CN1855763A - 用于多输入多输出系统的随机波束形成方法 - Google Patents

Abstract

一种基于随机波束形成的传输方法。基站从移动站接收反馈信息，反馈信息包括对于由基站任意设置的加权矢量的信道间(channel by channel)传输速率。基站比较从移动站接收的相同信道的传输速率。基站分配相关的信道给具有最大传输速率的移动站，并且通过所分配的信道发送信号。基于随机波束形成的传输方法可以通过同时分配不同信道给多个终端来改进资源分配的公平性和效率，并且能够通过改进的公平性和效率来增加整个系统的容量。

Description

用于多输入多输出系统的随机波束形成方法

技术领域

本发明通常涉及多输入多输出(MIMO)系统，尤其涉及用于MIMO系统的随机波束形成方法。

背景技术

下一代移动通信(4G)要求大大高于第三代移动通信(3G)的传输速率的传输速率。为了满足所需的传输速率，在发送方的基站和在接收方的终端两者都用采用多天线的多输入多输出(MIMO)系统。

MIMO系统是通过使用多个发送和接收天线来发送和接收数据的通信系统，以及将由发送和接收天线形成的MIMO信道分成多个独立的空间信道。每个空间信道被映射到一维。当采用由多个发送和接收天线所生成的附加维数时，MIMO系统的性能将会进一步改进。

使用MIMO系统，数据传输方案可以是：空间复用方案(SM)，所述空间复用方案通过利用在发送方和接收方的多个天线同时发送不同的数据，来以高速率发送数据而不增加系统带宽；和空间分集方案(SD)，所述空间分集方案通过多个发送天线发送相同数据，并且获得发送分集增益。

根据在发送方的信道增益信息的使用，MIMO传输方案可以划分为开环方案和闭环方案。因为在开环方案中，发送方不需要信道信息，因此能够容易实现并且不需要执行信道信息反馈处理。开环发送方案包括已知的空-时分组编码(STBC)方案、基于VBLAST(Vertical Bell Labs Layered Space-Time)译码的空间复用方案等。在另一方面，闭环方案采用从接收方反馈回来的信道信息，并且如果信道信息是正确的，则提供更佳的吞吐量。然而，由于信道信息量可以增加以提供正确信道信息的反馈，所以反馈信息量和系统吞吐量之间具有折衷关系。

随机波束形成技术是其中组合多用户分集和调度的传输方案。理论上，假设无限数目的用户数目出现在一个小区中，则可以通过仅仅利用少量反馈信息来提供完整闭环波束形成的性能。

在随机波束形成技术中，发送方不需要信道信息，并且利用随机生成的加权执行波束形成。基于使用有限反馈信息量，接收方通知发送方他们的信号干扰加噪声比(SINR)或允许的传输速率。在当前加权下，发送方分配信道给具有最高SINR(或传输速率)的接收方。在具有快速信道变化的快速衰落环境中，信道可以均匀地分配给多个用户。然而，如果在具有慢速信道变化的慢速衰落环境下加权是固定的，则在公平性方面存在问题。在这种情况下，如果在短时间间隔中，加权能够重新改变到任意值，则可以获得快速信道变化的效果并且可以改进多用户之间的公平性。波束形成技术可以与调度算法组合使用，其中所述调度算法诸如比例公平调度(proportional fairness scheduling)，所述比例公平调度与仅使用即时变化的SINR的信道分配方法相比，通过参照当前接收的数据量，并且首先分配信道给具有少量接收数据的用户而不是具有大量接收数据的用户来同时考虑效率和公平。

波束形成技术是一种用于通过在发送端使用多个天线来获取传输分集增益的方法。最近，已对用于也在接收方采用多个天线的MIMO系统的随机波束形成技术进行了研究。

图1示意性示出了采用多天线随机波束形成技术的通信系统的结构。在图1中，终端也分别具有至少两个天线。传统多天线随机波束形成技术的目的在于接近能够最大化单用户MIMO系统的信道容量的奇异值分解(SVD)复用的性能的性能。为此，基于终端的多个天线，多天线随机波束形成技术采用多用户分集性和的接收分集性。

在图1中，基站101生成任意的加权矢量V₀，将输入信号矢量x和V₀相乘，并且通过多个发送天线来发送V₀x。

在多个终端103、105和107当中，任意第k终端基于信道矩阵H_k接收信号。此时，假设终端精确地知道该信道矩阵。为采用能够获得高信道容量的已知SVD复用，取信道矩阵H_k的SVD，并且计算由左奇异矢量配置的矩阵U_k，以及与接收信号相乘。因此，接收的信号可以用所示的方程式(1)表示，其中n_k是加性高斯噪声矢量。

