专利名称：基于信道质量干扰比的数据传输方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种基于信道质量干扰比为量化准则的有限 反馈波束形成数据传输的方法和系统。
背景技术：
MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)通信系统通过采用多根 发射和接收天线而具有较高的空间复用增益和分集增益，并能够在多用户系统中通过波束 形成和用户调度技术获得显著的多用户分集增益和多路复用增益，因此它被LTE-Advanced 标准采用，也必将成为4G无线通信系统的关键技术。在MIMO系统中，可以利用波束形成技 术获得一定的波束形成增益，改善系统性能，但是，常规的波束形成技术在少用户时系统性 能明显下降，且在多用户时反馈量过大，尤其在低信噪比(Signal toNoise Ratio, SNR)场 景下系统性能下降更是明显。目前，一种采用随机波束形成(Random Beamforming, RBF)模式的无线通信技术， 具有波束形成简单，反馈复杂度低、反馈量少、且在多用户时能获得与在发射机完全知道信 道状态信息(Channel State Information, CSI)并利用脏纸编码(Dirty-Paper Coding, DPC)技术时相同增长速度的系统吞吐量等优点，因此广泛受到重视。但是，该技术采用的波 束矢量是随机生成，尤其在少用户时系统无法找到与其匹配的调度用户，因此系统性能严 重下降。为了解决以上问题，采用特征波束形成(Eigen Beamforming, EBF)模式的无线通 信技术，该技术要求完全反馈用户CSI，并把反馈回来的用户信道奇异值分解的右奇异矢量 作为波束矢量，因此即使在少用户下，波束也与用户信道完全匹配，大大改善系统在少用户 时的系统性能，但是，随着用户数的增多，系统反馈量严重增大，占用宝贵的系统资源，因此 无法广泛应用。此夕卜，相干机会波束形成(Coherent Opportunistic Beamforming, C0BF)模式 采用用户归一化信道矢量作为最优的波束形成矢量，该模式在低SNR场景下可以获得接近 DPC的系统性能，但是它要求基站必须精确地知道用户的CSI，此外，该模式没有采用码本 方案，因此实际中很难应用。
发明内容
本发明实施例要解决的问题是提供一种基于信道质量干扰比为量化准则的有限反馈波束形成数据传输方法和系统，以克服现有传统波束形成模式(RBF、EBF和C0BF)在少 用户下系统性能下降、在多用户时系统反馈量剧增的缺陷，以及在低SNR场景下系统性能 下降的问题。为达到以上目的，本发明提供一种数据传输的方法，包括以下步骤系统模型简 介；DFTC码本设计；QIR准则及其对应的量化准则的设计；新的波束形成过程；系统容量分 析、功率分配和用户调度算法。
其中，系统模型简介如下本发明假设发射端配置M个天线，接收端配置N个天线，基站和用户都处于丰富散 射体的环境，第m根发射天线到第η个接收天线的信道系数为hM，它们均服从独立复高斯 分布CN(0，1)。假设信道为块衰落信道，即在码元传输的时间内为平坦衰落且保持不变，不 同用户之间的信道相互独立。第k个用户在时隙t的接收信号为 其中，Yk(t) e Cn表示用户k在时隙t的接收信号；Hk(t) e Cnxm表示用户k在时隙 t的复高斯信道；Xk(t) ecM表示基站在时隙t的发送符号；Ok(t) ￡(^表示用户k在时隙t
接收到的加性复高斯白噪声信号，其功率为νφ。假定基站总发射功率为尸= ||xf⑴χ力)|2。
