CN102647262B - 一种协作通信系统中基于正交波束成形的隐反馈传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信系统中的协作通信领域，具体为一种协作通信系统中基于正交波束成形的隐反馈传输方法，包括用户端处理和基站端处理两部分，其中用户端处理包括计算用户下行传输的信干噪比、将信干噪比量化得到信道质量指示；基站端处理包括基于用户码字的正交多用户调度、正交波束成形、根据反馈信息为调度用户选择调制编码方式。本发明的用户下行信干噪比的计算结合了调度方法和实际调度情况，不仅克服了传统正交波束成形中信干噪比计算保守的问题，而且能根据实际调度情况自适应地调整。此外，本发明的调度方法只根据用户码字就可以调度出全局预编码向量严格正交的用户，而不基于用户大尺度信息，因此有利于提高小区边缘的数据率。

Description

一种协作通信系统中基于正交波束成形的隐反馈传输方法

技术领域

本发明属于无线通信系统中的协作通信领域，涉及有限反馈和多用户调度等技术，具体涉及一种利用正交波束成形设计思想为协作通信系统设计一种低反馈量的隐反馈传输方法。

背景技术

为了满足LTE-A(Long Term Evolution-Advanced)系统在边缘用户吞吐量方面的新需求，第3代合作伙伴计划(3rd Generation PartnershipProject，3GPP)在LTE-A系统中提出了协作式多点传输(Coordinated MultiplePoint(CoMP)Transmission/Reception)技术。CoMP技术通过在基站间共享数据与信道信息、进行联合处理来有效管理小区间干扰，是提高小区边缘用户吞吐量的关键技术。由于CoMP系统信道的特殊性，信道信息的数据量是很大的，这就会带来严重的反馈资源开销。有限反馈技术是降低反馈量的有效方法；并且在频分双工的系统中，由于上下行信道不互易，只能通过用户反馈信道的方式使基站端获得信道信息。所以有限反馈技术是CoMP系统中的重要技术。

有限反馈有两种方式：一种是显反馈，另一种是隐反馈。显反馈是利用有限反馈技术反馈部分信道信息，并在基站端重构信道，由于它比较灵活并且能够支持很多传统的干扰迫零算法，所以目前对显反馈的研究比较多。较显反馈，隐反馈不需要在基站端重构信道因而不需要很大的反馈开销用于有限反馈信道信息，所以隐反馈更有利于降低CoMP系统的反馈量。并且隐反馈已经被提为LTE Release.11中主要CoMP反馈机制之一，所以对隐反馈的研究是很有意义的。

目前对CoMP系统隐反馈的研究还比较少。在不协作的通信系统中，主要有两种隐反馈传输方案：一种是文献“Kaibin Huang.Performance of OrthogonalBeamforming for SDMA With Limited Feedback[C].IEEE Transactions onVehicular Technology，vol.58，no.1，pp.152-164，Jan.2009.”中介绍的每用户酉速率控制(Per-User Unitary Rate Control，PU²RC)，另一种是文献“Alcatel-Lucent，“‘Best Companion’reporting for improved single-cellMU-MIMO pairing，”3GPP TSG RAN WG1Meeting#56/R1-090926，Feb.9-13，2009.”中介绍的增加反馈其他调度多用户的信息来实现多用户调度的隐反馈方案。PU²RC需要用到全局码本，但是对于CoMP系统来说，全局码本不能自适应地根据用户位置调整并且不具备灵活拓展性，因此在CoMP系统中一般不采用全局码本。第二种方法会增加反馈量，并且由于多用户调度判断条件比较苛刻，所以不利于多用户调度。因此单小区场景中典型的两个隐反馈方案都不能直接拓展到CoMP系统中，我们需要对CoMP系统隐反馈重新设计。另外，由于隐反馈体制下基站端不重构信道，而用户端又不知道基站调度结果，所以隐反馈中存在用户下行信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ration，SINR)估计问题，即通常所说的信道质量指示(Channel Quality Indicator，CQI)估计问题。目前设计的CQI估计都比较保守，但是由于CQI用于自适应调制编码方式的选择，保守的CQI估计不利于系统数据率的提高。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种协作通信系统中基于正交波束成形的隐反馈传输方法，采用了调度多用户之间正交波束成形的设计思想，设计基于单小区码字的正交多用户调度算法，巧妙地避开了CoMP系统中用户大尺度信息对用户正交性的影响；并且本发明根据调度准则设计了一种信道质量指示(CQI)估计方法，且能够克服传统CQI估计保守的问题。

本发明提出一种协作通信系统中基于正交波束成形的隐反馈传输方法，包括以下几个步骤：

步骤一：用户端处理：

用户端处理过程包括两个方面：码字反馈和信道质量指示CQI反馈；其中码字是用户根据下行信道从码本中选出来的，其代表码本中的一个向量；当使用单小区码本时，用户将为每一个协作基站选择一个码字；用户选择好码字之后，需要计算下行传输时的下行信干噪比，并将该信干噪比量化得到信道质量指示CQI。对于一个服务范围内共有M个用户的协作簇，协作簇内的第m(m＝1，…，M)个用户的下行信干噪比和信道质量指示CQI的具体计算步骤为：

(1)：计算用户下行传输时所受到的多用户干扰，按照如下公式计算：

$I_{\mathrm{MU},m}=\frac{N_t}{{\stackrel{\‾}{U}}_M}\frac{{\stackrel{\‾}{U}}_M-1}{N_t-1}[I_{\mathrm{local}}+I_{\mathrm{cross}}]$

