一種寬帶隨機波束的形成方法

文檔序號：7964774閱讀：268來源：國知局

專利名稱：一種寬帶隨機波束的形成方法
技術領域：
本發明涉及無線通信技術，更具體地說，本發明涉及一種寬帶隨機波束的形成方法。
背景技術：
多輸入多輸出(MIMO)系統可以極大地提高系統容量，成為現在研究的熱點。眾所周知，當收發端的信道狀態信息(channel state information, CSI) 理想可知時，可以采用多種技術達到容量限。不過，由于CSI的反饋開銷非常大，因此其不具有實用性。這些技術都是點對點的通信鏈路，與此相對，最近的研究熱點集中在多天線在多用戶網絡環境中的應用，特別是對廣播信道和多址情況的研究。
MIMO廣播的容量域可以由污紙預編碼(DPC)到達，但是DPC需要知道CSI,并且其復雜性嚴重限制了它的實際應用。如果采用隨機波束形成，用戶只需反饋信號干擾噪聲比(SINR),因此可以極大地降低反饋量，對 CSI的需要也低得多。當用戶數很大時，隨機波束形成的容量可以趨近于具有理想CSI的發射方案的容量。
目前，現有技術中有一種基于記憶的隨機波束形成方法(memory-based opportunistic beamforming ， MOB )。在慢變信道的環境中，該方法可以在用戶數較少的情況下就趨近于容量限。然而，由于這種基于記憶的隨機波束形成方法的基本假設是頻率平坦衰落信道，因此它僅針對單載波窄帶系統。由于多徑寬帶信道存在有頻率選擇性衰落，因此現有技術中的這種隨機波束形成方法并不適用于寬帶系統。
另外，現有技術中還有一種采用多波束、每次服務多個用戶隨機波束形
成的技術，并且這種技術能夠擴展到寬帶情況。然而，這種技術在用戶數很大時才能趨近于最優容量限，而當用戶數較少時，系統的速度和容量同理想情況下仍有很大的差距。

發明內容
有鑒于此，本發明的主要目的是提出一種寬帶隨機波束的形成方法，以在用戶數較少的情況下接近容量限。
為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的一種寬帶隨機波束的形成方法，該方法包括以下步驟
A、產生具有iV個酉陣的集合《，并根據用戶對子栽波的信號干擾噪聲比 (SINR)的反饋，確定所述集合^中每個酉陣的累加速率和，其中7V為至少為
1的自然數；
B、確定所述集合《中具有最大累加速率和的酉陣Q"并且確定一個隨機
產生的新酉陣Q-rand的累加速率和；
c 、將Qi'的累加速率和與所述隨機產生的新酉陣Q-rand的累加速率和進行
比較，選擇其中較大者作為波束形成矩陣，并利用所述波束形成矩陣形成波束。
該方法進一步包括在步驟C中，如果所述隨^L產生的新酉陣Q—咖3的累
加速率和大于集合《中具有最小累加速率和的酉陣Q一，則在所述集合《中用
Q—匿d替代Q,—。
所述集合^中的每個酉陣，由隨機選擇凡個已知的用戶方向向量而組合形成，其中乂為發射天線數。
所述隨機產生的新酉陣，由隨機選擇^個已知的用戶方向向量而組合形成，其中^為發射天線數。
步驟A所述反饋子栽波的SINR具體包括
All、對子載波進行分簇；
A12、用戶反饋每簇內中央子載波的SINR。
集合^中的所有酉陣都滿足等方分布，并且所述隨機產生的新酉陣也滿足等方分布。
該方法進一步預先設定子栽波的SINR門限值，步驟A所述反饋子載波的 SINR包括用戶反饋大于所述SINR門限值的SINR。
該方法進一步包括預先設定子栽波的SINR門限值的步驟，
步驟A12所述用戶反饋每簇內中央子栽波的SINR為用戶反饋每簇內大于所述SINR門限值的中央子載波SINR。
優選地，所述N的取值范圍為2^A^10。
更加優選地，所述iV的取值范圍為2^A^5。
從上述技術方案中可以看出，在本發明中，首先產生具有W個酉陣的集合 ^，并根據用戶對子栽波的SINR的反饋，確定所述集合《中每個酉陣的累加速率和，其中W為至少為1的自然數；然后確定所述集合《中具有最大累加速
率和的酉陣Q/，并且再確定一個隨機產生的新酉陣Q—rand的累加速率和；最后
