CN1937849A - 在通信系统中处理信号的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种频分双工(FDD)多用户多输入多输出(MIMO)下行传输的具有有限比率信道状态信息反馈的简化用户组选择方案的方法和系统。本发明提出的方法的各方面可包括从多个用户选择第一用户，其信道增益大于与多用户的剩余部分相对应的信道增益。从所述多个用户的所述剩余部分选择至少第二用户，其中所述选择的至少第二用户具有与所述第一用户的信道方向近似正交的信道方向。信道增益可由量化的信道增益定义。可为选择所述至少第二用户、决定所述选择的第一用户的量化信道方向。

Description

在通信系统中处理信号的方法及系统

技术领域

本发明涉及通信系统中的信号处理，更具体地说，涉及一种频分双工(FDD)多用户多输入多输出(MIMO)下行传输的具有有限比率信道状态信息反馈的简化用户组选择方案的方法和系统。

背景技术

移动通信已经改变了人们的通信方式，而移动电话也已经从奢侈品变成了人们日常生活中不可缺少的一部分。今天，移动设备的使用是由社会环境驱动的，而不受地域和技术的限制。虽然语音通信满足了人们交流的基本要求，且移动语音通信已进一步渗入了人们的日常生活，但移动通信发展的下一阶段是移动互联网。移动互联网和/或移动视频将成为日常信息的普通来源，理所当然应实现对这些数据的简单通用的移动式访问。

第三代(3G)蜂窝网络专门设计来满足移动设备的这些未来的需求。随着这些服务的大量出现和使用，网络容量的成本效率优化和服务质量(QoS)等因素对于网络运营商而言，将变得比现在更为重要。当然，可以通过精细的网络规划和运营、传输方法的改进以及接收机技术的提高来实现这些因素。因此，载波需要允许它们增大下行吞吐量的技术，从而提供比那些有线调制解调器和/或DSL服务提供商的竞争对手更好的QoS容量和速率。

为了满足所述需求，由于承诺在无线衰退环境中显著地增加容量，在发射器和接收器中均使用多个天线的通信系统最近引起了广泛的注意。这些多天线配置，也被称为为智能天线技术，可用于减轻信号接收时多路径和/或信号干涉的负面影响。可预见地，为满足上述系统的渐增的容量需求，将越来越多地使用智能天线技术，同时在蜂窝系统中配置基站设施和移动用户单元。从当前基于语音的服务到下一代可提供语音、视频和数据通信的无线多媒体服务，这些需求都在逐渐显现出来。

多发和/或多收天线的使用被设计为可获得分集增益，并增加自由度，以抑制在信号接收过程中产生的干扰。分集增益通过增加接收信噪比和稳定传输来改进系统性能。另一方面，更多的自由度通过提供更坚固的防信号干涉、和/或允许更高的容量以更高的频率重复使用，来允许多个同时的传输。例如，在集成多天线接收器的通信系统中，M个接收天线可用于使(M-1)个干扰影响无效。相应地，可利用N个发送天线同时在相同带宽中发送N个信号，通过接收器中使用的N个天线集，已发送信号接着可被分解为N个独立信号。使用多个发送和接收天线的系统可称为多入多出(MIMO)系统。多天线系统，尤其是MIMO系统的一个很吸引人的方面在于，使用这些传输配置可大大增加系统容量。对于固定总传输能量，MIMO配置提供的容量与增加的信噪比(SNR)成比例。例如，在多径衰落信道中，SNR每增加3-dB，MIMO配置可增加大概M个额外比特/周期的系统容量。

然而，在无线通信中尤其在无线手持机设备中，由于大小、复杂度和功耗的增加导致的成本增加，限制了多天线系统的广泛发展。这引起无线系统设计和应用的问题。因此，多天线系统的某些初始工作可集中在支持单用户点对点链接的系统上。然而，在多用户环境中使用多天线技术来改善总吞吐量仍然是个挑战。

由于承诺在无线衰退环境中显著地增加容量，在发射器和接收器均使用多天线的通信系统最近引起了广泛的注意。然而，多天线系统的多数初始工作集中在支持单用户点对点链接的系统上。最近，各种尝试集中于在多用户环境中应用多天线技术以改善总体吞吐量上。

传统的多天线系统的性能依赖于发射器(CSIT)和接收器(CSIR)的信道状态信息(CSI)的可用性。在设计和分析阶段，大多数传统的多输入多输出(MIMO)通信系统假定CSIT完成或者没有可利用的CSIT信息。然而，在多数情况中，所述假定是不实际的，因为在发射器中只有量化的CSI可用。具有多用户的通信系统，如基于CDMA的通信系统、或者无线LAN环境的通信系统，可使用用户组选择算法和CSI反馈来实现阵列增益和传输分集。此外，下行信道的多用户分集也可通过使用发射器端可用的CSI信息来完成。然而，多数传统的用户组选择算法，如最优强力用户组选择算法，可使用复杂计算来确定CSI，并且可要求从接收基站至发射基站的整个CSI的反馈。所述计算复杂性和全CSI反馈可增加实施成本，并降低通信系统的处理时间和整体效率。

比较本发明后续将要结合附图介绍的系统，现有技术的其它局限性和弊端对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。

发明内容

一种频分双工(FDD)多用户多输入多输出(MIMO)下行传输的具有有限比率信道状态信息反馈的简化用户组选择方案的方法和系统，如结合至少一幅所述，在权利要求中有更完整地说明。

