CN1870461A - 基于随机发射波束成形的mimo系统及其用户调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于随机发射波束成形的MIMO通信系统及其用户调度方法。该系统包括：发送端，用于发送至少具有信道估计信号和用户数据的数据帧，和至少一接收端，用于接收发送端发送的数据帧，产生相应的反馈信号并还原用户数据。其中，发送端根据该反馈信号产生调度信息，并利用该调度信息进行自适应的用户调度，该调度信息包括所调度的用户、每个所调度的用户应该支持的数据流、以及发送每个数据流所采用的发射波束。本系统可以根据当时的信道状况、不同的反馈信息进行固定用户的调度和自适应的调度，提高系统控制的智能化以及通信稳定性，并始终保持最大的系统容量。

Description

基于随机发射波束成形的MIMO系统及其用户调度方法

技术领域

本发明涉及到使用多输入多输出天线系统的用户调度技术，特别是涉及一种基于随机发射波束成形的MIMO系统及其用户调度方法。

背景技术

未来的无线通信系统需要支持非常高速率的数据业务，比如说视频会议、视频点播、交互视游戏等等。高速无线业务(High Mobility)，需要支持最高到100Mbps的速率，而对于低速(Low Mobility)或者固定无线(Fixed Wireless)业务，更需要达到1Gbps的速率。

无线通信中一个信道的速率等于该信道的频谱带宽与其所应用技术的频谱效率的乘积。为了提高速率，需要提高它的频谱带宽或者所应用技术的频谱效率。然而，频率资源是有限的，所以不可能无限制地通过增加频谱带宽来增加通信速率，最好方法是增大所应用技术的频谱效率。

通常，可以通过两个途径来提高频谱效率。一种途径是通过物理层的技术如先进的编码技术、信号处理技术等来提高链路级的频谱效率。另一种途径是通过高层的控制达到更灵活的资源分配来实现系统级的频谱效率。多输入多输出技术(Multiple Input Multiple Output，MIMO)和基于信道用户调度方法(Channel-Aware User Scheduling)是相应的两种实现该目标的方法。

所谓的多输入多输出技术就是在通信系统的发送端和接收端安装多根天线。它也包括在其中的一端安装多天线，即单输入多输出(Single Input MultipleOutput，SIMO)和多输入单输出(Multiple Input Single Output，MISO)。由于不同的天线在物理上是分开的，多天线的使用给通信系统引进了一个额外的信号域一空间域。

虽然空间资源(Spatial Resource)能够提供很大的性能增益，但由于其随客观物理条件变化而变得不确定性，因此也不容易被利用的。要很好的利用空间资源，一个比较好的控制技术是不可缺少的。

现在再来讨论一下用户调度技术。目前有两种最基本的用户调度方法应用在无线通信系统中。一种用户调度技术是循环(Round Robin)调度，即信道通过循环的方式分配给所有的用户。这种方法的效果和传统的电路交换一样，保证了时延特性和用户间的公平性，但性能没提高。另一种用户调度技术是最大载干比(MaxC/I)调度(基于信道用户调度)，其可以根据用户的信道衰落情况h_k(单天线系统中，它是一个复数标量)，动态地将当前信道的使用权分配给具有最大载波干扰比(可以简单的认为是max|h_k|)的用户。这样的话，系统的性能可以得到很大的提高。通过最大载干比调度得到的性能增益叫作多用户分集(Multiuser Diversity)。

但是，由于信道用户调度是根据信道的状况来决定公共信道的分配，其对信道状况的依赖性比较大。这样，在一些特殊的信道状况下，系统的性能就会有显著的下降。

图1(a)和1(b)给出了当基站(发送端)具有一根发送天线并且具有两个用户(接收端)时的系统结构图。在该系统中，信道用户调度是根据信道的状况来决定公共信道的分配。

在图2中，(a)表示在信道状况良好时信道增益的状况；(b)表示信道中存在视线路径(Line of Sight，LoS)时信道增益的状况；(c)表示系统处于慢衰减时信道增益的状况。

在图2中，曲线1表示用户1的随时间变化的信道增益曲线，曲线2表示用户2的随时间变化的信道增益曲线，虚线表示当前系统随时间变化的平均信道增益曲线。从(a)中可以看出，在不同的时刻，系统根据用户1和用户2的信道增益来决定公共信道的分配，即在0-t₁时段分配给用户1、t₁-t₂时段分配给用户2等等，分别在时间轴上用“1”、“2”表示。最后，系统的信道增益则是曲线1和曲线2的上包络，求其平均得到虚线所示的系统平均信道增益曲线。

比较(a)和(b)可以得知，当信道中存在一个视线路径时，由于该视线路径将减小信道系数的波动，其导致可实现的系统平均信道增益降低。并且，从(b)和(c)中可以看出(括号所指示的时段)，当系统衰落比较慢时，传输时延就会比较大。

为解决这个问题，P.Viswanath、D.N.C.Tse以及R.Laroia等人提出了一种解决方法(参阅“Opportunistic beamforming using dumb Anntennas”，IEEETrans.Infor.Theory，Vol.48，No.6，pp.1277-1294.June.2002，下称“参考文献1”)。

