用于TD-HSPA+多用户MIMO系统的调制编码方式的选择方法 【技术领域】
本发明涉及一种用于TD-HSPA+多用户MIMO系统的调制编码方式的选择方法，属于无线多天线通信系统的技术领域。
背景技术
TD-HSPA+(增强高速分组接入)是TD-SCDMA(时分双工同步码分复用接入)系统的演进版本，其目的是减少传输时延，增强上下行数据业务的传输能力。相对于HSPA系统而言，在混合自动重传、自适应调制编码等技术基础上，增加了下行多天线MIMO(multiple input and multiple output)技术，以利用空间特性提高系统性能。作为3G系统向4G LTE(长期演进)系统演进的过度阶段，对TD-HSPA+系统的深入分析和研究，对于未来TD-LTE(时分双工长期演进)系统的研究有着重要的参考意义。
MIMO作为一种多天线技术，是HSPA+系统的关键部分，它充分利用了信道的空间特性，通过复用分集自适应，提升无线链路的系统容量和频谱效率。3GPP RAN#11次会议通过了将MIMO技术作为FDD(频分双工)系统的可选方案，并在RAN#18次会议将其引入到TDD(时分双工)系统中。在系统下行引入MIMO技术后，假设分别设有NT，NR根天线(其中NT为发射天线数，NR为接收天线数)，理论上则会有min(NT，NR)倍的系统吞吐量增益。
考虑到单用户MIMO，如果使用复用技术，移动台需要配置多根接收天线和接收射频设备，因硬件设备的复杂度会使成本显著上升，且在小体积的终端内实现非常困难。为了克服该缺点并得到系统的复用增益，在TD-HSPA+系统引入了多用户MIMO技术。相对于单用户MIMO，多用户MIMO技术是在用户终端只需一根天线，采用用户终端配对的方式，调度每个用户终端各自的信道矩阵组成一个整体信道H，再利用该信道H的信息对配对用户进行预编码，从而获得多用户分集增益，提高系统性能。
在无线3G系统HSPA+协议中，WCDMA(宽带码分多址接入)确定引入D-TxAA(双发送天线阵)的MIMO方案，而TD-HSPA+确定引入S-PARC(每流速率控制)的MIMO方案。相对于FDD系统，由于TD-HSPA+为TDD模式，上下行位于同一频点上，利用信道的互异性，基站能够得到全部信道状态信息，可以进一步优化系统性能。
现有TD-HSPA+系统中的多用户MIMO技术，系统每次发送数据所选用的调制编码方式是基于移动台上次调度的反馈信息得到的。
由于移动台在反馈CQI(信道质量指示)时，并不能获取下次传输的用户配对信息，计算的SINR(信号干扰噪声比)不包含用户间干扰的影响，得到的SINR值较高，因此基站选择的调制编码方式等级偏高，导致移动台在接收时的差错概率大，需要多次混合自动重传请求过程才能传输正确，浪费系统资源；另一方面，移动台在反馈CQI时，计算SINR使用的信道冲激响应是由本次调度下行信道的估计得到的，预编码是由移动台根据下行信道估计SVD(奇异值分解)获得的；在基站下次发送时，两次调度之间的信道会发生变化，从而导致反馈的CQI不准确，移动台接收差错概率上升。
因此，在TD-HSPA+多用户MIMO系统中选择调制编码方式时，如何尽可能地减小多用户间干扰和两次调度间信道变化对系统性能的影响，以解决上述现有技术存在的各种缺陷，提升系统首次传输正确率和增加基站平均吞吐量，就成为业内科技人员关注的焦点。
【发明内容】
有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于TD-HSPA+多用户MIMO系统的调制编码方式选择方法，该方法不需修改现有协议，也不需要增加信令开销，而且计算复杂度低，只需在基站侧对移动台反馈的CQI进行处理，减小用户间干扰和两次调度之间信道变化的影响，从而提升系统性能，尤其是在用户间干扰严重和用户相邻两次调度时延较长的场景下，该方法能够明显提高系统增益。
