CN103973350A - 一种多用户传输模式的多用户配对方法 - Google Patents

Abstract

一种多用户传输模式的多用户配对方法，所述方法包括：将码本分为至少一个子集，在子集中确定与主用户的PMI对应的PMI陪同子集；在与主用户的PMI对应的PMI陪同子集中，根据主用户的PMI和信道质量指示CQI，确定主用户和有最佳配对PMI的用户在多用户MU-MIMO传输模式下配对时，对应的最小多用户信道质量指示误差；主用户向基站反馈下行信道状态信息，所述下行信道状态信息包括主用户的PMI、主用户的CQI和所述最小多用户信道质量指示误差；在该主用户的PMI陪同子集中，由PMI、CQI和最小多用户信道质量指示误差确定主用户的配对用户。应用本发明实施例后，降低用户端的反馈信令开销，从而提升了系统和用户的平均吞吐量。

Description

一种多用户传输模式的多用户配对方法

技术领域

本申请涉及通信技术领域，更具体地，涉及一种多用户传输模式的多用户配对方法。

背景技术

多入多出（MIMO）技术分为单用户（SU-MIMO）传输模式和多用户(MU-MIMO)传输模式。在SU-MIMO传输中，基站将相同时频资源上的多个数据流发送给相同的用户。而在MU-MIMO传输中，基站将相同时频资源上的多个数据流发送给不同的用户，通过同时为多个用户传输数据以提高系统容量。

在MU-MIMO的实际应用中，根据一定的准则挑选适当的用户复用在相同的物理资源即为配对算法，这是MU-MIMO最基础和重要的部分，将影响MU-MIMO系统的性能，而且不同的MU-MIMO算法配对准则也有不同的方法。

在MU-MIMO用户配对的实际操作当中，基站需要通过对配对用户进行预编码或将预编码和配对算法这二者结合起来使得配对用户之间的信道干扰最小。在频分双工/时分双工（FDD/TDD）系统中，需要基站通过上行链路接受反馈以获得用于传输的信道信息来进行预编码操作及其调整。

预编码是在发射端利用信道状态信息对发送符号进行预处理以达到消除干扰，以此来达到提高系统容量目的。预编码技术主要分为两大类：基于非码本的预编码（non-codebook based precoding）和基于码本的预编码（codebook based precoding）。

在非码本的预编码方式中，预编码矩阵在发射端获得。发射端利用预测的信道状态信息，计算预编码矩阵。常见的预编码矩阵计算方法有奇异值分解（SVD）、均匀信道分解（UCD）等。

在基于码本的预编码方式中，预编码矩阵在接收端获得。接收端利用预测的信道状态信息，在预定的预编码矩阵码本中选取预编码矩阵，并将选定的预编码矩阵的序号反馈至发射端，码本对于用户终端和基站而言是相同的。UE通过向BS反馈预编码矩阵指示（PMI）通知该用户所使用的预编码矩阵。

在采用基于码本的预编码技术的MIMO传输中，PMI可以包括在下行信道反馈信息当中。该下行信道反馈信息是由用户通过上行信道向基站反馈的，用于反映下行信道状态的信息。

在LTE SU-MIMO的下行信道反馈中，主用户向基站反馈的下行信道反馈信息可以包括:用于指示预编码矩阵的PMI;用于基站选择传输数据的调制编码方式的反馈信道质量指示（CQI）。主用户即相基站反馈下行信道反馈信息的用户。

然而在MU-MIMO传输的场景下，由于相同资源上配对用户带来的干扰，SU-MIMO场景下的反馈CQI不再能够准确反馈用户在多用户传输场景下的下行信道状态，基站由此来选择传输数据的调制编码方式也随之变得不再合理。然而用户端在进行下行信道反馈的时候，并不知道自身处于SU-MIMO和MU-MIMO的哪种传输模式下。因此，除了SU-MIMO模式下的反馈信息PMI和SU-CQI的反馈之外，还应当增加反映MU-CQI的附加反馈。

在现有技术中提出，可以反馈一个最佳陪同PMI及与之相对应的MU-CQI来进行配对用户的调度。例如：将码本分成多个子集，每个SU-MIMO PMI与其中一个子集有关，这种子集称为陪同子集（companion subset）。对于一个给定的SU-MIMO PMI，最佳的MU-MIMO配对PMI将会从它的陪同子集（companion subset）中选出。这直接减少了配对PMI反馈的负荷。