根据本发明的一个方面，提供了一种在通信系统中处理信号的方法，所述方法包括：

从多个用户选择第一用户，其信道增益大于与所述多个用户的剩余部分相对应的信道增益；以及，

从所述多个用户的所述剩余部分选择至少第二用户，其中所述选择的第二用户具有与所述第一用户的信道方向近似正交的信道方向。

优选地，所述信道增益由量化的信道增益定义。

优选地，所述方法进一步包括为选择所述至少第二用户、决定所述选择的第一用户的量化信道方向。

优选地，所述方法进一步包括为选择所述至少第二用户、滤波所述多个用户的剩余部分。

优选地，所述滤波通过如下的阈值正交函数完成：

${\mathrm{flag}}_k=\left\{\begin{array}{cc}1& {\mathrm{\&alpha;}}_k\&GreaterEqual;{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{th}}\\ 0& {\mathrm{\&alpha;}}_k<{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{th}}\end{array}\right.$ ，其中， ${\mathrm{\&alpha;}}_k=\frac{{\mathrm{\&eta;}}_k}{{\mathrm{\&gamma;}}_k},{\mathrm{\&eta;}}_k={|{<h}_k,{\hat{v}}_i^{\&perp;}>|}^2$ ，其中k是指数，η_k是通信系统中关于广播波束 第k个用户接收的信噪比，α_th是阈值，α_k是正交参数，γ_k是通信系统中第k用户的信道增益。

优选地，所述方法进一步包括基于所述选择所述第一用户和所述选择至少第二用户，将系统容量最大化。

优选地，所述方法进一步包括，如果所述选择的第一用户和所述选择的至少第二用户的系统容量函数大于所述选择的第一用户的系统容量函数，为预编码通信系统中至少一个传输信号产生第一预编码矩阵。

优选地，由所述选择的第一用户的量化信道方向和所述选择的第一用户的所述量化信道方向的正交方向决定所述第一预编码矩阵。

优选地，所述方法进一步包括，如果所述选择的第一用户和所述选择的至少第二用户的系统容量函数不大于所述选择的第一用户的系统容量函数，为预编码通信系统中的至少一个传输信号产生第二预编码矩阵。

优选地，由所述选择的第一用户的量化信道方向的复数共轭决定所述第二预编码矩阵。

根据本发明的一个方面，提供了一种在通信系统中处理信号的系统，所述系统包括：

从多个用户选择第一用户的电路，所述第一用户的信道增益大于与所述多个用户的剩余部分的信道增益相对应的信道增益；以及，

所述电路从所述多个用户的所述剩余部分选择至少第二用户，其中所述选择的至少第二用户具有与所述第一用户的信道方向近似正交的信道方向。

优选地，所述信道增益由量化的信道增益定义。

优选地，所述电路为选择所述至少第二用户、决定所述选择的第一用户的量化信道方向。

优选地，所述电路为选择所述至少第二用户、滤波所述多个用户的剩余部分。

优选地，所述滤波通过如下的阈值正交函数完成：

${\mathrm{flag}}_k=\left\{\begin{array}{cc}1& {\mathrm{\&alpha;}}_k\&GreaterEqual;{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{th}}\\ 0& {\mathrm{\&alpha;}}_k<{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{th}}\end{array}\right.$ ，其中， ${\mathrm{\&alpha;}}_k=\frac{{\mathrm{\&eta;}}_k}{{\mathrm{\&gamma;}}_k},{\mathrm{\&eta;}}_k={|{<h}_k,{\hat{v}}_i^{\&perp;}>|}^2$ ，其中k是指数，η_k是通信系统中关于广播波束 第k个用户接收的信噪比，α_th是阈值，α_k是正交参数，γ_k是通信系统中第k用户的信道增益。

优选地，所述电路基于选择所述第一用户和选择所述至少第二用户、将系统容量最大化。

优选地，如果所述选择的第一用户和所述选择的至少第二用户的系统容量函数大于所述选择的第一用户的系统容量函数，所述电路为预编码通信系统中的至少一个传输信号，产生第一预编码矩阵。

优选地，所述第一预编码矩阵由所述选择的第一用户的量化信道方向和所述选择的第一用户的所述量化的信道方向的正交方向决定。

优选地，如果所述选择的第一用户和所述选择的至少第二用户的系统容量函数不大于所述选择的第一用户的系统容量函数，所述电路为预编码通信系统中的至少一个传输信号，产生第二预编码矩阵。

优选地，由所述选择的第一用户的量化的信道方向的复数共轭决定所述第二预编码矩阵。

根据本发明的一个方面，提供了一种机器可读存储器，其上存储有具有至少一个编码部分的计算机程序，用于处理通信系统中的信号，所述至少一个编码部分可被机器执行，从而促使机器执行以下步骤：

从多个用户选择第一用户，其信道增益大于与所述多个用户的剩余部分相对应的信道增益；以及，

从所述多个用户的所述剩余部分选择至少第二用户，其中所述选择的第二用户具有与所述第一用户的信道方向近似正交的信道方向。

优选地，所述信道增益由量化信道增益定义。

优选地，机器可读存储器进一步包括为选择所述至少第二用户、决定所述选择的第一用户的量化信道方向的编码。

优选地，机器可读存储器进一步包括为选择所述至少第二用户、滤波所述多个用户剩余部分的编码。

优选地，所述滤波通过如下的阈值正交函数完成：

${\mathrm{flag}}_k=\left\{\begin{array}{cc}1& {\mathrm{\&alpha;}}_k\&GreaterEqual;{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{th}}\\ 0& {\mathrm{\&alpha;}}_k<{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{th}}\end{array}\right.$ ，其中， ${\mathrm{\&alpha;}}_k=\frac{{\mathrm{\&eta;}}_k}{{\mathrm{\&gamma;}}_k},{\mathrm{\&eta;}}_k={|{<h}_k,{\hat{v}}_i^{\&perp;}>|}^2$ ，其中k是指数，η_k是通信系统中关于广播波束

