专利名称：基于多天线接收机的随机波束成型方法及其系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于多天线接收机的随机波束成型系统。
背景技术：
多天线技术(MIMO)能有效利用无线通信多径传播环境，获得空间复用(spatial multiplexing)和分集(diversity)增益，极大地提高通信系统的容量以满足日益增长的无线通信系统的容量需求，是今后无线通信系统必然选择的技术，并且已经被列入了802.11n、802.16e等无线通信标准协议中。
文献1的分析表明，在多用户多天线(MU-MIMO)广播信道下，发送方获知完整信道信息(full CSI)时信道容量以MloglogKN速度增长。其中M为发射天线数目，对应空间复用增益，K为用户数目，N为用户接收天线数目，loglogKN为多用户分集增益。而当发送方无法获得信道信息时，信道容量仅仅以logM的速度增长。因此，发送方获取用户的CSI对MIMO系统特别是对MU-MIMO系统的容量起着非常重要的作用。达到此理想容量的方法由文献2提出，即在发送方利用赃纸编码(DPC)技术实现。但是此方法运算量大，且难以实现。文献3提出了迫零预编码技术，文献4提出了矢量扰动预编码技术来逼近理论容量。但是以上文献中的方法均是在基站获取完整CSI信息的前提下进行。实际无线通信系统中基站若想获得用户的CSI只能通过接收机向基站反馈一定形式的CSI实现。而多用户无线通信系统为有限反馈(limited feedback)系统，用户反馈完整的CSI将会给系统带来巨大的开销。因此，用户尽可能减少反馈CSI以并提高系统吞吐量有着重要意义。
随机波束成型技术是一种集反馈、调度为一体的通信技术。文献5最早提出了随机波束成型的思想。基站通过对多根发射天线进行随机加权，引入了信道的随机衰落，从而增大了各个用户等效信道波动的变化范围和变化速率。当用户数目很多时，总存在某用户的信道与随机波束匹配，使其等效信道处于峰值。基站调度用户，使处于信道最好性能时的用户进行传输，获得了多用户的分集增益，提高了系统容量。但文献5仅仅利用了一个波束传输数据，没有利用多天线系统的空间复用增益。文献6提出了多波束的随机波束成型方法。其操作过程为基站随机产生多个相互正交的随机波束，接收机向基站反馈对波束的响应，基站再根据用户反馈的SINR调度分配波束。文中证明了当用户数目趋向无穷时，用此方法可以逼近基站获得完整CSI情况下的系统容量。此方法的优点是(1)用户向基站反馈的CSI量较少，每个用户只需要反馈最大的SINR与达到此SINR的波束号，而无需反馈具体的信道参数，系统反馈开销小。(2)基站进行资源调度方便。(3)预编码方式简单，只需要将波束与对应的用户数据相乘即可发送。但是此方法在用户数目趋于无穷时才可以逼近理想的信道容量，而在实际蜂窝无线通信系统中，用户数目有限，用文献6的方法实现的系统吞吐量与理想的信道容量相差很大。
为了提高随机波束成型系统在较少用户情况下的吞吐量，文献1和文献6将单接收机系统扩展到了多接收机系统。接收机使用N根接收天线，并提出了3种波束分配和接收信号处理方式。
方式1将每根接收天线看作独立的用户，分别向基站反馈各自的CSI。此方式等效增加了用户的数目，提高了系统吞吐量，但是反馈开销随接收天线数目线性增长。
方式2限定每个用户只分配一个波束，但未对接收波束做进一步合并处理，则 其中Hk为第k个用户的矩阵信道，φm m＝1，2...M为随机波束，ρ为接收信噪比。用户k反馈
与对应的波束号， 方式3以用户为调度单位，或为用户k分配M/N个波束，或不分配波束。每个用户反馈其支持的容量Ck，m。
文献7提出了接收机进行天线选择的方式，每个接收机选择SINR最大的一根天线的CSI反馈给基站，并利用此天线及达到此最大SINR的波束传输数据。此方法与文献6中的多天线方式1相比，因为仅仅反馈一根最优天线的CSI，减少了反馈开销，同时保证了较好的性能。
中国专利CN101090286“无线系统、基站装置及终端装置”，提出接收机利用LMMSE滤波，消除各个数据流间的自干扰。但其反馈量随着接收天线的增加而线性增加。中国专利CN1855763“用于多输入多输出系统的随机波束形成方法”，提出基站根据信噪声比情况自适应调整波束个数。当噪声功率较大时，用较多的波束进行传输。当噪声功率较小时，减少波束的个数。总之，各种接收端处理方法的思想是尽可能地提高各个波束的SINR，以达到更高的系统吞吐量。
文献1M.Sharif and B.Hassibi，“A comparison of time-sharing，DPC，andbeamforming for MIMO broadcast channels with many users，”IEEE Trans.Comm.vol.55，no.1，pp.11-15，Jan.2007.
