專利名稱：一種基于波束集選擇的隨機(jī)波束成形傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)
通信技術(shù)，尤其是涉及隨機(jī)波束成形傳輸方法。
背景技術(shù)：
選擇合適的用戶進(jìn)行傳輸是吞吐量優(yōu)化的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。 閉環(huán)MIMO系統(tǒng)典型地從接收端向發(fā)射端反饋信道狀態(tài)信息。發(fā)射端 根據(jù)反饋的信息選擇合適的用戶進(jìn)行傳輸。反饋信道狀態(tài)信息會(huì)消耗在其 它情況下可用于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的帶寬，但是發(fā)射端獲得信道狀態(tài)信息對提升 系統(tǒng)性能有很大的幫助。
M. Sharif禾fl B. Hassibi發(fā)表在2005年2月的IEEE Trans. Inf. Theory的 文章"On the capacity of MIMO broadcast channels with partial side information"提出了一種正交隨機(jī)波束成形(Orthogonal Random Beam-forming, ORBF)傳輸方案，該方案的基本思想是在發(fā)射端構(gòu)造多個(gè)隨機(jī)正 交波束，根據(jù)用戶反饋的信干比(Signal to Noise-Pius-Interference Ratios, SINR)選擇用戶并使用相應(yīng)的波束進(jìn)行傳輸。在用戶數(shù)充分大的時(shí)候，多 用戶分集使得隨機(jī)構(gòu)造的波束也能與一組用戶的信道相匹配，因此該方案 能使用少量的反饋信息獲得滿意的傳輸速率。但是在實(shí)際的系統(tǒng)中，同一 時(shí)刻有服務(wù)需求的用戶通常較少，在這種情形下ORBF性能不佳。另外在 系統(tǒng)平均信噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)高的情形下，ORBF是干擾 受限的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決原始ORBF方案在用戶數(shù)少或平均SNR高的情形 下速率性能差的問題。 本發(fā)明步驟如下
(1) 基站根據(jù)同向分布構(gòu)造一個(gè)隨機(jī)單位波束O,，通過波束O,向各 用戶發(fā)送導(dǎo)頻符號^;
(2) 各用戶接收基站發(fā)送的導(dǎo)頻符號^，估算導(dǎo)頻符號^對應(yīng)的有 效信噪比，將其發(fā)送給基站；
(3) 基站接收各用戶發(fā)送的有效信噪比，選擇最大信噪比對應(yīng)的用 戶作為第一備選傳輸用戶",，將波束O,作為第一備選傳輸波束；計(jì)算基站 與第一備選傳輸用戶",傳輸?shù)睦碚撍俾省叮?br> (4) 基站根據(jù)同向分布構(gòu)造兩個(gè)隨機(jī)單位波束《和c^'，采用波束 《和。2'向各用戶發(fā)送兩個(gè)導(dǎo)頻符號^'和^';
(5) 各用戶接收基站發(fā)送的導(dǎo)頻符號^'和^，分別估算導(dǎo)頻符號A' 和^'對應(yīng)的有效信干比，將最大的有效信干比和其對應(yīng)的導(dǎo)頻符號信息發(fā) 送給基站；
(6) 基站接收各用戶發(fā)送的有效信干比和其對應(yīng)的導(dǎo)頻符號信息， 在導(dǎo)頻符號^對應(yīng)的有效信干比中選出最大值，得到該最大值對應(yīng)的用戶 《，在導(dǎo)頻符號&'對應(yīng)的有效信干比中選出最大值，得到該最大值對應(yīng)的 用戶<，將(",'，"2'}作為第二備選傳輸用戶，{<!>/， 02'}作為第二備選傳 輸波束；計(jì)算基站與第二備選傳輸用戶(^， "2'}傳輸?shù)睦碚撍俾?2;
(7) 比較《和i 2大小，選擇較大值對應(yīng)的備選傳輸用戶和備選傳輸 波束作為最終選定用戶和最終選定傳輸波束；
(8) 基站采用最終選定傳輸波束向最終選定用戶傳輸數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，相比原始的ORBF方案減少了每次使用的波束個(gè) 數(shù)，從而減小了用戶之間的相互干擾，降低了計(jì)算復(fù)雜度；通過波束集選 擇尋找更合適的用戶，提升了總速率性能。


圖l為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖2為本發(fā)明流程圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖1包括基站11和用戶121、 122........
