态或者半静态变化等。这导致针对全局信道联合优化设计码本并选择码字并不现实。基于单信道(per-cell)码本的反馈技术由于其灵活性以及良好的后向兼容性在实际系统中更为可行。

Per-cell码本反馈技术是指在CoMP系统中每个小区使用独立的per-cell码本，用户对每个小区的信道分别进行量化反馈的方案。

考虑由N_b个小区的基站组成的CoMP协作处理系统，每个小区对应一个基站，第i个基站有N_ti个天线，用户配置单天线，CoMP协作处理系统可以服务单个用户，也可以同时服务多个用户。假设某个被服务的用户的下行全局信道(global channel)可以由各协作的基站到该用户的下行信道构成：

$h=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\α}}_1{h}_1,& {\mathrm{\α}}_2{h}_2,& ...,& {\mathrm{\α}}_{N_b}{h}_{N_b}\end{array}\right]$

其中h_i为第i个小区中基站到被服务的用户的下行信道的小尺度信道向量，α_i为长期统计平均信号能量的平方根，i＝1，…，N_b。

传统方案中，被服务的用户利用适当的码本，对第i个小区的下行信道的小尺度信道向量h_i进行量化，得到第i个小区的信道方向的量化信息为然后被服务的用户将第i个小区的信道方向的量化信息

通过上行信道反馈给第i个基站。第i个基站再将该信息反馈给中心处理单元(CU)。CU最终收到N_b个基站的反馈，从而获得被服务用户的全局信道的量化信息为：

$\hat{h}=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\α}}_1{\hat{h}}_1,& {\mathrm{\α}}_2{\hat{h}}_2,& ...,& {\mathrm{\α}}_{N_b}{\hat{h}}_{N_b}\end{array}\right]$

目前已有的比特分配方案只是简单的考虑对被服务的用户信道方向量化信息进行量化或者比特分配，而没有充分考虑到每个小区的相位模糊的影响。这样会导致CU获得的全局量化信道信息

与被服务用户的真实信道信息h误差太大。如果误差太大，协作传输系统将无法进行有效地预编码获得协作传输的性能增益，会导致协作传输系统性能甚至不如非协作传输系统的性能。

发明内容

本发明的目的是提出一种多基站多天线协作传输的信道信息反馈方法，充分利用每个小区的长期统计平均信号能量不相等的特性，在每个用户用于信道信息的量化的和比特数目受限的前提下，设计了量化比特的分配方案。该方案保证协作传输系统中被服务的用户根据每个小区的长期统计平均信号能量的不同，调整对每个小区的信道方向信息和相位模糊信息的量化比特数目，从而使信道信息量化更加准确。同时被服务的用户根据量化比特数目的分配结果，分别对每个小区的信道方向信息和相位模糊信息进行量化，并将这些量化以后的信息反馈给相应的基站做进一步的处理。

本发明提供的多基站多天线协作传输的信道信息反馈方法，具体包括如下步骤：

(1)选择被服务用户。设协作传输系统由N_b个小区组成，每个小区对应一个基站，第i个基站有N_ti个天线，各基站之间通过中心处理单元连接，中心处理单元和用户共用码本库；中心处理单元利用协作传输传统的用户调度方法，比如比例公平调度方法，对协作传输系统中的待服务的用户进行调度，选择一个或者多个用户利用空间复用技术进行服务。以下以某个被服务的用户为例说明信道信息反馈方案。

(2)中心处理单元获得每个小区的相关信息。N_b个基站中的第i个基站通知被服务的用户测量第i个基站到被服务的用户的下行信道的长期统计平均信号能量α_i ²；被服务的用户通过上行反馈信道将上述长期统计平均信号能量α_i ²反馈给N_b个基站中的第i个基站，第i个基站再将接收的长期统计平均信号能量α_i ²传输给中心处理单元；对其它所有基站重复此步骤，即最终中心处理单元获得所有N_b个基站传输来的长期统计平均信号能量；

(3)中心处理单元确定需要量化的对象。每个小区的下行信道信息包括两部分，一是信道方向信息，二是相位模糊信息。其中N_b个小区中有一个小区的相位模糊信息不需要量化。根据下式计算得出N_b个基站中不需要进行相位模糊量化的基站的序号m：

$m={\arg \max }_i\left({\mathrm{\Σ}}_{j=1,j\≠i}^{N_b}{{\mathrm{\α}}_i}^2{{\mathrm{\α}}_j}^2\right);$

