协作多点系统中的多用户预编码方法技术领域
本发明属于通信技术领域，特别是涉及一种协作多点系统中的多用户预编码方
法。
背景技术
为了满足增强长期演进LTE-A系统在频点、带宽、峰值速率、平均吞吐量、边缘
吞吐量、时延以及兼容性各方面的新需求，第三代合作伙伴计划3GPP在增强长期演
进LTE-A系统中提出了很多新的关键技术，协作多点传输技术就是其中之一。
增强长期演进LTE-A系统采用正交频分多址接入OFDMA作为其下行的多址接入
技术，即利用正交的子载波区分不同用户，从而使得小区内几乎没有用户干扰。但是
在频率复用因子为1的多小区系统中，小区间干扰ICI依然存在，并且很大程度上限
制了小区整体吞吐量以及边缘用户吞吐量的进一步提高。为了解决这个问题，第三代
合作伙伴计划3GPP等组织先后提出并讨论通过多种技术，如功率控制、灵活的频率
复用、随机干扰消除等。这些技术虽然能提高边缘用户吞吐量，但是往往是以牺牲小
区整体吞吐量为代价的。
协作多点CoMP通过协作基站间的动态协作，共享一些必要的信息，如调度信息、
信道状态信息CSI、数据信息等，可以有效地抑制小区间干扰ICI，化干扰为有用信
号，从整体上提高小区吞吐量，尤其是边缘用户吞吐量。但是如果所有协作基站在一
个时频资源上同时服务多个用户，就会产生小区间干扰ICI，因此基站端需要使用联
合预编码来抑制小区间干扰ICI。尽管预编码可以比较有效地抑制小区间干扰ICI，但
前提是所有协作基站可以准确地获得多个用户的信道信息。在频分双工FDD模式下，
基站可以通过用户反馈来获取下行的信道信息，从而有效地抑制小区间干扰ICI。
2004年W.Santipach等在“IEEE International Symposium on Information Theory”
《国际电气电子工程师协会信息论国际研讨会》(2004年6月-7月)发表的
“Asymptotic Capacity of Beamforming with Limited Feedback”《有限反馈中波束成形
的渐进容量》中提出一种随机矢量量化RVQ的有限反馈方法；2005年D.J.Love等在
“IEEE Trans.on Information Theory”《国际电气电子工程师协会信息论汇刊》(2005年
8月第51卷)发表的“Limited feedback unitary precoding for spatial multiplexing
systems”《空间复用系统的有限反馈酉矩阵预编码》中提出一种利用格拉斯曼子空间
分装的有限反馈方法。上述两种方法都是利用大小为N＝2L的码本，对下行信道矢量
进行矢量量化，其中L为码本所需比特数。这样一来，用户不需要直接反馈下行信道
矢量，只需L个比特来反馈对应的码字序号即可，该方法虽然带来一定的性能损失，
但是却大大地降低了平均反馈开销。设计的码本越大，则性能越好，但是平均反馈
开销也就越大；相反，如果码本越小，则反馈越小，但是性能也就越差。
2011年李靖在中国专利发表的“用于协作多点传输系统的选择性有限反馈方法”
中提出了一种用户选择性反馈下行信道矢量的方法。该方法通过预先设定一个门限值
γth，然后用户i根据估计的单链路信道矢量hij，计算出基站j到它的单链路信道增益
的信噪比然后与门限值γth进行比较，如果γij＜γth，则不反馈对应的单
链路信道矢量hij；否则，则反馈对应的单链路信道矢量hij，其中i＝1,...,K，j＝1,...,B，
K为用户数，B为基站数，ρ为信噪比，υ为量化误差因子。该方法对下行信道矢量
做量化处理，并且选择性地反馈单链路信道矢量，虽然在一定程度上可以降低系统的
平均反馈开销，但却以牺牲系统性能为代价。另外，由于协作基站间仍然需要交互所
