基于统计信漏噪比准则的MIMO多用户下行传输方法

摘要

基于统计信漏噪比准则的MIMO多用户下行传输方法，基站通过反馈或隐反馈方式，由信道估计结果获取基站到用户之间的发送相关阵，利用此信息，根据最大化统计信漏噪比下界准则，计算出下行预编码向量空间应由离散傅立叶矩阵构成，进一步，基站由发送相关阵的特征值对角阵特性，按照不同特征值对角阵能量相互耦合的原则，调度出适合下行传输的各个用户，并进行用户间功率分配，在此基础上完成MIMO多用户下行传输方法。本发明提高了通信系统的频谱利用率和功率效率，同时大幅降低基站进行下行预编码传输所需的系统开销，基站根据信道统计信道状态信息调整发送参数，以较少的系统开销获得较高的系统传输速率。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及多输入多输出MIMO通信技术，用于实现高速数据传输的多用户移动通信系统，尤具体为一种基于最大化统计信漏噪比准则的MIMO多用户下行传输方法。

背景技术

与第三代移动通信系统相比，未来移动通信系统要求能够支持高达每秒数百兆甚至1G比特的高速数据业务速率，在无线资源日趋紧张的情况下，采用新型网络架构，利用MIMO多用户无线传输技术，充分挖掘空间资源，最大限度地提高频谱利用率和功率效率，成为未来移动通信研究的关键所在。

采用多天线发送和多天线接收的MIMO传输技术是挖掘利用空间维度无线资源、提高频谱利用率和功率效率的基本途径，十余年来一直是移动通信领域的主要研究点，并成为未来移动通信系统的核心技术。MIMO技术的主要特色是在发送端和接收端均采用多天线单元完成信息的发送与接收，将该技术直接应用于多用户系统，会导致较为严重的用户间干扰，从而极大地制约了系统频谱利用率的提高。理论研究表明：采用MIMO多用户下行传输技术可有效地利用空间资源，突破传统移动蜂窝传输技术对频谱利用率的限制，大幅度提升系统的功率效率。目前，该技术已引起广泛关注，同时也成为三个主要标准化组织实现其技术向IMT-Advanced标准演进的主流技术之一。近年来MIMO多用户下行传输技术的研究主要集中在基站已知瞬时信道状态信息的情况，这些研究仅适用于固定和低速移动通信场景，针对中高速移动通信环境的MIMO多用户下行传输技术研究相对较少，而综合利用信道统计状态信息的多用户下行传输方法鲜见报导。另一方面，即使在低速移动通信场景，鉴于反馈链路容量受限条件下，下行多用户传输对反馈的信道参数的精度较为敏感，利用信道统计状态信息进行多用户下行传输是否可以获得相近或更好的性能，也同样是值得关注的焦点问题。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有对MIMO多用户下行传输的研究仅适用于固定和低速移动通信场景，针对中高速移动通信环境的MIMO多用户下行传输技术研究相对较少，如何利用信道统计状态信息进行MIMO多用户下行传输是本发明要解决的问题。

本发明的技术方案为：基于统计信漏噪比准则的MIMO多用户下行传输方法，参与下行传输的各用户通过无线链路与基站连接，基站的天线数为Nt，每个用户的天线数为1，基站利用其与各用户之间的信道统计状态信息进行预编码设计，包括以下步骤：

1)基站通过信道统计状态信息，获取基站至小区内各用户信道的发送相关阵及其特征值对角阵，基站与第j个用户之间的信道矩阵H_j为1×N_t的矩阵：

则用户j的发送相关阵为：

其中T为N_t×N_t维的离散傅立叶矩阵，是H_j的虚拟表示形式，为发送相关阵的特征值对角阵；

2)基站利用步骤1)中获取的与用户之间的发送相关阵，以用户j的最大化统计信漏噪比SLNR下界为目标，计算出MIMO多用户下行传输的预编码向量，即用户j的特征传输方向，由离散傅立叶矩阵的列向量构成；

3)调度适合MIMO多用户下行传输的用户，具体步骤如下：

3.1)计算各用户的特征传输方向；

3.2)将特征传输方向相互耦合的用户划分在同一传输组内，进行MIMO多用户下行传输；

3.3)在被调度用户的总数不超过基站天线数Nt的前提下，重复步骤3.1)和步骤3.2)，遍历所有用户，调度出适于MIMO多用户下行传输的用户；

4)基站根据发送相关阵，对发送给各用户的数据流进行功率分配；

5)基站根据特征传输方向以及功率分配方法完成MIMO多用户下行传输。

步骤1)中，信道统计状态信息的获取分为反馈和隐反馈两种模式：采用反馈模式时，基站通过用户的反馈获得信道统计状态信息；采用隐反馈模式时，直接在基站计算信道统计状态信息。

进一步的，步骤2)具体为：

用户总数为K，设用户j(j＝1，L，K)收到的信号表示为：

$r_j=\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}\sqrt{p_k}{H}_j{w}_k{s}_k+n_j---\left(3\right)$

