CN107579762B - 一种基于量化和统计信道信息的多小区协作预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于量化和统计信道信息的多小区协作预编码方法，包括：基站获取小区内用户的统计CSI,用户根据接收到的导频信道估计出各自的信道状态信息，基站获得粗糙的瞬时信道状态信息,基站间通过信息共享链路共享瞬时信道状态信息,基站获得小区内所有用户的统计CSI和量化的瞬时CSI后，通过线性组合得到新的预编码矩阵W基站利用预编码矩阵W向用户发送数据。本发明有益的效果：相比于基于单一统计信道信息的预编码算法，由于加入了采用低阶量化的瞬时信道状态信息，能够在一定程度上将基于统计信道信息获得的预编码矢量的方向进行校准，从而能够获得更好的性能；该方法能有效地提高系统总速率性能，提高系统吞吐量。

Description

一种基于量化和统计信道信息的多小区协作预编码方法

技术领域

本发明属于移动通信领域，涉及一种基于量化和统计信道信息的多小区协作预编码方法。

背景技术

随着无线通信技术和移动互联网的飞速发展，人们不断地对移动通信速率提出更高的要求。然而，无线通信系统中可用频谱和发射功率等系统资源都是有限的，无法满足日益增长的速率要求。研究表明，未来移动通信系统必须具有极高的频谱资源利用率，为此引入了多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术，多入多出(MIMO)技术能够通过开辟空间域资源，可以有效利用空间复用和分集增益，在不增加系统带宽和天线发射功率的情况下,成倍地提高无线信道容量及频谱利用率，但同时也造成了严重的共信道干扰。由于下行多入多出系统终端受制于电池容量和芯片处理速度，所以有必要引入多入多出预编码技术以提前消除共信道干扰，同时降低终端复杂度。

在当前应用的3G、4G以及未来的5G无线通信系统中，由于对传输速率要求的提高以及用户数的急剧增加，为了适应复杂多变的无线信道环境往往要求通信系统的信号传输方案能够具有自适应特性和鲁棒性。而以闭环MIMO架构为基础的预编码算法可以使无线通信系统根据信道状况调整信号发射策略，从而显著提高系统容量，使得频谱利用率得到进一步提高。传统的预编码算法研究是基于用户反馈完美CSI的，但是在实际的商用无线通信系统中，由于上行反馈信道的速率较低，这个前提假设并不一定能够成立。在时分双工(TDD)系统中，基站可以利用上下行信道的互易性获得下行CSI用来进行预编码设计；而在频分双工(FDD)系统中，用户必须通过上行信道将下行CSI反馈至基站。由于上行信道的速率较低，用户无法将其下行CSI完美反馈，因此用户怎样利用有限的上行信道资源将CSI进行量化反馈成为亟待解决的问题。

为了进一步提高蜂窝系统的频谱效率，3GPP LTE将倾向于同频部署，由此导致小区边缘用户遭受较大的同频干扰。为了降低小区间同频干扰的影响，相邻基站间可以进行基于协作的预编码技术，实现干扰避免。然而，为了实现协作，基站间需要共享信道状态信息和/或数据信息，随着协作基站数目的增加以及数据率的增大，对基站间共享链路的带宽提出了巨大的要求，导致建设成本的加剧。因此需要考虑尽量降低信息共享对基站间共享链路的需求，在保证一定性能要求的前提下，减少共享的信息量。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于量化和统计信道信息的多小区协作预编码方法。

在描述本发明的具体步骤前，先对部分缩写及符号进行定义。E{·}表示求期望操作，tr{·}表示矩阵的迹，上标H表示求共轭转置操作。

该方法的具体步骤如下：

步骤1：基站获取本小区内终端的所有统计信道信息，包括各个协作基站到该终端的下行链路的统计信道信息。因为统计信道信息往往由终端的位置、方位角等决定，可由上行信道估计获得；或者为了更加精确，也可由终端每隔一段时间反馈一次获得。

步骤2：基站向所有用户发送下行导频序列，用户根据接收到的导频估计出各自的信道状态信息，进行较少比特的矢量量化，然后反馈回基站，基站由此获得较为粗糙的瞬时信道状态信息。

步骤3：基站间通过信息共享链路共享瞬时信道状态信息，并根据需要共享统计信道信息。

步骤4：基站获得小区内及相邻协作小区所有用户的统计信道信息和量化的瞬时信道状态信息后，基于信漏噪比SLNR分别设计预编码矩阵F和G。在本专利中，所有终端配置一个天线。