$r_k=U_k^H(H_k{V}_{0}x+n_k)$

$=U_k^H\left(U_k{\mathrm{\Σ}}_k{V}_k^H\right)V_{0}x+U_k^H{n}_k$

$={\mathrm{\Σ}}_k{V}_k^H{V}_{0}x+U_k^H{n}_k---\left(1\right)$

如果链接的终端数目足够大，则具有与V₀非常相似的V_k的终端出现的概率将增加。由于 $V_k^H{V}_0\≈I,$ 所以可以获得SVD复周的效果。在该情况下，当采用注水(water-filling)算法时，信道容量可以进一步增加。

终端计算各个数据符号的SINR值，执行到可以以其传输的整个传输速率的转换，通过有限反馈信道发送信息到基站。此时，总传输速率在方程式(2)中示出，其中Γ_ki是在第k终端中计算的第i符号x_i的SINR。

$C_k=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\log }_2(1+{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{ki}})---\left(2\right)$

基站分配所有的信道给第

终端，并且在预定时间过去之后，重复上面的过程。

然而，在传统随机波束形成方法中，如果小区中的链接的终端的数目是无限的，则出现具有接近V₀的V_k的终端。因为V_k和V₀在有限数目的用户中精确匹配是困难的， $V_k^H{V}_0\≠I.$ 也就是说，当x被恢复后，会发生自干扰。假设每个终端使用两个接收天线，则x将是2x1矢量。此时，在方程式(3)中给出x₁的SINR。

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{ki}}=\frac{{{\left[{\mathrm{\Σ}}_k\right]}_{11}}^2{\left|{\left[V_k^H{V}_0\right]}_{11}\right|}^2{E}_s}{{{\left[{\mathrm{\Σ}}_k\right]}_{11}}^2{\left|{\left[V_k^H{V}_0\right]}_{12}\right|}^2{E}_s+N_0}---\left(3\right)$

在方程式(3)中，E_s是x的平均符号能量，而N₀是噪声频谱密度。

由于方程式(3)的[∑_k]₁₁ ²|[V_k ^HV₀]₁₁|²E_s作为干扰，所以发生性能恶化。

由于传统随机波束形成方法必须分配所有的独立信道给一个终端，当针对每一终端平均混合好信道和差信道时，出现一个具有最佳信道组合的任意终端的可能性非常低。因此，不能希望基站总是能以最佳发送速率发送数据。通过为多用户划分和分配信道，基站需要改进发送效率。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供—种随机波束形成方法，其能够通过消除在使用传统随机波束形式方案时发生的自干扰来提高系统吞吐量。

本发明的另一个目的是提供一种随机波束形成方法，其能够通过同时分配不同的信道给多个终端来改进资源分配的公平性和效率，以及可以通过改进的公平性和效率来增加整个系统的性能。

本发明的上述和其它目的可以通过用于通信系统的传输方法来获得，其中所述通信系统具有用于使用两个发送天线来发送信号的基站和用于使用两个天线来接收信号的多个移动站，所述方法包括接收反馈信息，该反馈信息包括来自所述多个移动站的信道间(channel by channel)发送速率；比较从多个移动站接收的相同信道的发送速率；分配相关的信道给具有最大发送速率的移动站；以及通过分配的信道发送信号。

附图说明

本发明的上述的和其它目的以及方面将从下面结合附图的详细描述中得到更清楚的理解，其中：

图1示意性地图解了采用多天线随机波束形成技术的通信系统；

图2是图解根据本发明的在随机波束形成方法中的信道分配的图；

图3是图解在本发明的随机波束形成方法和传统随机波束形成方法之间的吞吐量仿真结果的图；

图4是图解在本发明的随机波束形成方法和传统随机波束形成方法中的特定终端的平均等待时间的图；以及

图5是图解当采用本发明的随机波束形成方法和传统的随机波束形成方法时，在所有终端之间的平均吞吐量比较结果的图。

具体实施方式

以下将参考附图详细描述根据本发明的随机波束形成方法。

对于奇异值分解(SVD)复用，传统的多天线随机波束形成技术采用终端的多个接收天线。然而，本发明的随机波束形成方法采用通过干扰信号无效来抑制干扰的多个接收天线。

在本发明的随机波束形成方法中，基站生成任意加权矢量V₀，以及发送由信息比特构建的、通过将V₀和矢量x相乘而获得的信号V₀x。

假设终端精确地知道信道矩阵H_k，则第k终端通过基于H_k的信道接收信号。因此，该终端计算信道矩阵H_k的最小均方差(MMSE)滤波，由方程式(4)表示。

$G_k={({\left(H_k{V}_0\right)}^H\left(H_k{V}_0\right)+\frac{N_0}{E_s}I)}^{-1}{\left(H_k{V}_0\right)}^H---\left(4\right)$

