3D MU-MIMO FDD系统中基于双码本有限反馈的多用户调度方法

摘要

本发明3D MU?MIMO FDD系统中基于双码本有限反馈的多用户调度方法，包括如下步骤，第一步，将3D MU?MIMO FDD系统的水平码本集合和垂直码本集合同时储存在基站和用户端；第二步，基站通过配置好的信道状态信息参考符号端口，经下行广播信道向用户发送参考信号信息；第三步，用户端根据收到的参考信号信息进行下行信道估计，并根据获得的3D信道信息计算需要反馈的信道状态信息即为CSI反馈信息，同时将该CSI反馈信息通过上行反馈信道反馈给基站；第四步，基站根据获得CSI反馈信息将用户分组得到多个水平用户组和多个垂直用户组，然后两两取交集得到多个备选的可选调度用户集合，再选出用户CQI之和最大的一组作为最终调度的用户用于下行传输。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信中3DMIMO有限反馈系统中的多用户调度机制，具体为3D MU-MIMOFDD系统中基于双码本有限反馈的多用户调度方法。

背景技术

3DMIMO系统中，基站端配置2D均匀面阵天线(URA)。与传统MIMO系统中的水平均 匀线阵(ULA)相比，无论是在天线数量和天线结构上都有所不同。这不仅可以解决大规模 MIMO系统中面临的基站空间和天线尺寸受限的问题，而且还充分挖掘了垂直方向的自由 度。结合现有有源天线系统(AAS)的使用，3DMIMO系统不仅可以实现水平方向上天线的权 值的自适应调整，而且可以改变垂直方向上天线的权值，为垂直方向实现信号的传输、充分 利用空间资源提供了可能。

就目前而言，对于3DMIMO的研究大多是基于TDD下理想信道状态信息(CSI)假设 的，基站估计上行信道并利用信道互易性来获得下行信道状态信息。但是，大规模MIMOTDD 系统中，由于导频信号空间的维数总是有限的，所以不可避免地总是存在不同小区的用户 采用相同的导频同时发射，从而导致基站无法区分，形成所谓的“导频污染”。目前并没有很 有效的方法可以完全消除导频污染。这将导致3DMIMOTDD系统得不到实际应用，因此，从 3DMIMO的实际应用角度而言，非常有必要对基站通过有限反馈获得信道状态信息的FDD系 统展开研究。

现有文献对3DMIMOFDD系统的研究主要包括以下几个方面：第一，基站信道状态信 息参考符号(CSI-RS)设计，如何利用有限的CSI-RS资源获取足够充分的信道状态信息是这 方面的研究焦点。第二，3D码本的设计。如何利用3D-MIMO信道的新特性，结合UPA天线配置， 设计合适的三维码本对3DMIMO有限反馈系统的研究也十分重要。第三，对于FDD大规模3D MIMO系统，只能由用户通过反馈链路将瞬时信道状态信息反馈给基站，基站根据用户的反 馈信息进行预编码，从而在数字域实现波束赋形。大规模MIMO系统中随着基站天线数的大 量增加，传统的CSI反馈量随之呈线性增长。而实际系统中的反馈链路频率资源总是有限 的，因此CSI反馈方案的研究也是FDD3DMIMO系统的一个重要方面。最后，对于3DMU-MIMO 来说，同一小区的用户一般比较多，如何从中选出最优的用户进行数据传输对系统性能的 提升，完成对多用户的调度显的十分重要。就目前而言，大部分学者主要集中在对前三方面 的研究，对3DMIMO用户调度策略的研究少之甚少，个别研究也是基于传统反馈方案的用户 调度(配对)机制。现有的单步反馈那样用户端必须获得全部的信道信息，并且在现有时频 资源有限的情况下，目前3DMIMO系统基站端采用只在一行、一列天线上分配CSI-RS，从而 只获得一行信道信息和一列信道信息。这对于基站配置大量天线的3DMIMO而言，将会带来 巨大的资源浪费与运算负荷。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供3DMU-MIMOFDD系统中基于双码本有限 反馈的多用户调度方法，实用并且在降低用户端计算复杂度的同时能够提升系统性能。

