专利名称：一种多输入多输出(mimo)传输方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及到多输入多输出无线通信系统中传输和用户调度技术，特 别是涉及一种结合随机波束成形与迫零波束成形的MIMO传输技术和调度 方法。
背景技术：
随着移动通信用户数量的急剧增加和无线宽带业务(如多媒体业务) 的迅速兴起，人们期望未来移动通信系统能提供更高的数据传输率 (100Mbps以上)、更髙的频谱效率(10bps/Hz以上)。
多输入多数出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)是一种在发射 端和接收端同时使用多根天线的技术。MIMO是提高频谱效率的一种有效 手段，它能够在不增加发射功率的前提下，成倍的提高系统的频谱效率。
波束成形是一类典型的MIMO技术，其基本思想是在每根发射天线上 乘上一个复数来构建一个波束方向。因此对N根发射天线则需乘上一个N 维的复向量，通常把这个N维的复向量称为波束成形矢量或一个波束。对 于多发射天线系统可以构建多个波束并行地发射数据。
随机波束成形和迫零波束成形是两大类波束成形技术。
随机波束成形是在发射端随机地构建N个波束(N通常为发射端天线 数)同时进行数据发射。然后，接收端计算在每个波束上的信干噪比并反 馈最大信干噪比以及对应的波束索引值给发射端。最后，发射端在每个波 束上选择信干噪比最大的用户进行发射。
随机波束成形的优点在于反馈开销小、实施复杂度低，且在用户数足 够大的情况下能获得较高系统容量，但是在实际用户数情况下随机波束成 形的系统容量较低，远没有达到多用户MIMO系统的容量。
迫零波束成形是假设发射端已知所有用户的信道状态信息，然后通过
调度算法选择相应的用户并对这些用户的信道矩阵求逆来获得波束成形矢 量的一种技术。由于各波束成形矢量是通过对用户信道求逆获得，因此它 能消除用户信道间干扰，从而获得很高的系统容量。
迫零波束成形系统高容量的获得是以巨大的反馈开销为代价。迫零波 束成形中每个接收端需要反馈其信道状态信息，且由于要对用户信道求逆， 信道状态信息的反馈精度也要足够高。因此反馈开销大和反馈精度要求高 是迫零波束成形的主要缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种MIMO传输方法，该方法减小了反馈开销， 并提高了系统容量。
本发明的另一 目的在于提供一种MIMO系统，该系统减小了反馈开销， 并提高了系统容量。
本发明的技术方案为
一种多输入多输出(MIMO)传输方法，包括以下步骤
(1) 发射端构造随机波束并用以向各接收端发射信道估计信号；
(2) 各接收端接收信道估计信号，进行信道估计；
(3) 各接收端生成随机波束成形反馈信息，将其发送给发射端；
(4) 发射端接收随机波束成形反馈信息；
(5) 发射端根据随机波束成形反馈信息进行用户预选，生成备选调度 用户集，将其发送给各接收端；
(6) 各接收端接收备选调度用户集；
(7) 各接收端根据备选调度用户集进行反馈判断，若允许反馈，进入 步骤(8)，否则，进入步骤(12);
(8) 允许反馈的接收端生成迫零波束成形反馈信息，将其发送给发射
端；
(9) 发射端接收迫零波束成形反馈信息，转换为调度信息；
(10) 发射端根据调度信息进行用户调度，得到调度用户；
(11) 发射端构造迫零波束并用以向调度用户发射用户数据；
(12)结束。
所述随机波束成形反馈信息为接收端在随机波束上的最大信干噪比及 其对应的波束索引值。
所述迫零波束成形反馈信息为归一化信道量化索引值和信道幅度或者 归一化信道量化索引值和信干噪比。
所述步骤(5)具体为设置备选调度用户集为空集，将同一波束索引 值对应的信干噪比按照由大到小排序，选择前L个最大信干噪比对应的用 户加入备选调度用户集；若同一波束索引值对应的信干噪比个数小于L， 则将其对应的用户全部加入备选调度用户集。
所述步骤(7)具体为接收端判断备选调度用户集是否包含该接收端 本身，若包含，则允许反馈，进入步骤(8)，否则，不反馈，进入步骤(12)。
所述步骤(10)具体为
(10.1) 令调度列表为空集，调度用户集合等于备选调度用户集；
(10.2) 分别计算调度调度用户集合中每个用户时获得的系统容量， 选择最大系统容量对应的用户加入到调度列表中，并在调度用户集合中删 除该用户；
(10.3) 分别计算调度用户集合中每个用户与调度列表中所有用户同 时调度时的系统容量，从中选择系统容量最大值C"计算调度列表中所有 用户同时调度时的系统容量C"若C^q，将该用户加入调度列表并从调 度用户集合中删除该用户，否则，结束；
