CN102916788A - 一种用于多小区协作通信中的自适应比特反馈方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多小区协作通信中的自适应比特反馈方法，用户通过训练信号的信道估计获得分簇内部所有基站到用户的下行信道信息后，首先计算所有下行信道的欧几里得范数，也即信道幅度信息，并将CQI反馈给基站控制器。基站控制器根据用户反馈的CQI确定用户的协作基站集合，并将该协作基站集的基站序列反馈给用户；用户根据反馈的基站序列号，计算需要参与协作的基站到用户的下行信道方向信息并将CDI反馈给基站控制器；基站控制器根据第一阶段反馈得到的CQI和第二阶段反馈得到的CDI进行下行波束赋形矢量的预编码设计。本发明在协作基站选择、提高用户吞吐量方面都取得了令人满意的效果，算法具有易于操作，复杂度低的特点。

Description

一种用于多小区协作通信中的自适应比特反馈方法

技术领域

本发明涉及一种适用于有限反馈的多小区协作系统下的自适应反馈比特划分方法，属于无线移动通信领域。

背景技术

协作多点传输(CoMP：Coordinated Multiple Points)技术可以有效地改善小区边缘用户的性能，然而，此技术的研究前提是基站需要获知反馈的信道状态信息(CSI：Channel State Information)。在实际系统中，反馈链路一般是速率受限的，因此，有限反馈方案成为CoMP系统中更实际更有应用价值的研究热点。

目前对CoMP系统中有限反馈技术的研究主要集中于用户调度和码本设计。

文献[1]″R Bhagavatula and R W.Heath，Sum-rate maximizing beamforming inmulticell systems with limited feedback，IEEE Asilomar Conference on Signals，Systems & Computers，2009″基于最小化由量化比特误差带来的和速率损失，提出了一种有用CSI和干扰CSI的自适应比特分配方案。

文献[2]″Zakhour，R.A Two-Stage Approach to Feedback Design in Multi-UserMIMO Channels with Limited Channel State Information，PIMRC 2007″提出了一种自适应两阶段反馈方案，第一阶段反馈用于调度用户的粗略信道信息，第二阶段反馈用于消除用户间干扰的精确信道信息。

文献[3]″D Li，etc.Multi-cell hybrid channel information feedback fordownlink multi-cell precoding，IEEE WCNC 2011″提出多小区非相干联合传输需要反馈每个小区的信道状态信息和小区间相关相位信息，多小区相干联合传输需要反馈每个小区信道状态信息和小区间相关幅度相位信息。

文献[4]″J.Hoydis，On the optimal number of cooperative base stations innetwork MIMO″针对上行多小区协作接收的情况，在扩展维纳模型下，得到了最优训练序列长度、最优协作基站数量以及最优子载波数量。

文献[5]″X.Chen，Z.Zhang，and H.Chen，On distributed antenna systems with1imited feedback precoding：opportunities and challenges，IEEE Trans.WirelessCommunication，pp.80-88，April 2010″在原有Grassmann码本基础上加入大尺度衰落的影响，给出了有效抑制大尺度衰落的码本设计方案。

前人的这些研究都存在片面性，文献[1]只是从信号的干扰强度将反馈比特划分为有用CSI和干扰CSI，而并没有从信道幅度信息(CQI：Channel Qualify Information)和信道方向信息(CDI：Channel Direction Information)对提高性能的贡献程度来进一步进行比特划分；文献[2]则针对此缺陷，给出了单小区多用户场景下的两阶段比特划分，此方案用于用户调度和用户间干扰消除，与CoMP场景不一致；文献[3]针对CoMP相干传输和非相干传输两种场景，提出了是否需要反馈CQI和CDI，但没有指出CQI和CDI的具体反馈比例；文献[4]与有限反馈不相干，但指出了如何确定最佳协作基站数目，是本发明的研究前提之一；文献[5]则是提出本发明的导火索，它提出了有限反馈下考虑大尺度衰落的码本设计，该码本需要根据用户移动而周期性地改变，代价比较大。