下面为方便讨论均省去时隙t。其中，DFTC码本设计如下码本集合为C = {C(0), ... , CteI，其中，G = 2B，B是量化比特。基于DFT的码本 生成方法如下，=[C『,...,C。]是第g个预编码矩阵，保证预编码矩阵是一个酉矩阵，其 中cif)是该预编码矩阵中的第m个预编码向量，其每一个元素基于傅立叶基生成，如下 其中，QIR准则及其对应的量化准则的设计，具体包括接收端通过信道估计可以知道自己的CSI，对Hk做奇异值(SVD)分解，即
W1X，uk、Vk是酉矩阵，Ak是Hk奇异值组成的对角矩阵。为了同时考虑用户k总
体信道量化质量好坏和量化子信道之间正交性大小，定义质量干扰比(QIR，质干比)参数， 即
M M 其中，((> >]_表示矩阵[V广C⑷]的对角线元素，QIRf表示当用户k选择第g个 码本时的质干比大小，其分子表示采用波束形成后用户k所有子信道质量信息，而其分母 表示采用波束形成后用户k所有子信道之间互干扰情况。因此，QmP能同时包含用户k所 有子信道质量信息和子信道之间互干扰信息，QIRP越大，表示用户k的子信道质量越好， 且子信道之间互干扰越弱，这是采用QIR作为量化标准的优点所在。基于QIR量化准则如 下。所述最优码字索引由公式
其中，^t是用户k的最优码字索引。
其中，波束形成过程简述如下，具体包括基站收集所有在线用户反馈的最优码字索引，根据用户反馈的码字索引从码本中 找出对应码字作为该用户的CSI量化值，并作为其波束形成矢量，因此用户k的波束形成矢 量为 给传输信号Xk左乘预编码矩阵Bk，则在天线上发射信号为BkXk ；在接收端，接收信 号Yk左乘《，则用户k的接收信号为 其中，系统容量分析、功率分配和用户调度算法如下，具体包括首先分析系统容量和功率分配算法；令Tk = Y^1Bk，用户k在第r个子信道的有效信噪比(Effective SNR, ESNR)为 其中，VrJ是矩阵Vk的第r行j列元素值，<是第k个用户信道矩阵Hk的第r个 奇异值， 2是第r个子信道的噪声功率。基站根据被调度用户k的反馈<值，可用注水算法 最大化系统容量，采用注水算法后吞吐量由公式 确定，其中⑷1表示max (0，A)，R表示有效子信道个数。其次采用经典的比例公平(Proportional Fairness Scheduling, PFS)用户调度 算法，简述如下，所述被调度的用户由公式 确定。其中用户k速率更新公式为 其中Rk(t)为用户在时隙t的需求速率，tc为时间常数。本发明还提供了一种数据传输的系统，包括基站端采用DFTC码本C，并利用该码 本C向用户设备发送多个不同的训练序列符号；用户设备，采用基于QIR为量化准则量化信 道状态信息，并向基站反馈每个用户所需的最优码字索引；然后利用ESNR准则计算其值； 基站端，根据每个用户反馈的码字索引和ESNR值，计算其吞吐量，并结合PFS算法选择出最 优调度用户。同时，采用注水算法给该用户的各个子信道动态分配功率和采用波束形成技 术给其传输数据。其中，所述基站端包括
基站采用DFTC码本；收集所有用户反馈的最优码字索引和有效信噪比值；并基于 以上反馈参数采用PFS算法找出系统最佳调度用户；给最佳调度用户采用注水算法动态分 配功率和使用其最优DFTC码字传输数据。其中，所述用户设备包括最优码字获取单元，用于获取每个用户的最优码字；所有子信道有效信噪比获取 单元，用于用户获取其所有子信道的有效信噪比值；与现有波束形成(RBF、EBF和C0BF)等模式相比，本发明的技术方案具有如下优点。本发明既适合少用户场景，也适合多用户场景和低SNR场景，同时降低系统反馈 量，提高系统性能。
图1本发明实施例的一种数据传输系统的结构框图；图2本发明实施例的一种数据传输系统的流程图；图3本发明与传统波束形成系统(RBF、EBF)的吞吐量的仿真结果比较数值示意图 (本发明简称QBF, Quantization Beamforming)；图4本发明在不同SNR下系统吞吐量的仿真结果比较数值示意图；
