CN101047414A - 一种结合接收天线选择和迫零波束成型的下行多用户方法 - Google Patents

一种结合接收天线选择和迫零波束成型的下行多用户方法 Download PDF

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Abstract

本发明结合接收天线选择和迫零波束成型的下行多用户复用方法,特征是用户端装配的射频器件数少于接收天线数;用户端对本用户的信道矩阵运行贪婪选择的算法,先从信道矩阵中选择具有最大二阶范数的行,再从将剩下的行投影到已经选取的行组成的子空间的零空间上,然后选择投影具有最大二阶范数的行,重复第二、三步操作直到该用户选出与射频器件数相等的接收天线子集;基站对所有用户的接收天线子集的信道状态信息进行激活接收天线子集的选择和迫零波束成型。本发明可在充分利用用户端多个接收天线的天线选择分集的同时降低所需要的射频器件的数目,从而降低实现成本,并降低基站所需要的信道状态信息和用户选择算法的复杂度。

Description

一种结合接收天线选择和迫零波束成型的下行多用户方法

技术领域

:本发明属于移动通信单小区多天线下行信道容量技术领域,特别是涉及多天线下行信道中基站根据信道状态信息进行调度和预处理的下行多用户复用方法。

背景技术

:多用户分集是目前移动通信单小区多天线下行信道容量技术领域广泛研究的、提高无线系统频谱效率的有效方法。

《国际电子与电气工程师协会国际通信会议会刊》(IEEE Internet.Conf.Communication ICC’05,Rio de Janeiro,Brazil,July 9-18,2005,pp.542-546)介绍了一种在基站有多天线、用户端有单天线的单小区多天线下行信道中基于迫零波束成型技术的下行多用户复用方法,该方法使用准正交用户信道选择方法来选择用户,当系统中用户数少的时候,不容易获得多用户分集,使所能达到的吞吐量受到很大的限制。

《国际电子与电气工程师协会通信领域选刊》(IEEE JSAC Special Issue on 4GWireless Systems IEEE)介绍了一种在基站有多天线、用户端有多天线的单小区下行信道中基于迫零波束成型技术利用用户端的多天线来获得天线选择分集的下行多用户复用方法,但该方法由于在用户端需要装配数目上等于接收天线数的昂贵的射频器件,使用户端的实现成本大大增加,而且基站所需的下行信道的信道状态信息和用户选择算法的复杂度随用户端的接收天线数成倍增长。

发明内容

:本发明提出一种结合接收天线选择和迫零波束成型的下行多用户复用方法,可在充分利用用户端多个接收天线的天线选择分集的同时降低用户端所需要的射频器件的数目,从而降低用户端的实现成本,并降低基站所需要的信道状态信息和用户选择算法的复杂度。

本发明结合接收天线选择和迫零波束成型的下行多用户复用方法,基站装配多根发送天线,用户端装配多根接收天线;在时分双工系统中,基站根据上下行信道的互易性对上行信道进行信道估计获得下行信道状态信息;在频分双工系统中,用户端把下行信道状态信息通过反馈链路通知基站,基站从所有用户端使用的接收天线集中选择出进行数据发送的激活接收天线子集;基站将发送数据的信号矢量与迫零波束矩阵相乘,该迫零波束矩阵为从基站的发送天线到激活接收天线子集的信道子矩阵的伪逆;基站根据灌水法在发送数据之间分配发送功率;用户端通过信道估计获得完整的下行信道状态信息;其特征在于:用户端装配的射频器件数少于接收天线数;用户端对本用户完整的下行信道状态信息构成的信道矩阵运行贪婪选择的算法:第一步先从信道矩阵中选择具有最大二阶范数的行,第二步将剩下的行投影到已经选取的行组成的子空间的零空间上,第三步选择投影具有最大二阶范数的行,重复第二、三步操作直到该用户选出与射频器件数相等的接收天线子集;基站对由所有用户端通过贪婪选择的算法选择出来的接收天线集合进行激活接收天线子集的选择和迫零波束成型。