第k个用户的接收信噪比，α_th是阈值，α_k是正交参数，γ_k是通信系统中第k用户的信道增益。

优选地，机器可读存储器进一步包括基于选择所述第一用户和选择所述至少第二用户、将系统容量最大化的编码。

优选地，机器可读存储器进一步包括代码，如果所述选择的第一用户和所述选择的至少第二用户的系统容量函数大于所述选择的第一用户的系统容量函数，所述编码为预编码通信系统中至少一个传输信号、产生第一预编码矩阵。

优选地，由所述选择的第一用户的量化信道方向和所述选择的第一用户的量化正交方向决定所述第一预编码矩阵。

优选地，机器可读存储器还包括代码，如果所述选择的第一用户和所述选择的至少第二用户的系统容量函数不大于所述选择的第一用户的系统容量函数，所述编码为预编码通信系统中至少一个传输信号、产生第二预编码矩阵的编码。

优选地，由所述选择的第一用户的量化信道方向的复数共轭决定所述第二预编码矩阵。

本发明的各种优点、各个方面和创新特征，以及其中所示例的实施例的细节，将在以下的说明书和附图中进行详细介绍。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1A是本发明有限速率反馈多用户通信环境中的从基站至接收器的信号传输示意图；

图1B是本发明具有有限速率信道状态信息反馈的多用户多输入多输出(MIMO)下行传输系统的框图；

图2A是本发明具有有限速率信道状态信息反馈的用户组选择的步骤的高级流程图；

图2B是本发明具有有限速率信道状态信息反馈的用户组选择的步骤流程图；

图3是本发明根据求和率的下行传输方案的示意图；

图4是本发明根据误比特率的下行传输方案的示意图。

具体实施方式

本发明的某些实施例可在一种频分双工(FDD)多用户多输入多输出(MIMO)下行传输的具有有限比率信道状态信息反馈的简化用户组选择方案的方法和系统中找到。本发明的各方面可包括从多个用户中选择第一用户，该第一用户的信道增益大于与多个用户的剩余部分相对应的信道增益。从多个用户的剩余部分中选择至少第二用户。选择的至少第二用户的信道方向与第一用户的信道方向正交。信道增益可通过量化信道增益来定义。为选择至少第二用户，确定所选择第一用户的量化信道方向。在这点上，本发明简化的用户组选择方案可显著地降低计算复杂程度和从接收器基站传输至基站发射器的CSI反馈信息的总量。本文中使用的“用户”是指移动设备。

图1A是本发明有限速率反馈多用户通信环境中的基站至接收器的信号传输示意图。参照图1A，示出了通信系统100a，包括基站102a、第一用户(用户1)104a和第二用户(用户2)106a。基站102a可包括天线116a、…、122a。第一用户104a和第二用户106a可各具有单个天线。在这个例子中，基站102a可发射信号112a和114a，发射信号112a和114a分别由第一用户104a和第二用户106a接收。

在第一用户104a和第二用户106a分别处理信号112a和114a后，第一用户104a和第二用户106a可传输量化信道状态信息 108a和

110a。量化信道状态信息 108a和

110a分别包括第一用户104a和第二用户106a的信道增益信息和信道方向信息。基站102a可使用接收的量化信道状态信息

108a和110a以对第一用户104a和第二用户106a的传输信息进行预编码。在本发明的一个实施例中，第一用户104a和第二用户106a可通过基站102a和用户104a与106a之间的速率约束反馈链接来将有限速率信道状态信息108a和110a传输至基站102a，以最大化吞吐量并增加处理速度和效率。

在本发明另一个实施例中，基站102a可装备M个天线，并且通信系统100a中可能有K个用户，其中每个用户可包括单个天线。在这种环境下，信号模型可表达为

$\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\\ .\\ .\\ .\\ y_k\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{h}_1\\ h_2\\ .\\ .\\ .\\ h_k\end{array}\right]x+n---\left(1\right)$

其中y_k(k=1，...，K)可以是用户k接收的信号，h_k∈C^1×M可以是用户k的信道向量，x∈C^M×1可以是基站102a传输的符号向量，n∈C^K×1是具有0均值和单位变量的附加白高斯噪音(AWGN)。发射的符号可满足特定的功率约束，例如，E[x^Hx]≤P，其中(·)^H可表示复数共轭转置矩阵。

在所述示例性分析中，h_k中每个元素可以是具有单位变量的0均值循环对称复数高斯(ZMCSCG)随机变量。此外，用户可经历独立衰退，并因此，信道向量 ${\left\{h_k\right\}}_{k=1}^K$ 可统计地相互独立。信道状态信息(CSI)，h_k对用户k是已知的，但对其它用户可能非已知。基站102a可具有所有用户的CSI的信息。在本发明的一个实施例中，通信系统100a可以是频分双工(FDD)通信系统。在这点上，基站102a可通过速率约束反馈链接从第一用户104a和第二用户106a获得CSI108a和110a。

在蜂窝多用户通信系统中的基站采用多个天线可提高下行系统容量。这种方法可应用于任何多用户MIMO系统，例如，码分多址2000(CDMA2000)，宽带CDMA(WCDMA)和无线LAN(WLAN)。如果信道状态信息可用，可通过在发射器或者基站处预编码、同时与多个用户进行通信来实现容量的改善。在这点上，发射器或基站指的是可用于与多个其他设备、用户和/或接收器通信的任何设备或器件。此外，用户或接收器指的是可用于与基站和/或其他设备通信的用户器件或设备。脏纸编码(DPC)可用作可达到总容量的预编码方案。然而，因为复杂性的问题，DPC很难实现。现有技术中也有多用户MIMO下行线的其它非最理想但复杂度较低的方案，例如，线性预编码、汤林森-何洛绪玛预编码(THP)和向量编码。