对于给定SU-MIMO PMI的陪同子集定义是，所有相关陪同子集中的码本是正交的。

使用Rel-84天线rank-1码本为例，码本中的16个码字可以被分成以下4个子集：

CB₀＝{W₀，W₁,W₂,W₃}

,

CB₁＝{W₄,W₅,W₆,W₇}

,

CB₂＝{W₈,W₉,W₁₀,W₁₁}

CB₃＝{W₁₂,W₁₃,W₁₄,W₁₅}

每个SU-MIMO PMI与其中的一个子集相关。例如，若主用户反馈的PMI=0，该PMI是与上面的子集CB0相关的，那么它的最佳配对PMI就是从CB0中选择的。而基于陪同子集，提出了以下两种选择：

（A）UE向基站报告陪同子集中最佳配对PMI和与之相对应的MU-CQI。

（B）UE向基站报告陪同子集中所有3个配对MU-CQIs而不需要配对PMI反馈。

对于（A）中最佳配对PMI和与之相对应的MU-CQI的计算和选择，包括如下的算法：

a）最佳配对PMI所满足的条件如下：

${\min }_{W_C\∈{\mathrm{CB}}_i}{\left|{\left(H^H{W}_{\mathrm{SU}}\right)}^H{H}^H{W}_C\right|}^2---\left(1\right)$

在公式（1）中，表示信道矩阵，是主用户PMI所指示的预编码码本矩阵，是陪同子集中的PMI所指示的预编码矩阵，使公式（1）取值最小化的W_C所对应的PMI即为最佳配对PMI。

b）当主用户UE和具有最佳配对PMI的UE在MU-MIMO调度模式下配对时，相对应的MU-MIMO SINR可以由用户端计算，假设以最大比合并（MRC）接收机为例：

${\mathrm{SINR}}_{\mathrm{MU}-\mathrm{MIMO}}=\frac{{\mathrm{SINR}}_{\mathrm{SU}-\mathrm{MIMO}}/2}{1+\frac{{\left|{\left(H^H{W}_{\mathrm{SU}}\right)}^H{H}^H{W}_C\right|}^2}{2{\left|\right|H^H{W}_{\mathrm{SU}}\left|\right|}^2{{\mathrm{\σ}}_n}^2}}---\left(2\right)$

在公式（2）中，σ_n ²为接收机噪声功率，除以2是因为总Tx功率限制以及每个UE均使用相同的Tx功率。是（1）中挑选出的最佳配对PMI所对应的预编码矩阵。MU-MIMO CQI可以从SINR_MU-MIMO得到，其映射准则与SU-MIMO场景类似。

但是，即使是在目前最优的MU-MIMO反馈方案中，仍然存在着一些问题：

（A1）UE向基站报告陪同子集中最佳配对PMI和与之相对应的MU-CQI。

缺点：虽然反馈负荷低，保证了用户配对的最优性，但由于只提供了一个最佳配对PMI，在可调度用户数量较少时，将导致配对用户选择范围过小，从而出现找不到具有该最佳配对PMI的用户，主用户以SU-MIMO的模式传输的后果。反馈的最佳配对PMI和MU-CQI并没有得到有效地利用，实际上反而浪费了资源。

（B1）UE向基站报告陪同子集中所有3个配对MU-CQIs而不需要配对PMI反馈。

缺点：虽然配对用户选择范围广，但反馈负荷相对较大。

发明内容

本发明实施例提出一种多用户传输模式的多用户配对方法，提高用户配对成功的效率，降低用户端的反馈信令开销，从而提升了系统和用户的平均吞吐量。

本发明实施例的技术方案如下：

一种多用户传输模式的多用户配对方法，所述方法包括：

将码本分为至少一个子集，每个子集中至少包括一个预编码矩阵指示PMI，在所述子集中确定主用户PMI对应的PMI陪同子集；

在与主用户的PMI对应的PMI陪同子集中，根据主用户的PMI和信道质量指示CQI，确定主用户和具有最佳配对PMI的用户在多用户MU-MIMO传输模式下配对时，对应的最小多用户信道质量指示误差；

