多用户下行传输系统中利用信道统计信息的自适应传输方法

摘要

多用户下行传输系统中利用信道统计信息的自适应传输方法能够很大地提高通信系统的频谱利用率和功率效率。该传输方法按以下步骤进行：各用户利用信道估计的结果计算自身的信道统计信息，即信道特征模式耦合矢量以及各用户接收天线上的噪声方差，基站根据各用户反馈的信道统计信息，选出服务的用户，进行功率分配以及预编码传输。本发明提供一种利用信道统计信息的多用户下行MISO传输系统自适应传输方案，能够根据信道的统计特性调整发送参数，获得较高的和速率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过使用多个发送天线来传输高速数据的多用户下行传输系统，尤其涉 及一种利用统计信道信息的多用户下行传输系统自适应传输方法。

背景技术

近年来，信息论的研究已经表明，多天线技术能够显著地提高无线通信系统的传输速 率。目前，针对点对点单用户系统的研究已经基本有了定论，而对于多用户系统的容量和最 佳传输方案的研究则引起了国际学者们的广泛关注。多用户多天线系统由于具有分集增益、 复用增益和多用户分集增益，可以获得良好的性能和较大的容量，将成为新一代无线通信网 络的关键技术之一。

与传统的单用户多天线系统相比，多用户多天线系统具有以下几个突出的优点：由于采 用所谓的多用户复用，多用户多天线技术能带来多址接入容量的直接增益(和基站天线数成 正比)；利用多用户分集和调度，多用户多天线技术能突破困扰单用户多天线通信的许多传 播限制，如信道矩阵秩亏或天线相关；在用户终端只具有单天线的MISO(multiple-input  multiple-output)情况下，多用户系统仍然能获得空间复用增益，因此有利于开发体积小 而且便宜的终端。

遗憾的是，对于多用户系统，获得多天线技术带来的好处是有代价的。对于单用户多天 线通信系统来说，发送端已知信道信息不是必要的，但是对于许多多用户多天线下行预编码 技术来说却是至关重要的。许多已有的多用户多天线下行传输系统中都假设基站已知理想的 信道信息。在实际的通信中，基站的信道信息是由用户通过上行的有限反馈信道提供的。由 于反馈信息的传输不可避免地存在误差和反馈延时，因此，假设发送端已知理想的信道信息 往往是不现实的，特别是当用户数和发射天线数较大以及信道状态变化较快的时候。另外， 信道信息的反馈给上行容量造成很大的负担，在宽带(如OFDM)系统和具有高移动性系 统中，这一问题变得更加严重。因此，利用信道统计信息进行自适应传输是合适的选择。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种多用户下行传输系统中利用信道统计信息的自适应 传输方法，能够根据信道的统计特性调整发送参数，获得较高的和速率以及较低的复杂度。

技术方案：本发明的多用户下行传输系统中利用信道统计信息的自适应传输方法按如下 步骤进行：

1)基站信道统计信息的获取：多用户下行链路中，总用户数为L，可服务的用户数为 K，基站的发射天线数为n_T，每个用户的接收天线数为1，基站与用户k之间的信道矢量为 h_k；各用户利用信道参数的估计值计算其信道特征模式耦合矢量m^(k)；最后，各用户将自身 的信道特征模式耦合矢量m^(k)和其接收天线上的噪声方差反馈给基站；

2)基站根据各用户的信道特征模式耦合矢量将用户分为n_T类，其中第k类中的用户满 足其信道特征模式耦合矢量的最大元素为第k个元素；

3)基站分别从每类用户中选出信道特征模式耦合矢量最大元素最大的用户；

4)基站从步骤3)选出的n_T个用户中选出信道特征模式耦合矢量的最大元素最大K个 用户，分别记为用户1至用户K；

5)基站计算用户k的发送方向预编码矢量为其中，用户k的信道特征模式 耦合矢量的最大元素为其第i_k个元素，A_T为n_T×n_T的傅里叶变换阵，为A_T的第i_k列；

6)基站根据信道统计信息计算各用户分配的功率k＝1，K，K，其中，为用户k信道特征模式耦合矢量m^(k)的最大元素，μ为由决 定的常数，P发射总功率；

7)利用步骤5)和步骤6)中计算出的发送方向预编码矢量和功率分配方法进行功率 分配，以及预编码传输。

基站所获取的信道统计信息指的是各用户的信道特征模式耦合矢量以及各用户接收天线 上的噪声方差。

有益效果：本发明提供了一种利用信道统计信息的多用户MISO下行自适应传输方法， 该方法具有如下优点：

1、本方法仅需要信道的统计信息，适用于各种典型的无线通信系统；

2、本方法中的自适应传输方法复杂度低、易于实现；

3、本方法能获得较高的和速率。

附图说明

图1是本发明

具体实施方式

本发明的方法主要包括以下步骤：

1)基站信道统计信息的获取：多用户下行链路中，总用户数为L，可服务的用户数为 K，基站的发射天线数为n_T，每个用户的接收天线数为1，将基站与用户k之间的信道矢量 h_k建模为其中，上标代表共轭转置；e代表Hadama乘 积；A_T为n_T×n_T的傅里叶变换阵；为1×n_T维固定实向量，其元素非 负；是一个由均值为零，方差为1的独立同分布的随机变量组成的1×n_T维随机向量；h_k满足E{·}表示求期望。各用户利用信道参数的估计值计算其信道特征模式耦 合矢量：其中，上标(·)^*表示矩阵的共轭运算；最后，各用 户将自身的信道特征模式耦合矢量m^(k)和其接收天线上的噪声方差反馈给基站。