所述激活接收天线子集的选择包括准正交用户信道选择、随机用户信道选择或以最大化吞吐率为目标的最优用户信道选择。

所述信道估计的方法包括利用导频信号和接收信号反求信道的方法、利用部分导频的半盲信道估计方法或不需要导频的盲信道估计方法。

以下通过分析本发明方法所依据的原理,并与现有技术相比较来说明本发明的优点。

本发明适用的单小区系统中包括一个基站和K个用户(编号为U_1,...,U_K),基站装配有M个发射天线,调度M个独立的数据进行发送,每个用户装配有N个接收天线,L个射频器件,且K>M,1≤L<N,用户k的接收信号可以描述为:Yk=HkSP1/2X+Wk(F1)其中,Yk为L×1的用户U_k接收天线子集上的接收信号矢量,Hk为用户U_k接收天线子集所对应的L×M的信道矩阵,S为M×M的预处理矩阵,P为M×M的对角阵,表示在各个数据子流上的发送功率分配,X为M×1的用户数据,Wk为L×1的用户接收的加性高斯白噪声矢量。在迫零波束成型中,预处理矩阵S为所选择接收天线集合∏={π1...πM}的信道矩阵H∏的伪逆:基站的多用户选择和迫零波束成型都需要下行信道的信道状态信息Hk,k=1,...,K。下行信道的信道状态信息的获取在时分双工和频分双工系统中有不同的途径。在时分双工系统中,基站通过对上行信道的信道状态信息H~k,k=1,...,]]>K进行估计,然后利用上下行信道的互易性,获得下行的信道状态信息Hk=(H~k)H,k=1,...,K.]]>在频分双工系统中,每个用户都估计出本用户的下行信道状态信息Hk,k=1,...,K,然后通过上行反馈信道通知基站。

用户U_k先对下行信道的状态信息进行估计,获得从基站发送天线到本用户所有接收天线的大小为N×M的信道增益矩阵 Hk,然后用户端对本用户的信道矩阵 Hk运行贪婪选择的算法,从所有N根接收天线中选择L根接收天线,这L根接收天线的信道构成基站所需的信道状态信息Hk。接收天线选择的贪婪算法描述如下:令 Hk(l),l=1,...,N表示用户U_k的信道增益矩阵 Hk第l行矢量;第一步,Hk= Hk(rl),其中r1=argmax1≤l≤N||H‾kl||2;]]>

第二步,对l=1,...,L-1,重复一下步骤,步骤1,计算Hk的零空间null(Hk);步骤2,将 Hk中所有未处理的行矢量投影到Hk的零空间null(Hk)上;步骤3,寻找投影后具有最大二阶范数的行 Hk(rl);步骤4,更新H‾k:=H‾kTH‾k(rl)TT;]]>第三步,Hk=Hk。

用户端在完成天线选择后,得到包含L根接收天线的接收天线子集,然后就通过射频切换器将L个射频器件连接到所选择的L根接收天线上,进入数据接收阶段。

基站获得下行信道的信道状态信息后,将所有用户选择出来的接收天线子集的信道矩阵构成一个KL×M的组合信道矩阵H=H1T...HKTT,]]>然后将所有用户选择出来的接收天线进行编号1,...,LK,它们构成基站进行系统中接收天线选择的初始备选集Γ={1,...,LK},它们对应着组合信道矩阵H的行。

当基站使用准正交用户信道选择方法时,基站按照以下步骤进行系统中激活接收天线子集的选择:第一步,激活接收天线子集初始化为空集,即∏=,辅助变量i初始化为i=1。

第二步,计算备选集中所有接收天线的信道增益,从中选出信道增益最大的接收天线,并将该接收天线的编号放入激活接收天线子集∏={π1},接收天线备选集更新为Γ:=Γ-∏,辅助变量i:=i+1,辅助的1×M矢量g~1=Hπ1.]]>第三步,对每一个接收天线k∈Γ,计算gk=Hk-HkΣj=1i-1g~j*g~j||g~j||2]]>第四步,根据以下方法选择激活接收天线子集的第i个元素:πi=argmaxk∈Γ||gk||2,]]>激活接收天线子集更新为∏:=∏∪{πi},接收天线备选集更新为Γ:=Γ-∏,辅助变量i:=i+1,辅助的1×M矢量更新为g~i=gπi]]>如果i<M,更新i:=i+1,转到第五步;

如果i=M,结束,完成激活接收天线子集的选择。

第五步,按如下规则更新接收天线备选集Γ:Γ:=(k∈Γ,|g~iHk|||g~i||||Hk||<α),]]>其中α为根据基站发射天线数、用户的接收天线数、射频器件数、系统中用户数和接收平均信噪比以最大化吞吐率为目标通过计算机仿真遍历得到的一个系统参数。

然后转到第三步。

当基站使用随机用户信道选择方法时,基站从接收天线选择的初始备选集Γ={1,...,LK}随机选择出M个接收天线,所选的M个接收天线即构成激活接收天线子集∏。

当基站使用以最大化吞吐率为目标的最优用户信道选择方法,基站要对所有从接收天线选择的初始备选集Γ={1,...,LK}选择出M个接收天线的选择方法进行遍历,然后计算每一种选择方法达到的吞吐率,并选择能够达到最大吞吐率的M个接收天线构成激活接收天线子集∏。