如果组合了无限阶多用户分集，即用户数量K接近无限，迫零(ZF)线性预编码器可达到总容量。此外，尽管用户的熟练是有限的，例如，K＝10，ZF预编码器可达到接近最优化的性能。

迫零预编码器可以是特定类型的线性预编码器。如果站基例如图1A中的基站102a决定传输给一组用户D_{1，...，K}时，其中d＝|D|≤K，线性预编码方案可在从基站传输之前，线性地加权数据符号s＝[s₁，...，s_d]^T，

x＝FP_s                    (2)

其中x是等式(1)中传输的信号向量，F＝[f₁，…，f_d]可以是M×d线性预编码矩阵，具有标准化列(‖f_k‖＝1)，以及P＝diag{，P₁...，P_d}，其中， ${\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^d{P}_i\&le;P$ 可以是功率控制矩阵，可用于向不同的用户分配发射功率。接收的信号如下面的等式

$\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\\ .\\ .\\ .\\ y_k\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{h}_1\\ h_2\\ .\\ .\\ .\\ h_k\end{array}\right]{\mathrm{FP}}_s+n---\left(3\right)$

如果H_D具有行满秩，迫零预编码器可使用总体信道矩阵 ${\mathrm{HD}=[h_l^T,...,h_d^T]}^T$ 的伪逆矩阵作为权重矩阵，例如

$W_D=H_D^{+}=H_D^H{\left(H_D{H}_D^H\right)}^{-1}---\left(4\right)$

$F_D=W_D\left[\begin{array}{ccccc}\frac{1}{W_1}& & & & \\ & \&CenterDot;& & & \\ & & \&CenterDot;& & \\ & & & \&CenterDot;& \\ & & & & \frac{1}{W_d}\end{array}\right]---\left(5\right)$

其中 ${\left\{w_i\right\}}_{i=1}^d$ 是W_D的列。

通过定义

$\mathrm{\&xi;}\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}\frac{1}{w_i}---\left(6\right)$

以及将等式(5)代入等式(3)，每个用户接收的具有迫零预编码的信号可表示为，

y_i＝ξ_iP_is_i+n_i，_i∈D            (7)

在这点上，多用户下行线信道可变成一组平行的信道。给定用户组D的最大总和速率可由下式给出：

$C_D=\underset{i\&Element;D}{\mathrm{\&Sigma;}}\log (1+{\mathrm{\&xi;}}_i{P}_i)---\left(8\right)$

其中，最优P_i可由灌水(water-filling)方法解决，

$\mathrm{Pi}={(\mathrm{\&mu;}-\frac{1}{\mathrm{\&xi;i}})}^{+},---\left(9\right)$

选定水的级别μ以满足 ${\mathrm{\&Sigma;}}_{i\&Element;D}{(\mathrm{\&mu;}-\frac{1}{\mathrm{\&xi;i}})}^{+}=P$ 。给定信道实现的最大可达到的总和速率可通过在所有可能的用户组中搜索得到，即

$C=\underset{D\&SubsetEqual;\{1,...,K\}.\left|D\right|\&le;M}{\max }{C}_D---\left(10\right)$

ZF预编码的优化的或最佳用户组选择可要求搜索多个 参选用户组，以找到导致相当高运算成本的最大总和速率的用户。此外，在FDD系统如通信系统100a中，发射器102a可能需要信道状态信息来执行优化用户组搜索，可通过反馈链接从用户104a和106a获得信道状态信息。因为优化搜索要求每个用户的CSI，并且每个用户信道是M维数的复数向量，即每个用户有2M个实数，为了获得此信息，反馈链接将承受很大的负担。因为反馈链接具有很低的容量，因此这是非常麻烦的。用户组选择方案，例如，以下参照图2描述的选择方案，可简单化实施方式并要求较少的反馈信息。在这点上，所述选择方案可用于具有多发射天线的多用户通信系统中有限信道状态信息反馈。

图1B是本发明具有有限速率信道状态信息反馈的多用户多输入多输出(MIMO)下行传输系统的示意图。参照图1B，示出了通信系统100b，可包括基站102b和K个用户150b、…、152b。通信系统100b中，基站102b可包括M个发射(TX)天线，并且，K个用户150b、…、152b的每个可具有单个接收(RX)天线。在这个实施例中，用户或接收器天线总数可等于或大于基站天线的数量，即，K≥M。

基站102a可包括多个信道编码器104b、…、106b、用户调度器108b、多个调制器(MOD)110b、…、112b、功率控制模块114b、波束赋形或线性预编码模块116b、处理器107b和存储器109b。多个用户150b、…、152b的每个可包括多个解调器(DEM)118b、…、119b之一、多个信道解码器120b、…、121b之一、多个信道估测器122b、…、123b之一、多个信道均衡器126b、…、127b之一和多个反馈控制器124b、…、125b之一。

信道编码器104b、…、106b可包括恰当的逻辑、电路和/或编码，用于对通信系统100b中的K个用户的每一个的二进制数据b1、…、bk编码。波束赋形或线性预编码模块116b可包括恰当的逻辑、电路和/或编码，可用于处理用户数据符号以分离发送至不同用户的信号，因此，每个用户将接收到很少或不会接收到其他用户的干扰信号。在基站102b有M个天线，波束赋形或线性预编码模块116b可分离最多M个不同的信号，即基站102b可一次发送信号至最多M个用户。因此，对于每个信道实现，基站102b需要在所有的K个用户中选择M个或少于M个用户进行传输。

