CN100574145C - 在多输入多输出通信系统中发送/接收数据的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种多输入多输出(MIMO)通信系统，用于在具有多个发射天线的发射设备和具有多个接收天线的接收设备之间通信。接收设备对用于建立到发射设备的信道的信道信息执行奇异值分解(SVD)，并将已SVD分解的信道信息反馈给发射设备。发射设备从接收设备接收已SVD分解的信道信息，对接收到的已SVD分解的信道信息执行QR分解，并设置要分配给信道的多个发射天线，由此进行波束形成。

Description

在多输入多输出通信系统中发送/接收数据的方法和设备
技术领域
本发明一般涉及用于多输入多输出(MIMO)通信系统的数据发送/接收方法和设备，尤其涉及在MIMO通信系统中，使用奇异值分解(SVD，singularValue decomposition)和QR分解来发送/接收数据的方法和设备。
背景技术
MIMO通信系统使用通过无线衰落信道提供高信道性能的技术中的一种。MIMO通信系统的主要目标是信道性能，尤其是，向用户提供最佳质量的信道和使用多用户分集来增加数据吞吐量变得日益重要。
图1是图示传统的多用户多输入单输出(MISO)系统的框图。现在描述在多用户MISO系统中发送数据的方法，如图所示，其中发射机包括多个天线，接收机包括单个天线。
在图1中，在接收机端接收到的信号y等于Hx+n。在此，H表示信道矩阵，x表示通过对输入信号s进行酉变换及由在发射机端的天线输出所得结果信号获得的信号向量，其等于Ws，而n表示噪声向量。W表示发射机的酉变换矩阵，并可以用QH来表示，发射机采用使用了酉变换矩阵W的波束形成。在此，Q表示正交矩阵，并且QQH＝I，其中上标H表示共轭转置。
因此，y变为HWs+n，如果对H进行QR分解，则y变为RQQHs+n＝Rs+n，由此减少了计算量。R表示下三角矩阵。就是说，如果对信道矩阵进行QR分解，则y就转换成包括下三角矩阵的公式，因此能减少它的计算量。
然而，和图1的接收机不同，如果一个接收机有多个天线，则接收机必须将关于所有信道的信息用于多个天线，从而，增加了从接收机反馈到发射机的数据量，也增加了发射机端的计算量。在这种情况下，为了把信道矩阵H分解为下三角矩阵而提供最佳信道性能，接收机必须通过几个步骤执行重复计算。
发明内容
为了充分克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种数据发送/接收方法和设备，用于通过在多用户MIMO系统中分解单用户MIMO信道对在多用户MISO系统上的多用户MIMO系统建模。
本发明还提供了一种数据发送方法和设备，用于对使用SVD从接收机反馈回来的信道信息执行QR分解，并且在QR分解结果上执行波束形成。
本发明还进一步提供了一种对信道信息执行SVD及将SVD分解的结果反馈到发射机的方法和设备。
根据本发明的一个方面，提供了一种多输入多输出(MIMO)通信系统，用于在具有多个发射天线的发射设备和具有多个接收天线的接收设备之间通信。所述接收设备对用于建立到发射设备的信道的信道信息执行奇异值分解(SVD)，并将已分解的SVD信道信息反馈到发射设备。发射设备从接收设备接收已SVD分解的信道信息，对所接收的已SVD分解的信道信息执行QR分解，并且设置要分配给信道的多个发射天线，从而进行波束形成。
最好，所述接收方法包括对于多个接收天线对信道矩阵Hk执行SVD分解，利用把信道矩阵Hk变换为有效信道矩阵Fk的矩阵，对单个天线将信道矩阵Hk分解成有效信道矩阵Fk，并且把该有效信道矩阵Fk反馈到发射设备。所述发射设备接收有效信道矩阵Fk，并且对接收到的有效信道矩阵Fk执行QR分解，从而进行波束形成。
附图说明
从以下的详细描述再结合附图，本发明前述的和其他的目的、特征及优点将更明显，其中：
图1是图示传统多用户多输入单输出(MISO)系统的框图；
图2是图示应用本发明的优选实施例的多用户MIMO通信系统的框图；以及
图3和4是图示本发明与现有技术的比较仿真结果的图。
具体实施方式