本发明是通过以下技术方案来实现：

3DMU-MIMOFDD系统中基于双码本有限反馈的多用户调度方法，包括如下步骤，

第一步，将3DMU-MIMOFDD系统的水平码本集合和垂直码本集合同时储存在基站 和用户端；

第二步，基站通过配置好的信道状态信息参考符号端口，经下行广播信道向用户 发送参考信号信息；

第三步，用户端根据收到的参考信号信息进行下行信道估计，并根据获得的3D信 道信息计算需要反馈的信道状态信息即为CSI反馈信息，同时将该CSI反馈信息通过上行反 馈信道反馈给基站；所述的CSI反馈信息包括水平维度预编码矩阵指示信息、垂直维度预编 码矩阵指示信息、水平维度信道质量信息和垂直维度信道质量信息，分别简称为水平维度 PMI、垂直维度PMI、水平CQI和垂直CQI；

第四步，基站根据获得CSI反馈信息将用户从水平、垂直两个维度进行分组得到多 个水平用户组和多个垂直用户组，然后分别每个水平用户组和垂直用户组两两取交集得到 多个备选的可选调度用户集合，基站再从多个备选的可选调度用户集合中选出用户CQI之 和最大的一组作为最终调度的用户用于下行传输。

优选的，水平码本集合由多个子码本构成，子码本内码字矢量相互正交；垂直子码 本集合也由多个子码本构成，子码本内码字矢量码字间距离取最大值。

进一步，用户端在水平维度上与垂直维度上根据参考信号信息中的水平方向平均 信道相关矩阵和垂直方向信道相关矩阵进行PMI计算时；

$I_h(g_{h,k},m_{h,k})=\underset{g_h=1,2,\mathrm{...},G_h,m_h=1,\mathrm{2...}{M}_h-1}{\arg \max \left|{\left(u_{m_h}^{\left(g_h\right)}\right)}^H{R}_{h,k}{u}_{m_h}^{\left(g_h\right)}\right|},$

$I_v(g_{v,k},m_{v,k})=\underset{g_v=1,2,\mathrm{...},G_v,m_v=1,\mathrm{2...}{M}_v-1}{\arg \max \left|{\left(v_{m_v}^{\left(g_v\right)}\right)}^H{R}_{v,k}{v}_{m_v}^{\left(g_v\right)}\right|},$

式中，g_h,k、g_v,k，m_h,k、m_v,k分别为第k个用户水平码字矢量u和垂直码字矢量v所在的 子码本序号和子码本内的码字矢量号；R_h,k和R_v,k分别为第k个用户水平、垂直方向的平均信 道相关矩阵；G_h和G_v分别为水平垂直方向子码本个数；M_h和M_v分别为水平和垂直方向每个子 码本内码字矢量的个数。

优选的，水平CQI采用信干噪比SINR为指标，如下式所示，

${\mathrm{CQI}}_{h,k}={\mathrm{SINR}}_{h,k}=\frac{|{\left(u_{m_{h,k}}^{\left(g_{h,k}\right)}\right)}^H*R_{h,k}*u_{m_{h,k}}^{\left(g_{h,k}\right)}{|}^2}{\underset{m=1,m\ne m_{h,k}}{\overset{M_h}{\Sigma }}|{\left(u_m^{\left(g_{h,k}\right)}\right)}^H*R_{h,k}*u_m^{\left(g_{h,k}\right)}{|}^2+\frac{N_h}{P}{\sigma }_k^2};$

垂直CQI以垂直波束赋形增益为指标，如下式所示，

${\mathrm{CQI}}_{v,k}=G^v=\frac{|{\left(v_{m_{v,k}}^{\left(g_{v,k}\right)}\right)}^H*R_{v,k}*v_{m_{v,k}}^{\left(g_{v,k}\right)}{|}^2}{\left|\right|R_{v,k}|{|}^2};$

式中，g_h,k、g_v,k，m_h,k、m_v,k分别为第k个用户水平码字矢量u和垂直码字矢量v所在的 子码本序号和子码本内的码字矢量号；R_h,k和R_v,k分别为第k个用户水平、垂直方向的平均信 道相关矩阵；M_h为水平方向每个子码本内码字矢量的个数；N_k为第k个用户的接收天线个数； P为基站端发射功率。

