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1、(10)申请公布号 CN 102811491 A (43)申请公布日 2012.12.05 CN 102811491 A *CN102811491A* (21)申请号 201210265062.6 (22)申请日 2012.07.27 H04W 72/04(2009.01) H04W 72/12(2009.01) H04L 25/02(2006.01) (71)申请人 上海交通大学 地址 200240 上海市闵行区东川路 800 号 (72)发明人 秦佳美 伊海珂 黄剑 俞晖 罗汉文 (74)专利代理机构 上海汉声知识产权代理有限 公司 31236 代理人 郭国中 (54) 发明名称 多点协作。
2、系统中有限反馈比特数联合分配方 法 (57) 摘要 本发明提供多点协作系统中有限反馈比特数 联合分配的方法， 包括 ： 主基站和辅助基站向用 户发射训练序列， 用户进行信道估计处理， 得到与 主基站与辅助基站间的估计信道 ； 用户将接收端 功率信息反馈给主基站， 主基站根据该信息计算 比特分配方案 ； 主基站将比特分配结果反馈给各 个用户 ； 用户根据分配到的反馈比特数对信道估 计所得信道信息进行量化， 将码字序号反馈给主 基站 ； 主基站和辅助基站根据反馈的信道状态信 息进行迫零预编码矩阵运算 ； 主基站和辅助基站 将用户数据进行线性预处理后发送给用户。本发 明采用反馈比特联合分配的方法， 。
3、将系统总反馈 比特数自适应地分配给各个用户的各个信道， 提 高了小区吞吐率和系统总数据率。 (51)Int.Cl. 权利要求书 3 页 说明书 8 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 3 页 说明书 8 页 附图 1 页 1/3 页 2 1. 一种多点协作系统中有限反馈比特数联合分配的方法， 其特征在于， 包括以下步 骤 ： 第一步， 主基站向用户 k 发射训练序列 Sk， 1， 用户 k 根据接收到的信号 Xk,1进行信道估 计， 得到用户 k 和主基站间的信道 hk， 1， 同时辅助基站向用户 k 发射训练序列 Sk， 2， 用户 k 。
4、根 据接收到的信号 Xk,2进行信道估计， 得到用户 k 和辅助基站间的信道 hk， 2， 其中 k=1,2, ,K1+K2； 第二步， 隔固定的时间 T， 主基站将接收到各个用户对其接收端信噪比的反馈， pk1， pk2 分别为用户 k 的主基站信道和辅助基站信道的接收端功率 ； 主基站根据接收到的信息， 联 合的分配各个用户的各个信道的反馈比特数 ； 第三步， 主基站将比特分配结果发送给所有用户， 每个用户得到其各个信道的反馈比 特数 ； 第四步， 在每个信道状态信息反馈周期 T1初始时间， 用户将其信道估计所得的信道状 态信息 hk,1和 hk,2归一化得到和再根据已有的码本量化为与其最。
5、接近的码字和 将所得的反馈码字序号 nk1和 nk2反馈给主基站 ； 第五步， 主基站根据反馈所得的码字序号nk1和nk2， 从码本中找到对应的量化的信道状 态信息和以 ZF 准则进行发射端预编码操作 ； 第六步， 主基站将用户信号发给用户 k=1,2,K1， 辅助基站将信号发给用户 k=K1+1,K1+K2。 2. 根据权利书要求 1 所述的多点协作系统中有限反馈比特数联合分配的方法， 其特征 是， 第一步中的主基站信道和辅助基站干扰信道估计处理方法是 ： 其中 ： M1是主基站的天线数， M2是辅助基站的天线数， M1和 M2的值均为 M ； 1是训练 序列 Sk， 1的信噪比， 2是训练。
