專利名稱：一種自適應(yīng)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無線通信系統(tǒng)傳輸技術(shù)，特別是涉及一種具 有自適應(yīng)功能的隨機(jī)波束成形傳輸方法。
背景技術(shù)：
隨著移動通信用戶數(shù)量的急劇增加和無線寬帶業(yè)務(wù)(如多媒體業(yè)務(wù)) 的迅速興起，人們期望未來移動通信系統(tǒng)能提供更高的數(shù)據(jù)傳輸率(100Mbps以上)、更高的頻譜效率(10bps/Hz以上)。多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)是一種在發(fā)射端 和接收端都使用多個天線的技術(shù)。MIMO是提高頻譜效率的一種有效手段， 它能夠在不增加發(fā)射功率的前提下，成倍的提高系統(tǒng)的頻譜效率。波束成形是一類典型的MIMO技術(shù)，其基本思想是在每根發(fā)射天線上 乘上一個復(fù)數(shù)來構(gòu)建一個波束方向。因此對N個發(fā)射天線則需乘上一個N 維的復(fù)向量，通常把這個N維的復(fù)向量稱為波束成形矢量或一個波束。對 于多發(fā)射天線系統(tǒng)可以構(gòu)建多個波束同時(shí)并行地發(fā)射數(shù)據(jù)。不同的波束構(gòu)造方法對應(yīng)著不同的波束成形類型，隨機(jī)波束成形是其 中重要的一類，它是通過隨機(jī)的方式來構(gòu)造波束。M. Sharif和B. Hassibi 發(fā)表在正EE Trans. Inf. Theory的文章"On the capacity of MIMO broadcast channels with partial side infonnation"提出了一種正交隨機(jī)波束成形傳輸方 案。該方案通過在發(fā)射端同時(shí)構(gòu)建N個正交的隨機(jī)波束(N為發(fā)射天線數(shù)) 能在中低信噪比且用戶數(shù)龐大的情況下獲得很好的性能，而在實(shí)際中當(dāng)用 戶數(shù)目較少時(shí)，系統(tǒng)的傳輸速率較低；在高信噪比時(shí)，系統(tǒng)是干擾受限的。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種自適應(yīng)隨機(jī)波束成形傳輸方法，解決在用戶 數(shù)目小和信噪比高的情況下傳輸速率低的問題。
本發(fā)明中包括以下步驟(1) 發(fā)射端構(gòu)造L個隨機(jī)波束，通過隨機(jī)波束向各接收端發(fā)送信道估 計(jì)信號；(2) 各接收端接收經(jīng)過信道衰減后的信道估計(jì)信號，計(jì)算對應(yīng)信道矢 量與各隨機(jī)波束內(nèi)積的模值；(3) 各接收端根據(jù)反饋判斷準(zhǔn)則判斷是否向發(fā)射端發(fā)送反饋信號，如 果反饋，進(jìn)入步驟(4)，否則，進(jìn)入步驟(8);(4) 允許反饋的接收端根據(jù)模值生成反饋信號，將其發(fā)送給發(fā)射端；(5) 發(fā)射端接收反饋信號，將其作為調(diào)度信息；(6) 發(fā)射端根據(jù)調(diào)度信息進(jìn)行發(fā)射波束選擇和用戶調(diào)度；(7) 發(fā)射端以選擇的發(fā)射波束向調(diào)度得到的用戶發(fā)送數(shù)據(jù)；(8) 結(jié)束。所述步驟3中的判斷準(zhǔn)則為若接收端對應(yīng)的信道矢量與各隨機(jī)波束 內(nèi)積的模值的離散程度高于預(yù)定門限值，該接收端反饋。所述離散程度用 所述模值的算術(shù)平方根與幾何平方根的商來表示，所述門限值取值為^ 。所述步驟3中的判斷準(zhǔn)則還可為若接收端對應(yīng)的信道矢量與各隨機(jī) 波束的最小夾角小于預(yù)定門限值，該接收端反饋。所述步驟(6)具體為(6.1) 對波束進(jìn)行組合；(6.2) 分別計(jì)算每種波束組合的系統(tǒng)容量；(6.3) 選擇具有最大系統(tǒng)容量的波束組合及其對應(yīng)用戶。本發(fā)明通過反饋信道矢量與各隨機(jī)波束內(nèi)積的模值實(shí)現(xiàn)了發(fā)射波束的 自適應(yīng)選擇，克服了正交隨機(jī)波束成形要求用戶數(shù)目大和信噪比低的缺點(diǎn)， 同時(shí)獲得了系統(tǒng)性能的明顯提升。