(10.4) 若调度列表中用户数等于发射天线数或调度用户集合为空，步 骤(10)结束，否则，转入步骤(10.3)。
所述步骤(10)具体为
(10.1) 令调度列表为空集，调度用户集合等于备选调度用户集；
(10.2) 从调度用户集合中挑选出信道状况最好的用户，将其加入到 调度列表中，并把该用户从调度用户集合中删除；
(10.3) 更新调度用户集合为调度用户集合中与调度列表中所有用户 的信道准正交的用户，信道的准正交程度通过信道矢量的夹角来衡量。
(10.4) 如果调度用户集合为空或调度列表中用户个数等于发射天线数，则结束，否则，转入步骤(10.2)。
一种多输入多输出(MIMO)系统，包括
发射端ll，用于向接收端12发送信道估计信号、用户数据；和至少 一个接收端12，用于接收来自发射端的信道估计信号、用户数据，生成随 机波束成形反馈信息，将其发送给接收端ll;
其特征在于
所述发射端11还用于根据随机波束成形反馈信息进行预选生成备选调 度用户集，将其发送给接收端；接收来自接收端12的迫零波束成形反馈信 息，转换为调度信息，并根据调度信息进行用户调度；
所述接收端12还用于接收来自发射端11的备选调度用户集，根据备 选调度用户集进行反馈判断，若允许反馈则生成迫零波束成形反馈信息， 将其发送给发射端。
所述发射端U包括
第一双工射频器117和位于其上的发射天线，用于接收来自随机波束 成形器112的随机波束和信道估计信号、来自迫零波束成形器116的迫零 波束和用户数据、来自备选用户选择器114的备选调度用户集，并发送给 接收端12;接收来自接收端12的随机波束成形反馈信息和迫零波束成形反 馈信息，并传送给反馈信息处理器113;
波束成形模式控制器lll，用于触发随机波束成形器112和触发迫零波 束成形器116;
随机波束成形器112，用于接收来自波束成形模式控制器111的触发信 号，构建N个随机波束，并将随机波束和信道估计信号传送给双工射频器 117;
反馈信息处理器U3，用于接收来自双工射频器117的随机波束成形反
馈信息生成预调度信息，将其传送给备选用户选择器114;接收来自双工射 频器117的迫零波束成形反馈信息，生成调度信息，将其传送给调度器115; 备选用户选择器114，用于接收来自反馈信息处理器(113)的预调度信
息，根据预调度信息进行用户预选生成备选调度用户集，将其传送给双工 射频器117;
调度器115，用于接收来自反馈信息处理器113的调度信息，根据调度
信息进行用户调度得到调度用户，将调度用户及其归一化信道矢量传送给
迫零波束成形器116;
迫零波束成形器116,用于接收来自波束成形模式控制器111的触发信 号和来自调度器115的调度用户及其归一化信道矢量，生成迫零波束，向
双工射频器117传送迫零波束和用户数据； 所述接收端12包括
第二双工射频器125和位于其上的接收天线，用于接收来自发射端11
的信道估计信号、用户数据和备选调度用户集，并传送给接收信号处理器
121;接收来自随机波束成形反馈生成器122的随机波束成形反馈信息和来 自迫零波束成形反馈生成器123的迫零波束成形反馈信息，并发送给发射 端11;
接收信号处理器121，用于接收来自第二双工射频器125的信道估计信 号、用户数据和备选调度用户集，进行信道估计得到信道幅度和信道矢量 并分别传送给随机波束成形反馈生成器122和迫零波束成形反馈生成器 123，并将备选调度用户集传送给反馈控制器124;
反馈控制器124，用于接收来自接收信号处理器121的备选调度用户 集，根据备选调度用户集进行反馈判断，若允许反馈，向迫零波束成形反 馈生成器123传送触发信号；
随机波束成形反馈生成器(122)，用于接收来自接收信号处理器121 的信道幅度，根据信道幅度生成随机波束成形反馈信息，传送给第二双工 射频器125;
迫零波束成形反馈生成器124，用于接收来自接收信号处理器121的信 道矢量和来自反馈控制器124的触发信号，根据信道矢量生成迫零波束成 形反馈信息，传送给第二双工射频器125。
与现有技术相比，本发明同时获得了随机波束成形反馈开销小和迫零 波束成形系统容量大的优点。通过用户预选剔出对系统容量影响小的大量
用户，降低了系统的反馈开销和实施复杂度；同时通过提高迫零波束成形 的反馈精度获得系统容量的提升。
图1为本发明系统框架图2为本发明传输方法流程图3为发射端结构图4为接收端结构图5为本发明与正交随机波束成形系统、迫零波束成形系统的频谱效 率仿真效果比较图6为本发明反馈用户数的减少率与接收端个数K之间关系示意图。
具体实施例方式
下面就结合附图来具体描述本发明。
如图1所示，本发明系统包括发射端11和接收端12.1、 12.2........