主用户向基站反馈下行信道状态信息，所述下行信道状态信息包括主用户的PMI、主用户的CQI和所述最小多用户信道质量指示误差；

在该主用户的PMI陪同子集中，由主用户的PMI、主用户的CQI和最小多用户信道质量指示误差确定主用户的配对用户。

所述根据主用户的PMI和CQI，确定主用户和具有最佳配对PMI的用户在MU-MIMO传输模式下配对时，对应的最小多用户信道质量指示误差包括：

主用户根据自己的PMI和CQI，在主用户的PMI陪同子集中确定最佳配对PMI；

由最佳配对PMI计算MU-MIMO接收流上的信噪比；

根据所述MU-MIMO接收流上的信噪比获得MU-MIMO对应的CQI，MU-MIMO对应的CQI与主用户向基站反馈的CQI差的绝对值等于所述最小多用户信道质量指示误差。

所述由最佳配对PMI计算MU-MIMO接收流上的信噪比包括：

由同一资源块上同一小区具有最佳配对PMI的配对用户对所述主用户的干扰和同一资源块上非同一小区链路对所述主用户的干扰计算所述MU-MIMO接收流上的信噪比。

所述由主用户的PMI、主用户的CQI和最小多用户信道质量指示误差确定主用户的配对用户包括：

在该主用户的PMI陪同子集中选择配对用户，所述配对用户的PMI值不等于所述主用户的PMI，且所述配对用户的CQI值接近于所述主用户以MU-MIMO模式传输时的CQI值；

由所述主用户的CQI与最小多用户信道质量指示误差信息确定所述主用户以MU-MIMO模式传输时的CQI值。在本发明实施例中将码本分为至少一个子集，每个子集中至少包括一个预编码矩阵指示PMI，在所述子集中确定主用户PMI对应的PMI陪同子集；在与主用户的PMI对应的PMI陪同子集中，根据主用户的PMI和信道质量指示CQI，确定主用户与具有最佳配对PMI的用户在多用户MU-MIMO传输模式下配对时，对应的最小多用户信道质量指示误差；主用户向基站反馈下行信道状态信息，所述下行信道状态信息包括主用户的PMI、主用户的CQI和所述最小多用户信道质量指示误差；在该主用户的PMI陪同子集中，由主用户的PMI、主用户的CQI和最小多用户信道质量指示误差确定主用户的配对用户。根据上述技术方案确定主用户的配对用户，不仅可以提高用户配对成功的效率，而且降低了用户端的反馈信令开销，从而提升了系统和用户的平均吞吐量。

附图说明

图1为多用户传输模式的多用户配对方法流程示意图；

图2为确定最小多用户信道质量指示误差的流程示意图；

图3为小区吞吐量对比示意图；

图4为用户吞吐量对比示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

在本发明实施例中，在下行信道状态信息中增加了最小多用户信道质量指示误差，进而在选择配对用户中可以选择整个陪同子集中的任何一个非主用户PMI的PMI进行用户配对，增大了配对用户选择范围。不仅提高用户配对成功的效率，而且降低用户端的反馈信令开销，从而提升了系统和用户的平均吞吐量。

在SU-MIMO传输中，基站将相同时频资源上的多个数据流发送给相同的用户。而在MU-MIMO传输中，BS将相同时频资源上的多个数据流发送给不同的用户，通过同时为多个用户传输数据提高系统容量。

参见附图1是多用户传输模式的多用户配对方法流程示意图，具体包括以下步骤：

101、划分PMI子集。

将码本按照现有技术分成多个子集，每个子集中包含多个PMI。每个SU-MIMOPMI与其中一个子集有关，这种相关的子集称为PMI陪同子集。对于一个给定的PMI，其配对PMI将会从其陪同子集中选出。

102、根据主用户的PMI和CQI确定最小多用户信道质量指示误差。

在与主用户的PMI对应的PMI陪同子集中，根据主用户的PMI和信道质量指示CQI，确定主用户与和具有最佳配对PMI的UE用户在MU-MIMO传输模式下配对时，相对应的最小多用户信道质量指示误差。主用户向基站反馈下行信道状态信息，所述下行信道状态信息包括主用户的PMI、主用户的CQI和最小多用户信道质量指示误差。确定最小多用户信道质量指示误差的具体过程参见201-203。

MIMO系统中的用户将包括最小用户信道质量指示误差的下行信道状态信息反馈至基站。从而可以更为准确地反映用户在MU-MIMO传输理想配对的情形下与在SU-MIMO传输的情形下的信道质量指示方面的误差。

103、基站确定主用户的PMI陪同子集。

基站在接收到主用户的下行信道反馈信息之后，基站根据下行信道反馈信息中的主用户的PMI按照现有技术确定该主用户的PMI陪同子集。

104、在该主用户的PMI陪同子集中确定主用户的配对用户。

在该主用户的PMI陪同子集中选择配对用户，配对用户的PMI值不等于主用户的PMI，且配对用户的CQI值接近于主用户以MU-MIMO模式传输时的CQI值；主用户以MU-MIMO模式传输时的CQI值等于主用户的CQI与最小多用户信道质量指示误差信息的和。

