CN101252383B - 一种多用户多天线传输的系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种多用户多天线传输的方法，包括：步骤1，获取所有用户的空间特征码；步骤2，在所述所有用户中选取部分用户，所述选取的用户的数量不大于基站的发射天线数量；步骤3，将所述选取的用户的空间特征码构成空间特征矩阵，由所述空间特征矩阵生成使所述选取的用户间干扰消除的预编码矩阵；步骤4，应用所述预编码矩阵对所述选取的用户的数据进行预编码并发送；步骤5，用户端接收所述预编码的用户数据，进行解码，获得所述基站发送给所述用户端的数据。从而，消除下行链路中的用户间干扰。

Description

一种多用户多天线传输的系统及方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种多用户多天线传输的系统及方法。

背景技术

MIMO(Multiple-input and Multiple-output，多输入多输出)技术通过空间复用和多用户分集，在增加系统容量和提高频谱利用率方面具有固有优势。由于频谱效率的提高和潜在的商业价值，多用户通信系统的MIMO技术被广泛研究。

在一个多用户MIMO系统中，假设在基站处布置M_t个天线，而每个用户处布置M_r个天线，则用户k的信道矩阵可以表示为M_r×M_t的矩阵H_k，用户k接收到的信号为

y_k＝H_kx+n_k

其中，y_k为M_r×1向量表示用户k接收到的信号，n_k为M_r×1向量表示用户k接收到的干扰噪声信号，x为M_t×1向量表示基站发送的信号。

通过SVD(Singular Value Decomposition，奇异值分解)方法，将无线传输信道分解为正交的本征子信道：

$H_k=U_k{\mathrm{\Σ}}_k{V}_k^H$

$=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{rank}\left(H_k\right)}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{k,i}{\mathrm{\σ}}_{k,i}{v}_{k,i}^H$ 公式1

其中u_k，i表示H_k的第i个左奇异向量，v_k，i表示H_k的第i个右奇异向量，σ_k，i表示H_k的第i个奇异值，rank(H_k)表示矩阵H_k的秩。

本征传输模式为采用一组右、左奇异向量分别作为发送和接收天线的权重进行传输，其等效的信道增益就为该左右奇异向量相应的奇异值。采用的本征传输模式中的右奇异向量为用户的空间特征码。

在多用户MIMO系统中，由于存在用户间的干扰，系统性能将会下降。因此需要有效的干扰消除机制来抑制系统性能的降低。在文献“An EfficientResource-Allocation Scheme for Spatial Multiuser Access in MIMO/OFDMSystems”，IEEE Trans.Commun.，vol.53，no.1，pp.107-116，Jan.2005，中提出了在通信上行链路上使用并行干扰消除机制消除多用户间干扰的方法。

但该方法不能扩展应用到下行链路，从而无法消除下行链路的用户间干扰。因而，在多用户MIMO系统中，需要解决有效消除下行链路用户间干扰的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开了一种多用户多天线传输的系统及方法，其目的在于，消除下行链路中的用户间干扰。

本发明公开了一种多用户多天线传输的方法，包括：

步骤1，获取所有用户的空间特征码；

步骤2，在所述所有用户中选取部分用户，所述选取的用户的数量不大于基站的发射天线数量；

步骤3，将所述选取的用户的空间特征码构成空间特征矩阵，由所述空间特征矩阵生成使所述选取的用户间干扰消除的预编码矩阵；

步骤4，应用所述预编码矩阵对所述选取的用户的数据进行预编码并发送；

步骤5，用户端接收所述预编码的用户数据，进行解码，获得所述基站发送给所述用户端的数据。

所述步骤3进一步包括：

步骤31，根据公式V＝[v₁，v₂，...，v_K]^H获得所述空间特征矩阵，其中，K为所述选取的用户的数量，V为所述空间特征矩阵，v₁至v_K分别为所述选取的用户的空间特征码；

步骤32，根据公式

$W=\left\{\begin{array}{c}{V}^{-1},K=M_t\\ V^H{\left({\mathrm{VV}}^H\right)}^{-1},K{<M}_t\end{array}\right.$