在该方法中，假设基站安装有n_T根天线，并且每个用户是一根接收天线的话，用户的信道是一个向量 $h_k\∈C^{n_T\×1}.$ 在发射前，将数据信号乘上一个n_T维随机复数向量 $w\∈C^{n_T\×1},$ 然后，将该数据信号从所有的n_T根天线发射出去。这时，每个用户检测到信道增益实际上是一个结合了真实信道和发射向量的等效信道增益 $G{N}_k=\left|h_k^{*}w\right|.$ 每个用户把其检测到的等效信道增益反馈给基站，进而，基站将信道分配给具有最大等效信道增益的用户。

例如，在图1a和图1b中，具有最大等效增益的用户正好位于由发射向量h_k形成的发射波束内。这样的话，通过改变随机复数向量W，就可以改变等效信道增益的统计特性(例如相关特性、时变特性等)，使其满足用户调度的要求。但是，这种方法的缺点是其每次只能调度一个用户，例如，t₁时刻调度用户1，t₂时刻调度用户2，这样，大量的空间资源被浪费了，并且，系统吞吐量在高SNR的区域被削减。

为了克服这个缺点，R.Laroia、J.Li，S.Rangan以及M.Srinivasan等人(参阅“Enhanced opportunistic beamforming，”IEEE VTC2003-Fall，Vol.3，PP.1762-1766，OCT.2003，下称“参考文献2”)，提出了多个随机发射波束成形(Multiple Random Beamforming)的方法。

由于对于n_T根发射天线，原则上可以支持n_T个互相独立的发射波束。该方法是在基站产生n_T个随机发射向量w_n(其中，n＝1，...，n_T)，然后每个用户反馈一个最好发射波束及相应的等效信道增益。对于每个发射波束，可能有多于一个用户选中它，基站把它分配给具有最大等效信道增益的用户。当该方法存在以下的问题：

1)没有考虑各个随机发射波束之间可能存在的干扰。例如，在图3中，由于用户1和2分别对应于发射波束1和2的主瓣，在这种情况下，该方法调度到用户1和用户2。但是，当发射波束1的旁瓣对用户2有很大的干扰时，发射波束2对应的用户2的实际性能还没有用户3好。所以，在考虑多用户调度的时候需要将干扰考虑进去。

2)其每次都需要调度n_T个用户，而在实际情况下，信道情况总是变化的，很多时候信道情况不足于支持这么多的用户，强制的多用户支持会导致系统信能的下降。

另外，该方法里没有给出当用户有多天线时的调度方法。

为此，J.Chung、C.S.Hwang、K.Kim、以及Y.K.Kim等人(参考“A randombeamforming technique in MIMO systems exploiting multiuser diversity，”IEEEJSAC，Vol.21，No.5，June 2003，下称“参考文献3”)，提出了一种当用户也有多根天线时使用随机发射波束成形的方法，但其总是把所有的发射波束都分配个一个用户，这个方法显然不是最优的。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于随机发射波束成形的MIMO通信系统。

本发明的另一目的在于，提供一种用于上述系统的用户调度方法。

根据本发明的第一方面，本发明基于随机发射波束成形的MIMO通信系统，其包括：发送端，用于发送至少具有信道估计信号和用户数据的数据帧，和至少一接收端，用于接收发送端发送的数据帧，产生相应的反馈信号并还原用户数据。其中，发送端根据该反馈信号产生调度信息，并利用该调度信息进行自适应的用户调度，该调度信息包括所调度的用户、每个所调度的用户应该支持的数据流、以及发送每个数据流所采用的发射波束。

根据本发明第二方面，该反馈信号包括每个接收端最好的发射波束组、以及该最好发射波束组中每个发射波束对应的信干比。

根据本发明第三方面，该反馈信号进一步包括对每个接收端干扰最小的发射波束组合。

根据本发明第四方面，该反馈信号包括每个接收端的最好发射波束的组合、该组合中每个发射波束的等效信道增益、对该接收端干扰最小的发射波束的组合、以及该组合中的每个发射波束对该用户最好发射波束的性能损失比。

根据本发明第五方面，本发明基于随机波束成形的MIMO通信系统的用户调度方法，其包括以下步骤：(a)接收端根据发送天线与接收天线之间的信道衰落状况产生反馈信号，并将该反馈信号反馈给发送端；(b)由发送端接收该反馈信号，根据该反馈信号产生调度信息，并利用该调度信息进行用户调度。其中，该调度信息包括所调度的用户、每个所调度的用户应该支持的数据流、以及发送每个数据流所采用的发射波束。

其中，上述步骤(b)可以包括以下步骤：

1)设置用户调度列表和已分配发射波束列表为空；

2)比较所有反馈回来的信干比，选出一个有最大信干比的用户加入到调度用户列表中，并把相应的发射波束加到已分配发射波束列表中；

3)比较所有反馈回来的信干比，从未调度的用户中选出具有最大的信干比的用户，如果此时选中的用户所对应的发射波束不在已分配发射波束列表中，则将其加入到调度用户列表中，并把相应的发射波束加到已分配发射波束列表中；