文献2G.Caire and S.Shamai(Shitz)，“On the achievable throughput of amulti-antenna Gaussian broadcast channel，”IEEE Trans.Info.Th.vol.49，no.7，pp.1691-1706，July 2003.
文献3Q.Spencer，A.L.Swindlehurst，and M.Haardt，“Zero-forcing methods fordownlink spatial multiplexing in multiuser MIMO channels，”IEEE Trans.Sig.Proc.vol.52，no.2，pp.462-471，Feb.2004.
文献4B.M.Hochwald，C.B.Peel，and A.L.Swindlehurst，“A vector-perturbationtechnique for near capacity multiantenna multiuser communication-part IIperturbation，”IEEE Trans.Comm.vol.53，no.3，pp.537-544，March 2005.
文献5P.Viswanath，D.Tse，and R.Laroia，“Opportunistic beamforming usingdumb antennas，”IEEE Trans.Info.Th.vol.48，no.6，pp.1277-1294，June 2002.
文献6M.Sharif and B.Hassibi，“On the capacity of MIMO BC channel with partialside information，”IEEE Trans.Inf.Theory，vol.51，no.2，pp.506-522，Feb.2005.
文献7Lei Zan and Syed Ali Jafar，“Combined Opportunistic Beamforming andReceive Antenna Selection，”IEEE Communications Society WCNC，pp.1007-1011，2005
发明内容
本发明的目的是提供一种在不增加反馈开销前提下能提高系统吞吐量的基于多天线接收机的随机波束成型方法及其系统。
为达到以上目的，本发明提出的基于多天线接收机的随机波束成型方法的主要思想是利用接收机的多天线对各个波束做最大信干噪比(SINR)合并，以尽可能地提高所有波束的接收信干噪比，克服波束间干扰，进而提高了系统吞吐量，同时限定每个接收机只反馈一个最佳波束的合并后的SINR，保证反馈量与单接收天线的随机波束成型系统相同。具体包括以下步骤 1)基站产生波束信息在每个数据块传输前由具有M根发射天线的基站产生M个相互正交的随机波束φm，m＝1...M，M≥2； 2)接收机对各波束做最大信干噪比合并具有N根接收天线的接收机利用导频根据LMMSE准则估计出N×M矩阵信道，N≥2，M≥2，对每个波束φm，m＝1...M，根据最大信干噪比准则计算各个波束的信干噪比，并计算达到最大信干噪比的波束的天线合并矢量，第k个用户对第m个波束φm的最大信干噪比SINRk，m及其合并矢量xk，m按照公式(1)、(2)进行计算 式中，Hk为用户k的N×M矩阵信道，φm为第m个波束，ρ为每根接收天线的信噪比，diag(1/ρ)为对角元素为1/ρ的N×N的对角矩阵，()H表示共轭转置运算； 3)接收机向基站反馈合并后的最大的信干噪比及达到此信干噪比的波束号； 4)基站进行用户选择和波束分配基站将选择同一波束的用户分成一组，记作从每组中选出最大信干噪比的用户