其中，I_MU，m表示用户m的多用户干扰，N_t为每个基站的发射天线数，为协作簇内有M个用户时的平均调度用户数，I_local表示调度用户为同一基站选择码字之间的关系，I_cross表示调度用户为不同基站选择码字之间的关系；

其中，P_总为协作簇的总发射功率；||g_m||为用户m的下行信道g_m的模值；

在计算调度用户为相同基站选择码字之间的关系I_local时，该相同基站表示为第b个协作基站，且b＝1，…N_b，g_m，b表示第b个协作基站到用户m的单小区信道的信道方向加权因子，α_m，b表示第b个协作基站到用户m的单小区信道的大尺度衰落因子，h_m，b表示第b个协作基站到用户m的单小区信道的小尺度衰落信道，||h_m，b||为h_m，b的模值；为第b个协作基站到用户m之间小尺度衰落信道的方向；用户m为第b个协作基站选择的码字在码本中对应的向量；

在计算调度用户为不同基站选择码字之间的关系I_cross时，该不同基站表示为N_b个协作基站中任意两个不同的协作基站p和q，(p，q)＝1，…N_b，且p≠q；g_m，p表示第p个协作基站到用户m的单小区信道的信道方向加权因子，α_m，p表示第p个协作基站到用户m的单小区信道的大尺度衰落因子，h_m，p表示第p个协作基站到用户m的单小区信道的小尺度衰落信道，||h_m，p||为h_m，p的模值；为第p个协作基站到用户m之间小尺度衰落信道的方向；用户m为第p个协作基站选择的码字在码本中对应的向量。

g_m，q表示第q个协作基站到用户m的单小区信道的信道方向加权因子，α_m，q表示第q个协作基站到用户m的单小区信道的大尺度衰落因子，h_m，q表示第q个协作基站到用户m的单小区信道的小尺度衰落信道，||h_m，q||为h_m，q的模值；为第q个协作基站到用户m之间小尺度衰落信道的方向；用户m为第q个协作基站选择的码字在码本中对应的向量。A^H表示A的共轭转置；

η_p，q表示对于两个不同的基站p和q，干扰用户分别为每个基站选择的码字在码本中对应的向量在用户m与该基站之间的单小区信道方向上的投影的相关性，其计算公式为：

${\mathrm{\η}}_{p,q}=\frac{1}{{(N_t-1)}^2}\underset{v_p\∈\left\{\hat{h}\right|{\hat{h}}^H{\hat{h}}_{m,p}=0\}}{\mathrm{\Σ}}\underset{v_q\∈\left\{\hat{h}\right|{\hat{h}}^H{\hat{h}}_{m,q}=0\}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{Re}\{\left({\stackrel{\‾}{h}}_{m,p}^H{v}_p\right)\·{\left({\stackrel{\‾}{h}}_{m,q}^H{v}_q\right)}^H\};$

表示用户m为第p个协作基站选择的码字在码本中对应的向量，表示码本中与垂直的向量所组成的集合，v_p表示干扰用户为第p个协作基站选择的码字在码本中对应的向量，表示v_p为集合中的元素；表示用户m为第q个协作基站选择的码字在码本中对应的向量，表示码本中与垂直的向量所组成的集合，v_q表示干扰用户为第q个协作基站选择的码字在码本中对应的向量，表示v_q为集合中的元素；A^H表示A的共轭转置；Re{*}表示复数的实部；

(2)：计算用户下行传输时有用信号的功率，按照如下公式计算：

$S_m=p_m{\left|g_m^H{w}_m\right|}^2$

其中，S_m表示用户m的有用信号的功率，p_m为协作簇分配给用户m的信号功率；g_m为该用户的下行信道，α_m，b和h_m，b(b＝1，…，N_b)分别为第b个协作基站到用户m的单小区信道的大尺度衰落因子和小尺度衰落信道，N_b为协作基站数；w_m表示用户m的全局预编码向量， (b＝1，…，N_b)，α_m，b和α_m，i的含义相同，分别表示第b个协作基站和第i个协作基站到用户m的单小区信道的大尺度衰落因子，(b＝1，…，N_b)表示用户m为第b个协作基站选择的码字在码本中对应的向量；A^H表示A的共轭转置

(3)：计算用户下行传输的信干噪比为：

${\mathrm{SINR}}_m=\frac{S_m}{I_{\mathrm{MU},m}+{\mathrm{\σ}}_m^2}$

其中，表示用户接收信号中的加性噪声和簇外干扰的功率，将步骤(1)和步骤(2)计算得到的S_m和I_MU，m带入本步骤中即得到下行传输的信干噪比；

(4)：用户根据通信系统使用的调制编码方式表格，将得到的信干噪比量化得到信道质量指示；

步骤二：基站端处理

各协作基站将本地用户反馈的信息通过骨干网传输至中心处理器，中心处理器主要负责统一处理各协作基站的数据，通过统一处理数据来实现协作基站间信号和干扰的协调，实现协作通信，中心处理器的具体的计算步骤如下：

(1)：中心处理器为调度用户计算所有可能的码字要求矩阵，该矩阵规定了调度用户为各个协作基站选择的码字情况，其中一个调度用户码字要求矩阵构造方式如下：

其中，G_m表示由码字组成的矩阵，c_i，j为码字。G_m构造特点是：G_m每一行的码字互不相同且在码本中对应的向量相互正交，G_m每一列的码字可以相同也可以不同，中心处理器需要计算出所有满足该构造特点的码字要求矩阵，符合该构造特点的G_m共有2^B表示码本中向量的个数，N_t表示每个协作基站的发射天线数，N_b表示协作基站数；