4)重复步骤3)，直至完成用户调度；

5)根据最后的调度用户列表和分配天线列表，进行系统的用户调度。

其中，上述步骤b)也可以包括以下步骤：

1)设置用户调度列表和已分配发射波束列表为空；

2)比较所有反馈回来的信干比，选出一个有最大信干比的用户加入到调度用户列表中，并把相应的发射波束加到已分配发射波束列表中；

3)针对调度用户列表中的用户，从其对应的组合中找出相应的干扰最小的发射波束，然后，根据该干扰最小的发射波束找出其所对应的最大信干比的用户，并将该用户加入到调度用户列表中，同时，将该用户对应的发射波束加到已分配发射波束列表中；

4)重复步骤3)，直到调度结束：

5)根据最后的调度用户列表和分配天线列表，进行系统的用户调度。

进一步，上述步骤b)可以包括以下步骤：

1)设置用户调度列表和已分配发射波束列表为空；

2)比较所有反馈回来的等效信道增益，选出一个有最大等效信道增益的用户加入到调度用户列表中，并把相应的发射波束加到已分配发射波束列表中；

3)针对调度用户列表中的用户，从其对应的组合中找出相应的干扰最小的发射波束，然后该干扰最小的发射波束所对应的最大等效信道增益的用户；

4)根据反馈的性能损失比，判断该用户的加入是否增加了系统容量，如果该用户的加入使得系统容量增加，则将该用户加入到调度用户列表中，同时，将该用户对应的发射波束加到已分配发射波束列表中。如果该用户的加入使得系统容量降低，则不将该用户加入到调度用户列表，并结束调度；

5)当该用户加入后，依次重复步骤3)和4)，直到调度结束；

6)根据最后的调度用户列表和分配天线列表，进行系统的用户调度。

与现有技术相比，本发明的基于随机发射波束的MIMO通信系统及其调度方法可以根据当时的信道状况、不同的反馈信息进行固定用户的调度和自适应的调度，提高系统控制的智能化以及通信稳定性，并始终保持最大的系统容量。特别是对于自适应调度，其进一步具有以下优点：

1)对每个接收端来讲，可以要求最多分配给和其接收天线数一样多的发射波束；

2)对每个接收端来讲，其反馈的是最好的发射波束组、所选发射波束能提供的等效信道增益、干扰最小的多个发射波束组合、和干扰最小的多个发射波束组合中的每个发射波束对其最好发射波束组中每个发射波束的性能损失比。这可以降低选天线时的算法复杂度，并且不需要预先知道要调度的用户数；

3)对发送端来说，能够调度到的用户数取决于当时的信道状况，而不需要预先的确定。

附图说明

为进一步解释本发明，请参考以下描述的附图：

图1(a)和(b)为当基站具有一根发送天线并且具有两个用户时的系统结构图。

图2(a)为表示在信道状况良好时信道增益的状况；(b)表示信道中存在视线路径时信道增益的状况；(c)表示系统处于慢衰减时信道增益的状况。

图3为MIMO系统中各个随机发射波束之间可能存在干扰的示意图。

图4为本发明基于随机发射波束成形的MIMO通信系统的框架图。

图5为图4所示MIMO通信系统的用户调度的流程图。

图6为本发明基于随机发射波束成形的MIMO通信系统所采用的帧结构的示意图。

图7进一步描述了本发明的MIMO通信系统的发送端10的结构示意图。

图8为图7所示的波束成形器114的一种具体结构图。

图9为发送端10的发送射频链路组的结构示意图。

图10为本发明发送端10的双工器组130的示意图。

图11进一步描述了本发明的MIMO通信系统的接收端20的结构示意图。

图12为实际信道状况下不同调度方法的性能比较图。

具体实施方式

下面就结合附图描述本发明。

图4为本发明基于随机发射波束成形的MIMO通信系统的框架图，其中，该MIMO通信系统包括一发送端10(基站)以及多个接收端20(用户)。图5为图4所示MIMO通信系统的用户调度的流程图。图6为本发明基于随机发射波束成形的MIMO通信系统所采用的帧结构的示意图。

如图4-6所示，发送端10具有MIMO数据处理器110、MIMO调度器120、双工器组130以及n_T根发送天线。每个接收端20具有接收信号处理器210、反馈信息处理器220、双工器组230以及n_R根接收天线。其中，每个接收端20的接收天线数量可以不同。该帧结构包括：信道估计时隙、信道反馈时隙以及数据传输时隙，并且可以根据系统需求设置其他的时隙，这里是为了方便说明而简化。

调度信息获取过程

从图6中可以看出，发送端10在发送用户数据信号之前，首先会通过双工器组130自n_T根发送天线以发射波束的形式，向接收端20发送信道估计信号。

假设发送端10的发送信号是一个n_T维的复数向量 $x\∈C^{n_T},$ 每个接收端20接收到的是一个n_R维的复数向量 $y_k\∈C^{n_R},$ 发送端10和接收端20之间存在一个n_R×n_T维的信道衰落矩阵：

