CN104320171A - 利用统计信道状态信息的三维波束成型空分多址自适应传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用统计信道状态信息的三维波束成型空分多址自适应传输方法以提高通信系统的频谱利用率和功率效率，具体为：对于FDD系统，各用户利用信道估计的结果计算自身的统计信道状态信息，即垂直方向主模式和水平方向主模式及其相应的索引，并反馈给基站；对于TDD系统，基站利用上行信道估计的结果计算各用户下行的统计信道状态信息；基站根据所得到的统计信道状态信息，选出两组服务用户，分两个时隙分别对两组用户进行预编码传输。本发明提供的利用统计信道状态信息的三维波束成型空分多址自适应传输方法，有效地提高系统的鲁棒性，且能以较低的计算复杂度获取较高的平均互信息量。

Description

利用统计信道状态信息的三维波束成型空分多址自适应传输方法

技术领域

本发明涉及一种通过使用均匀平面天线阵来传输高速数据的多用户下行传输系统，尤其涉及一种利用统计信道状态信息的多用户下行传输系统自适应传输方法。

背景技术

近年来，信息论的研究己经表明，多天线技术能够显著地提高无线通信系统的传输速率。目前，针对点对点单用户系统的研究已经基本有了定论，而对于多用户系统的容量和最佳传输方案的研究则引起了国际学者们的广泛关注。多用户多天线系统由于具有分集增益、复用增益和多用户分集增益，可以获得良好的性能和较大的容量，将成为新一代无线通信网络的关键技术之一。

与传统的单用户多天线系统相比，多用户多天线系统具有以下几个突出的优点：由于采用所谓的多用户复用，多用户多天线技术能带来多址接入容量的直接增益(和基站天线数成正比)；利用多用户分集和调度，多用户多天线技术能突破困扰单用户多天线通信的许多传播限制，如信道矩阵秩亏或天线相关；在用户终端只具有单天线的MISO(multiple-input single-output)情况下，多用户系统仍然能获得空间复用增益，因此有利于开发体积小而且便宜的终端。

遗憾的是，对于多用户系统，获得多天线技术带来的好处是有代价的。对于单用户多天线通信系统来说，发送端已知信道信息不是必要的，但是对于许多多用户多天线下行预编码技术来说却是至关重要的。许多已有的多用户多天线下行传输系统中都假设基站已知理想的信道信息。在实际的通信中，基站的信道信息是由用户通过上行的有限反馈信道提供的或由上行信道估计得到。由于反馈信息的传输不可避免地存在反馈延时，且信道估计可能存在误差，因此，假设发送端已知理想的信道信息往往是不现实的，特别是当用户数和发射天线数较大以及信道状态变化较快的时候。另外，对于FDD系统，信道信息的反馈给上行容量造成很大的负担，在宽带(如OFDM)系统和具有高移动性系统中，这一问题变得更加严重。因此，利用统计信道状态信息进行自适应传输是合适的选择。

发明内容

发明目的：为基站使用均匀平面天线阵的多用户下行传输系统提供一种利用统计信道状态信息三维的自适应传输方案，能够根据信道的统计特性调整发送参数，获得较高的和速率以及较低的复杂度。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种利用统计信道状态信息的三维波束成型空分多址自适应传输方法，基站采用均匀平面天线阵列(UPA)，该方法具体包括如下步骤：

(1)基站统计信道状态信息的获取：设基站采用的均匀平面天线阵列，其垂直方向有M行、水平方有N列天线阵元，共计M×N个天线阵元，且每行和每列均为均匀线性天线阵列(ULA)，每个用户的接收天线数为1，用户总数为L；

基站与用户i之间的归一化信道矢量为h_i＝(vec(H_i))^T，满足其中矩阵H_i的第m行第n列的元素[H_i]_m,n为基站第m行第n列的天线阵元与用户i之间的信道系数，vec(·)代表矩阵拉直运算，上标(·)^T代表转置，上标代表共轭转置，E{·}代表求期望；

对于TDD系统(时分双工系统)，首先，基站利用上行信道估计的结果以及信道的互易性，获得基站至用户i的信道H_i；接着，基站计算用户i的垂直发送相关阵和水平发送相关阵其中E{·}代表求期望，并分别计算和其中F_M和F_N分别为M×M和N×N的DFT矩阵，F_M和F_N第m行第n列的元素分别为和最后，基站分别找出其垂直方向主模式和水平方向主模式，即分别找出Λ_V，i和Λ_H，i对角元上最大的元素和及其相应的索引l_i和j_i，即其中和分别为Λ_V,i和Λ_H,i的第l_i和第j_i个对角元；

