專利名稱：基于發(fā)送輔助選擇用戶反饋的正交預(yù)波束成形傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方法，尤其涉及一種基于發(fā)送輔助選擇用戶反饋的正交預(yù)波束成形傳輸方法。
背景技術(shù)：
多入多出(MIMO)技術(shù)能在不增加帶寬的情況下成倍地提高無線通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。普遍認(rèn)為，多入多出技術(shù)在下一代蜂窩網(wǎng)、自組織網(wǎng)、無線局域網(wǎng)以及寬帶接入網(wǎng)中都將具有實(shí)際的應(yīng)用。90年代由AT&T Bell實(shí)驗(yàn)室學(xué)者首先完成多入多出技術(shù)的奠基工作；此后，Teladar、Foshinia、Tarokh等學(xué)者相繼研究了多入多出系統(tǒng)的容量、信號(hào)處理算法和空時(shí)碼；1998年Wolniansky等人采用垂直-貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)(V-BLAST)算法建立了一個(gè)多入多出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；最近，IS-856、HSDPA、IEEE 802.11n、802.16和802.20等標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)正式將多入多出技術(shù)納入其標(biāo)準(zhǔn)體系或作為推薦技術(shù)。
目前單用戶多入多出系統(tǒng)研究已比較成熟，大量的工作正對(duì)多用戶多入多出系統(tǒng)展開研究，重點(diǎn)集中在多用戶信號(hào)處理和傳輸方法方面。
多入多出系統(tǒng)的傳輸方法可以分為兩類，第一類為固定傳輸方法，具體又可分為空間分集和空分復(fù)用，傳統(tǒng)空間分集方法利用空時(shí)編碼技術(shù)可以有效提高鏈路性能，其中正交空時(shí)分組碼是一類譯碼簡(jiǎn)單且可獲取瑞利衰落信道中滿分集階數(shù)的空時(shí)編碼，但其應(yīng)用受天線數(shù)的限制，并且不能像其它利用信道狀態(tài)信息的分集技術(shù)那樣提供天線陣列增益；傳統(tǒng)空分復(fù)用方法利用不同天線傳輸獨(dú)立子流可以獲得很高的頻譜效率，同時(shí)較空時(shí)編碼有更低的復(fù)雜度。但不幸的是，傳統(tǒng)空分復(fù)用由于缺乏空間的冗余度使得其性能易受秩虧信道狀態(tài)的惡化。這兩類技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但不能利用信道狀態(tài)信息，不能適應(yīng)信道的時(shí)變特性，限制了系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提高。
針對(duì)多入多出信道時(shí)變特性，人們引入了自適應(yīng)傳輸方法，發(fā)送端根據(jù)信道狀態(tài)信息對(duì)功率、比特和空間等多維無線資源進(jìn)行自適應(yīng)分配，在衰落信道中可以有效提高系統(tǒng)的性能。自適應(yīng)方法有兩類并行技術(shù)，即自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)和預(yù)編碼技術(shù)。目前，多入多出系統(tǒng)的預(yù)編碼技術(shù)的實(shí)用性和研究成果都要超過自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)。由于復(fù)雜度原因，綜合考慮這兩類技術(shù)的研究還不多。與此相反，通過發(fā)送接收聯(lián)合處理的預(yù)編碼優(yōu)化設(shè)計(jì)得到了深入的研究。預(yù)編碼優(yōu)化設(shè)計(jì)允許系統(tǒng)根據(jù)用戶的信道狀態(tài)自適應(yīng)調(diào)整碼字，通過最大化信干比來獲取更好的性能?；诓煌瑴?zhǔn)則和線性接收結(jié)構(gòu)的預(yù)編碼方法研究中，最簡(jiǎn)單的一類技術(shù)就是多入多出信道預(yù)波束成形和接收波束成形。多入多出預(yù)波束成形系統(tǒng)通過多個(gè)發(fā)送天線發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)流并應(yīng)用多個(gè)接收天線合并接收信號(hào)，以獲取優(yōu)良的傳輸性能。與傳統(tǒng)空時(shí)編碼相比，在完全信道狀態(tài)信息假設(shè)條件下，發(fā)送端可以選擇最優(yōu)波束向量獲取完全分集增益和顯著的天線陣列增益。
由于多用戶多入多出系統(tǒng)受限于同信道干擾，自適應(yīng)傳輸策略必須能對(duì)用戶間的干擾進(jìn)行有效管理。臟紙編碼(DPC)通過用戶信號(hào)的依次預(yù)減方法進(jìn)行干擾避免，是多入多出廣播信道容量有效的獲取策略。但是，正如諸多文獻(xiàn)研究的那樣，DPC是一個(gè)非因果的編碼傳輸方法，且很復(fù)雜，不實(shí)用。目前基于DPC技術(shù)的多用戶分集方法得到了一定的研究。多用戶分集在多用戶分組交換無線網(wǎng)絡(luò)中可以有效對(duì)抗信道衰落，通過最佳用戶選擇可以有效逼近信道容量，但是其用戶選擇方法和信號(hào)處理方法仍然具有較高的復(fù)雜度。
多入多出系統(tǒng)巨大的容量潛力依賴于對(duì)完全信道狀態(tài)的利用，同樣，自適應(yīng)傳輸方法的性能也取決于對(duì)信道狀態(tài)的獲知情況。這就是說，為了保證傳輸方法的性能，發(fā)送端需要接收端反饋完全信道狀態(tài)信息。但是天線數(shù)的增加引起信道狀態(tài)信息量的激增，使得信道狀態(tài)的反饋成為系統(tǒng)沉重的開銷。因此，針對(duì)減少反饋信息量的有限反饋方法成為目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)，其研究結(jié)果將有效推動(dòng)多入多出系統(tǒng)的實(shí)用化進(jìn)程。
在多用戶系統(tǒng)中，降低反饋信息量有兩種思路一種是降低每個(gè)用戶的反饋信息量；另一種是選擇用戶反饋。第二種思路可以結(jié)合多用戶分集方法，在非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中得到很好的應(yīng)用。降低信道信息反饋量而同時(shí)又能保持系統(tǒng)性能在可接受的程度，成為有限反饋方法的性能度量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種能夠降低反饋信息量基于發(fā)送輔助選擇用戶反饋的正交預(yù)波束成形傳輸方法。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案第一步采用如下步驟對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化a.根據(jù)信道物理參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)確定系統(tǒng)用戶信道相關(guān)矩陣R，并由R進(jìn)一步確定用戶信道狀態(tài)矩陣H分布函數(shù)和H最大特征子信道增益分布函數(shù)和統(tǒng)計(jì)均值E[h2]，b.計(jì)小區(qū)用戶總數(shù)K，計(jì)算歸一化用戶數(shù)kl＝K/NT，NT為發(fā)送天線數(shù)，c.設(shè)定系統(tǒng)用戶目標(biāo)反饋數(shù)量Kn，取為發(fā)送天線NT的6至10倍，d.給出系統(tǒng)開始工作所需的初始反饋門限Γ，令反饋門限為E[h2]，e.