CN103152140B - 一种基于直积码书的三维多用户mimo有限反馈方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于直积码书的三维多用户MIMO有限反馈方法，基站采用均匀平板天线阵列，同时调度两个用户，有限反馈采用的码书是基于直积的三维多用户MIMO码书，根据码书中各码字对应的基本波束成形方向图对码书从垂直和水平两个方向进行分组，用户在码书分组的基础上计算最优预编码矩阵指示、最优干扰群指示和信道质量指示，并通过反馈信道反馈给基站，以完成用户配对和调度。本发明可以充分利用三维空间的垂直维度，适用于多用户MIMO系统，可以有效提高系统的吞吐量和频谱利用率。

Description

一种基于直积码书的三维多用户MIMO有限反馈方法

技术领域

本发明涉及一种三维场景下的多用户多天线发送和多天线接收（多用户MIMO）系统的有限反馈方法。

背景技术

MIMO技术充分挖掘空间无线资源，可以有效提高系统的频谱利用率和功率效率。如果多个并行数据流同时发送给共享相同时频资源的多个UE终端，则称为多用户MIMO，此时可以通过多用户分集进一步提高系统性能，是LTE-A及后续研究的重点。多用户MIMO系统中限制系统性能提高的一个重要因素是多用户干扰，若基站知道准确的信道状态信息（CSI），则可以通过一定的预处理过程（如预编码、波束成形等）预先消除多用户间的干扰。对于频分双工（FDD）系统，瞬时或短时的CSI只能通过UE反馈得到，但是由于实际系统中的反馈链路频谱资源总是有限的，因此对有限反馈技术的研究变得尤为重要，特别是对码书的设计和CSI反馈策略的研究。

目前，对有限反馈技术的研究大多数是在二维平面内进行的，如果基站采用均匀平板天线阵列（UPA），则不仅可以在水平的二维平面内进行波束赋形，同时可以在垂直维度进行波束赋形，此时，波束的指向性将更加明确，寻找相互干扰较小，基站可以同时调度的多个用户的难度将降低，有利于进一步提高系统的频谱利用率和吞吐量。由于针对二维场景的多用户MIMO设计的有限反馈技术在三维场景下不能提供最优的性能，因此针对三维场景的多用户MIMO系统设计新的有限反馈技术变得十分重要，特别是三维多用户MIMO码书和CSI有限反馈策略的设计。

发明内容

发明目的：本发明针对基站采用UPA天线的三维多用户MIMO系统，提出了一种基于直积码书的有限反馈方法，其中，三维多用户MIMO码书中的码字是通过将两个分别取自垂直DFT码书和水平DFT码书的码字进行直积运算得到的，并根据各个码字对应的基本波束成形方向图从垂直和水平两个方向进行码书分组，基站根据用户反馈的最优预编码矩阵指示（PMI）、最优干扰群指示（CI）和信道质量指示（CQI）进行用户配对与调度。本发明充分利用了空间垂直维度，产生了在三维空间内具有明确指向性的波束，适用于三维多用户MIMO场景，有利于提高系统的频谱利用率和吞吐量性能。

技术方案：一种基于直积码书的三维多用户MIMO有限反馈方法，基站采用均匀平板天线阵列，同时调度两个用户，有限反馈采用的码书是基于直积的三维多用户MIMO码书，根据码书中各码字对应的基本波束成形方向图对码字从垂直和水平两个方向进行分组，用户在码书分组基础上计算最优预编码矩阵指示（PMI）、最优干扰群指示（CI）和信道质量指示（CQI），并通过反馈信道反馈给基站，以完成用户配对和调度，包括如下步骤：

步骤一、利用垂直方向和水平方向两个过采样DFT码书的直积设计三维多用户MIMO码书，并根据码书中各个码字对应的基本波束成形方向图从垂直和水平两个方向对码书进行分组；