$H_k=[h_1^k,...,h_{n_T}^k]=\left[\begin{array}{cccc}{h}_{\mathrm{1,1}}^k& h_{\mathrm{2,2}}^k& \mathrm{\Λ}& h_{1,n_T}^k\\ h_{\mathrm{2,1}}^k& h_{\mathrm{2,2}}^k& & \\ M& & O& M\\ h_{n_R,1}^k& & \mathrm{\Λ}& h_{n_R,n_T}^k\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，h_i，j ^k表示发送端10第i根发送天线和接收端20第j根天线之间的信道传输特性(其中k表示第k个用户)。

则，系统的传递函数可以表示为：

                y_k＝H_kx_k+μ_k               (2)

                k＝1，...，K

其中 ${\mathrm{\μ}}_k\∈C^{n_T}$ 是一个n_R维的复数向量，代表接收端20的白噪声。

这样，对于每个接收端20，其知道确切的信道衰落状况，该信道衰落状况实际上结合了真实信道衰落状况和发送端的随机复数向量。根据该信道衰落状况，每个接收端20通过接收信号处理器210可以对其进行处理，从而获得用户反馈信息，并将其传送给反馈信息处理器220。

反馈信息处理器220将接收到的用户信息进行处理，将其转化成适合MIMO通信系统的反馈信号(射频信号)。该反馈信号通过接收端20的天线经反馈信道反馈给发送端10。

发送端10的天线接收该反馈信号后，将其传送到MIMO调度器120。MIMO调度器120根据该信号产生调度信息，并利用所产生的调度信息控制MIMO数据处理器110的操作，从而使MIMO通信系统达到最大系统容量时的调度状态。即，根据调度信息进行最优化的用户调度。

上述获得信道衰落状况的方法是通过利用信道估计信号(即导频信号)而进行，其在数据帧中插入信道估计信号，接收端20根据该信道估计信号获得发送端10与接收端20之间的信道衰落状况，进一步由接收信号处理器210对信道衰落状况处理后所获得用户反馈信息。

然而，本发明中也可以利用信道盲估计方式获得信道衰落状况。即，数据帧中不需要设置信道估计时隙，接收端20在接收到发送端10发送的数据同时，通过信道盲估计获得信道衰落状况，然后由接收信号处理器210对信道衰落状况处理后所获得用户反馈信息。此时可以避免信道估计信号的插入所造成的频谱资源的浪费。

图7进一步描述了本发明的MIMO通信系统的发送端10的结构示意图。图8为图7所示的波束成形器114的一种具体结构图。图9为发送端10的发送射频链路组的结构示意图，图10为本发明发送端10的双工器组130的示意图。图11进一步描述了本发明的MIMO通信系统的接收端20的结构示意图。在图7和图11中采用分层时空信号处理方式进行MIMO通信的描述。对于信号处理而言，同样可以采取其他现有技术所揭示的信号处理方法和装置来执行，例如空时编码方式。

用户数据发送/接收以及调度过程

发送端10

在图7中，该发送端10包括MIMO数据处理器110、MIMO调度器120、双工器组130以及n_T根发送天线。

该MIMO调度器120包括接收射频链路组123、MIMO接收信号处理器122以及调度器121。其中，接收射频链路组123具有与发送天线对应数量的接收射频链路，用于将接收到的反馈信号转化为相应的码流。MIMO接收信号处理器122将该转化的码流进行空时信号处理，获得相应的调度信息，该调度信息包括：所要调度的用户、发送每个调度用户的数据所需要的码流数、以及每个码流所对应的发射波束。调度器121利用该调度信息控制MIMO数据处理器110的信号处理。

该MIMO数据处理器110包括用户选择器111、多个并行排列的分流器112、波束分配器113、波束成形器114、发送射频链路组115以及随机矩阵产生器116。

其中，在调度信息的控制下(根据调度信息中的“所要调度的用户”)，用户选择器111用于选择所要调度的用户，这里数量表示为nS个，并输出相应的用户数据。这里，nS小于等于发送端10天线的数量n_T。

在调度信息的控制下，nS个分流器112被选中来对所调度的nS个用户的用户数据进行分流处理，即，根据调度信息中的“发送每个调度用户的数据所需要的码流数”，将所调度的nS个用户的用户数据分成L(nS≤L≤n_T)个码流输出。L是每个调度用户的数据所分到的码流数的总和，实际上，每个用户数据的每个码流对应相应的接收端上的一根天线。

然后，由波束分配器113将分流器112输出的L个码流视为L个不同的层进行处理，根据调度信息中“每个码流所对应的发射波束”，将发送的L个码流分别建立与其对应的发射波束的一一对应关系，并输出建立对应关系的码流。图7中显示的输出为n_T个，实际上，其中只有L个才是具有用户数据的码流，而其他的(n_T-L)个码流中不具有用户数据。

随机矩阵产生器116用于产生随机的n_T×n_T维矩阵(表示为W_i，j，其中i，j为1-n_T的正整数)，并将该n_T×n_T维矩阵输入到波束成形器114。该随机的n_T×n_T维矩阵可以是经验矩阵，或者根据信道信息所产生的信道矩阵。即，该随机矩阵产生器116可以接收调度器121的调度信息，并根据该调度信息中的信道信息产生相应的随机矩阵，或者，可以独立于调度器，而单独地产生经验矩阵。