有待服务用户的数据信息，因此该方法的平均回传开销很大。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种协作多点系统中的多用户
预编码方法，以实现在保证系统吞吐量较高的同时，进一步降低了系统的平均反馈开
销和平均回传开销。
实现本发明目的的技术方案是：将选择性有限反馈和分组调度相结合，由用户先
计算出它的单链路信道质量指示，再将其与预设门限值比较，得到其下行反馈索引矢
量发送给基站，基站根据接收到的反馈索引矢量对用户进行分组，在每个子组内分别
进行用户调度，得到待服务用户，进而对待服务用户进行预编码。具体步骤包括如下：
(1)利用随机矢量量化生成码本Ω＝{w1，...wp，...,wN}，并预存在用户端和基站端，
其中wp为码本Ω的第p个码字，p＝1,...,N，N=16为码本大小；
(2)用户i对所有基站到它的下行链路进行信道估计，得到它的下行信道矢量：
hi＝[hi1T，...，hijT，...，hiBT]T，其中hij为基站j到用户i的单链路信道矢量，i＝1,...,U，
j＝1,...,B，U为用户数，B为基站数，(·)T为转置运算；
(3)用户i根据单链路信道矢量hij计算出对应的单链路信道方向：其
中，‖hij‖2为基站j到用户i的单链路信道增益，‖·‖2为模2范数运算；
(4)用户i根据最小距离准则，选择内积最大的序号作为单链路信道方向的码
字序号： index ij = arg p = 1 , . . . , N max | h ~ ij H w p | , ]]>此时该序号对应的码字为 c ij = w p | p = index ij , ]]>其中
为最大值运算；
(5)用户i根据单链路信道增益‖hij‖2、单链路信道方向和码字cij，计算出对应
的信道质量指示：
γ ij = ρ | | h ij | | 2 2 υ 1 + ρ | | h ij | | 2 2 ( 1 - υ ) , ]]>
其中，ρ为信噪比，为量化误差因子，(·)H为共轭转置运算；
(6)用户i将信道质量指示γij与预设门限值γth比较，得到其下行反馈索引矢量
vi＝[vi1T，...，vijT，...，viBT]T，其中vij为基站j到用户i的单链路反馈索引矢量；
(7)基站根据接收到的下行反馈索引矢量vi，将满足条件vi=dk的所有用户划分
到第k个子组Ek内，得到第k个子组Ek所含的用户集合：
U ( k ) = { u 1 ( k ) , . . . , u m ( k ) , . . . , u U k ( k ) } , ]]>
其中，用户集合U(k)的第m个元素um(k)满足条件：
k＝1,...,2B，m=1，...,Uk，dk为第k个子组Ek的索引矢量，Uk为第k个子组Ek所含用
户的个数；
(8)基站先剔除掉第1个子组E1内的用户U(1)，再根据索引矢量产生正交
集G={g1，...,gq，...,gC}，然后再从正交集G中随机选择第q个元素gq作为待调度子组
集，其中q=1，...,C，C为正交集G所含元素的个数，为第ks
个子组，ks∈{2，...,2B}，s＝1,...,Q，Q为第q个元素gq所含子组的个数；
(9)基站计算出第ks个子组允许调度的最大用户数并对第ks个子
组所含的用户集合进行分组调度，从而得到最终的待
服务用户集合其中M为基站的发射天线数，D为第
ks个子组的索引矢量所含非零值的个数，为第ks个子组所
含用户的个数，
(10)基站先利用预存的码本Ω＝{w1，...wp，...,wN}和接收到的码字序号indexij恢复
出单链路信道方向：再根据该单链路信道方向和用户集合重
构出下行信道矩阵得到最终的预编码矩阵T′，其中为基站j到用户i的单链路
信道方向， i = 1 , . . . , U 1 ∈ U ‾ ( k s ) . ]]>
本发明具有如下优点：