步骤二、用户根据码书分组情况和信道估计结果计算最优预编码矩阵指示（PMI）、最优干扰群指示（CI）和信道质量指示（CQI），并通过反馈信道反馈给基站；

步骤三、基站根据用户反馈量PMI、CI和CQI完成用户配对和调度，并根据被调度用户的PMI确定预编码矩阵。

优选的，步骤一中，基于直积的三维多用户MIMO码书中的码字是通过将两个分别取自垂直DFT码书和水平DFT码书的码字进行直积运算得到的。若基站采用垂直方向和水平方向的阵元数分别为和的均匀平板天线阵列，则最终设计的码书 $C=\{c_0,c_1,...,c_{N_v\×N_h-1}\}$ 可表示为：

$c_{N_{h}m+n}=c_m^{\left(v\right)}\⊗c_n^{\left(h\right)}m=0,...,N_v-1n=0,...,N_h-1$

$c_m^{\left(v\right)}=\frac{1}{\sqrt{N_t^{\left(v\right)}}}{\left[\begin{array}{cccc}1& e^{j2\mathrm{\πm}/{\mathrm{\βN}}_v}& ...& e^{j2\mathrm{\π}(N_t^{\left(v\right)}-1)m/{\mathrm{\βN}}_v}\end{array}\right]}^T$

$c_n^{\left(h\right)}=\frac{1}{\sqrt{N_t^{\left(h\right)}}}{\left[\begin{array}{cccc}1& e^{j2\mathrm{\πn}/N_h}& ...& e^{j2\mathrm{\π}(N_t^{\left(h\right)}-1)n/N_h}\end{array}\right]}^T$

其中，表示直积运算，N_v和N_h分别表示垂直码书和水平码书中码字的个数，由于垂直方向的角度范围有限，垂直码书仅是过采样因子为的-DFT码书的一个子集，通过β因子（大于等于2的整数）进行子集大小的调整，为垂直码书中的第m个码字向量，而水平方向采用过采样因子为的-DFT码书，为水平码书中的第n个码字向量。

优选的，步骤一中，基于直积的三维多用户MIMO码书的分组方法如下：根据基于直积的三维多用户MIMO码书中各个码字对应的基本波束成形方向图的分布情况，对码书从垂直和水平两个方向进行平均分组。若将总的码书分为M_h×M_v组，水平方向分成M_h组，垂直方向分成M_v组，则码书分组情况可表示为：

$C_p^{\left(v\right)}=\{c_{\frac{N_v}{M_v}p}^{\left(v\right)},c_{\frac{N_v}{M_v}p+1}^{\left(v\right)},...,c_{\frac{N_v}{M_v}p+\frac{N_v}{M_v}-1}^{\left(v\right)}\}p=\mathrm{0,1},...,M_v-1$

$C_q^{\left(h\right)}=\{c_{\frac{N_h}{M_h}q}^{\left(h\right)},c_{\frac{N_h}{M_h}q+1}^{\left(h\right)},...,c_{\frac{N_h}{M_h}q+\frac{N_h}{M_h}-1}^{\left(h\right)}\}q=\mathrm{0,1},...,M_h-1$

$C_{M_{v}p+q}=\{c_i^{\left(v\right)}\⊗c_j^{\left(h\right)}\}{c}_i^{\left(v\right)}\∈C_p^{\left(v\right)},c_j^{\left(h\right)}\∈C_q^{\left(h\right)}$

其中，表示垂直方向的第p组码书，表示水平方向的第q组码书，C_k表示最终的k组码书。

优选的，步骤二中，用户i根据信道估计得到的瞬时信道矩阵h_i计算其最优预编码矩阵指示（PMI_i），最优干扰群指示（CI_j），并保守估计信道质量指示（CQI_i）。

优选的，步骤三中，基站根据用户反馈的CQI确定首选用户，并根据PMI、CI确定首选用户的配对用户，最后根据调度用户的PMI确定预编码矩阵完成预编码过程，进行数据传输。

有益效果：本发明实施例提供的基于直积码书的三维多用户MIMO有限反馈方法，具有如下优点：

1、本方法的码书设计基于直积运算，适用于发射天线采用均匀平板天线阵列的多天线系统；

2、本方法的码书是基于各个码字对应的基本波束成形方向图从垂直和水平两个方向进行分组的，有利于构建符合三维多用户MIMO系统特点的码书分组方案，有效降低了反馈开销；