12.K。接收端12.1、 12.2、 ....... 12.K结构相同，为描述方将接收端12.1、
12.2........ 12.K均称为接收端12，每个接收端12均对应一个用户。
发射端ll用于发射信道估计信号、用户数据信号、备选调度用户集信 息和接收反馈信号等。如图2所示，发射端ll包括波束成形模式控制器 111、随机波束成形器112、反馈信息处理器113、备选用户选择器114、调 度器115、迫零波束成形器116、双工射频器117以及多根发射天线。
接收端12用于接收发射信号、还原接收信号、反馈判决、产生反馈信 号并反馈给发射端等。如图3所示，接收端12包括接收信号处理器121、 随机波束成形反馈生成器122、迫零波束成形反馈生成器123、反馈控制器 124、双工射频器125以及多根接收天线。
图2为本发明方法流程图，包括S201、 S202、 S203、 S204、 S205、 S206、 S207、 S208、 S209、 S210、 S211、 S212共十二步骤。
图3为本发明发射端结构图，图4为本发明接收端结构图。
具体考虑发射端11有N根天线，接收端12有1根天线的MIMO系统，
下面结合本发明方法流程图(图2)来描述本发明。
在步骤S201中，发射端11的波束成形模式控制器111触发随机波束 成形器112构建N (可以小于N)个随机波束&，m-l,…,n，并采用随机波 束发射信道估计信号Sm，l=1....，n，则发射的信号为-
<formula>formula see original document page 12</formula>(1)
在步骤S202中，各接收端12接收经过信道衰减后的信道估计信号为<formula>formula see original document page 12</formula>
其中A是第i个用户的信道矢量(本实施例中为lxN维复矢量)，K是噪 声分量(假设噪声功率为1)。各接收端估计信道矢量A和信道幅度 |HQ|，m=1，...n，并分别传送到随机波束成形反馈生成器122和迫零波束成 形反馈生成器123;
在步骤S203中，各接收端12生成随机波束成形反馈信息并将其反馈 给发射端ll，随机波束成形反馈信息包括最大信干噪比及其对应的波束 索引值。通过波束索引值可以确定波束。
各接收端12的随机波束成形反馈生成器122按公式(3)计算在每个波束 上的信干噪比，
<formula>formula see original document page 12</formula> (3)
其中户为发射功率。
在步骤S204中，发射端11的反馈信息处理器113接收随机波束成形 反馈信息，生成预调度信息并传送给备选用户选择器1M，该预调度信息为 各用户的最大信干噪比及其对应的波束索引值。
在步骤S205中，发射端11的备选用户选择器114根据收到的预调度 信息对用户进行预选，生成备选调度用户集，并将其发送给各接收端12。
备选调度用户集生成的过程为设置备选调度用户集为空集，对于每 个随机波束，备选用户选择器114将同一波束索引值对应的信干噪比按照 由大到小排序，选择前L个最大信干噪比对应的用户加入备选调度用户集，
若反馈该波束索引值的用户数小于L，则将用户全部加入。L的选取可根据 实际系统要求确定，取L-3 5时能获得性能和复杂度的良好折中。
在步骤S206中，各接收端12的接收信号处理器121接收备选调度用 户集，并传送给反馈控制器124。
在步骤S207中，各接收端12的反馈控制器124根据备选调度用户集 进行反馈判断。判断的标准为备选调度用户集是否包含该用户，若包含， 则反馈控制器124触发迫零波束成形反馈生成器123并进入步骤S208，否 则进入步骤S212。