其中j＝1，...，N_b，运算∑表示求和，运算

表示在i＝1，...，N_b中使

最大的序号，α_i ²为第j个基站到被服务的用户的下行信道的长期统计平均信号能量；

(4)中心处理单元计算量化比特的分配结果。中心处理单元通过下式：

$B_i={[(N_{\mathrm{ti}}-1){\log }_2\left(\frac{{{\mathrm{\α}}_i}^2}{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{N_b}{{\mathrm{\α}}_j}^2}\right)-(N_{\mathrm{ti}}-1){\log }_2\left(\mathrm{\λ}(N_{\mathrm{ti}}-1)\right)]}^{+},$

$B_{i,p}=\frac{1}{2}{[{\log }_2(\frac{{{\mathrm{\α}}_i}^2}{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{N_b}{{\mathrm{\α}}_j}^2}-{\left(\frac{{{\mathrm{\α}}_i}^2}{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{N_b}{{\mathrm{\α}}_j}^2}\right)}^2)-{\log }_2(\mathrm{\λ}/2)]}^{+}$

计算得到分配给用于量化第i个基站到被服务用户的的下行信道的方向信息比特数B_i(i＝1，...，N_b)，以及计算得到分配给用于量化第i个基站到被服务用户的下行信道的相位模糊信息的比特数B_i，p(i＝1，...，N_b，i≠m)，其中λ满足的变量，B为协作传输系统预先指定的被服务用户量化信道信息的总比特数目，[x]⁺表示maX(0，x)运算。第m个小区中B_m，p为0；

(5)中心处理单元通知比特分配结果。中心处理单元将比特分配结果，即分配给第i个小区的比特数目B_i，B_i，p通知给第i个基站；然后第i个基站将比特数目B_i，B_i，p通知给被服务的用户；对其它所有基站重复此步骤；

(6)被服务的用户量化信道方向信息。设第i个小区中，第i个基站到被服务的用户的下行信道的方向向量为h_i。被服务的用户按照第i个基站通知的比特数B_i从自身的码本库中查找与比特数B_i相应的码本

码本

包括

个码字。被服务用户根据

得到第i个小区中下行信道的方向向量信息h_i对应的量化码字c_i，其中

为h_i共轭转置运算，||²为绝对值的平方运算，表示从码本选择一个码字c。被服务的用户得到码字c_i后，通过上行信道向第i个基站反馈码字c_i的序号。用户对其它所有基站重复此步骤直到所有小区的信道方向信息量化完毕；

(7)被服务的用户计算相位模糊信息。被服务的用户计算第i个小区中下行信道的方向信道量化以后的码字c_i和信道方向向量之间的相位

其中angle(x)为计算复数x的相位运算，然后被服务的用户计算与第m个基站之间的相位模糊信息

用户对其它所有基站重复此步骤直到除第m个小区外的所有小区的相位模糊信息计算完毕；

(8)被服务的用户量化相位模糊信息。被服务的用户计算按照第i个基站通知的比特数B_i，p从自身的码本库中查找与比特数B_i，p相应的码本

其中包括

个码字。被服务的用户通过计算

得到第i小区中下行信道的相位模糊信息

对应的量化码字c_i，p。用户对其它所有基站重复此步骤直到除第m个小区外的所有小区的相位模糊信息量化完毕。第m个小区中c_m，p为0。

(9)被服务的用户反馈量化的信息。被服务的用户通过上行信道向第i个基站反馈量化码字c_i和量化码字c_i，p对应的序号。然后第i个基站将收到的序号反馈给向中心处理单元；

(10)中心处理单元根据接收到第i个基站反馈的序号，通过自身码本库中的码本找到相应的码字c_i，并且通过自身码本库中的码本找到相应的码字c_i，p。最终中心处理单元得到全局信道 $\hat{h}=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\α}}_1{c}_1{e}^{j{c}_{1,p}},& ...,{\mathrm{\α}}_m{c}_m,& ...,& {\mathrm{\α}}_{N_b}{c}_{N_b}{e}^{{\mathrm{jc}}_{N_{b,p}}}\end{array}\right],$ 其中，