当计算MMSE滤波时，终端将MMSE滤波和接收的信号相乘，从而检测发送的信号。所检测的发送信号由方程式(5)表示。

r_k＝G_k(H_kV₀x+n_k)

＝A_kx+G_kn_k……………(5)

在方程式(5)中，A_k＝G_kH_kV₀

在这种情况下，最大信号干扰加噪声比(SINR)可以从通过MMSE无效获得的接收信号得到。

终端计算每个数据符号的SIN，从每个计算的SINR计算每个信道的发送速率，以及将所计算的发送速率的值做为有限反馈信息发送到基站。

在第k终端中计算的第一符号x₁的SINRΓ_k1被示出在方程式(6)中(其中接收天线的数目是2)。

${\mathrm{\Γ}}_{k1}=\frac{{\left|{\left[A_k\right]}_{11}\right|}^2{E}_s}{{\left|{\left[A_k\right]}_{12}\right|}^2{E}_s+({\left|{\left[G_k\right]}_{11}\right|}^2+{\left|{\left[G_k\right]}_{12}\right|}^2)N_0}---\left(6\right)$

在方程式(6)中，A_k＝G_kH_kV₀

从每个终端发送到基站的反馈信息是发送速率，以该速率根据每个独立信道发送是可能的。当使用两个天线时，各自天线的反馈信息由方程式(7)和(8)定义。

C_k1＝log₂(1+Γ_k1)…………(7)

C_k2＝log₂(1+Γ_k2)…………(8)

基站分配多个独立信道的第i信道给第

终端。如上描述的，当信道是独立分配的时候，所有发送速率的和可以由方程式(9)表示。

$C_{\mathrm{sum}-\mathrm{rate}}=\underset{k}{\max }\left\{C_{k1}\right\}+\underset{k}{\max }\left\{C_{k2}\right\}+\·\·\·---\left(9\right)$

根据本发明，由于自干扰成分可以被消除，所以随机波束形成方法可以单独考虑空间信道。

图2是图解根据本发明的在随机波束形成方法中的信道分配的框图。在该实施例中，将描述其中每个终端用两个接收天线接收信号的例子。分配给该终端的两个信道被分类为栅格图形管道(grid-pattern pipe)和点图形管道(dot-pattern pipe)。信道增益表达为管道厚度。为了解释方便，栅格图形管道称为第一信道，点图形管道称为第二信道。

在图2中，基站200检测到在第一到第四终端201、202、203和204当中，第一终端201的第一和第二信道的增益和最大。当根据传送多天线随机波束形成技术执行信道分配时，两个信道都被分配给第一终端。然而，当仅仅比较第二信道的增益值时，可以看到第二终端202的第二信道增益值大于第一终端201的第二信道增益值。

在本发明的随机波束形成方法中，相关的信道被分配给具有对每个信道有最大增益的终端，第一信道被分配给第一终端，而第二信道被分配给第二终端。随机波束形成方法比较终端的信道间增益，以及分配相关的信道给具有最大增益的终端，从而有效地分配资源。

图3是示出在本发明的随机波束形成方法和传统的随机波束形成方法之间的吞吐量仿真结果的图。具体而言，图3示出了当平均接收的信噪比(SNR)是0dB、10dB和20dB时，相对于用户数的特定终端的吞吐量曲线。基于传统SVD复用的随机波束形成方法的吞吐量曲线由实线表示，所建议的随机波束形成方法的吞吐量曲线由虚线表示。在发送方精确地知道信道的假设之下，虚线表示基于SVD复用的随机波束形成方法的吞吐量上限。

如在图3中示出的，可以看出吞吐量随用户数量增加而提高。这是由于当用户数目变得更大时，随机波束形成技术的特征变得接近闭环的特征。而且，可以看出，所建议的随机波束形成技术的吞吐量曲线高于基于传统SVD复用的随机波束形成方法的上限。这是由于所建议的随意波束形成方法具有比向一个终端分配所有的可用信道的传统随机波束形成方法更高的自由度。