將Q,'的累加速率和與所述隨機產生的新酉陣Q—rand的累加速率和進行比較，選擇其中較大者作為波束形成矩陣，并利用所述波束形成矩陣來形成波束。應用本發明以后，由于是基于信道記憶的方式來進行隨機波束形成，而不是傳統的隨機波束形成中每次采用一個隨機的發射矩陣，因此能夠利用寬帶信道的慢變
的性能。
另外，本發明優選對子栽波進行分簇反饋，只反饋簇內中央子載波的最大 SINR，因此極大地減少了反饋量。同時，在本發明中，還可以通過設定門限值，只反饋大于所設定門P艮值的SINR，進而使得網絡中的反饋量進一步降低。

圖1為根據本發明的寬帶隨機波束的形成方法的示范性流程示意圖。圖2為根據本發明實施例的寬帶隨機波束的形成方法的示范性流程示意圖。
圖3為應用本發明于窄帶系統下的速率和與性能示意圖，其中用戶數為20。
圖4為應用本發明于窄帶系統下的速率和與性能示意圖，其中用戶數為
20，發射天線數固定為8。
圖5為應用本發明于窄帶系統下的集合大小(AO和性能的對比示意圖。圖6為根據本發明的寬帶系統下隨機波束形成方法的速率和與性能示意圖。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點表達得更加清楚明白，下面結合附圖及具體實施例對本發明再作進一步詳細的說明。
本發明的主要思想是A、產生具有W個酉陣的集合C，并根據用戶對子載波的信號干擾噪聲比SINR的反饋，確定所述集合^中每個酉陣的累加速率和，其中W為至少為1的自然數；B、確定所述集合《中具有最大累加速率和的酉陣Q"并且確定一個隨機產生的新酉陣Q—削d的累加速率和；C、
將(^'的累加速率和與所述隨機產生的新酉陣9-rand的累加速率和進行比較，
選擇其中較大者作為波束形成矩陣來形成波束。
本發明基于信道記憶的方法進行隨機波束形成，而不是傳統的隨機波束形成中每次都產生并使用一個隨機的發射矩陣，而是和上一時隙用過的矩陣進行比較，因此能夠利用寬帶信道的慢變特性，在用戶數較少的情況下達到現有技術中要在更多用戶數要求下才能達到的性能。
圖1為根據本發明的寬帶隨機波束的形成方法的示范性流程示意圖。如
圖1所示，該方法包括
步驟101:產生具有iV個酉陣的集合《，并根據用戶對子載波的信號千擾噪聲比(SINR)的反饋，確定所述集合^中每個酉陣的累加速率和，其中JV為至少為1的自然數；
其中，在用戶位置相對固定，并且基站知道用戶位置信息時，可以優選設計更有效的^。此時，集合《中的每個酉陣，優選由隨機選擇乂個已知的用戶方向向量而組合形成，其中^為發射天線數。這樣做可以充分利用用戶的位置信息，避免在隨機波束形成時指向無用戶的方向。
另外，還可以優選只反饋每簇內中央子信道的SINR，從而降低了反饋量，此時反饋子栽波的SINR具體包括首先對子載波進行分簇，然后再反饋每簇內中央子栽波的SINR。
步驟102:確定所述集合C中具有最大累加速率和的酉陣Q.'，并且確定一個隨機產生的新酉陣Q-rand的累加速率和；
同樣，在用戶位置相對固定，并且基站知道用戶位置信息時，隨機產生
的新酉陣也可以由隨機選擇^個已知的用戶方向向量而組合形成，其中禮為發射天線數。
步驟103:將Q^的累加速率和與所述隨機產生的新酉陣Q-rand的累加速
率和進行比較，并選擇其中較大者作為波束形成矩陣，并利用所述波束形成矩陣來形成波束。
在這里，將Q^'的累加速率和與所述隨機產生的新酉陣Q-rand的累加速率和進行比較，并選擇其中較大者作為波束形成矩陣來形成波束。
另外，如果所述隨機產生的新酉陣Q-rand的累加速率和大于集合^中具有最小累加速率和的酉陣Q—，則在集合^中用Q-mnd替代Qi 。
以上過程中，集合《中的所有酉陣和所述隨機產生的新酉陣優選都滿足等方分布。
優選地，本發明可以針對各個時隙連續執行，并且每時隙隨機產生的新矩陣都要和上一時隙采用的波束形成矩陣進行比較。
優選地，進一步預先設定子載波的SINR門限值的步驟，步驟101所述反饋子載波的SINR包括反饋大于所述SINR門限值的SINR。或者，在反饋SINR的過程中進行量化反饋，以減少反饋量。
圖2為根據本發明實施例的寬帶隨機波束的形成方法的示范性流程示意圖。