12N?；緇l通過無線信道與用戶121、 122、 ....... 12N通信，N為用戶
個(gè)數(shù)?；究梢允堑谌苿?dòng)通信3G蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)的基站，也可以是微波 存取全球互通WiMAX或第四代移動(dòng)通信4G系統(tǒng)的接入點(diǎn)。
由于基站使用隨機(jī)構(gòu)造的波束，在用戶數(shù)不多的情形下，難以找到一 組信道匹配程度高的用戶。如果使用較多的波束，則會(huì)增加用戶之間的干 擾。通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，使用一個(gè)或者兩個(gè)波束能在大多數(shù)情形下獲得最 好的總速率性能。因此，本發(fā)明在原始ORBF方案的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)訓(xùn) 練周期，減少了每次使用的波束個(gè)數(shù)，以獲得一個(gè)或者兩個(gè)波束的速率性 能優(yōu)勢。
圖2為本發(fā)明流程圖，下面結(jié)合附圖和實(shí)例詳細(xì)說明本發(fā)明。 設(shè)定基站11使用M (M22)根發(fā)射天線，每個(gè)用戶使用單根天線，申
請服務(wù)的用戶數(shù)為N，通常用戶數(shù)N大于發(fā)射天線數(shù)M，總發(fā)射功率為P。
考慮信道塊衰落(Block fading model)的情形，即每個(gè)用戶的信道矩陣H, (lxM)在每個(gè)相干時(shí)間內(nèi)保持不變，在不同的相干時(shí)間之間獨(dú)立地變化。
每個(gè)相干時(shí)間內(nèi)基站11首先使用兩個(gè)訓(xùn)練周期選擇合適的用戶，然后與選
擇的用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
步驟21為第一個(gè)訓(xùn)練周期，分為211、 212、 213以下3個(gè)子步驟進(jìn)行。 步驟211:基站11根據(jù)同向分布構(gòu)造一個(gè)隨機(jī)單位波束矢量O, ( Mx 1 )，
然后使用這個(gè)波束分別向用戶121、 122.......、 12N發(fā)送一個(gè)導(dǎo)頻符號^。
步驟212:第/個(gè)用戶的接收信號為，
乂；哉①A+w, (1) w,.是第i個(gè)用戶對應(yīng)的加性高斯白噪聲，噪聲功率為l; P和Hi分別為
總發(fā)射功率和第i個(gè)用戶的信道向量。
第/個(gè)用戶估計(jì)有效信噪比SNR,V H,.0,并反饋給基站11，本領(lǐng)域技術(shù)
人員應(yīng)當(dāng)理解，有效SNR值可以是模擬信息，也可以是量化信息。
步驟213:基站11選擇具有最大有效信噪比的用戶作為備選傳輸用戶
",，將波束O,作為第一備選傳輸波束，并根據(jù)香農(nóng)公式計(jì)算基站與用戶^進(jìn)
行傳輸?shù)睦碚撍俾?br> & = log2 (1 + ， SNR,) = log2 (1 + SNRK,) (2)
步驟22為第二個(gè)訓(xùn)練周期，分為221、 222、 223這3個(gè)子步驟進(jìn)行。
步驟221:基站11根據(jù)同向分布獨(dú)立構(gòu)造兩個(gè)隨機(jī)的單位波束矢量O,' (Mxl)和0>2' (Mxl)，然后使用這兩個(gè)波束向用戶121、 122、 ......、 12N
發(fā)射兩個(gè)導(dǎo)頻符號^和^'。
步驟222:第/個(gè)用戶接收信號為
乂' = V^H,A V + V^H'xD"' + w,' (3)
考慮等功率分配，w,'為第i個(gè)用戶對應(yīng)的加性高斯白噪聲(獨(dú)立于w,)， 噪聲功率為1， P和Hi分別為總發(fā)射功率和第i個(gè)用戶的信道向量。
每個(gè)用戶將某個(gè)導(dǎo)頻符號作為期望信號，而將另一個(gè)導(dǎo)頻符號作為干 擾信號，估計(jì)出兩個(gè)有效信干比，
<formula>formula see original document page 6</formula>比較這兩個(gè)有效信干比，將最大值和其對應(yīng)的導(dǎo)頻符號信息反饋給基 站11。若兩個(gè)值相等，則任意選擇一個(gè)值以及其對應(yīng)導(dǎo)頻符號信息進(jìn)行反饋。