波束成形器114用于根据随机矩阵产生器116所产生的随机的n_T×n_T维矩阵，对从波束分配器113输入的n_T个码流(包括与发射波束建立对应关系的具有用户数据的L个码流、以及不具有用户数据的(n_T-L)个码流)进行加权操作，形成n_T个发送信号。

发送射频链路组115，用于接收从波束成形器114输出的n_T个发送信号，并将该n_T个发送信号转化为对应的射频信号，通过双工器组130上的n_T根发送天线发送出去。

图8为波束成形器114的一种具体结构图。其中，波束成形器114由n_T×n_T个乘法器和n_T个加法器组成。该波束成形器114可以对应n_T个码流生成n_T个发送信号，每个发送信号的产生方式大致相同。为了简化描述，我们以第i个发送信号为例进行说明。

首先，对于第i个发送信号，来自随机矩阵产生器116的n_T×n_T维矩阵的第i行(W_1，i到W_nT，i)的各个元素(系数)分别乘以各个码流，然后，将乘法运算后得到的数据相加，从而形成第i个发送信号。

图9中进一步描述了发送射频链路组115的具体结构，其包括n_T个并行发送射频链路，每个发送射频链路具有串行连接的调制器117、上变频器118以及功率放大器119，该功率放大器可以是大功率线性放大器。其中，该n_T发送射频链路分别用于将波束成形器114输出的n_T个信号转化为相应的射频信号。

图10为本发明发送端10的双工器组130的示意图。其中，该双工器组130包括n_T个并行的双工器。每一个双工器与一根对应的发送天线相连接，并且均连接到发送射频链路组115和接收射频链路组123。

接收端20

为了简化描述，这里仅仅示出了其中一个接收端20。

在图11中，该接收端20具有接收信号处理器210、反馈信息处理器220、双工器组230以及n_R根天线。

其中，该接收信号处理器210包括接收射频链路组211和MIMO接收信号处理器212。该反馈信息处理器220包括MIMO发送信号处理器221和发送射频链路组222。

该接收射频链路组211具有与接收天线数量n_R相同的并行的接收射频链路(图未示)，用于将接收到的射频信号恢复为相应的码流，并发送给MIMO接收信号处理器212。

该MIMO接收信号处理器212将码流还原为原始的用户数据，并将其输出。

从数据帧中数据的发送可以看出，数据帧的信道估计时隙中的信道估计信号是通过同样的方式进行发送的，只是，不存在在调度信息下的用户选择这样的选择过程，同时，其被分配为n_T个码流，这些码流分别与n_T个波束一一对应，并通过波束成形器形成n_T个发射波束，最后从天线上发射出去。

由于随机矩阵中的元素的变化相对于数据帧的变化来说，其时间上长很多。通常，一个数据帧的时间是微秒级，而随机矩阵的产生是毫秒级，因此，对于信道估计时隙所反馈的信息，可以使用反映当时的信道状况。

以下将结合不同调度用户情况对本发明的调度过程进行说明。对于接收端20来说，在本发明的调度中，对于每个具有多根天线的接收端20，可以将其考虑成相同数量的具有一根天线的接收端20。因此，我们在这里仅仅以每个接收端20具有一根天线的情况来进行说明，可以将这个说明延伸到每个接收端20具有多根天线的情况。

第一调度方法

对于每个接收端20，其根据该信道衰落状况，通过接收信号处理器210可以对接收信号进行处理，获得用户反馈信息，并将其传送给反馈信息处理器220。其中，该用户反馈信息中包括：对于该接收端20来说最好发射波束n_k的组合及其该组合中每个发射波束对应的信干比g_k，该组合中的最好发射波束的数量可以根据实际信道状况而选定。

$n_k=\arg \max \left|H_k^{*}{w}_n\right|---\left(3\right)$

$n=1...n_T$

${\mathrm{GNI}}_k={\left|H_k^{*}{w}_{n_k}\right|}^2/1+{|H_k^{*}\∑w_n|}^2---\left(4\right)$

其中，w_n表示发送端的随机复数向量，H_k表示发送端10与接收端20之间的信道衰落矩阵。

反馈信息处理器220将接收到的用户反馈信息进行处理，将其转化成适合MIMO通信系统的反馈信号。该反馈信号通过接收端20的天线经反馈信道反馈给发送端10。

当发送端10的调度器121接收到反馈信号时，进行系统调度。由于每个接收端20都反馈了其最好发射波束组、以及最好发射波束组中每个发射波束所对应的信干比GNI_k，因此，调度过程主要包括：

1)设置用户调度列表SU和已分配发射波束列表SB为空；

2)比较所有反馈回来的信干比GNI_k，选出一个有最大信干比GNI_k的用户加入到调度用户列表SU中，并把相应的发射波束加到已分配发射波束列表SB中；

3)然后，比较所有反馈回来的信干比GNI_k，从未调度的用户中选出具有最大的信干比GNI_k的用户，将其加入到调度用户列表SU中，并把相应的发射波束加到已分配发射波束列表SB中；