(2)：中心处理器为每一个G_m选择合适的调度用户，对于每一个G_m，中心处理器依次根据G_m每一列对码字的要求选择合适的用户，设满足G_m第i列对码字的要求的用户为u_i，则用户u_i为各协作基站选择的码字需要满足如下要求：

$c_{u_i,1}=c_{1,i},c_{u_i,2}=c_{2,i},...,c_{u_i,N_b}=c_{N_b,i}$

其中，(b＝1，2，…，N_b)表示用户u_i为第b个协作基站选择的码字；c_j，i，(j＝1，2，…，N_b)表示G_m的第j行第i列的码字；

当有多个用户的码字选择结果满足该码字要求时，中心处理器将根据这些用户的反馈的信道质量指示CQI，通过查找用于CQI量化的调制编码方式表得到它们的信干噪比SINR，并挑选信干噪比最大的用户作为合适的用户u_i，该用户的信干噪比记为当所有可选用户的码字选择结果都不满足该码字要求时，中心处理器将设置 其中表示空集；

(3)：中心处理器根据每一个调度用户码字要求G_m挑选好用户后，计算挑选出来的用户下行传输的和数据率为

${\mathrm{Rate}}_m=\underset{i=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{u_i})$

(4)：中心处理器挑选使和数据率最大的码字要求矩阵G_m，之后将步骤(3)中为该G_m挑选的调度用户作为最终的调度用户；

(5)：中心处理器为步骤(4)中获得的每一个最终调度用户u_i计算全局预编码向量，当时，全局预编码向量按如下公式获得：

$w_{u_i}={[{\hat{g}}_{u_i,1}{\hat{h}}_{u_i,1}^H,...,{\hat{g}}_{u_i,N_b}{\hat{h}}_{u_i,N_b}^H]}^H$

其中，表示调度用户u_i的全局预编码向量；(b＝1，…，N_b)，和分别表示第b个协作基站和第p个协作基站到用户u_i的单小区信道的大尺度衰落因子；(b＝1，…，N_b)为用户u_i为第b个协作基站选择的码字在码本中对应的向量；A^H表示A的共轭转置。当时，

基站端根据调度用户的全局预编码向量按如下公式获得基站的正交波束成形矩阵W：

$W=[w_{u_1},w_{u_2},...,w_{u_{N_t}}]$

其中，(i＝1，…，N_t)表示用户u_i的全局预编码向量；

(6)：基站端根据各调度用户反馈的信道质量指示(CQI)为各调度用户选择合适的调制编码方式，并在步骤(5)中的计算得到的全局预编码向量的方向上同时同频地为所有调度用户发送所需数据。

本发明的优点在于：

(1)本发明提出一种协作通信系统中基于正交波束成形的隐反馈传输方法，相比于其他SINR估计方法，本发明的方法可以随着实际调度情况，如调度用户数，自适应地调整。其结合调度方法和实际调度情况达到SINR尽量估计准确，这种SINR估计方法不会同其他正交波束成形中SINR估计方法那样，出现估计过度保守的问题，将它用于实际系统中的自适应调制编码方式，更利于提高系统的数据率。

(2)本发明提出一种协作通信系统中基于正交波束成形的隐反馈传输方法，基于码字的CoMP多用户调度方法可以保证调度多用户的全局波束成形方向矢量相互正交。它的特点是只通过用户的码字信息，就可以确定用户之间的正交性。它的优点是它巧妙地逼开了用户大尺度信息对正交波束成形的影响，这既有利于CoMP调度严格正交的用户，同时提供了干扰用户码字的先验信息，有利于用户端SINR的估计。此外，这种调度方法调度出来的多用户仅靠码字就可以实现正交波束成形，对于信道大尺度正交性差的小区边缘用户来说，这种调度方法更有利于降低多用户间干扰，提高小区边缘用户的吞吐量。

(3)本发明提出一种协作通信系统中基于正交波束成形的隐反馈传输方法，用隐反馈机制在协作通信系统中实现正交波束成形，由于隐反馈不需要在基站端重构信道，因此它相比于其他需要在基站端获取信道的方法，对信道量化误差更加不敏感，因此它有利于降低CoMP系统的反馈量。

附图说明

图1：本发明中基站和中央处理器结构示意图；

图2：本发明中用户端处理的流程图；

图3：本发明中基站端处理的流程图；

图4：协作基站数目不同的情况下，本发明方法与其他方法的比较；

图5：降低用于码字反馈的反馈量，本发明方法与其他方法的比较；

图6：增加每个协作基站的反射天线数，本发明方法与其他方法的比较。

图中：nonCoMP:PU²RC表示不协作系统中采用每用户酉速率控制的隐反馈方法；CoMP:CB表示CoMP协作通信系统中有限反馈下的协调波束成形方法；CoMP:ZFBF表示CoMP协作通信系统中利用迫零波束成形的显反馈方法；CoMP:ORBF表示本发明提出的CoMP协作通信系统中基于正交波束成形的隐反馈方法。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：

本发明提出一种协作通信系统中基于正交波束成形的隐反馈传输方法，本发明将一套完整的CoMP系统中基于正交波束成形的隐反馈方案具体化，仅靠码字区分用户正交性的调度方法，对于信道大尺度正交性差的小区边缘用户来说，这种调度方法更有利于降低多用户间干扰，提高小区边缘用户的吞吐量。同时隐反馈具有低复杂度以及对信道量化误差具有鲁棒性的优势，和降低CoMP系统反馈量的意义。用户端需要计算反馈信息，并通过上行反馈信道反馈给本地基站。如图1所示，基站端将收集到的用户信息通过骨干网传输给中心处理器。中心处理器根据协作簇内所有用户的反馈信息做多用户调度、正交波束成形计算以及自适应调制编码方式选择。然后中心处理器将信号传输给各协作基站，协作基站共同为调度用户发送数据。