进一步，所述的用户CQI通过基站端对应用户的水平CQI和垂直CQI之积获得。

优选的，第四步中，水平方向上用户分组包括以下步骤：

1)基站根据收到的CSI反馈信息，找到反馈水平子码本序号g_h,k和子码本内码字矢 量号m_v,k均相同所有用户集合；

2)对步骤1)中每个用户集合中选择用户CQI最大的一个用户保留，其余用户舍弃；

3)基站再从步骤2)中保留下来的所有用户中将子码本号g_h,k相同的分为一组，得 到多个水平用户组。

优选的，第四步中，垂直方向上用户分组时；基站根据收到的垂直方向的CSI反馈 信息，找到反馈子码本序号为g_v的用户分为一组，将用户在垂直方向上分为多组。

优选的，第四步中，垂直方向上用户分组时；基站将所有子码本中的所有码字作为 一个大的码本集合，然后从所有垂直码字中选择量化到不同码字矢量的用户，如果某个码 字对应多个用户则只保留CQI最大的一个，剩下的舍弃；由保留下来的用户组成一个垂直维 度的用户组。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明将水平、垂直维度信道信息分开反馈，无须在用户端获得全部的信道信息， 极大的减小了运算量。同时能够用于基站端获得全部信道信息的情况，也能够很好地应用 在基站端获得一行、一列信道信息的情况，具有更强的适用性。虽然本发明不能减少反馈比 特数，但是却可以通过水平和垂直两次低维矩阵运算代替高维矩阵运算，从而大大降低了 用户端的计算复杂度，同时也降低了基站和用户端码本存储的空间。也由于从水平、垂直两 个维度进行用户分组调度，能够很好的保证所调度用户的系统性能。

附图说明

图1是本发明实例中所述的单小区3DMU-MIMO系统模型。

图2是本发明实例中所述水平维度用户分组示意图。

图3是本发明实例中所述方案一垂直维度用户分组示意图。

图4是本发明实例中所述方案二垂直维度用户分组示意图。

图5是本发明实例中所述信噪比为10dB时小区平均频谱效率随总用户数的变化示 意图。

图6是本发明实例中所述信噪比为10dB时平均调度用户随总用户数的变化示意 图。

图7是本发明实例中所述总用户数为30，信噪比为20dB是每用户平均频谱效率CDF 曲线。

图8是本发明实例中所述小区用户数为30时，小区平均频谱效率随信噪比的变化 示意图。

图9是本发明实例中所述小区用户数为30时，平均调度用户随信噪比的变化示意 图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而 不是限定。

本发明所述的3DMU-MIMOFDD系统中基于双码本有限反馈的多用户调度方法，所 述的单小区3DMU-MIMO系统模型如图1所示，该系统包括一个基站和K个均匀分布的激活用 户，基站可同时调度的用户数为S，分别记为用户1，用户2…用户S。基站端配备N_t＝N_h×N_v根 呈2D均匀面阵分布的天线(N_h为水平方向列天线个数，N_v为垂直方向行天线个数)。用户端采 用单天线(N_r＝1)接收信号。假设基站总发射功率为P，采用功率平均，则每用户的功率为P/ S。对于同时调度的S个用户，第i个用户的接收信号可以表示为：

$y_i=\sqrt{\frac{P}{S}}{H}_i{w}_i{x}_i+\sqrt{\frac{P}{S}}\underset{j=1,j\ne i}{\overset{S}{\Sigma }}{H}_i{w}_j{x}_j+n_i---\left(1\right)$

式中：为第i个用户的接收信号；x_i∈C为第i个用户的发送符号，且满足 第i个用户的复加性高斯噪声，方差为为第 i个用户预编码矩阵；为第i个用户到基站的3D信道矩阵。