表示模值为1相位为c_ip的虚数，i＝1，…，N_b，i≠m。

本发明的优点在于：

(1)本发明针对多基站多天线协作传输系统的特点，在信道信息的反馈方案中充分考虑到相位模糊信息的量化，相比传统的反馈方案可以使协作传输系统获得更加准确的信道信息，有利于协作传输系统做进一步的处理，能增加被服务的用户接收协作传输系统的信号质量，有效地消除多用户空间复用传输时的用户间干扰，从而提高协作传输系统的下行数据率；

(2)本发明方案给出了当被服务的用户量化信道信息的和比特数受限时，考虑每个小区的下行信道的长期统计平均信号能量不同的因素，对信道方向信息和相位模糊信息量化的最优比特分配方法。从而可以保证在统计意义上，中心处理单元获得的被服务的用户反馈的全局信道信息的更加准确。

附图说明

图1是本发明中协作传输系统的示意图；

图2为本发明中反馈码本比特分配方法的流程图；

图3为本发明中信道信息反馈方法的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供的无线通信多基站多天线协作传输的信道信息反馈方法，分为两个阶段，如图3所示：第一个阶段，中心处理单元收集相应信息，确定待量化的对象，并作出比特分配；第二个阶段，被服务的用户根据比特分配的结果，分别对每个小区的信道方向信息和相位模糊信息进行量化并且反馈给中心处理单元。更加细分的实施步骤由图2所示：

(1)选择被服务用户。设协作传输系统由N_b个小区组成，每个小区对应一个基站，第i个基站有N_ti个天线，各基站之间通过中心处理单元连接，如图1所示；中心处理单元利用协作传输传统的用户调度方法，比如比例公平调度方法，对协作传输系统中的待服务的用户进行调度，选择一个或者多个用户进行服务。以下以某个被服务的用户为例说明信道信息反馈方案。

(2)中心处理单元收集信息。N_b个基站中的第i个基站通知被服务的用户测量第i个基站到被服务的用户的下行信道的长期统计平均信号能量α_i ²；被服务的用户通过上行反馈信道将上述长期统计平均信号能量α_i ²反馈给N_b个基站中的第i个基站，第i个基站再将接收的长期统计平均信号能量α_i ²传输给中心处理单元；该步骤对所有N_b个基站执行，i＝1，...，N_b，即中心处理单元收集所有的基站返回的长期统计平均信号能量；

(3)中心处理单元确定需要量化的对象。每个小区的下行信道信息包括两部分，一是信道方向信息，二是相位模糊信息。其中N_b个小区中有一个小区的相位模糊信息不需要量化。根据下式计算得出N_b个基站中不需要进行相位模糊量化的基站的序号m：

其中arg max为最大化参数运算，i＝1，...，N_b，j＝1，...，N_b，m＝为自然数，并且1≤m≤N_b；

(4)中心处理单元计算量化比特的分配结果。中心处理单元计算得到分配给用于量化第i个基站到被服务用户的下行信道的方向信息比特数B_i(i＝1，...，N_b)，以及计算得到分配给用于量化第i个基站到被服务用户的的下行信道的相位模糊信息的比特数B_i，p(i＝1，...，N_b，i≠m)，计算公式如下：

$B_i={[(N_{\mathrm{ti}}-1){\log }_2\left(\frac{{{\mathrm{\α}}_i}^2}{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{N_b}{{\mathrm{\α}}_j}^2}\right)-(N_{\mathrm{ti}}-1){\log }_2\left(\mathrm{\λ}(N_{\mathrm{ti}}-1)\right)]}^{+},$

$B_{i,p}=\frac{1}{2}{[{\log }_2(\frac{{{\mathrm{\α}}_i}^2}{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{N_b}{{\mathrm{\α}}_j}^2}-{\left(\frac{{{\mathrm{\α}}_i}^2}{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{N_b}{{\mathrm{\α}}_j}^2}\right)}^2)-{\log }_2(\mathrm{\λ}/2)]}^{+}$

其中λ满足的变量，B为协作传输系统预先指定的被服务的用户量化信道信息的总比特数目，[x]+表示maX(0，x)运算。第m个小区中B_m，p为0；

(5)中心处理单元通知比特分配结果。中心处理单元将比特分配结果，即分配给第i个小区的比特数目B_i、B_i，p通知给第i个基站；然后第i个基站将比特数目B_i、B_i，p通知给被服务的用户；该步骤对所有Nb个基站执行；与传统的方法相比，本发明考虑了相位模糊信息的量化，并保证在给定和比特数的约束下，使小区的信道方向信息和相位模糊信息量化最优，从而使中心处理单元获得更加准确的全局信道信息。