本发明提出一种协作通信系统中基于正交波束成形的隐反馈传输方法，包括以下几个步骤：

步骤一：用户端处理：

用户端处理过程包括两个方面：码字反馈和信道质量指示(CQI)反馈。其中码字是用户根据下行信道从码本中选出来的，其代表码本中的一个向量；当使用单小区码本时，用户将为每一个协作基站选择一个码字。关于码字选择目前该领域已有多种实现方案，所以码字选择的步骤根据现有的方法完成，本专利没有具体给出。用户选择好码字之后，需要计算下行传输时的下行信干噪比，为本发明的一个创新点，下面将具体给出下行信干噪比的计算步骤，用户将计算的下行信干噪比量化得到信道质量指示(CQI)。码字和CQI获得后，用户将为各基站选择的码字和CQI反馈给本地基站，如图1所示，本地基站通过骨干网将这些反馈信息传输给中心处理器，用于其下行处理。对于一个服务范围内共有M个用户的协作簇，如图2所示协作簇内的第m(m＝1，…，M)个用户的下行信干噪比和CQI的具体计算步骤如下：

(1)：计算用户下行传输时所受到的多用户干扰，按照如下公式计算：

$I_{\mathrm{MU},m}=\frac{N_t}{{\stackrel{\‾}{U}}_M}\frac{{\stackrel{\‾}{U}}_M-1}{N_t-1}[I_{\mathrm{local}}+I_{\mathrm{cross}}]$

其中，I_MU，m表示该用户(即用户m)的多用户干扰，N_t为每个基站的发射天线数，为协作簇内有M个用户时的平均调度用户数。I_local表示调度用户为同一基站选择码字之间的关系，I_cross表示调度用户为不同基站选择码字之间的关系。

其中，P_总为协作簇的总发射功率；||g_m||为用户m的下行信道g_m的模值；

在计算调度用户为相同基站选择码字之间的关系I_local时，该相同基站表示为第b个协作基站，且b＝1，…N_b，g_m，b表示第b个协作基站到用户m的单小区信道的信道方向加权因子，α_m，b表示第b个协作基站到用户m的单小区信道的大尺度衰落因子，h_m，b表示第b个协作基站到用户m的单小区信道的小尺度衰落信道，||h_m，b||为h_m，b的模值；为第b个协作基站到用户m之间小尺度衰落信道的方向；用户m为第b个协作基站选择的码字在码本中对应的向量；

在计算调度用户为不同基站选择码字之间的关系I_cross时，该不同基站表示为N_b个协作基站中任意两个不同的协作基站p和q，(p，q)＝1，…N_b，且p≠q；g_m，p表示第p个协作基站到用户m的单小区信道的信道方向加权因子，α_m，p表示第p个协作基站到用户m的单小区信道的大尺度衰落因子，h_m，p表示第p个协作基站到用户m的单小区信道的小尺度衰落信道，||h_m，p||为h_m，p的模值；为第p个协作基站到用户m之间小尺度衰落信道的方向；用户m为第p个协作基站选择的码字在码本中对应的向量。

g_m，q表示第q个协作基站到用户m的单小区信道的信道方向加权因子，α_m，q表示第q个协作基站到用户m的单小区信道的大尺度衰落因子，h_m，q表示第q个协作基站到用户m的单小区信道的小尺度衰落信道，||h_m，q||为h_m，q的模值；为第q个协作基站到用户m之间小尺度衰落信道的方向；用户m为第q个协作基站选择的码字在码本中对应的向量。A^H表示A的共轭转置；

η_p，q表示对于两个不同的基站p和q，干扰用户分别为每个基站选择的码字在码本中对应的向量在用户m与该基站之间的单小区信道方向上的投影的相关性，其计算公式为：

${\mathrm{\η}}_{p,q}=\frac{1}{{(N_t-1)}^2}\underset{v_p\∈\left\{\hat{h}\right|{\hat{h}}^H{\hat{h}}_{m,p}=0\}}{\mathrm{\Σ}}\underset{v_q\∈\left\{\hat{h}\right|{\hat{h}}^H{\hat{h}}_{m,q}=0\}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{Re}\{\left({\stackrel{\‾}{h}}_{m,p}^H{v}_p\right)\·{\left({\stackrel{\‾}{h}}_{m,q}^H{v}_q\right)}^H\};$

表示用户m为第p个协作基站选择的码字在码本中对应的向量，表示码本中与垂直的向量所组成的集合，v_p表示干扰用户为第p个协作基站选择的码字在码本中对应的向量，表示v_p为集合中的元素；表示用户m为第q个协作基站选择的码字在码本中对应的向量，表示码本中与垂直的向量所组成的集合，v_q表示干扰用户为第q个协作基站选择的码字在码本中对应的向量，表示v_q为集合中的元素；A^H表示A的共轭转置；Re{*}表示复数的实部；

(2)：计算用户下行传输时有用信号的功率，按照如下公式计算：

$S_m=p_m{\left|g_m^H{w}_m\right|}^2$

其中，S_m表示该用户(即用户m)的有用信号的功率，p_m为协作簇分配给用户m的信号功率；g_m为该用户的下行信道，α_m，b和h_m，b(b＝1，…，N_b)分别为第b个协作基站到用户m的单小区信道的大尺度衰落因子和小尺度衰落信道，N_b为协作基站数；w_m表示用户m的全局预编码向量， $w_m={[{\hat{g}}_{m,1}{\hat{h}}_{m,1}^H,...,{\hat{g}}_{m,N_b}{\hat{h}}_{m,N_b}^H]}^H$ ${\hat{g}}_{m,b}={\mathrm{\α}}_{m,b}/\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N_b}{\mathrm{\α}}_{m,i}^2},$ (b＝1，…，N_b)，α_m，b和α_m，i的含义相同，分别表示第b个协作基站和第i个协作基站到用户m的单小区信道的大尺度衰落因子，(b＝1，…，N_b)表示用户m为第b个协作基站选择的码字在码本中对应的向量；A^H表示A的共轭转置。

