专利名称：基于无速率码的多用户mimo下行链路传输模式选择方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种基于无速率码的多用户MIMO下行链路 传输模式选择方法。
背景技术：
在过去十年中，支持多媒体业务(如音频、视频、FTP等)的无线通信技术得到了 史无前例的快速发展。未来的宽带无线移动通信系统，需要具有良好的消除由时间或频率 弥散所引起的无线信道衰落影响的能力，以达到更快的传输速率、更高的传输链路可靠性、 更强的Qos (Quality of service)保证的目标。宽带无线移动通信标准(如WIMAX、B3G、 LTE)的一个共同特点就是使用多天线MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术。使 用MIMO技术能够在不额外增加功率和带宽开销的情况下，提高传输容量和链路可靠性。在 MIMO传输中，通常将传输时延作为Qos保证的重要指标。为了保证传输时延的要求，在MIMO 传输中采用链路适配的方式。最基本的方法是要求在接收信噪比必须大于某一门限值的情 况下完成传输，但这种方法并没有揭示传输时延和传输速率之间的本质关系，效率不高；结 合信息论和排队论的相关知识，一种跨层优化的方法(见“Cross-Layer Scheduling With Presctribed QoS Guarantees in Adaptive WirelessNetworks,，，IEEE JSAC, vol.23, no. 5，pp. 1056-1066，May 2005)被提出以保证Qos，但这种方法需要发送端获取完全准确 的信道信息，这在实际中很难实现；一种利用ARQ(Auto-R印eat-reQuest)性能，在分集、复 用、时延中折中设计的算法(见“The ΜΙΜΟ ARQ Channel =Diversity-Multiplexing-Delay Tradeoff, ” IEEETrans. Info. Theory, vol. 52，no. 8, pp. 3601—3621，Aug. 2006)虽然能够保 证Qos，但只适用于单用户的点对点传输模式。最近，对于MIMO的研究热点已经由单用户的点对点传输转到多用户传输上。在 多用户MIMO传输中，即使每个用户只配置一根天线，只要相互独立的用户数目足够多，空 间复用仍然是可用的；而且如果用户数目足够多，还能够达到多用户分集。但是多用户 MIMO传输的一个缺点在于其需要足够多的反馈信息和复杂的调度算法，以选择最优的用户 集合从而消除用户之间的相互干扰。为了在系统性能和运行负载(包括反馈信息量和计 算复杂度)上平衡折中，机会式波束成型OBF(Opportunistic BeamForming)技术(见“A Comparison ofTime-Sharing,DPC,and Beamforming for ΜΙΜΟ Broadcast Channels with ManyUsers, ” IEEE Trans. Commun.，vol. 55，no. 1，pp. 11-15，Jan. 2007)被广为使用，即在 每一个传输时隙，选择具有最大信道增益的用户经过波束成型进行传输，这样能够同时达 到空间复用和多用户分集。另外，一种具有自适应链路适配特性的新型信道编码方式——无速率码 (Rateless Code)，被用于有时延限制的无线通信中。无速率码与传统的码率固定的编码方 式最大的不同在于它在发送端不设定固定码率，其编码包的个数是没有限制的。发送端可 以按照一定方式源源不断的随机产生编码包并发送出去。接收端则可以在接收到这些编 码包后尝试译码。从统计意义上来讲，每一个编码包包含着相同的关于消息数据包的信息量，接收端并不关心具体的某一个编码包的接收情况，而是关心接收到的编码包的总数量，只要接收端接收到足够多的编码包，就可以成功译码；如果译码失败，接收端可以再多接收 一些编码包然后继续尝试译码，接收端将一直重复这个过程直到译码成功。一旦译码成功， 接收端只需要发送一个非常简单的信号告知发送端停止发送即可，这样就完成了整个传输 过程。由此可见，采用无速率码编码方式，可以在发送端不知道任何信道状态信息，以及在 传输过程中无需任何反馈重传机制的条件下，自适应地调整传输码率，保证信息有效可靠 的传输。