設(shè)置構(gòu)造發(fā)送信號(hào)所需的預(yù)波束向量碼本，設(shè)置預(yù)波束向量碼本方法如下a)給定系統(tǒng)由于波束向量的量化帶來的信道功率退化系數(shù)目標(biāo)值ζ，b)確定預(yù)波束向量碼本中碼字個(gè)數(shù)N，N是滿足以下兩個(gè)條件的最小正整數(shù)①保證功率退化系數(shù)大于目標(biāo)值ζ，令ζ~=ζ/E[h2]]]>為歸一化功率退化系數(shù)目標(biāo)值，即N≥1-(ζ~)1/kl((NT-1)/4NT)NT-1(1-(NT-1)/4NT),]]>②N為發(fā)送天線數(shù)NT的整數(shù)倍，c)設(shè)計(jì)Nm組向量碼字，Nm為步驟b)中確定的N與發(fā)送天線數(shù)NT的商，每組NT個(gè)向量碼字相互正交，具體過程如下①生成信道狀態(tài)矩陣的一個(gè)樣本H，進(jìn)行奇異值分解H＝AΛBH，令第一組NT個(gè)相互正交的預(yù)波束向量碼字分別為B的NT個(gè)列向量，這組碼字記為B1，②生成信道狀態(tài)矩陣的另一個(gè)樣本H，進(jìn)行奇異值分解H＝AΛBH，如果BHB1，BHB2，…，BHBn-1中所有的元素絕對(duì)值位于1/Nm和1-1/Nm之間，則令第n組NT個(gè)相互正交的預(yù)波束向量碼字分別為B的NT個(gè)列向量，這組碼字記為Bn，反之，則重新生成樣本H，③重復(fù)步驟②，直到生成第Nm組NT個(gè)相互正交的預(yù)波束向量碼字這組碼字記為BNm，f.置構(gòu)造發(fā)送信號(hào)所需的子信道增益增量碼本，這里子信道增益增量是指子信道增益減去反饋門限的差值。設(shè)置子信道增益增量碼本方法如下a)根據(jù)H最大特征子信道增益分布函數(shù)，確定子信道增益增量范圍，設(shè)增益增量范圍為0～Mh2，對(duì)所有大于Mh2的增益增量都令其為Mh2，b)定增益增量碼本個(gè)數(shù)M，M是滿足以下兩個(gè)條件的最小正整數(shù)①滿足系統(tǒng)給定的系統(tǒng)要求，②M以2為底的對(duì)數(shù)為正整數(shù)，c)對(duì)0～Mh2增益增量范圍進(jìn)行分割，具體過程如下①對(duì)0～Mh2增益增量范圍歸一化，使其在0～1的分布范圍，②對(duì)0～1間的增益增量值按A率壓縮，③將壓縮后的增益增量值平均分割為M個(gè)區(qū)間，設(shè)為Δ＝{Δ1，Δ2，LΔM}，④對(duì)這M個(gè)區(qū)間進(jìn)行編碼，每log2M個(gè)二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成一個(gè)碼字，對(duì)應(yīng)一個(gè)區(qū)間，得到增益增量碼本C＝{C1，C2，L CM}，第二步系統(tǒng)按周期發(fā)送信號(hào)，每個(gè)發(fā)送周期中的信號(hào)構(gòu)造方法如下a.當(dāng)前發(fā)送周期內(nèi)，系統(tǒng)根據(jù)上一發(fā)送周期中反饋門限Γ，選擇系統(tǒng)中部分用戶進(jìn)行反饋，具體過程如下①用戶k(k＝1，L，K，K為系統(tǒng)中總用戶數(shù))在接收端完成信道狀態(tài)估計(jì)后，對(duì)信道矩陣進(jìn)行奇異值分解Hk=AkΣkBkH,]]>得到最大子信道增益值hk2，②所有最大子信道增益值大于等于反饋門限的用戶被選擇為反饋用戶，其信息反饋到發(fā)送端，其余用戶等待，設(shè)反饋用戶總數(shù)為K′，b.反饋的用戶選擇子信道增益增量碼字，并通過反饋信道反饋到發(fā)送端，子信道增益增量碼字選擇過程如下①用戶k′(k′＝1，L，K′)計(jì)算最大子信道增益值hk′2與反饋門限的差值，②確定此差值對(duì)應(yīng)的增量區(qū)間Δmk′，③選擇此增量區(qū)間對(duì)應(yīng)的碼字為用戶所要反饋的碼字，設(shè)為Cmk′，c.選擇反饋的用戶選擇量化預(yù)波束向量，并通過反饋信道連同子信道增益增量碼字一起反饋到發(fā)送端，量化預(yù)波束向量選擇過程如下
①用戶k′(k′＝1，L，K′)根據(jù)信道奇異值分解Hk′=Ak′Σk′Bk′H]]>得到最優(yōu)預(yù)波束向量bk′，bk′為Bk的第一列列向量，②從預(yù)波束向量碼本中選擇量化預(yù)波束向量碼字，即fnk′=argminfi,i=1,L,N||bk′bk′H-fi(fi)H||F2,]]>d.送端在所有進(jìn)行反饋的用戶中根據(jù)準(zhǔn)正交設(shè)計(jì)方法選擇出NT個(gè)用戶，具體過程如下①計(jì)算用戶k′(k′＝1，L，K′)的最大子信道增益 ②計(jì)算用戶k′接收端信噪比 ③選擇第一個(gè)用戶use1=argmin1k′/SNRk′,]]>④選擇第k″個(gè)用戶usek′′=argmini≠1,L,k′′-1(1/SNRi+Σj=1k′′-1Σj,i),]]>這里ηj,i=|(fni)Hfnj|2,]]>⑤重復(fù)步驟d，直到k″＝NT，e.構(gòu)造NT個(gè)被選擇的用戶的信號(hào)，首先令用戶k″(k″＝1，L，NT)的預(yù)波束向量為fk′′=P/NTfnk′′,]]>得到用戶k″發(fā)送信號(hào)為fk″xk″，這里xk″為用戶待傳的信息符號(hào)，f.構(gòu)造系統(tǒng)總發(fā)送信號(hào)，總發(fā)送信號(hào)通過直接疊加NT個(gè)被選擇的用戶的信號(hào)得到，即Tx=f1x1+f2x2+L+fNTxNT,]]>g.在當(dāng)前發(fā)送周期內(nèi)，系統(tǒng)設(shè)置反饋門限值Γ，利用系統(tǒng)廣播信道對(duì)所有用戶廣播，以供下個(gè)周期系統(tǒng)選擇用戶，反饋門限值Γ設(shè)置過程如下①計(jì)算當(dāng)前周期內(nèi)所有反饋用戶的子信道增益均值h2，②計(jì)算K′與Kn的最大值和差值，并計(jì)算差值和最大值的商，將此商乘以子信道增益均值得到反饋門限的調(diào)整步長(zhǎng)，③下個(gè)周期反饋門限為當(dāng)前反饋門限值減去調(diào)整步長(zhǎng)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明是通過設(shè)置自適應(yīng)反饋門限對(duì)反饋用戶數(shù)量進(jìn)行有效控制以降低反饋量，通過設(shè)計(jì)正交的波束向量碼本對(duì)反饋信息進(jìn)行量化，進(jìn)一步降低反饋信息量，同時(shí)利用向量碼本進(jìn)行最終用戶選擇和直接構(gòu)造用戶信號(hào)。在用戶信道狀態(tài)服從獨(dú)立同分布，且快速變化的情況下，本發(fā)明同時(shí)支持用戶的短期公平性和長(zhǎng)期公平性。
1.性能可以逼近最優(yōu)方法，例如在市郊蜂窩傳播環(huán)境a)三發(fā)天線系統(tǒng)在不同用戶數(shù)和系統(tǒng)平均信噪比SNR＝20dB的條件下，隨著用戶數(shù)的增加，本發(fā)明在碼本N＝6和N＝15時(shí)獲取的和容量很快接近方法1的獲取容量。這是因?yàn)殡S著用戶數(shù)的增加，向量碼本中向量碼字以越來越大的概率接近部分用戶的最優(yōu)預(yù)波束向量，降低了量化誤差。同樣原因，碼本N＝6和N＝15獲取的容量隨著用戶數(shù)增加趨于接近。
b)三發(fā)天線系統(tǒng)在不同信噪比和用戶數(shù)K＝100的條件下，由于本發(fā)明設(shè)置了自適應(yīng)反饋門限，對(duì)用戶信道狀態(tài)具有穩(wěn)健性，因此隨著信噪比的增加，本發(fā)明和方法1的獲取的容量保持一個(gè)很小的相對(duì)固定的差值。
c)四發(fā)天線系統(tǒng)在不同用戶數(shù)和系統(tǒng)平均信噪比SNR＝20dB的條件下，隨著用戶數(shù)的增多，本發(fā)明獲取的容量很快逼近方法1。從圖中還可以看出，碼本分別設(shè)置為N＝8和N＝16時(shí)，其獲取的容量較接近，同時(shí)隨著用戶數(shù)增加進(jìn)一步接近。因此當(dāng)系統(tǒng)的用戶數(shù)很大時(shí)，可以采用N＝8的碼本。
d)四發(fā)天線系統(tǒng)在不同信噪比條件下，方法3和方法1的性能非常接近。