为了达到上述目的，本发明提供了一种用于TD-HSPA+多用户MIMO系统的调制编码方式的选择方法，其特征在：基站根据移动台反馈的前一次调度的下行链路的信道质量信息，综合考虑多用户间干扰和两次调度间信道变化的影响，选择本次调度的调制编码方式，以增加系统平均吞吐量和提高首传正确率；该方法包括下列操作步骤：
(1)基站调度用户终端，选择合适的调制编码方式传输数据，并记录本次调度的信道经过波束赋形后的增益，即信道冲激响应与预编码矢量的乘积；
(2)移动台接收下行数据和测量下行链路的信道质量，并将该信道质量指示CQI的测量结果反馈给基站；因该移动台此时无法获得配对用户终端信息，故在计算CQI时不考虑用户间干扰的影响；并且，计算CQI所用的预编码矩阵是由该移动台得到地，不同于基站在下次调度该移动台时所用的预编码矩阵；
(3)基站接收该移动台反馈的CQI，并估计该移动台的上行信道状态信息，再根据时分双工TDD系统的信道互惠性，获得该移动台的等效下行信道状态信息；
(4)基站根据该移动台的等效下行信道状态信息和前一次调度反馈的CQI，采用空分多址接入SDMA方式，在同一时隙和码道对多个用户终端进行调度；
(5)基站确定调度某个特定用户终端后，综合考虑用户终端间的干扰和两次调度间信道变化的影响，对该用户终端的前一次调度反馈的CQI表征的信号干扰噪声比SINR进行处理，再将处理后的SINR映射到不同的调制编码方式，然后，基站根据相应的调制编码方式，为调度的各个移动台发送数据；
(6)移动台选择采用包括白匹配滤波WMF、迫零ZF和最小均方误差MMSE的检测算法，消除干扰和噪声的影响，接收下行数据。
所述步骤(5)中，所述综合考虑用户终端间的干扰和两次调度间信道变化的影响的产生缘由是下述三个因素：移动台在反馈CQI时，不能预知下次调度配对用户终端的信道信息，计算的SINR无法考虑用户终端间的干扰，所以得出的SINR值偏大；
CQI反馈和下一次调度之间的时延可能很大，信道时变特性可能引起两次调度间的信道产生冲激响应；以及
CQI反馈的预编码矢量与基站发送的预编码矢量存在较大差异，信道经过波束赋形后的增益变化明显，造成调制编码方式的选择不准确。
所述步骤(5)中，对前一次调度反馈的SINR进行处理的计算公式为：γSINR=f(ΔH·W)1γf+f(Imulti-user);]]>式中，γf和γSINR分别是移动台上一次调度反馈的SINR值和本次传输处理后的SINR值，f(Imulti-user)是用户终端间的干扰影响，f(ΔH·W)是两次调度间信道变化的影响。
所述两次调度间信道变化的影响f(ΔH·W)中，H是基站与其当前调度的各个用户终端形成的信道矩阵；W是通过估计上行信道，基站由时分双工TDD系统的信道互惠性而获知该信道矩阵H后，再对该信道矩阵H进行奇异值分解SVD分解而得到的波束赋形的预编码矩阵；此时，经过波束赋形后的信道增益为：式中，矩阵中的元素gk，j的自然数下标k和j分别是移动台的序号及其接收的数据流的序号，其取值范围分别是：[1，K]和[1，S]，K是当前调度的所有用户终端的接收天线总数，S是基站波束赋型后的数据流总数；对于序号为k的移动台，其所需要接收的数据流为j，而在其接收的所有数据流集合[1，S]中，序号不等于j的各个数据流对于用户k都属于用户间干扰。
所述用户间干扰、即矩阵元素gk，j的大小是依据其在复数坐标轴上的矢量投影大小来衡量的，在该复数坐标轴上的投影越大，则用户终端的各个数据流之间的干扰越强。
所述用户终端间的干扰影响f(Imulti-user)的计算公式为：
f(Imulti-user)=λ1·Σj=1j≠iS|Prjgk,igk,j|2|gk,i|2;]]>式中，Prjxy是矢量y在矢量x上的投影，|·|为复数模值，λ1为对系统进行仿真或实际测试得到的固定调整常数，且λ1＞0；并对干扰影响f(Imulti-user)的计算结果进行门限处理：若f(Imulti-user)>1γf,]]>则f(Imulti-user)=1γf;]]>藉由上述计算公式，基站根据用户终端的数据流间干扰大小，相应地降低选择的调制编码方式等级，提高首传正确率和系统平均吞吐量。