生成所述预编码矩阵，W为所述预编码矩阵，V为所述空间特征矩阵，K为所述选取的用户的数量，M_t为所述基站的发射天线数量，并且W＝[w₁，w₂，...，w_K]^H，w₁至w_K为对第1个至第K个所述选取的用户进行预编码的M_t×1的列向量。

所述步骤1进一步为，所述基站通过测量各个所述用户的上行链路信道估计信道矩阵，将所述信道矩阵进行奇异值分解，选择最大奇异值对应的右奇异向量作为所述用户的空间特征码。

所述步骤1进一步包括，

步骤11，所述所有用户的用户端测量下行链路信道，估计所述用户下行链路的信道矩阵，将所述信道矩阵进行奇异值分解，选择最大奇异值对应的右奇异向量作为所述用户的空间特征码，并将所述空间特征码发送给所述基站；

步骤12，所述基站接收并获得所述空间特征码。

所述步骤2中选取部分用户的过程进一步为，

步骤21，在所有用户中选取一个用户作为第一个被选取的用户；

步骤22，在未选取的用户中，选取同已被选取的用户的相关系数平方和最小的用户作为下个被选取的用户。

本发明还公开了一种多用户多天线传输的系统，包括基站和用户端，

所述基站，用于获取所有用户的空间特征码，在所述所有用户中选取部分用户，所述选取的用户的数量不大于所述基站的发射天线数量，将所述选取的用户的空间特征码构成空间特征矩阵，由所述空间特征矩阵生成使所述选取的用户间干扰消除的预编码矩阵，应用所述预编码矩阵对所述选取的用户的数据进行预编码并发送；

所述用户端，用于接收所述预编码的用户数据，进行解码，获得所述基站发送给所述用户端的数据。

所述基站进一步用于根据公式V＝[v₁，v₂，...，v_K]^H获得所述空间特征矩阵，根据公式

$W=\left\{\begin{array}{c}{V}^{-1},K=M_t\\ V^H{\left({\mathrm{VV}}^H\right)}^{-1},K{<M}_t\end{array}\right.$

生成所述预编码矩阵，K为所述选取的用户的数量，V为所述空间特征矩阵，v₁至v_K分别为所述选取的用户的空间特征码，W为所述预编码矩阵，M_t为所述基站的发送天线数量；

其中W＝[w₁，w₂，...，w_K]^H，w₁至w_K为对第1个至第K个所述选取的用户进行预编码的M_t×1的列向量。

所述基站进一步用于通过测量各个所述用户的上行链路信道估计信道矩阵，将所述信道矩阵进行奇异值分解，选择最大奇异值对应的右奇异向量作为所述用户的空间特征码。

所述用户端还用于测量下行链路信道，估计所述用户下行链路的信道矩阵，将所述信道矩阵进行奇异值分解，选择最大奇异值对应的右奇异向量作为所述用户的空间特征码，并将所述空间特征码发送给所述基站；

所述基站还用于接收所述空间特征码，并获得所述空间特征码。

所述基站进一步用于在所有用户中选取一个用户作为第一个被选取的用户，在未选取的用户中，选取同已被选取的用户的相关系数平方和最小的用户作为下个被选取的用户。

本发明的有益效果在于，提供了一种多用户MIMO传输的系统和方法，应用用户空间特征码消除下行链路用户间干扰；并且提供了两种获得信道矩阵的方法，从而使基站能够获得消除干扰所需的空间特征码；还提供了一种选取用户的方法，使选取的用户间干扰整体最小。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是本发明系统结构图；

图3是本发明基站201执行方法的流程图，图3a是具体实施例一中基站201执行方法的流程图，图3b是具体实施例二中基站201执行方法的流程图；

图4是基站201生成空间特征码的流程图；

图5是基站201生成预编码矩阵的流程图；

图6是具体实施例二中用户端202执行方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步的详细描述。

如图1所示，本发明方法的流程为：

步骤S101，基站201获取所有用户的空间特征码；

步骤S102，基站201在用户中选取用户，选取用户的数量不大于基站201的发射天线数量；

步骤S103，基站201将选取的用户的空间特征码构成空间特征矩阵，由所述空间特征矩阵生成使用户间干扰消除的预编码矩阵；

步骤S104，应用所述预编码矩阵对所述选取用户的数据进行预编码并发送；

步骤S111，用户端202接收基站201发送的用户数据，进行解码，获得所述用户数据。

如图2所示，本发明的系统包括基站201和用户端202。

基站201，用于获取所有用户的空间特征码，在所述所有用户中选取部分用户，所述选取的用户的数量不大于基站201的发射天线数量，将所述选取的用户的空间特征码构成空间特征矩阵，由所述空间特征矩阵生成使所述选取的用户间干扰消除的预编码矩阵，应用所述预编码矩阵对所述选取的用户的数据进行预编码并发送；