6、序列 Sk， 2的信噪比，T1是主基站发射的训练序 列的长度，T2是辅助基站发射的训练序列的长度，和是 用户 k 接收到的信号， k=1,2,K1+K2， K1和K2分别是主基站和辅助基站的用户数 ； N是用户天线数 ；分别为M1M1和 M2M2的单位矩阵。 3. 根据权利书要求 1 所述的多点协作系统中有限反馈比特数联合分配的方法， 其特征 是， 第二步中的反馈比特分配方法是 ： 首先计算由于信道的量化误差， 单用户损失的数据率 ； 对于用户 k， 有限反馈系统相对 于主基站获得完美信道信息系统的数据率的差值满足以下单用户数据率差值公式 其中， Rk为用户 k 的由量化误差带来的数据率损失，。
7、 M 为基站天线数， Bk1和 Bk2是分 配给用户 k 的主信道和干扰信道的反馈比特数， Bk1和 Bk2均为非负整数 ； pk1， pk2分别为用户 权 利 要 求 书 CN 102811491 A 2 2/3 页 3 k 反馈给主基站的主基站信道和辅助基站信道的接收端功率， 假设反馈的信息是理想化的 ； pk1， pk2的计算由用户完成， 计算方法如下 ： 其中， P为基站发射信号总功率， 假设主基站与辅助基站发射功率相同 ； d0为基准距离， dks为用户 k 与主基站之间的距离， dkI为用户 k 与辅助基站之间的距离 ； 为大尺度衰落指 数 ； 根据单用户数据率差值公式， 可以得出。
8、主基站中所有用户的总数据率损失的上限为 ： 其中， k1=pk1(K1-1)， k2=pk2K2； 由系统总反馈比特数的限制为 Btot， 有 ： 现假设 Bk1和 Bk2为大于等于零的任意实数 ； 根据 KKT 条件， 计算出最优的比特分配方 案 ； 再将最终的反馈比特数取整得 其中，表示取整后取与零相比较大的数。 4. 根据权利书要求 1 所述的多点协作系统中有限反馈比特数联合分配的方法， 其特征 是， 第四步中的主基站和辅助基站信道码字选择方法是 ： 对于用户 k 的主基站信道 hk,1和辅助基站信道 hk， 2， 对其进行归一化， 方法如下 ： 根据主基站指示的该信道的反馈比特数Bk1。
9、， 在已有的码本中搜索与真实信道具有最小 夹角的码字， 其码字序号为 nk1和 nk2， 搜索方法如下 ： 5. 根据权利书要求 1 所述的多点协作系统中有限反馈比特数联合分配的方法， 其特征 是， 第五步中的发射端预编码算法是 ： 根据用户反馈的码字序号 nk1和 nk2， 从码本中找到对应的量化的信道状态信息和 权 利 要 求 书 CN 102811491 A 3 3/3 页 4 方法如下 ： 根据量化的信道状态信息， 使用 ZF 预编码算法计算出预编码矩阵 ； 对于主基站来说， 有 计算信道矩阵的伪逆， 有 其中，即用户 k 的波束赋形向量 ； 对于辅助基站来说， 使用同样的方法， 计算。
10、辅助基站对用户 k=K1+1,K1+K2的波束赋 形向量 ： 计算信道矩阵的伪逆， 有 其中，即用户 k 的波束赋形向量。 6. 根据权利书要求 1 所述的多点协作系统中有限反馈比特数联合分配的方法， 其特征 是， 第六步中的基站发射方法是 ： 对于主基站来说， 发射信号为 ： 其中， sk为主基站发送给主小区用户 k 的信号 ； 对于辅助基站来说， 发射信号为 ： 其中， sk为辅助基站发送给辅助小区用户 k 的信号。 7. 根据权利书要求 2 所述的多点协作系统中有限反馈比特数联合分配的方法， 其特征 是， 用户天线为单天线， 即 N=1。 8. 根据权利书要求 3 所述的多点协作系统中有。
11、限反馈比特数联合分配的方法， 其特征 是， 基准距离 d0=1m。 权 利 要 求 书 CN 102811491 A 4 1/8 页 5 多点协作系统中有限反馈比特数联合分配方法 技术领域 0001 本发明涉及的是一种无线通信领域的方法， 具体是一种多点协作系统中有限反馈 比特数在用户间和信道间联合分配的方法。 背景技术 0002 多点协作 （CoMP）系统的研究是最近的热点问题， 在 3GPP（3rd Generation Partnership Project, 第 三 代 移 动 通 信 合 作 伙 伴 项 目） LTE-A（Long Term Evolation-Advanced, 长。