同时，J. Castura, Y.Mao, andS. Draper 等人发现(见"On Rateless Coding over Fading Channels with DelayConstraints,，，in proc.IEEE ISIT, pp. 1124-1128, July 2006)，使用无速率码可以在具有较低的计算复杂度情况下满足有一定时延要求的通信。以此为启发，本专利结合OBF技术和无速率码技术，提出一种保证时延Qos的多用 户MIMO下行链路传输模式选择方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于无速率码的多用户MIMO下 行链路传输模式选择方法。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。基于无速率码的多用户MIMO下行链路传输模式选择方法，其特征在于，它根据多 用户MIMO下行链路系统的参数，在基于多波束选择的波束成型传输模式和正交空分多址 传输模式中，选择一种传输模式，进行信息的传输；其中，多用户MIMO下行链路系统包括1 个基站和K个相互独立的用户组成，其中在基站处包括K个消息队列，每一个消息队列对应 一个用户，每个用户的信息经上层处理后以帧的形式进入消息队列，其帧达到过程视作是 到达率为λ的泊松过程，且每一帧包含L个消息数据包；基站配置有Nt根发射天线，在每 一个传输时隙选择基于多波束选择的波束成型传输模式或正交空分多址传输模式中的一 种传输模式，按帧将用户的消息数据包经过无速率码编码后，再将编码包经过波束成型进 行发送；而每个用户配置有1根天线，源源不断的接收自己的无速率码编码包，设定一个译 码信噪比门限值η，当接收信噪比大于此门限时，才能接收到此次传输的无速率码编码包 并用于译码，当完成一帧消息数据的译码之后，用户发送一个反馈信息，告知基站开始该用 户下一帧消息数据的编码传输。所述的基于多波束选择的波束成型传输模式包括如下步骤1)在每一个传输时隙起始时，基站产生M个相互正交的波束，M为满足2 SMSNt 的正整数，将这M个波束广播给K个相互独立的用户，用Nt维归一化列矢量Wi表示每一个 波束，其中i是波束标号，i = 1，2，...，M;2)各个用户计算自己的M个接收信噪比，用k表示用户标号，k = 1，2，. . .，K，则 对于用户k，接收信噪比计算式为Tijk = P · |hkwj2 i = 1,2,... ,M式中P是基站发送功率，Nt维行矢量hk表示用户k的信道增益，信道噪声满足零 均值，单位方差的高斯特性；3)如果用户k的最大接收信噪比大于反馈门限值ζ M0BF,即满足\m、, k = max {Τ,.,} > ζΜΟΒΡ i = 1,2, ... ,M
则将相应的波束标号kmax和接收信噪比Α,过量化后反馈给基站；4)基站从所有反馈信息中选择接收信噪比最大的一个波束和用户的组合， 将用户k'的一个编码包在此传输时隙中用波束i'进行发送。所述的K个相互独立的用户的数目需要满足 式中Dtl为各用户每一帧数据传输的最大可容忍时延，N为用户能成功译出一帧消 息数据所需的编码包个数的统计平均值，λ为各用户消息队列到达率，IJ表示下取整运算。所述的反馈门限值4 皿是在给定基站发送天线数目Nt、每个传输时隙所使用的 正交波束个数M、各用户消息队列到达率λ、一帧所包含的消息数据包个数L、用户能成功 译出一帧消息数据所需的编码包个数的统计平均值N、下行链路传输带宽B、译码信噪比门 限值Π、各用户每一帧数据传输的最大可容忍时延Dtl、量化接收信噪比所用的比特数Nb、传 输时隙长度Τ。、系统用户数目K、基站发送功率P的情况下，使用基于多波束选择的波束成 型传输模式最佳反馈门限值的确定方法以确定最佳的反馈门限值(■/，从而最大化系统 净容量，具体包括如下步骤1)计算ζ M0BF的取值范围，下限ζ MQBF,min = η，上限 2)计算拐点值 使其满足 3)综合ζ腳,min、CM。BF,max、T三个数值进行判决 所述的正交空分多址传输模式包括如下步骤1)在每一个传输时隙起始时，基站产生M个相互正交的波束，M为满足2 SMSNt 的正整数，将这M个波束广播给K个相互独立的用户，用Nt维归一化列矢量Wm表示每一个 波束，其中m是波束标号， 2)各个用户计算自己的M个接收信噪比，用k表示用户标号，