4)重复步骤3)，直至完成用户调度；

5)最后，根据最后的调度用户列表SU和分配天线列表SB，控制MIMO数据处理器110把所调度用户的数据流分成独立的码流、并分配到相应的发射波束上，从而从发送天线上发送出去。

在上述调度步骤3)或者4)中，如果在某个接收端20(用户)已经加入到调度用户列表SU中，并且，选择到其最好发射波束组中另一发射波束时，由于该接收端20只有一根天线，因此其不能被再调度。此时，调度结束。

同时，在上述调度步骤3)或者4)中，如果该用户对应的发射波束已经加入到已分配发射波束列表中，则该用户不能被调度。此时，调度结束。

对于每个接收端20具有多根天线的情况，如果将每根天线假设为一个接收端(用户)，那么每个接收端多根天线的调度情况和每个接收端只有一根天线的调度情况相似。

第二调度方法

当本发明基于随机发射波束成形的MIMO通信系统考虑到发射波束之间的干扰且所要调度的用户数目为固定的M个(1＜M＜n_T)时，对于每个接收端20，其根据信道衰落状况，通过接收信号处理器210可以对接收信号进行处理，获得用户反馈信息，并将其传送给反馈信息处理器220。其中，该用户反馈信息中包括：对于该接收端20来说最好发射波束n_k的组合、该组合中每个发射波束所对应信干比GNI_k、以及该接收端干扰最小的发射波束的组合Q_k。其中，对于最好发射波束组合中最好发射波束的数量、以及对接收端干扰最小的(M-1)个发射波束组合Q_k中发射波束的数量，可以根据实际信道状况进行选择，其原则是，同一发射波束不能同时包含在这两个组合中。

$Q_k=\underset{S=\{s_1,\mathrm{\Λ}{s}_{M-1}|s_i=1,...,n_T\}}{\arg \min }\left|h_k^{*}\underset{n\∈S}{\∑}{w}_n\right|---\left(5\right)$

其中，S表示n_T个波束中选出(M-1)个不同干扰最小的波束所有可能的集合。

反馈信息处理器220将接收到的用户反馈信息进行处理，将其转化成适合MIMO通信系统的反馈信号。该反馈信号通过接收端20的天线经反馈信道反馈给发送端10。

当发送端10的调度器121接收到反馈信号时，进行系统调度。此时，由于每个接收端20都反馈了其最好发射波束n_k的组合、该组合中每个发射波束所对应信干比GNI_k、以及对该接收端干扰最小的(M-1)个发射波束的组合Q_k，因此，调度过程主要包括：

1)设置用户调度列表SU和已分配发射波束列表SB为空；

2)比较所有反馈回来的信干比GNI_k，选出一个有最大信干比GNI_k的用户加入到调度用户列表SU中，并把相应的发射波束加到已分配发射波束列表SB中；

3)针对调度用户列表中的用户，从其对应的组合Q_k中找出相应的干扰最小的发射波束，然后，根据该干扰最小的发射波束找出其所对应的最大信干比的用户，并将该用户加入到调度用户列表中，同时，将该用户对应的发射波束加到已分配发射波束列表中；

4)重复步骤3)，直到调度结束：

5)最后，根据最后的调度用户列表SU和分配天线列表SB，控制MIMO数据处理器110把所调度用户的数据流分成独立的码流、并分配到相应的发射波束上，从而从发送天线上发送出去。

第三调度方法

当本发明基于随机发射波束成形的MIMO通信系统考虑到发射波束之间的干扰、以及该干扰对系统容量的影响时，对于每个接收端20，其根据该信道衰落状况，通过接收信号处理器210可以对接收信号进行处理，获得用户反馈信息，并将其传送给反馈信息处理器220。其中，该用户反馈信息中包括：对于该接收端20来说最好发射波束n_k的组合、该组合中每个发射波束的等效信道增益GN_k、对该接收端干扰最小的发射波束的组合Q_k、以及该组合Q_k中的每个发射波束对该用户最好发射波束的性能损失比D_k，i。

$\left\{D_{k,i}\right\}=\{{\mathrm{GN}}_k/{\left|h_k^{*}{w}_i\right|}^{2,}i\∈Q_k\}---\left(6\right)$

反馈信息处理器220将接收到的用户反馈信息进行处理，将其转化成适合MIMO通信系统的反馈信号(射频信号)。该反馈信号通过接收端20的天线经反馈信道反馈给发送端10。

当发送端10的调度器121接收到反馈信号时，进行系统调度。此时，由于每个接收端20都反馈了其对于该接收端20来说最好发射波束n_k的组合、该组合中每个发射波束的等效信道增益GN_k、对该接收端干扰最小的发射波束的组合Q_k、以及该组合Q_k中的每个发射波束对该用户最好发射波束的性能损失比D_k，i，因此，调度过程主要包括：

1)设置用户调度列表SU和已分配发射波束列表SB为空；

2)比较所有反馈回来的等效信道增益GN_k，选出一个有最大等效信道增益GN_k的用户加入到调度用户列表SU中，并把相应的发射波束加到已分配发射波束列表Sb中；

3)针对调度用户列表中的用户，从其对应的组合Q_k中找出相应的干扰最小的发射波束，然后该干扰最小的发射波束所对应的最大信干比的用户；

4)根据反馈的性能损失比D_k，i，判断该用户的加入是否增加了系统容量，如果该用户的加入使得系统容量增加，则将该用户加入到调度用户列表中，同时，将该用户对应的发射波束加到已分配发射波束列表中。如果该用户的加入使得系统容量降低，则不将该用户加入到调度用户列表，并结束调度；

