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1、1基于 PU2RC 的下行多用户 MIMO 系统多模发送方案张才华 1 许道峰 1 许威 2（1. 中国电子科技集团公司第二十八研究所，南京，210007）（2. 东南大学移动通信国家重点实验室，南京，210096）摘要：针对有限反馈下行多用户多输入多输出（multiple-input multiple-output, MIMO）系统，提出了一种基于每用户正交码率控制（per user unitary rate control, PU2RC）的多模发送方案。该方案通过最大化系统的遍历和速率来自适应地选取发送模式，即系统同时传输的并行数据流数目。由于直接计算系统 的遍历和速率比较困难， 论文推
2、导出它的一个上界，并以最大化该上界来简化发送模式的选取。仿真 结果表明，所提方案的遍历和速率性能优于传统PU2RC 方案，特别当系统中用 户数不大或者信噪比较高时 ，性能有明显的改善。关键词：多输入多输出，多用户 ，有限反 馈，每用户正交码率控制，多模发送PU2RC based multi-mode transmission for multi-user MIMO downlink systemsZhang Caihua1, Xu Daofeng1, Xu Wei2(1. The 28th Research Institute of China Electronics Technology G
3、roup Corporation, Nanjing, 210007, China)(2. National Mobile Communications Research Laboratory, Southeast University, Nanjing, 210096, China)Abstract: Based on per user unitary and rate control (PU2RC), this study presents a multi-mode transmission scheme for the multi-user multiple-input multiple-
4、output (MIMO) downlink systems with limited feedback. In the proposed scheme, the transmission mode, i.e., the number of data streams for simultaneous transmission, is adaptively chosen to maximize the ergodic sum rate of the system. Due to the difficulty in evaluating the ergodic sum rate, this pap
5、er derives an upper bound of the ergodic sum rate and uses it as the metric for transmission mode selection. Simulation results show that the proposed scheme achieves better ergodic sum rate performance than the conventional PU2RC scheme, especially when the number of users in the system is not so l
6、arge or the signal-to-noise ratio is high.Key words: multiple-input multiple-output (MIMO), multiuser, limited feedback, per user unitary and rate control (PU2RC), multi-mode transmission引言多用户多输入多输出（multiple-input multiple-output，MIMO ）系统可以同时获得空间复用增益和多用户分集增益，是当前地面蜂窝移动通信领域的一个研究热点 12。本文考基金项目：国家重点基础研究发
7、展计划（973 计划） （2007CB310603）资助项目；东南大学移动通信国家重点实验室自主研究基金（2011B01）资助项目。2虑下行多用户 MIMO 系统，对于该系统，在发送端采用脏纸编码（dirty paper coding，DPC ）可以达到其容量域 3。然而，DPC 过高的实现复杂度使其难以应用于实际系统，因此研究人员提出了一系列低复杂度的发送波束成型方案 46。早期针对发送波束成型的研究工作大都基于发送端已知完全的信道状态信息（channel State Information，CSI ）这一较为理想的假设。近年来，大量文献研究了基于非理想发送端CSI，特别是基于有限反馈的发送
8、波束成型方案 712。这些方案可以分为两类 7：一类是用户基于各自预先给定的码本对其信道信息量化后反馈给基站，根据这些信息，基站采用某种准则（如迫零、最小均方误差等）来设计预编码矩阵 89；在另一类方案中，各用户采用相同的码本，且该码本包含若干备选的预编码矩阵，这类方案包括正交随机波束成型（orthogonal random beamforming，ORBF） 10和每用户正交码率控制（per user unitary rate control， PU2RC） 1112等。其中，ORBF 采用一组随机产生的标准正交向量作为码本。基于该码本，各用户向基站报告其最优波束成型向量的标号及相应的信干噪