，则 对于用户k，接收信噪比计算式为 式中P是基站发送功率，Nt维行矢量hk表示用户k的信道增益，信道噪声满足零 均值，单位方差的高斯特性；3)如果用户k的最大接收信噪比大于反馈门限值ζ 0SDMA,即满足 则将相应的波束标号kmax和接收信噪比经过量化后反馈给基站；4)基站从所有反馈信息中，为每一个波束m选择接收信噪比最大的一个用户mmax， 将用户mmax的一个编码包在此传输时隙中用波束m进行发送。 所述的K个相互独立的用户的数目需要满足 式中M为每个传输时隙所使用的正交波束个数，D0为各用户每一帧数据传输的最 大可容忍时延，N为用户能成功译出一帧消息数据所需的编码包个数的统计平均值，λ为 各用户消息队列到达率，U表示下取整运算。所述的反馈门限值ζ ^ma是在给定基站发送天线数目Nt、每个传输时隙所使用 的正交波束个数M、各用户消息队列到达率λ、一帧所包含的消息数据包个数L、用户能成 功译出一帧消息数据所需的编码包个数的统计平均值N、下行链路传输带宽B、译码信噪比 门限值Π、各用户每一帧数据传输的最大可容忍时延Dtl、量化接收信噪比所用的比特数Nb、 传输时隙长度Τ。、系统用户数目K、基站发送功率P的情况下，使用正交空分多址传输模式 最佳反馈门限值的确定方法以确定最佳的反馈门限值ζ ■ ；，从而最大化系统净容量，具 体包括如下步骤1)计算ζ 0SDMA的取值范围，下限ζ 0SDMA,min = Π，上限ζ 0SDMA,maX满足 2)计算拐点值^使其满足 3)综合ζ。狐min、ζ。狐max j三个数值进行判决如果f < COSDMA,mw < Cosdma^x W1JCasm^ ~ CosmuMn ’ 如果 Cttsm^, mil, <C< CoSDMA,maX ’则(OSOM4 = ζ ； ζCc)SDMAyn\m < C()SDMA,max < C ,贝U^asmM = CoSDMA,max °所述的根据多用户MIMO下行链路系统的参数，在基于多波束选择的波束成型传 输模式和正交空分多址传输模式中，选择一种传输模式，进行信息的传输为在给定基站发 送天线数目Nt、每个传输时隙所使用的正交波束个数M、各用户消息队列到达率λ、一帧所包含的消息数据包个数L、用户能成功译出一帧消息数据所需的编码包个数的统计平均值 N、下行链路传输带宽B、译码信噪比门限值η、各用户每一帧数据传输的最大可容忍时延 Dtl、量化接收信噪比所用的比特数Nb和传输时隙长度Τ。的情况下，按照如下两种方法进行 两种传输模式的选择给定基站发送功率P，根据系统用户数目的变化选择传输模式的方法包括如下步 骤1)计算系统所允许接入的最大用户数目K腿=(
式中表示下取整运算，并令 2)确定两种传输模式在接入系统用户数目为k时使系统净容量最大化的最佳反 馈门限值 “。B/(k)和 “SMA*(k)；3)将ζ Μ0Β； (k)代入基于多波束选择的波束成型传输模式的系统净容量π M0BF的 表达式 将ζ 0SDMA*(k)代入正交空分多址传输模式的系统净容量π 0SDMA的表达式 式中「.]表示上取整运算，计算两种传输模式下的系统净容量JimF(k)和 4)如果满足k > Kfflax或者
三者中任意一个 条件，则进入步骤5)；否则令k = k+l，进入步骤2)；5)如果k > Kmax，则此系统在所有允许接入的用户数目情况下只存在一种最佳传 输模式，若Δ (k-1) > O则传输模式为基于多波束选择的波束成型传输模式，反之为正交空 分多址传输模式；如果k<Kmax，则k为用户数目的切换门限值，即若A(k-l) >0，则在用 户数K e [1，k-1]时使用基于多波束选择的波束成型传输模式，K e [k，KfflaJ时使用正交 空分多址传输模式，若Δ (k-1) < 0，则在用户数K e [l，k-l]时使用正交空分多址传输模 式，K e [k，KfflaJ时使用基于多波束选择的波束成型传输模式；给定系统用户数目K，根据基站发送功率的变化选择传输模式的方法包括如下步骤1)计算系统所允许接入的最大用户数目
式中t丨表示下取整运算，如果K > Kmax，即系统用户数
目超过系统所允许接入的最大用户数目，此时系统传输时延要求无法保证，也就不存在两 种传输模式的选择，退出整个选择方法的过程；如果κ ^ Kmax，进入步骤2)；2)设定一个最大发送功率值Pmax,并令η = 1，ρ (η) = 0. IdBw ；3)确定两种传输模式在基站发送功率为ρ (η)时使系统净容量最大化的最佳反馈门限值 4)将
代入基于多波束选择的波束成型传输模式的系统净容量 的表达式 将
代入正交空分多址传输模式的系统净容量π 0SDMA的表达式 式中