在基站完成激活接收天线子集∏的选择后,在所有用户的发送数据中选择对应的被选择用户的发送数据,组成发送数据矢量X,并按照如下两个步骤进行迫零波束成型、发送功率分配和数据发送。

第一步,将激活接收天线子集∏中的M个接收天线的信道向量组成信道矩阵HΠ=Hπ1T...HπMTT,]]>计算激活接收天线子集∏中的M个接收天线的在迫零波束成型中的增益放大矩阵GΠ=(HΠHΠH)-1,]]>其对角线元素bj=G∏(j,j)(j=1,...,M)是每个接收天线由于迫零波束成型产生的功率放大系数,为了满足基站总发射功率P的约束条件,根据b1,...,bM和总发射功率P用灌水的方法可以确定M个接收天线的发送功率分配:P=diag{p1,...,pM}:Pi=(μ/bi-1)+Σi∈Π(μ-bi)+=P'i=1,...,M,]]>其中μ是功率灌水的水平,(z)+=max(z,0)。

迫零波束成型的下行多用户系统能够达到的吞吐量可以表示为:R=Σi=1Mlog2(1+Piσn2)bits/channel use]]>

其中σn2为白噪声功率,而 表示发送信号矢量上每个信号子流的数据速率。

第二步,根据公式F2得到迫零波束成矩阵S。

第三步,基站将发送信号矢量X送入迫零波束成型模块,将X左乘破束成型矩阵S和功率分配矩阵P的开方P1/2,得到迫零波束成型模块的输出数据,然后通过M个发射天线发送出去。

对于有接收天线属于激活接收天线集合中的用户端,该用户在被选择的接收天线上的接收信号为:yi=Pixi+wi,i∈Π]]>将接收信号输入到数据解调模块对接收信号进行解调,即可以获得发送的数据信息xi。

与现有在用户端装配单天线的迫零波束成型技术的下行多用户复用方法相比,本发明利用了用户端多根接收天线的天线选择分集,在系统中用户数比较少的时候,获得了更大的吞吐率。

与现有在用户端装配多天线并使用跟接收天线数一样多的射频器件的下行多用户复用方法相比,本发明在利用了用户端多根接收天线的天线选择分集的同时,可以大大节省用户端的射频器件数,从需要KN个射频器件减少到KL个射频器件,从而降低用户端的实现成本,同时基站所需要的信道状态信息由一个KN×M的信道矩阵变为KL×M的信道矩阵,而进行激活接收天线集合的选择算法的复杂度也由KN次处理降低为KL次处理。

附图说明

:图1是本发明结合接收天线选择和迫零波束成型的下行多用户复用方法的系统原理示意图。

图2是结合接收天线选择和迫零波束成型用户端单天线迫零波束成型和用户端多天线但是不采用接收天线选择的迫零波束成型的下行多用户复用方法的吞吐率曲线。

具体实施方式

:以下结合附图说明本方法的实施例。

实施例1:本实施例应用在一个包括一个基站和K个用户的单小区系统中,以基站装配8根发射天线、用户端装配4根接收天线、用户端使用1、2或者3套射频器件、基站使用的激活接收天线子集的选择方法为准正交用户信道选择方法的多天线下行信道为例,说明结合接收天线选择和迫零波束成型的下行多用户复用方法的实施。下面为了描述的方便,用M表示基站的发射天线数,用N表示用户端的接收天线数,用L表示用户端的射频器件数,即在本实施例中,取M=8,N=4,L=1,2,3。

图1给出了本发明结合接收天线选择和迫零波束成型的下行多用户复用方法的实现系统框图:

在基站,下行信道状态信息获取模块3在时分双工和频分双工系统中通过如下的途径获得下行信道状态信息Hk,k=1,...,K:在时分双工系统中,下行信道状态信息获取模块3对上行信道的信道状态信息H~k,k=1,...,K]]>进行估计,然后利用上下行信道的互易性,获得下行的信道状态信息Hk=(H~k)H,k=1,...,K;]]>在频分双工系统中,每个用户将本用户的下行信道状态信息Hk,k=1,...,K通过上行反馈信道通知基站。用户的发送数据1通过激活接收天线选择模块2后形成M×1的发送数据矢量X,并送入迫零波束成型模块4,迫零波束成型模块4对发送数据矢量X左乘迫零波束成型矩阵,并按照灌水法进行发送功率分配,最后通过发射天线5将数据发送出去。