5)当该用户加入后，依次重复步骤3)和4)，直到调度结束；

6)最后，根据最后的调度用户列表SU和分配天线列表SB，控制MIMO数据处理器110把用户的数据流分成独立的码流从分配到的发送天线上发送出去。

因此，该第三调度方法可以自适应地调度用户，从而可以充分地利用信道状况，提供最大的信道容量。

为了更清楚地体现本发明的调度系统及调度方法的优越性，请参阅图12，这里给出了实际的信道中存在视线路径时不同调度方法的性能比较，横坐标表示发射功率，纵坐标表示总信道容量。其中，发送端10的发射波束数量n_T等于8，用户数k等于32个，每个用户的接收天线数为1，信道假设为符合Ricean分布，Ricean因子k_r等于4。

在图12中，随着发送功率的增加，系统的信道容量(为相应条件下的统计平均值)也在增加，这是因为发送功率增加的时候，系统的多用户增益也相应地增大。

通过比较这三种调度方法可以得知，本发明的第三调度方法(自适应调度方法)可以始终实现最大的系统信道容量。

对于本发明第二调度方法和第一调度方法，总体上也可以较参考文献1和2中的调度有更好的系统信道容量。

这样，该MIMO通信系统具有以下特点(特别是对于第三调度方法)：

1)对每个接收端20来讲，可以要求最多分配给和其接收天线数一样多的发射波束；

2)对每个接收端20来讲，其反馈的是：最好的发射波束组、所选发射波束能提供的等效信道增益、对该接收端干扰最小的发射波束的组合、以及该组合中的每个发射波束对该用户最好发射波束的性能损失比。这可以降低选天线时的算法复杂度，并且不需要预先知道要调度的用户数，同时，这个绝对信道容量不受最后调度到的用户数的影响；

3)对发送端10来说，能够调度到的用户数取决于当时的信道状况，而不需要预先的确定。

因此，该基于随机发射波束成形的MIMO通信系统可以实现自适应的用户调度，从而提高系统控制的智能化以及通信稳定性，并始终保持最大的系统容量。

Claims (17)

1.一种基于随机发射波束成形的MIMO通信系统，其包括：

发送端(10)，用于发送至少具有信道估计信号和用户数据的数据帧，和

至少一接收端(20)，用于接收发送端(10)发送的数据帧，产生相应的反馈信号并还原用户数据，

其特征在于，

发送端(10)根据该反馈信号产生调度信息，并利用该调度信息进行自适应的用户调度，该调度信息包括所调度的用户、每个所调度的用户应该支持的数据流、以及发送每个数据流所采用的发射波束。

2.如权利要求1所述的基于随机发射波束成形的MIMO通信系统，其特征在于，该反馈信号包括每个接收端(20)最好的发射波束组、以及该最好发射波束组中每个发射波束对应的信干比。

3.如权利要求2所述的基于随机发射波束成形的MIMO通信系统，其特征在于，该反馈信号进一步包括对每个接收端(20)干扰最小的发射波束组合。

4.如权利要求1所述的基于随机发射波束成形的MIMO通信系统，其特征在于，该反馈信号包括每个接收端的最好发射波束的组合、该组合中每个发射波束的等效信道增益、对该接收端干扰最小的发射波束的组合、以及该组合中的每个发射波束对该用户最好发射波束的性能损失比。