3、本方法充分利用空间垂直维度，有利于提高系统频谱利用率和吞吐量性能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于直积码书的三维多用户MIMO有限反馈方法的传输示意图；

图2为本发明实施例提供的基于直积码书的三维多用户MIMO有限反馈方法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，基于直积码书的三维多用户MIMO有限反馈方法，基站采用均匀平板天线阵列，同时调度两个用户，有限反馈采用的码书是基于直积的三维多用户MIMO码书，根据码书中各码字对应的基本波束成形方向图对码书从垂直和水平两个方向进行分组，用户在码书分组基础上计算最优预编码矩阵指示（PMI）、最优干扰群指示（CI）和信道质量指示（CQI），并通过反馈信道反馈给基站，以完成用户配对和调度，包括如下步骤：

步骤一、利用垂直方向和水平方向两个过采样DFT码书的直积设计三维多用户MIMO码书，并根据码书中各个码字对应的基本波束成形方向图从垂直和水平两个方向对码书进行分组；

步骤二、用户根据码书分组情况和信道估计结果计算最优预编码矩阵指示（PMI）、最优干扰群指示（CI）和信道质量指示（CQI），并通过反馈信道反馈给基站；

步骤三、基站根据用户反馈量PMI、CI和CQI完成用户配对和调度，并根据被调度用户的PMI确定预编码矩阵。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面举实施例并参照附图对基于直积码书的三维多用户MIMO有限反馈方法进行详细的描述。

一、三维多用户MIMO码书的设计

若基站采用垂直方向和水平方向的阵元数分别为和的均匀平板天线阵列，则基于直积的三维多用户MIMO码书中的码字可以通过将两个分别取自垂直DFT码书和水平DFT码书的码字进行直积运算得到的，如图2的步骤1所示。最终设计的码书 $C=\{c_0,c_1,...,c_{N_v\×N_h-1}\}$ 可表示为：

$c_{N_{h}m+n}=c_m^{\left(v\right)}\⊗c_n^{\left(h\right)}m=0,...,N_v-1n=0,...,N_h-1$

$c_m^{\left(v\right)}=\frac{1}{\sqrt{N_t^{\left(v\right)}}}{\left[\begin{array}{cccc}1& e^{j2\mathrm{\πm}/{\mathrm{\βN}}_v}& ...& e^{j2\mathrm{\π}(N_t^{\left(v\right)}-1)m/{\mathrm{\βN}}_v}\end{array}\right]}^T$

$c_n^{\left(h\right)}=\frac{1}{\sqrt{N_t^{\left(h\right)}}}{\left[\begin{array}{cccc}1& e^{j2\mathrm{\πn}/N_h}& ...& e^{j2\mathrm{\π}(N_t^{\left(h\right)}-1)n/N_h}\end{array}\right]}^T$

其中，表示直积运算，N_v和N_h分别表示垂直码书和水平码书中码字的个数，由于垂直方向的角度范围有限，垂直码书仅是过采样因子为的码书的一个子集，通过β因子（大于等于2的整数）进行子集大小的调整，为垂直码书中的第m个码字向量，而水平方向采用过采样因子为的码书，为水平码书中的第n个码字向量。

二、码书分组

为了降低反馈量，需要对码书进行分组，如图2的步骤2所示。根据基于直积的三维多用户MIMO码书中各个码字对应的基本波束成形方向图的分布情况，对码书从垂直和水平两个方向进行直观的分组。若将总的码书分为M_h×M_v组，水平方向分成M_h组，垂直方向分成M_v组，则码书分组情况可表示为：

$C_p^{\left(v\right)}=\{c_{\frac{N_v}{M_v}p}^{\left(v\right)},c_{\frac{N_v}{M_v}p+1}^{\left(v\right)},...,c_{\frac{N_v}{M_v}p+\frac{N_v}{M_v}-1}^{\left(v\right)}\}p=\mathrm{0,1},...,M_v-1$

