3d mu-mimo fdd系統(tǒng)中基于雙碼本有限反饋的多用戶調(diào)度方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及無線通信中3D MIM0有限反饋系統(tǒng)中的多用戶調(diào)度機(jī)制，具體為3D MU-M頂0 FDD系統(tǒng)中基于雙碼本有限反饋的多用戶調(diào)度方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 3D MM0系統(tǒng)中，基站端配置2D均勻面陣天線(URA)。與傳統(tǒng)MM0系統(tǒng)中的水平均 勻線陣(ULA)相比，無論是在天線數(shù)量和天線結(jié)構(gòu)上都有所不同。這不僅可以解決大規(guī)模 MIM0系統(tǒng)中面臨的基站空間和天線尺寸受限的問題，而且還充分挖掘了垂直方向的自由 度。結(jié)合現(xiàn)有有源天線系統(tǒng)(AAS)的使用，3D MHTO系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)水平方向上天線的權(quán) 值的自適應(yīng)調(diào)整，而且可以改變垂直方向上天線的權(quán)值，為垂直方向?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的傳輸、充分 利用空間資源提供了可能。
[0003] 就目前而言，對(duì)于3D MM0的研究大多是基于TDD下理想信道狀態(tài)信息（CSI)假設(shè) 的，基站估計(jì)上行信道并利用信道互易性來獲得下行信道狀態(tài)信息。但是，大規(guī)模MMO TDD 系統(tǒng)中，由于導(dǎo)頻信號(hào)空間的維數(shù)總是有限的，所以不可避免地總是存在不同小區(qū)的用戶 采用相同的導(dǎo)頻同時(shí)發(fā)射，從而導(dǎo)致基站無法區(qū)分，形成所謂的"導(dǎo)頻污染"。目前并沒有很 有效的方法可以完全消除導(dǎo)頻污染。這將導(dǎo)致3D MMO TDD系統(tǒng)得不到實(shí)際應(yīng)用，因此，從 3D MHTO的實(shí)際應(yīng)用角度而言，非常有必要對(duì)基站通過有限反饋獲得信道狀態(tài)信息的FDD系 統(tǒng)展開研究。
[0004] 現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)3DMHTOFDD系統(tǒng)的研究主要包括以下幾個(gè)方面:第一，基站信道狀態(tài)信 息參考符號(hào)(CSI-RS)設(shè)計(jì)，如何利用有限的CSI-RS資源獲取足夠充分的信道狀態(tài)信息是這 方面的研究焦點(diǎn)。第二，3D碼本的設(shè)計(jì)。如何利用3D-Mn?)信道的新特性，結(jié)合UPA天線配置， 設(shè)計(jì)合適的三維碼本對(duì)3DMIM0有限反饋系統(tǒng)的研究也十分重要。第三，對(duì)于FDD大規(guī)模3D MHTO系統(tǒng)，只能由用戶通過反饋鏈路將瞬時(shí)信道狀態(tài)信息反饋給基站，基站根據(jù)用戶的反 饋信息進(jìn)行預(yù)編碼，從而在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)波束賦形。大規(guī)模MM0系統(tǒng)中隨著基站天線數(shù)的大 量增加，傳統(tǒng)的CSI反饋量隨之呈線性增長(zhǎng)。而實(shí)際系統(tǒng)中的反饋鏈路頻率資源總是有限 的，因此CSI反饋方案的研究也是H)D 3D MIM0系統(tǒng)的一個(gè)重要方面。