專利名稱：一種基于隨機(jī)波束成形的數(shù)據(jù)傳輸方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于隨機(jī)波束成形的數(shù)據(jù)傳輸方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出)通信系統(tǒng)通過采用多根發(fā)射和接收天線而具有較高的空間復(fù)用增益和分集增益，并能夠在多用戶系統(tǒng)中通過多用戶調(diào)度技術(shù)獲得顯著的多用戶分集增益，因此它必將成為下一代無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。在MIMO系統(tǒng)中，可以利用波束成形技術(shù)通過對(duì)不同發(fā)射天線上的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)而獲得一定的波束成形增益。但是，常規(guī)的波束成形技術(shù)需要較高的計(jì)算復(fù)雜度和反饋復(fù)雜度。
目前，一種采用OBS(Opportunistic Beamforming System，隨機(jī)波束成形系統(tǒng))的無線通信技術(shù)，具有波束成形技術(shù)簡(jiǎn)單、反饋復(fù)雜度低、并能獲得與在發(fā)射機(jī)具有完全信道狀態(tài)信息并利用臟紙編碼技術(shù)時(shí)相同增長速度的系統(tǒng)吞吐量等優(yōu)點(diǎn)，因此受到廣泛重視。但是，該技術(shù)采用常規(guī)的酉矩陣作為波束成形矩陣，因此它的每一個(gè)元素的幅度和相位分別在
； 基站端產(chǎn)生一個(gè)M×M維的Fourier矩陣
其中w＝e-j2π/M； 將相位矢量θt的列元素對(duì)應(yīng)地加在矩陣F的每一列的所有元素的相位上面，得到隨機(jī)波束成形矩陣
其中，在所述基站端生成各元素的幅度恒定、相位隨機(jī)變化的波束成形酉矩陣C的步驟中，也可以采用下列方法，具體包括 在訓(xùn)練周期的起始時(shí)刻t，產(chǎn)生一個(gè)初始矢量ct∈C1×M， 其中，θm，m＝1，…，M是相互獨(dú)立且在
∈C1×M是基站到用戶設(shè)備k之間的復(fù)信道矢量； 所述SINR中的最大值

由公式 確定，其中γm，k是用戶設(shè)備k對(duì)應(yīng)第m個(gè)發(fā)射波束的SINR。
其中，所述用戶設(shè)備k對(duì)應(yīng)第m個(gè)發(fā)射波束的SINR γm，k由公式 確定，其中ρ為用戶平均接收SNR(Signal to Noise Ratio，信噪比)。
其中，在所述基站為不同發(fā)射波束選擇該波束內(nèi)的最大SINR所對(duì)應(yīng)的用戶設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟襟E中，具體包括 設(shè)置與M個(gè)發(fā)射波束對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)集合Sm，m＝1，…，M存儲(chǔ)所有用戶設(shè)備的反饋信息； 選擇用戶設(shè)備，對(duì)于用戶設(shè)備k的反饋信息

當(dāng)時(shí)，所述選擇的用戶設(shè)備由公式 確定； 利用發(fā)射波束m向所述選擇的用戶設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案還提供了一種數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)，包括基站端，用于生成各元素的幅度恒定、相位隨機(jī)變化的波束成形酉矩陣C，并利用所述酉矩陣C向用戶設(shè)備發(fā)送多個(gè)不同的訓(xùn)練符號(hào)；用戶設(shè)備，向基站反饋接收到的多個(gè)與發(fā)射波束對(duì)應(yīng)的SINR中的最大值及相應(yīng)的發(fā)射波束編號(hào)；基站，為不同發(fā)射波束選擇該波束內(nèi)的最大SINR所對(duì)應(yīng)的用戶設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
其中，所述基站端包括相位生成單元，用于隨機(jī)生成多個(gè)在
； 基站端產(chǎn)生一個(gè)M×M維的Fourier矩陣
其中w＝e-j2π/M； 將相位矢量θt的列元素對(duì)應(yīng)地加在矩陣F的每一列的所有元素的相位上面，得到隨機(jī)波束成形矩陣
在本實(shí)施例中，還可以采用如下方式生成酉矩陣C 在訓(xùn)練周期的起始時(shí)刻t，產(chǎn)生一個(gè)初始矢量ct∈C1×M， 其中，θm，m＝1，…，M是相互獨(dú)立且在
∈C1×M是基站到用戶設(shè)備k之間的復(fù)信道矢量； 所述SINR中的最大值

