CN101170340B - 低复杂度多用户多天线正交频分复用系统子信道分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低复杂度多用户多天线正交频分复用系统子信道分配方法。每个子载波上，各用户以其频域信道矩阵非零奇异值所对应的左奇异向量作为线性接收机，将线性接收后的等效信道矩阵利用反馈信道反馈给发射机。发射机获得所有子载波上每个用户的信道信息，基于脏纸编码技术，将空间子信道分配给增益较大的用户；然后利用注水法将总发射功率分配给所有子载波的每个空间子信道。仿真和分析表明：本发明方法简单，可以获得接近于Sato界的和速率信容量。

Description

低复杂度多用户多天线正交频分复用系统子信道分配方法

技术领域

本发明涉及一种低复杂度多用户多天线正交频分复用系统子信道分配方法，具体涉及一种应用于发射机利用信道信息在每个子载波上分配空间子信道和发射功率的方法。属于无线通信系统中多天线-正交频分复用技术领域。 

背景技术

近年来，在发射机和接收机采用多个天线，构成多天线通信系统，可以获得较高的信道容量和信息传输的可靠性。多天线通信与正交频分复用技术相结合，构成多天线正交频分复用系统，将时域频率选择性信道转换为频域平坦信道，有效地抵抗了多径衰落。此外，在蜂窝通信系统中，往往有多个用户和基站进行通信。下行链路中，基站向各用户发射不同的数据流，形成了多用户多天线正交频分复用系统。在多用户多天线正交频分复用系统中，在每个子载波为合适的用户分配空间子信道，设计有效的子信道分配方法可以实现较大的和速率信道容量。在传统的正交频分复用多址方法中，每个子载波上将所有的子信道只分配给一个用户传输信号；将该用户的频域信道矩阵进行奇异值分解，发射机预处理矩阵为右奇异向量，接收机为左奇异向量，从而将频域信道矩阵分解为多个独立并行的子信道。该方法的优点是实现简单，其缺点是由于利用的空间子信道数有限，不能实现最优的和速率信道容量。 

一种较优的子信道分配方法是协作迫零连续编码和分配(Pedro Tejera，Wolfgang Utschick，Gerhard Bauch and Josef A.Nossek，“Subchannel Allocation inMultiuser Multiple-Input-Multiple-Output Systems，”IEEE Trans.InformationTheory，vol.52，pp.4721-4733，Oct.2006)。与正交频分复用多址方法相比较，协作迫零连续编码和分配方法可以实现更高的和速率信道容量；然而，该方法需要发射机和接收机联合处理，进行多次迭代矩阵奇异值分解，将频域矩阵信道分解为多个标量子信道分配给合适的用户，计算复杂度较高。 

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种低复杂度多用户多天线正交频分复用系统子信道分配方法，不需要多次迭代矩阵奇异值分解，可以实现较优的性能。 

为实现这一目的，本发明的低复杂度多用户多天线正交频分复用系统子信道分配方法中，每个子载波上，各用户以其频域信道矩阵非零奇异值所对应的左奇异向量作为线性接收机，将线性接收后的等效信道矩阵利用反馈信道反馈给发射机。发射机获得所有子载波上每个用户的信道信息，基于脏纸编码技术，将空间子信道分配给增益较大的用户；然后利用注水法将总发射功率分配给所有子载波上的每个空间子信道。 

本发明的方法包括如下具体步骤： 

1、每个子载波上，各用户根据接收的导频数据估计自身的频域信道矩阵；并对频域信道矩阵进行奇异值分解，将非零奇异值所对应的左奇异向量构成用户接收机；然后利用所求得的接收机取共轭转置之后乘以频域信道矩阵获得等效信道矩阵。 

2、各用户通过反馈信道将其每个子载波上的等效信道矩阵反馈给发射机；发射机将获得的每个子载波上所有用户的等效信道矩阵纵向合并构成该子载波上的总信道矩阵；求总信道矩阵的秩，该秩即为该子载波上发射机所能提供的最大的空间子信道数。 

3、在总信道矩阵中，首先选取向量2范数最大的行，为其对应的用户分配一个空间子信道，该空间子信道的增益为该向量2范数的平方；建立已分配信道矩阵和未分配信道矩阵，将该行作为已分配信道矩阵的第一行，总信道矩阵去掉该行后形成未分配信道矩阵。 

4、根据所获得的已分配信道矩阵求其零空间上的投影矩阵；将未分配信道矩阵的每一行投影到已分配信道矩阵的零空间上，求得该投影的向量2范数；比较未分配信道矩阵的每一行在已分配信道矩阵的零空间上的投影的向量2范数，找出最大的向量2范数所在的行，为该行所对应的用户分配一个空 间子信道，该空间子信道的增益为该最大的向量2范数的平方；将该行加入到已分配信道矩阵的最后一行；未分配信道矩阵去掉该行后形成新的未分配信道矩阵。 