2.反饋信息量小，通過對(duì)用戶反饋數(shù)量進(jìn)行有效控制，同時(shí)利用正交設(shè)計(jì)的波束量化碼本可以大大地降低反饋信息量。系統(tǒng)優(yōu)化方法(方法1)反饋的信息量為K×2×NT2×f(M)，其中f(M)為信道增益反饋信息量，而本發(fā)明(方法3)反饋信息量為Kn×log2N×log2M，Kn比K小得多，方法3比方法1少約90％的反饋量。例如四發(fā)天線系統(tǒng)在碼本N＝8條件下，反饋用戶數(shù)設(shè)置為30時(shí)和容量?jī)H比反饋用戶數(shù)設(shè)置為100時(shí)減少不到1bits/s/Hz，而反饋量降低了70％。
3.發(fā)送信號(hào)構(gòu)造簡(jiǎn)單，僅為NT個(gè)用戶信號(hào)的直接疊加，無需用戶間信號(hào)的聯(lián)合處理，同時(shí)又能有效地抑制用戶間干擾。
4.本發(fā)明包含兩個(gè)選擇用戶過程第一個(gè)過程是利用反饋門限選擇那些子信道增益大于反饋門限的用戶，這一過程目的是選擇子信道質(zhì)量較好的用戶，保證用戶空間分集增益和陣列增益性能；第二個(gè)過程利用準(zhǔn)正交設(shè)計(jì)方法選擇出NT個(gè)用戶，這一過程目的是選擇相互間具有最佳正交特性的用戶，保證了用戶間的正交特性。由于空間分集增益和陣列增益性能和用戶間正交性能是矛盾的，故本發(fā)明中兩個(gè)選擇用戶過程對(duì)用戶分集增益和陣列增益性能與用戶正交性能進(jìn)行折衷，有效保證了系統(tǒng)整體性能。
5.本發(fā)明中系統(tǒng)廣播的反饋門限是根據(jù)用戶目標(biāo)反饋數(shù)量和用戶反饋的信道狀態(tài)信息自適應(yīng)變化的，與根據(jù)系統(tǒng)信道狀態(tài)長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)特性確定固定反饋門限的方法相比，本方法對(duì)信道狀態(tài)變化具有穩(wěn)健性，保證了方法的性能。
6.本發(fā)明給出的碼本設(shè)計(jì)方法，通過限制碼字間最小的內(nèi)積絕對(duì)值的最小值，來盡力最大化碼組之間最小的弦距離，從而優(yōu)化碼本的性能，其設(shè)計(jì)過程是一種循環(huán)搜索的過程。同時(shí)，碼本設(shè)計(jì)考慮了信道的相關(guān)性，為一種通用的設(shè)計(jì)方法，與接收天線數(shù)無關(guān)，可以根據(jù)具體的信道條件靈活設(shè)計(jì)碼本。
本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)1和優(yōu)點(diǎn)2考慮了市郊蜂窩傳播環(huán)境中三發(fā)天線和四發(fā)天線系統(tǒng)，但其性能不限于以上傳播環(huán)境以及三發(fā)天線和四發(fā)天線多入多出系統(tǒng)。本發(fā)明可以很方便地?cái)U(kuò)展應(yīng)用到多入多出-正交頻分復(fù)用無線傳輸系統(tǒng)。


圖1基于發(fā)送輔助選擇用戶反饋的預(yù)波束成形傳輸方法的多入多出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，圖2本發(fā)明方法流程圖，圖3三發(fā)天線系統(tǒng)不同用戶數(shù)條件下和容量比較曲線圖，圖4三發(fā)天線系統(tǒng)不同信噪比條件下和容量比較曲線圖，圖5四發(fā)天線系統(tǒng)不同用戶數(shù)條件下和容量比較曲線圖，圖6四發(fā)天線系統(tǒng)不同信噪比條件下和容量比較曲線圖，圖7四發(fā)天線系統(tǒng)不同反饋用戶數(shù)對(duì)和容量的影響曲線圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1第一步采用如下步驟對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化a.根據(jù)信道物理參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)確定系統(tǒng)用戶信道相關(guān)矩陣R，并由R進(jìn)一步確定用戶信道狀態(tài)矩陣H分布函數(shù)和H最大特征子信道增益分布函數(shù)和統(tǒng)計(jì)均值E[h2]，b.計(jì)小區(qū)用戶總數(shù)K，計(jì)算歸一化用戶數(shù)kl＝K/NT，NT為發(fā)送天線數(shù)，c.設(shè)定系統(tǒng)用戶目標(biāo)反饋數(shù)量Kn，取為發(fā)送天線NT的6至10倍，
d.給出系統(tǒng)開始工作所需的初始反饋門限Γ，令反饋門限為E[h2]，e.設(shè)置構(gòu)造發(fā)送信號(hào)所需的預(yù)波束向量碼本，設(shè)置預(yù)波束向量碼本方法如下a)給定系統(tǒng)由于波束向量的量化帶來的信道功率退化系數(shù)目標(biāo)值ζ，b)確定預(yù)波束向量碼本中碼字個(gè)數(shù)N，N是滿足以下兩個(gè)條件的最小正整數(shù)①保證功率退化系數(shù)大于目標(biāo)值ζ，令ζ~=ζ/E[h2]]]>為歸一化功率退化系數(shù)目標(biāo)值，即N≥1-(ζ~)1/kl((NT-1)/4NT)NT-1(1-(NT-1)/4NT),]]>②N為發(fā)送天線數(shù)NT的整數(shù)倍，c)設(shè)計(jì)Nm組向量碼字，Nm為步驟b)中確定的N與發(fā)送天線數(shù)NT的商，每組NT個(gè)向量碼字相互正交，具體過程如下①生成信道狀態(tài)矩陣的一個(gè)樣本H，進(jìn)行奇異值分解H＝AΛBH，令第一組NT個(gè)相互正交的預(yù)波束向量碼字分別為B的NT個(gè)列向量，這組碼字記為B1，②生成信道狀態(tài)矩陣的另一個(gè)樣本H，進(jìn)行奇異值分解H＝AΛBH，如果BHB1，BHB2，…，BHBn-1中所有的元素絕對(duì)值位于1/Nm和1-1/Nm之間，則令第n組NT個(gè)相互正交的預(yù)波束向量碼字分別為B的NT個(gè)列向量，這組碼字記為B″。反之，則重新生成樣本H，③重復(fù)步驟②，直到生成第Nm組NT個(gè)相互正交的預(yù)波束向量碼字這組碼字記為BNm，f.置構(gòu)造發(fā)送信號(hào)所需的子信道增益增量碼本，這里子信道增益增量是指子信道增益減去反饋門限的差值。設(shè)置子信道增益增量碼本方法如下a)根據(jù)H最大特征子信道增益分布函數(shù)，確定子信道增益增量范圍，設(shè)增益增量范圍為0～Mh2，對(duì)所有大于Mh2的增益增量都令其為Mh2，b)定增益增量碼本個(gè)數(shù)M，M是滿足以下兩個(gè)條件的最小正整數(shù)
①滿足系統(tǒng)給定的系統(tǒng)要求，②M以2為底的對(duì)數(shù)為正整數(shù)，c)對(duì)0～Mh2增益增量范圍進(jìn)行分割，具體過程如下①對(duì)0～Mh2增益增量范圍歸一化，使其在0～1的分布范圍，②對(duì)0～1間的增益增量值按A率壓縮，③將壓縮后的增益增量值平均分割為M個(gè)區(qū)間，設(shè)為Δ＝{Δ1，Δ2，LΔM}，④對(duì)這M個(gè)區(qū)間進(jìn)行編碼，每log2M個(gè)二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成一個(gè)碼字，對(duì)應(yīng)一個(gè)區(qū)間，得到增益增量碼本C＝{C1，C2，L CM}，第二步系統(tǒng)按周期發(fā)送信號(hào)，每個(gè)發(fā)送周期中的信號(hào)構(gòu)造方法如下a.當(dāng)前發(fā)送周期內(nèi)，系統(tǒng)根據(jù)上一發(fā)送周期中反饋門限Γ，選擇系統(tǒng)中部分用戶進(jìn)行反饋，具體過程如下①用戶k(k＝1，L，K，K為系統(tǒng)中總用戶數(shù))在接收端完成信道狀態(tài)估計(jì)后，對(duì)信道矩陣進(jìn)行奇異值分解Hk=AkΣkBkH,]]>得到最大子信道增益值hk2，②所有最大子信道增益值大于等于反饋門限的用戶被選擇為反饋用戶，其信息反饋到發(fā)送端，其余用戶等待，設(shè)反饋用戶總數(shù)為K′，b.反饋的用戶選擇子信道增益增量碼字，并通過反饋信道反饋到發(fā)送端，子信道增益增量碼字選擇過程如下①用戶k′(k′＝1，L，K′)計(jì)算最大子信道增益值hk′2與反饋門限的差值，②確定此差值對(duì)應(yīng)的增量區(qū)間Δmk′，③選擇此增量區(qū)間對(duì)應(yīng)的碼字為用戶所要反饋的碼字，設(shè)為Cmk′，c.選擇反饋的用戶選擇量化預(yù)波束向量，并通過反饋信道連同子信道增益增量碼字一起反饋到發(fā)送端，量化預(yù)波束向量選擇過程如下①用戶k′(k′＝1，L，K′)根據(jù)信道奇異值分解Hk′=Ak′Σk′Bk′H]]>得到最優(yōu)預(yù)波束向量bk′，bk′為Bk的第一列列向量，②從預(yù)波束向量碼本中選擇量化預(yù)波束向量碼字，即