如圖2所示，該方法包括兩個階段，分別為初始化階段和數據傳輸階段。初始化階段包括
步驟201 :基站(BS )產生一個具有iV個酉陣的集合《={Q"Q2，'"'CU，Q.eC^' (iVt為BS發射天線數)，Qi服從等方分布，即Q,
的列向量的元素服從C^(0，1)，列向量之間彼此正交。其中，iV為一個設計量，取值優選大于2。如果iV越大，則系統吞吐量在用戶數很少時也可以接近最優。仿真中可以將〃設定為10，實際使用時為減少反饋開銷可取2 5。
步驟202: BS廣播所確定的集合0中的每個酉陣，也就是廣播集合0 中的Q，。
步驟203:將子栽波分簇，第A:個MS計算每個簇的中央子載波(下標為《)對于第/w ( m = l"'iV0個波束的SINR; MS反饋簇內中央子載波的最
大SINR，即^^,^&""以及對應波束的標號/w和子載波標號《；
步驟204: BS根據反饋的SINR，計算矩陣Qi對應第《個子栽波的速率
和(sumrate)，并計算Qi對于所有反饋子載波的累加速率和( aggregate sum
rate)，確定集合^中所有的累加速率和，選擇其最大者，記為《，此處
的g為每個簇的中央子栽波標號。
至此，完成初始化階段，然后進入數據傳輸階段。數據傳輸階段包括步驟205:在每個時隙"BS隨機產生并廣播一個發射矩陣Q-rand; 步驟206:每個移動臺(MS)反饋以Q-腦d列向量為波束向量的最大
SINR、對應波束的標號和子載波標號，其中具體計算和初始化階段的步驟
203相同；
步驟207:計算Q—rand的速率和SR(Q—mn",根據此刻MS反饋的SINR 更新《。也就是說，如果朋(Q》SR(Q—mnc^,則選擇Q:作為波束形成矩陣，否
則采用Q—咖d。同時，如果SR(Q—rand)〉SR(Q )，優選在《中用Q—咖d替代Qi>min;
步驟208:利用選定的波束形成矩陣來形成波束，并傳輸數據。其中，為了保證網絡中用戶的公平性，可以采用部分公平調度(proportional fair scheduling, PFS )。在這里，部分公平調度的具體技術對于本領域技術人員而言是清楚的，因此本發明對其不進行贅述。
可將本發明應用于針對802.22提案場景的應用。首先，給出寬帶信道系統模型。
假設現在有一個具有￡個抽頭的寬帶信道//,通過采用正交頻分復用 (OFDM)，丄個抽頭被分解成W個子栽波。輸入輸出信號表示為
<formula>formula see original document page 10</formula>
^ (2) 由矩陣形式表示，H戶《，…Z2《]。
假設iv個酉陣的集合《—Q"Q"…，Q"， Qiec^^為波束形成矩陣。在第《個子載波上發射的符號表示為《 Sm m ，其中A為Q,的列向量。
下面針對802.22中2k模式的參數設定來闡述本發明。設定參數為FFT點數為2048,數據和導頻(pilot)子載波數為1680, 分為30個子信道，每個子信道分為4個BIN。每個BIN包括12個數據子栽波和2個pilot子栽波，可以令一個BIN的14個相鄰子載波為一簇(cluster )。對于初始化階段
步驟1:BS產生一個具有AT個酉陣的集合CHQ"Q2,…,Q",Q,eC^、乂
為BS發射天線數)，并通過廣播信道廣播Qi給所有用戶，其中Q'服從等方
分布。在這里，iV為一個設計量，iV越大則系統吞吐量在用戶數很少時也可以接近最優，仿真優選設置為5。
步驟2:每個用戶通過每個BIN中的一個pilot估計自己的信道^，根據相關性，該信道系數可以作為這個BIN的所有其他子載波的信道系數。
第A:個MS計算每個BIN的中央子載波(下標為《)對第w個波束的 SINRj
S纖二 =
9 廠
/ "=一， " ， . ( 3 )
其中m-l，…，W,，《=//Vm， P為收端信噪比，『1，……，1680; &為
Qi的第m個列向量，代表了第/n個波束。
步驟3:將子栽波分簇，其中簇的大小為14個子載波，包括12個數據
子載波和2個pilot子載波(對應于一個BIN) ， MS反饋簇內中央子栽波的