步驟223:基站11接收到反饋信息后，找出導(dǎo)頻符號^對應(yīng)的最大有 效信干比和導(dǎo)頻符號<對應(yīng)的最大有效信干比，將這兩個(gè)值對應(yīng)的用戶作 為備選傳輸用戶組，用{<， "2'}表示，若最大值同時(shí)對應(yīng)兩個(gè)用戶，則任 意選擇一個(gè)用戶。將(0)/， 0>2'}作為第二備選傳輸波束。根據(jù)香農(nóng)公式計(jì)算 與該用戶組中兩個(gè)用戶進(jìn)行傳輸?shù)睦碚撍俾?br> <formula>formula see original document page 6</formula>步驟23:比較/ ,和^，若i 一^則選擇用戶",和波束0,作為最終選定
用戶和傳輸波束，否則選擇{《，"n和^/， 02'}為最終選定用戶和傳輸波束。
步驟24:基站11采用最終選定傳輸波束向最終選定用戶傳輸數(shù)據(jù)。
在下一個(gè)相干時(shí)間內(nèi)，基站11重復(fù)圖2所示的各個(gè)步驟，但要保證每 次構(gòu)造的隨機(jī)波束相互獨(dú)立。
根據(jù)以上的實(shí)例說明，雖然本發(fā)明增加了一個(gè)訓(xùn)練周期，但是通過減 少使用的波束個(gè)數(shù)降低了計(jì)算復(fù)雜度，減小用戶的相互干擾，而且總的反 饋信息量并未增加。另一方面，通過波束集選擇尋找更合適的用戶，在多 數(shù)情況下能提升總速率性能。
與原始的ORBF方案一樣，在本發(fā)明中也可以設(shè)置信噪比和信干比反 饋門限，只有當(dāng)信噪比和信干比超過反饋門限時(shí)用戶才反饋信息，這樣在 對性能影響很小的情況下可以進(jìn)一步減少系統(tǒng)的總反饋信息量。
權(quán)利要求
1、一種基于波束集選擇的隨機(jī)波束成形傳輸方法，包括以下步驟(1)基站根據(jù)同向分布構(gòu)造一個(gè)隨機(jī)單位波束Φ1，通過波束Φ1向各用戶發(fā)送導(dǎo)頻符號s1；(2)各用戶接收基站發(fā)送的導(dǎo)頻符號s1，估算導(dǎo)頻符號s1對應(yīng)的有效信噪比，將其發(fā)送給基站；(3)基站接收各用戶發(fā)送的有效信噪比，選擇最大信噪比對應(yīng)的用戶作為第一備選傳輸用戶u1，將波束Φ1作為第一備選傳輸波束；計(jì)算基站與第一備選傳輸用戶u1傳輸?shù)睦碚撍俾蔙1；(4)基站根據(jù)同向分布構(gòu)造兩個(gè)隨機(jī)單位波束Φ1′和Φ2′，采用波束Φ1′和Φ2′向各用戶發(fā)送兩個(gè)導(dǎo)頻符號s1′和s2′；(5)各用戶接收基站發(fā)送的導(dǎo)頻符號s1′和s2′，分別估算導(dǎo)頻符號s1′和s2′對應(yīng)的有效信干比，將最大的有效信干比和其對應(yīng)的導(dǎo)頻符號信息發(fā)送給基站；(6)基站接收各用戶發(fā)送的有效信干比和其對應(yīng)的導(dǎo)頻符號信息，在導(dǎo)頻符號s1′對應(yīng)的有效信干比中選出最大值，得到該最大值對應(yīng)的用戶u1′，在導(dǎo)頻符號s2′對應(yīng)的有效信干比中選出最大值，得到該最大值對應(yīng)的用戶u2′，將{u1′，u2′}作為第二備選傳輸用戶，{Φ1′，Φ2′}作為第二備選傳輸波束；計(jì)算基站與第二備選傳輸用戶{u1′，u2′}傳輸?shù)睦碚撍俾蔙2；(7)比較R1和R2大小，選擇較大值對應(yīng)的備選傳輸用戶和備選傳輸波束作為最終選定用戶和最終選定傳輸波束；(8)基站采用最終選定傳輸波束向最終選定用戶傳輸數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于波束集選擇的隨機(jī)波束成形傳輸方法，包括(1)基站構(gòu)造一個(gè)隨機(jī)單位波束，通過該波束向每個(gè)用戶發(fā)射一個(gè)導(dǎo)頻符號，各用戶向基站反饋信息，基站根據(jù)反饋信息確定第一備選傳輸用戶和傳輸波束；(2)基站構(gòu)造兩個(gè)隨機(jī)單位波束，通過這兩個(gè)波束向每個(gè)用戶發(fā)射兩個(gè)導(dǎo)頻符號，各用戶向基站反饋信息，基站根據(jù)反饋信息確定第二備選傳輸用戶和傳輸波束；(3)選擇傳輸效率高的備選傳輸用戶和傳輸波束為最終選定用戶和波束；(4)基站采用最終選定波束向選定用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。本發(fā)明使用波束個(gè)數(shù)少，減小了用戶之間的相互干擾，降低了計(jì)算復(fù)雜度；通過波束集選擇尋找更合適的用戶，提升了總速率性能。
文檔編號H04B7/06GK101174870SQ200710168438
公開日2008年5月7日 申請日期2007年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月20日
發(fā)明者劉應(yīng)狀, 周宗儀, 俊 孫, 超 張, 朱光喜, 林宏志, 王德勝 申請人:華中科技大學(xué)