用户调度器108b可包括恰当的逻辑、电路和/或编码，可用于从多个用户150b、…、152b中找出最佳用户组，以优化特定性能标准，例如，系统总吞吐量。在这点上，用户调度器108b可用于执行简化用户组选择算法的步骤，例如，找出最佳用户组。在确定最佳用户组时，用户调度器108b可通过反馈路径142b使用用户150b、…、152b提供的信道状态信息(CSI)的信息。用户调度器108b可用于选择具有最强信道增益的第一用户，以及具有次强信道增益的第二用户。用户调度器108b可基于第一用户确定第一最大系统容量，并基于第二用户确定第二最大系统容量。用户调度器108b也可用于选择最高的第一最大系统容量和第二最大系统容量作为将被通信系统100b支持的最大系统容量。在这点上，M＝2的情况中，用户调度器108b可选择用户组以包括与选择的最大系统容量相关的一对用户。

调制器110b、…、112b可包括恰当的逻辑、电路和/或编码，可用于调制用户调度器108b选择的每个用户的二进制数据。在这点上，二进制数据的调制操作可产生多个复数符号u₁，...，u_M。功率控制模块114b可包括恰当的逻辑、电路和/或编码，可根据它们各自的信道质量，对不同的用户分配不同的功率级别，例如，基于通过反馈路径142b接收的CSI。

用户调度器108b、功率控制模块114b和/或波束赋形或线性预编码模块116b可要求下行信道状态的信息。处理器107b可包括恰当的逻辑、电路和/或编码，可处理与基站102b传输信号的产生相关的信息和/或数据。处理器107b可控制基站102b的至少一部分操作。存储器109b可包括恰当的逻辑、电路和/或编码，可存储在至少一部分基站102b的操作中使用的数据和/或控制信息。

用户150b，…，152b中解调器118b、…、119b可包括恰当的逻辑、电路和/或编码，可解调从基站102b接收的信号。信道解码器120b、…、121b可包括恰当的逻辑、电路和/或编码，可将来自解调器118b、…、119b的解调的信号解码为接收的二进制比特流b’1、…、b’k。

信道估测器122b、…、123b可包括恰当的逻辑、电路和/或编码，可估测一个或多个接收信道的信道状态信息。信道量化器126b、…、127b可包括恰当的逻辑、电路和/或编码，可用于量化信道估测器122b、…、123b估测的信道状态信息。反馈控制器124b、…、125b可包括恰当的逻辑、电路和/或编码，可为通过反馈链接142b至基站102b的通信产生信道状态信息输出138b、…、140b。

在运行中，输入信号b₁、…、b_k可由信道编码器104b、…、106b进行编码。基于通过反馈链接142b从用户150b、…、152b接收的下行信道状态信息138b、…、140b，用户调度器108b可选择传输已决定用户组，以优化特定性能标准，例如，通信系统100b的总吞吐量。每个已选择用户的二进制数据可通过调制器110b、…、112b调制，并可被转换为复数符号u₁、…、u_M。然后功率控制模块114b可根据它们各自的信道质量将总传输功率分配至不同用户。可基于通过反馈链接142b从用户150b、…、152b接收的下行信道状态信息138b、…、140b确定信道质量。线性预编码器116b可以每个用户150b、…、152b接收其自有信号且少量或没有来自其他用户干扰的方式处理用户数据符号。在信号从M个基站TX天线发送并到达每个用户150b，…，152b之后，可被解调和解码为接收的二进制数据流b’₁、…、b’_k。

在频分双工(FDD)系统中，如通信系统100b，基站102b可通过有限速率反馈链接142b从用户150b、…、152b获得下行信道状态信息138b、…、140b。在本发明的一个实施例中，每个用户可估测其自有信道并根据通信系统100b的反馈速率约束量化信道。在这点上，可使用选择算法，以此每个用户的反馈控制器124b、…、125b可确定有限速率信道状态信息以针对基站102b的请求进行反馈，以此优化基站102b的用户组选择。下面参照图2B描述的选择算法，可显著地降低通信系统复杂性，以及，要求地反馈信息的总量，以此有效地降低反馈率。

图2A是本发明具有有限速率信道状态信息反馈的用户组选择的步骤的高级流程图。参照图1B和图2A，在202a，基站102b可基于来自所有用户的量化信道增益信息从k个用户150b、…、152b选择第一用户。在204a，选择第一用户后，满足与第一用户信道正交标准的剩余用户的一部分可被选择。例如，可使用正交阈值参数对剩余用户进行选择，因此，已选择剩余部分用户的信道方向与第一用户信道方向近似正交。在206a，可基于信道增益信息从已选择剩余部分用户中选择第二用户。在208a，可基于系统容量函数选择第一和/或第二用户用于传输。基站102b基于第一和/或第二用户是否被选择以接收通信系统lOOb中的信号、来计算预编码矩阵。

图2B是本发明具有有限速率信道状态信息反馈的用户组选择的步骤流程图。参照图1B和2B，简化用户组选择方案可用于通信系统100b中具有量化CSI反馈的多用户下行信道。为了简化，可假设M＝2。尽管所述算法是参照M＝2进行描述的，本发明不限于此，并且在此描述的算法可应用在其他具有不同数量的发射天线的FDD通信系统中。如图2B所示，用户组选择算法可与CSI反馈方案组合，并可包括下面9个步骤。