圖l為本發(fā)明系統(tǒng)框架圖； 圖2為本發(fā)明流程圖3為發(fā)射端結(jié)構(gòu)圖； 圖4為接收端結(jié)構(gòu)圖；圖5為本發(fā)明與正交隨機(jī)波束成形方法的頻譜效率仿真比較圖。
具體實(shí)施方式
下面就結(jié)合附圖來具體描述本發(fā)明。如圖1所示，本發(fā)明的系統(tǒng)包括發(fā)射端11和接收端12.1、 12.2........12.K。每個接收端均對應(yīng)一個用戶。以下為描述方便，將接收端12.1、接 收端12.2........接收端12乂統(tǒng)稱為接收端。如圖2所示，本發(fā)明步驟包括S201、 S202、 S203、 S204、 S205、 S206、 S207、 S208共八步。為了進(jìn)一步描述本發(fā)明，下面具體考慮以下實(shí)例發(fā)射端11有4根發(fā) 射天線、接收端有l(wèi)根接收天線的MIMO系統(tǒng)，該系統(tǒng)中只有一個發(fā)射端 11，有K400個接收端。下面將結(jié)合系統(tǒng)流程圖來講述本實(shí)例。.在步驟S201中，發(fā)射端11構(gòu)造L個隨機(jī)波束，L由實(shí)際需要確定， 在本實(shí)施例中取L=2，則隨機(jī)波束^/ = 1，2,通過隨機(jī)波束發(fā)射信道估計(jì)信號 &,/ = 1，2，則發(fā)射的信號^:s = ￡"在步驟S202中，各接收端接收經(jīng)過信道衰減后的信道估計(jì)信號為 "=T/,S + ^ = t i/赤〖+ ^， / = 1，2,. ，100 其中/Z,是第i個用戶的信il矢量(本實(shí)施例中為lx4維復(fù)矢量)，^為噪聲 分量(假定噪聲功率為O，并估計(jì)其信道矢量與各隨機(jī)波束內(nèi)積的模值 I= 1,2,/= 1,2，." ，100。在步驟S203中，各接收端進(jìn)行反饋判斷，反饋判斷準(zhǔn)則包括但不限于 (1)對用戶信道矢量與各隨機(jī)波束內(nèi)積的模值的離散程度設(shè)置門限；(2) 對用戶信道矢量與各隨機(jī)波束的最小夾角設(shè)置門限。反饋判斷的目的是選擇信干噪比較高的用戶進(jìn)行反饋。 對于準(zhǔn)則(1)可以用|//^|;/ = 1，2的算術(shù)平方根與幾何平方根的商來衡量其 離散程度，門限值可以取^，接收端進(jìn)行判決時(shí)計(jì)算判決值，若判決值高
于門限，該用戶反饋，進(jìn)入步驟S204，否則不反饋，結(jié)束；對于準(zhǔn)則(2) 門限值可以取0.15—0.25，接收端進(jìn)行判決時(shí)計(jì)算IA州，/ = 1,2與|《|商的最 小值作為判決值，若判決值低于門限，該用戶反饋，進(jìn)入步驟S204，否則 不反饋，結(jié)束。1//,1，^U,…,100為信道模值，可在步驟S202中根據(jù)接收信 號估計(jì)其值。在步驟S204中，允許反饋的接收端生成反饋信號 |/^|2，/ = l，2^=w2，...,,s，將其發(fā)送給發(fā)射端ll，其中S為反饋判決后系統(tǒng)中剩余的用戶數(shù)目，"，,2，…，/s,仏，,2，…，,s^仏2,…廁。在步驟S205中，發(fā)射端11接收反饋信號l/^,lV^,2,"A,v..，^將 其作為調(diào)度信息-該調(diào)度信息矩陣中每行對應(yīng)一個用戶的反饋信息，每列對應(yīng)一個波束上的反饋信息。在步驟S206中，調(diào)度器113根據(jù)調(diào)度信息完成發(fā)射波束選擇和用戶調(diào) 度，具體步驟為(l)對波束進(jìn)行組合，本實(shí)施例中共tc卜3種，即|>,]、 k]、 ^ ^三種組合。(2)分別計(jì)算每種波束組合的系統(tǒng)容量。(2.1)計(jì)算在每種波束組合下每個用戶信干噪比 在波束組合[^]下信干噪比的計(jì)算公式為S/ATi^p-戶l/^^卩，在波束組合fe]下信干噪比的計(jì)算公式為^7A^"d -Pl7^^ I2，在波束組合k A]下，I