12、期演进高级） 标准的研究中列为一大研究重点。使用多点协作 技术， 考虑多基站协作方式下的数据传输问题， 可以大大的提高小区边缘用户的吞吐率， 进 而提高整个系统的平均吞吐率。多小区协作系统包括两种协作方式， 即联合传输 （Joint Transmission） 和联合波束赋形 / 调度 （Coordinated Beamforming/Scheduling） 。其中， 在 CB 技术中， 对于每一个用户来说， 需要考虑两种信道， 即主基站信道 （Serving channel） 和辅助基站信道 （Interfering channel） 。 0003 在实际 FDD 系统中， 基站无法获知用户。
13、的信道状态信息， 为了得到用户对应的预 编码矩阵， 需要用户将其信道状态信息反馈给基站。因此， 在实际系统中， 我们通常会把某 个用户的信道状态信息量化为码本中的一个序号值， 而将该序号值反馈给基站。由于信道 反馈带来的量化误差， 系统的总数据率会有所损失。 0004 在现有的研究工作中， 有些工作讨论了在 CoMP 系统中的有限反馈问题。 0005 经对现有文献检索发现， T.Yoo,N.Jindal and A.Goldsmith,“Multi-antenna broadcast channels with limited feedback and user selection,” IEE。
14、E Journal Selected Area in Communications,vol.25,pp.1478-1491,Sep.2007. （ “下行多天线信道 下的的有限反馈和用户选择方案” ） ， 讨论了下行多用户场景下， 使用 ZF （Zero-Forcing, 迫 零） 预编码算法和半正交用户选择算法的有限反馈比特数选择方案。用户被认定为是同构 的， 即不同用户的信道具有相同的分布。因此每个用户分配到的反馈比特数相同。 0006 又经检索发现， W.Xu C.Zhao1 Z.Ding， ” Optimisation of limited feedback design for he。
15、terogeneous users in multi-antenna downlinks,Published in IET Communications” （ “多用户下行信道中对异构用户的反馈优化方案” ） ， 讨论了多用户场景 下， 异构用户之间的反馈比特数分配方案。 由于用户与基站的距离不同， 信道的大尺度衰落 不同， 用户接收端信噪比也不同， 因此分配给每个用户的反馈比特数也不同。 在所有用户反 馈比特数总和不变的情况下， 作者通过最优化小区用户总数据率来分配用户反馈比特数。 0007 又 通 过 检 索 发 现， Ramya Bhagavatula,Student Member,IE。
16、EE,and Robert W.Heath,Jr,” Adaptive Limited Feedback for Sum-Rate Maximizing Beamforming in Cooperative Multicell Systems” ,IEEE TRANSACTIONS ON SIGNAL PROCESSING， VOL.59,NO.2,FEBRUARY 2011（ “多小区协作下最大化总数据率的自适应比特分配方案” ） ， 讨论了在多小区协作场景下， 用户对其两种信道 ： 主基站信道和辅助基站信道的反馈比特 数分配。通过自适应的比特分配方案来最大化小区平均总数据率。 说 明 书 。
17、CN 102811491 A 5 2/8 页 6 发明内容 0008 本发明的目的在于克服现有技术的上述不足， 提供一种多点协作系统中有限反馈 比特数在用户间和信道间联合分配的方法。本发明根据 ZF 准则， 在总反馈比特数一定的条 件下， 联合的分配各个用户， 各个信道的反馈比特数， 该方法充分利用了用户、 信道之间的 异构性， 能有效提升系统的总数据率。 0009 本发明是通过以下技术方案实现的， 本发明包括以下步骤 ： 0010 第一步， 主基站向用户 k 发射训练序列 Sk， 1， 用户 k 根据接收到的信号 Xk,1进行 信道估计， 得到用户 k 和主基站间的信道 hk， 1， 同时辅。