本发明针对[5]中提到码本设计的复杂度，提出了多小区协作通信下的自适应比特反馈方案，该方案除了能够准确地选择协作基站集以区分有用CSI和干扰CSI，还能够基于少数几个固定的码本反馈信道信息，使得基站控制器能够得到最有效的信道状态信息，完成下行信号的协作传输。

发明内容

本发明针对多小区协作通信系统中的有限反馈传输，提出一种简单可行的自适应分段比特划分的有限反馈方法，该方法能够有效提高系统的平均吞吐量，解决了在多小区协作通信系统中，如何在有限反馈条件下将考虑大尺度衰落的信道状态信息有效地反馈给基站控制器，使得系统的复杂度降低。

本发明采用的技术方案为：一种用于多小区协作通信中的自适应比特反馈方法，基站控制器利用第一个阶段的反馈信道信息进行选择用户的协作基站集合，利用第二个阶段的反馈信道信息进行协作预编码矩阵设计。

用户通过训练信号的信道估计获得分簇内部所有基站到用户的下行信道信息后，首先计算所有下行信道的欧几里得范数，也即信道幅度信息，并将CQI反馈给基站控制器。基站控制器根据用户反馈的CQI确定用户的协作基站集合，并将该协作基站集的基站序列反馈给用户；用户根据反馈的基站序列号，计算需要参与协作的基站到用户的下行信道方向信息并将CDI反馈给基站控制器；基站控制器根据第一阶段反馈得到的CQI和第二阶段反馈得到的CDI进行下行波束赋形矢量的预编码设计。

对于某一具体用户，该方法的实现步骤为：

第一步：用户根据信道估计获得所有基站到自身的下行信道信息；

第二步：用户根据接收信号功率强度RSSI大致估计用户与主服务基站之间的距离，根据自适应分段比特方案，由该距离找到合适的比特划分比例，得到第一阶段和第二阶段可供反馈信息的比特长度；

第三步：计算所有基站下行信道的欧几里得范数，得到信道幅度信息CQI，并根据第二步得到的比特长度对CQI信息进行量化，将量化后的CQI反馈给基站控制器，除此之外，并将用户到主服务基站的距离也一起反馈给基站控制器；

第四步：基站控制器首先根据用户与主服务基站之间的距离确定用户的协作基站集合的大小，也即有几个基站参与协作；然后根据反馈的CQI信息确定用户的协作基站集合元素，也即选择具体是哪几个基站参与协作；并将此次协作基站集的选择结果再次返回给用户；

第五步：用户确认参与协作的基站后，计算此类基站下行信道的信道方向向量CDI，并根据已经设计好的随机矢量码本和第二阶段可供反馈的比特长度来确定反馈的信道方向信息CDI；

第六步：基站控制器根据第一阶段反馈得到的CQI和第二阶段反馈得到的CDI进行下行波束赋形矢量的预编码设计，完成下行数据信息的协作发送。

下面对上述六个步骤进行详细解释：

第一步：

假设用户能够进行完美的信道估计，并能够将信道状态信息无误差无延时地反馈给基站控制器。

第二步：

估计用户到主服务基站的距离是一种粗糙的估计，假设用户接收到来自主服务基站的RSSI记为P_γ，则

P_γ≈P_t×γ^-α/2

其中α为路径损耗因子，P_t为基站的发送功率为，γ为用户到主服务基站的距离。得到γ后，要获得合适的比特划分因子，就需要制定合理的自适应分段比特方案。

自适应分段比特划分方案根据理论分析，给出了用户所处位置γ与CQI信息和CDI信息的比特划分因子λ：(1-λ)之间的函数关系式；其具体步骤包括：

①定义有效的总反馈比特数为B_total，包括CDI反馈比特数B_CDI＝(1-λ)·B_total和CQI反馈比特数B_CQI＝λ·B_total；

②采用率失真理论中的高斯均方误差模型对量化造成的失真进行建模，则两个阶段的失真分别为

${\mathrm{\σ}}_{e1}^2=2^{^}(-\frac{{\mathrm{\λB}}_{\mathrm{total}}}{M_c\×N_t})$ ${\mathrm{\σ}}_{e2}^2=2^{^}(-\frac{B_{\mathrm{total}}}{N_t}\×(\frac{\mathrm{\λ}}{M_c}+\frac{1-\mathrm{\λ}}{N_t}))$