在用户端,接收天线选择模块7对从接收天线6接收下来的信号通过信道估计获得下行信道的信道状态信息,即4×8的信道增益矩阵 Hk,然后对本用户的信道矩阵 Hk运行贪婪选择的算法,从所有N根接收天线中选择L根接收天线,这L根接收天线的信道构成基站所需的信道状态信息Hk。接收天线选择模块7在完成接收天线选择后,就通过射频切换器将L套射频器件8连接到所选择的L根接收天线上,进入数据接收阶段。在数据接收阶段,用户端将接收信号输入到数据解调模块9对接收信号进行解调,即可以获得发送的数据信息。

基站获得下行信道的信道状态信息后,将所有用户选择出来的接收天线子集的信道矩阵构成一个KL×8的组合信道矩阵H=H1T...HKTT,]]>然后在激活接收天线选择模块2按照以下步骤进行系统中激活接收天线子集的选择:第一步,将所有用户选择出来的接收天线进行编号1,...,LK,它们构成基站进行系统中接收天线选择的初始备选集Γ={1,...,LK},它们对应着组合信道矩阵H的行,激活接收天线子集初始化为空集,即∏=,辅助变量i初始化为i=1。

第二步,计算备选集中所有接收天线的信道增益,从中选出信道增益最大的接收天线,并将该接收天线的编号放入激活接收天线子集∏={π1},接收天线备选集更新为Γ:=Γ-S,辅助变量i:=i+1,辅助的1×8矢量g~1=Hπ1.]]>第三步,对每一个接收天线k∈Γ,计算gk=Hk-HkΣj=1i-1g~j*g~j||g~j||2]]>第四步,根据以下方法选择激活接收天线子集的第i个元素:

πi=argmaxk∈Γ||gk||2,]]>激活接收天线子集更新为∏:=∏∪{πi},接收天线备选集更新为Γ:=Γ-S,辅助变量i:=i+1,辅助的1×8矢量更新为g~i=gπi]]>如果i<8,更新i:=i+1,转到第五步;如果i=8,结束,完成激活接收天线子集的选择。

第五步,按如下规则更新接收天线备选集Γ:Γ:=(k∈Γ,|g~iHk|||g~i||||Hk||<α),]]>其中α为根据基站发射天线数、用户的接收天线数、射频器件数、系统中用户数和接收平均信噪比以最大化吞吐率为目标通过计算机仿真遍历得到的一个系统参数。

然后转到第三步。

在激活接收天线选择模块2完成激活接收天线子集∏的选择后,在所有用户的发送数据1中选择对应的被选择用户的发送数据组成8×1的发送数据矢量X,并送入迫零波束成型模块4按照如下两个步骤进行迫零波束成型、发送功率分配和数据发送。

第一步,将激活接收天线子集∏中的8个接收天线的信道向量组成信道矩阵HΠ=Hπ1T...Hπ8TT,]]>计算激活接收天线子集∏中的8个接收天线的在迫零波束成型中的增益放大矩阵GΠ=(HΠHΠH)-1,]]>其对角线元素bj=G∏(j,j)(j=1,...,8)是每个接收天线由于迫零波束成型产生的功率放大系数,为了满足基站总发射功率P的约束条件,根据b1,...,b8和总发射功率P用灌水的方法可以确定8个接收天线的发送功率分配:P=diag{p1,...,p8}:Pi=(μ/bi-1)+Σi∈Π(μ-bi)+=P'i=1,...,8,]]>其中μ是功率灌水的水平,(z)+=max(z,0)。

迫零波束成型的下行多用户系统能够达到的吞吐量可以表示为:R=Σi=18log2(1+Piσn2)bits/s/Hz]]>

其中σn2为白噪声功率,而 表示发送信号矢量上每个信号子流的数据速率。

第二步,根据公式F2得到迫零波束成矩阵S。

第三步,基站将发送信号矢量X送入迫零波束成型模块,将X左乘破束成型矩阵S和功率分配矩阵P的开方P1/2,得到迫零波束成型模块的输出数据,然后通过8个发射天线5发送出去。

对于有接收天线属于激活接收天线集合中的用户端,该用户在被选择的接收天线6上的接收信号为:yi=Pixi+wi,i∈Π]]>将接收信号输入到数据解调模块9对接收信号进行解调,即可以获得发送的数据信息xi。