(3)：计算用户下行传输的信干噪比为：

${\mathrm{SINR}}_m=\frac{S_m}{I_{\mathrm{MU},m}+{\mathrm{\σ}}_m^2}$

其中，表示用户接收信号中的加性噪声和簇外干扰的功率，为用户端的已知量。将步骤(1)和步骤(2)计算得到的S_m和I_MU，m带入本步骤中即得到下行传输的信干噪比。

(4)：用户根据通信系统使用的调制编码方式表格，将得到的信干噪比量化得到信道质量指示(CQI)，该方法在现有通信系统中已经有标准化的方法，如参考文献“Fujitsu，“DL System Level Performance Comparison between 2GHz and 3.5GHz forAdvanced E-UTRA”，R1-083779，TSG-RAN1#54BIS，Prague，Czech，September 29-October 3，2008.”中的记载。

步骤二：基站端处理

各协作基站将本地用户反馈的信息通过骨干网传输至中心处理器，中心处理器主要负责统一处理各协作基站的数据，通过统一处理数据来实现协作基站间信号和干扰的协调，实现协作通信。中心处理器可以是独立的处理单元或者是某一个协作基站，它具有较高的数据计算处理性能，它收集了所有协作基站的所有数据，完成协作簇内多用户调度、正交波束成形、调度用户调制编码方式选择等处理。如图3所示，中心处理器的具体的计算步骤如下：

(1)：中心处理器为调度用户计算所有可能的码字要求矩阵，该矩阵规定了调度用户为各个协作基站选择的码字情况。其中一个调度用户码字要求矩阵构造方式如下：

其中，G_m表示由码字组成的矩阵，c_i，j为码字。G_m构造特点是：G_m每一行的码字互不相同且在码本中对应的向量相互正交，即若用表示c_i，j在码本中对应的向量，则G_m每一列的码字可以相同也可以不同。中心处理器需要计算出所有满足该构造特点的码字要求矩阵，符合该构造特点的G_m共有2^B表示码本中向量的个数，N_t表示每个协作基站的发射天线数，N_b表示协作基站数。G_m行元素(或列元素)不同的排列代表不同的码字要求矩阵。

(2)：中心处理器为每一个G_m选择合适的调度用户。对于每一个G_m，中心处理器依次根据G_m每一列对码字的要求选择合适的用户。设满足G_m第i列对码字的要求的用户为u_i，则用户u_i为各协作基站选择的码字需要满足如下要求：

$c_{u_i,1}=c_{1,i},c_{u_i,2}=c_{2,i},...,c_{u_i,N_b}=c_{N_b,i}$

其中，(b＝1，2，…，N_b)表示用户u_i为第b个协作基站选择的码字；c_j，i，(j＝1，2，…，N_b)表示G_m的第j行第i列的码字。

当有多个用户的码字选择结果满足该码字要求时，中心处理器将根据这些用户的反馈的信道质量指示(CQI)，通过查找用于CQI量化的调制编码方式表得到它们的信干噪比SINR，并挑选信干噪比最大的用户作为合适的用户u_i，该用户的信干噪比记为当所有可选用户的码字选择结果都不满足该码字要求时，中心处理器将设置 其中表示空集。

(3)：中心处理器根据每一个调度用户码字要求G_m挑选好用户后，计算挑选出来的用户下行传输的和数据率为

${\mathrm{Rate}}_m=\underset{i=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{u_i})$

(4)：中心处理器挑选使和数据率最大的码字要求矩阵G_m，之后将步骤3中为该G_m挑选的调度用户作为最终的调度用户。

(5)：中心处理器为步骤(4)中获得的每一个最终调度用户u_i计算全局预编码向量，当时，全局预编码向量按如下公式获得：

$w_{u_i}={[{\hat{g}}_{u_i,1}{\hat{h}}_{u_i,1}^H,...,{\hat{g}}_{u_i,N_b}{\hat{h}}_{u_i,N_b}^H]}^H$

其中，表示调度用户u_i的全局预编码向量；(b＝1，…，N_b)，和分别表示第b个协作基站和第p个协作基站到用户u_i的单小区信道的大尺度衰落因子；(b＝1，…，N_b)为用户u_i为第b个协作基站选择的码字在码本中对应的向量；A^H表示A的共轭转置。当时，

基站端根据调度用户的全局预编码向量按如下公式获得基站的正交波束成形矩阵W：

$W=[w_{u_1},w_{u_2},...,w_{u_{N_t}}]$

其中，(i＝1，…，N_t)表示用户u_i的全局预编码向量。

(6)：基站端根据各调度用户反馈的信道质量指示(CQI)，通过查找CQI与调制编码方式对应表格，为各调度用户选择合适的调制编码方式。该方法在现有通信系统中已经有标准化的方法，如参考文献“Fujitsu，“DL System Level PerformanceComparison between 2GHz and 3.5GHz for Advanced E-UTRA”，R1-083779，TSG-RAN1#54BIS，Prague，Czech，September 29-October 3，2008.”中的详细记载；并在步骤(5)中的计算得到的全局预编码向量的方向上同时同频地为所有调度用户发送所需数据。