fnk′=argminfi,i=1,L,N||bk′bk′H-fi(fi)H||F2,]]>d.送端在所有進(jìn)行反饋的用戶中根據(jù)準(zhǔn)正交設(shè)計(jì)方法選擇出NT個(gè)用戶，具體過程如下①計(jì)算用戶k′(k′＝1，L，K′)的最大子信道增益hk′%2=Γ+Δ‾mk′,]]>②計(jì)算用戶k′接收端信噪比SNRk′=(P/NT)hk′%2/δ2,]]>③選擇第一個(gè)用戶use1=argmink′1/SNRk′,]]>④選擇第k″個(gè)用戶usek′′=argmini≠1,L,k′′-1(1/SNRi+Σj=1k′′-1ηj,i),]]>這里ηj,i=|(fni)Hfni|2,]]>⑤重復(fù)步驟d，直到k″＝NT，e.構(gòu)造NT個(gè)被選擇的用戶的信號(hào)，首先令用戶k″(k″＝1，L，NT)的預(yù)波束向量為fk′′=P/NTfnk′]]>，得到用戶k″發(fā)送信號(hào)為fk″xk″，這里xk″為用戶待傳的信息符號(hào)，f.構(gòu)造系統(tǒng)總發(fā)送信號(hào)，總發(fā)送信號(hào)通過直接疊加NT個(gè)被選擇的用戶的信號(hào)得到，即Tx=f1x1+f2x2+L+fNTxNT,]]>g.在當(dāng)前發(fā)送周期內(nèi)，系統(tǒng)設(shè)置反饋門限值Γ，利用系統(tǒng)廣播信道對(duì)所有用戶廣播，以供下個(gè)周期系統(tǒng)選擇用戶，反饋門限值Γ設(shè)置過程如下①計(jì)算當(dāng)前周期內(nèi)所有反饋用戶的子信道增益均值h2，②計(jì)算K′與Kn的最大值和差值，并計(jì)算差值和最大值的商，將此商乘以子信道增益均值得到反饋門限的調(diào)整步長(zhǎng)，⑧下個(gè)周期反饋門限為當(dāng)前反饋門限值減去調(diào)整步長(zhǎng)。
實(shí)施例2本發(fā)明在多用戶分集和預(yù)波束成形的基礎(chǔ)上，提出一種簡(jiǎn)化的用戶選擇方法，避免了聯(lián)合用戶信號(hào)處理，同時(shí)通過發(fā)送輔助策略進(jìn)行選擇用戶反饋，有效降低了系統(tǒng)反饋信息量，本發(fā)明給出了多用戶系統(tǒng)的波束向量設(shè)計(jì)和量化策略，通過有限反饋支持發(fā)送端信號(hào)的有效傳輸，
本發(fā)明針對(duì)以下多入多出系統(tǒng)廣播信道模型基站有NT個(gè)發(fā)送天線，系統(tǒng)存在K個(gè)獨(dú)立分布的用戶，每個(gè)用戶具有Nk個(gè)接收天線，系統(tǒng)信號(hào)模型為y=y1MyK=H1MHK[F1,L,FK]x1MxK+n1Mnk---(1)]]>其中， 為用戶k接收信號(hào)。 為基站到用戶k的信道矩陣， 為信息序列，滿足 為預(yù)編碼矩陣，令Qk＝FkFkH為發(fā)送協(xié)方差矩陣，滿足總功率約束Σk=1KTr(Qk)≤P,]]>P為發(fā)送端總功率。 為接收端獨(dú)立同分布、循環(huán)對(duì)稱復(fù)高斯噪聲向量，滿足nknkH～N(0，δ2I)。
本發(fā)明首先通過迭代注水方法求解多接入信道和功率約束條件下的容量域和用戶的發(fā)送協(xié)方差矩陣，因?yàn)檫@可以給出廣播信道最優(yōu)的用戶選擇策略。
令多接入信道中用戶的優(yōu)化發(fā)送相關(guān)矩陣集合為 其求解過程可以表述為如下凸優(yōu)化問題maximizelog2|I+δ-2Σk=1KHkHΣkHk|s.t.Tr(Σk)≤Pk,Σk=1KPk≤P,Σk≥0,k=1,L,K---(2)]]>這里Pk為用戶k分配的功率。令Nk=δ2I+Σj=1,j≠kKHjHΣjHj]]>為用戶i的噪聲加干擾相關(guān)矩陣，Wk=HkHNk-1Hk]]>為用戶k的等效信道相關(guān)矩陣，對(duì)Wk進(jìn)行SVD分解得到Wk=UkΔkUkH,]]>記Δk=diag(hk,1%2,L,hk,Nk%2),]]>則最優(yōu)∑k表達(dá)式為Σk=UkΔk%UkH---(3)]]>這里Δk%=diag((λ-hk,1%2)+,L(λ-hk,Nk%2)+),]]>(x)+＝max(x，0)，λ為注水水位，滿足總功率約束。進(jìn)一步，得用戶k分配的功率為Pk＝Tr(∑k)。上述過程由用戶1到用戶K依次執(zhí)行，然后通過多次迭代進(jìn)行最終優(yōu)化，得到最優(yōu)解 最后根據(jù) 與P的大小關(guān)系調(diào)整λ。由此給出多接入信道和容量(等于廣播信道和容量)計(jì)算方法。
方法11.初始化。給定一個(gè)合適的λ初始值和ρ初始值。
2.從用戶1到用戶K，假定其它用戶狀態(tài)不變，由(3)式得到當(dāng)前用戶發(fā)送相關(guān)矩陣。
3.重復(fù)步驟2，直到{∑k}k＝1K收斂到固定值。
4.由{∑k}k＝1K計(jì)算{∑k}k＝1K，如果Σk=1KPk>P,]]>則λ＝λ-ρ。
5.重復(fù)步驟2到步驟4，直到Σk=1KPk≤P,]]>得到最終解{∑k}k＝1K。
通過對(duì)偶性和簡(jiǎn)單的閉式表達(dá)式，可以由{∑k}k＝1K直接得到{Qk}k＝1K。這里本發(fā)明并不給出{Qk}k＝1K的表達(dá)式，因?yàn)楸景l(fā)明需要的結(jié)論可以通過對(duì){∑k}k＝1K分析直接得出，有兩點(diǎn)結(jié)論一是大部分的∑k(對(duì)應(yīng)Qk)為零矩陣；二是剩余非零矩陣對(duì)角元素除了第一個(gè)元素以外，基本上都是零。
方法1基于空分復(fù)用方法，即 用戶每次可傳送Nk個(gè)符號(hào)。上述結(jié)論說明，在實(shí)際多用戶多入多出系統(tǒng)中，用戶信道一般呈現(xiàn)較強(qiáng)的相關(guān)性，因此并不能支持Nk個(gè)符號(hào)的傳輸。稱用戶k每次可傳送的符號(hào)數(shù)為用戶的自由度，記為L(zhǎng)k。NT個(gè)發(fā)送天線可以提供NT個(gè)空間自由度，這些自由度在用戶間按照特定的方法進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)分配，用戶k最大可獲得Nk個(gè)自由度，即Lk＝Nk。如果每個(gè)用戶只占用一個(gè)自由度，即Lk＝1，則系統(tǒng)最多可以無干擾地接入NT個(gè)用戶。對(duì)于方法1，當(dāng)用戶數(shù)K相對(duì)于NT很大時(shí)，其本質(zhì)是用戶間各自以最優(yōu)子信道參與競(jìng)爭(zhēng)，其結(jié)果通常是每個(gè)用戶只占用一個(gè)自由度，此時(shí)方法1的結(jié)果與波束成形方法結(jié)果一致。
另外，方法1假設(shè)發(fā)送端和接收端獲得完全信道狀態(tài)信息，從功率控制(多用戶功率分配)的角度看，方法1給出的閉環(huán)功率控制方法采用注水方法可以得到最優(yōu)功率分配結(jié)果，但其結(jié)果是只在部分用戶的最優(yōu)子信道中分配功率，且接近平均分配結(jié)果。所以方法1可以修正為只在所有用戶最好的NT個(gè)子信道中平均分配功率，然后對(duì)這NT個(gè)子信道進(jìn)行聯(lián)合預(yù)編碼優(yōu)化設(shè)計(jì)，其性能必然逼近方法1的性能。
但即使只對(duì)NT個(gè)子信道分配功率，修正的方法仍然需要完全信道狀態(tài)信息進(jìn)行迭代預(yù)編碼設(shè)計(jì)，復(fù)雜度仍然很高。進(jìn)一步分析可知，迭代預(yù)編碼設(shè)計(jì)本質(zhì)是抑制用戶間干擾，當(dāng)發(fā)送端沒有理想信道狀態(tài)信息，則用戶間干擾得不到有效抑制。