表示上取整运算，计算两种传输模式下的系统净容量和 π OSDMA (P (η))，并令 Δ (ρ (η)) = π M0BF (ρ (η)) - π 0SDMA (ρ (η))且定义 Δ (ρ (0)) = O ；5)如果满足 ρ (η) > Pfflax 或者 Δ (ρ (η) )= O 或者 Δ (ρ (η_1)) · Δ (ρ (η)) < O 三者 中任意一个条件，则进入步骤6);否则令11 = 11+1，？(11) =ρ(η_1) + Δρ，其中Δρ = 0. ldBw， 进入步骤3)；6)如果p(n) >Pmax，则此系统在所允许的最大传输功率范围内只存在一种最 佳传输模式，若Δ(Ρ(η_1)) > O则传输模式为基于多波束选择的波束成型传输模式，反 之为正交空分多址传输模式；如果P(n) <Pmax，则ρ(η)为传输功率的切换门限值，即若 Δ (p(n-l)) >0，则在传输功率P e [p(l), p(n-l)]时使用基于多波束选择的波束成型传 输模式，P e [p(n),PfflJ时使用正交空分多址传输模式，若Δ (p(n-l)) <0，则在传输功率 Pe [p(l)，p(n-l)]时使用正交空分多址传输模式，P e [p(n), PfflaJ时使用基于多波束选 择的波束成型传输模式。
本发明在保证传输时延要求、只需极少的反馈信息和具有较低实现复杂度的条件 下，给出不同传输模式的操作步骤、所允许接入系统的用户数目的限制条件、最大化系统净 容量时的最佳反馈门限值以及在不同传输模式间相互切换的门限值的确定方法，从而完成 多用户MIMO下行链路信息有效可靠的传输。说明书附1是基于无速率码的多用户MIMO下行链路系统的系统框图；图2是基于多波束选择的波束成型和正交空分多址两种传输模式在固定基站发送功率P的情况下，系统净容量随着接入系统的用户数目K的变化而变化的仿真曲线图；图3是基于多波束选择的波束成型和正交空分多址两种传输模式在固定接入系统的用户数目K的情况下，系统净容量随着基站发送功率P的变化而变化的仿真曲线图。
具体实施例方式基于无速率码的多用户MIMO下行链路传输模式选择方法是根据多用户MIMO下 行链路系统的参数，在基于多波束选择的波束成型传输模式和正交空分多址传输模式中， 选择一种传输模式，进行信息的传输；其中，多用户MIMO下行链路系统包括1个基站和K 个相互独立的用户组成，其中在基站处包括K个消息队列，每一个消息队列对应一个用户， 每个用户的信息经上层处理后以帧的形式进入消息队列，其帧达到过程视作是到达率为入 的泊松过程，且每一帧包含L个消息数据包；基站配置有Nt根发射天线，在每一个传输时隙 选择基于多波束选择的波束成型传输模式或正交空分多址传输模式中的一种传输模式，按 帧将用户的消息数据包经过无速率码编码后，无速率码编码方式可以采用RaptorCode(见 “Raptor Codes，，，IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 52,No. 6, June 2006), 再将编码包经过波束成型进行发送；而每个用户配置有1根天线，源源不断的接收自己的 无速率码编码包，设定一个译码信噪比门限值η，当接收信噪比大于此门限时，才能接收到 此次传输的无速率码编码包并用于译码，当完成一帧消息数据的译码之后，用户发送一个 反馈信息，告知基站开始该用户下一帧消息数据的编码传输。我们设定系统的基本参数，这些基本参数包括基站发送天线数目Nt = 4，每个传 输时隙所使用的正交波束个数M = 4，各用户消息队列到达率λ = 0.005帧/传输时隙，一 帧所包含的消息数据包个数L = 6，用户能成功译出一帧消息数据所需的编码包个数的统 计平均值N = 9，下行链路传输带宽B = 50kHz，译码信噪比门限值η =0. 3dB，各用户每一 帧数据传输的最大可容忍时延Dtl = 5s，量化接收信噪比所用的比特数Nb = 3，传输时隙长
度To=1/3ms。所述的基于多波束选择的波束成型传输模式包括如下步骤1)在每一个传输时隙起始时，基站产生4个相互正交的波束，将这4个波束广播给 K个相互独立的用户，用4维归一化列矢量Wi表示每一个波束，其中i是波束标号，i = 1， 2,3,4 ；2)各个用户计算自己的4个接收信噪比，用k表示用户标号，k = 1，2，. . .，K，则 对于用户k，接收信噪比计算式为
i = 1,2,3,4