最后，對(duì)于3DMU-MM0 來說，同一小區(qū)的用戶一般比較多，如何從中選出最優(yōu)的用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸對(duì)系統(tǒng)性能的 提升，完成對(duì)多用戶的調(diào)度顯的十分重要。就目前而言，大部分學(xué)者主要集中在對(duì)前三方面 的研究，對(duì)3D MHTO用戶調(diào)度策略的研究少之甚少，個(gè)別研究也是基于傳統(tǒng)反饋方案的用戶 調(diào)度(配對(duì))機(jī)制。現(xiàn)有的單步反饋那樣用戶端必須獲得全部的信道信息，并且在現(xiàn)有時(shí)頻 資源有限的情況下，目前3D MM0系統(tǒng)基站端采用只在一行、一列天線上分配CSI-RS，從而 只獲得一行信道信息和一列信道信息。這對(duì)于基站配置大量天線的3D MHTO而言，將會(huì)帶來 巨大的資源浪費(fèi)與運(yùn)算負(fù)荷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供3D MU-Mnro FDD系統(tǒng)中基于雙碼本有限 反饋的多用戶調(diào)度方法，實(shí)用并且在降低用戶端計(jì)算復(fù)雜度的同時(shí)能夠提升系統(tǒng)性能。
[0006] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0007] 3D MU-MBTO FDD系統(tǒng)中基于雙碼本有限反饋的多用戶調(diào)度方法，包括如下步驟， [0008] 第一步，將3D MU-M頂0 FDD系統(tǒng)的水平碼本集合和垂直碼本集合同時(shí)儲(chǔ)存在基站 和用戶端；
[0009] 第二步，基站通過配置好的信道狀態(tài)信息參考符號(hào)端口，經(jīng)下行廣播信道向用戶 發(fā)送參考信號(hào)信息；
[0010] 第三步，用戶端根據(jù)收到的參考信號(hào)信息進(jìn)行下行信道估計(jì)，并根據(jù)獲得的3D信 道信息計(jì)算需要反饋的信道狀態(tài)信息即為CSI反饋信息，同時(shí)將該CSI反饋信息通過上行反 饋信道反饋給基站;所述的CSI反饋信息包括水平維度預(yù)編碼矩陣指示信息、垂直維度預(yù)編 碼矩陣指示信息、水平維度信道質(zhì)量信息和垂直維度信道質(zhì)量信息，分別簡(jiǎn)稱為水平維度 PMI、垂直維度PMI、水平CQI和垂直CQI;
[0011] 第四步，基站根據(jù)獲得CSI反饋信息將用戶從水平、垂直兩個(gè)維度進(jìn)行分組得到多 個(gè)水平用戶組和多個(gè)垂直用戶組，然后分別每個(gè)水平用戶組和垂直用戶組兩兩取交集得到 多個(gè)備選的可選調(diào)度用戶集合，基站再?gòu)亩鄠€(gè)備選的可選調(diào)度用戶集合中選出用戶CQI之 和最大的一組作為最終調(diào)度的用戶用于下行傳輸。
[0012] 優(yōu)選的，水平碼本集合由多個(gè)子碼本構(gòu)成，子碼本內(nèi)碼字矢量相互正交;垂直子碼 本集合也由多個(gè)子碼本構(gòu)成，子碼本內(nèi)碼字矢量碼字間距離取最大值。
[0013] 進(jìn)一步，用戶端在水平維度上與垂直維度上根據(jù)參考信號(hào)信息中的水平方向平均 信道相關(guān)矩陣和垂直方向信道相關(guān)矩陣進(jìn)行PMI計(jì)算時(shí)；
[0016]式中，8^1<必,1<，11^,1<、11^,1{分別為第1^個(gè)用戶水平碼字矢量11和垂直碼字矢量￥所在的 子碼本序號(hào)和子碼本內(nèi)的碼字矢量號(hào);Rh,k和Rv,k分別為第k個(gè)用戶水平、垂直方向的平均信 道相關(guān)矩陣;Gh和G v分別為水平垂直方向子碼本個(gè)數(shù);Mh和Mv分別為水平和垂直方向每個(gè)子 碼本內(nèi)碼字矢量的個(gè)數(shù)。