18、助基站向用户 k 发射训练序列 Sk， 2， 用户 k 根据接收到的信号 Xk,2进行信道估计， 得到用户 k 和辅助基站间的信道 hk， 2， 其中 k=1,2,K1+K2。 0011 第二步， 隔固定的时间 T， 基站将接收到各个用户对其接收端信噪比的反馈， pk1， pk2分别为用户 k 的主基站信道和辅助基站信道的接收端功率。基站根据接收到的信息， 联 合的分配各个用户的各个信道的反馈比特数。 0012 第三步， 基站将比特分配结果发送给所有用户， 每个用户可以得到其各个信道的 反馈比特数。 0013 第四步， 在每个信道状态信息反馈周期 T1初始时间， 用户将其信道估计所得的信 道状。
19、态信息hk,1和hk,2归一化得到和再根据已有的码本量化为与其最接近的码字 和将所得的反馈码字序号 nk1和 nk2反馈给主基站。 0014 第五步， 主基站根据反馈所得的码字序号nk1和nk2， 从码本中找到对应的量化的信 道状态信息和以 ZF 准则进行发射端预编码操作。 0015 第六步， 主基站将用户信号发给用户 k=1,2,K1， 辅助基站将信号发给用户 k=K1+1,K1+K2。 0016 优选地， 所述第一步中的主基站信道和辅助基站干扰信道估计处理方法是 ： 0017 0018 0019 其中 ： M1是主基站的天线数， M2是辅助基站的天线数， 设为相同的值M。 1是训练 序列 。
20、Sk， 1的信噪比， 2是训练序列 Sk， 2的信噪比，T1是主基站发射的训练序 列的长度，T2是辅助基站发射的训练序列的长度，和 是用户 k 接收到的信号， k=1,2,K1+K2， K1和 K2分别是主基站和辅助基站的用户数。N 是 用户天线数。分别为 M1M1和 M2M2的单位矩阵。 0020 优选地， 所述第二步中的反馈比特分配方法是 ： 0021 首先计算由于信道的量化误差， 单用户损失的数据率。对于用户 k， 有限反馈系统 相对于基站获得完美信道信息系统的数据率的差值满足以下单用户数据率差值公式 0022 说 明 书 CN 102811491 A 6 3/8 页 7 0023 其中。
21、， Rk为用户 k 的由量化误差带来的数据率损失， M 为基站天线数， Bk1和 Bk2 是分配给用户 k 的主信道和干扰信道的反馈比特数， Bk1和 Bk2均为非负整数。pk1， pk2分别 为用户 k 反馈给基站的主基站信道和辅助基站信道的接收端功率， 假设反馈的信息是理想 化的。pk1， pk2的计算由用户完成， 计算方法如下 ： 0024 0025 0026 其中， P 为基站发射信号总功率， 假设主基站与辅助基站发射功率相同。d0为基准 距离。dks为用户 k 与主基站之间的距离， dkI为用户 k 与辅助基站之间的距离。 为大尺 度衰落指数。 0027 根据单用户数据率差值公式， 。
22、可以得出主基站中所有用户的总数据率损失的上限 为 ： 0028 0029 其中， k1=pk1(K1-1)， k2=pk2K2。 0030 由系统总反馈比特数的限制为 Btot， 我们有 ： 0031 0032 现假设 Bk1和 Bk2为大于等于零的任意实数。根据 KKT 条件， 可以计算出最优的比 特分配方案。再将最终的反馈比特数取整可得 0033 0034 0035 其中，表示取整后取与零相比较大的数。 0036 优选地， 所述第四步中的主基站和辅助基站信道码字选择方法是 ： 0037 对于用户 k 的主基站信道 hk,1和辅助基站信道 hk， 2， 对其进行归一化， 方法如下 ： 003。
23、8 0039 0040 根据基站指示的该信道的反馈比特数Bk1， 在已有的码本中搜索与真实信道具有最 小夹角的码字， 其码字序号为 nk1和 nk2， 搜索方法如下 ： 0041 说 明 书 CN 102811491 A 7 4/8 页 8 0042 0043 优选地， 所述第五步中的发射端预编码算法是 ： 0044 根据用户反馈的码字序号 nk1和 nk2， 从码本中找到对应的量化的信道状态信息 和方法如下 ： 0045 0046 0047 根据量化的信道状态信息， 使用 ZF 预编码算法计算出预编码矩阵。 0048 对于主基站来说， 有 0049 0050 计算信道矩阵的伪逆， 有 005。