式中P是基站发送功率，4维行矢量hk表示用户k的信道增益，信道噪声满足零均 值，单位方差的高斯特性；3)如果用户k的最大接收信噪比大于反馈门限值ζ M0BF,即满足 则将相应的波束标号kmax和接收信噪比过量化后反馈给基站；4)基站从所有反馈信息中选择接收信噪比最大的一个波束和用户的组合， 将用户k'的一个编码包在此传输时隙中用波束i'进行发送。基于多波束选择的波束成型传输模式，由于在每一个传输时隙只会选择接收信噪 比最大的一个波束和用户的组合进行编码包的发送，因此对于每一个用户而言，其编码传 输具有一定的时延。为了保证传输时延的要求，对接入系统的用户数目有所限制，所述的K 个相互独立的用户的数目需要满足 基于多波束选择的波束成型传输模式的系统吞吐量为 其传输反馈量为 我们定义基于多波束选择的波束成型传输模式的系统吞吐量与反馈量的差值为 基于多波束选择的波束成型传输模式的系统净容量 可以看到，系统净容量与反馈门限值、系统用户数目κ和基站发送功率P的 取值有关，所述的反馈门限值ζ BF在给定系统的基本参数，且进一步确定了系统用户数目 K和基站发送功率P时，能够使用基于多波束选择的波束成型传输模式最佳反馈门限值的 确定方法以确定最佳的反馈门限值ζ从而最大化系统净容量，具体包括如下步骤1)计算ζ腳的取值范围，下限ζ腿
，上限 2)计算拐点值I使其满足
3)综合ζ腳,min、ζΜ。ΒΡ,_、Τ三个数值进行判决 、 如果 如果 如果 只要确定了系统用户数目K和基站发送功率P，就能算出基于多波束选择的波束 成型传输模式的最佳的反馈门限值所述的正交空分多址传输模式包括如下步骤1)在每一个传输时隙起始时，基站产生4个相互正交的波束，将这4个波束广播给 K个相互独立的用户，用4维归一化列矢量Wm表示每一个波束，其中m是波束标号，m = 1， 2,3,4 ；2)各个用户计算自己的4个接收信噪比，用k表示用户标号，k = 1，2，. . .，K，则对于用户k，接收信噪比计算式为
式中P是基站发送功率，4维行矢量hk表示用户k的信道增益，信道噪声满足零均 值，单位方差的高斯特性；3)如果用户k的最大接收信噪比大于反馈门限值ζ 0SDMA,即满足 则将相应的波束标号kmax和接收信噪比WA_，t经过量化后反馈给基站；4)基站从所有反馈信息中，为每一个波束m选择接收信噪比最大的一个用户mmax， 将用户mmax的一个编码包在此传输时隙中用波束m进行发送。正交空分多址传输模式，由于在每一个传输时隙各个相互正交的波束都会选取各 自相应的最佳用户进行编码包的发送，因此对于每一个用户而言，其编码传输具有一定的 时延。为了保证传输时延的要求，所述的K个相互独立的用户的数目需要满足 正交空分多址传输模式的系统吞吐量为 其传输反馈量为 我们定义正交空分多址传输模式的系统吞吐量与反馈量的差值为正交空分多址 传输模式的系统净容量πosdma ＝ TOSDMA-ROSDMA可以看到，系统净容量与反馈门限值^qsdma、系统用户数目κ和基站发送功率P的 取值有关，所述的反馈门限值ζ (^ΜΑ在给定系统的基本参数，且进一步确定了系统用户数目 K和基站发送功率P时，能够使用正交空分多址传输模式最佳反馈门限值的确定方法以确 定最佳的反馈门限值ζ■ ;，从而最大化系统净容量，具体包括如下步骤1)计算 Cqsdma 的取值范围，下限 ζ osdma,min = n = 0.3dB，上限 CQSDMA,max 满足
，即 2)计算拐点值^使其满足 3)综合
三个数值进行判决;如果 如果( 只要确定了系统用户数目K和基站发送功率P，就能算出正交空分多址传输模式 的最佳的反馈门限值由上述描述可见，系统用户数目K和基站发送功率P将直接决定基于多波束选择的波束成型传输模式的最佳反馈门限值ζ 和正交空分多址传输模式的最佳反馈门限值
而系统用户数目K和基站发送功率P这两个量也是基于无速率码的多用户MIMO下 行链路传输模式选择方法的关键。所述的根据多用户MIMO下行链路系统的参数，在基于 多波束选择的波束成型传输模式和正交空分多址传输模式中，选择一种传输模式，进行信 息的传输为在给定系统的基本参数的情况下，按照如下两种方法进行两种传输模式的选 择给定基站发送功率P，根据系统用户数目的变化选择传输模式的方法包括如下步 骤，这里我们给定发送功率为 1)计算系统所允许接入的最大用户数目 2)确定两种传输模式在接入系统用户数目为k时使系统净容量最大化的最佳反 馈门限值 3)将
代入基于多波束选择的波束成型传输模式的系统净容量π M0BF的 表达式