[0017]優(yōu)選的，水平CQI采用信干噪比SINR為指標(biāo)，如下式所示，
[0019]垂直CQI以垂直波束賦形增益為指標(biāo)，如下式所示，
[0021 ]式中，8^1<必,1<，11^,1<、11^,1{分別為第1^個(gè)用戶水平碼字矢量11和垂直碼字矢量￥所在的 子碼本序號(hào)和子碼本內(nèi)的碼字矢量號(hào);Rh,k和Rv,k分別為第k個(gè)用戶水平、垂直方向的平均信 道相關(guān)矩陣;Mh為水平方向每個(gè)子碼本內(nèi)碼字矢量的個(gè)數(shù);Nk為第k個(gè)用戶的接收天線個(gè)數(shù)； P為基站端發(fā)射功率。
[0022] 進(jìn)一步，所述的用戶CQI通過基站端對(duì)應(yīng)用戶的水平CQI和垂直CQI之積獲得。
[0023] 優(yōu)選的，第四步中，水平方向上用戶分組包括以下步驟：
[0024] 1)基站根據(jù)收到的CSI反饋信息，找到反饋水平子碼本序號(hào)gh,k和子碼本內(nèi)碼字矢 量號(hào)1^,1<均相同所有用戶集合；
[0025] 2)對(duì)步驟1)中每個(gè)用戶集合中選擇用戶CQI最大的一個(gè)用戶保留，其余用戶舍棄；
[0026] 3)基站再?gòu)牟襟E2)中保留下來的所有用戶中將子碼本號(hào)gh.dg同的分為一組，得 到多個(gè)水平用戶組。
[0027] 優(yōu)選的，第四步中，垂直方向上用戶分組時(shí)；基站根據(jù)收到的垂直方向的CSI反饋 信息，找到反饋?zhàn)哟a本序號(hào)為gv的用戶分為一組，將用戶在垂直方向上分為多組。
[0028] 優(yōu)選的，第四步中，垂直方向上用戶分組時(shí);基站將所有子碼本中的所有碼字作為 一個(gè)大的碼本集合，然后從所有垂直碼字中選擇量化到不同碼字矢量的用戶，如果某個(gè)碼 字對(duì)應(yīng)多個(gè)用戶則只保留CQI最大的一個(gè)，剩下的舍棄；由保留下來的用戶組成一個(gè)垂直維 度的用戶組。
[0029] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：
[0030] 本發(fā)明將水平、垂直維度信道信息分開反饋，無須在用戶端獲得全部的信道信息， 極大的減小了運(yùn)算量。同時(shí)能夠用于基站端獲得全部信道信息的情況，也能夠很好地應(yīng)用 在基站端獲得一行、一列信道信息的情況，具有更強(qiáng)的適用性。雖然本發(fā)明不能減少反饋比 特?cái)?shù)，但是卻可以通過水平和垂直兩次低維矩陣運(yùn)算代替高維矩陣運(yùn)算，從而大大降低了 用戶端的計(jì)算復(fù)雜度，同時(shí)也降低了基站和用戶端碼本存儲(chǔ)的空間。也由于從水平、垂直兩 個(gè)維度進(jìn)行用戶分組調(diào)度，能夠很好的保證所調(diào)度用戶的系統(tǒng)性能。
【附圖說明】
[0031] 圖1是本發(fā)明實(shí)例中所述的單小區(qū)3D MU-MBTO系統(tǒng)模型。
[0032] 圖2是本發(fā)明實(shí)例中所述水平維度用戶分組示意圖。
[0033] 圖3是本發(fā)明實(shí)例中所述方案一垂直維度用戶分組示意圖。
[0034] 圖4是本發(fā)明實(shí)例中所述方案二垂直維度用戶分組示意圖。
[0035] 圖5是本發(fā)明實(shí)例中所述信噪比為10dB時(shí)小區(qū)平均頻譜效率隨總用戶數(shù)的變化示 意圖。