24、1 0052 其中，即用户 k 的波束赋形向量。 0053 对于辅助基站来说， 可以使用同样的方法， 计算辅助基站对用户 k=K1+1,K1+K2 的波束赋形向量 ： 0054 0055 计算信道矩阵的伪逆， 有 0056 0057 其中，即用户 k 的波束赋形向量。 0058 优选地， 所述第六步中的基站发射方法是 ： 0059 对于主基站来说， 发射信号为 ： 0060 0061 其中， sk为主基站发送给主基站用户 k 的信号。 0062 对于辅助基站来说， 发射信号为 ： 0063 0064 其中， sk为辅助基站发送给辅助基站用户 k 的信号。 0065 优选地， 用户天线为单天线，。
25、 即 N=1。 0066 优选地， 基准距离 d0=1m。 0067 与现有技术相比， 本发明的有益效果是对系统采用全局的反馈比特分配技术。通 过考虑不同用户不同信道之间的异构性， 将系统总反馈比特数自适应地分配给各个用户的 各个信道， 提高了小区吞吐率。 说 明 书 CN 102811491 A 8 5/8 页 9 附图说明 0068 图 1 是本发明一实施例的小区平均总数据率比较示意图。 具体实施方式 0069 以下结合附图对本发明的方法进一步描述 ： 本实施例在以本发明技术方案为前提 下进行实施， 给出了详细的实施方案和具体的操作过程， 但本发明的保护范围不限于下述 的实施例。 0070。
26、 本实施例中主基站和辅助基站的天线数 M1=M2=M=4， 用户的天线数为 N=1， 后向和 前向信道均为瑞利 （Rayleigh） 平坦衰落， 接收端的接收噪声均为零均值单位方差的复高斯 白噪声， 2=1， 前向信道的信噪比为用户处于小区边缘的等效 SNR， 小区半径为 R 500m， 且 SNR=-10 10dB。 0071 本实施例包括以下步骤 ： 0072 第一步， 主基站向用户 k 发射训练序列 Sk， 1， 用户 k 根据接收到的信号 Xk,1进行 信道估计， 得到用户 k 和主基站间的信道 hk， 1， 同时辅助基站向用户 k 发射训练序列 Sk， 2， 用户 k 根据接收到的信。
27、号 Xk,2进行信道估计， 得到用户 k 和辅助基站间的信道 hk， 2， 其中 k=1,2,K1+K2。 0073 所述主基站信道和辅助基站干扰信道估计处理方法是 ： 0074 0075 0076 其中 ： M1是主基站的天线数， M2是辅助基站的天线数， 在本实施例中设为相同的值 M。 1是训练序列Sk， 1的信噪比， 2是训练序列Sk， 2的信噪比，T1是主基站 发射的训练序列的长度，T2是辅助基站发射的训练序列的长度， 和是用户 k 接收到的信号， k=1,2,K1+K2， K1和 K2分别是主基站和辅助基站 的用户数。N 是用户天线数， 本实施例中假设用户单天线， 即 N=1。分别为。
28、 M1M1和 M2M2的单位矩阵。 0077 第二步， 隔固定的时间 T， 基站将接收到各个用户对其接收端信噪比的反馈， pk1， pk2分别为用户 k 的主基站信道和辅助基站信道的接收端功率。基站根据接收到的信息， 联 合的分配各个用户的各个信道的反馈比特数。 0078 所述反馈比特分配方法是 ： 0079 首先计算由于信道的量化误差， 单用户损失的数据率。对于用户 k， 有限反馈系统 相对于基站获得完美信道信息系统的数据率的差值满足以下单用户数据率差值公式 0080 0081 其中， Rk为用户 k 的由量化误差带来的数据率损失， M 为基站天线数， Bk1和 Bk2 是分配给用户 k 的。