1.本发明由于使用了基于码本的有限反馈，用户不直接反馈它的下行信道矢量，
而是反馈码字序号，从而降低了系统的平均反馈开销；
2.本发明由于使用了选择性反馈，通过预设一个信道质量指示的门限值，使得用
户仅反馈部分码字序号，从而降低了系统的平均反馈开销；
3.本发明由于定义了一种新的反馈判决指标，即信道质量指示
与传统方法相比，进一步降低了系统的平均反馈
开销；
4.本发明将选择性有限反馈和分组调度相结合，以实现在保证系统吞吐量较高的
同时，进一步降低了系统的平均反馈开销和平均回传开销。
附图说明
图1是本发明的总流程图；
图2是本发明的选择性反馈子流程图；
图3是本发明的分组调度子流程图；
图4是本发明的迫零预编码子流程图；
图5是本发明使用的协作多点系统的模型图；
图6是本发明与传统方法的平均反馈负载比随预设门限值变化的仿真对比图；
图7是本发明与传统方法的平均回传负载比随平均反馈负载比变化的仿真对比图；
具体实施方式
下面参照附图对本发明作进一步描述。
本发明使用的协作多点传输系统模型如图5所示，其中基站BS1、BS2、BS3配置
多根天线；各用户由于体积、功耗和硬件复杂度因素的限制，只能配置单天线。各用
户先计算出单链路反馈索引矢量，根据该反馈索引矢量将对应的信息反馈给基站BS1、
BS2、BS3，然后基站BS1、BS2、BS3根据接收到的反馈索引矢量对各用户进行分组
调度，得到最终的待服务用户集合，接着重构出该用户集合的下行信道矩阵，以实现
发射端的联合预编码。
参照图1，本发明的实现步骤如下：
步骤1，利用随机矢量量化生成码本Ω＝{w1，...wp，...,wN}，并预存在用户端和基
站端，其中wp为码本Ω的第p个码字，p＝1,...,N，N=16为码本大小。
步骤2，用户i对所有基站到它的下行链路进行信道估计，得到它的下行信道矢
量：hi＝[hi1T，...，hijT，...，hiBT]T，其中hij为基站j到用户i的单链路信道矢量，i＝1,...,U，
j＝1,...,B，U为用户数，B为基站数，(·)T为转置运算。
本步骤的实现用户可通过以下两种算法对下行链路进行信道估计：
一是基于训练序列的信道估计算法，该算法思想是基站发送已知的训练序列，用
户在接收到该训练序列时进行初始的信道估计，当基站再次发送有用的信息数据时，
用户利用初始的信道估计结果进行一个判决更新，完成实时的信道估计；
二是基于导频符号的信道估计算法，该算法思想是基站在发送的有用数据中插入
已知的导频符号，用户可以得到导频位置的信道估计结果，接着利用导频位置的信道
估计结果，通过内插得到有用数据位置的信道估计结果，完成信道估计。
步骤3，用户i根据单链路信道矢量hij计算出对应的单链路信道方向：
其中，‖hij‖2为基站j到用户i的单链路信道增益，‖·‖2为模2范数运算。
步骤4，用户i根据最小距离准则，选择内积最大的序号作为单链路信道方向的
码字序号： index ij = arg p = 1 , . . . , N max | h ~ ij H w p | , ]]>此时该序号对应的码字为： c ij = w p | p = index ij , ]]>
其中为最大值运算。
步骤5，用户i根据单链路信道增益‖hij‖2、单链路信道方向和码字cij，计算出
对应的信道质量指示：
γ ij = ρ | | h ij | | 2 2 υ 1 + ρ | | h ij | | 2 2 ( 1 - υ ) , ]]>
其中，ρ为信噪比，为量化误差因子，(·)H为共轭转置运算。
步骤6，用户i将信道质量指示γij与预设门限值γth比较，得到其下行反馈索引矢
量vi，其中，预设门限值γth根据系统要求的平均反馈开销设置。
参照图2，本步骤的实现如下：
(6a)用户i将信道质量指示γij与预设门限值γth比较：