现在将参照附图详细描述本发明的优选实施例。在接下来的描述中，为了清楚和简明，已省略在此包含的已知的功能和结构的详细描述。
图2是图示应用本发明的优选实施例的多用户MIMO通信系统的框图。
在图2所示的MIMO通信系统中，利用K条无线下行链路，具有多个例如t个发射天线的一个发射机与每个具有多个例如rk个接收天线的各接收机通信，从而接收天线的总数r为
Figure C20051013637000061
接收机k的信道输出yk按Hkx+zk建模，其中x表示从发射天线发送到接收机的t×1输入信号向量，而t×1向量zk表示应用到接收机k的随机噪声。信道Hk是rk×t复矩阵。
在图2的系统中，接收机通过变换，把单用户的MIMO信道Hk分解成多用户MISO信道Fk，并反馈所得结果值到发射机。这可用等式(1)表示。
Fk＝Uk HHk                            ………………(1)
其中Uk H表示将单用户的MIMO信道Hk变换为多用户MISO信道Fk的矩阵。也就是说，Fk是选自用于rk个接收天线的信道Hk的有效信道矩阵。
在接收机端，如果对Hk进行SVD分解，则它可用Hk＝UkDkVk H表示，其中Dk是指示大小的对角矩阵，而Vk H是指示方向的矩阵。
因此，Fk可用等式(2)表示。
Fk＝Uk HUkDkVk H＝DkVk H    ………………(2)
接着，发射机对等式(2)的有效信道矩阵Fk通过对每个接收机的集合F＝[F1 T，...，Fk T]T应用QR分解，来进行波束形成。即，F表示有效广播信道，并可以被作为多用户MISO信道处理。换言之，发射机按照信道具有最大Dk的顺序把天线分配给各个信道，并因此确定天线的波束。
有效的广播信道F，如果它经过QR分解，则表示为F＝RW，其中R表示r×t下三角矩阵，W表示具有正交行的t×t矩阵。
假设用于波束形成的酉矩阵用WH表示，输入到发射机的发送信号用s表示，则接收机的信道输出y可用等式(3)来表示。
y＝Fx+z
＝RWWHs+z    ……………………(3)
＝Rs+z
其中y＝[y1 T，...，yk T]T，z＝[z1 T，...，zk T]T。即，本发明的特征在于，通过将单用户MIMO信道Hk分解为多用户MIMO系统中的Fk，在多用户MISO系统上对多用户MIMO系统建模来发送/接收数据。
图3和4是图示在按照根据用户数量即接收机数量来确定的下行链路信道的总速率性能方面在本发明和现有技术间比较的图。
在此，假定信噪比(SNR)为10dB。另外，SU-MIMO表示，通过基于SVD的最佳滤水法(water filtering solution)，并考虑点对点链路通信而获得的单用户速率。SU-MIMO等同于有一个用户的TDMA-MIMO。就用户数量的增加而言，TDMA-MIMO显示出较低增益。PU2RC(每用户酉反馈/波束形成和速率控制，Per-user Unitary Feedback/Beamforming and Rate Control)对应本发明的实施例，加括号的数目指示有效信道向量的数量。如图，就单用户而言，PU2RC在性能方面与SU-MIMO和TDMA-MIMO等同。然而，当用户数量足够大时，PU2RC在性能方面类似于实现最佳性能的迭代滤水(iterativewater filtering)。
在图3中，假设该系统有4个发射天线和2个接收天线，并且在图4中，假设该系统有4个发射天线和4个接收天线。
因此，在图3中，有效信道向量的数量是2，并且，当用户数为5时，1个有效信道向量的反馈性能非常近似于2个有效信道向量的反馈性能。
因此，在图4中能使用3种不同的反馈信息。即，可使用基于1个有效信道向量的反馈信息、基于2个有效信道向量的反馈信息及基于4个有效信道向量的反馈信息。将在下面描述基于有效信道向量数量的性能。为了1个或2个有效信道向量的性能等同于4个有效信道向量的性能，应该增加用户的数量。即，当用户数量足够大时，即使减少有效信道向量的数量，即减少从发射机反馈到接收机的信息量，本发明也能获得同样的性能。