对于FDD系统(频分双工系统)，首先，用户i利用下行信道估计的结果，获得基站至用户i的信道H_i；接着，用户i计算其垂直发送相关阵和水平发送相关阵其中E{·}代表求期望，并分别计算和其中F_M和F_N分别为M×M和N×N的DFT矩阵，F_M和F_N第m行第n列的元素分别为 ${\left[F_M\right]}_{m,n}=\frac{1}{\sqrt{M}}{e}^{j2\mathrm{\π}(m-1)(n-\frac{M}{2})/M}$ 和 ${\left[F_N\right]}_{m,n}=\frac{1}{\sqrt{N}}{e}^{j2\mathrm{\π}(m-1)(n-\frac{N}{2})/N};$ 最后，分别找出其垂直方向主模式和水平方向主模式，即分别找出Λ_V,i和Λ_H,i对角元上最大的元素和及其相应的索引l_i和j_i，即其中和分别为Λ_V,i和Λ_H,i的第l_i和第j_i个对角元；将l_i和j_i反馈给基站；

(2)用户分类：基站根据各用户的l_i和j_i，i＝1,…,L，将用户分为类，其中和均为偶数，分类准则为：若且则将用户i归入第类，其中， $\stackrel{\&OverBar;}{m}=1,...,\tilde{M},0={\stackrel{\&OverBar;}{M}}_0<...<{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_p<{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{p+1}<...<{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\tilde{M}}=M,\tilde{n}=1,...,\tilde{N},$ $0={\stackrel{\&OverBar;}{N}}_0<...<{\stackrel{\&OverBar;}{N}}_q<{\stackrel{\&OverBar;}{N}}_{q+1}<...<{\stackrel{\&OverBar;}{N}}_{\tilde{N}}=N,$ 至以及至可视系统情况设定；

(3)用户调度：基站分别从每类用户中选出其垂直方向主模式和水平方向主模式乘积最大的用户，即最大的用户，第类中调度出的用户记为用户其垂直方向主模式和水平方向主模式的相应索引记为和

(4)用户分组：基站将步骤(3)中选出的用户分为两组，分组准则为：将步骤(3)中选出的用户排成行列，使得用户排在第行第列，将所在行和列均为奇数以及所在行和列均为偶数的用户归入第一组，第一组中用户数记为K₁，将其余用户归入第二组，第二组中用户数记为K₂；

(5)基站计算第一组中K₁个用户的预编码矢量：用户的预编码矢量为其中，P发射总功率，上标(·)^*代表共轭，为矩阵的第列，为矩阵的第列；

(6)利用步骤(5)计算出的预编码矢量对第一组用户进行预编码传输；

(7)基站计算第二组中K₂个用户的预编码矢量：用户的预编码矢量为其中，P发射总功率，上标(·)^*代表共轭，为矩阵的第列，为矩阵的第列；

(8)利用步骤(7)计算出的预编码矢量对第二组用户进行预编码传输。

有益效果：本发明提供的利用统计信道状态信息的三维波束成型空分多址自适应传输方法，具有如下优点：1、本方法仅需要信道的统计信息，适用于各种典型的无线通信系统；2、本方法中的自适应传输方法复杂度低、易于实现；3、本方法能获得较高的和速率。

具体实施方式

一种利用统计信道状态信息的三维波束成型空分多址自适应传输方法，考虑一个多用户下行链路，基站采用均匀平面天线阵，其天线阵垂直方向有M行，水平方向每行N个天线阵元，共M×N个天线阵元，每行及每列均为均匀线性天线阵，每个用户的接收天线数为1，总用户数为L，基站向每个用户发送相互独立的信号。在对其和速率进行分析的基础上，构建出如下的预编码传输方案：

在用户端：若是FDD系统，用户i对数字基带接收信号y⁽ⁱ⁾(n)进行信道估计，利用信道估计的结果计算统计信道状态信息，并将统计信道状态信息反馈给基站。

在基站端：若是FDD系统，基站接收各用户反馈的统计信道状态信息；若是TDD系统，基站利用上行链路的信道估计结果，计算各用户下行链路的统计信道状态信息。

接着，利用获得的统计信道信息对用户进行分类，将所有用户分为类，其中和均为偶数，对分类后的用户进行调度，选出两组用户。第一组中用户数记为K₁，第二组中用户数记为K₂。然后，计算第一组中每个用户的发送预编码矢量对第一组服务用户的输入符号流进行线性预编码，得到发送信号如下：