2)基站根据各用户的信道特征模式耦合矢量将用户分为n_T类，其中第k类中的用户满 足其信道特征模式耦合矢量的最大元素为第k个元素；

3)基站分别从每类用户中选出其信道特征模式耦合矢量的最大元素最大的用户；

4)基站从步骤3)选出的n_T个用户中选出信道特征模式耦合矢量的最大元素最大K个 用户，分别记为用户1至用户K；

5)基站计算用户k的发送方向预编码矢量为其中，用户k的信道特征模式 耦合矢量的最大元素为其第i_k个元素，为A_T的第i_k列；

6)基站根据信道统计信息计算各用户分配的功率k＝1，K，K，其中，为用户k信道特征模式耦合矢量m^(k)的最大元素，μ为由 决定的常数，P发射总功率；

7)利用步骤5)和步骤6)中计算出的发送方向预编码矢量和功率分配方法进行功率 分配，以及预编码传输。

考虑一个多用户MISO下行链路，总用户数为L，可服务的用户数为K，基站采用n_T根 发送天线，每个用户采用1根接收天线，基站向每个用户发送相互独立的信号。在对其和速 率进行分析的基础上，通过最大化和速率的一个近似可以构建出如下的预编码传输方案：

在用户端：用户i对数字基带接收信号y⁽ⁱ⁾(n)进行信道估计，利用信道估计的结果计算信 道的统计信息，并将信道统计信息反馈给基站。

在基站端：利用各用户反馈的信道统计信息对用户进行分类，将所有用户分为n_T类，对 分类后的用户进行调度，选出将进行服务的用户，计算各服务用户的发送方向预编码矢量 w_k以及分配的功率γ_k。然后对各服务用户的输入符号流d^(k)(n)， k＝1，K，K进行线性预编码，得到发送信号$s\left(n\right)={\left(\begin{array}{cccc}{s}_1\left(n\right)& s_2\left(n\right)& L& s_{n_T}\left(n\right)\end{array}\right)}^T,$其中，s_i(n) 表示基站的第i个发送天线的发送信号。d^(k)(n)和s(n)之间满足如下关系：

$s\left(n\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}\sqrt{{\gamma }_k}{w}_k{d}^{\left(k\right)}\left(n\right)$【1】

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、信道统计信息的获得

所述方案中各用户根据信道估计的结果计算其接收天线上的噪声方差及其信道特征 模式耦合矢量m^(k)。

我们用1×n_T的向量h_k表示基站与用户k之间的信道向量，信道向量h_k建模为：

【2】

其中，A_T为n_T×n_T的傅里叶变换阵；为1×n_T维的固定实向量，其元素 非负；是一个由均值为零，方差为1的独立同分布的随机变量组成的1×n_T维随机向量； h_k满足E{·}表示求期望，e代表Hadama乘积，上标代表共轭转置。

各用户利用信道参数的估计值，分别计算其信道特征模式耦合矢量：

【3】

其中，上标(·)^*表示矩阵的共轭运算。最后，各用户将自身的信道特征模式耦合 矢量m^(k)和接收天线上的噪声方差反馈给基站。

二、用户分组

基站根据各用户的信道特征模式耦合矢量将用户分为n_T类，其中第k类中的用户满足其 信道特征模式耦合矢量的最大元素为第k个元素；

三、用户调度

基站首先分别从每类用户中选出其信道特征模式耦合矢量的最大元素最大的用户；然后 从选出的n_T个用户中选出信道特征模式耦合矢量的最大元素最大K个用户，分别记为用户1 至用户K；

四、发送方向预编码矢量

基站计算用户k的发送方向预编码矢量为其中，用户k的信道特征模式耦合 矢量的最大元素为其第i_k个元素，为A_T的第i_k列；

三、功率分配

本方案中对用户k所分配的功率γ_k用如下公式计算：

${\gamma }_k=\max (0,\mu -{\sigma }_k^2{\left({\omega }_{\max }^{\left(k\right)}\right)}^{-1}),$【4】

其中，为用户k信道特征模式耦合矢量m^(k)的最大元素，μ为由决定的常 数，P发射总功率。

本发明具体实施方式如下：

用户端：

1)利用接收信号进行信道估计，得出接收天线上的噪声方差利用公式【2】计算 其信道特征模式耦合矢量m^(k)。

2)将m^(k)和反馈给基站，进入步骤3)。

基站端：

3)将用户分为n_T类，其中第k类中的用户满足其信道特征模式耦合矢量的最大元素为 第k个元素。

4)分别从每类用户中选出其信道特征模式耦合矢量的最大元素最大的用户；

5)从步骤4)选出的n_T个用户中选出信道特征模式耦合矢量的最大元素最大K个用 户，分别记为用户1至用户K；

6)利用所调度用户的噪声方差以及其信道特征模式耦合矢量m^(k)，根据公式【4】 计算其分配的功率γ_k。

7)用户k的发送方向预编码矢量为

8)利用6)和7)中计算出的w_k和γ_k，按照公式【1】进行发送控制。