$C_q^{\left(h\right)}=\{c_{\frac{N_h}{M_h}q}^{\left(h\right)},c_{\frac{N_h}{M_h}q+1}^{\left(h\right)},...,c_{\frac{N_h}{M_h}q+\frac{N_h}{M_h}-1}^{\left(h\right)}\}q=\mathrm{0,1},...,M_h-1$

$C_{M_{v}p+q}=\{c_i^{\left(v\right)}\⊗c_j^{\left(h\right)}\}{c}_i^{\left(v\right)}\∈C_p^{\left(v\right)},c_j^{\left(h\right)}\∈C_q^{\left(h\right)}$

其中，表示垂直方向的第p组码书，表示水平方向的第q组码书，C_k表示最终的k组码书。

三、CSI有限反馈

（1）反馈量的计算

为了在基站端完成用户调度和预编码，每个用户需要返回各自的CSI，包括：最优预编码矩阵指示PMI，最优干扰群指示CI和信道质量指示CQI，如图2的步骤3所示。若第i个用户由信道估计得到的信道矩阵记作h_i，则其反馈量(PMI_i,CI_j)和CQI_i可表示为：

${\mathrm{PMI}}_i=\underset{m=0,...,N_v{N}_h-1}{\arg \max }\left|h_i{c}_m\right|c_{{\mathrm{PMI}}_i}\∈C_{{\mathrm{CI}}_i}$

${\mathrm{PMI}}_j=\underset{m\∈\{0,...,N_v{N}_h-1\}\backslash {\mathrm{\Ω}}_{{\mathrm{CI}}_i}}{\arg \min }\left|h_i{c}_m\right|c_{{\mathrm{PMI}}_i}\∈C_{{\mathrm{CI}}_j}$

${\mathrm{CQI}}_i=\underset{l\∈{\mathrm{\Ω}}_{{\mathrm{CI}}_j}}{\min }\left\{\frac{{\left|h_i{c}_{{\mathrm{PMI}}_i}\right|}^2}{{\mathrm{\σ}}_n^2+{\left|h_i{c}_l\right|}^2}\right\}$

其中，Ω_k是k组码书中码字指示组成的集合。各用户计算得到相应反馈量后，将这些反馈量通过反馈信道传输给基站。

（2）用户配对与调度

基站收到所有用户反馈的PMI、CI和CQI后，根据反馈量进行用户配对与调度，如图2的步骤4所示。基站收到所有用户反馈的(PMI_i,CI_j)，就可以确定用户i的最优群和最优干扰群指示对(CI_i,CI_j)，如果将最优群和最优干扰群指示对分别为(CI_i,CI_j)和(CI_j,CI_i)的用户称作配对用户，则基站的用户调度过程如下：

Step1：确定一个首选用户（CQI_i最大）；

Step2：搜索首选用户的配对用户；

Step3：如果配对成功，则在其配对用户中选择CQI_i最大的用户一起传输，如果配对不成功，则任意选择一个用户和首选用户一起传输。

确定调度用户后，根据调度用户的PMI，在本发明设计的基于直积的三维多用户MIMO码书中确定预编码矩阵，如图2的步骤5所示。

Claims (5)

1.一种基于直积码书的三维多用户MIMO有限反馈方法，其特征在于，基站采用均匀平板天线阵列，同时调度两个用户，有限反馈采用的码书是基于直积的三维多用户MIMO码书，根据码书中各码字对应的基本波束成形方向图对码书从垂直和水平两个方向进行分组，用户在码书分组基础上计算最优预编码矩阵指示PMI、最优干扰群指示CI和信道质量指示CQI，并通过反馈信道反馈给基站，以完成用户配对和调度，包括如下步骤：

步骤一、利用垂直方向和水平方向两个过采样DFT码书的直积设计三维多用户MIMO码书，并根据码书中各个码字对应的基本波束成形方向图从垂直和水平两个方向对码书进行分组；