- " max (SJ7Vi ，m ，、，j_,，— '一，…一
最大SINR，即"^w, '，m以及對應波束的標號m和子栽波標號q。
步驟4: BS根據反饋的SINR，由
=￡化log2(1 +max S纖二)[
U=i 、軀，J ( 4)
計算第《個子載波速率和(這里的《為每個BIN的中央的子栽波標號)，
由<formula>formula see original document page 11</formula> (5)
計算Q'的累加速率和(aggregate sum rate )，確定集合《中所有元素的
速率和，選擇具有最大速率和的矩陣，記為《。此時，在數據傳輸階段，包括以下步驟
步驟1:在每個時隙t BS隨機產生等方分布的發射矩陣Q」and，并廣
播此發射矩陣Q」and。
步驟2:MS反饋以Q-咖d為發射矩陣的最大SINR、對應波束的標號和子栽波標號。
步驟3:計算Q—rand的速率和SWQ—rand},根據此刻MS反饋的SINR更
新《。其中，如果朋(Q:)〉SR(Q—mnd)，則選擇Q:作為波束形成矩陣發射數椐，否則采用Q-副d作為波束形成矩陣發射數據。同時，如果肌(Q—rand)>SR(Q,—), 優選在集合^中用Q-rand替代Q—。
以上過程中，在初始化階段反饋量為W x W"m&ero/"er" x iVWm6er0/C7u"er" 個SINR和W x ^"饑^ro/"er x iVwn&ero/CMfer個最大SINR對應的波束下標，其中iV為酉陣集合^的大小。在數據傳輸階段反饋量為
大SINR對應的波束下標。
對于802.22提案下的應用，在2K FFT模式下每個6MHz頻帶包括30 個子信道，每個子信道包括4個BIN,每個BIN又包括14個子載波。所以在初始化階段系統總共反饋l加WxiV飄旨。/C/ser"個 SINR和 U(W xiV観&er。/t/ser波束下標，在數據傳輸階段反饋MOxiV畫&eTO/C/縱個SINR 和240 x JVMm&ero/f/se -個;皮束下才示。
對于單個用戶而言，如果一個用戶被分配了 64個子載波，4個子栽波一組，發射天線數為4,用3bit量化SINR ，則每個用戶反饋 16*3+16*2=10byte;若發射天線為2，則每個用戶反饋16*3+16*l=8byte。
以上過程中，還可以預先設定SINR門限值，MS只反饋大于預先設定某個門限的SINR ,從而使得網絡中的反饋量進一步降低為 KPr(max WiVHim2;7)，其中K為用戶數。可選地，在反饋SIRR的過程中還
可以進行量化反饋，減少反饋量。
下面對本發明的仿真情況進行說明。
本發明是針對寬帶系統在用戶數較少的情況下如何接近容量限的問題而提出，顯然，由于窄帶系統可以認為是寬帶系統的一種特例(其中子栽波數為1)。為了仿真方便，先對本發明應用于窄帶情況下進行示范性說明。
圖3為應用本發明于窄帶系統下的速率和與性能示意圖，其中用戶數為 20。圖3中的仿真條件為信道為獨立瑞利衰落信道、最大多譜勒頻移為
lOHz、信噪比為OdB、每個時隙為lms、仿真為1000個時隙、用戶數為20。圖4為應用本發明于窄帶系統下的速率和與性能示意圖，其中用戶數為 20,發射天線數固定為8。圖4中的仿真條件為信道為獨立瑞利衰落信道、最大多譜勒頻移為10Hz、信噪比為OdB、每個時隙為lms、仿真為1000個時隙、用戶數為20、天線數固定為8。由圖3和圖4可見，在用戶數較少的情況下，本發明就已經有了較高的速率和。
圖5為應用本發明于窄帶系統下的集合大小(AO和性能的對比示意圖，其中tx為天線數，u為用戶數。圖5中示出了 4天線20用戶(20u，4tx) 、 8 天線20用戶(20u，8tx )、和8天線40用戶(40u，8tx)的情形。由圖5可以看出，在窄帶情況下，集合《的大小W對速率和的影響并不顯著。
圖6為根據本發明的寬帶系統下隨機波束形成方法的速率和與性能示意圖。圖6的仿真條件為根據提案中的2k模式，對1680個數據和pilot 子載波進行分配，信道抽頭數L-6;簇(cluster)的大小為14個子栽波；發射天線數為2;酉陣的集合《的大小為5。