接下来，将描述根据SNR的吞吐量差。由于噪声在低SNR增加，自干扰的影响相对较小。可以看出，在传统随机波束形成方法和所建议的随机波束形成方法之间的吞吐量差不大，但是，当SNR增加时，基于干扰无效的所建议的随机波束形成方法胜过传统的随机波束形成方法。

图4是示出在根据本发明的随机波束形成方法和传统随机波束形成方法中的特定终端的平均等待时间的图。为了仿真，在低速衰落环境中，一个具有两个天线的基站已经通过比例公平性调度算法分配信道给使用两个接收天线的终端。在图4中，实线表示传统波束形成方法的平均等待时间曲线，以及虚线表示所建议的波束形成方法的平均等待时间曲线。

如在图4中示出的，可以看出，所建议的随机波束形成方法的平均等待时间减少了大约传统随机波束形成方法的平均等待时间的1/2。在所建议的随机波束方法中，当终端的天线数目n增加时，平均等待时间减少到1/n。因为所建议的随机波束形成方法公平地分配资源给多个终端，以及甚至当不是以高发送速率同时发送数据时，减少等待时间，可以增加对于终端的公平性和可以保证服务质量(QoS)。换句话说，所建议的随机波束形成方法在整个系统方面改进了效率和公平性。

图5是示出当采用本发明的随机波束形成方法和传统的随机波束形成方法时，在所有的终端之间的平均吞吐量比较结果的图。在图5中示出的结果与在图3中示出的相似。

如上描述的，本发明的随机波束形成方法通过MMSE滤波而消除了在使用传统随机波束方法时发生的自干扰效应，从而提高了信号检测的可靠性。

而且，本发明的随机波束形成方法可以通过同时分配不同信道给多个终端来改进资源分配的公平性和效率，以及通过改进的公平性和效率增加整个系统的性能。

Claims (7)

1、一种在通信系统中的基于随机波束形成的传输方法，所述通信系统具有：使用至少两个发送天线的基站，其将输入信号与任意的加权矢量相乘，并发送相乘后的信号；以及多个移动站，用于使用至少两个接收天线接收信号，所述方法包括步骤：

从所述多个移动站接收关于信道间传输速率的信息；

在单元时间内，基于在信道单元中接收的传输速率信息，分配资源给至少一个移动站；和

通过所分配的信道资源来发送信号。

2、根据权利要求1的传输方法，其中使用从所述基站接收的符号的信号干扰加噪声比(SINR)来计算传输速率。

3、根据权利要求1的传输方法，其中传输序列通过公式

C_ki＝log₂(1+Γ_ki)

计算，其中Γ_ki是通过第i信道由第k移动站接收的符号x的信号干扰加噪声比(SINR)。

4、根据权利要求1的传输方法，其中所述分配资源的步骤包括：

比较在从所述多个移动站接收的反馈信息中的信道的传输速率；和

分配相关的信道资源给具有最大传输速率的移动站。

5、一种用于通信系统的传输方法，所述通信系统具有：基站，用于通过使用两个发送天线来发送信号；和多个使用两个接收天线来接收信号的移动站，包括步骤：

从所述多个移动站接收包括信道间传输速率的反馈信息；

比较从所述多个移动站接收的相同信道的传输速率；

分配相关的信道资源给具有最大传输速率的移动站；和

通过所分配的信道发送信号。

6、根据权利要求5的传输方法，其中所述发送速率通过

C_ki＝log₂(1+Γ_ki)计算，其中Γ_ki是通过第i信道由第k移动站接收的符号x的信号干扰加噪声比(SINR)。

7、根据权利要求6的传输方法，其中SINR通过

${\mathrm{\Γ}}_{k1}=\frac{{\left|{\left[A_k\right]}_{11}\right|}^2{E}_s}{{\left|{\left[A_k\right]}_{12}\right|}^2{E}_s+({\left|{\left[G_k\right]}_{11}\right|}^2+{\left|{\left[G_k\right]}_{12}\right|}^2)N_0}$

来计算，其中A_k＝G_kH_kV₀，G_k是第k移动站的最小均方差(MMSE)滤波，

$G_k={({\left(H_k{V}_0\right)}^H\left(H_k{V}_0\right)+\frac{N_0}{E_s}I)}^{-1}{\left(H_k{V}_0\right)}^H,$ 其中V₀是加权矢量，从基站任意生成，被传输矢量x相乘，H_k是信道矩阵，E_s是x的平均符号能量，以及N₀是噪声频谱密度。

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