如果γij≥γth，则基站j到用户i的单链路反馈索引矢量此时用户i
将该单链路反馈索引矢量vij、码字序号indexij和单链路信道质量指示γij全部发送给基
站；
如果γij＜γth，则基站j到用户i的单链路反馈索引矢量此时用户i
仅仅将该单链路反馈索引矢量vij发送给基站；
(6b)用户i根据单链路反馈索引矢量vij得到其下行反馈索引矢量：
vi＝[vijT，...，vijT，...，viBT]T，(·)T为转置运算。
步骤7，基站根据接收到的下行反馈索引矢量vi，将满足条件vi=dk的所有用户
划分到第k个子组Ek内，得到第k个子组Ek所含的用户集合：
U ( k ) = { u 1 ( k ) , . . . , u m ( k ) , . . . , u U k ( k ) } , ]]>
其中，用户集合U(k)的第m个元素um(k)满足条件：
k＝1,...,2B，m=1，...,Uk，dk为第k个子组Ek的索引矢量，Uk为第k个子组Ek所含用
户的个数。
步骤8，基站选取待调度子组集。
(8a)基站剔除掉第1个子组E1的索引矢量d1；
(8b)基站根据剩余子组的索引矢量产生正交集：
G={g1，...,gq，...,gC}；
其中q=1,..,C，C为正交集G所含元素的个数，任
意子组和的索引矢量和满足条件：为第ks个子组，为
第kt个子组，ks,kt∈{2，...,2B}，s≠t，s,t＝1,...,Q，Q为第q个元素gq所含子组的个
数。
(8c)基站从正交集G中随机选择第q个元素gq作为待调度子组集。
步骤9，基站计算出待调度子组允许调度的最大用户数并对它们进行分
组调度，得到最终的待服务用户集合。
参照图3，本步骤的实现如下：
(9a)基站将第ks个子组内所含用户数与允许调度的最大用户数比较，
如果则返回步骤(8)；如果则计算第ks个子组所含用户集合
U ( k s ) = { u 1 ( k s ) , . . . , u m ( k s ) , . . . , u U k s ( k s ) } ]]>的下行信道质量指示：
其中，为用户集合的第m个元素，R为集合Φ所含元素个
数，∑(·)为求和运算；
(9b)基站对该下行信道质量指示的大小进行排序，即
然后选择信道质量指示最大的前个用
户作为最终的待服务用户集合 U ‾ ( k s ) = { u m 1 ( k s ) , . . . , u m n ( k s ) , . . . , u m A k s ( k s ) } . ]]>
步骤10，基站恢复出单链路信道方向得到最终的预编码矩阵T′。
参照图4，本步骤的实现如下：
(10a)基站根据单链路信道方向和用户集合重构下行信道矩阵：
其中，为最终的待服务用户总
数；
(10b)基站由下行信道矩阵得到预编码矩阵：其中tr为预
编码矩阵的列向量，r=1,...,U1，(·)-1为求逆运算；
(10c)基站对列向量tr作归一化处理得到新列向量：从而得到最终的
预编码矩阵： T ′ = [ t 1 ′ , . . . , t r ′ , . . . , t U 1 ′ ] . ]]>
本发明的优点通过下述理论分析与仿真结果来进一步说明：
1)理论分析
由单链路信道方向和第p个码字wp是相互独立的各向同性矢量，可知随机变
量服从β(M-1,1)分布，其中M为基站的发射天线数，得到累积
分布函数为Fx(x)＝xM-1,x∈[0,1]，因而量化误差因子的
概率密度函数fυ(x)为：
fυ(x)＝N(M-1)(1-x)M-2(1-(1-x)M-1)N-1,x∈[0,1]；
由单链路信道矢量hij是复高斯随机矢量可知随机变量服从自由度为2M
的χ2分布，因而随机变量h的概率密度函数为其中
Γ(M+1)＝M×Γ(M)；
基站j到用户i的单链路信道质量指示γij服从同一分布，因此统一用γ表示。根