将波束φm分配给此用户km*； 5)基站以用户支持的数据传输速率Ckm*对用户km*，m＝1，2...M进行数据调制，将用户数据与用户分得的波束相乘，作射频处理后经天线发射，其中Ckm*按照式(3)进行计算 6)被基站选中的用户根据其最大信干燥比合并矢量对接收数据进行合并和解调。
实现本发明基于多天线接收机的随机波束成型方法的系统，包括基站和多个接收机，基站由M根发送天线，M≥2，随机波束发生模块，导频发生模块，信道信息解调模块，调度模块，调制模块，预处理模块，射频模块和基站收发双工模块组成，其特征在于每个接收机包括N根接收天线，N≥2；接收基站发送的导频信号的信道估计模块，最大信干燥比合并矢量计算模块，向基站反馈最大信干燥比和对应波束号的信道信息反馈模块，控制接收机接收基站信号与向基站反馈信号的接收机收发双工模块，对各天线的接收信号按照最大信干燥比合并矢量计算模块进行合并的后处理模块和解调模块；信道估计模块的输入端与接收机收发双工模块的输出端相连，信道估计模块的一个输出端与最大信干燥比合并矢量计算模块的输入端相连，另一个输出端与后处理模块的一个输入端相连，最大信干燥比合并矢量计算模块的两个输出端分别与信道信息反馈模块的一个输入端及后处理模块的另一个输入端相连，信道信息反馈模块的另一个输入端与解调模块的一个输出端相连，信道信息反馈模块的输出端与接收机收发双工模块的输入端相连；后处理模块的输出端与解调模块的输入端相连，解调模块的另一个输出端为用户数据。
本发明的有益效果在于 在接收机利用天线合并方法，提高了各个波束的SINR，从而提高了随机波束成型系统的实际吞吐量。与单天线接收机随机波束成型系统相比，本系统没有增加系统的反馈开销和基站的调度复杂度。
图1是采用本发明方法的系统组成框图； 图2是本发明系统中的基站的组成框图； 图3是本发明系统中的接收机的组成框图； 图4是M＝4时的最大SINR天线合并矢量计算模块运算过程示意图； 图5是发送天线M＝4，接收天线N＝2时，零均值单位方差复高斯信道条件下，本发明系统与文献6，文献7中两种天线选择方式以及单天线接收机(N＝1)系统的吞吐量性能曲线图。
具体实施例方式 下面结合附图对本发明作进一步阐述。
如图1所示，本发明提供的基于多天线接收机的随机波束成型方法的系统包括基站和多个接收机。
基站如图2所示，由M根发送天线1，M≥2，随机波束发生模块2，导频发生模块3，信道信息(CSI)解调模块4，调度模块5，调制模块6，数据预处理模块7，射频模块8和基站收发双工模块9组成； 其中随机波束发生模块2，在每次数据传输之前，产生M个M维的正交随机波束。可先产生M×M维的独立同分布零均值单位方差的复高斯随机矩阵，通过对此矩阵进行QR分解，取Q矩阵得到。为减少每次的计算，也可以预先存储大量的正交随机波束组，每次从中选出一组用于传输； 导频发生模块3，用于产生区别M个波束的导频符号序列，同时也作为接收机信道估计的序列； CSI解调模块4，解调接收机反馈的最大SINR和对应的波束号信息； 调度模块5，根据各接收机反馈的CSI，将选择相同波束号的接收机分成一组，在每组中选择SINR最大的接收机，将波束分配给此接收机用于数据传输；调度模块控制调制单元6和数据预处理模块7中接收机的选择和波束分配操作； 调制单元6，根据接收机支持的速率选定调制方式(如QPSK等)对调度模块5选定的接收机数据进行调制； 数据预处理模块7，在调度模块5的控制下将调制单元6送出的的接收机数据与调度模块5分配的波束相乘，送入射频模块8； 射频模块8，将数据预处理模块7输出的待发送的数据上变频至射频信号，送入基站收发双工模块9。
基站收发双工模块9，控制基站发送与接收信号。