其中n_j是由均值为零，方差为1的独立同分布的复高斯变量构成的第j个用户的加性高斯噪声向量，s_k为基站发送给第k(k＝1，L，K)个用户的功率归一化符号信息，w_k是基站对第k个用户的N_t×1维的发送波束成型向量且有p_k为基站发送给第k个用户的功率，将用户j收到的信号等效表示为：

$r_j=\sqrt{p_j}{H}_j{w}_j{s}_j+\underset{k=1,k\ne j}{\overset{K}{\Sigma }}\sqrt{p_k}{H}_j{w}_k{s}_k+n_j---\left(4\right)$

对于基站发送给用户j的符号s_j，用户j接收到的有效信息功率是其它用户k接收到该信息的等效功率，即泄漏功率为：其中由此得到用户j的信漏噪比SLNR如下：

利用统计信漏噪比E{SLNR_j}对w_j进行优化设计，在最大化统计信漏噪比的目标下设计各基站的发送波束成型向量：

式(6)中的分子和分母是统计独立的，根据Mullen不等式，得到统计信漏噪比的下界：

将(7)式中分子与分母的期望运算展开并对H_k求期望可得：

(8)式将最大化统计信漏噪比转化为最大化下界问题，式中的A_jT和均为Hermite矩阵，由Rayleigh-Ritz定理可得w_j如下：

上式中Q(g)表示求取最大特征值的特征向量，将和T从提取出来做进一步简化即得：

其中对角阵w_j是中对应于Ω对角线最大元素的列向量，即用户j的特征传输方向。

步骤4)具体为：根据下行多用户调度的结果，计算已调度的S个用户特征传输方向的平均传输功率如下：

$\bar{\alpha }=\frac{1}{S}\underset{i=1}{\overset{S}{\Sigma }}{\alpha }_i---\left(12\right)$

其中指已调度的S个用户中每个用户的特征传输方向功率，设基站的总功率为P，根据信道质量较差的用户分配更多发送功率的原则，用户i的分配功率p_i为：

$p_i=\frac{P(\bar{\alpha }/{\alpha }_i)}{\underset{i=1}{\overset{S}{\Sigma }}\bar{\alpha }/{\alpha }_i}---\left(13\right).$

本发明提供一种MIMO传输系统中利用最大化统计信漏噪比的下行传输方法，该方法能够根据信道统计状态信息的特性调整发送参数，以较少的系统开销获得的较高效的系统和速率。

有益效果：现有的MIMO多用户下行传输技术的研究主要集中在基站已知瞬时信道状态信息的情况，这些研究仅适用于固定和低速移动通信场景，本发明基于信道统计状态信息，适于高速移动通信环境的MIMO多用户下行传输技术。本发明提供了一种利用最大化统计信漏噪比的MIMO多用户下行预编码传输方法，该方法具有如下优点：

1、本方法利用了信道统计状态信息，信道统计状态信息是信道的发送相关阵，更容易从实际信道中获取；

2、本方法中基站利用发送相关阵，调度出空间隔离度较好的用户，实施MIMO多用户下行传输；

3、本方法中基站仅需要基站与用户之间信道的发送相关阵，基站与各用户之间信息交互的系统开销很低；

4、本方法中，对信道质量较差的用户分配更多发送功率，保证每个用户通信性能，

用户数据流的功率分配方案由基站完成，且仅利用发送相关阵，计算复杂度低。

本发明利用统计信道状态进行MIMO多用户下行传输设计，主要特色在于利用信道统计状态信息进行各用户的特征传输方向计算、多用户调度、及功率分配设计，由于在基站端只利用统计信道状态信息，可大幅降低基站进行下行预编码传输所需的系统开销，同时由于利用统计信息的空间可分性，对空间隔离度较高的用户实施MIMO多用户下行传输，因此能够很大程度上提高通信系统的频谱利用率和功率效率，获得较高的系统传输速率。

附图说明

图1为本发明的一个具体实施方式，用于支持MIMO多用户作下行传输的无线通信系统示意图，它由基站，若干个用户构成，图中以1个基站，6个用户为例。

图2为本发明的一个具体实施方式的流程图。

具体实施方式

本发明中，基站通过反馈或隐反馈的方式，利用信道估计结果计算出信道矩阵的发送相关阵。基站根据发送相关阵以及调度出适合下行传输的各个用户。对应不同用户，在最大化统计信漏噪比的原则下，利用发送相关阵计算特征传输方向，与此同时，基站根据发送相关阵对发送给各用户的数据流进行功率分配，在此基础上完成MIMO多用户下行传输方法。主要包括以下步骤：

1)基站获取至小区内各用户信道的发送相关阵；

2)基站根据发送相关阵计算出下行传输的特征传输方向；

3)基站根据发送相关阵调度出适合MIMO多用户下行传输的用户；

4)基站根据发送相关阵，确定发送给各用户数据流的功率；

5)基站根据特征传输方向以及功率分配方法完成MIMO多用户下行传输。

考虑一个基站服务于多个用户的场景，基站天线数为N_t，用户天线数为1，各用户通过无线链路与基站相连，假设每个用户均能接收到来自基站的信号，且能估计出各用户到基站的信道信息。