如从前面的描述中可以了解到，本发明在多用户MISO信道上对多用户MIMO信道建模，从而减少在发射机端和接收机端的计算量，同时减少数据吞吐量。
另外，发射机利用通过SVD自接收机反馈来的信道信息执行QR分解和天线设置，因此提高了多信道选择分集的容量增益。
尽管参照某些优选的实施例已示出和描述了本发明，但是，本领域技术人员将会懂得，在不偏离由权利要求所定义的本发明的精神和范围情况下，可以对其在形式和细节上作出各种不同的变化。

Claims (12)

1、一种用于在具有多个发射天线的发送设备中发送和接收数据的方法，该具有多个发射天线的设备用于在多输入多输出(MIMO)通信系统中与具有多个接收天线的接收设备通信，该方法包括：
从接收设备接收用于从发送设备到接收设备建立的信道的已经过奇异值分解(SVD)分解的信道信息；
对所接收的已经过SVD分解的信道信息执行QR分解；
根据QR分解的结果，设置要分配给信道的多个发射天线，由此进行波束形成；以及
利用所设置的多个发射天线发送数据，
其中所述已经过SVD分解的信道信息是从由用于接收设备的MIMO信道矩阵Hk变换的有效多输入单输出(MISO)信道矩阵Fk得到。
2、如权利要求1所述的方法，其中Fk由Fk＝Uk HHk表示，
其中Uk H表示用于将用于单用户的MIMO信道矩阵Hk变换为用于多用户的有效MISO信道矩阵Fk的矩阵。
3、如权利要求1所述的方法，其中有效信道矩阵Fk是从接收设备反馈到发射设备。
4、如权利要求3所述的数据发送方法，其中所述发射设备接收有效信道矩阵Fk，并对接收到的有效信道矩阵Fk执行QR分解。
5、一种用于在具有多个接收天线的接收设备中发送和接收数据的方法，该具有多个接收天线的设备用于在多输入多输出(MIMO)通信系统中与具有多个发射天线的发射设备通信，该方法包括：
通过对MIMO信道矩阵Hk执行奇异值分解(SVD)而将信道矩阵Hk变换为有效多输入单输出(MISO)信道矩阵Fk；以及
将有效MISO信道矩阵Fk的已经过SVD分解的信道信息反馈到发射设备。
6、如权利要求5所述的方法，其中对信道矩阵Hk执行SVD分解包括：
为多个接收天线对信道矩阵Hk执行SVD分解；以及
利用用于将信道矩阵Hk变换为有效信道矩阵Fk的矩阵，为单个天线将信道矩阵Hk分解为有效信道矩阵Fk。
7、一种具有多个发射天线的发送设备，该具有多个发射天线的设备用于在多输入多输出(MIMO)通信系统中与具有多个接收天线的接收设备通信，该发送设备被适配为：
从接收设备接收用于从发送设备到接收设备建立的信道的已经过奇异值分解(SVD)分解的信道信息；
对所接收的已经过SVD分解的信道信息执行QR分解；
根据QR分解的结果，设置要分配给信道的多个发射天线，由此进行波束形成；以及
利用所设置的多个发射天线发送数据，
其中所述已经过SVD分解的信道信息是从由用于接收设备的MIMO信道矩阵Hk变换的有效多输入单输出(MISO)信道矩阵Fk得到。
8、如权利要求7所述的发送设备，其中Fk由Fk＝Uk HHk表示，
其中Uk H表示用于将用于单用户的MIMO信道矩阵Hk变换为用于多用户的有效MISO信道矩阵Fk的矩阵。
9、如权利要求7所述的发送设备，其中有效信道矩阵Fk是从接收设备反馈到发射设备。
10、如权利要求9所述的发送设备，其中所述发射设备接收有效信道矩阵Fk，并对接收到的有效信道矩阵Fk执行QR分解。
11、一种具有多个接收天线的接收设备，该具有多个接收天线的设备用于在多输入多输出(MIMO)通信系统中与具有多个发射天线的发射设备通信，该接收设备被适配为：
通过对MIMO信道矩阵Hk执行奇异值分解(SVD)而将信道矩阵Hk变换为有效多输入单输出(MISO)信道矩阵Fk；以及
将有效MISO信道矩阵Fk的已经过SVD分解的信道信息反馈到发射设备。
12、如权利要求11所述的接收设备，其中该接收设备被适配为：
为多个接收天线对信道矩阵Hk执行SVD分解；以及
利用用于将信道矩阵Hk变换为有效信道矩阵Fk的矩阵，为单个天线将信道矩阵Hk分解为有效信道矩阵Fk。
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