29、主信道和干扰信道的反馈比特数， Bk1和 Bk2均为非负整数。pk1， pk2分别 为用户 k 反馈给基站的主基站信道和辅助基站信道的接收端功率， 假设反馈的信息是理想 化的。pk1， pk2的计算由用户完成， 计算方法如下 ： 说 明 书 CN 102811491 A 9 6/8 页 10 0082 0083 0084 其中， P 为基站发射信号总功率， 假设主基站与辅助基站发射功率相同。d0为基准 距离， 优选地设为 1m。dks为用户 k 与主基站之间的距离， dkI为用户 k 与辅助基站之间的距 离。 为大尺度衰落指数。 0085 根据单用户数据率差值公式， 可以得出主基站中所有用户的。
30、总数据率损失的上限 为 ： 0086 0087 其中， k1=pk1(K1-1)， k2=pk2K2。 0088 由系统总反馈比特数的限制为 Btot， 我们有 ： 0089 0090 现假设 Bk1和 Bk2为大于等于零的任意实数。根据 KKT 条件， 可以计算出最优的比 特分配方案。再将最终的反馈比特数取整可得 0091 0092 0093 其中，表示取整后取与零相比较大的数。 0094 第三步， 基站将比特分配结果发送给所有用户， 每个用户可以得到其各个信道的 反馈比特数。 0095 第四步， 在每个信道状态信息反馈周期 T1初始时间， 用户将其信道估计所得的信 道状态信息hk， 1和h。
31、k,2归一化得到和再根据已有的码本量化为与其最接近的码字 和将所得的反馈码字序号 nk1和 nk2反馈给主基站。 0096 所述主基站和辅助基站信道码字选择方法是 ： 0097 对于用户 k 的主基站信道 hk,1和辅助基站信道 hk， 2， 对其进行归一化， 方法如下 ： 0098 0099 0100 根据基站指示的该信道的反馈比特数Bk1， 在已有的码本中搜索与真实信道具有最 小夹角的码字， 其码字序号为 nk1和 nk2， 搜索方法如下 ： 0101 说 明 书 CN 102811491 A 10 7/8 页 11 0102 0103 第五步， 主基站根据反馈所得的码字序号nk1和nk2。
32、， 从码本中找到对应的量化的信 道状态信息和以 ZF 准则进行发射端预编码操作。 0104 所述发射端预编码算法是 ： 0105 根据用户反馈的码字序号 nk1和 nk2， 从码本中找到对应的量化的信道状态信息 和方法如下 ： 0106 0107 0108 根据量化的信道状态信息， 使用 ZF 预编码算法计算出预编码矩阵。 0109 对于主基站来说， 有 0110 0111 计算信道矩阵的伪逆， 有 0112 0113 其中，即用户 k 的波束赋形向量。 0114 对于辅助基站来说， 可以使用同样的方法， 计算辅助基站对用户 k=K1+1,K1+K2 的波束赋形向量 ： 0115 0116 计。
33、算信道矩阵的伪逆， 有 0117 0118 其中，即用户 k 的波束赋形向量。 0119 第六步， 主基站将用户信号发给用户 k=1,2,K1， 辅助基站将信号发给用户 k=K1+1,K1+K2。 0120 所述基站发射方法是 ： 0121 对于主基站来说， 发射信号为 ： 0122 0123 其中， sk为主基站发送给主基站用户 k 的信号。 0124 对于辅助基站来说， 发射信号为 ： 0125 0126 其中， sk为辅助基站发送给辅助基站用户 k 的信号。 0127 图 1 是本实施例的误码率性能比较示意图， 其中主基站和辅助基站的天线数 M1=M2=M=4， 用户的天线数为 N=1。hk,1和 hk,2的每一项元素均根据 CN(0,1) 分布独立生成， 说 明 书 CN 102811491 A 11 8/8 页 12 一共随机生成了 10000 次信道实现。把本实施例与现有技术中存在的比特平均分配方案做 比较。 0128 从图1中可以看出， 单用户单信道平均分配的比特数分别为3， 4， 和5比特时， 改进 的比特分配方案的小区总数据率优于比特平均分配方案的总数据率。 本实施例有效地改善 了系统的吞吐率。 说 明 书 CN 102811491 A 12 1/1 页 13 图 1 说 明 书 附 图 CN 102811491 A 13 。