由此本發(fā)明提出一種基于預(yù)波束成形的準(zhǔn)正交傳輸方法，這種方法利用用戶間天然的(準(zhǔn))正交特性進(jìn)行用戶信號(hào)設(shè)計(jì)，且基于各個(gè)用戶獨(dú)立進(jìn)行，不需要聯(lián)合設(shè)計(jì)，既有效抑制了用戶間干擾，又降低了方法復(fù)雜度。
稱用戶k的預(yù)編碼向量 為波束成形向量，下面給出fk的設(shè)計(jì)，這是本發(fā)明的一個(gè)重要內(nèi)容和特征。既然每個(gè)用戶只分配一個(gè)自由度，則只能分配在最好的子信道上，首先考察每個(gè)用戶的子信道。對(duì)Hk進(jìn)行SVD分解得Hk=AkΛkBkH,]]>令hk＝maxdiag(∑k)，hk為Bk第一列列向量，定義用戶k的等效信道矩陣為hkhk。
本發(fā)明提出的準(zhǔn)正交設(shè)計(jì)方法，其特征在于，通過特定方法選擇NT組具有相互(準(zhǔn))正交的hk，直接令fk＝hk，k＝1，L NT。考慮用戶k可獲取的數(shù)據(jù)速率Rk=log2|I+Zk-1HkfkfkHHkH|---(4)]]>這里Zk=Σi≠kHkfifiHHkH+δ2I.]]>考慮線性接收結(jié)構(gòu)(這點(diǎn)也保證了本發(fā)明較低的復(fù)雜度)，設(shè)用戶k接收端均衡矩陣為gk，令gk為AkH第一行行向量，則(4)式可以改寫為Rk=log2(1+hk2Pavgδ2+Σi≠kηk,ihk2Pavg),k=1,LNT---(5)]]>其中Pavg=P/NT;ηk,i=|hkHhi|2,]]>為兩個(gè)波束向量的內(nèi)積絕對(duì)值平方，可以表征其相關(guān)程度。用戶選擇可以表述為如下優(yōu)化問題maxΣk=1STRks.t.k∈S---(6)]]>其中S為用戶集{1，2，LK)的任一NT維子集。定義用戶k接收信噪比為SNRk=hk2Pavg/δ2,]]>則Rk為gk=1/SNRk+Σi≠kηk,i]]>的函數(shù)，可由gk表征。(6)式不是凸優(yōu)化問題，很難得到閉式解。本發(fā)明提出了一種用戶選擇方法，可以得到(6)式的近似解。
方法2步驟1選擇第一個(gè)用戶，use1=argmini1/SNRi.]]>步驟2選擇用戶k，usek=argi≠1,Lmink-1(1/SNRi+Σj≠1k-1ηj,i).]]>步驟3重復(fù)步驟2，直到完成NT用戶選擇。
在用戶選擇過程中，存在用戶信號(hào)間正交性與分集增益的矛盾，即保證用戶信號(hào)正交性會(huì)減小分集增益，而保證用戶的分集增益會(huì)減損用戶信號(hào)間的正交性。方法2的步驟2折衷了這種矛盾，有效獲取了整體的性能。
在上述分析過程中，都是基于發(fā)送端獲知信道狀態(tài)信息的假設(shè)。方法1基于完全信道狀態(tài)假設(shè)，方法2則基于部分信道狀態(tài)假設(shè)(波束向量和最大子信道增益)。因此為了實(shí)現(xiàn)上述方法，系統(tǒng)需要所有用戶向發(fā)送端反饋信道狀態(tài)信息。考慮到實(shí)際系統(tǒng)的反饋開銷和代價(jià)，一般不支持反饋完全信道狀態(tài)，方法2較方法1簡(jiǎn)單，不僅在于方法本身，還在于其所需反饋的信息較少，可以降低系統(tǒng)的反饋開銷。
但是當(dāng)系統(tǒng)的用戶數(shù)K很大的時(shí)候，即使每個(gè)用戶只反饋部分信道狀態(tài)信息，系統(tǒng)也無法承受。這時(shí)需要進(jìn)一步降低反饋信息量。有兩種解決思路一是對(duì)反饋信息進(jìn)行量化；二是選擇用戶反饋，即只讓部分用戶反饋信道狀態(tài)信息。
考慮到方法2需要的反饋信息集中在預(yù)波束向量和最大子信道增益上，本發(fā)明將對(duì)其進(jìn)行量化。同時(shí)在量化的基礎(chǔ)上發(fā)明一種選擇用戶反饋方法，可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)反饋開銷。
下面給出量化方法和基于量化的選擇用戶反饋方法。
由于本發(fā)明的特征之一是每個(gè)用戶都使用同樣的碼本，故只考慮單用戶多入多出系統(tǒng)波束成形方法的量化反饋問題。
波束向量量化就是確定一個(gè)向量碼本F＝{f1，…，fN}，并對(duì)其中的向量碼字進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)對(duì)發(fā)送端和接收端是已知和一致的。接收端只需在向量碼本中，選擇一個(gè)最接近實(shí)際波束向量的碼字，并反饋其編號(hào)，由于編號(hào)所需比特?cái)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波束向量本身，因此可以降低反饋信息量。
假設(shè)系統(tǒng)具有一條無誤差反饋鏈路，則(1)式所示的系統(tǒng)信號(hào)傳輸模型改寫為y＝Hfx+n (7)對(duì)H進(jìn)行SVD分解得H＝AΛBH，設(shè)從向量碼本F中選擇波束向量為f，反饋的波束向量Pf=P(b+b~),]]>b為B的第一列列向量， 為量化誤差向量，均衡矩陣為g為AH的第一行行向量，h＝maxdiag(Λ)，則x^=gy=Phx+PhbHb~x+gn---(8)]]>考慮到n為獨(dú)立復(fù)高斯向量，單位復(fù)向量對(duì)其旋轉(zhuǎn)不改變其分布，因此由量化誤差帶來的干擾方差為
E||PhbHb~x||2=Ph2E[Tr(bHb~xxHb~Hb)]=Ph2E||b~||2---(9)]]>由(9)式可見，波束量化帶來的誤差方差取決于量化誤差向量的歐幾里得范數(shù)。同樣定義信道功率退化系數(shù)為‖Hb‖F(xiàn)2-‖Hf‖F(xiàn)2，其滿足||Hb||F2-||Hf||F2≤h2||bbH-ffH||F2---(10)]]>這里，‖·‖F(xiàn)表示Frobenius范數(shù)。由于 與‖bbH-ffH‖F(xiàn)2具有同樣的單調(diào)性，因此干擾方差也可以由‖bbH-ffH‖F(xiàn)2表征。由此得到本發(fā)明在向量碼本 中選擇向量的準(zhǔn)則f=argminfi,i=1,···,N||bbH-fi(fi)H||F2---(11)]]>為給出向量碼本的設(shè)計(jì)方法，首先需要分析信道狀態(tài)矩陣H的統(tǒng)計(jì)分布情況。設(shè)用戶信道矩陣H元素為獨(dú)立同分布復(fù)高斯變量，B為復(fù)高斯隨機(jī)矩陣中的一個(gè)右奇異矩陣(酉矩陣)，對(duì)任意的 B和HB具有同樣的分布。設(shè)f為B的一個(gè)單位列向量，對(duì)于任意的 f和Hf具有同樣的分布。
f屬于NT維復(fù)向量空間 由f可以張成 空間的一個(gè)一維子空間Sf，由所有屬于 空間的向量fi張成的子空間Sfi集合稱為復(fù)Grassmannian空間。定義Grassmannian空間兩個(gè)子空間的弦距離為d(Sfi,Sfj)=1-|(fi)Hfj|2.]]>由于是用有限的波束向量F={f1,···,fN}]]>來構(gòu)建Grassmannian空間的所有子空間，因此需要給出一個(gè)新的定義。定義由fi擴(kuò)展的包為B(fi)={Sf|d(Sf,Sfi)≤D/2}]]>這里D=min1≤i,j≤Nd(Sfi,Sfj),]]>D≤(NT-1)NNT(N-1).]]>定義Grassmannian空間的包密度為γ(F)=Σi=1NΨ(B(fi))]]>，其中 為Grassmannian空間上的歸一化度量，由 空間上哈爾度量引入。當(dāng)NT較大時(shí)γ(F)≈N(D/2)2NT-2,]]>同時(shí)(10)式上界可以近似表達(dá)為||Hb||F2-||Hf||F2<h2(γ(F)(D2/4-1)+1)---(12)]]>(12)式是D的一個(gè)單調(diào)減函數(shù)，因此在N固定的情況下，最小化(12)式邊界可以通過最大化D實(shí)現(xiàn)。同樣可以很簡(jiǎn)單的通過(12)式在給定信道功率退化系數(shù)目標(biāo)值ζ的情況下確定N值。首先計(jì)算最大子信道增益統(tǒng)計(jì)均值E[h2]，得到歸一化功率退化系數(shù)值ζ~=ζ/E[h2],]]>利用(12)式得到N≥1-ζ~((NT-1)/4NT)NT-1(1-(NT-1)/4NT)---(13)]]>傳統(tǒng)最大化D的向量量化方法沒有考慮信道相關(guān)性和向量間的正交性，而本發(fā)明的核心思想是所有用戶使用同一碼本，最終的用戶選擇取決于用戶間的正交性，這種正交性直接來自于碼本中向量間的正交性。同時(shí)，考慮多入多出信道的相關(guān)性，設(shè)信道相關(guān)矩陣為R，則碼本設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)考慮到R。