在波束A上信干噪比的計(jì)算公式為<formula>formula see original document page 7</formula>在波束&上信干噪比的計(jì)算公式為<formula>formula see original document page 7</formula>其中P為發(fā)射功率。(2.2)對于每組波束組合中的每個波束，在該波束上選擇其最大信干 噪比，按照香農(nóng)容量公式C"og(l + S/M )計(jì)算該波束的系統(tǒng)容量，然后將波 束組合中各波束的系統(tǒng)容量累加作為該波束組合的系統(tǒng)容量。(3)選擇具有最大系統(tǒng)容量的波束組合及其對應(yīng)的用戶作為發(fā)射波束 組合和調(diào)度用戶。在步驟S207中，發(fā)射端11以選擇的發(fā)射波束向調(diào)度用戶發(fā)射數(shù)據(jù)。 步驟S208，結(jié)束。如圖3所示，發(fā)射端ll包括隨機(jī)波束成形器lll、反饋信息處理器 112、調(diào)度器113、用戶選擇器114、雙工射頻器115以及多根發(fā)射天線。隨機(jī)波束成形器111用于構(gòu)造隨機(jī)波束;根據(jù)來自調(diào)度器113的發(fā)射波 束信息選擇發(fā)射波束；向雙工射頻器115傳送發(fā)射波束、信道估計(jì)信號和 用戶數(shù)據(jù)。雙工射頻器115和位于其上的發(fā)射天線用于向接收端12發(fā)送信道估計(jì) 信號和用戶數(shù)據(jù)；接收來自接收端12的反饋信號，傳送給反饋信息處理器112;反饋信息處理器112用于接收反饋信號，并將其作為調(diào)度信息傳送給調(diào)度器113;調(diào)度器113用于根據(jù)調(diào)度信息進(jìn)行發(fā)射波束選擇和用戶調(diào)度，將選擇的發(fā)射波束信息和調(diào)度用戶信息分別傳送給隨機(jī)波束成形器111和用戶選擇器114。
用戶選擇器114用于接收來自調(diào)度器113的調(diào)度用戶信息，向隨機(jī)波 束成形器lll傳送用戶數(shù)據(jù)。如圖4所示，接收端包括接收信號處理器121、反饋判決器122、反 饋生成器123、雙工射頻器124以及多根接收天線。雙工射頻器124和位于其上的接收天線用于接收來自發(fā)射端11的信道 估計(jì)信號和用戶數(shù)據(jù)，將接收的信號傳送給接收信號處理器121;接收來自 反饋生成器123的反饋信號，發(fā)送給發(fā)射端ll;接收信號處理器121用于根據(jù)來自雙工射頻器124的信道估計(jì)信號估 計(jì)信道矢量與各隨機(jī)波束內(nèi)積的模值，并將模值傳送給反饋判決器122;還 原來自雙工射頻器124的用戶數(shù)據(jù)。反饋判決器122用于根據(jù)模值進(jìn)行反饋判斷，如果接收端反饋，則將 模值傳送給反饋生成器123;反饋生成器123用于根據(jù)模值生成反饋信號，傳送給雙工射頻器124。圖5為本發(fā)明與正交隨機(jī)波束成形方法(ORBF， Orthogonal Random Beamforming)的頻譜效率仿真比較圖。在發(fā)射天線數(shù)N=4、接收天線數(shù) M=l、用戶數(shù)K-100、發(fā)射功率戶-0 40dB的條件下，分別仿真了發(fā)射端構(gòu) 造1^=2、 3、 4個隨機(jī)波束的情況下，本發(fā)明和正交隨機(jī)波束成形的頻譜效 率。從圖中可以看出，本發(fā)明頻譜效率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的正交隨機(jī)波束成形。 本發(fā)明在實(shí)際系統(tǒng)條件下具有低反饋開銷、低復(fù)雜度且性能優(yōu)異的特點(diǎn)。