以上为第一阶段的步骤。

(6)被服务的用户量化信道方向信息。设第i个小区中，第i个基站到被服务的用户的下行信道的方向向量为h_i。被服务的用户按照第i个基站通知的比特数B_i从自身的码本库中查找与比特数B_i相应的码本

码本

包括个码字。被服务的用户根据

得到第i个小区中下行信道的方向向量信息h_i对应的量化码字c_i，其中

为h_i的共轭转置运算。被服务的用户得到码字c_i后，通过上行信道向第i个基站反馈码字c_i的序号。该步骤对所有N_b个基站执行，即被服务的用户对所有基站量化信道方向信息；

(7)被服务的用户计算相位模糊信息。被服务的用户计算第i个小区中下行信道的方向信道量化以后的码字c_i和信道方向向量之间的相位

其中angle(x)为计算复数x的相位运算，然后被服务的用户计算与第m个基站之间的相位模糊信息该步骤对所有i＝1，...，N_b，i≠m执行。传统的方法没有考虑此处的相位模糊的影响，因而导致最终中心处理单元收到的全局信道的信息不准确。

(8)被服务的用户量化相位模糊信息。被服务的用户计算按照第i个基站通知的比特数B_i，p从自身的码本库中查找与比特数B_i，p相应的码本

其中

包括个码字。被服务的用户通过计算

得到第i小区中下行信道的相位模糊信息

对应的量化码字c_i，p。该步骤对所有i＝1，...，N_b，i≠m执行。第m个小区中c_m，p为0。

(9)被服务的用户反馈量化信息。被服务的用户通过上行信道向第i个基站反馈量化码字c_i对应的序号和量化码字c_i，p对应的序号。然后第i个基站将收到的序号反馈给向中心处理单元；

(10)中心处理单元根据接收到第i个基站反馈的序号，通过码本

找到相应的码字c_i，并且通过码本

找到相应的码字c_i，p。最终中心处理单元得到全局信道 $\hat{h}=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\α}}_1{c}_1{e}^{j{c}_{1,p}},& ...,{\mathrm{\α}}_m{c}_m,& ...,& {\mathrm{\α}}_{N_b}{c}_{N_b}{e}^{{\mathrm{jc}}_{N_{b,p}}}\end{array}\right].$ 其中，

表示模值为1相位为c_i，P的虚数，i＝1，…，N_b，i≠m。

根据上述本发明提供的无线通信多基站多天线协作传输的信道信息反馈方法，在信道信息的反馈方案中充分考虑到相位模糊信息的量化，相比传统的反馈方案可以使协作传输系统获得更加准确的信道信息，有利于协作传输系统做进一步的处理，能增加被服务的用户接收协作传输系统的信号质量，有效地消除多用户空间复用传输时的用户间干扰，从而提高协作传输系统的下行数据率。

本发明给出了当被服务的用户量化信道信息和比特数受限时，考虑每个小区的下行信道的长期统计平均信号能量不同的因素，对信道方向信息和相位模糊信息量化的最优比特分配方法。从而可以保证在统计意义上，中心处理单元获得的被服务的用户反馈的全局信道信息的更加准确。

Claims (1)

1.无线通信多基站多天线协作传输的信道信息反馈方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤一、选择被服务用户：设协作传输系统由N_b个小区组成，每个小区对应一个基站，第i个基站有N_ti个天线，i=1,...,N_b，各基站之间通过中心处理单元连接，中心处理单元和用户共用码本库；中心处理单元利用协作传输系统中现有的用户调度方法，对协作传输系统中的待服务的用户进行调度，选择一个或者多个用户利用空间复用技术进行服务；

步骤二、中心处理单元获得每个小区的相关信息：N_b个基站中的第i个基站通知被服务的用户测量第i个基站到被服务的用户的下行信道的长期统计平均信号能量α_i ²，i=1,…,N_b；被服务的用户通过上行反馈信道将上述长期统计平均信号能量α_i ²反馈给N_b个基站中的第i个基站，第i个基站再将接收的长期统计平均信号能量α_i ²传输给中心处理单元；对其它所有基站重复此步骤，即最终中心处理单元获得所有N_b个基站传输来的长期统计平均信号能量；