5、如果已分配信道矩阵的行数小于该子载波上按步骤2所求得的总信道矩阵的秩，则重复步骤4，直到已分配信道矩阵的行数等于该子载波上总信道矩阵的秩为止；从而获得该子载波上的每个空间子信道所分配的用户及其增益。 

6、对所有的子载波完成步骤2到步骤4的计算，获得所有子载波上的空间子信道分配的用户及其增益；利用所有空间子信道的增益，按照注水法将发射机总发射功率分配在这些空间子信道上，从而获得所有子载波上每个空间子信道的发射功率。 

本发明方法中各用户的接收机在每个子载波上只需进行一次频域信道矩阵的奇异值分解，接收机反馈的信道信息是线性接收后的等效信道矩阵。它不需要发射机和接收机进行协作和多次迭代奇异值分解，复杂度低于协作迫零连续编码和分配方法。在每个子载波上，本发明方法将空间子信道分配给多个增益较大的用户，与正交频分复用多址方法相比，提高了可以实现的和速率信道容量。 

本发明方法的计算量主要是矩阵奇异值分解。为了分析简单起见，假设多用户多天线正交频分复用系统中，发射天线数为t，每个用户的接收天线数相同为r；每个子载波上用户信道矩阵的秩为q。协作迫零连续编码和分配方法矩阵奇异值分解的计算复杂度为O(min{r²t，rt²}×K×q×N)。本发明方法所有矩阵奇异值分解的计算复杂度O(min{r²t，rt²}×K×N)，降低了q倍，所以实现起来更加简单。 

附图说明

图1为多用户多天线正交频分复用系统子信道分配的和速率信道容量性能图。 

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。 

考虑一16个子载波、10个用户的多用户多天线正交频分复用系统，基站采用4个发射天线，每个用户采用2个接收天线。每个子载波上各用户的频域信道矩阵的元素为独立、同分布、零均值、方差为1的复高斯随机变量。不同用户的信道相互独立。噪声功率归一化为1，总发射功率由系统的信噪比(SNR)计算得出。 

具体的实施步骤如下： 

1)每个子载波上，各用户根据接收的导频数据估计自身的频域信道矩阵，记为H_k(n)(k＝1，…，10，n＝1，…，16)；各用户对H_k(n)进行奇异值分解，求得 

H_k(n)＝U_k(n)∑_k(n)Q_k(n)^H                      (1) 

各用户以H_k(n)的非零奇异值所对应的左奇异向量即矩阵U_k(n)的列向量作为线性接收机；对U_k(n)取共轭转置之后乘以H_k(n)，获得等效信道矩阵 

${\tilde{H}}_k\left(n\right)=U_k{\left(n\right)}^H{H}_k\left(n\right)---\left(2\right)$

2)各用户通过反馈信道将其每个子载波上的等效信道矩阵 

反馈给发射机；发射机将获得的每个子载波上所有用户的等效信道矩阵纵向合并构成该子载波上的总信道矩阵，即 

$\tilde{H}\left(n\right)=[{\tilde{H}}_1{\left(n\right)}^T,...,{\tilde{H}}_{10}{\left(n\right)}^T{]}^T---\left(3\right)$

求 的秩，获得 

该秩即为该子载波上发射机所能提供的最大的空间子信道数。 

3)在总信道矩阵 中，首先选取向量2范数最大的行 

$l_0=\underset{l}{\arg \max }\left\{{\left|\right|{\tilde{h}}_l\left(n\right)\left|\right|}^2\right\}$

上式中 是 

的第l行。给第l₀行所对应的用户分配一个空间子信道， 该空间子信道的增益g_1，n为向量 的向量2范数的平方，即 $g_{1,n}={\left|\right|{\tilde{h}}_{l_0}\left(n\right)\left|\right|}^2.$  建立已分配信道矩阵H_yf和未分配信道矩阵H_wf,将 

作为已分配信道矩阵H_yf的第一行，即 

$H_{\mathrm{yf}}={\tilde{h}}_{l_0}\left(n\right)---\left(5\right)$

总信道矩阵去掉第l₀行后形成新的未分配信道矩阵，所以 

$H_{\mathrm{wf}}=[{\tilde{h}}_1{\left(n\right)}^T,...,{\tilde{h}}_{l_0-1}{\left(n\right)}^T,{\tilde{h}}_{l_0+1}{\left(n\right)}^T,...,{\tilde{h}}_{20}{\left(n\right)}^T]---\left(6\right)$

初始化H_yf的零空间上的投影矩阵T为单位阵，即T＝I₄；初始化循环变量j为2。 

4)根据所获得的已分配信道矩阵H_yf求其零空间上的投影矩阵，设  $p\left(n\right)=\frac{{\tilde{h}}_{l_0}\left(n\right)T}{\left|\right|{\tilde{h}}_{l_0}\left(n\right)T\left|\right|},$ 则已分配信道矩阵零空间的投影矩阵为 