在步骤S208中，允许反馈的接收端12的迫零波束成形反馈生成器123 生成迫零波束成形反馈信息并反馈给发射端11。
迫零波束成形反馈信息的生成包括信道矢量量化和信道幅度或信干噪 比计算。信道矢量量化的基本思想是用一个己知的矢量去代替信道矢量， 其过程如下(1)码本确定在发射端11和接收端12都事先确定一个矢 量码本，该码本是可用于信道矢量量化的所有矢量的集合，其中每个矢量 为一N维复矢量，共有"个这样的矢量(B为信道量化比特数)。(2)信 道的归一化量化:从码本中选择与归一化的信道矢量最相近的一个矢量作 为该信道的量化值，并将该矢量的索引值作为反馈值。本领域人员应能理 解信道幅度或信干噪比的计算，故不以说明。最后，生成的反馈信息包括 归一化信道量化索引值和信道幅度或者归一化信道量化索引值和信干噪 比。
在步骤S209中，发射端11的反馈信息处理器113接收迫零波束成形 反馈信息，并对其进行处理以生成调度信息，该调度信息包括归一化信 道矢量和信道幅度或归一化信道矢量和信干噪比。
在步骤S210中，发射端11的调度器115根据调度信息，执行调度算 法得到调度用户，并将调度用户及其归一化信道矢量传送给迫零波束成形 器116。
调度器115可以使用各种调度算法，包括但不限于以下的调度算法一 和调度算法二。
调度算法一包括以下步骤
1) 令调度列表(用于存放选中的用户)为空集，调度用户集合(用于
存放所有备选的用户)等于备选调度用户集；
2) 分别计算调度调度用户集合中每个用户时获得的系统容量，选择最 大系统容量对应的用户加入到调度列表中，并在调度用户集合中删 除该用户；
3) 分别计算用户集合中每个用户与调度列表中所有用户同时被调度 时的系统容量，从中选择系统容量最大值Cn计算调度调度列表中 所有用户时的系统容量C2;若C,2C,，将该用户加入调度列表并从 调度用户集合中删除该用户，否则，结束；
4) 若调度列表中用户数等于发射天线数或调度用户集合为空，结束， 否则，转入步骤3)。
在调度算法一中计算系统容量时，也可计算经加权后的系统容量，即 用权值乘以系统容量后的容量，其中权值由调度器指定，该权值代表用户 的服务等级和QoS要求。
调度算法二包括以下步骤-
1) 令调度列表(用于存放选中的用户)为空集，调度用户集合(用于 存放所有备选的用户)等于备选调度用户集；
2) 从调度用户集合中挑选出信道状况最好的用户，将其加入到调度列 表中，并把该用户从调度用户集合中删除；
3) 更新调度用户集合为调度用户集合中与调度列表中所有用户的信 道准正交的用户，信道的准正交程度可以通过信道矢量的夹角来衡 量。
4) 如果调度用户集合为空或调度列表中用户个数等于发射天线数，则 结束，否则转入步骤2)。
在步骤S211中，发射端11的波束成形模式控制器111触发迫零波束 成形器116，迫零波束成形器116接收来自调度器115的调度用户及其归一 化信道矢量，迫零波束成形器116对调度用户的归一化信道矢量求逆来构 造迫零波束，并用与用户信道矢量相应的迫零波束向调度用户发射数据。
步骤S212，结束。
图5为本发明方案与正交随机波束成形、迫零波束成形的频谱效率仿 真效果比较图；仿真参数为发射端天线数N-4、接收端天线数M4、接收 端个数K=100、在每个随机波束上选择信干噪比最大的用户个数L=3、信 道量化比特数B-12，发射功率/>=0 40犯。从图中可以看出，本发明方案 的频谱效率明显高于正交随机波束波束成形；且相对迫零波束成形，频谱 效率下降较小。
图6为本发明方案反馈用户数的减少率与接收端个数K之间关系的仿 真图。在发射天线数N-4、接收天线数M-1的条件下(方案中其他参数的 选取对本仿真的影响可忽略)，分别仿真了在每个随机波束上选择最大信干 噪比的用户个数L-3、 4、 5的情况下，反馈用户数的减少率随接收端个数 K的变化情况。从图中可以看出，本发明方案能大大减少反馈用户的数目。