$\begin{array}{c}{s}_1\left(n\right)\\ ={[s_{\mathrm{1,1}}^1\left(n\right),s_{\mathrm{2,1}}^1\left(n\right),...,s_{M,1}^1\left(n\right),s_{\mathrm{1,2}}^1\left(n\right),s_{\mathrm{2,2}}^1\left(n\right),...,s_{M,2}^1\left(n\right),......,s_{1,N}^1\left(n\right),s_{2,N}^1\left(n\right),...,s_{M,N}^1\left(n\right)]}^T\end{array}$

其中，表示服务第一组用户时基站的第i行第j列的天线的发送信号。和s₁(n)之间满足如下关系：

接着，计算第二组中每个用户的发送预编码矢量对第二组服务用户的输入符号流进行线性预编码，得到发送信号如下：

$\begin{array}{c}{s}_2\left(n\right)\\ ={[s_{\mathrm{1,1}}^2\left(n\right),s_{\mathrm{2,1}}^2\left(n\right),...,s_{M,1}^2\left(n\right),s_{\mathrm{1,2}}^2\left(n\right),s_{\mathrm{2,2}}^2\left(n\right),...,s_{M,2}^2\left(n\right),......,s_{1,N}^2\left(n\right),s_{2,N}^2\left(n\right),...,s_{M,N}^2\left(n\right)]}^T\end{array}$

其中，表示服务第二组用户时基站的第i行第j列的天线的发送信号。和s₂(n)之间满足如下关系：

为使本发明中的技术方案更加清楚明白，下面对本方案进行具体描述：

一、信道统计信息的获得

所述方案中的统计信道状态信息为各用户垂直方向主模式和水平方向主模式及其相应的索引。对于TDD系统，首先，基站利用上行信道估计的结果及信道的互易性，获得用户i归一化下行信道H_i。接着，基站计算用户i的垂直发送相关阵R_V,i和水平发送相关阵R_H,i：

其中E{·}表示求期望。分别计算Λ_V,i和Λ_H,i：

其中，F_M和F_N分别为M×M和N×N维的DFT矩阵，其第m行第n列的元素分别为 ${\left[F_M\right]}_{m,n}=\frac{1}{\sqrt{M}}{e}^{j2\mathrm{\&pi;}(m-1)(n-\frac{M}{2})/M}$ 和 ${\left[F_N\right]}_{m,n}=\frac{1}{\sqrt{N}}{e}^{j2\mathrm{\&pi;}(m-1)(n-\frac{N}{2})/N}.$ 最后，基站分别找出Λ_V,i和Λ_H,i对角元上最大的元素和即用户垂直方向主模式和水平方向主模式，及其相应的索引l_i和j_i，即其中和分别为Λ_V,i和Λ_H,i的第l_i和第j_i个对角元。

对于FDD系统，用户i利用其信道估计的结果，根据公式【3】—公式【6】计算Λ_V,i和Λ_H,i，分别找出其垂直方向主模式和水平方向主模式和及相应的索引l_i和j_i，并将l_i和j_i反馈给基站。

二、用户分组

基站根据各用户的l_i和j_i，i＝1,…,L，将用户分为类，其中和均为偶数，分类准则为：若且则将用户i归入第类，其中， $\stackrel{\&OverBar;}{m}=1,...,\tilde{M},0={\stackrel{\&OverBar;}{M}}_0<...<{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_p<{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{p+1}<...<{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\tilde{M}}=M,\tilde{n}=1,...,\tilde{N},$ $0={\stackrel{\&OverBar;}{N}}_0<...<{\stackrel{\&OverBar;}{N}}_q<{\stackrel{\&OverBar;}{N}}_{q+1}<...<{\stackrel{\&OverBar;}{N}}_{\tilde{N}}=N,$ 至以及至可视系统情况设定。

三、用户调度

基站分别从每类用户中选出其垂直方向主模式和水平方向主模式乘积最大的用户，即最大的用户，第类中调度出的用户记为用户其垂直方向主模式和水平方向主模式的相应索引记为和

四、用户分组

基站将上一个步骤中选出的用户分为两组，分组准则为：将上一步中选出的用户排成行列使得用户排在第行第列，将所在行和列均为奇数以及所在行和列均为偶数的用户归入第一组，第一组中用户数记为K₁，将其余用户归入第二组，第二组中用户数记为K₂。

