一種基于用戶的統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息的預(yù)編碼方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于多天線及無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于用戶的統(tǒng)計(jì)信 道狀態(tài)信息的預(yù)編碼方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 過(guò)去數(shù)十年，多輸入多輸出（MultipleInputMultipleOutput,MIM0)被廣泛應(yīng) 用，該技術(shù)能夠在不增加額外帶寬和功率損耗的條件下，顯著提高無(wú)線系統(tǒng)的頻譜利用率。 然而，隨著智能手機(jī)的普及，現(xiàn)代通信系統(tǒng)要求更高的數(shù)據(jù)傳輸率和系統(tǒng)吞吐量，為解決該 問(wèn)題，人們逐漸展開了對(duì)大規(guī)模MM0系統(tǒng)的研宄。大規(guī)模MM0系統(tǒng)能夠提供更高的頻譜 利用率和系統(tǒng)吞吐量。
[0003] 然而，基站采取的預(yù)編碼策略會(huì)嚴(yán)重影響大規(guī)模MM0系統(tǒng)的性能，現(xiàn)有的預(yù)編 碼方法大多基于準(zhǔn)確的瞬時(shí)信道狀態(tài)信息（ChannelStateInformation,CSI)，例如迫零 (Zero-forcing,ZF)預(yù)編碼，最大比發(fā)送（Maximalratiotransmit,MRT)預(yù)編碼等。當(dāng)用 戶的信道狀態(tài)較為固定或變化緩慢時(shí)，基站能夠準(zhǔn)確估計(jì)用戶瞬時(shí)CSI的假設(shè)是合理的。 但是當(dāng)用戶信道狀態(tài)變化較快時(shí)，信道估計(jì)的準(zhǔn)確性受反饋延遲、處理延遲等因素的影響 嚴(yán)重時(shí)，準(zhǔn)確估計(jì)其瞬時(shí)CSI很難實(shí)現(xiàn)，對(duì)于這樣的用戶，利用其統(tǒng)計(jì)CSI進(jìn)行預(yù)編碼顯得 尤為重要，因?yàn)橛脩舻慕y(tǒng)計(jì)CSI只取決于天線參數(shù)和用戶周圍的環(huán)境，變化緩慢?，F(xiàn)有的利 用統(tǒng)計(jì)CSI進(jìn)行預(yù)編碼的方法中，大部分僅將統(tǒng)計(jì)CSI作為輔助信息，仍然需要利用用戶的 瞬時(shí)CSI。而只利用用戶的統(tǒng)計(jì)CSI進(jìn)行預(yù)編碼的方法只討論了基站服務(wù)兩個(gè)用戶的情況， 并且對(duì)這兩個(gè)用戶的統(tǒng)計(jì)CSI的特征空間分布有較高要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于用戶的統(tǒng)計(jì)信道狀 態(tài)信息的預(yù)編碼方法及系統(tǒng)，僅利用用戶的統(tǒng)計(jì)CSI，解決了大規(guī)模MIM0系統(tǒng)中用戶準(zhǔn)確 的瞬時(shí)CSI較難獲取，以及信道估計(jì)計(jì)算量大的問(wèn)題；此外，該方法不限定基站服務(wù)的用戶 數(shù)目，能夠同時(shí)服務(wù)于僅有統(tǒng)計(jì)CSI的用戶和有瞬時(shí)CSI的用戶，并且能夠有效避免兩類用 戶之間的干擾。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于用戶的統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài) 信息的預(yù)編碼方法，其特征在于，包括如下步驟：根據(jù)用戶的信道狀態(tài)，將用戶分為統(tǒng)計(jì)用 戶和瞬時(shí)用戶，基站獲取所有統(tǒng)計(jì)用戶的統(tǒng)計(jì)CSI和所有瞬時(shí)用戶的瞬時(shí)CSI;其中，第n 個(gè)統(tǒng)計(jì)用戶的統(tǒng)計(jì)CSI
&1^表示第11個(gè)統(tǒng)計(jì)用戶的第1個(gè)過(guò)去的信 道測(cè)量值，T表示可用來(lái)估計(jì)統(tǒng)計(jì)CSI的信道測(cè)量值個(gè)數(shù)，上標(biāo)H表示對(duì)向量或矩陣進(jìn)行共 軛轉(zhuǎn)置操作；所有瞬時(shí)用戶的瞬時(shí)CSI構(gòu)成KXM維的矩陣Ge，K為瞬時(shí)用戶數(shù)，M為基站的 天線數(shù)，G。的第k行為第k個(gè)瞬時(shí)用戶的瞬時(shí)CSIgak;對(duì)每個(gè)統(tǒng)計(jì)用戶，獲取其正交于其 他用戶的信道空間的正交子空間，并利用該正交子空間設(shè)計(jì)該統(tǒng)計(jì)用戶的預(yù)編碼向量；獲 取所有瞬時(shí)用戶正交于所有統(tǒng)計(jì)用戶的信道空間的正交子空間，并利用該正交子空間設(shè)計(jì) 所有瞬時(shí)用戶的預(yù)編碼矩陣；其中，第n個(gè)統(tǒng)計(jì)用戶的信道空間指矩陣的列空間，所有 瞬時(shí)用戶的信道空間指矩陣列空間，多個(gè)用戶的信道空間為各個(gè)用戶的信道空間 之和。