这样，用户向基站反馈了更为准确的下行信道状态信息，从而基站可以根据实际的MIMO传输模式（SU/MU）更为准确地选择更为适合该用户的CQI及调制编码方式。因此，可以降低通信系统中的用户解调误码率并提升系统性能。

201、确定最佳配对PMI。

主用户向基站反馈的下行信道状态信息，可以包括:用于指示预编码矩阵的PMI，用于基站选择传输数据的调制编码方式的CQI。另外，主用户也可以测量其信道状态，由此可以得到该主用户的信道信息矩阵和SU-MIMO传输模式下的信噪比SINR_SU-MIMO。

其中，主用户可以采用现有技术获得下行信道反馈信息中的PMI和CQI。例如，主用户可以基于测量得到的信道信息矩阵确定与该主用户对应的预编码矩阵，进而可以生成用于表示该预编码矩阵的PMI。此外，主用户还可以基于测量到的SINR得到相关的CQI值。

MIMO系统中的主用户可以根据主用户PMI得知所对应的PMI陪同子集，并计算出陪同子集中与该主用户配对性能最好的最佳配对PMI，最佳配对PMI所满足的条件参见公式（3）：

${\min }_{W_C\∈{\mathrm{CB}}_i}{\left|\left(H^H{W}_{\mathrm{SU}}\right)H^H{W}_C\right|}^2---\left(3\right)$

在公式（3）中，表示信道矩阵，是主用户PMI所指示的预编码码本矩阵，是陪同子集中的PMI所指示的预编码矩阵。

使公式（3）取值最小化的W_C所对应的PMI即为最佳配对PMI。由最佳配对PMI计算获得其对应的信噪比SINR_MU-MIMO，基于该信噪比可以计算所述最小多用户信道质量指示误差。

202、计算MU-MIMO接收流上的信噪比。

当主用户UE和具有最佳配对PMI的UE在MU-MIMO调度模式下配对时，MU-MIMO SINR可以由用户端计算。在本发明技术方案中，计算MU-MIMO SINR时不仅考虑到同一资源块上同一小区配对用户的干扰，而且还考虑到同一资源块上其他小区链路的干扰。

以最小均方误差（MMSE）接收机为例，将SU-MIMO场景下的MMSE算法扩展到MU-MIMO场景下：

在第n个接收流上的信噪比SINR_MU-MIMO为：

其中，W(n)是MIMO下线性MMSE接收采用的解调滤波矩阵：

$W\left(n\right)={({\mathrm{\σ}}_0^2\frac{P_0}{2}{\mathrm{PL}}_0{H}_0\left(n\right)M_0\left(n\right)M_0^{*}\left(n\right)H_0^{*}\left(n\right)+{\widetilde{\mathrm{\σ}}}^2)}^{-1}{\mathrm{\σ}}_0^2\sqrt{P_i{\mathrm{PL}}_i}{H}_0\left(n\right)M_0\left(n\right)---\left(6\right)$

${\widetilde{\mathrm{\σ}}}^2={\mathrm{\σ}}^{2}I+\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\σ}}_i}^2{P}_i{\mathrm{PL}}_i{H}_i\left(n\right)M_i\left(n\right)M_i^{*}\left(n\right)H_i^{*}\left(n\right)+{\mathrm{\σ}}_0^2\frac{P_0}{2}{\mathrm{PL}}_0{H}_0\left(n\right)M_{0,\mathrm{pair}}\left(n\right){M_{0,\mathrm{pair}}}^{*}\left(n\right)H_0^{*}\left(n\right)---\left(7\right)$

P₀除以2是因为总Tx功率限制，并且主用户与配对用户均使用相同的Tx功率。

D(n)，I_self(n)分别为处理后的信号分量和流间自干扰分量：

$D\left(n\right)=\mathrm{diag}\left[W^{*}\left(n\right)\sqrt{\frac{P_0}{2}{\mathrm{PL}}_0}{H}_0\left(n\right)M_0\left(n\right)\right]---\left(8\right)$

$I_{\mathrm{self}}\left(n\right)=W^{*}\left(n\right)\sqrt{\frac{P_0}{2}{\mathrm{PL}}_0}{H}_0\left(n\right)M_0\left(n\right)-D\left(n\right)---\left(9\right)$