5.如权利要求1至4任一项所述的基于随机发射波束成形的MIMO通信系统，其特征在于，

该发送端(10)包括：

双工器组(130)和位于其上的发送天线，用于发送数据帧，并接收来自接收端(20)的反馈信号；

MIMO调度器(120)，用于根据该反馈信号产生调度信息；

MIMO数据处理器(110)，用于根据调度信息选择需要调度的用户，并将所选择用户的数据通过选中的发射波束发送，以及

该接收端(20)包括：

双工器组(230)以及位于其上的接收天线，用于接收来自发送端(10)的数据帧，并发送用户反馈信息；

接收信号处理器(210)，用于根据数据帧产生用户反馈数据和还原用户数据；

反馈信息处理器(220)，用于将用户反馈信息转化成反馈信号。

6.如权利要求5所述的基于随机发射波束成形的MIMO通信系统，其特征在于，

该MIMO调度器(120)包括：

接收射频链路组(123)，用于将接收到的反馈信号转化为相应的码流；

MIMO接收信号处理器(122)，用于将转化的码流进行空时信号处理，获得相应的调度信息；以及

调度器(121)，用于根据该调度信息控制MIMO数据处理器(110)的信号处理。

7.如权利要求6所述的基于随机发射波束成形的MIMO通信系统，其特征在于，

该MIMO数据处理器(110)包括：

用户选择器(111)，用于根据调度信息，选择所要调度的用户；

多个并行排列的分流器(112)，用于对所调度的用户的用户数据进行分流处理，输出多个码流；

波束分配器(113)，将分流器112输出的码流进行处理，建立将发送的码流与其对应发射波束的一一对应关系；

随机矩阵产生器(116)，用于产生并输出随机矩阵；

波束成形器(114)，根据接收自波束分配器(113)的已与对应发射波束建立对应关系的码流以及来自随机矩阵产生器(116)的随机矩阵，形成多个发送信号；以及

发送射频链路组(115)，用于接收从波束成形器(114)输出的多个发送信号，并将该多个发送信号转化为对应的射频信号。

8.如权利要求7所述的基于随机发射波束成形的MIMO通信系统，其特征在于，波束成形器(114)由多个乘法器和多个加法器组成，其生成与发射波束对应的多个发送信号。

9.如权利要求8所述的基于随机发射波束成形的MIMO通信系统，其特征在于，该发送射频链路组(115)包括多个并行发送射频链路，分别将波束成形器(114)输出的多个发送信号转化为对应的射频信号，每一发送射频链路包括串行连接的一调制器(117)、一上变频器(118)以及一功率放大器(119)。

10.如权利要求9所述的基于随机发射波束成形的MIMO通信系统，其特征在于，

该接收信号处理器(210)包括：

一接收射频链路组(211)，用于将接收到的射频信号进行解调和变频处理，获得相应的码流；

一MIMO接收信号处理器(212)，用于根据该码流产生相应的用户反馈信息，同时还原并输出用户数据；以及

该反馈信息处理器(220)包括：

一MIMO发送信号处理器(221)，用于将用户反馈信息转化成反馈信号；

一发送射频链路组(222)，用于将该反馈信号转化为相应的射频信号。

11.一种基于随机波束成形的MIMO通信系统的用户调度方法，其包括以下步骤：

(a)接收端根据发送天线与接收天线之间的信道衰落状况产生反馈信号，并将该反馈信号反馈给发送端；

(b)由发送端接收该反馈信号，根据该反馈信号产生调度信息，并利用该调度信息进行用户调度，

其中，该调度信息包括所调度的用户、每个所调度的用户应该支持的数据流、以及发送每个数据流所采用的发射波束。

12.如权利要求11所述的用户调度方法，其中，该反馈信号包括对于每个接收端最好的发射波束组、以及该最好发射波束组中每个发射波束对应的信干比。

13.如权利要求12所述的用户调度方法，其中，该反馈信号进一步包括对每个接收端干扰最小的多个发射波束组合。

14.如权利要求11所述的用户调度方法，其中，该反馈信号包括每个接收端的最好发射波束的组合、该组合中每个发射波束的等效信道增益、对该接收端干扰最小的发射波束的组合、以及该组合中的每个发射波束对该用户最好发射波束的性能损失比。

15.如权利要求12所述的用户调度方法，其中步骤(b)包括以下步骤：

1)设置用户调度列表和已分配发射波束列表为空；

2)比较所有反馈回来的信干比，选出一个有最大信干比的用户加入到调度用户列表中，并把相应的发射波束加到已分配发射波束列表中；

3)比较所有反馈回来的信干比，从未调度的用户中选出具有最大的信干比的用户，如果此时选中的用户所对应的发射波束不在已分配发射波束列表中，则将其加入到调度用户列表中，并把相应的发射波束加到已分配发射波束列表中；

4)重复步骤3)，直至完成用户调度；

5)根据最后的调度用户列表和分配天线列表，进行系统的用户调度。

16.如权利要求13所述的用户调度方法，其中步骤(b)包括以下步骤：

1)设置用户调度列表和已分配发射波束列表为空；

2)比较所有反馈回来的信干比，选出一个有最大信干比的用户加入到调度用户列表中，并把相应的发射波束加到已分配发射波束列表中；

3)针对调度用户列表中的用户，从其对应的组合中找出相应的干扰最小的发射波束，然后，根据该干扰最小的发射波束找出其所对应的最大信干比的用户，并将该用户加入到调度用户列表中，同时，将该用户对应的发射波束加到已分配发射波束列表中；

4)重复步骤3)，直到调度结束：

5)根据最后的调度用户列表和分配天线列表，进行系统的用户调度。

17.如权利要求14所述的用户调度方法，其中步骤(b)包括以下步骤：

1)设置用户调度列表和已分配发射波束列表为空；

2)比较所有反馈回来的等效信道增益，选出一个有最大等效信道增益的用户加入到调度用户列表中，并把相应的发射波束加到已分配发射波束列表中；

3)针对调度用户列表中的用户，从其对应的组合中找出相应的干扰最小的发射波束，然后该干扰最小的发射波束所对应的最大等效信道增益的用户；

4)根据反馈的性能损失比，判断该用户的加入是否增加了系统容量，如果该用户的加入使得系统容量增加，则将该用户加入到调度用户列表中，同时，将该用户对应的发射波束加到已分配发射波束列表中。如果该用户的加入使得系统容量降低，则不将该用户加入到调度用户列表，并结束调度；

5)当该用户加入后，依次重复步骤3)和4)，直到调度结束；

6)根据最后的调度用户列表和分配天线列表，进行系统的用户调度。

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