[0036]圖6是本發(fā)明實(shí)例中所述信噪比為10dB時(shí)平均調(diào)度用戶隨總用戶數(shù)的變化示意 圖。
[0037]圖7是本發(fā)明實(shí)例中所述總用戶數(shù)為30,信噪比為20dB是每用戶平均頻譜效率CDF 曲線。
[0038] 圖8是本發(fā)明實(shí)例中所述小區(qū)用戶數(shù)為30時(shí)，小區(qū)平均頻譜效率隨信噪比的變化 示意圖。
[0039] 圖9是本發(fā)明實(shí)例中所述小區(qū)用戶數(shù)為30時(shí)，平均調(diào)度用戶隨信噪比的變化示意 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040]下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而 不是限定。
[0041 ]本發(fā)明所述的3D MU-MMO FDD系統(tǒng)中基于雙碼本有限反饋的多用戶調(diào)度方法，所 述的單小區(qū)3D MU-Mnro系統(tǒng)模型如圖1所示，該系統(tǒng)包括一個(gè)基站和K個(gè)均勻分布的激活用 戶，基站可同時(shí)調(diào)度的用戶數(shù)為S，分別記為用戶1，用戶2…用戶S?；径伺鋫銷t = NhXNv根 呈2D均勻面陣分布的天線(Nh為水平方向列天線個(gè)數(shù)，Nv為垂直方向行天線個(gè)數(shù)）。用戶端采 用單天線(N r=l)接收信號(hào)。假設(shè)基站總發(fā)射功率為P，采用功率平均，則每用戶的功率為P/ S。對(duì)于同時(shí)調(diào)度的S個(gè)用戶，第i個(gè)用戶的接收信號(hào)可以表示為：
[0043]式中a 為第i個(gè)用戶的接收信號(hào)；Xlec為第i個(gè)用戶的發(fā)送符號(hào)，且滿足 別= 1; n,~GV(〇, < I)第i個(gè)用戶的復(fù)加性高斯噪聲，方差為0w,. e 為第 i個(gè)用戶預(yù)編碼矩陣;H, eCv'x%xA^為第i個(gè)用戶到基站的3D信道矩陣。
[0044]對(duì)于FDD系統(tǒng)，基站無法像TDD系統(tǒng)那樣獲得每用戶全部的信道信息出，基站根據(jù) 用戶的有限反饋信息（如PMI、CQI等)從碼本C={C() c,…c2S}(B為反饋比特?cái)?shù)）中選擇合理 碼字矢量作為量化信道或預(yù)編碼矢量，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。為了降低用戶端計(jì)算反饋信 息的復(fù)雜度，我們將小區(qū)內(nèi)第k個(gè)用戶的信道信息Hk分水平、垂直兩個(gè)維度進(jìn)行量化。記第i 行水平維度信道為味丨以=，.第j列垂直維度的信道記為= U.,NA)，那么按照 列式索引，第k個(gè)用戶信道可以表示為，按照行式索引，又可以表示 為式⑴中的預(yù)編碼矩陣￥1也不能像TDD系統(tǒng)中根據(jù)已知的信道信 息進(jìn)行設(shè)計(jì)，而是在用戶端通過計(jì)算得到信道矢量最為匹配的碼字矢量作為預(yù)編碼矩陣， 即liiCbd，然后反饋到用戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。那么第i個(gè)用戶的信干噪比可以表示為：
[0046] 本發(fā)明提出的3D MU-Mnro FDD系統(tǒng)中基于雙碼本有限反饋的多用戶調(diào)度機(jī)制的 具體步驟如下：
[0047] 1)將水平碼本集合和垂直碼本集合同時(shí)儲(chǔ)存在基站和用戶端；
[0048] 水平碼本集合Ch由Gh個(gè)碼字矢量相互正交的DFT子碼本構(gòu)成，每個(gè)子碼本包含Mh個(gè) 碼字矢量