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。实施例1一种基于信道质量干扰比为量化准则的有限反馈波束形成数据传输方法和系统 的结构框图如图1所示，包括下列步骤步骤s201，在基站端，DFTC的生成，具体过程为码本集合为C = {C(0), Cfe-0I，基于DFT的码本生成方法如下，
是第g个预编码矩阵，保证预编码矩阵是一个酉矩阵，其中C,^是该预编 码矩阵中的第m个预编码向量，其中每一个元素基于傅立叶基生成，如下 步骤s202，基站利用DFTC码本向用户设备发送多个不同的训练序列符号。步骤s203，用户设备向基站反馈最优量化码字索引和对应的ESNR值。所述最优量 化码字索引由公式 确定，其中QIR是用户k在不同码字下的信道质量干扰比(QIR)数值，由公式 确定；所述ESNR由公式
'· _ \ψη k _ I κ r-\ R 一 Κ +σΙ '-' ' "·"
j’r*j确定。步骤s204，基站调度用户并采用波束形成技术给对应的用户传输数据。具体过程 为基站收集小区所有活动用户的厂I ,并计算其容量，采用比例公平调度(PFS)算法调度用 户；所述调度的用户设备用公式 对调度的用户根据其乂采用注水算法动态分配功率，并给调度的用户采用波束形 成技术传输数据；其中，本发明实施例系统性能和传统波束形成模式的系统性能比较仿真结果示意 图如图3所示；本发明实施例系统平均吞吐量与SNR关系比较仿真结果分别如图4所示(其 中 M = 2，N = 2)。本发明实施例的一种数据传输的系统基站端采用DFTC码本C，并利用该码本C 向用户设备发送多个不同的训练序列符号；用户设备，采用基于QIR为量化准则量化信道 状态信息，并向基站反馈每个用户所需的最优码字索引；然后利用ESNR准则计算其值；基 站，根据每个用户反馈的码字索引和ESNR值，计算其吞吐量，并结合PFS算法选择出最优调 度用户；同时，采用注水算法给该用户的子信道分配功率和采用波束形成技术传输数据。基站端包括，基站采用DFTC码本；收集所有用户反馈的最优码字索引和有效信噪 比值(ESNR)；并基于以上反馈参数采用PFS算法找出系统最佳调度用户；给最佳调度用户 采用注水算法分配功率和使用其最优DFTC码字做波束形成传输数据。用户设备包括最优码字获取单元，用于获取每个用户的最优码字；所有子信道有 效信噪比获取单元，用于用户获取其所有子信道的效信噪比值；本发明的主要特点是设计出基于QIR的量化准则，它可以同时考虑到系统总体量 化质量和用户子信道之间的互干扰性，基于此准则，保证调度的用户同时具有等效信道质 量最大和子信道之间互干扰最小，从而改善系统性能，这是目前所有量化准则不具备的性 能，另外本发明还采用DFTC码本，进一步降低系统反馈量，节省系统资源开销。应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换， 而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
权利要求
一种基于信道质量干扰比的数据传输方法，其特征在于，包含以下步骤采用离散傅里叶基码本C，作为波束形成矩阵；利用所述波束形成矩阵C向用户终端发送多个不同的训练符号；所述用户终端根据接收到的所述训练符号估计各自的信道信息，并基于信道质量干扰比QIR为量化准则量化信道信息，从码本C中选出自己的最优码字，并把其码字索引反馈回基站；同时，用户终端根据上述选择出的最优码字和所述信道信息，计算出子信道的有效信噪比ESNR，并把所述ESNR反馈回基站；基站根据反馈回来的ESNR调度最佳服务用户，并采用反馈回来的最优码字做波束形成对该用户进行数据传输。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的离散傅里叶基码本的生成过程如下 码本集合为C = {C(°)，. .，C"}，其中，G = 2b，B是量化比特；其中，C⑷=[々),...,是第 g个预编码矩阵，且保证预编码矩阵是一个酉矩阵，其中C^是该预编码矩阵中的第m个预编 码向量，其中每一个元素基于傅立叶基生成，如下 简称DFT-based码本为DFTC。