对于瞬时的信道状态信息：

第k个用户的信漏噪比SLNR为

其中，I表示单位矩阵，Nt表示基站配置的天线数，

表示的是由终端反馈后基站获得的第k个基站到第i个基站用户的瞬时的信道状态信息，G_k表示第k个基站的预编码矩阵，G_k的设计使得SLNRk最大，G_k可以选取

最大的特征值所对应的特征向量。为了保证预编码后发射功率不变，需要通过预编码矩阵使其满足发射功率限制条件。

对于统计的信道状态信息：

第k个用户的平均信漏噪比SLNR为

其中，R_ki是第k个基站第i个基站的用户的统计信道状态信息。F_k的设计使得SLNRk最大，F_k可以选取

最大的特征值所对应的特征向量。为了保证预编码后发射功率不变，需要通过预编码矩阵使其满足发射功率限制条件。

步骤5：对F和G进行线性组合，得到新的预编码矢量。为保证预编码后发射功率不变，需要通过预编码矩阵使其满足发射功率限制条件。

步骤6：得到预编码矩阵W，基站利用预编码矩阵W向用户发送数据。

其中，用户的统计CSI在相干时间视为不变。当用户的统计CSI发生显著变化时，更新统计的信道状态信息。

本发明有益的效果：相比于基于单一量化的信道状态信息的预编码方法，由于仅需要反馈和共享较少比特数的量化信道信息和具有长期稳定度的统计信道信息，因此该方法具有：(1)能够降低反馈比特数，减少反馈开销；(2)降低了基站间协作对信息共享链路带宽的需求；(3)由于反馈比特少，使得码本较小，减少了终端对信道矢量进行矢量量化的搜索空间。相比于基于单一统计信道信息的预编码算法，由于加入了采用低阶量化的瞬时信道状态信息，能够在一定程度上将基于统计信道信息获得的预编码矢量的方向进行校准，从而能够获得更好的性能；该方法能有效地提高系统总速率性能，提高系统吞吐量。

附图说明

图1为多小区组成的蜂窝网；

图2为用户到达角示意图；

图3为基于量化信道状态信息和统计的信道状态信息的预编码方法；

图4为实施例的仿真性能曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

图1为多小区组成的蜂窝网示意图，并结合图2、图3进行说明。

如图3所示，基于量化和统计信道状态信息的预编码方法，具体步骤如下：

步骤1：基站获取本小区内终端的所有统计信道信息，包括各个协作基站到该终端的下行链路的统计信道信息。为了方便表示，假设有K个基站，每个基站有Nt根发送天线，小区内同一时间只将一个资源块分配给单个用户，用户只有1根接收天线。基站需要获得每个用户的统计信道信息，即R_ik,其中

表示第i个基站到第k个基站的用户的统计信道信息。

统计信道信息的获取如图2所示，利用上行信道或者反馈信道估计上行信号的达到角和角度扩展，以此估算R_ik，并不断对上行信号进行角度估计，当到达角超过阈值，则更新统计信道信息，并与其它协作基站共享。

步骤2：基站向所有用户发送下行导频训练，用户根据接收到的导频信道估计出各自的信道状态信息，并且通过较少比特的矢量量化，然后反馈链路把信道状态信息反馈回基站，基站由此获得较为粗糙的瞬时信道状态信息。