步骤二、用户根据码书分组情况和信道估计的结果计算最优预编码矩阵指示、最优干扰群指示和信道质量指示，并通过反馈信道反馈给基站；

步骤三、基站根据用户反馈量最优预编码矩阵指示、最优干扰群指示和信道质量指示完成用户配对和调度，并根据被调度用户的PMI确定预编码矩阵。

2.根据权利要求1所述的基于直积码书的三维多用户MIMO有限反馈方法，其特征在于：步骤一中，基于直积的三维多用户MIMO码书中的码字是通过将两个分别取自垂直DFT码书和水平DFT码书的码字进行直积运算得到的；若基站采用垂直方向和水平方向的阵元数分别为和的均匀平板天线阵列，则最终设计的码书可表示为：

$c_{N_{h}m+n}=c_m^{\left(v\right)}\⊗c_n^{\left(h\right)},m=0,...,N_v-1,n=0,...,N_h-1$

$c_m^{\left(v\right)}=\frac{1}{\sqrt{N_t^{\left(v\right)}}}{\left[\begin{array}{cccc}1& e^{j2\mathrm{\π}m/{\mathrm{\βN}}_v}& ...& e^{j2\mathrm{\π}(N_t^{\left(v\right)}-1)m/{\mathrm{\βN}}_v}\end{array}\right]}^T$

$c_n^{\left(h\right)}=\frac{1}{\sqrt{N_t^{\left(h\right)}}}{\left[\begin{array}{cccc}1& e^{j2\mathrm{\π}n/N_h}& ...& e^{j2\mathrm{\π}(N_t^{\left(h\right)}-1)n/N_h}\end{array}\right]}^T$

其中，表示直积运算，N_v和N_h分别表示垂直码书和水平码书中码字的个数，由于垂直方向的角度范围有限，垂直码书仅是过采样因子为的码书的一个子集，通过β因子进行子集大小的调整，为垂直码书中的第m个码字向量，而水平方向采用过采样因子为的码书，为水平码书中的第n个码字向量。

3.根据权利要求1所述的基于直积码书的三维多用户MIMO有限反馈方法，其特征在于：步骤一中，基于直积的三维多用户MIMO码书的分组方法如下：根据基于直积的三维多用户MIMO码书中各个码字对应的基本波束成形方向图的分布情况，对码书从垂直和水平两个方向进行平均分组；若将总的码书分为M_h×M_v组，水平方向分成M_h组，垂直方向分成M_v组，则码书分组情况可表示为：

$C_p^{\left(v\right)}=\{c_{\frac{N_v}{M_v}p}^{\left(v\right)},,c_{\frac{N_v}{M_v}p+1}^{\left(v\right)},...,c_{\frac{N_v}{M_v}p+\frac{N_v}{M_v}-1}^{\left(v\right)}\},p=0,1,...,M_v-1$

$C_q^{\left(h\right)}=\{c_{\frac{N_h}{M_h}q}^{\left(h\right)},c_{\frac{N_h}{M_h}q+1}^{\left(h\right)},...,c_{\frac{N_h}{M_h}q+\frac{N_h}{M_h}-1}^{\left(h\right)}\},q=0,1,...,M_h-1$

$\begin{array}{cc}{C}_{M_{v}p+q}=\{c_i^{\left(v\right)}\⊗c_j^{\left(h\right)}\}& c_i^{\left(v\right)}\∈C_p^{\left(v\right)},c_j^{\left(h\right)}\∈C_q^{\left(h\right)}\end{array}$

其中，表示垂直方向的第p组码书，表示水平方向的第q组码书，C_k表示最终的第k组码书，N_v和N_h分别表示垂直码书和水平码书中码字的个数。

4.根据权利要求1所述的基于直积码书的三维多用户MIMO有限反馈方法，其特征在于，所述步骤二中，用户i根据信道估计得到的瞬时信道矩阵h_i计算其最优预编码矩阵指示PMI_i，最优干扰群指示CI_j，并保守估计信道质量指示CQI_i。

5.根据权利要求1所述的基于直积码书的三维多用户MIMO有限反馈方法，其特征在于，所述步骤三中，基站根据用户反馈的CQI确定首选用户，并根据PMI、CI确定首选用户的配对用户，最后根据调度用户的PMI确定预编码矩阵完成预编码过程，进行数据传输。