3d mimo系统中基于统计信息的双维度联合sdma方法
【专利摘要】本发明公开了一种3D MIMO系统中基于统计信息的双维度联合SDMA方法，包括以下步骤：1、信道估计及相关矩阵计算；2、构造分簇基矩阵；3、用户分簇；4、用户特征方向选取；5、用户分组；6、下行数据发送。本发明的有益之处在于：本发明设计的分簇基能够联合实现水平和垂直方向的用户分簇和分组，使得基站对用户的对准精度大大提升；本发明只需长时反馈用户所对应的发送端相关矩阵，无需实时量化反馈信道状态信息，从而能够极大减轻上行链路的负载；本发明采用了分簇和分组的方法，能够灵活高效地利用基站多天线所提供的空域自由度，从而增加了用户数目；本发明操作步骤简单，便于实际应用。
【专利说明】3D ΜΙΜΟ系统中基于统计信息的双维度联合SDMA方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种双维度联合SDMA方法，具体涉及一种3D ΜΙΜΟ系统中基于统计信 息的双维度联合SDMA方法，属于无线通信【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 为满足未来用户不断提高的服务质量要求，第五代移动通信技术的研究工作致力 于实现"10年千倍"的目标。3D ΜΜ0技术有望成为极大提升系统性能的一项关键技术。有 别于传统的只考虑水平维度的信道信息的通信系统，3D ΜΙΜΟ系统能够实现对信道垂直维 度自由度的利用，从而进一步提高系统平均容量和改善边缘小区用户容量。3D ΜΙΜΟ技术需 要在基站采用有源天线阵列，这样一来就使得系统的复杂度和反馈量急剧增加。此外，传统 的预编码方法都是针对水平维度信道信息设计的，无法直接应用于3D ΜΙΜΟ系统。因此，降 低系统复杂度和反馈量是3D ΜΜ0技术研究的一个重点。
[0003] 现有的3D ΜΜ0技术研究中，通常采用以下方法提升系统性能：
[0004] 1、通过动态调节基站天线的下倾角，在垂直方向实现小区分裂。这一方法能够有 效减少用户的反馈，但由于不能精确对准用户，并未充分利用垂直维度的信道信息，在性能 上的提升较为有限。
[0005] 2、各用户实时反馈其信道状态信息，基站根据用户的反馈进行用户配对，使得空 间分离的用户实现SDMA。这一方法灵活度不高，并不能充分利用基站大规模天线的空域自 由度，而且由于基站天线数目的大量增加，所需要的实时反馈量也相应增多，增加了上行链 路的负载，反馈量和准确度之间的矛盾使其难以应用于实际场景。
【发明内容】
[0006] 为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种3D ΜΜ0系统中基于统计信 息的双维度联合SDMA方法，该方法用户对准精度高、反馈负载小、空域自由度利用率高、算 法复杂度较低。
[0007] 为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
[0008] -种3D ΜΜ0系统中基于统计信息的双维度联合SDMA方法，其特征在于，基站采 用均匀矩形有源阵列天线，假设阵元排列为Μ行N列，则基站天线总数目为N T = MXN，且每 个阵元的权值可动态调整，该方法包括以下步骤：
[0009] (1)信道估计及计算相关矩阵：
[0010] 用户通过信道估计得到下行的三维信道矩阵，用户k的信道矩阵表示为：
[0011] Hk= [h1； h2,..., hMXN] e C1X(MXN)
[0012] 其中，h为基站的第1根天线与用户天线之间的信道响应，1 = 1，2，...，MXN，， 按照先行后列的顺序对天线阵列进行编号；
[0013] 每个用户按照下式计算其所对应的基站端的发送相关矩阵：
[0014]
【权利要求】