权利要求
1、一种多输入多输出(MIMO)传输方法，包括以下步骤(1)发射端构造随机波束并用以向各接收端发送信道估计信号；(2)各接收端接收信道估计信号，进行信道估计；(3)各接收端生成随机波束成形反馈信息，将其发送给发射端；(4)发射端接收随机波束成形反馈信息；(5)发射端根据随机波束成形反馈信息进行用户预选，生成备选调度用户集，将其发送给各接收端；(6)各接收端接收备选调度用户集；(7)各接收端根据备选调度用户集进行反馈判断，若允许反馈，进入步骤(8)，否则，进入步骤(12)；(8)允许反馈的接收端生成迫零波束成形反馈信息，将其发送给发射端；(9)发射端接收迫零波束成形反馈信息，将其转换为调度信息；(10)发射端根据调度信息进行用户调度，得到调度用户；(11)发射端构造迫零波束并用以向调度用户发射用户数据；(12)结束。
2、 根据权利要求1所述的多输入多输出(MIMO)传输方法，其特 征在于，所述随机波束成形反馈信息为接收端在随机波束上的最大信干噪 比及其对应的波束索引值。
3、 根据权利要求2所述的多输入多输出(MIMO)传输方法，其特 征在于，所述步骤(5)具体为设置备选调度用户集为空集，将同一波束 索引值对应的信干噪比按照由大到小排序，选择前L个最大信干噪比对应 的用户加入备选调度用户集；若同一波束索引值对应的信干噪比个数小于 L，则将其对应的用户全部加入备选调度用户集。
4、 根据权利要求1至3中任一项所述的多输入多输出(MIMO)传 输方法，其特征在于，所述步骤(7)具体为接收端判断备选调度用户集是否包含该接收端本身，若包含，则允许反馈，进入步骤(8)，否则， 不反馈，进入步骤(12)。
5、 根据权利要求1至3中任一项所述的多输入多输出(MIMO)传输 方法，所述步骤(10)具体为(10.1) 令调度列表为空集，调度用户集合等于备选调度用户集；(10.2) 分别计算调度调度用户集合中每个用户时获得的系统容量， 选择最大系统容量对应的用户加入到调度列表中，并在调度用户集合中删 除该用户；(10.3) 分别计算调度用户集合中每个用户与调度列表中所有用户同 时调度时的系统容量，从中选择系统容量最大值C,;计算调度列表中所有 用户同时调度时的系统容量C」若c^q,将该用户加入调度列表并从调 度用户集合中删除该用户，否则，结束；(10.4) 若调度列表中用户数等于发射天线数或调度用户集合为空，步 骤(10)结束，否则，转入步骤(10.3)。
6、 根据权利要求1至3中任一项所述的多输入多输出(MIMO)传输 方法，所述步骤(10)具体为(10.1) 令调度列表为空集，调度用户集合等于备选调度用户集；(10.2) 从调度用户集合中挑选出信道状况最好的用户，将其加入到 调度列表中，并把该用户从调度用户集合中删除；(10.3) 更新调度用户集合为调度用户集合中与调度列表中所有用户 的信道准正交的用户，信道的准正交程度通过信道矢量的夹角来衡量。(10.4) 如果调度用户集合为空或调度列表中用户个数等于发射天线 数，则结束，否则，转入步骤(10.2)。
7、 一种多输入多输出(MIMO)系统，包括发射端(11),用于向接收端(12)发送信道估计信号、用户数据； 和至少一个接收端(12)，用于接收来自发射端的信道估计信号、用户数 据，生成随机波束成形反馈信息，将其发送给接收端(11);其特征在于:所述发射端(11)还用于根据随机波束成形反馈信息进行预选生成备选调度用户集，将其发送给接收端；接收来自接收端(12)的迫零波束成 形反馈信息，转换为调度信息，并根据调度信息进行用户调度；所述接收端(12)还用于接收来自发射端(11)的备选调度用户集， 根据备选调度用户集进行反馈判断，若允许反馈则生成迫零波束成形反馈 信息，将其发送给发射端。