五、发送预编码矢量计算

本方案中第一组内用户的预编码矢量用如下公式计算：

其中，P发射总功率，上标(·)^*代表共轭，为矩阵的第列，为矩阵的第列。

第二组内用户的预编码矢量的计算公式为：

其中，P发射总功率，上标(·)^*代表共轭，为矩阵的第列，为矩阵的第列。

下面对实施例做出进一步的说明本发明具体实施方式如下：

1)若为TDD系统，跳至步骤2)；若为FDD系统，跳至步骤4)。

2)基站利用上行信道估计的结果以及信道的互易性，获得用户i的下行信道矩阵H_i，利用公式【3】和【4】分别计算用户i的垂直发送相关阵R_V,i和水平发送相关阵R_H,i。

3)利用公式【5】和【6】计算Λ_V,i和Λ_H,i，分别找出用户i垂直方向主模式和水平方向主模式和及相应的索引l_i和j_i，进入步骤6)。

4)用户i利用其信道估计的结果，根据公式【3】和【4】分别计算其垂直发送相关阵R_V,i和水平发送相关阵R_H,i。

5)用户i利用公式【5】和【6】计算其Λ_V,i和Λ_H,i，分别找出其垂直方向主模式和水平方向主模式和及相应的索引l_i和j_i。

6)用户i将其l_i和j_i反馈给基站。

7)基站根据各用户的l_i和j_i，i＝1,…,L，将用户分为类，分类准则为：若且则将用户i归入第类，其中， $\stackrel{\&OverBar;}{m}=1,...,\tilde{M},$ $0={\stackrel{\&OverBar;}{M}}_0<...<{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_p<{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{p+1}<...<{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\tilde{M}}=M,\tilde{n}=1,...,\tilde{N},0={\stackrel{\&OverBar;}{N}}_0<...<{\stackrel{\&OverBar;}{N}}_q<$ ${\stackrel{\&OverBar;}{N}}_{q+1}<...<{\stackrel{\&OverBar;}{N}}_{\tilde{N}}=N,$ 至以及至可视系统情况设定。

8)基站分别从每类用户中选出其垂直方向主模式和水平方向主模式乘积最大的用户，即最大的用户，第类中调度出的用户记为用户其垂直方向主模式和水平方向主模式的相应索引记为和

9)基站将步骤8)中选出的用户分为两组，分组准则为：将步骤8)中选出的用户排成行列使得用户排在第行第列，将所在行和列均为奇数以及所在行和列均为偶数的用户归入第一组，第一组中用户数记为K₁，将其余用户归入第二组，第二组中用户数记为K₂。

10)对第一组内用户利用公式【7】计算预编码矢量

11)利用步骤10)中计算出的按照公式【1】对第一组用户进行预编码传输。

12)对第二组内用户利用公式【8】计算预编码矢量

13)利用步骤12)中计算出的按照公式【2】对第二组用户进行预编码传输。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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。

Claims (1)

1.一种利用统计信道状态信息的三维波束成型空分多址自适应传输方法，其特征在于：基站采用均匀平面天线阵列，该方法具体包括如下步骤：

(1)基站统计信道状态信息的获取：设基站采用的均匀平面天线阵列，其垂直方向有M行、水平方有N列天线阵元，共计M×N个天线阵元，且每行和每列均为均匀线性天线阵列，每个用户的接收天线数为1，用户总数为L；

基站与用户i之间的归一化信道矢量为h_i＝(vec(H_i))^T，满足其中矩阵H_i的第m行第n列的元素[H_i]_m,n为基站第m行第n列的天线阵元与用户i之间的信道系数，vec(·)代表矩阵拉直运算，上标(·)^T代表转置，上标代表共轭转置，E{·}代表求期望；