其中M_c是协作基站数，与用户位置γ有关；N_t是基站配置的天线数，假设用户处只配有一根天线。

③根据最大化用户吞吐量近似等价于最大化多小区协作发送功率，也即等价于最小化发送功率损失因子，得到的模型为

$\mathrm{\λ}=\underset{\mathrm{\λ}}{\arg \min }\{\frac{1-{\mathrm{\σ}}_{e1}^2}{1+{\mathrm{P\σ}}_{e2}^2}+\frac{{\mathrm{\σ}}_{e1}^2-{\mathrm{\σ}}_{e2}^2}{M_c(1+{\mathrm{P\σ}}_{e2}^2)}\}$

④对上式中的目标函数求导，即可以得到比特划分因子λ与用户位置γ的表达式。第三步：

①下行信道的CQI计算公式为

$\left|\right|h_m\left|\right|=h_m{h}_m^{H}m=1,\·\·\·,M$

其中h_m为第m个基站到用户的下行信道矢量；

②计算得到||h_m||的量化比特为B_CQI/M，根据下行信道CQI的最大值设定B_CQI/M个量化级，并对||h_m||，m＝1，…，M进行量化得到q_m，m＝1，…，M，转换为二进制序列传送给基站控制器。

第四步：

该步骤中需要预先知道用户位置与协作基站集合的大小的关系图，下面给出大致步骤：

①假定用户通过就近原则选择协作基站；

②计算用户处于γ处的非协作容量

以及采用M_c个协作基站的协作容量

则得到协作发送带来的性能增益 $G,(\mathrm{\γ},M_c)={\stackrel{\‾}{C}}^C/{\stackrel{\‾}{C}}^{\mathrm{NC}}\left(\mathrm{\γ}\right);$

③采用与协作基站数目M_c相关的惩罚函数f(M_c)，若协作容量相对于协作复杂度仍然能够带来一定的增益τ，则该M_c大小就是合理的；因此，令

G(γ，M_c)/f(M_c)＝τ

简化即可得到用户位置γ与协作基站数目M_c的关系。

在得到协作基站数目M_c的基础之上，根据q_m，m＝1，…，M确定用户的协作基站集合元素的方法是将q_m按降序排序，选择前面M_c个基站作为协作基站，并令该M_c个基站所在的比特位为1，其余不协作基站所在的比特位为0，将这M个比特反馈给用户。

第五步：

①用户根据第二步中的B_CDI计算可供反馈的信道方向信息比特数为B_CDI/M_c，根据B_CDI/M_c从已经设定的几种不同大小的码本中选择一个合适码本，即

$N=\max \left\{N_{\mathrm{codebook}}\right|N_{\mathrm{codebook}}\≤2^{B_{\mathrm{CDI}}{M}_c}\}$

特别注意的是，本方案的码本可以通过随机矢量量化构造，也可以通过最小弦距离的计算机迭代方法构造。与以往不同的是，由于用户位置不同，信道方向反馈比特数目也不同，为了降低信道信息的失真程度，本方案需要存储的码本不止一种，用户根据需要具体选择合适的码本。虽然该方案会带来存储量的微量增加，但与文献[5]中周期性地重新设计码本相比，该方案的复杂度微乎其微。

②计算协作基站的信道方向向量并基于选择的码本，取与

内积的绝对值最大的码字为量化结果并将码字的序号反馈给基站控制器。

第六步：

①计算协作基站到用户的下行信道状态信息为

②根据迫零波束赋形计算预编码矩阵，完成下行数据信息的协作发送。

有益效果：

与现有技术相比，本发明提出的自适应比特划分方法步骤简单明了，易于实现，并且通过分阶段反馈，对CoMP技术中的协作集选择和预编码设计都有一定的辅助功能。一方面，通过CQI反馈信息选择协作基站以便区分有用CSI和干扰CSI，相对于随机选择方案或者就近选择方案都带来了系统吞吐量性能的提高。另一方面，考虑到多小区协作下大尺度衰落矩阵不是单位阵，需要周期性地设计码本，本发明通过将CQI和CDI分阶段反馈解决了该问题，该分段反馈可以通过原有的码本设计方法来实现。这种自适应的两阶段反馈方案相对于单纯反馈信道幅度信息和单纯反馈信道方向信息，系统吞吐量得到了显著提高，并降低了系统复杂度。