代入正交空分多址传输模式的系统净容量π 0SDMA的表达式 计算两种传输模式下的系统净容量JimF(k)和JI-mGO，并令Δ (k)= 4)如果满足k > Kfflax或者Δ (k) = O或者Δ (k_l) · Δ (k) < O三者中任意一个 条件，则进入步骤5)；否则令k = k+l，进入步骤2)；5)如果k > Kmax，则此系统在所有允许接入的用户数目情况下只存在一种最佳传 输模式，若Δ (k-1) >0则传输模式为基于多波束选择的波束成型传输模式，反之为正交空 分多址传输模式；如果k<Kmax，则k为用户数目的切换门限值，即若A(k-l) >0，则在用 户数K e [1，k-Ι]时使用基于多波束选择的波束成型传输模式，K e [k，KfflaJ时使用正交 空分多址传输模式，若Δ (k-1) < 0，则在用户数K e [l，k-l]时使用正交空分多址传输模 式，K e [k，KfflaJ时使用基于多波束选择的波束成型传输模式；按照上述步骤可以算出切换两种传输模式的用户数目门限值为k = 20，当 Ke [1,19]时使用基于多波束选择的波束成型传输模式，当K = 20时使用正交空分多址传 输模式。给定系统用户数目K，根据基站发送功率的变化选择传输模式的方法包括如下步 骤，这里我们给定系统用户数目为K = 20 1)计算系统所允许接入的最大用户数目K腿=(°o+l~JDo +1) =20，如果Κ>Κ_，即系统用户数目超过系统所允许接
入的最大用户数目，此时系统传输时延要求无法保证，也就不存在两种传输模式的选择，退 出整个选择方法的过程；如果K ^ Kmax，进入步骤2)，此时K = Kmax，于是进入步骤2)；2)设定一个最大发送功率值Pmax = 12dBw,并令n = 1，ρ (n) = 0. IdBw ；3)确定两种传输模式在基站发送功率为ρ (η)时使系统净容量最大化的最佳反馈 门限值ζ MOBF*(ρ (η))和4)将
代入基于多波束选择的波束成型传输模式的系统净容量 的表达式 将ζ-Μ^ρΟΟ)代入正交空分多址传输模式的系统净容量^icbdma的表达式 计算两种传输模式下的系统净容量JImobf(ρ (η))和沉。SDMA(P(n))，并令Δ (ρ (η)) =JImqbf (ρ (η))-JIqsdma (ρ (η))且定义 Δ (ρ(0)) = O ；5)如果满足ρ (η) > Pfflax 或者
11+1，？(11)
，其
， 进入步骤3)；6)如果p(n) >Pmax，则此系统在所允许的最大传输功率范围内只存在一种最 佳传输模式，若Δ(Ρ(η_1)) > O则传输模式为基于多波束选择的波束成型传输模式，反 之为正交空分多址传输模式；如果P(n) <Pmax，则ρ(η)为传输功率的切换门限值，即若 Δ (p(n-l)) >0，则在传输功率P e [p(l), p(n-l)]时使用基于多波束选择的波束成型传 输模式，P e [p(n),PfflJ时使用正交空分多址传输模式，若Δ (p(n-l)) <0，则在传输功率 Pe [p(l)，p(n-l)]时使用正交空分多址传输模式，P e [p(n), PfflaJ时使用基于多波束选 择的波束成型传输模式。按照上述步骤可以算出切换两种传输模式的基站发送功率门限值为ρ = 9. 6dBw, 当P e
时使用正交空分多址传输模式，当P e [9. 6dBw, 12dBw]时使用基 于多波束选择的波束成型传输模式。
权利要求
一种基于无速率码的多用户MIMO下行链路传输模式选择方法，其特征在于，它根据多用户MIMO下行链路系统的参数，在基于多波束选择的波束成型传输模式和正交空分多址传输模式中，选择一种传输模式，进行信息的传输；其中，多用户MIMO下行链路系统包括1个基站和K个相互独立的用户组成，其中在基站处包括K个消息队列，每一个消息队列对应一个用户，每个用户的信息经上层处理后以帧的形式进入消息队列，其帧达到过程视作是到达率为λ的泊松过程，且每一帧包含L个消息数据包；基站配置有Nt根发射天线，在每一个传输时隙选择基于多波束选择的波束成型传输模式或正交空分多址传输模式中的一种传输模式，按帧将用户的消息数据包经过无速率码编码后，再将编码包经过波束成型进行发送；而每个用户配置有1根天线，源源不断的接收自己的无速率码编码包，设定一个译码信噪比门限值η，当接收信噪比大于此门限时，才能接收到此次传输的无速率码编码包并用于译码，当完成一帧消息数据的译码之后，用户发送一个反馈信息，告知基站开始该用户下一帧消息数据的编码传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于无速率码的多用户MIM0下行链路传输模式选择方 法，其特征在于所述的基于多波束选择的波束成型传输模式包括如下步骤1)在每一个传输时隙起始时，基站产生M个相互正交的波束，M为满足2< M < Nt的 正整数，将这M个波束广播给K个相互独立的用户，用Nt维归一化列矢量Wi表示每一个波 束，其中i是波束标号，i = 1，2，...