所述两次调度间信道变化的影响f(ΔH·W)是以信道经过波束赋形后的增益变化来表征的，如果基站记录上次调度时的移动台k接收数据流i的传输增益为gk，i，本次调度时的该移动台k接收数据流j的传输增益为gk，j，则f(ΔH·W)=λ2|gk,j|2|gk,i|2;]]>式中，λ2为对系统进行仿真或实际测试得到的固定调整常数，且λ2＞0；
当本次传输的信道质量变好时，即|gk，j|2＞|gk，i|2时，相应增加SINR值，提高选择的调制编码方式等级；当本次传输的信道质量变差时，即|gk，j|2≤|gk，i|2时，相应减小SINR值，降低选择的调制编码方式等级；
两次调度间信道变化的影响f(ΔH·W)的计算结果进行门限处理：若|10lg(f(ΔH·W))|≥2dB，则|10lg(f(ΔH·W))|＝2dB；根据信道的时变特性，基站动态调整移动台反馈的SINR，以使所选择的调制编码方式更准确。
本发明方法的创新特点和有益效果是：基站综合考虑用户间干扰和两次调度间信道变化的影响，在不修改现有的通信协议体系和不明显增加系统复杂度和信令开销的基础上，基站只需在选择调制编码方式之前，先对SINR进行预处理，就能够明显提升系统的传输性能，提高首传正确率和系统平均吞吐量；尤其是在用户间干扰严重和两次调度时延明显的场景下，系统增益更加明显。
【附图说明】
图1是本发明方法的操作步骤流程图。
图2是多用户MIMO系统的传输结构模型示意图。
图3是多用户MIMO系统的用户终端间的干扰矢量投影图。
图4是Urban Macro场景两种调制编码方式选择算法的传输正确率对比图。
【具体实施方式】
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例仿真情况对本发明作进一步的详细描述。
参见图1，介绍本发明用于TD-HSPA+多用户MIMO系统的调制编码方式的选择方法：基站根据移动台反馈的前一次调度的下行链路的信道质量信息，综合考虑多用户间干扰和两次调度间信道变化的影响，选择本次调度的调制编码方式，以增加系统平均吞吐量和提高首传正确率。该方法包括下列操作步骤：
(1)基站调度用户终端，选择合适的调制编码方式传输数据，并记录本次调度的信道经过波束赋形后的增益，即信道冲激响应与预编码矢量的乘积；
(2)移动台接收下行数据和测量下行链路的信道质量，并将该信道质量指示CQI的测量结果反馈给基站；因该移动台此时无法获得配对用户终端信息，故在计算CQI时不考虑用户间干扰的影响；并且，计算CQI所用的预编码矩阵是由该移动台得到的，不同于基站在下次调度该移动台时所用的预编码矩阵；
(3)基站接收该移动台反馈的CQI，并估计该移动台的上行信道状态信息，再根据时分双工TDD系统的信道互惠性，获得该移动台的等效下行信道状态信息；
(4)基站根据该移动台的等效下行信道状态信息和前一次调度反馈的CQI，采用空分多址接入SDMA方式，在同一时隙和码道对多个用户终端进行调度；
(5)基站确定调度某个特定用户终端后，综合考虑用户终端间的干扰和两次调度间信道变化的影响，对该用户终端的前一次调度反馈的CQI信息表征的信号干扰噪声比SINR进行处理，再将处理后的SINR映射到不同的调制编码方式，然后，基站根据相应的调制编码方式，为调度的各个移动台发送数据；
(6)移动台选择采用包括白匹配滤波WMF、迫零ZF和最小均方误差MMSE的检测算法，消除干扰和噪声的影响，接收下行数据。
现有的TD-HSPA+多用户MIMO系统通常采用基站8根天线、移动台1根天线，基站在同一时隙码道同时调度两个用户终端，形成8×2天线配置。基站的8根天线采用基于SVD分解的非码本预编码进行波束赋形，赋形出两路数据流分别服务两个用户。
下面就以该系统的下行链路为例，具体说明本发明方法的各个操作步骤：