P₀是该资源块上的总传输功率，PL₀为路径损耗，H₀(n)为主用户的信道矩阵。

在采用了预编码处理的MIMO系统中，M_i(n)为各发送端的预编码矩阵，M_0，pair(n)表示由公式（3）计算的最佳配对用户PMI所对应的预编码矩阵，该预编码矩阵考虑到同一资源块上同一小区配对用户对主用户的干扰。

在公式（5）分母表达式中：

标号①部分代表主用户所在资源块上其他N条小区链路对于主用户的干扰；

标号②部分表示同一小区内配对用户对主用户的干扰。

可以从SINR_MU-MIMO计算得到MU-MIMO CQI，其映射准则与SU-MIMO场景类似。

最小多用户信道质量指示误差ΔCQI_best=CQI(SINR_SU-MIMO)－CQI(SINR_MU-MIMO)

（10）

SINR_SU-MIMO是用户在SU-MIMO传输模式中测量的信噪比，SINR_MU-MIMO是由公式（5）计算出的用户在MU-MIMO传输情形下与最佳配对PMI配对时的最大多用户信噪比。CQI(·)表示与信噪比有关的信道质量指示函数。

其中，最小多用户信道质量指示误差反映出该主用户在MU-MIMO传输的情形下的信道质量指示与在SU-MIMO传输的情形下的信道质量指示之间的最小误差。

表1列出了本发明技术方案和现有技术中的提PMI陪同子集方案，以及全码本MU-MIMO反馈方案中附加反馈负荷的对比，由此表格可以更为清晰的看到本发明在减少附加反馈方面的优势。

表1

图3和图4为本发明中的用户配对算法与MU-CQI算法仿真结果对比示意图，这里的MU-CQI算法是指背景技术中的A方案：UE向基站报告陪同子集中最佳的配对PMI和对应的MU-CQI。从图3中可以看出，在进一步减少附加反馈的前提下，采用本发明的技术方案就可以得到系统吞吐量及用户吞吐量的双方面提升。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多用户传输模式的多用户配对方法，其特征在于，所述方法包括：

将码本分为至少一个子集，每个子集中至少包括一个预编码矩阵指示PMI，在所述子集中确定主用户PMI对应的PMI陪同子集；

在与主用户的PMI对应的PMI陪同子集中，根据主用户的PMI和信道质量指示CQI，确定主用户和具有最佳配对PMI的用户在多用户MU-MIMO传输模式下配对时，对应的最小多用户信道质量指示误差；

主用户向基站反馈下行信道状态信息，所述下行信道状态信息包括主用户的PMI、主用户的CQI和所述最小多用户信道质量指示误差；

在该主用户的PMI陪同子集中，由主用户的PMI、主用户的CQI和最小多用户信道质量指示误差确定主用户的配对用户。

2.根据权利要求1所述多用户传输模式的多用户配对方法，其特征在于，所述根据主用户的PMI和CQI，确定主用户和具有最佳配对PMI的用户在MU-MIMO传输模式下配对时，对应的最小多用户信道质量指示误差包括：

主用户根据自己的PMI和CQI，在主用户的PMI陪同子集中确定最佳配对PMI；

由最佳配对PMI计算MU-MIMO接收流上的信噪比；

根据所述MU-MIMO接收流上的信噪比获得MU-MIMO对应的CQI，MU-MIMO对应的CQI与主用户向基站反馈的CQI差的绝对值等于所述最小多用户信道质量指示误差。

3.根据权利要求2所述多用户传输模式的多用户配对方法，其特征在于，所述由最佳配对PMI计算MU-MIMO接收流上的信噪比包括：

由同一资源块上同一小区具有最佳配对PMI的配对用户对所述主用户的干扰和同一资源块上非同一小区链路对所述主用户的干扰计算所述MU-MIMO接收流上的信噪比。

4.根据权利要求1所述多用户传输模式的多用户配对方法，其特征在于，所述由主用户的PMI、主用户的CQI和最小多用户信道质量指示误差确定主用户的配对用户包括：

在该主用户的PMI陪同子集中选择配对用户，所述配对用户的PMI值不等于所述主用户的PMI，且所述配对用户的CQI值接近于所述主用户以MU-MIMO模式传输时的CQI值；

由所述主用户的CQI与最小多用户信道质量指示误差信息确定所述主用户以MU-MIMO模式传输时的CQI值。