1. 3D MIMO系统中基于统计信息的双维度联合SDMA方法，其特征在于，基站采用均匀 矩形有源阵列天线，假设阵元排列为M行N列，则基站天线总数目为NT = MXN，且每个阵元 的权值可动态调整，该方法包括以下步骤： (1) 信道估计及计算相关矩阵： 用户通过信道估计得到下行的三维信道矩阵，用户k的信道矩阵表示为： Hk= [h1； h2,. . . , hMXN] G C1X(MXN) 其中，h为基站的第1根天线与用户天线之间的信道响应，1 = 1，2, ...，MXN，按照先 行后列的顺序对天线阵列进行编号； 每个用户按照下式计算其所对应的基站端的发送相关矩阵：
其中，Hf表示对矩阵Hk进行共轭转置，E{HfHj:表示计算矩阵HfL期望； (2) 构造分簇基矩阵： 假定分簇总数目为V = VazXV#最终得到的分簇基矩阵为： [Uj, uv], 其中，vaz为水平基数目，Vd为垂直基数目； (3) 用户分簇： 假如下式成立，那么将用户k分在v簇中： i'ij
V簇中的用户个数为Nv，对应的用户索引集合为Rv ; (4) 用户特征方向选取： 计算v簇中的用户k的发送特征值：
假如（Pk,丄彡a，则选择方向i为用户的特征方向，并将i存储在集合Ik中； 假如（PW a，则将方向i留给其他用户使用； 其中，ct为门限值； (5) 用户分组： 根据步骤（4)中的用户特征方向选取结果，对同簇的用户按照以下思想进行分组： 特征方向数目最多的用户优先成组，然后再将与该组已有用户特征方向正交的用户加 入组中，更新分组； 循环以上过程，直到所有用户完成分组； (6) 下行数据发送： 基站端对不同的分组以不同时频资源块加以区分，组内采用SDMA，下行数据发送时，v 簇的1组中的用户k的接收信号为：
其中，Hk和nk分别为用户k的信道矩阵和接收端噪声， Sj是用户j的发送符号向量，IMI = |1」， gv>1表示v簇的1组中的用户集合， Ij为用户j所选的特征方向的集合， <&是￥簇中的用户j的预编码矩阵， I I X I I表示取矢量X的模值， X|表示取集合X的元素总数。
2. 根据权利要求1所述的3D MIMO系统中基于统计信息的双维度联合SDMA方法，其特 征在于，在步骤（2)中，构造分簇基矩阵的过程按照以下步骤进行： 2a、将大小为N*N的DFT矩阵WDFT经过角度旋转得到Vaz个水平基：
2b、采用与步骤2a相同的方法，将大小为M*M的DFT矩阵经过角度旋转得到Vel个垂直 基：
3. 根据权利要求1所述的3D MIMO系统中基于统计信息的双维度联合SDMA方法，其特 征在于，在步骤（5)中，假设v簇中的用户个数为Nv，用户的索引为集合Rv，根据每个用户所 占用的特征方向的个数将Rv划分为NT个子集，子集Rv，m中的用户均占用m个特征方向，则 有：
基于以上的假设，用户分组按照如下步骤进行： 3a、子集中的用户自身成组，构成% |个组，有：
3b、按照m从NT至1递减的次序搜索非空子集Rv，m，取子集R v，m中的用户j作为第一个 进行分组的用户，设f=//，gv，：= {j}，从子集Rv，m中删除用户j ; 3c、假如
假如
3d、搜索子集Rv^中的用户， 如果存在j e Rv，m,且心门/ = 0，则更新/'(U/，从子集Rv，m,中删除j ; 否则，更新m' =m' -1，继续搜索； 如果m' -1=0,则转至步骤3f; 36、假如/>/，转至步骤3€; 否则，更新m' =min(m'，NT-|l|)，返回步骤3d继续分组； 3f、更新J = J+1，返回步骤3b，直到Rv中的用户全部完成分组。
4.根据权利要求1所述的3D MIMO系统中基于统计信息的双维度联合SDMA方法，其特 征在于，在步骤（6)中，v簇内组1中的用户j预编码矩阵FfP按照如下方法进行： 4a、根据用户j的特征方向集合L所对应的特征方向索引，将单位阵I<v^主对角线上 除位置L外的其它元素全部置零，并对矩阵乘^
#到功率分配矩阵A ^其中，P为发 端总功率，I Ij I表示集合Ij中的元素个数； 4b、根据步骤4a获得的导到预编码矩阵FfP :
【文档编号】H04B7/06GK104283593SQ201410531274
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年10月10日 优先权日:2014年10月10日
【发明者】李勇朝, 井文文, 刘灿, 王伟, 马克, 张海林 申请人:西安电子科技大学