利用信道均值信息的多用户下行三维统计波束成型自适应传输方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种通过使用均匀平面天线阵来传输高速数据的多用户下行传输系 统，尤其涉及一种利用信道均值信息的多用户下行传输系统自适应传输方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，信息论的研宄己经表明，多天线技术能够显著地提高无线通信系统的传 输速率。目前，针对点对点单用户系统的研宄已经基本有了定论，而对于多用户系统的容量 和最佳传输方案的研宄则引起了国际学者们的广泛关注。多用户多天线系统由于具有分集 增益、复用增益和多用户分集增益，可以获得良好的性能和较大的容量，将成为新一代无线 通信网络的关键技术之一。
[0003]与传统的单用户多天线系统相比，多用户多天线系统具有以下几个突出的优 点：由于采用所谓的多用户复用，多用户多天线技术能带来多址接入容量的直接增益 (和基站天线数成正比）；利用多用户分集和调度，多用户多天线技术能突破困扰单用户 多天线通信的许多传播限制，如信道矩阵秩亏或天线相关；在用户终端只具有单天线的 MISO(multiple-inputsingle-output)情况下，多用户系统仍然能获得空间复用增益，因 此有利于开发体积小而且便宜的终端。
[0004]遗憾的是，对于多用户系统，获得多天线技术带来的好处是有代价的。对于单用户 多天线通信系统来说，发送端已知信道信息不是必要的，但是对于许多多用户多天线下行 预编码技术来说却是至关重要的。许多已有的多用户多天线下行传输系统中都假设基站已 知理想的信道信息。在实际的通信中，基站的信道信息是由用户通过上行的有限反馈信道 提供的或由上行信道估计得到。由于反馈信息的传输不可避免地存在反馈延时，且信道估 计可能存在误差，因此，假设发送端已知理想的信道信息往往是不现实的，特别是当用户数 和发射天线数较大以及信道状态变化较快的时候。另外，对于FDD系统，信道信息的反馈给 上行容量造成很大的负担，在宽带（如0FDM)系统和具有高移动性系统中，这一问题变得更 加严重。因此，利用统计信道状态信息，如收发相关阵、均值信息等，进行自适应传输是合适 的选择。
【发明内容】
[0005] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明为基站使用均匀平面天线阵 的多用户下行传输系统提供一种利用信道均值信息的三维统计波束成形自适应传输方案， 能够根据信道的均值特性调整发送参数，获得较高的和速率以及较低的复杂度。
[0006]技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0007]-种利用信道均值信息的多用户下行三维统计波束成型自适应传输方法，包括如 下步骤：
[0008] (1)基站信道均值信息的获取：基站采用均匀平面天线阵（UPA)，该天线阵垂直方 向有M行，水平方向每行有N个天线阵元，共MXN个天线阵元，每行及每列天线阵元均形成 均匀线性天线阵（ULA)，在水平和垂直方向上相邻天线阵元间距均为载波波长的一半，每个 用户的接收天线数为1，总用户数为L;
[0009] 基站与用户i之间的归一化信道行向量为hi，满足五{11,11丨} = ]^，hi的第（m-1) N+n个元素基站第m行第n列的天线阵元与用户i之间的信道系数，上标 代表共轭转置，E{ ? }代表求均值，（a) 表向量a的第i个元素；
[0010] 对于TDD系统，首先，基站利用上行信道估计的结果以及信道的互易性，获 得基站至用户i的信道hi;接着，基站计算用户i的信道均值圮和莱斯因子
【主权项】
1. 一种利用信道均值信息的多用户下行三维统计波束成型自适应传输方法，其特征在 于：包括如下步骤： (1) 基站信道均值信息的获取：基站采用均匀平面天线阵，该天线阵垂直方向有M行， 水平方向每行有N个天线阵元，共MXN个天线阵元，每行及每列天线阵元均形成均匀线性 天线阵，在水平和垂直方向上相邻天线阵元间距均为载波波长的一半，每个用户的接收天 线数为1，总用户数为L ; 基站与用户i之间的归一化信道行向量为b满足￡{1Μ^} = Μ/ν，比的第（m-l)N+n个 元素 OO (nri)N+n为基站第m行第η列的天线阵元与用户i之间的信道系数，上标^代表共 轭转置，E { · }代表求均值，（a ) 表向量α的第i个元素； 对于TDD系统，首先，基站利用上行信道估计的结果以及信道的互易性，获得 基站至用户i的信道hi;接着，基站计算用户i的信道均值[和莱斯因子
，进而得到信道均值Ei.的垂直分量
和水平分量
,其中FjP F N分别为M X M和N X N的DFT矩阵，F M和F篇m行第η列 的元素分别为
；最后，基站分别找出 其垂直方向主模式和水平方向主模式，即分别找出Ay和Λ 对角元上最大的元素 和七：相应的索引h和尺，即，其中Λ(?和#,W别为Λ !U 的第Ii和第j i个对角元； 对于FDD系统，首先，用户i利用下行信道估计的结果，获得基站至用户i的归一化信 道向量hi;接着，用户i计算其信道均值和莱斯因子
'进而 得到其信道均值&的垂直分量
和水平分量
其中FjP F N分别为MXM和NXN的DFT矩阵，F M和F篇m行第η列的元素分别为
最后，用户i分别找出其垂直方向 主模式和水平方向主模式，即分别找出Ay和Aiu对角元上最大的元素 相应的 索引1和j i，并将I、IJP j i反馈给基站； (2) 用户分类：基站根据各用户的IJPji, i = 1，一，L，将用户分为MXN类，分类准则 为：若Ii= m且j i= η，则将用户i归入第（m，n)类； (3) 用户调度：基站分别从每类用户中选出其莱斯因子最大的用户，即Ki最大的用户， 若所选出的用户数大于系统最大用户数U，则在先前所选出的用户中选出莱斯因子最大的 U个用户为服务用户，记为用户1，用户2，…，用户U ; (4) 对步骤（3)选出的用户，基站计算每个用户的预编码矢量：用户i的预编码矢量为
，其中，P发射总功率，为矩阵Fi的第Ii列，( FO,为矩阵 的第ji列； (5) 利用步骤（4)中计算出的预编码矢量对用户进行预编码传输。
【专利摘要】本发明公开了一种利用信道均值信息的多用户下行三维统计波束成型自适应传输方法，基站采用均匀平面天线阵；该传输方法按以下步骤进行：对于FDD系统，各用户利用信道估计的结果计算自身的信道均值信息，即莱斯因子、信道均值垂直方向主模式和水平方向主模式，并反馈给基站。对于TDD系统，基站利用上行信道估计的结果计算各用户下行的信道均值信息。基站根据所得到的信道均值信息，选出服务用户，对服务用户进行预编码传输。本发明提供的利用信道均值信息的多用户下行三维统计波束成型自适应传输方法，有效地提高系统的鲁棒性，且能以较低的计算复杂度获取较高的平均互信息量。
【IPC分类】H04L25-02, H04B7-04
【公开号】CN104868945
【申请号】CN201510297575
【发明人】李潇, 金石, 高西奇
【申请人】东南大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年6月3日