T＝T-p^H(n)p(n)    (7) 

将未分配信道矩阵的每一行 投影到T上，获得其投影为 

该投影的向量2范数是 

比较未分配信道矩阵H_wf的每一行在T上的投影的向量2范数；找出该投影的向量2范数最大的行 $l_0=\underset{l}{\arg \max }\left\{{\left|\right|{\tilde{h}}_l\left(n\right)T\left|\right|}^2\right\},$  为该行所对应的用户分配一个空间子信道，该空间子信道的增益为该投影的向量2范数的平方，即 $g_{j.n}={\left|\right|{\tilde{h}}_{l_0}\left(n\right)T\left|\right|}^2;$ 将该行加入到已分配信道矩阵的最后一行；未分配信道矩阵去掉该行后形成新的未分配信道矩阵。 

5)将j加1，即j＝j+1。如果j小于该子载波上按步骤2)所求得的总信道矩阵的秩R_n，则重复步骤4)直到j等于R_n为止；从而获得该子载波上的每个空间子信道所分配的用户及其增益g_j，n，j＝1，...R_n。 

6)对所有的子载波完成步骤2)到步骤4)的计算，可获得所有子载波上的空间子信道分配的用户及其增益g_j，n，j＝1，...R_n，n＝1，...16；利用所有空间子 

信道增益，按照注水法将发射机总发射功率分配在这些空间子信道上，从而获得所有子载波上每个空间子信道的发射功率为 $P_{j,n}=\max (\mathrm{\η}-\frac{1}{g_{j,n}},0),$ 其中η需满足 $\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{R_n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{j,n}=P_{\mathrm{Tx}},$ P_Tx等于信噪比乘以噪声功率1，数值上与信噪比相等。 

图1为本发明方法与正交频分复用多址、协作迫零连续编码和分配方法的和速率信道容量性能比较。基站发射天线数4远少于所有用户总的接收天线数20；发射机所能提供的子信道数有限，最大为4，需要根据用户的频域信道矩阵将子信道分配给信道质量较好的用户。从图中可见，本发明的方法和协作迫零连续编码和分配方法都可以有效分配空间子信道，在每个子载波上可以复用多个用户的数据，实现较优的和速率信道容量，接近Sato界。正交频分复用多址方法的性能差于本发明的方法。 

对于该实例，信道模型为复高斯随机变量，每个子载波上用户信道矩阵的秩q＝4。协作迫零连续编码和分配方法中矩阵奇异值计算所需乘法的运算量为10240，本发明方法中矩阵奇异值计算所需乘法的运算量为2560，降低了4倍。 

Claims (1)

1.一种低复杂度多用户多天线正交频分复用系统子信道分配方法，其特征在于包括如下具体步骤：

(1)每个子载波上，各用户根据接收的导频数据估计自身的频域信道矩阵；并对频域信道矩阵进行奇异值分解，将非零奇异值所对应的左奇异向量构成用户接收机；然后利用所求得的接收机取共轭转置之后乘以频域信道矩阵获得等效信道矩阵；

(2)各用户通过反馈信道将其每个子载波上的等效信道矩阵反馈给发射机；发射机将获得的每个子载波上所有用户的等效信道矩阵纵向合并构成该子载波上的总信道矩阵；求总信道矩阵的秩，该秩即为该子载波上发射机所能提供的最大的空间子信道数；

(3)在总信道矩阵中，首先选取向量2范数最大的行，为其对应的用户分配一个空间子信道，该空间子信道的增益为该向量2范数的平方；建立已分配信道矩阵和未分配信道矩阵，将该行作为已分配信道矩阵的第一行，总信道矩阵去掉该行后形成未分配信道矩阵；

(4)根据所获得的已分配信道矩阵求其零空间上的投影矩阵；将未分配信道矩阵的每一行投影到已分配信道矩阵的零空间上，求得该投影的向量2范数；比较未分配信道矩阵的每一行在已分配信道矩阵的零空间上的投影的向量2范数，找出最大的向量2范数所在的行，为该行所对应的用户分配一个空间子信道，该空间子信道的增益为该最大的向量2范数的平方；将该行加入到已分配信道矩阵的最后一行；未分配信道矩阵去掉该行后形成新的未分配信道矩阵；

(5)如果已分配信道矩阵的行数小于该子载波上按步骤(2)所求得的总信道矩阵的秩，则重复步骤(4)，直到已分配信道矩阵的行数等于该子载波上总信道矩阵的秩为止；从而获得该子载波上的每个空间子信道所分配的用户及其增益；

(6)对所有的子载波完成步骤(2)到步骤(4)的计算，获得所有子载波上的空间子信道分配的用户及其增益；利用所有空间子信道增益，按照注水法将发射机总发射功率分配在这些空间子信道上，从而获得所有子载波上每个空间子信道的发射功率。

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