權(quán)利要求
1、一種自適應(yīng)隨機(jī)波束成形傳輸方法，包括以下步驟(1)發(fā)射端構(gòu)造L個隨機(jī)波束，通過隨機(jī)波束向各接收端發(fā)送信道估計(jì)信號；(2)各接收端接收來自發(fā)射端的信道估計(jì)信號，計(jì)算對應(yīng)信道矢量與各隨機(jī)波束內(nèi)積的模值；(3)各接收端根據(jù)反饋判斷準(zhǔn)則判斷是否向發(fā)射端發(fā)送反饋信號，如果反饋，進(jìn)入步驟(4)，否則，進(jìn)入步驟(8)；(4)允許反饋的接收端根據(jù)模值生成反饋信號，將其發(fā)送給發(fā)射端；(5)發(fā)射端接收反饋信號，將其作為調(diào)度信息；(6)發(fā)射端根據(jù)調(diào)度信息進(jìn)行發(fā)射波束選擇和用戶調(diào)度；(7)發(fā)射端以選擇的發(fā)射波束向調(diào)度得到的用戶發(fā)送數(shù)據(jù)；(8)結(jié)束。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種自適應(yīng)隨機(jī)波束成形傳輸方法，其特征在 于，所述步驟3中的判斷準(zhǔn)則為若接收端對應(yīng)的信道矢量與各隨機(jī)波束 內(nèi)積的模值的離散程度高于預(yù)定門限值，該接收端反饋。
3、 如權(quán)利要求2所述的一種自適應(yīng)隨機(jī)波束成形傳輸方法，其特征在 于，所述離散程,用所述模值的算術(shù)平方根與幾何平方根的商來表示，所 述門限值取值為^。
4、 如權(quán)利要求1所述的一種自適應(yīng)隨機(jī)波束成形傳輸方法，其特征在 于，所述步驟3中的判斷準(zhǔn)則為若接收端對應(yīng)的信道矢量與各隨機(jī)波束 的最小夾角小于預(yù)定門限值，該接收端反饋。
5、 如權(quán)利要求1至4所述的任一種自適應(yīng)隨機(jī)波束成形傳輸方法，其 特征在于，所述步驟(6)具體為(6.1) 對波束進(jìn)行組合；(6.2) 分別計(jì)算每種波束組合的系統(tǒng)容量；(6.3) 選擇具有最大系統(tǒng)容量的波束組合及其對應(yīng)用戶。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種自適應(yīng)隨機(jī)波束成形傳輸方法，包括以下步驟(1)發(fā)射端通過構(gòu)造的隨機(jī)波束發(fā)送信道估計(jì)信號；(2)各接收端接收經(jīng)過信道衰減后的信道估計(jì)信號，計(jì)算對應(yīng)信道矢量與各隨機(jī)波束內(nèi)積的模值；(3)各接收端根據(jù)反饋判斷準(zhǔn)則判斷是否反饋，如果反饋，進(jìn)入步驟(4)，否則結(jié)束；(4)允許反饋的接收端根據(jù)模值生成反饋信號發(fā)送給發(fā)射端；(5)發(fā)射端接收反饋信號作為調(diào)度信息；(6)發(fā)射端根據(jù)調(diào)度信息進(jìn)行發(fā)射波束選擇和用戶調(diào)度；(7)發(fā)射端發(fā)送數(shù)據(jù)。本發(fā)明通過反饋信道矢量與各隨機(jī)波束內(nèi)積的模值實(shí)現(xiàn)了發(fā)射波束的自適應(yīng)選擇，克服了正交隨機(jī)波束成形要求用戶數(shù)目大和信噪比低的缺點(diǎn)，同時(shí)獲得了系統(tǒng)性能的明顯提升。
文檔編號H04B7/06GK101159466SQ200710168439
公開日2008年4月9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, 朱光喜, 林宏志, 王德勝, 鄭治凱 申請人:華中科技大學(xué)