为使本发明中的技术方案更加清楚明白，下面对本方案进行具体描述：

一、发送相关阵的获取

在反馈模式下，所述方案中信道发送相关阵可由用户根据信道估计结果计算得出。我们用N_r×N_t的矩阵H_j表示基站与第j个用户之间的信道矩阵，信道矩阵H_j建模为：

其中T为N_t×N_t维的离散傅立叶矩阵，是H_j的虚拟表示形式，的组成元素是独立非同分布的，每个元素代表的是对应于每对虚拟收发角。利用信道参数的估计值，计算发送相关阵如下：

其中指的是发送相关阵的特征值对角阵。观察(2)式，可将看作一个厄尔米特阵，A_j是非排序的特征值构成的对角阵。当采用隐反馈模式时，基站利用上行接收链路的信道估计结果以及信道的互易性采用与反馈模式下相同的方法计算出发送相关阵及其特征值对角阵。

二、特征传输方向的计算

用户总数为K，设用户j(j＝1，L，K)收到的信号表示为：

$r_j=\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}\sqrt{p_k}{H}_j{w}_k{s}_k+n_j---\left(3\right)$

其中n_j是由均值为零，方差为1的独立同分布的复高斯变量构成的第j个用户的加性高斯噪声向量，s_k为基站发送给第k(k＝1，L，K)个用户的功率归一化符号信息，w_k是基站对第k个用户的N_t×1维的发送波束成型向量且有p_k为基站发送给第k个用户的功率，将用户j收到的信号等效表示为：

$r_j=\sqrt{p_j}{H}_j{w}_j{s}_j+\underset{k=1,k\ne j}{\overset{K}{\Sigma }}\sqrt{p_k}{H}_j{w}_k{s}_k+n_j---\left(4\right)$

对于基站发送给用户j的符号s_j，用户j接收到的有效信息功率是其它用户k接收到该信息的等效功率，即泄漏功率为：其中由此得到用户j的信漏噪比SLNR如下：

本发明利用统计信漏噪比E{SLNR_j}对w_j进行优化设计，在最大化统计信漏噪比的目标下设计各基站的发送波束成型向量，此时问题可以描述为：

式(6)中的分子和分母是统计独立的，根据Mullen不等式，得到统计信漏噪比的下界：

将(7)式中分子与分母的期望运算展开并对H_k求期望可得：

(8)式将最大化统计信漏噪比转化为最大化下界问题。由于(8)式中的A_jT和均为Hermite矩阵，由Rayleigh-Ritz定理可得w_j如下：

上式的Q(g)指求取最大特征值的特征向量，将和T从提取出来做进一步简化即得：

其中对角阵w_j是中对应于Ω对角线最大元素的列向量，即用户j的特征传输方向。。

三、MIMO多用户下行调度算法

(8)式中的统计信漏噪比下界可以表示为：

(11)式表明最大化统计信漏噪比下界就是根据统计信息调度用户，从而最大化对角阵Ω的最大特征值。在此，本发明提出一种完全利用信道发送相关阵的调度方法，详述如下：

基站首先获得各用户反馈的信道发送相关阵的特征值对角阵A_j，然后根据A_j的对角线元素的大小分布找出适合下行传输的用户，具体步骤如下：

1)观察A_j对角线元素，最大元素对应的特征值向量定为特征传输方向。下面的例子中，由A₁，A₂，A₃，A₄分别选择7.3，11.2，12.8，9.5对应的特征向量为特征传输方向；

2)将特征传输方向相互耦合的用户，也就是特征传输方向不重叠的用户组成一组，进行多用户下行传输。下例中，A₁，A₂和A₄可划分在同一组内进行多用户下行传输，A₂，A₃和A₄也可划分在同一组内进行多用户下行传输。

3)在被调度用户的总数不超过N_t的前提下，重复步骤1)和步骤2)，遍历所有

用户，调度出适于MIMO多用户下行传输的用户；。

四、功率分配方法

特征传输方向对应的信道发送相关阵的特征值对角阵决定了它们之间传输信道的质量，为了提高系统性能，本发明提出利用信道发送相关阵的特征值对角阵对基站至每个用户的数据流进行功率分配，方法详述如下：

根据下行多用户调度的结果，计算已调度的S个用户特征传输方向的平均传输功率如下：

$\bar{\alpha }=\frac{1}{S}\underset{i=1}{\overset{S}{\Sigma }}{\alpha }_i---\left(12\right)$

其中指已调度的S个用户中每个用户的特征传输方向功率，设基站的总功率为P，根据信道质量较差的用户分配更多发送功率的原则，用户i的分配功率p_i为：

$p_i=\frac{P(\bar{\alpha }/{\alpha }_i)}{\underset{i=1}{\overset{S}{\Sigma }}\bar{\alpha }/{\alpha }_i}---\left(13\right).$