对于FDD系统，基站无法像TDD系统那样获得每用户全部的信道信息H_i，基站根据 用户的有限反馈信息(如PMI、CQI等)从码本(B为反馈比特数)中选择合理 码字矢量作为量化信道或预编码矢量，从而实现信号的传输。为了降低用户端计算反馈信 息的复杂度，我们将小区内第k个用户的信道信息H_k分水平、垂直两个维度进行量化。记第i 行水平维度信道为第j列垂直维度的信道记为那么按照 列式索引，第k个用户信道可以表示为：按照行式索引，又可以表示 为式(1)中的预编码矩阵w_i也不能像TDD系统中根据已知的信道信 息进行设计，而是在用户端通过计算得到信道矢量最为匹配的码字矢量作为预编码矩阵， 即：w_i＝c_best，然后反馈到用户端进行数据传输。那么第i个用户的信干噪比可以表示为：

${\mathrm{SINR}}_i=\frac{P\left|\right|H_i{w}_i|{|}^2}{P\underset{j=1,j\ne i}{\overset{S}{\Sigma }}\left|\right|H_i{w}_j|{|}^2+{\mathrm{S\sigma }}_i^2}---\left(2\right)$

本发明提出的3DMU-MIMOFDD系统中基于双码本有限反馈的多用户调度机制的 具体步骤如下：

1)将水平码本集合和垂直码本集合同时储存在基站和用户端；

水平码本集合C_h由G_h个码字矢量相互正交的DFT子码本构成，每个子码本包含M_h个 码字矢量。记为：码本大小为L_h＝G_h*M_h。垂直子码本集合C_v由G_v个基于用户 垂直离开角(ZOD)的子码本构成，子码本内M_v个码字矢量码字间距离尽量大。记为： 码本大小为：L_v＝G_v*M_v。水平、垂直码本分组情况分别如公式(3)、公式(4)所 示：

水平码本C_h:

垂直码本C_v:

2)基站通过配置的信道状态信息参考符号(CSI-RS)端口，经下行广播信道向用户 发送参考信号信息。

需要说明的是在本发明方案既适用于基站在每个天线端口均配置CSI-RS的方案， 也适用于基站只在一行、一列天线阵元上配置CSI-RS的方案。

3)用户端根据收到的参考信号信息进行下行信道估计，并根据获得的3D信道信息 计算需要反馈的信号状态信息CSI，即为CSI反馈信息：其包括水平维度预编码矩阵指示 (PMI)信息、垂直维度PMI、水平维度信道质量信息(CQI)和垂直CQI。并把这些CSI通过上行 反馈信道反馈给基站。

水平PMI、垂直PMI分别基于水平方向平均信道相关矩阵和垂直方向信道相关矩阵获取。 具体为：其中，g_h,k、g_v,k，m_h,k、m_v,k分别为第k个用户水平码字矢量u和垂直码字矢量v所在的子码本序 号和子码本内的码字矢量号。

水平CQI可以采用信干噪比(SINR)为指标，如式(5)所示：

${\mathrm{CQI}}_{h,k}={\mathrm{SINR}}_{h,k}=\frac{|{\left(u_{m_{h,k}}^{\left(g_{h,k}\right)}\right)}^H*R_{h,k}*u_{m_{h,k}}^{\left(g_{h,k}\right)}{|}^2}{\underset{m=1,m\ne m_{h,k}}{\overset{M_h}{\Sigma }}|{\left(u_m^{\left(g_{h,k}\right)}\right)}^H*R_{h,k}*u_m^{\left(g_{h,k}\right)}{|}^2+\frac{N_h}{P}{\sigma }_k^2}---\left(5\right)$

而垂直CQI以垂直波束赋形增益为指标如式(6)所示：

${\mathrm{CQI}}_{v,k}=G^v=\frac{|{\left(v_{m_{v,k}}^{\left(g_{v,k}\right)}\right)}^H*R_{v,k}*v_{m_{v,k}}^{\left(g_{v,k}\right)}{|}^2}{\left|\right|R_{v,k}|{|}^2}---\left(6\right)$

以上公式中水平信道相关矩阵和垂直信道相关矩阵分别如式(7)、式(8)所示：

$R_{h,k}=\frac{1}{N_v}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\left(H_{h,k}^{\left(i\right)}\right)}^H{H}_{h,k}^{\left(i\right)}---\left(7\right)$

$R_{v,k}=\frac{1}{N_h}\underset{j=1}{\overset{N_h}{\Sigma }}{\left(H_{v,k}^{\left(j\right)}\right)}^H{H}_{v,k}^{\left(j\right)}---\left(8\right)$