实施例中通过matlab软件平台仿真本发明的性能。仿真参数设置主要基于“3GPP TSG RAN and TR 25.814v7.1.0，“Physical layer aspects for evolvedUTRA，”Sept.2006.”。考虑2个基站协作，即N_b＝2；每个基站有4根发射天线，即N_t＝4；每个小区有10个用户，分布在小区边缘的3dB SHO区内，每个用户有一根接收天线，平均调度用户数为2.5，即在上述条件下，协作通信系统中基于正交波束成形的隐反馈传输方法具体为：

步骤一：用户端处理

(1)计算用户下行传输时所受到的多用户干扰，按照如下公式计算：

$I_{\mathrm{MU}}=\frac{4}{5}[I_{\mathrm{local}}+I_{\mathrm{cross}}]$

其中I_local表示调度用户为相同基站选择码字之间的关系：

I_cross表示调度用户为不同基站选择码字之间的关系：

η_1，2具体为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{1,2}}=\frac{1}{9}\underset{v_1\∈\left\{\hat{h}\right|{\hat{h}}^H{\hat{h}}_{m,1}=0\}}{\mathrm{\Σ}}\underset{v_2\∈\left\{\hat{h}\right|{\hat{h}}^H{\hat{h}}_{m,2}=0\}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{Re}\{\left({\stackrel{\‾}{h}}_{m,1}^H{v}_1\right)\·{\left({\stackrel{\‾}{h}}_{m,2}^H{v}_2\right)}^H\}$

表示用户m为第1个协作基站选择的码字在码本中对应的向量，表示码本中与垂直的向量所组成的集合，v₁表示干扰用户为第1个协作基站选择的码字在码本中对应的向量，表示v₁为集合中的元素；表示用户m为第2个协作基站选择的码字在码本中对应的向量，表示码本中与垂直的向量所组成的集合，v₂表示干扰用户为第2个协作基站选择的码字在码本中对应的向量，表示v₂为集合中的元素；A^H表示A的共轭转置；Re{*}表示复数的实部；(2)计算用户下行传输时有用信号的功率其中，p_m为协作簇分配给用户m的信号功率；g_m为该用户的下行信道，α_m，b和分别为第b个协作基站到用户m的单小区信道的大尺度衰落因子和小尺度衰落信道；用户m的全局预编码向量为 $w_m={\left[{\hat{g}}_{m,1}{\hat{h}}_{m,1}^H{\hat{g}}_{m,N_b}{\hat{h}}_{m,2}^H\right]}^H,$ ${\hat{g}}_{m,b}={\mathrm{\α}}_{m,b}/\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N_b}{\mathrm{\α}}_{m,i}^2},$ 是用户m为第b个协作基站选择的码字在码本中对应的向量。

(3)计算用户下行传输的信干噪比为：

${\mathrm{SINR}}_m=\frac{S_m}{I_{\mathrm{MU}}+{\mathrm{\σ}}_m^2}$

其中，为用户接收信号中的加性噪声和簇外干扰的功率，是用户端的已知量。将已算出的S_m和I_MU带入即可计算出下行信干噪比。

(4)用户根据系统使用的调制编码方式查找表格，将估计的信干噪比量化即可得到信道质量指示(CQI)。

步骤二：基站端处理

各协作基站将本地用户反馈的信息通过骨干网传输至中心处理器，然后中心处理器根据所有用户的反馈信息完成多用户调度、正交波束成形、调度用户调制编码方式选择等处理。中心处理器的具体的计算步骤如下：

(1)：中心处理器为调度用户计算所有可能的码字要求矩阵，该矩阵规定了调度用户为各个协作基站选择的码字情况。其中一个调度用户码字要求矩阵构造方式如下：

其中，是由码字组成的矩阵，c_i，j为码字。G_m构造特点是：G_m每一行的码字互不相同且在码本中对应的向量相互正交，即若c_i，j在码本中对应的向量为则G_s每一列的码字可以相同也可以不同。

(2)：中心处理器为每一个G_m选择合适的调度用户。对于每一个G_m，中心处理器依次为每一列选择合适的用户u_i，用户u_i需要满足其为各协作基站选择的码字的码字b＝1，…，N_b满足如下要求：

$c_{u_i,1}=c_{1,i},...,c_{u_i,N_b}=c_{N_b,i}$

当有多个用户的码字选择结果均与相符时，中心处理器将根据这些用户的CQI查表得到它们的信干噪比SINR，并挑选信干噪比最大的用户作为u_i，该用户的信干噪比记为当所有可选用户的码字选择结果都与不相符时，中心处理器将设置 其中表示空集。

(3)：中心处理器根据每一个调度用户码字要求G_m挑选好用户后，计算挑选出来的用户下行传输的和数据率为

${\mathrm{Rate}}_m=\underset{i=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{u_i})$

(4)：中心处理器挑选和使数据率最大的码字要求G_m记为G_s，之后将步骤3中为G_s挑选的调度用户作为最终的调度用户组合。

(5)：中心处理器为每一个最终调度用户u_i计算全局预编码向量，当时，全局预编码向量按如下公式计算

$w_{u_i}={[{\hat{g}}_{u_i,1}{c}_{u_i,1}^H,...,{\hat{g}}_{u_i,N_b}{c}_{u_i,N_b}^H]}^H$