由公式 確定，其中γm，k是用戶設(shè)備k對(duì)應(yīng)第m個(gè)發(fā)射波束的SINR。
所述用戶設(shè)備k對(duì)應(yīng)第m個(gè)發(fā)射波束的SINRγm，k由公式 確定，其中ρ為用戶設(shè)備平均接收SNR。
步驟s204，基站為不同發(fā)射波束選擇該波束內(nèi)的最大SINR所對(duì)應(yīng)的用戶設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。具體過程為 設(shè)置與M個(gè)發(fā)射波束對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)集合Sm，m＝1，…，M存儲(chǔ)所有用戶設(shè)備的反饋信息； 選擇用戶設(shè)備，對(duì)于用戶設(shè)備k的反饋信息

當(dāng)時(shí)，所述選擇的用戶設(shè)備由公式 確定； 發(fā)射波束m向所述選擇的用戶設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 當(dāng)采用圖3所示的多波束隨機(jī)波束成形系統(tǒng)時(shí)，下面以一個(gè)具有K個(gè)用戶，基站采用M根發(fā)射天線，每個(gè)用戶只采用N＝1的單接收天線的系統(tǒng)為例，本發(fā)明的具體實(shí)施步驟如下 1.在某個(gè)訓(xùn)練周期(一個(gè)數(shù)據(jù)幀被分為兩個(gè)部分訓(xùn)練周期和數(shù)據(jù)傳送周期，如圖5所示)起始時(shí)刻t，產(chǎn)生一個(gè)初始矢量ct∈C1×M， 其中，θm，m＝1，…，M是相互獨(dú)立且在
，然后產(chǎn)生Fourier矩陣F∈CM×M，最后直接把θt的每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)加在F的每一列的所有元素的相位上；這可以通過移相器來實(shí)現(xiàn)。只要發(fā)射天線數(shù)M一定，那么F就是恒定的，因此每次訓(xùn)練的時(shí)候，只需要產(chǎn)生相位矢量θt就可以了。
4.在接收端，用戶k對(duì)應(yīng)的具有最大接收SINR的波束編號(hào)

為 其中，hk＝[h11 h12 … h1M]∈C1×M是基站到用戶k之間的復(fù)信道矢量。
用戶k對(duì)應(yīng)第m個(gè)發(fā)射波束的SINR為 那么，用戶k在M個(gè)發(fā)射波束上所獲得的最大SINR為 所以，用戶k的反饋信息為
5.在基站，設(shè)置與M個(gè)發(fā)射波束對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)集合Sm，m＝1，…，M來存儲(chǔ)所有用戶的反饋信息。例如，對(duì)于用戶k的反饋信息