如果用户端只获得一行、一列信道信息，则用式(9)、(10)代替式

(7)、式(8)：

$R_{h,k}={\left(H_{h,k}^{\left(1\right)}\right)}^H{H}_{h,k}^{\left(1\right)}---\left(9\right)$

$R_{v,k}={\left(H_{v,k}^{\left(1\right)}\right)}^H{H}_{v,k}^{\left(1\right)}---\left(10\right)$

4)基站根据获得CSI信息将用户从水平、垂直两个维度进行分组得到多个水平用 户组和多个垂直用户组，然后分别对水平用户组合垂直用户组两两取交集取交集得到多个 备选的的可选调度用户集合，由于这样的用户集合有多组，基站再从中选出用户CQI之和最 大的一组作为最终调度的用户用于下行传输。

基站端将用户水平CQI和垂直CQI之积作为用户最终的CQI，即：

CQI_k＝CQI_v,k*CQI_h,k(11)

进一步，水平维度用户分组示意图如图2所示，具体包括如下步骤：

1)基站根据收到的反馈信息，找到反馈水平子码本序号g_v,k和子码本内码字矢量 号m_v,k均相同所有用户集合；

2)对1)每个用户集合中选择CQI最大的一个保留，其余用户舍弃：

3)基站再从再从2)中保留下来的所有用户中将子码本号g_v相同的分为一组，便可 得到多个水平用户组。

垂直方向上用户分组可以有两种方式：

1)基站根据收到的垂直方向的反馈信息，找到反馈子码本序号为g_v的用户分为一 组，便可将用户在垂直方向上分为多组。记为方案一，其示意图如图3所示。

2)基站不再根据垂直子码本去划分用户组，而是将所有子码本中的所有码字当成 一个大的码本集合，然后从所有垂直码字中选择那些量化到不同码字矢量的用户，如果有 的码字对应多个用户则只保留CQI最大的一个，剩下的舍弃，由保留下来的用户垂直维度的 用户组，这样的用户组只有一个。这种方案记为方案二，如图4所示。

实施例1：

考虑一个包含单小区、多个用户的3DMIMO系统场景，基站部署UPA天线，水平垂直 方向天线均为8，其它具体仿真参数见表1。假设小区总用户数分别10，20，…，80之间变化， 信噪比(SNR)设为10dB。我们除了对比本发明给出的两种方案以外还对比了已有文献提出 的基于最优伴随簇(BCC)的3DMIMO用户配对方案以及随机调度方案(假设随机调度方案能 调度到的用户是总用户数的十分之一)。

表1用户3D分布场景仿真参数

从图5可以看出随着总用户数的增加，小区能获得平均频谱效率也随之增加。并且 本发明方案能够获得的小区频谱效率比随机调度方案和BCC方案要高很多。从图6可以看 出，随着小区总用户数的增加各方案所能调度的用户数量也呈递增趋势，并且本发明方案 能选出的用户数比BCC用户配对方案要多。方案一由于放松了对垂直方向用户分组的条件， 因此能够获得比方案二更多的用户数和更好的性能。但是在带来多用户分集增益的同时也 带来了多用户间的干扰，从图7可以看出其每用户平均频谱效率并没有方案二好。

实施例2：

仍然考虑一个包含单小区、多个用户的3DMIMO系统场景。假设小区总用户数为 30，分别考虑信噪比(SNR)为0dB，5dB，…，30dB下的系统性能。从图8可以看出，随着SNR的逐 渐增加小区平均频谱效率也会随着增加。其原因是SNR增加，每用户的信道质量变好，虽然 图9显示可调度的用户数并不着SNR有太大变化，但是在信道质量变好的情况下每用户的平 均频谱效率会增加，最终带来系统性能的提升。图9中当小区总用户数固定的情况下，随着 SNR变化能够选出的用户数并不会有太大的变化，因为本发明的用户调度策略旨在选出水 平、垂直均能够区分开的用户，话句话说尽量保证用户的水平方位角和垂直俯仰角有一定 的距离，从用户物理位置的角度出发的，而与用户的信道质量并没有太大的关系。这种思路 虽然不能够保证调度用户的总体性能是最优的，但是却保证了用户之间的公平性。