本系统接收机如图3所示，每个接收机包括N根接收天线10，N≥2，接收基站发送的导频信号的信道估计模块11，最大信干燥比合并矢量计算模块12，向基站反馈最大信干燥比和对应波束号的信道信息反馈模块13，控制接收机接收基站信号与向基站反馈信号的接收机收发双工模块14，对各天线的接收信号按照最大信干燥比合并矢量计算模块12进行合并的后处理模块15和解调模块16，信道估计模块11的输入端与接收机收发双工模块14的输出端相连，信道估计模块11的一个输出端与最大信干燥比合并矢量计算模块12的输入端相连，另一个输出端与后处理模块15的一个输入端相连；最大信干燥比合并矢量计算模块12的两个输出端分别与信道信息反馈模块13的一个输入端及后处理模块15的另一个输入端相连，信道信息反馈模块13的另一个输入端与解调模块16的一个输出端相连，信道信息反馈模块13的输出端与接收机收发双工模块14的输入端相连，后处理模块15的输出端与解调模块16的输入端相连；解调模块16的另一个输出端为用户数据。
以下以基站发送天线数M＝4，各接收机接收天线数N＝2为例，说明本发明方法，步骤如下 1)基站产生波束信息在每个数据块传输前由具有4根发射天线的基站利用随机波束发生模块2产生4个相互正交的随机波束φm，m＝1...4； 2)接收机对各波束做最大信干噪比合并具有2根接收天线的接收机的信道估计模块11利用导频根据LMMSE准则估计出2×4矩阵信道，最大信干燥比合并矢量计算模块12对每个波束φm，m＝1...4，根据最大信干噪比准则计算各个波束的信干噪比，并计算达到最大信干噪比的波束的天线合并矢量，第k个用户对第m个波束φm的最大信干噪比SINRk，m及其合并矢量xk，m按照公式(1)、(2)进行计算 式中，Hk为用户k的2×4矩阵信道，φm为第m个波束，ρ为每根接收天线的信噪比，diag(1/ρ)为对角元素为1/ρ的2×2的对角矩阵，()H表示共轭转置运算； 下面参照图4重点强调接收机k天线合并矢量计算模块12的操作过程。
a.对每个波束φm，根据信道估计模块11得到的Hkφm，m＝1，2...4，按照式(3)计算干扰波束加噪声自相关矩阵Bk，m 其中diag(1/ρ)为对角元素为1/ρ的2×2对角矩阵； b.计算Bk，m的逆矩阵Bk，m-1； c.按照公式(4)计算接收机k对波束m合并后的SINRk，m 图4中，A1～A4为对各个波束合并后得到的SINRk，m，m＝1...4； d.比较SINRk，m，m＝1，2...4，得到最佳波束和其对应的SINR，同时，按照公式(5)计算波束mk*的最大SINR天线合并矢量xk，mk* 图4中，B1为Bk，mk*-1(Hkφmk*)，B2为SINRk，mk*，C为xk，mk*。
3)接收机利用信道信息反馈模块13向基站反馈合并后的最大的信干噪比及达到此信干噪比的波束号接收机k计算和向基站反馈(SINRk，mk*，mk*)。
4)基站进行用户选择和波束分配基站的CSI解调模块4解调接收机反馈的最大SINR和对应的波束号信息，调度模块5将选择同一波束的用户分成一组，记作从每组中选出最大信干噪比的用户将波束φm分配给此用户km*。
5)基站的调制单元6以用户支持的数据传输速率Ckm*对用户km*，m＝1，2...4进行数据调制，数据预处理模块7将用户的调制数据与用户分得的波束相乘，利用射频模块8作射频处理后经天线发射，其中Ckm*按照式(6)进行计算 6)被基站选中的用户利用后处理模块15根据其最大信干燥比合并矢量对接收数据进行合并，经解调模块16做数据解调恢复出原始用户数据。
图5是发送天线M＝4，接收天线N＝2时，零均值单位方差复高斯信道环境下，本发明方法的系统与文献6(N＝2，反馈所有天线CSI)、文献7(N＝2，反馈最优的一根天线的CSI)中两种天线选择方式以及单天线接收机N＝1时的系统吞吐量性能曲线图。图中虚线为M＝4，N＝2的随机波束成型系统的理论渐进容量曲线，可见本发明的天线合并方法获得的吞吐量远大于相同接收天线数目下天线选择方法获得的吞吐量，系统容量在较少接收机时也可以达到5bit/s/Hz以上的效果，而且没有增加反馈量。在基站看来，整个系统的预编码方式、CSI反馈内容、调度方式与单天线接收机随机波束成型系统完全相同，在不增加CSI反馈量的前提下，大大提高了随机波束成型系统的吞吐量。