据上述fυ(x)和fh(y)的表达式得到信道质量指示γ的累积分布函数Fγ(z)为
F γ ( z ) = P ( γ ≤ z ) = P ( ρhυ 1 + ρh ( 1 - υ ) ≤ z ) ]]>
= 1 Γ ( M ) { ∫ 0 z ρ e - y y M - 1 dy + Σ i = 0 N C N i ( - 1 ) i z ( 1 + z ) ρ ∫ 0 1 ( 1 - x ) i ( M - 1 ) e - z ρ [ x ( 1 + z ) - z ] ( z ρ [ x ( 1 + z ) - z ] ) M - 1 [ x ( 1 + z ) - z ] 2 dx } ; ]]>
定义平均反馈负载比为
ξ ‾ = 1 BU E t [ N ( t ) ] , ξ ‾ ∈ [ 0,1 ] ; ]]>
其中，N(t)表示t时刻所有用户反馈的全部码字个数，也就是重构的下行信道矩
阵所含非零列矢量的个数，Et(·)为均值运算。显然，N(t)服从(BU,p1)的二项分
布，由概率 p 1 = P ( N ( t ) = n ) = C BU n [ 1 - F γ ( z ) ] n [ F γ ( z ) ] BU - n , ]]>得到平均反馈负载比与
门限值γth的闭合关系式：
ξ ‾ = 1 BU E t [ N ( t ) ] = 1 BU Σ n = 0 BU nP ( N ( t ) = n ) = 1 - F γ ( γ th ) ; ]]>
因为0≤Fγ(γth)≤1，所以平均反馈负载比当且仅当所有基站到用户的单链
路信道质量指示γij≥γth时，等号成立。由此可知，预设门限值γth越高，信道质量指
示累积分布函数Fγ(γth)越大，因而平均反馈负载比就越低，也就是说本发明通过
选择性反馈，降低了系统的平均反馈开销。
定义平均回传负载比为
η ‾ = 1 BU E t [ Z ( t ) ] , η ‾ ∈ [ 0,1 ] ; ]]>
其中Z(t)表示t时刻所有基站服务的用户数，也就是预编码矩阵W所包含非零列
矢量的个数。本发明通过将用户进行分组调度，使得重构的下行信道矩阵为块对角
矩阵，则最终的预编码矩阵T′也为块对角矩阵，并且由于预编码矩阵T′所包含非零
列矢量的个数刚好等于重构的下行信道矩阵所包含非零列矢量的个数，即
Z(t)＝N(t)，因而而对于传统方法，恒等于1。由此可知，本发明通过分
组调度，降低了系统的平均回传开销。
上述理论分析表明，本发明通过设置适当的门限值γth，可以同时降低平均反馈负
载比和平均回传负载比且
2)仿真实验
2.1)仿真条件：采用平坦瑞利块衰落信道，基站数B＝3、用户数U=3×30=90、
每个基站的发射天线数M＝2、每个用户的接收天线数R＝1、码本大小N＝16。
2.2)仿真内容
仿真1，在信噪比SNR=10dB的条件下，对本发明与传统方法的平均反馈负载比
随预设门限值变化情况进行蒙特卡罗仿真，得到对应的仿真对比图，如图6所示，其
中横坐标表示预设门限值，纵坐标表示平均反馈负载比。从图6中可以看出，当预设
门限值从-10dB增大到30dB，对应的平均反馈负载比从3减小到0，说明本发明能够
通过提高预设门限值降低系统的平均反馈开销。此外，在预设门限值为10dB处，本
发明相对于传统方法其平均反馈负载比减少了0.3。
仿真2，对本发明与传统方法的平均回传负载比随平均反馈负载比变化情况进行
蒙特卡罗仿真，得到对应的仿真对比图，如图7所示，其中横坐标表示平均反馈负载
比，纵坐标表示平均回传负载比。从图7中可以看出，对于传统方法，平均回传负载
比恒等于1，而对于本发明的用户分组调度方法，平均回传负载比小于或等于1，且
随平均反馈负载比成线性增长，与上述理论分析完全吻合。
仿真结果表明，本发明能同时降低系统的平均反馈开销和平均回传开销。