其中可依据用户的单小区大尺度衰落因子计算得到。

基站端根据调度用户的按如下公式计算基站的正交波束成形矩阵W：

$W=[w_{u_1},w_{u_2},...,w_{u_U}]$

其中U表示调度用户数。

(6)：基站端根据各调度用户反馈的为各调度用户选择合适的调制编码方式，并在步骤(5)中的计算得到的全局预编码向量的方向上同时同频地为所有调度用户发送数据。

在协作基站数目不同的情况下、降低用于码字反馈的反馈量以及增加每个协作基站的反射天线数三种条件下，应用本发明的方法与其他方法进行比较，如图4、图5、图6所示，其中nonCoMP:PU²RC表示不协作系统中采用每用户酉速率控制的隐反馈方法；CoMP:CB表示CoMP协作通信系统中有限反馈下的协调波束成形方法；CoMP:ZFBF表示CoMP协作通信系统中利用迫零波束成形的显反馈方法；CoMP:ORBF表示本发明提出的CoMP协作通信系统中基于正交波束成形的隐反馈方法。从图4中我们可以看出，无论协作簇内有2个基站协作还是3个基站协作，本发明提出的CoMP协作通信系统中基于正交波束成形的隐反馈方法的系统和数据率都高于其他三种方法。从图5中我们可以看出，随着用于码字反馈的反馈量减小，该发明提出的方法的优势会更加明显，这说明本发明方法在反馈量比较少的时候也可以保持很好的性能。图6未保证反馈量不变的情况下增加每个协作基站的发射天线数，在这种情况下，从图6中可以看出，对于其他三种方法，如果不增加反馈量，则系统和数据率会下降很多；而本发明提出的方法在不增加反馈量的情况下，保证了系统和数据率没有因为发射天线数的增加而明显下降。从图5和图6说明本专利的方法有利于降低CoMP系统的反馈量。

Claims (1)

1.一种协作通信系统中基于正交波束成形的隐反馈传输方法，其特征在于：包括以下几个步骤：

步骤一：用户端处理：

用户端处理过程包括两个方面：码字反馈和信道质量指示CQI反馈；其中码字是用户根据下行信道从码本中选出来的，其代表码本中的一个向量；当使用单小区码本时，用户将为每一个协作基站选择一个码字；用户选择好码字之后，需要计算下行传输时的下行信干噪比，并将该信干噪比量化得到信道质量指示CQI，对于一个服务范围内共有M个用户的协作簇，协作簇内的第m(m＝1,…,M)个用户的下行信干噪比和信道质量指示CQI的具体计算步骤为：

(1)：计算用户下行传输时所受到的多用户干扰，按照如下公式计算：

$I_{\mathrm{MU},m}=\frac{N_t}{{\stackrel{\‾}{U}}_M}\frac{{\stackrel{\‾}{U}}_M-1}{N_t-1}[I_{\mathrm{local}}+I_{\mathrm{cross}}]$

其中，I_MU,m表示用户m的多用户干扰，N_t为每个基站的发射天线数，为协作簇内有M个用户时的平均调度用户数，I_local表示属于同一基站的调度用户为该同一基站选择的码字之间的关系，I_cross表示调度用户为不同基站选择的码字之间的关系；

其中，P_总为协作簇的总发射功率；||g_m||为用户m的下行信道g_m的模值；

在计算属于同一基站的调度用户为相同基站选择码字之间的关系I_local时，该相同基站表示为第b个协作基站，且b＝1,…N_b，N_b表示协作基站数；g_m,b表示第b个协作基站到用户m的单小区信道的信道方向加权因子，α_m,b表示第b个协作基站到用户m的单小区信道的大尺度衰落因子，h_m,b表示第b个协作基站到用户m的单小区信道的小尺度衰落信道，||h_m,b||为h_m,b的模值；为第b个协作基站到用户m之间小尺度衰落信道的方向；表示用户m为第b个协作基站选择的码字在码本中对应的向量；

在计算属于不同基站的调度用户为不同基站选择码字之间的关系I_cross时，该不同基站表示为N_b个协作基站中任意两个不同的协作基站p和q，(p,q)＝1,…N_b，且p≠q；g_m,p表示第p个协作基站到用户m的单小区信道的信道方向加权因子，α_m,p表示第p个协作基站到用户m的单小区信道的大尺度衰落因子，h_m,p表示第p个协作基站到用户m的单小区信道的小尺度衰落信道，||h_m,p||为h_m,p的模值；为第p个协作基站到用户m之间小尺度衰落信道的方向；表示用户m为第p个协作基站选择的码字在码本中对应的向量；

g_m,q表示第q个协作基站到用户m的单小区信道的信道方向加权因子，α_m,q表示第q个协作基站到用户m的单小区信道的大尺度衰落因子，h_m,q表示第q个协作基站到用户m的单小区信道的小尺度衰落信道，||h_m,q||为h_m,q的模值；为第q个协作基站到用户m之间小尺度衰落信道的方向；表示用户m为第q个协作基站选择的码字在码本中对应的向量，A^H表示A的共轭转置；

η_p,q表示对于两个不同的基站p和q，干扰用户分别为每个基站选择的码字在码本中对应的向量在用户m与该基站之间的单小区信道方向上的投影的相关性，其计算公式为：

${\mathrm{\η}}_{p,q}=\frac{1}{{(N_t-1)}^2}\underset{v_p\∈\left\{\hat{h}\right|{\hat{h}}^H{\hat{h}}_{m,p}=0\}}{\mathrm{\Σ}}\underset{v_q\∈\left\{\hat{h}\right|{\hat{h}}^H{\hat{h}}_{m,q}=0\}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{Re}\{\left({\stackrel{\‾}{h}}_{m,p}^H{v}_p\right)\·{\left({\stackrel{\‾}{h}}_{m,q}^H{v}_q\right)}^H\};$