(1)基站调度用户终端，选择合适的调制编码方式传输数据，并记录本次调度用户终端1和用户终端2信道经过波束赋形后的增益g1，1和g2，2。
(2)两个移动台分别接收下行数据，并测量其下行链路的信道质量，再将CQI的测量结果反馈给基站。
(3)基站接收该两个移动台反馈的CQI，并对该两个移动台的上行信道进行估计，再根据TDD系统的信道互惠性，获得该两个移动台的等效下行信道状态信息。
(4)基站根据该两个移动台的等效下行信道状态信息和前一次调度反馈的CQI，通过空分多址接入SDMA方式，在同一时隙和码道对该两个移动台进行调度。
(5)基站确定调度某个特定用户终端后，分别对该两个移动台前一次调度反馈的CQI信息中的SINR进行处理，再将处理后的SINR映射到不同的调制编码方式，分别为调度的该两个移动台发送数据。
(6)该两个移动台采用联合检测算法，消除干扰和噪声的影响，接收下行数据。
其中步骤(5)，在TD-HSPA+8×2两个用户终端的MIMO系统，信道经过波束赋形后的效果可以写为：H×W=g1,1g1,2g2,1g2,2;]]>调度用户终端1的SINR调整可以表示为：γSINR=λ2|g1,1|2|g′k,k|21γf+λ1·|Prjg1,1g1,2|2|g1,1|2;]]>调度用户终端2的SINR调整可以表示为：γSINR=λ2|g2,2|2|g′k,k|21γf+λ1·|Prjg2,2g2,1|2|g2,2|2;]]>其中，g′k，k为两个用户终端上次调度时基站记录的传输增益，λ1，λ2分别是对系统进行实际测量或系统仿真得到的参数，并对和进行门限处理，在方案验证时通过仿真给出了推荐值。
本发明方法已经进行了多次仿真实施试验和评估。根据3GPP TR 25.996协议，先利用OPNET软件编写TD-HSPA+系统级仿真平台，再将多径空间相关信道模型和MIMO接收机检测算法放在系统级进行实施试验，链路级输入AWGN信道下的SNR-BLER接口文件。仿真实施试验对在TD-HSPA+多用户MIMO系统下，采用本发明的调制编码方式选择方法与原有算法的性能增益结果进行了比较和评估。下面是仿真实施试验和评估的相关参数：
下面的表是TD-HSPA+多用户MIMO系统级的各个仿真参数，
系统级仿真参数 市区宏小区/市区微小区(NLOS) 径数(N) 6 每一径的子径数目(M) 20 小区布局 19个小区，3扇区/小区 预编码方案 SVD分解(非码本) 同时调度用户数 2 多用户调度算法 贪婪算法 载频 1900MHz BS端天线数 8(天线间距0.5λ) UE端天线数 1 BS端天线增益 14dBi
UE端天线增益 0dBi BS噪声指数 5dB UE噪声指数 9dB 热噪声功率谱密度 -113dBm/Hz BS端总发射功率 43dBm 用户数 10个用户/扇区 业务类型 Full Buffer CQI时延 间隔2TTI 反馈错误率 0％ HARQ方法 Chase Combining 最大重传数目 3 接收检测方式 Linear MMSE MCS选择 首次传输BLER 10％ 调度算法 Proportional Fair(PF Factor 1/1000) UE移动速度 3km/h HS-PDSCH数目 3时隙/子帧
下面的表是本发明采用S-PARC单双流选择方法的推荐参数的设定值：
参数 仿真推荐值 λ1 0.1 λ2 0.9
参见图4，介绍在Urban Macro(市区宏小区)场景下，分别采用本发明的调制编码方式选择方法和原有的传统方法的传输正确率的对比图。
其中横坐标的0、1、2、3分别代表首传正确和经过1、2、3次重传后正确，4代表经过首次传输和3次重传后，仍然出错的概率。移动台接收端HARQ采用CC合并。
下面的表是基站平均吞吐量增益对比表(UE speed＝3km/h)
因此，本发明的调制编码方式选择方法和原有传统方法相比较，首传成功率和基站平均吞吐量有明显增益。所以，上述实施试验是成功的，实现了发明目的。