[0006] 優(yōu)選地，第n個(gè)統(tǒng)計(jì)用戶正交于其他用戶信道空間的正交子空間=nBRs.,,， 其中
I示向B的列空間的正交投影補(bǔ)，
其列 空間為除第n個(gè)統(tǒng)計(jì)用戶之外的其他用戶的信道空間，為第i個(gè)統(tǒng)計(jì)用戶的統(tǒng)計(jì)CSI，N為統(tǒng)計(jì)用戶數(shù)。
[0007] 優(yōu)選地，所有瞬時(shí)用戶正交于所有統(tǒng)計(jì)用戶的信道空間的正交子空間

其弓 表示向g的列空間的正交投影 Ksn 補(bǔ)，b、，其列空間為所有N個(gè)統(tǒng)計(jì)用戶的信道空間的近似值，Rs,"為第n個(gè)統(tǒng)計(jì) n=l 用戶的統(tǒng)計(jì)CSI的近似值；
[0008] 豆s,"通過(guò)如下方法得到：
[0009] (a)對(duì)第n個(gè)統(tǒng)計(jì)用戶的統(tǒng)計(jì)CSIrs"進(jìn)行特征值分解，得到RS," = ， 其中，As"是一個(gè)MXM維的對(duì)角矩陣，它的對(duì)角元素是矩陣的特征值，并且按降序排 列，Us,"也是MXM的矩陣，它的第j列是As,"的第j個(gè)特征值對(duì)應(yīng)的特征向量；
[0010] (b)選取第n個(gè)統(tǒng)計(jì)用戶的主特征值的個(gè)數(shù)Dn，使其滿足〇 5:D,, < /胃A ;
[0011] (C)將 " 近似為Xs.? = ，將 ,,近似：
[0012] (d)獲取第n個(gè)統(tǒng)計(jì)用戶的統(tǒng)計(jì)CSI的近似值Rs," =Us,"Ut。
[0013] 按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種基于用戶的統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息的預(yù)編碼系 統(tǒng)，其特征在于，包括：
[0014]CSI獲取模塊，用于根據(jù)用戶的信道狀態(tài)，將用戶分為統(tǒng)計(jì)用戶和瞬時(shí)用戶，使基 站獲取所有統(tǒng)計(jì)用戶的統(tǒng)計(jì)CSI和所有瞬時(shí)用戶的瞬時(shí)CSI;
[0015] 其中，第n個(gè)統(tǒng)計(jì)用戶的統(tǒng)計(jì)CSI
&^表示第11個(gè)統(tǒng)計(jì)用 戶的第t個(gè)過(guò)去的信道測(cè)量值，T表示可用來(lái)估計(jì)統(tǒng)計(jì)CSI的信道測(cè)量值個(gè)數(shù)，上標(biāo)H表示 對(duì)向量或矩陣進(jìn)行共軛轉(zhuǎn)置操作；所有瞬時(shí)用戶的瞬時(shí)CSI構(gòu)成KXM維的矩陣G。，K為瞬 時(shí)用戶數(shù)，M為基站的天線數(shù)，G。的第k行為第k個(gè)瞬時(shí)用戶的瞬時(shí)CSIgQk;
[0016] 統(tǒng)計(jì)預(yù)編碼模塊，用于對(duì)每個(gè)統(tǒng)計(jì)用戶，獲取其正交于其他用戶的信道空間的正 交子空間，并利用該正交子空間設(shè)計(jì)該統(tǒng)計(jì)用戶的預(yù)編碼向量；
[0017] 瞬時(shí)預(yù)編碼模塊，用于獲取所有瞬時(shí)用戶正交于所有統(tǒng)計(jì)用戶的信道空間的正交 子空間，并利用該正交子空間設(shè)計(jì)所有瞬時(shí)用戶的預(yù)編碼矩陣；
[0018] 其中，第n個(gè)統(tǒng)計(jì)用戶的信道空間指矩陣i,,的列空間，所有瞬時(shí)用戶的信道空間 指矩陣(^〇0的列空間，多個(gè)用戶的信道空間為各個(gè)用戶的信道空間之和。
[0019] 總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效 果：