表示用户m为第p个协作基站选择的码字在码本中对应的向量，表示码本中与垂直的向量所组成的集合，v_p表示干扰用户为第p个协作基站选择的码字在码本中对应的向量，表示v_p为集合中的元素；表示用户m为第q个协作基站选择的码字在码本中对应的向量，表示码本中与垂直的向量所组成的集合，v_q表示干扰用户为第q个协作基站选择的码字在码本中对应的向量，表示v_q为集合中的元素；A^H表示A的共轭转置；Re{*}表示复数的实部；

(2)：计算用户下行传输时有用信号的功率，按照如下公式计算：

$S_m=p_m{\left|g_m^H{w}_m\right|}^2$

其中，S_m表示用户m的有用信号的功率，p_m为协作簇分配给用户m的信号功率；g_m为该用户的下行信道，α_m,b和h_m,b(b＝1,…,N_b)分别为第b个协作基站到用户m的单小区信道的大尺度衰落因子和小尺度衰落信道，N_b为协作基站数；w_m表示用户m的全局预编码向量， $w_m={[{\hat{g}}_{m,1}{\hat{h}}_{m,1}^H,...,{\hat{g}}_{{m,N}_b}{\hat{h}}_{{m,N}_b}^H]}^H,{\hat{g}}_{m,b}={\mathrm{\α}}_{m,b}/\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N_b}{\mathrm{\α}}_{m,i}^2},(b=1,...,N_b),$ 表示用户m为第b个协作基站选择的码字在码本中对应的向量；A^H表示A的共轭转置；

(3)：计算用户下行传输的信干噪比为：

${\mathrm{SINR}}_m=\frac{S_m}{I_{\mathrm{MU},m}+{\mathrm{\σ}}_m^2}$

其中，表示用户接收信号中的加性噪声和簇外干扰的功率，将步骤(1)和步骤(2)计算得到的S_m和I_MU,m带入本步骤中即得到下行传输的信干噪比；

(4)：用户根据通信系统使用的调制编码方式表格，将得到的信干噪比量化得到信道质量指示；

步骤二：基站端处理

各协作基站将本地用户反馈的信息通过骨干网传输至中心处理器，中心处理器主要负责统一处理各协作基站的数据，通过统一处理数据来实现协作基站间信号和干扰的协调，实现协作通信，中心处理器的具体的计算步骤如下：

(a)：中心处理器为调度用户计算所有可能的码字要求矩阵，该矩阵规定了调度用户为各个协作基站选择的码字情况，其中一个调度用户码字要求矩阵构造方式如下：

其中，G_m表示由码字组成的矩阵，c_i,j为码字，G_m构造特点是：G_m每一行的码字互不相同且在码本中对应的向量相互正交，G_m每一列的码字可以相同也可以不同，中心处理器需要计算出所有满足该构造特点的码字要求矩阵，符合该构造特点的G_m共有2^B表示码本中向量的个数，N_t表示每个协作基站的发射天线数，N_b表示协作基站数；

(b)：中心处理器为每一个G_m选择合适的调度用户，对于每一个G_m，中心处理器依次根据G_m每一列对码字的要求选择合适的用户，设满足G_m第i列对码字的要求的用户为u_i，则用户u_i为各协作基站选择的码字需要满足如下要求：

$c_{u_i,1}=c_{1,i},c_{u_i,2}=c_{2,i},...,c_{u_i,N_b}=c_{N_b,i}$

其中，表示用户u_i为第b个协作基站选择的码字；c_j，i，(j＝1，2，…，N_b)表示G_m的第j行第i列的码字；

当有多个用户的码字选择结果满足该码字要求时，中心处理器将根据这些用户的反馈的信道质量指示CQI，通过查找用于CQI量化的调制编码方式表得到它们的信干噪比SINR，并挑选信干噪比最大的用户作为合适的用户u_i，该用户的信干噪比记为当所有可选用户的码字选择结果都不满足该码字要求时，中心处理器将设置其中表示空集；

(c)：中心处理器根据每一个调度用户码字要求G_m挑选好用户后，计算挑选出来的用户下行传输的和数据率为

${\mathrm{Rate}}_m=\underset{i=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{u_i})$

(d)：中心处理器挑选使和数据率最大的码字要求矩阵G_m，之后将步骤(c)中为该G_m挑选的调度用户作为最终的调度用户；

(e)：中心处理器为步骤(d)中获得的每一个最终调度用户u_i计算全局预编码向量，当时，全局预编码向量按如下公式获得：

$w_{u_i}={[{\hat{g}}_{u_i,1}{\hat{h}}_{u_i,1}^H,...,{\hat{g}}_{u_i,N_b}{\hat{h}}_{u_i,N_b}^H]}^H$

其中，表示调度用户u_i的全局预编码向量； ${\hat{g}}_{u_i,b}={\mathrm{\α}}_{u_i,b}/\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{p=1}^{N_b}{\mathrm{\α}}_{u_i,p}^2},(b=1,...,N_b),$ 和分别表示第b个协作基站和第p个协作基站到用户u_i的单小区信道的大尺度衰落因子；为用户u_i为第b个协作基站选择的码字在码本中对应的向量；A^H表示A的共轭转置，当时，

基站端根据调度用户的全局预编码向量按如下公式获得基站的正交波束成形矩阵W：

$W=[w_{u_1},w_{u_2},...,w_{u_{N_t}}]$

其中，表示用户u_i的全局预编码向量；

(f)：基站端根据各调度用户反馈的信道质量指示(CQI)为各调度用户选择合适的调制编码方式，并在步骤(e)中的计算得到的全局预编码向量的方向上同时同频地为所有调度用户发送所需数据。