，M;2)各个用户计算自己的M个接收信噪比，用k表示用户标号，k= 1，2，. . .，K，则对于 用户k，接收信噪比计算式为 式中P是基站发送功率，Nt维行矢量hk表示用户k的信道增益，信道噪声满足零均值， 单位方差的高斯特性；3)如果用户k的最大接收信噪比大于反馈门限值，即满足 则将相应的波束标号k_和接收信噪比_4经过量化后反馈给基站；4)基站从所有反馈信息中选择接收信噪比最大的一个波束和用户的组合， 将用户k'的一个编码包在此传输时隙中用波束i'进行发送。
3.根据权利要求2所述的一种基于无速率码的多用户MIM0下行链路传输模式选择方 法，其特征在于所述的K个相互独立的用户的数目需要满足 式中队为各用户每一帧数据传输的最大可容忍时延，N为用户能成功译出一帧消息数 据所需的编码包个数的统计平均值，、为各用户消息队列到达率，U表示下取整运算。
4.根据权利要求2所述的一种基于无速率码的多用户MIM0下行链路传输模式选择方 法，其特征在于所述的反馈门限值是在给定基站发送天线数目Nt、每个传输时隙所 使用的正交波束个数M、各用户消息队列到达率\、一帧所包含的消息数据包个数L、用户能成功译出一帧消息数据所需的编码包个数的统计平均值N、下行链路传输带宽B、译码信 噪比门限值n、各用户每一帧数据传输的最大可容忍时延队、量化接收信噪比所用的比特 数Nb、传输时隙长度T。、系统用户数目K、基站发送功率P的情况下，使用基于多波束选择的 波束成型传输模式最佳反馈门限值的确定方法以确定最佳的反馈门限值(■/，从而最大 化系统净容量，具体包括如下步骤`1)计算(MQBF的取值范围，下限eMQBF,min=n，上限 f ,、 `2)计算拐点值i使其满足 `3)综合“。BF,min、4M。BF,_、T三个数值进行判决如果乙 如果乙 如果
5.根据权利要求1所述的一种基于无速率码的多用户MIM0下行链路传输模式选择方 法，其特征在于所述的正交空分多址传输模式包括如下步骤1)在每一个传输时隙起始时，基站产生M个相互正交的波束，M为满足2< M < Nt的 正整数，将这M个波束广播给K个相互独立的用户，用Nt维归一化列矢量表示每一个波 束，其中m是波束标号，m = 1，2，...，M;2)各个用户计算自己的M个接收信噪比，用k表示用户标号，k= 1，2，. . .，K，则对于 用户k，接收信噪比计算式为 式中P是基站发送功率，Nt维行矢量hk表示用户k的信道增益，信道噪声满足零均值， 单位方差的高斯特性；3)如果用户k的最大接收信噪比大于反馈门限值(0SDMA,即满足 则将相应的波束标号k_和接收信噪比过量化后反馈给基站；4)基站从所有反馈信息中，为每一个波束m选择接收信噪比最大的一个用户mmax，将用 户的一个编码包在此传输时隙中用波束m进行发送。
6.根据权利要求5所述的一种基于无速率码的多用户MIM0下行链路传输模式选择方 法，其特征在于所述的K个相互独立的用户的数目需要满足 式中M为每个传输时隙所使用的正交波束个数，D0为各用户每一帧数据传输的最大可容忍时延，N为用户能成功译出一帧消息数据所需的编码包个数的统计平均值，\为各用 户消息队列到达率，LI表示下取整运算。
7.根据权利要求5所述的一种基于无速率码的多用户MIM0下行链路传输模式选择方 法，其特征在于所述的反馈门限值(》_是在给定基站发送天线数目Nt、每个传输时隙所 使用的正交波束个数M、各用户消息队列到达率\、一帧所包含的消息数据包个数L、用户 能成功译出一帧消息数据所需的编码包个数的统计平均值N、下行链路传输带宽B、译码信 噪比门限值n、各用户每一帧数据传输的最大可容忍时延队、量化接收信噪比所用的比特 数Nb、传输时隙长度T。、系统用户数目K、基站发送功率P的情况下，使用正交空分多址传 输模式最佳反馈门限值的确定方法以确定最佳的反馈门限值(■ ；，从而最大化系统净容 量，具体包括如下步骤1)计算b 0SDMA 的取值范围，下限 上限 两足 2)计算拐点值^使其满足 3)综合4。 三个数值进行判决如果 如果