图2给出的本实施例的吞吐率曲线,是在下行信道 Hk,k=1,...,K为瑞丽不相关信道下,基站使用的激活接收天线子集的选择方法为准正交用户信道选择方法,假设用户为独立同分布的系统中,白噪声功率σn2=1,]]>基站发送总功率P=10dB时,结合接收天线选择和迫零波束成型、用户端单天线迫零波束成型和用户端多天线但是不采用接收天线选择的迫零波束成型的下行多用户复用方法的吞吐率曲线。图中横坐标为用户数,用户数从10到1000以对数规律递增,纵坐标为用比特每秒每赫兹表示的系统吞吐率。曲线A给出了用户端单天线迫零波束成型的下行多用户复用方法的吞吐率;曲线B给出了用户端装配N=4根接收天线,使用L=1套射频器件结合接收天线选择和迫零波束成型的下行多用户复用方法的吞吐率;曲线C给出了用户端装配N=4根接收天线,使用L=2套射频器件结合接收天线选择和迫零波束成型的下行多用户复用方法的吞吐率;曲线D给出了用户端装配N=4根接收天线,使用L=3套射频器件结合接收天线选择和迫零波束成型的下行多用户复用方法的吞吐率;曲线D给出了用户端装配N=4根接收天线和L=4套射频器件的不采用接收天线选择的迫零波束成型的下行多用户复用方法的吞吐率。由图2可见,在用户数从10到1000的情况下,结合接收天线选择和迫零波束成型的下行多用户复用方法的吞吐率比用户端单天线迫零波束成型的下行多用户复用方法的吞吐率要高,而且在用户数少的时候,这种提高十分明显。在用户数为10,在用户端采用N=4根接收天线,采用L=1,2,3套射频器件的结合接收天线选择和迫零波束成型的下行多用户复用方法的吞吐率比用户端单天线迫零波束成型的下行多用户复用方法的吞吐率分别提高10%,17%和20%。同时,由图2可以看到,在用户数在10到100之间的时候,用户端装配L=2,3套射频器件的结合接收天线选择和迫零波束成型的下行多用户复用方法的吞吐率与用户端装配L=4套射频器件的不采用接收天线选择的迫零波束成型的下行多用户复用方法的吞吐率之间的差别小于5%,当用户数在100到1000之间的时候,它们几乎一样。

本发明提出的结合接收天线选择和迫零波束成型的下行多用户复用方法与现有在用户端装配单天线的迫零波束成型技术的下行多用户复用方法相比,由于本发明利用了用户端多根接收天线的天线选择分集,在系统中用户数比较少的时候,可以获得更大的吞吐率;与现有在用户端装配多天线并使用跟接收天线数一样多的射频器件的下行多用户复用方法相比,本发明在利用了用户端多根接收天线的天线选择分集的同时,可以大大节省用户端的射频器件数,从需要KN个射频器件减少到KL个射频器件,从而降低了用户端的实现成本,同时基站所需要的信道状态信息由一个KN×M的信道矩阵变为KL×M的信道矩阵,而进行激活接收天线集合的选择算法的复杂度也由KN次处理降低为KL次处理。

Claims (3)

1.一种结合接收天线选择和迫零波束成型的下行多用户复用方法,基站装配多根发送天线,用户端装配多根接收天线;在时分双工系统中,基站根据上下行信道的互易性对上行信道进行信道估计获得下行信道状态信息;在频分双工系统中,用户端把下行信道状态信息通过反馈链路通知基站,基站从所有用户端使用的接收天线集中选择出进行数据发送的激活接收天线子集;基站将发送数据的信号矢量与迫零波束矩阵相乘,该迫零波束矩阵为从基站的发送天线到激活接收天线子集的信道子矩阵的伪逆;基站根据灌水法在发送数据之间分配发送功率;用户端通过信道估计获得完整的下行信道状态信息;其特征在于:用户端装配的射频器件数少于接收天线数;用户端对本用户完整的下行信道状态信息构成的信道矩阵运行贪婪选择的算法:第一步先从信道矩阵中选择具有最大二阶范数的行,第二步将剩下的行投影到已经选取的行组成的子空间的零空间上,第三步选择投影具有最大二阶范数的行,重复第二、三步操作直到该用户选出与射频器件数相等的接收天线子集;基站对由所有用户端通过贪婪选择的算法选择出来的接收天线集合进行激活接收天线子集的选择和迫零波束成型。
2.如权利要求1所述结合接收天线选择和迫零波束成型的下行多用户复用方法,特征在于所述激活接收天线子集的选择包括准正交用户信道选择、随机用户信道选择或以最大化吞吐率为目标的最优用户信道选择。
3.如权利要求1所述结合接收天线选择和迫零波束成型的下行多用户复用方法,特征在于所述信道估计的方法包括利用导频信号和接收信号反求信道的方法、利用部分导频的半盲信道估计方法或不需要导频的盲信道估计方法。
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