8、根据权利要求7所述的一种多输入多输出(MMO)系统，其特征 在于，所述发射端(11)包括:第一双工射频器(117)和位于其上的发射天线，用于接收来自随机波 束成形器(112)的随机波束和信道估计信号、来自迫零波束成形器(116) 的迫零波束和用户数据、来自备选用户选择器(114)的备选调度用户集， 并发送给接收端(12);接收来自接收端(12)的随机波束成形反馈信息 和迫零波束成形反馈信息，并传送给反馈信息处理器(113);波束成形模式控制器(111)，用于触发随机波束成形器(112)和触 发迫零波束成形器(116);随机波束成形器(112)，用于接收来自波束成形模式控制器(111) 的触发信号，构建N个随机波束，并将随机波束和信道估计信号传送给双 工射频器(117);反馈信息处理器(113)，用于接收来自双工射频器(117)的随机波束成 形反馈信息生成预调度信息，将其传送给备选用户选择器(114);接收来 自双工射频器(117)的迫零波束成形反馈信息，生成调度信息，将调度信 息传送给调度器(115);备选用户选择器(114)，用于接收来自反馈信息处理器(113)的预调度 信息，根据预调度信息进行用户预选生成备选调度用户集，将其传送给双 工射频器(117);调度器(115)，用于接收来自反馈信息处理器(113)的调度信息，根据 调度信息进行用户调度得到调度用户，将调度用户及其归一化信道矢量传送给迫零波束成形器(116);迫零波束成形器(116)，用于接收来自波束成形模式控制器(111)的 触发信号和来自调度器(115)的调度用户及其归一化信道矢量，生成迫零波束，向双工射频器(117)传送迫零波束和用户数据；所述接收端(12)包括第二双工射频器(125)和位于其上的接收天线，用于接收来自发射端 (11)的信道估计信号、用户数据和备选调度用户集，并传送给接收信号 处理器(121);接收来自随机波束成形反馈生成器(122)的随机波束成 形反馈信息和来自迫零波束成形反馈生成器(123)的迫零波束成形反馈信 息，并发送给发射端(11);接收信号处理器(121)，用于接收来自第二双工射频器(125)的信 道估计信号、用户数据和备选调度用户集，进行信道估计得到信道幅度和 信道矢量并分别传送给随机波束成形反馈生成器(122)和迫零波束成形反 馈生成器(123)，并将备选调度用户集传送给反馈控制器(124);反馈控制器(124)，用于接收来自接收信号处理器(121)的备选调 度用户集，根据备选调度用户集进行反馈判断，若允许反馈，向迫零波束 成形反馈生成器(123)传送触发信号；随机波束成形反馈生成器(122)，用于接收来自接收信号处理器(121) 的信道幅度，根据信道幅度生成随机波束成形反馈信息，传送给第二双工 射频器(125);迫零波束成形反馈生成器(124)，用于接收来自接收信号处理器(121) 的信道矢量和来自反馈控制器(124)的触发信号，根据信道矢量生成迫零 波束成形反馈信息，传送给第二双工射频器(125)。
全文摘要
本发明提供一种多输入多输出(MIMO)传输方法及系统，在该方法中发射端发射信道估计信号，各接收端生成随机波束成形反馈信息并发送给发射端，发送端进行用户预选生成备选调度用户集，将其发送给各接收端；各接收端进行反馈判断，若允许反馈，则生成迫零波束成形反馈信息，将其发送给发射端；发射端进行用户调度得到调度用户，并向调度用户发射用户数据。本发明同时具有随机波束成形和迫零波束成形的优点，降低了系统的反馈开销和实施复杂度，提高了系统容量。
文档编号H04L25/02GK101207590SQ20071016868
公开日2008年6月25日 申请日期2007年12月7日 优先权日2007年12月7日
发明者刘应状, 周宗仪, 俊 孙, 朱光喜, 林宏志, 王德胜, 郑治凯 申请人:华中科技大学