可假设用户具有理想CSIR，在某种意义上，MISO信道脉冲响应h_k∈C^1×2(M＝2)对每个用户是已知。在202，通过信道量化器126b、…、127b的、量化解析度为每个信道更新B_g比特的有限速率标量量化器，每个用户可量化其自有信道增益，或信道功率γ_k＝‖h_k‖²。量化信道增益

或相等的量化指数可通过速率约束反馈链接142b被传递回基站102b。信道增益量化器126b、…、127b可被优化以匹配发射器102b使用的预编码器116b，例如，迫零预编码器。可使用一个或多个性能矩阵，如容量和误比特率，以及信道统计分布以改善系统性能。

在204，基于反馈信息

，发射器102b可基于下面的表达式选择具有最大信道增益的用户。

$i=\underset{1\&le;k\&le;K}{\arg \max }{\widehat{\mathrm{\&gamma;}}}_k---\left(11\right)$

基于选择的指数i，基站可向要求单位标准向量v_i(v_i＝h_i/‖h_i‖)的第i个用户请求信道方向反馈。

在206，基于来自基站的请求，第i个用户可通过具有内部积量化标准的向量量化器来量化自有信道方向。方向向量v_i可被量化为具有量化解析度为每信道更新B_v比特的

。量化的向量 或量化指数可使用相同的反馈链接142b反馈回基站。

在208，基于信道反馈方向 ，基站102b可组成正交波束

，可由下面的等式给定

${\hat{v}}_i^{\&perp;}=[{\hat{v}}_{{i,2}^{\&prime;}}^{*}-{\hat{v}}_{i,1}^{*}]---\left(12\right)$

其中，

和

可以是向量 的第一和第二元素。基站102b可随后广播共轭波束

至所有用户150b、…、152b。

在210，每个接收器可测量其自有接收的SNRη_k，SNRη_k与基站102b发送的广播波束相关，可由下面的等式给出

${\mathrm{\&eta;}}_K=|<h_k,{\hat{v}}_i^{\&perp;}>{|}^2---\left(13\right)$

因此，第k个用户信道方向向量v_k和向量 之间的内部积可以由下列等式给出

${\mathrm{\&alpha;}}_K=\frac{{|{<h}_k,{\hat{v}}_i^{\&perp;}>|}^2}{\left|\right|h_k\left|\right|}=\frac{{\mathrm{\&eta;}}_K}{{\mathrm{\&gamma;}}_K}---\left(14\right)$

其中α_k可以是第k个用户的正交参数，并可包括[0，1]范围内的实数。α_k的值可表示用户j和用户k之间的正交信道方向。例如，α_k＝1可对应h_k和

理想地互相正交的情况。基于α_k的值，每个用户可组成1比特的标记信息flag_k。标记信息flag_k可通过对比α_k与固定的或预设的阈值α_k，表示第k个用户是否与第i个用户“足够”的正交，也就是，

${\mathrm{flag}}_K=\left\{\begin{array}{cc}1& {\mathrm{\&alpha;}}_K\&GreaterEqual;{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{th}}\\ 0& {\mathrm{\&alpha;}}_K<{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{th}}\end{array}\right.---\left(15\right)$

所述1比特指示信息可看作将用户划分为两组的标记：与第i个用户半正交的用户，以及不与第i个用户半正交的用户。标记信息也可通过反馈链接142b反馈回基站102b。

在212，基于反馈标记信息flag_k和第k个用户的量化信道增益信息 ，基站102b可通过选择半正交组中的最强用户来选择第二用户j，也就是

$j=\underset{K\&Element;s}{\arg \max {\widehat{\mathrm{\&gamma;}}}_K}---\left(16\right)$

其中，S是由下面的表达式定义的半正交集

S＝{k|flag_k＝1}             (17)

在这点上，基站102b获得2个候选用户，i和j，并且可在各种传输模式之间选择。在一个传输模式中，可使用全功率仅传输至第i个用户。在另一个传输模式中，可在用户i和用户j之间平均分配功率、传输至用户i和用户j。在214，所述传输模式的系统容量可使用下面的表达式计算：

$C\left(i\right)\&ap;{\log }_2(1+\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;{\widehat{\mathrm{\&gamma;}}}_i),---\left(18\right)$

$C(i,j)\&ap;{\log }_2(1+\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;{\widehat{\mathrm{\&gamma;}}}_i/2)+{\log }_2(1+\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;{\widehat{\mathrm{\&gamma;}}}_j/2),---\left(19\right)$

其中ρ可以是系统平均SNR。约等于符号“≈”是由于

和

是量化的，两个用户i和j可假设为完全正交。基于C(i，j)和C(j)的对比，可由基站102b选择具有较高系统容量的传输模式。在本发明的一个实施例中，可假设第二用户j的量化信道方向

与第一用户i的量化信道方向

是正交的。

在步骤218，如果C(i，j)＞C(j)，使用空间多工的传输模式可用于同时与用户i和j通信。传输器预编码矩阵F可由下面的等式构成

$F=\left[{\hat{v}}_i^H{\hat{v}}_i^{\&perp;H}\right]/\sqrt{2}---\left(20\right)$

在步骤216，如果C(i，j)≤C(i)，基站仅用于与第i用户通信的传输模式可被使用。在这种情况下，预编码矩阵可根据下面的等式选择

$F={\hat{v}}_i^H---\left(21\right)$

参照图2B，步骤202、206和210可在接收器方完成，步骤204、208、212、214、216和218可在发射器或基站方完成。此处描述的方法可扩展至其它更复杂的预编码器，可提供更好的系统性能，例如，最小均方误差(MMSE)预编码器、汤林森-何洛绪玛预编码(THP)预编码器和/或球编码预编码器。如果用户K的数量足够大，有较高的可能性两个用户存在接近正交的信道向量。在这种情况下，迫零预编码器可接近优化预编码器，并且多数预编码技术可具有近似的系统性能。