步骤三、中心处理单元确定需要量化的对象：根据

计算得出N_b个基站中不需要进行相位模糊量化的基站的序号m，其中j=1,...,N_b，运算∑表示求和，运算 $\arg {\max }_i\left({\mathrm{\Σ}}_{j=1,j\≠i}^{N_b}{{\mathrm{\α}}_i}^2{{\mathrm{\α}}_j}^2\right)$ 表示在i=1,...,N_b中使

最大的序号；

步骤四、中心处理单元计算量化比特的分配结果:

中心处理单元通过下式：

$B_i={[(N_{\mathrm{ti}}-1){\log }_2\left(\frac{{{\mathrm{\α}}_i}^2}{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{N_b}{{\mathrm{\α}}_j}^2}\right)-(N_{\mathrm{ti}}-1){\log }_2\left(\mathrm{\λ}(N_{\mathrm{ti}}-1)\right)]}^{+},$

$B_{i,p}=\frac{1}{2}{[{\log }_2(\frac{{{\mathrm{\α}}_i}^2}{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{N_b}{{\mathrm{\α}}_j}^2}-{\left(\frac{{{\mathrm{\α}}_i}^2}{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{N_b}{{\mathrm{\α}}_j}^2}\right)}^2)-{\log }_2(\mathrm{\λ}/2)]}^{+}$

计算得到分配给用于量化第i个基站到被服务用户的的下行信道的方向信息比特数B_i，i=1,...,N_b，以及计算得到分配给用于量化第i个基站到被服务用户的的下行信道的相位模糊信息的比特数B_i，p，i=1,...,N_b，i≠m，其中λ满足

B为协作传输系统预先指定的被服务用户量化信道信息的总比特数目，[x]⁺表示max(0,x)运算，第m个小区中B_m，p为0；

步骤五、中心处理单元通知比特分配结果：中心处理单元将分配给第i个小区的比特数B_i、B_i，p通知给第i个基站；然后第i个基站将比特数B_i、B_i，p通知给被服务的用户；对其它所有基站重复此步骤；

步骤六、被服务的用户量化信道方向信息：设第i个小区中，第i个基站到被服务的用户的下行信道的方向向量为h_i，被服务的用户按照第i个基站通知的比特数B_i从自身的码本库中查找与比特数B_i对应的码本

码本包括

个码字，被服务用户根据

得到第i个小区中下行信道的方向向量信息h_i对应的量化码字c_i，其中

为h_i共轭转置运算,||²为绝对值的平方运算，

表示从码本选择一个码字c；被服务的用户得到码字c_i后，向通过上行信道向第i个基站反馈码字c_i的序号；用户对其它所有基站重复此步骤直到所有小区的信道方向信息量化完毕；

步骤七、被服务的用户计算相位模糊信息：被服务的用户计算第i个小区中下行信道的方向信道量化以后的码字c_i和信道方向向量之间的相位

其中angle(x)为计算复数x的相位运算，然后被服务的用户计算与第m个基站之间的相位模糊信息

用户对其它所有基站重复此步骤直到除第m个小区外的所有小区的相位模糊信息计算完毕；

步骤八、被服务的用户量化相位模糊信息：被服务的用户计算按照第i个基站通知的比特数B_i，p从自身的码本库中查找与比特数B_i，p相应的码本

其中

包括

个码字，被服务的用户通过计算得到第i小区中下行信道的相位模糊信息对应的量化码字c_i，p；用户对其它所有基站重复此步骤直到除第m个小区外的所有小区的相位模糊信息量化完毕；第m个小区中c_m，p为0；

步骤九、被服务的用户反馈量化的信息：被服务的用户通过上行信道向第i个基站反馈量化码字c_i和量化码字c_i，p对应的序号，然后第i个基站将收到的序号反馈给向中心处理单元；

步骤十、中心处理单元根据接收到第i个基站反馈的序号，通过自身码本库中的码本找到相应的码字c_i，并且通过自身码本库中的码本找到相应的码字c_i，p；最终中心处理单元得到全局信道 $\hat{h}=[{\mathrm{\α}}_1{c}_1{e}^{{\mathrm{jc}}_{l,p}},\·\·\·,{\mathrm{\α}}_m{c}_m,\·\·\·,{\mathrm{\α}}_{N_b}{c}_{N_b}{e}^{{\mathrm{jc}}_{N_b,p}}],$

其中，

表示模值为1相位为c_i,p的虚数，i=1,...,N_b，i≠m。

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