在这里，我们通过基于随机矢量量化的方法设计生成码本。用户端码本表示为

FB为反馈的比特数。每个用户将自己的信息向Γ中每个矢量投影，并按照以下原则计算最大投影值来选择反馈索引值：

其中，

用户k估计并反馈回基站的信息方向为

用户k将

的码字索引反馈给基站，基站从其存储的量化码本中搜索对应的矢量码字，从而重构用户k信道方向信息

从而基站得到用户的瞬时的信道状态信息

步骤3：基站间通过信息共享链路共享瞬时信道状态信息；并根据需要共享统计信道信息，即基站发现某一终端的到达角变化超过阈值时，将统计信道信息进行共享。

步骤4：基站获得小区内所有用户的统计CSI和量化的瞬时CSI后，基于信漏噪比SLNR分别设计预编码矩阵F和G。

其中，对于瞬时的信道状态信息：

第k个基站的信漏噪比SLNR为

I表示单位矩阵Nt表示基站配置的天线数，

表示由终端估计并反馈回来的从第k个基站到第i个基站用户的瞬时的信道状态信息，G_k表示第k个基站的预编码矩阵，G_k的设计使得SLNRk最大，G_k可以选取

最大的特征值所对应的特征向量。为了保证预编码后发射功率不变，需要通过预编码矩阵使其满足发射功率限制条件。

对于统计的信道状态信息：

第k个基站的信漏噪比SLNR为

R_ki是第k个基站第i个基站用户的信道状态信息。F_k设计使得SLNRk最大，F_k可以选取

最大的特征值所对应的特征向量。为了保证预编码后发射功率不变，需要通过预编码矩阵使其满足发射功率限制条件。

步骤5：通过步骤4得到基站k针对本小区终端的基于统计信道状态信息的预编码矩阵Fk和瞬时信道状态信息的预编码矩阵Gk，我们通过线性组合得到新的预编码矩阵Wk，我们可以使得

对于ρ的选取，我们使SINR最大的ρ。我们可以初始化ρ＝0，使得ρ从0到1变化，取最大SINR所对应的值的ρ，计算得到Wk的值。

步骤6：得到预编码矩阵Wk，基站利用预编码矩阵Wk向终端发送数据。

其中，用户的统计CSI在相干时间视为不变。当用户的统计CSI发生显著变化时，更新统计的信道状态信息。

图4给出了本实施例的一个仿真曲线。从图中可以看出，无论在低信噪比还是高信噪比下，所提方案相比于只采用统计信道信息和低阶量化信道信息的预编码方案，均能获得一定的性能增益。当然，在信噪比为10dB后，增益更为明显。验证了所提方案的有效性。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于量化和统计信道信息的多小区协作预编码方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：基站获取本小区内用户的所有统计信道状态信息，统计信道状态信息包括各个协作基站到该用户的下行链路的统计信道状态信息；

步骤2：基站向所有用户发送下行导频序列，用户根据接收到的下行导频序列估计出各自的信道状态信息，进行较少比特的矢量量化，然后反馈回基站，基站由此获得较为粗糙的量化的瞬时信道状态信息；

步骤3：各个协作基站间通过信息共享链路共享量化的瞬时信道状态信息，并根据需要共享统计信道状态信息；

步骤4：基站获得小区内及相邻协作小区所有用户的统计信道状态信息和量化的瞬时信道状态信息后，基于信漏噪比SLNR分别设计与统计信道状态信息对应的预编码矩阵F_k和与量化的瞬时信道状态信息对应的预编码矩阵G_k；其中，小区内同一时间只将一个资源块分配给单个用户，每个用户配置1根接收天线；

其中，基于信漏噪比SLNR设计与量化的瞬时信道状态信息对应的预编码矩阵G_k包括：

第k个基站的用户的信漏噪比SLNR为

其中，K表示基站数量，tr{·}表示矩阵的迹，上标H表示求共轭转置操作，I表示单位矩阵，Nt表示基站配置的发射天线数，

表示由用户估计并反馈后基站获得的第k个基站到第i个基站的用户的量化的瞬时信道状态信息，

表示由用户估计并反馈后基站获得的第k个基站到第k个基站的用户的量化的瞬时信道状态信息，G_k表示第k个基站的与量化的瞬时信道状态信息对应的预编码矩阵，G_k的设计使得SLNR_k最大，G_k选取

最大的特征值所对应的特征向量；其中，为保证预编码后基站的发射功率不变，优化预编码矩阵G_k使其满足发射功率限制条件；

其中，基于信漏噪比SLNR设计与统计信道状态信息对应的预编码矩阵F_k包括：

第k个基站的用户的平均信漏噪比SLNR为

其中，K表示基站数量，E{·}表示求期望操作，R_ki是第k个基站到第i个基站的用户的统计信道状态信息，R_kk是第k个基站到第k个基站的用户的统计信道状态信息；F_k的设计使得E{SLNR_k}最大，F_k选取

最大的特征值所对应的特征向量；其中，为保证预编码后基站的发射功率不变，优化预编码矩阵F_k使其满足发射功率限制条件；

步骤5：对预编码矩阵F_k和预编码矩阵G_k进行线性组合，得到预编码矩阵W_k；其中，为保证预编码后基站的发射功率不变，优化预编码矩阵W_k使其满足发射功率限制条件；

步骤6：基站利用预编码矩阵W_k向用户发送数据。

2.根据权利要求1所述的基于量化和统计信道信息的多小区协作预编码方法，其特征在于，所述步骤1包括：

在有K个基站，每个基站有Nt根发射天线的情况下，基站获得每个用户的统计信道状态信息R_ki，其中，

表示第k个基站到第i个基站的用户的统计信道状态信息。

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