如果那么最后，在發(fā)射波束m，被調(diào)度的用戶為 6.基站針對(duì)每一個(gè)發(fā)射波束已經(jīng)選定的用戶，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
7.當(dāng)接收天線數(shù)量為1的時(shí)候，系統(tǒng)的吞吐量R可以近似表達(dá)為 R≈Mlog2(1+a+0.5772b)(8) 其中，參數(shù)a為下列超越方程的解 其中，參數(shù)m0表示Nakagami-m衰落信道的衰落因子，ρ為系統(tǒng)內(nèi)用戶設(shè)備的平均接收SNR。盡管a也可以顯性地近似表示為 但該近似表達(dá)式的收斂速度很慢，而導(dǎo)致根據(jù)公式(8)得到的數(shù)值結(jié)果與仿真結(jié)果之間存在較大誤差。幸運(yùn)的是，參數(shù)a的精確解可以很容易地用窮舉法搜索方程(9)而得到。最后，參數(shù)b可以表示為 其中，本發(fā)明與傳統(tǒng)隨機(jī)波束成形系統(tǒng)的吞吐量的仿真結(jié)果及理論吞吐量計(jì)算公式的數(shù)值結(jié)果示意圖如圖6所示。
本發(fā)明實(shí)施例的一種數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)，包括基站端，用于生成各元素的幅度恒定、相位隨機(jī)變化的波束成形酉矩陣C，并利用所述酉矩陣C向用戶設(shè)備發(fā)送多個(gè)不同的訓(xùn)練符號(hào)；用戶設(shè)備，用于向基站反饋接收到的多個(gè)與發(fā)射波束對(duì)應(yīng)的SINR中的最大值及相應(yīng)的發(fā)射波束編號(hào)；基站，用于為不同發(fā)射波束選擇該波束內(nèi)的最大SINR所對(duì)應(yīng)的用戶設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
基站端包括相位生成單元，用于隨機(jī)生成多個(gè)在
，其中M為發(fā)射天線數(shù)；
基站端產(chǎn)生一個(gè)M×M維的Fourier矩陣
其中w＝e-j2π/M；
將相位矢量θt的列元素對(duì)應(yīng)地加在矩陣F的每一列的所有元素的相位上面，得到隨機(jī)波束成形矩陣
3、如權(quán)利要求1所述基于隨機(jī)波束成形的數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于，在所述基站端生成各元素的幅度恒定、相位隨機(jī)變化的波束成形酉矩陣C的步驟中，具體包括
在訓(xùn)練周期的起始時(shí)刻t，產(chǎn)生一個(gè)初始矢量ct∈C1×M，
其中，θm，m＝1，…，M是相互獨(dú)立且在
∈C1×M是基站到用戶設(shè)備k之間的復(fù)信道矢量；
所述SINR中的最大值
由公式
確定，其中γm，k是用戶設(shè)備k對(duì)應(yīng)第m個(gè)發(fā)射波束的SINR。
5、如權(quán)利要求4所述基于隨機(jī)波束成形的數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于，所述用戶設(shè)備k對(duì)應(yīng)第m個(gè)發(fā)射波束的SINR γm，k由公式
m＝1，…，M，k＝1，…，K確定，其中ρ為用戶平均接收信噪比SNR。
6、如權(quán)利要求5所述基于隨機(jī)波束成形的數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于，在所述基站為不同發(fā)射波束選擇該波束內(nèi)的最大SINR所對(duì)應(yīng)的用戶設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟襟E中，具體包括
設(shè)置與M個(gè)發(fā)射波束對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)集合Sm，m＝1，…，M存儲(chǔ)所有用戶設(shè)備的反饋信息；
選擇用戶設(shè)備，對(duì)于用戶設(shè)備k的反饋信息
當(dāng)時(shí)，所述選擇的用戶設(shè)備由公式
m＝1，…，M
確定；
發(fā)射波束m向所述選擇的用戶設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
7、一種基于隨機(jī)波束成形的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其特征在于，包括
基站端，用于生成各元素的幅度恒定、相位隨機(jī)變化的波束成形酉矩陣C，并利用所述酉矩陣C向用戶設(shè)備發(fā)送多個(gè)不同的訓(xùn)練符號(hào)；
用戶設(shè)備，用于向基站反饋接收到的多個(gè)與發(fā)射波束對(duì)應(yīng)的SINR中的最大值及相應(yīng)的發(fā)射波束編號(hào)；
基站，用于為不同發(fā)射波束選擇該波束內(nèi)的最大SINR所對(duì)應(yīng)的用戶設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
8、如權(quán)利要求7所述基于隨機(jī)波束成形的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述基站端包括
相位生成單元，用于隨機(jī)生成多個(gè)在[0，2π)范圍內(nèi)均勻分布的相位；
Fourier矩陣生成單元，用于生成一個(gè)M×M維的Fourier矩陣；
隨機(jī)波束成形矩陣生成單元，用于根據(jù)所述相位生成單元生成的相位和所述Fourier矩陣生成單元生成的Fourier矩陣，獲取隨機(jī)波束成形矩陣。
9、如權(quán)利要求7所述基于隨機(jī)波束成形的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述用戶設(shè)備包括
SINR中的最大值獲取單元，用于獲取接收到的多個(gè)與發(fā)射波束對(duì)應(yīng)的SINR中的最大值；
波束編號(hào)獲取單元，用于獲取與所述SINR中的最大值獲取單元獲取的最大值相對(duì)應(yīng)的發(fā)射波束編號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于隨機(jī)波束成形的數(shù)據(jù)傳輸方法，包括以下步驟基站端生成各元素的幅度恒定、相位隨機(jī)變化的波束成形酉矩陣；基站端利用所述酉矩陣向用戶設(shè)備發(fā)送多個(gè)不同的訓(xùn)練符號(hào)；用戶設(shè)備向基站反饋接收到的多個(gè)與發(fā)射波束對(duì)應(yīng)的SINR中的最大值及相應(yīng)的發(fā)射波束編號(hào)；所述基站為不同發(fā)射波束選擇該波束內(nèi)的最大SINR所對(duì)應(yīng)的用戶設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本發(fā)明適用于任意的發(fā)射天線數(shù)目；本發(fā)明既保證波束成形矩陣的所有元素的幅度相同，這會(huì)顯著降低對(duì)功率放大器動(dòng)態(tài)范圍的要求，而且，僅僅用一組移相器就可以實(shí)現(xiàn)隨機(jī)波束成形技術(shù)，又能夠獲得與傳統(tǒng)的隨機(jī)波束成形系統(tǒng)完全相同的吞吐量。
文檔編號(hào)H04B7/04GK101355410SQ20081012659
公開日2009年1月28日 申請(qǐng)日期2008年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月18日
發(fā)明者夏明華, 金洙暢, 京 王, 偉 馮 申請(qǐng)人:韓國電子通信研究院, 清華大學(xué)