(13)式為單用戶碼字個(gè)數(shù)約束式，在多用戶系統(tǒng)中，當(dāng)用戶數(shù)K較大時(shí)，碼本中碼字個(gè)數(shù)N可以降低，即N可以隨著系統(tǒng)中平均用戶數(shù)量K的增加而降低。令kl＝K/NT為系統(tǒng)歸一化用戶數(shù)量，則ζ~≤(γ(F)(D2/4-1)+1)kl,]]>由此得到N≥1-(ζ~)1/kl((NT-1)/4NT)NT-1(1-(NT-1)/4NT)---(14)]]>由此本發(fā)明給出一種新的碼本設(shè)計(jì)方法，步驟如下1.確定當(dāng)前信道相關(guān)矩陣R，并確定由R表征的信道狀態(tài)矩陣H的分布函數(shù)和最大子信道增益統(tǒng)計(jì)均值E[h2]。
2.根據(jù)給定信道功率退化系數(shù)目標(biāo)值ζ和發(fā)送天線數(shù)確定碼字個(gè)數(shù)N，N為滿足以下兩個(gè)條件的最小正整數(shù)a)向量碼字個(gè)數(shù)N滿足(14)式b)向量碼字個(gè)數(shù)N為NT的整數(shù)倍，設(shè)為Nm＝N/NT。
3.設(shè)計(jì)Nm組向量碼字，每組NT個(gè)向量碼字相互正交，在這前提條件下，最大化D。
a)生成信道狀態(tài)矩陣的一個(gè)樣本H，進(jìn)行奇異值分解H＝AΛBH，令第一組NT個(gè)相互正交的預(yù)波束向量碼字分別為B的NT個(gè)列向量，這組碼字記為B1。
b)生成信道狀態(tài)矩陣的另一個(gè)樣本H，進(jìn)行奇異值分解H＝AΛBH，如果BHB1，BHB2，…，BHBn-1中所有的元素絕對(duì)值位于1/Nm和1-1/Nm之間，則令第n組NT個(gè)相互正交的預(yù)波束向量碼字分別為B的NT個(gè)列向量，這組碼字記為Bn。反之，則重新生成樣本H，重新執(zhí)行b)。
c)重復(fù)步驟b)，直到生成第Nm組NT個(gè)相互正交的預(yù)波束向量碼字，這組碼字記為BNm。
上述碼本設(shè)計(jì)方法中，由于保證了向量碼字內(nèi)積絕對(duì)值最小值不小于1/Nm，故間接地最大化D。
為了進(jìn)一步減少多用戶系統(tǒng)的反饋量，可以選擇用戶反饋。一種方法就是基于系統(tǒng)信道的長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)特性，確定一個(gè)固定的判決門限Γ，當(dāng)用戶的信道增益大于門限時(shí)，才反饋信息。這種方法存在的缺點(diǎn)是不能有效控制反饋的用戶數(shù)(過多或者過少)，限制了方法的性能。
由此本發(fā)明給出一種基于發(fā)送端輔助決策的選擇用戶反饋方法，其基本思想是由發(fā)送端根據(jù)上次所有反饋用戶的反饋信息計(jì)算信道增益統(tǒng)計(jì)情況，如均值等，以此為基礎(chǔ)，結(jié)合給定目標(biāo)反饋用戶數(shù)量Kn，確定判決門限Γ，并進(jìn)行系統(tǒng)廣播，用戶根據(jù)此門限進(jìn)行判決是否反饋。本方法通過自適應(yīng)調(diào)整判決門限，因此可以有效控制反饋用戶數(shù)，保證了方法的性能。
自適應(yīng)調(diào)整判決門限Γ是指反饋門限根據(jù)性能要求和反饋用戶數(shù)量目標(biāo)值不斷變化。設(shè)用戶反饋信道增益統(tǒng)計(jì)均值為h2，則反饋門限Γ取決于h2和反饋用戶目標(biāo)數(shù)Kn。反饋門限Γ的設(shè)計(jì)步驟是1.計(jì)算當(dāng)前實(shí)際反饋用戶數(shù)量Kf與反饋用戶目標(biāo)數(shù)Kn的最大值和差值，并計(jì)算差值和最大值的商，將此商乘以子信道增益均值h2得到反饋門限的調(diào)整步長(zhǎng)ΔΓ，即ΔΓ=h‾2Kn-Kfmax(Kf,Kn).]]>2.則反饋門限Γ調(diào)整為Γ＝Γ-ΔΓ。
另外，為了以較低的M狀態(tài)量化級(jí)數(shù)達(dá)到可接收的性能要求，本發(fā)明基于發(fā)送輔助方法提出一種新的子信道增益量化方法。其思路是用戶以系統(tǒng)給定的反饋門限為基點(diǎn)，采用類似增量調(diào)制的方法對(duì)子信道增益增量進(jìn)行量化并對(duì)量化狀態(tài)編碼。設(shè)置子信道增益增量碼本方法如下1.根據(jù)H最大特征子信道增益分布函數(shù)，確定子信道增益增量范圍，設(shè)增益增量范圍為0～Mh2，對(duì)所有大于Mh2的增益增量都令其為Mh2。
2.確定增益增量碼本個(gè)數(shù)M，M是滿足以下兩個(gè)條件的最小正整數(shù)
a)滿足系統(tǒng)給定的系統(tǒng)要求。
b)M以2為底的對(duì)數(shù)為正整數(shù)。
3.對(duì)0～Mh2增益增量范圍進(jìn)行分割，具體過程如下a)對(duì)0～Mh2增益增量范圍歸一化，使其在0～1的分布范圍。
b)對(duì)0～1間的增益增量值按A率壓縮。
c)將壓縮后的增益增量值平均分割為M個(gè)區(qū)間，設(shè)為Δ＝{Δ1，Δ2，LΔM}。
d)對(duì)這M個(gè)區(qū)間進(jìn)行編碼，每log2M個(gè)二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成一個(gè)碼字，對(duì)應(yīng)一個(gè)區(qū)間，得到增益增量碼本C＝{C1，C2，L CM}。
用戶k子信道增益量化為如下一種映射關(guān)系(以門限Γ為基點(diǎn))hk2-Γ:→Δ‾m:→Cm...(15)]]>表示hk2-Γ差值落在Δm的量化區(qū)間，則其量化編碼，即量化碼字為Δm對(duì)應(yīng)的碼字Cm。增量狀態(tài)級(jí)數(shù)M可以根據(jù)性能要求確定。
下面給出基于發(fā)送端輔助決策的選擇用戶反饋預(yù)波束成形傳輸方法。
方法3步驟1發(fā)送端廣播當(dāng)前判決門限信息。
步驟2系統(tǒng)選擇最大子信道增益不小于反饋門限的用戶進(jìn)行反饋。
步驟3被選擇的用戶按照(11)式進(jìn)行波束向量碼字選擇，按照(15)式進(jìn)行增益增量碼字選擇，并反饋到發(fā)送端。
步驟4令ηk,i=|(fnk)Hfni|2,]]>fnk為用戶k反饋預(yù)波束向量，發(fā)送端根據(jù)方法2進(jìn)一步進(jìn)行用戶選擇。
步驟5直接令步驟4中選擇的用戶的預(yù)編碼為fk=P/NTfnk,]]>k＝1，L，NT，系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)Tx=f1x1+f2x2+L+fNTxNT,]]>其中xk為用戶k的信息符號(hào)。
步驟6計(jì)算下個(gè)發(fā)送周期的反饋門限，即先計(jì)算當(dāng)前周期內(nèi)所有反饋用戶的子信道增益均值h2，然后計(jì)算實(shí)際反饋用戶數(shù)與Kn的最大值和差值，并計(jì)算差值和最大值的商，將此商乘以子信道增益均值得到反饋門限的調(diào)整步長(zhǎng)。下個(gè)周期反饋門限為當(dāng)前反饋門限值減去調(diào)整步長(zhǎng)。