[0020] (1)在本發(fā)明中，考慮到用戶瞬時(shí)CSI獲取的難易程度不同，將信道變化緩慢，準(zhǔn) 確的瞬時(shí)CSI容易獲取的用戶稱為瞬時(shí)用戶，將信道變化較快，準(zhǔn)確的瞬時(shí)CSI不易獲取 的用戶稱為統(tǒng)計(jì)用戶。以往的預(yù)編碼方法只討論了同時(shí)對(duì)瞬時(shí)用戶進(jìn)行預(yù)編碼，或只討論 了同時(shí)對(duì)統(tǒng)計(jì)用戶進(jìn)行預(yù)編碼，而本發(fā)明的預(yù)編碼方法能夠同時(shí)對(duì)瞬時(shí)用戶和統(tǒng)計(jì)用戶進(jìn) 行預(yù)編碼。并且，本發(fā)明利用大規(guī)模MM0系統(tǒng)空間自由度大的特點(diǎn)和正交投影的方法，通 過(guò)獲取每個(gè)統(tǒng)計(jì)用戶正交于其他所有用戶信道空間的正交子空間，以及所有瞬時(shí)用戶正交 于所有統(tǒng)計(jì)用戶信道空間的正交子空間，并利用正交子空間信息對(duì)兩類用戶分別進(jìn)行預(yù)編 碼，以此來(lái)完全消除用戶間干擾，使基站可以同時(shí)服務(wù)于統(tǒng)計(jì)用戶和瞬時(shí)用戶，并且能夠給 兩類用戶都提供較好的數(shù)據(jù)傳輸率。
[0021] (2)基站對(duì)統(tǒng)計(jì)用戶的預(yù)編碼向量的設(shè)計(jì)只利用統(tǒng)計(jì)用戶的統(tǒng)計(jì)CSI，其中利用 了特征值分解的方法獲得特征空間，再基于該特征空間對(duì)統(tǒng)計(jì)用戶進(jìn)行預(yù)編碼。因此，本發(fā) 明的預(yù)編碼方法不需要統(tǒng)計(jì)用戶發(fā)送上行的導(dǎo)頻信息，能有效降低導(dǎo)頻開銷，提高有效數(shù) 據(jù)的發(fā)送效率。此外，基站不需要對(duì)統(tǒng)計(jì)用戶的瞬時(shí)CSI進(jìn)行估計(jì)，能有效降低基站進(jìn)行信 道估計(jì)的計(jì)算量。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例的基于用戶的統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息的預(yù)編碼方法的流程圖；
[0023] 圖2是利用本發(fā)明的預(yù)編碼方法，在天線數(shù)M= 100,統(tǒng)計(jì)用戶數(shù)N= 1，瞬時(shí)用戶 數(shù)K= 10時(shí)，平均每個(gè)用戶的數(shù)據(jù)傳輸率的仿真圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0025] 如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的基于用戶的統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息的預(yù)編碼方法包括如 下步驟：
[0026] (1)根據(jù)用戶的信道狀態(tài)，將用戶分為統(tǒng)計(jì)用戶和瞬時(shí)用戶，基站獲取所有統(tǒng)計(jì)用 戶的統(tǒng)計(jì)CSI和所有瞬時(shí)用戶的瞬時(shí)CSI;
[0027] 根據(jù)用戶的信道狀態(tài)，將用戶劃分為瞬時(shí)用戶和統(tǒng)計(jì)用戶，基站可以同時(shí)向瞬時(shí) 用戶和統(tǒng)計(jì)用戶發(fā)送信號(hào)，在該實(shí)施方法中假設(shè)基站有M根天線，K個(gè)瞬時(shí)用戶，N個(gè)統(tǒng)計(jì)用 戶。
[0028] 在向統(tǒng)計(jì)用戶發(fā)送數(shù)據(jù)前，不需要估計(jì)統(tǒng)計(jì)用戶的瞬時(shí)CSI，只需要獲取他們的統(tǒng) 計(jì)CSI。對(duì)于第n個(gè)統(tǒng)計(jì)用戶，其統(tǒng)計(jì)CSI的理論值可表示為：RS,? =E{gtgs."}，其中g(shù)s，n 表示第n個(gè)統(tǒng)計(jì)用戶的瞬時(shí)CSI測(cè)量值，為1XM的向量，上標(biāo)H表示對(duì)向量或矩陣進(jìn)行共 軛轉(zhuǎn)置操作，E{*}表示求期望操作。在本發(fā)明的實(shí)施例中，統(tǒng)計(jì)用戶的統(tǒng)計(jì)CSI由基站根 據(jù)過(guò)去的信道測(cè)量值估計(jì)得到，對(duì)于第n個(gè)統(tǒng)計(jì)用戶（n= 1~N，且為整數(shù)），其統(tǒng)計(jì)CSI 的估計(jì)值3
.其中，gs，n，t表示第n個(gè)統(tǒng)計(jì)用戶的第t個(gè)過(guò)去的信道測(cè)量 值，T表示可用來(lái)估計(jì)統(tǒng)計(jì)CSI的信道測(cè)量值個(gè)數(shù)。
[0029] 假設(shè)基站已知瞬時(shí)用戶的瞬時(shí)CSI。設(shè)第k個(gè)瞬時(shí)用戶的瞬時(shí)CSI為1XM維的向 量gak(k= 1~K，且為整數(shù)），所有瞬時(shí)用戶的瞬時(shí)CSI構(gòu)成KXM維的矩陣G。，其中，第k 行為第k個(gè)瞬時(shí)用戶的瞬時(shí)CSI。
[0030] (2)對(duì)每個(gè)