8.根据权利要求1所述的一种基于无速率码的多用户MIM0下行链路传输模式选择方 法，其特征在于所述的根据多用户MIM0下行链路系统的参数，在基于多波束选择的波束成 型传输模式和正交空分多址传输模式中，选择一种传输模式，进行信息的传输为在给定基 站发送天线数目Nt、每个传输时隙所使用的正交波束个数M、各用户消息队列到达率\、一 帧所包含的消息数据包个数L、用户能成功译出一帧消息数据所需的编码包个数的统计平 均值N、下行链路传输带宽B、译码信噪比门限值n、各用户每一帧数据传输的最大可容忍 时延队、量化接收信噪比所用的比特数Nb和传输时隙长度T。的情况下，按照如下两种方法 进行两种传输模式的选择给定基站发送功率P，根据系统用户数目的变化选择传输模式的方法包括如下步骤1)计算系统所允许接入的最大用户数目 式中表示下取整运算，并令k = 1 ； 2)确定两种传输模式在接入系统用户数目为k时使系统净容量最大化的最佳反馈门 3)将代入基于多波束选择的波束成型传输模式的系统净容量的表达式 将代入正交空分多址传输模式的系统净容量n。SDMA的表达式 式中「.1表示上取整运算，计算两种传输模式下的系统净容量nmF(k)和^ma (k)，并令 Δ (k) = π MOBF (k)OSDMA (k)且定义 Δ (0) = O ；4)如果满足k> Kfflax或者Δ (k) = O或者Δ (k-1) · Δ (k) < O三者中任意一个条件， 则进入步骤5)；否则令k = k+l，进入步骤2)；5)如果k> Kmax，则此系统在所有允许接入的用户数目情况下只存在一种最佳传输模 式，若Δ (k-1) > O则传输模式为基于多波束选择的波束成型传输模式，反之为正交空分多 址传输模式；如果k<Kmax，则k为用户数目的切换门限值，即若A(k-l) >0，则在用户数 K e [1，k-1]时使用基于多波束选择的波束成型传输模式，K e [k，KfflaJ时使用正交空分 多址传输模式，若Δ (k-1) < 0，则在用户数K e [1，k-1]时使用正交空分多址传输模式， K e [k, KfflaJ时使用基于多波束选择的波束成型传输模式；给定系统用户数目K，根据基站发送功率的变化选择传输模式的方法包括如下步骤1)计算系统所允许接入的最大用户数目 式中，表示下取整运算，如果K>Kmax，即系统用户数目超过系统所允许接入的最大用户数目，此时系统传输时延要求无法保证，也就不存在两种传 输模式的选择，退出整个选择方法的过程；如果K ^ Kmax，进入步骤2)；2)设定一个最大发送功率值Pmax，并令η= 1，ρ (η) = 0. IdBw ；3)确定两种传输模式在基站发送功率为ρ(η)时使系统净容量最大化的最佳反馈门限 值 ζ 0ΒΡ*(ρ (η))和^ OSDMA4)将(P(η))代入基于多波束选择的波束成型传输模式的系统净容量的表 代入正交空分多址传输模式的系统净容量n。SDMA的表达式 式中M表示上取整运算，计算两种传输模式下的系统净容量nM。BF(P(n))和 5)如果满足ρ (η) > Pfflax 或者 Δ (ρ (η) )= O 或者 Δ (ρ (η_1)) · Δ (ρ (η)) < O 三者中 任意一个条件，则进入步骤6)；否则令η = η+1，ρ(η) = ρ (η_1) + Δρ，其中Δρ = 0. ldBw，进 入步骤3)；6)如果p(n)>Pmax，则此系统在所允许的最大传输功率范围内只存在一种最佳传输 模式，若Δ(Ρ(η_1)) > O则传输模式为基于多波束选择的波束成型传输模式，反之为正交 空分多址传输模式；如果P (n) SPmax，则ρ(η)为传输功率的切换门限值，即若Δ(ρ(η-1)) > 0，则在传输功率P e [p(l), p(n-l)]时使用基于多波束选择的波束成型传输模 式，pe [p (n), PfflaJ时使用正交空分多址传输模式，若Δ(ρ(η-1)) <0，则在传输功率 P e [p(l)，p(n-l)]时使用正交空分多址传输模式，P e [p(n), PfflaJ时使用基于多波束选 择的波束成型传输模式。
全文摘要
本发明公开了一种基于无速率码的多用户MIMO下行链路传输模式选择方法，它根据多用户MIMO下行链路系统的参数，在基于多波束选择的波束成型传输模式和正交空分多址传输模式中，选择一种传输模式，进行信息的传输。本发明在保证传输时延的要求、只需极少的反馈信息和具有较低实现复杂度的条件下，给出不同传输模式的操作步骤、所允许接入系统的用户数目的限制条件、最大化系统净容量时的最佳反馈门限值以及在不同传输模式间相互切换的门限值的确定方法，从而完成多用户MIMO下行链路信息有效可靠的传输。
文档编号H04L1/00GK101848023SQ20091015491
公开日2010年9月29日 申请日期2009年11月26日 优先权日2009年11月26日
发明者张朝阳, 陈少磊, 陈晓明 申请人:浙江大学