實(shí)施例3本發(fā)明提出的多用戶多入多出系統(tǒng)傳輸方法結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。首先，系統(tǒng)根據(jù)用戶反饋的信息以及用戶目標(biāo)反饋數(shù)量確定系統(tǒng)的反饋門限，并利用系統(tǒng)廣播信道對(duì)所有用戶廣播；用戶接收端在完成信道狀態(tài)估計(jì)后，根據(jù)其最大子信道增益值和反饋門限的比較結(jié)果，決定是否反饋信息；被選擇的用戶接著從向量碼本中選擇最優(yōu)預(yù)波束向量，連同最大子信道增益增量量化值，通過專用反饋信道反饋到發(fā)送端；然后，發(fā)送端在所有進(jìn)行反饋的用戶中根據(jù)準(zhǔn)正交設(shè)計(jì)方法，再進(jìn)行用戶選擇；最后發(fā)送端將最終選擇的用戶信號(hào)合成，通過多天線發(fā)送給各個(gè)用戶。
考慮典型的市郊蜂窩傳播環(huán)境。假設(shè)信道存在Lp個(gè)散射簇，同一簇散射體發(fā)出的路徑有相同的時(shí)延，不同簇的信道矩陣非相關(guān)，設(shè)第l簇散射體有相同的平均到達(dá)角θl，實(shí)際到達(dá)角為θl=θ‾l+θ^l,θ^l~N(0,δl2),]]>δl稱為小角度擴(kuò)展，路徑增益為gl2。所有簇的θl的統(tǒng)計(jì)方差Θ稱為大角度擴(kuò)展?；咎炀€相對(duì)間距為Δd＝d/λw，λw為載波波長(zhǎng)，d為天線物理間距，則接收天線間相關(guān)矩陣定義為[Rl]a,b=gl2·e-j2π(b-a)Δdcos(θ‾l)·e-(1/2)(2π(b-a)Δdsin(θ‾l)δl)2,a,b=1,L,NT,]]>信道相關(guān)矩陣為R=Σl=0Lp-1Rl,]]>信道矩陣為H=Σl=0Lp-1Rl1/2Hw,]]>HwHwH=I.]]>定義系統(tǒng)平均信噪比SNR＝P/δ2。
本發(fā)明方法流程如圖2所示，下面對(duì)流程圖中的執(zhí)行步驟進(jìn)行說明第一步初始化。
1.確定預(yù)波束向量碼本。
a)估計(jì)小區(qū)平均用戶總數(shù)K，例如K＝100。
b)信道參數(shù)Lp＝3，δl＝5°，Θ＝180°，Δd＝2。計(jì)算最大特征子信道增益統(tǒng)計(jì)均值E[h2]，例如E[h2]＝3.5。
c)設(shè)定功率退化系數(shù)目標(biāo)值ζ，計(jì)算歸一化功率退化系數(shù)目標(biāo)值ζ，例如ζ＝0.1。
對(duì)于三發(fā)天線NT＝3，根據(jù)(14)式，得到N＝6，向量碼本如下(2組正交向量，最大內(nèi)積絕對(duì)值＝0.5)F=0.5772-0.5954-0.73070.4992-0.3646-0.6295-0.2602-0.7644i0.0442+0.1983i-0.1298-0.5404i0.6827-0.2774i-0.1517-0.1272i0.4996-0.4076i0.1217+0.0075i-0.2184-0.7460i-0.1845-0.3511i0.0658-0.4511i0.5623+0.7153i0.2588+0.3479i]]>
為了提高系統(tǒng)性能，可以令N＝15，向量碼本如下(5組正交向量，最大內(nèi)積絕對(duì)值＝0.8142)F＝ 對(duì)于四發(fā)天線NT＝4，根據(jù)(14)式，得到N＝16，向量碼本如下(4組正交向量，最大內(nèi)積絕對(duì)值＝0.7630)F＝ 為了進(jìn)一步降低反饋信息量，可以令N＝8，向量碼本如下(2組正交向量，最大內(nèi)積絕對(duì)值＝0.5)F=-0.00860.50930.63180.19100.3135-0.8314-0.70880.1140-0.1126+0.4923i-0.2962+0.1331i-0.0195-0.6027i0.0535+0.8512i0.3302+0.1154i-0.1466+0.2437i0.1300-0.4921i0.1641-0.2435i0.5551-0.3246i0.2629-0.6912i-0.0109-0.2779i0.2979+0.2964i0.0242+0.7097i0.2680-0.3431i-0.0057+0.0701i0.2813+0.0887i-0.5757+0.0057i-0.0640-0.2903i-0.3761-0.1358i-0.0315+0.2418i-0.3435+0.3963i-0.1681-0.1003i-0.4802+0.0542i-0.8878+0.1602i]]>2.確定最大子信道增益增量量化級(jí)數(shù)(M)。以NT＝4，M＝8為例，信道參數(shù)同上。
Δ‾=Δ‾1Δ‾2Δ‾3Δ‾4Δ‾5Δ‾6Δ‾7Δ‾80000010100111001011101110.10.20.30.40.6123]]>C＝{000 001 010 011 100 101 110 111}3.設(shè)置反饋門限Γ初始值為信道最大子信道增益統(tǒng)計(jì)均值E[h2]。
4.設(shè)定選擇用戶反饋目標(biāo)值Kn(如發(fā)送天線NT＝3時(shí)，Kn＝20，NT＝4時(shí)，Kn＝30)。
第二步每個(gè)用戶對(duì)信道矩陣進(jìn)行奇異值分解Hk=AkΣkBkH,]]>得到最大子信道增益hk2和最優(yōu)預(yù)波束向量bk。例如在發(fā)送天線數(shù)NT＝4的多入多出系統(tǒng)，用戶1的子信道增益h12=2.6558,]]>最優(yōu)預(yù)波束向量為b1＝
T，用戶2的子信道增益為h12=4.1632,]]>最優(yōu)預(yù)波束向量為b1＝
T。
第三步選擇子信道增益hk2大于等于反饋門限Γ的用戶進(jìn)行反饋。例如如果當(dāng)前反饋門限Γ＝3.5，則用戶2被選擇反饋，而用戶1等待。
第四步被選擇的用戶進(jìn)行預(yù)波束向量碼字選擇fnk=argminfi,i=1,L,N||bkbkH-fi(fi)H||F2]]>和增量碼本選擇hk2-Γ:→Δ‾m:→Cm,]]>例如用戶2選擇的預(yù)波束向量碼字為fn2=0.5093-0.2962+0.1331i0.2629-0.6912i-0.640-0.2903iT,]]>N＝8時(shí)，向量碼字編號(hào)為001，N＝16時(shí)，編號(hào)為0010。增益增量為hk2-Γ=0.66,]]>故選擇的增量碼字為100。然后，這些碼字一同反饋到發(fā)送端，第五步發(fā)送端根據(jù)步驟五得到的反饋信息再進(jìn)行用戶選擇，假設(shè)有32個(gè)用戶反饋，則在這32個(gè)用戶中再選擇出NT＝4個(gè)用戶，即1.選擇第一個(gè)用戶use1=argmin1i/SNRi,i=1,L,32,]]>其中， 這里 P/δ2為系統(tǒng)總平均信噪比，例如可取0dB～20dB之間的值。
2.選擇用戶k，usek=argmini≠1,L,k-1(1/SNRi+Σj=1k-1ηj,i),]]>這里ηk,i=|(fnk)Hfni|2.]]>3.重復(fù)步驟2，直到完成4個(gè)用戶選擇。
第六步直接令步驟六中選擇的用戶的預(yù)編碼為fk=P/NTfnk,]]>k＝1，L，NT，例如，如果用戶2待發(fā)送的信息符號(hào)為x2＝1+i，則用戶2的發(fā)送信號(hào)為X2=P/4fn2x2=P/40.5093+0.5093i-0.4293-0.1631i0.9541-0.4283i0.2263-0.3543iT]]>系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)為Tx=f1x1+f2x2+L+fNTxNT,]]>其中xk為用戶k的信息符號(hào)。
第七步在當(dāng)前發(fā)送周期內(nèi)，系統(tǒng)設(shè)置反饋門限值Γ，利用系統(tǒng)廣播信道對(duì)所有用戶廣播，以供下個(gè)周期系統(tǒng)選擇用戶。反饋門限值Γ設(shè)置過程如下1.計(jì)算當(dāng)前周期內(nèi)所有反饋用戶的子信道增益均值h2，例如h‾2=3.5+132Σi=132Δ‾mi.]]>2.計(jì)算實(shí)際反饋用戶數(shù)與Kn的最大值和差值，并計(jì)算差值和最大值的商，將此商乘以子信道增益均值得到反饋門限的調(diào)整步長(zhǎng)ΔΓ，例如ΔΓ=32-3032h‾2.]]>3.下個(gè)周期反饋門限為當(dāng)前反饋門限值減去調(diào)整步長(zhǎng)，例如Γ＝3.5-ΔΓ。
權(quán)利要求