权利要求
1.基于多天线接收机的随机波束成型方法，包括以下步骤
1)基站产生波束信息在每个数据块传输前由具有M根发射天线的基站产生M个相互正交的随机波束φm，m＝1...M，M≥2；
2)接收机对各波束做最大信干噪比合并具有N根接收天线的接收机利用导频根据LMMSE准则估计出N×M矩阵信道，N≥2，M≥2，对每个波束φm，m＝1...M，根据最大信干噪比准则计算各个波束的信干噪比，并计算达到最大信干噪比的波束的天线合并矢量，第k个用户对第m个波束φm的最大信干噪比SINRk，m及其合并矢量xk，m按照公式(1)、(2)进行计算
式中，Hk为用户k的N×M矩阵信道，φm为第m个波束，ρ为每根接收天线的信噪比，diag(1/ρ)为对角元素为1/ρ的N×N的对角矩阵，()H表示共轭转置运算；
3)接收机向基站反馈合并后的最大的信干噪比及达到此信干噪比的波束号；
4)基站进行用户选择和波束分配基站将选择同一波束的用户分成一组，记作从每组中选出最大信干噪比的用户将波束φm分配给此用户km*；
5)基站以用户支持的数据传输速率Ckm*对用户km*，m＝1，2...M进行数据调制，将用户数据与用户分得的波束相乘，作射频处理后经天线发射，其中Ckm*按照式(3)进行计算
6)被基站选中的用户根据其最大信干燥比合并矢量对接收数据进行合并和解调。
2.根据权利要求1所述的基于多天线接收机的随机波束成型方法的系统，包括基站和多个接收机，基站由M根发送天线(1)，M≥2，随机波束发生模块(2)，导频发生模块(3)，信道信息解调模块(4)，调度模块(5)，调制模块(6)，预处理模块(7)，射频模块(8)和基站收发双工模块(9)组成，其特征在于每个接收机包括N根接收天线(10)，N≥2；接收基站发送的导频信号的信道估计模块(11)，最大信干燥比合并矢量计算模块(12)，向基站反馈最大信干燥比和对应波束号的信道信息反馈模块(13)，控制接收机接收基站信号与向基站反馈信号的接收机收发双工模块(14)，对各天线的接收信号按照最大信干燥比合并矢量计算模块(12)进行合并的后处理模块(15)和解调模块(16)，信道估计模块(11)的输入端与接收机收发双工模块(14)的输出端相连，信道估计模块(11)的一个输出端与最大信干燥比合并矢量计算模块(12)的输入端相连，另一个输出端与后处理模块(15)的一个输入端相连，最大信干燥比合并矢量计算模块(12)的两个输出端分别与信道信息反馈模块(13)的一个输入端及后处理模块(15)的另一个输入端相连，信道信息反馈模块(13)的另一个输入端与解调模块(16)的一个输出端相连，信道信息反馈模块(13)的输出端与接收机收发双工模块(14)的输入端相连；后处理模块(15)的输出端与解调模块(16)的输入端相连，解调模块(16)的另一个输出端为用户数据。
全文摘要
本发明公开了一种基于多天线接收机的随机波束成型方法及其系统，其关键是限定每个接收机最多获得一个波束，接收机对各波束分别进行最大信干噪比(SINR)合并，反馈天线合并后得到的等效信道的CSI。该系统与单天线接收机随机波束成型系统相比，没有增加系统的反馈开销。在基站看来，整个系统的预编码方式、CSI反馈内容、调度方式与单天线接收机多波束系统完全相同。在不增加CSI反馈量的前提下，大大提高了随机波束成型系统的吞吐量。
文档编号H04B7/04GK101227217SQ20081005981
公开日2008年7月23日 申请日期2008年2月4日 优先权日2008年2月4日
发明者王海洋, 张朝阳 申请人:浙江大学