对于TDD系统，首先，基站利用上行信道估计的结果以及信道的互易性，获得基站至用户i的信道H_i；接着，基站计算用户i的垂直发送相关阵和水平发送相关阵其中E{·}代表求期望，并分别计算和其中F_M和F_N分别为M×M和N×N的DFT矩阵，F_M和F_N第m行第n列的元素分别为 ${\left[F_M\right]}_{m,n}=\frac{1}{\sqrt{M}}{e}^{j2\mathrm{\&pi;}(m-1)(n-\frac{M}{2})/M}$ 和 ${\left[F_N\right]}_{m,n}=\frac{1}{\sqrt{N}}{e}^{j2\mathrm{\&pi;}(m-1)(n-\frac{N}{2})/N};$ 最后，基站分别找出其垂直方向主模式和水平方向主模式，即分别找出Λ_V,i和Λ_H,i对角元上最大的元素和及其相应的索引l_i和j_i，即 ${\mathrm{\&lambda;}}_{V,i}^{\max }={\mathrm{\&lambda;}}_{V,i}^{\left(l_i\right)},{\mathrm{\&lambda;}}_{H,i}^{\max }={\mathrm{\&lambda;}}_{H,i}^{\left(j_i\right)},$ 其中和分别为Λ_V,i和Λ_H,i的第l_i和第j_i个对角元；

对于FDD系统，首先，用户i利用下行信道估计的结果，获得基站至用户i的信道H_i；接着，用户i计算其垂直发送相关阵和水平发送相关阵其中E{·}代表求期望，并分别计算和其中F_M和F_N分别为M×M和N×N的DFT矩阵，F_M和F_N第m行第n列的元素分别为 ${\left[F_M\right]}_{m,n}=\frac{1}{\sqrt{M}}{e}^{j2\mathrm{\&pi;}(m-1)(n-\frac{M}{2})/M}$ 和 ${\left[F_N\right]}_{m,n}=\frac{1}{\sqrt{N}}{e}^{j2\mathrm{\&pi;}(m-1)(n-\frac{N}{2})/N};$ 最后，分别找出其垂直方向主模式和水平方向主模式，即分别找出Λ_V,i和Λ_H,i对角元上最大的元素和及其相应的索引l_i和j_i，即 ${\mathrm{\&lambda;}}_{V,i}^{\max }={\mathrm{\&lambda;}}_{V,i}^{\left(l_i\right)},{\mathrm{\&lambda;}}_{H,i}^{\max }={\mathrm{\&lambda;}}_{H,i}^{\left(j_i\right)},$ 其中和分别为Λ_V,i和Λ_H,i的第l_i和第j_i个对角元；将l_i和j_i反馈给基站

(2)用户分类：基站根据各用户的l_i和j_i，i＝1,…,L，将用户分为类，其中和均为偶数，分类准则为：若 ${\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\stackrel{\&OverBar;}{m}-1}+1\&le;l_i\&le;{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\stackrel{\&OverBar;}{m}}$ 且 ${\stackrel{\&OverBar;}{N}}_{\stackrel{\&OverBar;}{n}-1}+1\&le;j_i\&le;{\stackrel{\&OverBar;}{N}}_{\stackrel{\&OverBar;}{n}},$ 则将用户i归入第类，其中， $\stackrel{\&OverBar;}{m}=1,...,\tilde{M},0={\stackrel{\&OverBar;}{M}}_0<...<{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_p<{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{p+1}<...<{\stackrel{\&OverBar;}{M}}_{\tilde{M}}=M,\stackrel{\&OverBar;}{n}=1,...,\tilde{N},$ $0={\stackrel{\&OverBar;}{N}}_0<...<{\stackrel{\&OverBar;}{N}}_q<{\stackrel{\&OverBar;}{N}}_{q+1}<...<{\stackrel{\&OverBar;}{N}}_{\tilde{N}}=N;$

(3)用户调度：基站分别从每类用户中选出其垂直方向主模式和水平方向主模式乘积最大的用户，即最大的用户，第类中调度出的用户记为用户其垂直方向主模式和水平方向主模式的相应索引记为和

(4)用户分组：基站将步骤(3)中选出的用户分为两组，分组准则为：将步骤(3)中选出的用户排成行列，使得用户排在第行第列，将所在行和列均为奇数以及所在行和列均为偶数的用户归入第一组，第一组中用户数记为K₁，将其余用户归入第二组，第二组中用户数记为K₂；

(5)基站计算第一组中K₁个用户的预编码矢量：用户的预编码矢量为其中，P发射总功率，上标(·)^*代表共轭，为矩阵的第列，为矩阵的第列；

(6)利用步骤(5)计算出的预编码矢量对第一组用户进行预编码传输；

(7)基站计算第二组中K₂个用户的预编码矢量：用户的预编码矢量为其中，P发射总功率，上标(·)*代表共轭，为矩阵的第列，为矩阵的第列；

(8)利用步骤(7)计算出的预编码矢量对第二组用户进行预编码传输。