1.一種基于發(fā)送輔助選擇用戶反饋的正交預(yù)波束成形傳輸方法，其特征在于第一步采用如下步驟對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化a.根據(jù)信道物理參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)確定系統(tǒng)用戶信道相關(guān)矩陣R，并由R進(jìn)一步確定用戶信道狀態(tài)矩陣H分布函數(shù)和H最大特征子信道增益分布函數(shù)和統(tǒng)計(jì)均值E[h2]，b.計(jì)小區(qū)用戶總數(shù)K，計(jì)算歸一化用戶數(shù)kl＝K/NT，NT為發(fā)送天線數(shù)，c.設(shè)定系統(tǒng)用戶目標(biāo)反饋數(shù)量Kn，取為發(fā)送天線NT的6至10倍，d.給出系統(tǒng)開始工作所需的初始反饋門限Γ，令反饋門限為E[h2]，e.設(shè)置構(gòu)造發(fā)送信號(hào)所需的預(yù)波束向量碼本，設(shè)置預(yù)波束向量碼本方法如下a)給定系統(tǒng)由于波束向量的量化帶來的信道功率退化系數(shù)目標(biāo)值ζ，b)確定預(yù)波束向量碼本中碼字個(gè)數(shù)N，N是滿足以下兩個(gè)條件的最小正整數(shù)①保證功率退化系數(shù)大于目標(biāo)值ζ，令ζ~=ζ/E[h2]]]>為歸一化功率退化系數(shù)目標(biāo)值，即N≥1-(ζ~)1/kl((NT-1)/4NT)NT-1(1-(NT-1)/4NT),]]>②N為發(fā)送天線數(shù)NT的整數(shù)倍，c)設(shè)計(jì)Nm組向量碼字，Nm為步驟b)中確定的N與發(fā)送天線數(shù)NT的商，每組NT個(gè)向量碼字相互正交，具體過程如下①生成信道狀態(tài)矩陣的一個(gè)樣本H，進(jìn)行奇異值分解H＝AΛBH，令第一組NT個(gè)相互正交的預(yù)波束向量碼字分別為B的NT個(gè)列向量，這組碼字記為B1，②生成信道狀態(tài)矩陣的另一個(gè)樣本H，進(jìn)行奇異值分解H＝AΛBH，如果BHB1，BHB2，…，BHBn-1中所有的元素絕對(duì)值位于1/Nm和1-1/Nm之間，則令第n組NT個(gè)相互正交的預(yù)波束向量碼字分別為B的NT個(gè)列向量，這組碼字記為Bn。反之，則重新生成樣本H，③重復(fù)步驟②，直到生成第Nm組NT個(gè)相互正交的預(yù)波束向量碼字這組碼字記為BNm，f.置構(gòu)造發(fā)送信號(hào)所需的子信道增益增量碼本，這里子信道增益增量是指子信道增益減去反饋門限的差值。設(shè)置子信道增益增量碼本方法如下a)根據(jù)H最大特征子信道增益分布函數(shù)，確定子信道增益增量范圍，設(shè)增益增量范圍為0～Mh2，對(duì)所有大于Mh2的增益增量都令其為Mh2，b)定增益增量碼本個(gè)數(shù)M，M是滿足以下兩個(gè)條件的最小正整數(shù)①滿足系統(tǒng)給定的系統(tǒng)要求，②M以2為底的對(duì)數(shù)為正整數(shù)，c)對(duì)0～Mh2增益增量范圍進(jìn)行分割，具體過程如下①對(duì)0～Mh2增益增量范圍歸一化，使其在0～1的分布范圍，②對(duì)0～1間的增益增量值按A率壓縮，③將壓縮后的增益增量值平均分割為M個(gè)區(qū)間，設(shè)為Δ＝{Δ1，Δ2，LΔM}，④對(duì)這M個(gè)區(qū)間進(jìn)行編碼，每log2M個(gè)二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成一個(gè)碼字，對(duì)應(yīng)一個(gè)區(qū)間，得到增益增量碼本C＝{C1，C2，LCM}，第二步系統(tǒng)按周期發(fā)送信號(hào)，每個(gè)發(fā)送周期中的信號(hào)構(gòu)造方法如下a.當(dāng)前發(fā)送周期內(nèi)，系統(tǒng)根據(jù)上一發(fā)送周期中反饋門限Γ，選擇系統(tǒng)中部分用戶進(jìn)行反饋，具體過程如下①用戶k(k＝1，L，K，K為系統(tǒng)中總用戶數(shù))在接收端完成信道狀態(tài)估計(jì)后，對(duì)信道矩陣進(jìn)行奇異值分解Hk=AkΣkBkH,]]>得到最大子信道增益值hk2，②所有最大子信道增益值大于等于反饋門限的用戶被選擇為反饋用戶，其信息反饋到發(fā)送端，其余用戶等待，設(shè)反饋用戶總數(shù)為K′，b.反饋的用戶選擇子信道增益增量碼字，并通過反饋信道反饋到發(fā)送端，子信道增益增量碼字選擇過程如下①用戶k′(k′＝1，L，K′)計(jì)算最大子信道增益值hk′2與反饋門限的差值，②確定此差值對(duì)應(yīng)的增量區(qū)間Δmk′，③選擇此增量區(qū)間對(duì)應(yīng)的碼字為用戶所要反饋的碼字，設(shè)為Cmk′，c.選擇反饋的用戶選擇量化預(yù)波束向量，并通過反饋信道連同子信道增益增量碼字一起反饋到發(fā)送端，量化預(yù)波束向量選擇過程如下①用戶k′(k′＝1，L，K′)根據(jù)信道奇異值分解Hk′=Ak′Σk′Bk′H]]>得到最優(yōu)預(yù)波束向量bk′，bk′為Bk的第一列列向量，②從預(yù)波束向量碼本中選擇量化預(yù)波束向量碼字，即fnk′=argminfi,i=1,L,N||bk′bk′H-fi(fi)H||F2,]]>d.送端在所有進(jìn)行反饋的用戶中根據(jù)準(zhǔn)正交設(shè)計(jì)方法選擇出NT個(gè)用戶，具體過程如下①計(jì)算用戶k′(k′＝1，L，K′)的最大子信道增益 ②計(jì)算用戶k′接收端信噪比 ③選擇第一個(gè)用戶use1=argmin1k′/SNRk′,]]>④選擇第k″個(gè)用戶usek′′=argmini≠1,L,k′′-1(1/SNRi+Σj=1k′′-1ηj,i),]]>這里ηj,i=|(fni)Hfnj|2,]]>⑤重復(fù)步驟d，直到k″＝NT，e.構(gòu)造NT個(gè)被選擇的用戶的信號(hào)，首先令用戶k″(k″＝1，L，NT)的預(yù)波束向量為fk′′=P/NTfnk′′,]]>得到用戶k″發(fā)送信號(hào)為fk″xk″，這里xk″為用戶待傳的信息符號(hào)，f.構(gòu)造系統(tǒng)總發(fā)送信號(hào)，總發(fā)送信號(hào)通過直接疊加NT個(gè)被選擇的用戶的信號(hào)得到，即Tx=f1x1+f2x2+L+fNTxNT,]]>g.在當(dāng)前發(fā)送周期內(nèi)，系統(tǒng)設(shè)置反饋門限值Γ，利用系統(tǒng)廣播信道對(duì)所有用戶廣播，以供下個(gè)周期系統(tǒng)選擇用戶，反饋門限值Γ設(shè)置過程如下①計(jì)算當(dāng)前周期內(nèi)所有反饋用戶的子信道增益均值h2，②計(jì)算K′與Kn的最大值和差值，并計(jì)算差值和最大值的商，將此商乘以子信道增益均值得到反饋門限的調(diào)整步長(zhǎng)，③下個(gè)周期反饋門限為當(dāng)前反饋門限值減去調(diào)整步長(zhǎng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方法，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，再系統(tǒng)按周期發(fā)送信號(hào)，當(dāng)前發(fā)送周期內(nèi)，系統(tǒng)根據(jù)上一發(fā)送周期中反饋門限Γ，選擇系統(tǒng)中部分用戶進(jìn)行反饋，反饋的用戶選擇子信道增益增量碼字，并通過反饋信道反饋到發(fā)送端，選擇反饋的用戶選擇量化預(yù)波束向量，并通過反饋信道連同子信道增益增量碼字一起反饋到發(fā)送端，送端在所有進(jìn)行反饋的用戶中根據(jù)準(zhǔn)正交設(shè)計(jì)方法選擇出N
文檔編號(hào)H04B7/04GK1728593SQ20051003766
公開日2006年2月1日 申請(qǐng)日期2005年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月11日
發(fā)明者潘成康, 蔡躍明, 徐友云 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)