3.如权利要求1至2任一所述的方法，其特征在于，所述信道质量干扰比(QIR)准则如 下对信道矩阵Hk做奇异值(SVD)分解，即 和Vk是酉矩阵，Ak是Hk奇异 值组成的对角矩阵。
4.如权利要求1至2任一所述的方法，其特征在于，所述最优码字索引由公式 , k= L . . .，K确定，其中质量干扰比参数0”)按照以下公式计算 其中，[V/'C⑷]_表示矩阵[V/^"]的对角线元素。
5.如权利要求1至2任一所述的方法，其特征在于，所述用户终端k对应自己最优码字 的ESNR八由公式 确定，其中 , , 是Wk的第r行j列元素，<是用户k信道矩阵Hk的第r 个奇异值， 2是第r个子信道的噪声功率，<是用户k在第r个子信道的SNR。
6.如权利要求I至2任一所述的方法，其特征在于，在所述基站根据被调度反馈回来的 ESNR，采用注水算法最优化系统容量，具体执行以下操作基站根据被调度用户k的反馈Zi 值，采用注水算法后系统吞吐量由公式 确定，其中(⑷“表示max (0，A)。
7.如权利要求1至2任一所述的方法，其特征在于，在所述基站采用比例公平调度算法 从小区中选择出最优的用户设备进行数据传输，具体执行以下操作所述选择的用户设备( )终端由公式 确定；其中用户k速率更新公式为 其中Rk(t)为用户在时隙t的需求速率，tc为时间常数。
8.一种基于信道质量干扰比为量化准则的传输系统，其特征在于，包括用户终端和 基站端，所述基站端采用DFTC码本，并利用该码本C向所述用户终端发送多个不同的训练 序列符号；所述用户终端采用基于QIR为量化准则量化信道状态信息以及计算ESNRK ,并向所述基站端反馈每个所述用户终端所需的最优码字索引和其ESNR<值；所述基站端根据每个用户反馈的所述最优码字索引和所述ESNR/丨值，计算其吞吐量，并结合PFS算 法选择出最优调度用户；采用注水算法给所述最优调度用户的子信道分配功率并采用波束 形成技术传输数据。
9.如权利要求8所述的数据传输系统，其特征在于，所述基站端包括DFTC码本生成单 元，用于生成码本；系统参数收集单元，用于收集所有用户反馈的最优码字索引和有效信噪 比值；^；用户调度单元，用于找出小区中最佳调度用户；功率分配单元，用于给被调度用户 采用注水算法分配功率；波束形成单元，用于给调度用户进行波束形成技术传输数据。
10.如权利要求8所述数据传输系统，其特征在于，所述用户终端包括最优码字获取 单元，用于获取每个所述用户终端的最优码字；所有子信道有效信噪比获取单元，用于用户 获取其所有子信道的有效信噪比值。
全文摘要
本发明公开了一种基于信道质量干扰比为量化准则的有限反馈波束形成数据传输方法和系统，具体包括以下步骤借鉴离散傅里叶变换，设计出DFTC码本；并设计出基于信道质量干扰比(Quality to Interference Ratio，QIR)的量化准则；通过该准则，可以同时考虑总体被量化信道的质量和降低子信道之间的互干扰，并采用比例公平算法(PFS)调度用户和采用注水算法给被调度的用户分配功率；采用用户反馈回的最优码字作为波束矢量给用户传输数据。本发明克服传统波束形成模式在少用户时系统性能下降、在多用户时系统反馈量剧增的缺陷，以及在低SNR场景下系统性能下降的问题，它是一种比较好的波束形成方案。
文档编号H04B7/04GK101841359SQ20101019042
公开日2010年9月22日 申请日期2010年6月3日 优先权日2010年6月3日
发明者卢光跃, 孙宝玉 申请人:西安邮电学院