由圖6可見，針對提案中的2k模式的參數進行仿真，當用戶數較少時
已經可以達到較大的速率和。累加速率和由^-S—^計算，其中累加速率
和表示采用發射矩陣Qi時所有被使用子載波的速率和。
以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1、一種寬帶隨機波束的形成方法，其特征在于，該方法包括以下步驟A、產生具有N個酉陣的集合并根據用戶對子載波的信號干擾噪聲比SINR的反饋，確定所述集合中每個酉陣的累加速率和，其中N為至少為1的自然數；B、確定所述集合中具有最大累加速率和的酉陣Qi*，并且確定一個隨機產生的新酉陣Q_rand的累加速率和；C、將Qi*的累加速率和與所述隨機產生的新酉陣Q_rand的累加速率和進行比較，選擇其中較大者作為波束形成矩陣，并利用所述波束形成矩陣形成波束。
2、根據權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法進一步包括在步驟C中，如果所述隨機產生的新酉陣Q-皿d的累加速率和大于集合《中具有最小累加速率和的酉陣Q—，則在所述集合P中用Q—rand替代Qi砵。
3、根據權利要求1所述的方法，其特征在于，當用戶方向可知且位置固定時，所述集合^中的每個酉陣，由隨機選擇乂個已知的用戶方向向量而組合形成，其中乂為發射天線數。
4、根據權利要求1所述的方法，其特征在于，當用戶方向可知且位置固定時，所述隨機產生的新酉陣Q-rand，由隨機選擇^個已知的用戶方向向量而組合形成，其中^為發射天線數。
5、根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟A所述反饋子栽波的 SINR具體包括All、對子載波進^f于分簇；A12、用戶反饋每簇內中央子載波的SINR。
6、根據權利要求l所述的方法，其特征在于，集合《中的所有酉陣都滿足等方分布，并且所述隨機產生的新酉陣也滿足等方分布。
7、根據權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法進一步預先設定子載波的SINR門限值，步驟A所述反饋子栽波的SINR為用戶反饋大于所述SINR 門限值的SINR。
8、根據權利要求5所述的方法，其特征在于，該方法進一步包括預先設定子栽波的SINR門限值的步驟，步驟A12所述用戶反饋每簇內中央于栽波的SINR為用戶反饋每簇內大于所述SINR門限值的中央子栽波SINR。
9 、根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述iV的取值范圍為2《A^10。
10、才艮據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述iV的取值范圍為2^A^5。
全文摘要
本發明公開了一種寬帶隨機波束的形成方法，該方法包括以下步驟A.產生具有N個酉陣的集合Q，并根據用戶對子載波的信號干擾噪聲比(SINR)的反饋，確定所述集合Q中每個酉陣的累加速率和，其中N為至少為1的自然數；B.確定所述集合Q中具有最大累加速率和的酉陣Qi*，并且確定一個隨機產生的新酉陣Q_rand的累加速率和；C.將Qi*的累加速率和與所述隨機產生的新酉陣Q_rand的累加速率和進行比較，選擇其中較大者作為波束形成矩陣來，并利用所述波束形成矩陣形成波束。應用本發明以后，針對寬帶系統，能在用戶數較少的情況下接近容量限。另外，本發明中還對子載波進行分簇反饋，從而進一步減少了反饋量。
文檔編號H04L27/26GK101102136SQ20061010103
公開日2008年1月9日申請日期2006年7月3日優先權日2006年7月3日
發明者呂林軍, 夢曾, 李少謙, 軍王申請人:華為技術有限公司;電子科技大學

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