在优化用户组选择算法和用户组选择算法之间进行搜索复杂性和反馈负载的比较如表1所示。

表1

复杂性和反馈对比

表1是优化用户组选择算法和用户组选择算法的总对比，在本说明书中以搜索复杂性和反馈负载的形式描述。系数a表示对比两个值的复杂性，b可表示计算灌水解决方案的复杂性。在这点上，b＞＞a，本说明书中描述的选择算法仅在步骤202和212中分别要求搜索两次，以确定最大值。第一搜索可以在K个用户中进行，第二搜索可在小于K个用户中进行。如果a表示两个负实数的复杂性，那么，本说明书中描述的信道状态信息反馈方案的复杂性可由下面的表达式给出：

χ≤2Ka，          (22)

如表1所示。对于优化组搜索算法，每个 $\left(\begin{array}{c}K\\ 1\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}K\\ 2\end{array}\right)=\frac{K(K+1)}{2}$ 可能的组，可计算灌水解决方案以得到每个组的总和速率。如果b表示计算灌水解决方案的复杂性，优化组选择算法的复杂性可以由下面的表达式表示：

${\mathrm{\&chi;}}_{\mathrm{opt}}\&GreaterEqual;\frac{K^2}{2}b---\left(23\right)$

需要注意的是，a＜＜b，并且

χ＜＜χ_opt                  (24)

本说明书中描述的信道状态信息反馈方案的反馈总量可以由下面的表达式表示：

B＝K·B_g+K+B_v比特，        (25)

优化组选择算法可通过下面的表达式表示：

B_opt＝K·B_g+K·B_v比特，    (26)

因此，在本说明书中描述的新方案中，需要的反馈量可被显著地降低，

B＜＜B_opt                  (27)

图3是本发明根据求和率的下行传输方案的示意图。参照图3，示出了对应具有单个基站和K＝100个用户的蜂窝系统的总和速率的数字仿真。例如，基站可配备M＝2个天线，每个用户可配备单个天线。所述信道是平衰减雷利信道。基站的传输天线可分离足够远地放置以承受独立的衰减。例如，此例中应用的调制格式可以是四相相移键控(QPSK)，并且正交阈值α_th，如等式15所示，可以选择为0.9。

参照图3，在图中示出了4个结果。信号302可对应具有传输器端信道状态信息(CSIT)的TDMA方案的速率总和。信号304可对应理想CSIT的迫零(ZF)、强力(BF)搜索的速率总和。根据本发明的一个实施例，信号306可对应具有理想CSIT的ZF、双搜索方案的速率总和。信号308可对应分配给信道增益反馈(B_g＝3)3比特和分配给信道方向反馈6比特(B_v＝6)的ZF、双搜索方案的速率总和。

信号302示出的TDMA方案可以循环形式挑选单个用户，并在一个时间段内使用最大传输率仅传输至一个用户，但是迫零预编码方案，如信号404、406和408描述，可在一个时间段内与多个用户通信。因此，迫零预编码方案可以达到高于TDMA方案的总和速率。具有优化强力用户组选择的迫零预编码、信号304，可以高计算复杂性和高反馈负载的成本获得最佳性能。根据本发明的实施例，信号306显著的优于具有非常有限的附加CSI反馈的TDMA方案。从图3中可以注意到，为信道增益反馈分配3比特，为信道方向反馈分配6比特可以充分地接近传输器端(CSIT)的理想CSI的性能。

图4是本发明根据误比特率的下行传输方案的示意图。参照图4，示出了对应具有单个基站和K＝100个用户的蜂窝系统的误比特率(BER)的数字仿真。例如，基站可配置M＝2个天线，并且每个用户可配备单个天线。信道可以是平衰减雷利信道。基站的传输天线可以是间隔的或者分离的以承受独立的衰减。例如，本例子中应用的调制格式可以是QPSK。

在这个例子中有4种结果。信号502可对应具有CSIT的TDMA方案的BER。信号504可对应具有理想CSIT的ZF、BF搜索的BER。信号506可对应具有理想CSIT的ZF、双搜索方案的BER。信号508可对应具有Bg＝3和Bv＝6的ZF、双搜索方案的BER。信号402、404、406和408之间的BER性能的结果与图3中为速率总和所示的信号302、304、306和308基本相同。

对比强力用户选择算法，本说明书中描述的信道状态信息反馈方案可显著地降低计算复杂性。例如，复杂性可以从大约K²/2降至低于2K(K＞＞2)，其中K可表示用户的数量。本发明的各种实施例也可显著地降低反馈信息的总量，从(K·B_g+K·B_v)比特减小至小于(K·B_g+K+B_v)比特。因此，新方案仅要求非常有限的CSI反馈速率，例如，每个用户几个比特的阶数。

尽管低速率约束CSI反馈，如果有大量用户，本说明书描述的信道状态信息反馈方案可实现多用户分集，以及，空间双工。根据本发明的实施例，简化用户组选择方案显著的优于TDMA方案，并在容量上接近具有最小反馈率，大约每用户2比特的理想CSIT的系统的性能。在本发明一个实施例中，本说明书描述的信道状态反馈信息方案可用于多个复杂预编码器中，如MMSE预编码器、THP预编码器、球编码预编码器中。