附图说明

图1为自适应分段反馈的信令流程图；

图2为协作基站数目与用户所在位置的关系图；

图3为自适应分段反馈比特划分方案的流程图；

图4为确定用户位置与协作基站数目方案的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

1.方案实施典型场景举例：

本发明可应用于蜂窝移动通信系统中双层小区的下行链路中，基站配置多根天线，用户配置单根天线。将本发明嵌入基站控制器和用户设备的软件模块中，其反馈信令流程如图1所示，图中包括发送下行导频序列1、反馈信道幅度信息2、返还协作基站集合3、反馈信道方向信息4和发送下行数据信息5；用户根据自适应分段比特方案得到用户位置与比特划分因子之间的关系式，如图2所示；并将CQI量化后反馈给基站控制器；基站控制器根据图3确定用户的协作基站集合的大小，此关系图的算法设计步骤如图4；用户基于此，选择一个合适码本并反馈协作基站的CDI；基站控制器计算预编码矩阵，完成下行数据的协作发送。

2.本技术方案所应用设备

本发明的算法用于基站控制器和用户设备中。

3.实施步骤：

a)电路设计

对基站控制器和用户分别进行电路设计，本方案是相应设备功能模块中的一个。

b)算法编程

该方案是一个信令交互过程，因此有许多中间的输入与输出信息。

-输入：有限反馈比特的总长度，用户移动轨迹。

-中间流程：根据具体技术方案中的流程编写。

-输出：反馈比特划分的比例，信道幅度信息，信道方向信息。

c)硬件语言描述

将之前的编好的软件(如C语言)用硬件语言(如VHDL语言)描述，转化为机器语言。

d)算法固化

将该模块同其他基站功能模块固化于基站硬件之上。

e)设备芯片批量生产

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。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种用于多小区协作通信中的自适应比特反馈方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：用户根据信道估计获得所有基站到自身的下行信道信息；

第二步：用户根据接收信号功率强度RSSI大致估计用户与主服务基站之间的距离，根据自适应分段比特方案，由该距离找到合适的比特划分比例，得到第一阶段和第二阶段可供反馈信息的比特长度；

第三步：计算所有基站下行信道的欧几里得范数，得到信道幅度信息CQI，并根据第二步得到的比特长度对CQI信息进行量化，将量化后的CQI反馈给基站控制器，除此之外，并将用户到主服务基站的距离也一起反馈给基站控制器；

第四步：基站控制器首先根据用户与主服务基站之间的距离确定用户的协作基站集合的大小，也即有几个基站参与协作；然后根据反馈的CQI信息确定用户的协作基站集合元素，也即选择具体是哪几个基站参与协作；并将此次协作基站集的选择结果再次返回给用户；

第五步：用户确认参与协作的基站后，计算此类基站下行信道的信道方向向量CDI，并根据已经设计好的随机矢量码本和第二阶段可供反馈的比特长度来确定反馈的信道方向信息CDI；

第六步：基站控制器根据第一阶段反馈得到的CQI和第二阶段反馈得到的CDI进行下行波束赋形矢量的预编码设计，完成下行数据信息的协作发送。

2.根据权利要求1所述的一种用于多小区协作通信中的自适应比特反馈方法，其特征在于：所述的第二步中建立起最大化用户吞吐量的模型，并借助于失真函数近似等价为最小化发送功率损失模型，得到与用户位置有关的最佳自适应比特划分因子。

3.根据权利要求1所述的一种用于多小区协作通信中的自适应比特反馈方法，其特征在于：所述的第四步中定义了与协作基站数目有关的性能增益函数和惩罚函数，通过两者的比较，建立了用户位置与协作基站集合的大小的关系图。

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