9、比（signal-to-interference-plus-noise ratio， SINR） 。收到所有用户的反馈信息后，基站选择出使系统和速率最大的用户集合进行并行数据传输。PU 2RC 则对 ORBF 进行了推广，它采用多组随机产生的标准正交向量作为其码本，可以获得比 ORBF 更好的系统性能。采用发送波束成型时，多用户 MIMO 系统同时传输的并行数据流数目（也称为发送模式）不能超过基站发送天线数。在有限反馈下行多用户 MIMO 系统中，包括 PU2RC 在内的大多数发送方案采用最大模式传输 1012，即发送模式等于基站发送天线数。最大模式传输在系统中用户数较大时能取得较好的性能，但
10、是在系统中用户数较小、尤其当信噪比（signal-to-noise ratio，SNR ）较高时，其性能不够理想 1213。为了改善 PU2RC 方案在该场景下的性能，本文基于 PU2RC 方案提出了一种多模发送方案，该方案以最大化系统的遍历和速率为目标自适应地选择发送模式，在用户数较少或 SNR 较高时可以明显改善系统的遍历和速率性能 1。1 下行多用户 MIMO 系统模型发送波束成型基站.M 根天线用户 1反馈信道用户 2用户 K反馈信道K 个用户用户选择.1 多用户 MIMO 系统中多用户的概念是相对于单用户而言的，指基站同时与多个用户通信，遍历和速率是衡量该系统性能的一项重要指标，因此
11、这里将其作为所提方案的优化目标。3图 1 有限反馈下行多用户 MIMO 系统考虑如 图 1 所示的有限反馈下行多用户 MIMO 系统，该系统包括一个配有 根天线M的基站和 个单天线用户， 。设信道是平坦衰落的，将基站到用户 之间的信道表KKM k示为 ，其中 表示共轭转置， 表示 维复数矩阵集合，()H,2Mk=hL()Hgmn的所有元素独立同分布，都为零均值单位方差的复高斯随机变量， 相互独立。12,KhL假设信道在一个时隙内保持不变，且用户在每时隙开始时刻准确获知该时隙内的 CSI，对其量化后通过一个无延时、无误差的反馈信道反馈给基站。基于所有用户的反馈信息，基站选择出进行并行数据传输的用
12、户集合并确定发送波束成型向量。将被调度的用户集合记为 ， ，这里 表示集合的势，则用户 的接收信号可以表示1,2KLSMSgkS为：* MERGEFORMAT (1)H,kkkjjkjyPdPdn=+hwS其中 、 、 分别为用户 对应的波束成型向量、归一化数据符号和加性白高斯1Mkwkdn噪声，且 服从零均值单位方差的复高斯分布， 则为基站对用户 的发送功率。基站发kk射功率的限制为 ，由于信道增益和噪声方差都是归一化的，这里 就表示每根kP=S P接收天线上的平均 SNR。设系统采用等功率分配 ，则用户 的接收 SINR 为：kP=SS* MERGEFORMAT (2)2Hkkjjg=+h
13、wS2 PU2RC 方案PU2RC 方案的处理过程主要包括以下两个部分 12：(1) 用户侧的信道信息量化反馈在每个时隙的开始，各个用户根据给定的码本将其信道方向信息（channel direction information，CDI ） 量化为单位向量 ，并以 个比特将其在码本中的标号反kk=shks$B馈给基站，这里 表示向量的欧几里得范数。此外，各用户还将其接收 SINR 反馈给基g站。量化码本由 组标准正交向量构成，可以表示为 ，其中 是第 个标准正Q1Qm=UCV交向量组，它包括 个标准正交向量。量化采用的准则为 。由于码本MHargxkkcss$C的大小为 ，因此每个用户用于 CD
14、I 量化反馈的比特数 ，其中C= ()2loBMQ表示向上取整运算。g(2) 基站侧的用户选择和发送波束成型在接收到所有用户的量化 CDI 和 SINR 后，基站选择出 个用户进行数据传输，并确4定传输所采用的波束成型向量，具体流程为：a) 对于码本 中的每一个向量，在量化 CDI 为该向量的用户中为其选择 SINR 最大的C用户。设 为 中的第 个元素， 表示量化 CDI 为,mnvVn, ,1:kmnmnK=sv$I的用户集合，则为 选择的 SINR 最大的用户为 。,n,mv ,argxnkuIb) 找出对应和速率最大的标准正交组，即 。(),21rxlo1mnMumQn*=+c) 选择
15、标准正交组 对应的用户集合 进行并行数据传输，并将 m*V,mnu* m*V中的向量用作发送波束成型向量。3 基于 PU2RC 的多模发送方案传统 PU2RC 方案在系统用户数较大时能取得很好的性能；但是在系统含有较小或中等数目的用户时，其性能不够理想 12。为了克服传统 PU2RC 方案的这一缺点，本文提出一种基于 PU2RC 的多模发送方案，该方案以最大化系统的遍历和速率为目标自适应地选取发送模式。将所选取的发送模式记为 ，则多模发送方案中用于 CDI 量化的码本可b,1NM以表示为 ，该码本包括 个标准正交组，其中每个正交组包括 个标准正交1Qm=UCVQ bN向量。给定每个用户用于 C
16、DI 量化反馈的比特数 ，则 随 按公式 变化，BQb2B=这里 表示向下取整运算。与 PU2RC 方案相同，码本 中的各个标准正交组也采用文献g C14中的方法随机独立生成。在确定了发送模式 和码本 后，多模发送方案的处理过程bN类似于 PU2RC 方案。值得注意的是：当 时，多模发送方案就退化为 PU2RC 方案。M=设 为 中的第 个元素， 表示量化 CDI 为 的用,mnvVn, ,1:kmnmnKsv$I ,mnv户集合，则用户 的接收 SINR 可以表示为：,mkI* MERGEFORMAT (3)b2H, b,1,knknmjjNj Pg=+hv由此得到给定发送模式 下的系统遍历和速率为：bN* MERGEFORMAT (4)()b,2,11EaxlogaxmnkmQnR