本发明的另一个实施例可提供机器可读存储，其上存储了具有至少一个编码部分的计算机程序，该至少一个编码部分可被机器执行，从而使机器执行如上所述的、频分双工(FDD)多用户多输入多输出(MIMO)下行传输的具有有限比率信道状态信息反馈的简化用户组选择方案。

参照图1B，在本发明的一个实施例中，基站102b可从多个用户中选择第一用户，该第一用户的信道增益大于与通信系统100b中的多个用户的剩余部分相应的信道增益。基站102b可从多个用户剩余部分选择至少第二个用户。所选择的至少第二个用户的信道方向与第一用户信道方向接近正交。信道增益可由量化信道增益来定义。基站102b可确定已选择第一用户的量化信道方向以选择至少第二用户。基站102b可滤波多个用户剩余部分以选择至少第二用户。滤波可通过下面的阈值正交函数完成：

${\mathrm{flag}}_k=\left\{\begin{array}{cc}1& {\mathrm{\&alpha;}}_k\&GreaterEqual;{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{th}}\\ 0& {\mathrm{\&alpha;}}_k<{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{th}}\end{array}\right.$ ，其中 ${\mathrm{\&alpha;}}_k=\frac{{\mathrm{\&eta;}}_k}{{\mathrm{\&gamma;}}_k}$ ， ${\mathrm{\&eta;}}_k={|<h_k,{\hat{v}}_i^{\&perp;}>|}^2$ ，其中k是指数，η_k是通信系统100b中根据广播波束

的第k用户的接收信噪比，α_k是阈值，α_k是正交参数，γ_k是通信系统100b中第k个用户的信道增益。

基站102b可基于选择第一用户和第二用户将系统容量最大化。如果选择的第一用户和选择的至少第二用户的系统容量函数大于选择的第一用户的系统容量函数，基站102b可产生第一预编码矩阵，以预编码通信系统中至少一个传输信号。可根据已选择第一用户的量化信道方向和已选择第一用户的量化信道方向的正交方向决定第一预编码矩阵。如果选择的第一用户和选择的至少第二用户的系统容量不大于选择的第一用户的系统容量，基站102b可产生第二预编码矩阵，用于预编码通信系统中至少一个传输信号。第二预编码矩阵由已选择第一用户的量化信道方向的复数共轭确定。

因此，本发明可以通过硬件、软件，或者软、硬件结合来实现。本发明可以在至少一个计算机系统中以集中方式实现，或者由分布在几个互连的计算机系统中的不同部分以分散方式实现。任何可以实现所述方法的计算机系统或其它设备都是可适用的。常用软硬件的结合可以是安装有计算机程序的通用计算机系统，通过安装和执行所述程序控制计算机系统，使其按所述方法运行。

本发明还可以通过计算机程序产品进行实施，所述程序包含能够实现本发明方法的全部特征，当其安装到计算机系统中时，通过运行，可以实现本发明的方法。本文件中的计算机程序所指的是：可以采用任何程序语言、代码或符号编写的一组指令的任何表达式，该指令组使系统具有信息处理能力，以直接实现特定功能，或在进行下述一个或两个步骤之后，a)转换成其它语言、编码或符号；b)以不同的格式再现，实现特定功能。

虽然本发明是通过几个具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或具体情况，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (10)

1、一种在通信系统中处理信号的方法，其特征在于，包括：

从多个用户选择第一用户，其信道增益大于与所述多个用户的剩余部分相对应的信道增益；以及，

从所述多个用户的所述剩余部分选择至少第二用户，其中所述选择的至少第二用户具有与所述第一用户的信道方向近似正交的信道方向。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信道增益由量化的信道增益定义。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括为选择所述至少第二用户、决定所述选择的第一用户的量化信道方向。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括为选择所述至少第二用户、滤波所述多个用户的剩余部分。

5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述滤波通过如下的阈值正交函数完成：

$\mathrm{fla}{g}_k=\left\{\begin{array}{cc}1& {\mathrm{\&alpha;}}_k\&GreaterEqual;{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{th}}\\ 0& {\mathrm{\&alpha;}}_k<{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{th}}\end{array}\right.$ ，其中， ${\mathrm{\&alpha;}}_k=\frac{{\mathrm{\&eta;}}_k}{{\mathrm{\&gamma;}}_k},{\mathrm{\&eta;}}_k={|<h_k,{{\hat{v}}_i}^{\&perp;}>|}^2$ ，其中k是指数，η_k是通信系统中关于广播波束

第k个用户接收的信噪比，α_th是阈值，α_k是正交参数，γ_k是通信系统中第k用户的信道增益。

6、一种在通信系统中处理信号的系统，其特征在于，包括：

从多个用户选择第一用户的电路，所述第一用户的信道增益大于与所述多个用户的剩余部分的信道增益相对应的信道增益；以及，

所述电路从所述多个用户的所述剩余部分选择至少第二用户，其中所述选择的至少第二用户具有与所述第一用户的信道方向近似正交的信道方向。

7、根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述信道增益由量化的信道增益定义。

8、根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述电路为选择所述至少第二用户、决定所述选择的第一用户的量化信道方向。

9、根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述电路为选择所述至少第二用户、滤波所述多个用户的剩余部分。

10、一种机器可读存储器，其特征在于，其上存储有具有至少一个编码部分的计算机程序，用于处理通信系统中的信号，所述至少一个编码部分可被机器执行，从而促使机器执行以下步骤：

从多个用户选择第一用户，其信道增益大于与所述多个用户的剩余部分相对应的信道增益；以及，

从所述多个用户的所述剩余部分选择至少第二用户，其中所述选择的第二用户具有与所述第一用户的信道方向近似正交的信道方向。

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