用户端202，用于接收所述预编码的用户数据，进行解码，获得基站201发送给用户端202的数据。

用户端202可以为手机终端或带有相应无限网卡的计算机。

具体实施例一

在具体实施例一中，基站201和用户间的上下行链路使用相同频率，采用时分复用的方式，并且选取最大奇异值对应的本征模式流进行传输。图3a为基站201执行本发明方法的流程图。

步骤S301，基站201测量每个用户的链路信道信息，估计获得每个用户链路的信道矩阵。

步骤S302，由每个用户的信道矩阵获得每个用户的空间特征码，具体实施方法如图4所示。

步骤S401，对用户的信道矩阵进行奇异值分解。

应用公式1对每个用户的信道矩阵进行奇异值分解。

步骤S402，选取最大的奇异值对应的右奇异向量作为用户的空间特征码。

按上述步骤S401和S402，基站201获得所有用户的空间特征码。

步骤S303，比较用户的数量和基站201发射天线数量，如果用户数量小于等于基站201发射天线数量，不进行选取，所有用户都作为接收数据的用户；如果用户数量大于基站201发射天线数量，选取相互间干扰最小的用户作为接收用户，选取的用户的数量等于基站201的发射天线数量。

在用户数量大于基站201发射天线数量时的具体选取方法如下所述。

首先，随机选取一个用户作为第一个被选用户，也可以按照用户的参数，如信道质量、QoS(Quality of Service，服务质量)要求，选取第一个被选用户。

然后，在未选取的用户中，选取同已选取的用户的相关系数平方和最小的用户作为下一个被选取的用户。

所述相关系数根据公式 ${\mathrm{\&rho;}}_{k_1{k}_2}=v_{k_1}^H{v}_{k_2}$ 获得，ρ_k1k2为用户k₁和用户k₂的相关系数，v_k1为用户k₁的空间特征码，v_k2为用户k₂的空间特征码。

由公式1可以推出用户k₁接收到的信号为

$y_{k_1}=u_{k_1}{\mathrm{\&sigma;}}_{k_1}{v}_{k_1}^H\underset{k_2=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{v}_{k_2}{s}_{k_2}+n_{k_1}$

其中，y_k1为用户k₁接收到的信号；σ_k1为用户k₁的最大奇异值；u_k1为用户k₁的最大奇异值对应的左奇异向量；v_k1为用户k₁的最大奇异值对应的右奇异向量，即用户k₁的空间特征码；v_k2为用户k₂的最大奇异值对应的右奇异向量，即用户k₂的空间特征码；s_k2为基站发送给用户k₂的原始信号；N为用户的个数；n_k1为用户k₁接收的干扰噪声。

在接收时，应用用户k₁的最大奇异值对应的左奇异向量u_k1进行解码得到信号

其中， ${\mathrm{\&rho;}}_{k_1{k}_2}=v_{k_1}^H{v}_{k_2},$

ρ_k1k2作为相关系数反映了两个用户间的信息干扰程度。

步骤S304，生成预编码矩阵，具体实施方式如图5所述。

步骤S501，根据公式V＝[v₁，v₂，...，v_K]^H获得所述空间特征矩阵，其中，K为所述选取的用户的数量，V为所述空间特征矩阵，v₁至v_K分别为所述选取用户的空间特征码；

步骤S502，根据公式

$W=\left\{\begin{array}{c}{V}^{-1},K=M_t\\ V^H{\left({\mathrm{VV}}^H\right)}^{-1},K{<M}_t\end{array}\right.$ 公式2

生成所述预编码矩阵，其中W为所述预编码矩阵，V为所述空间特征矩阵，K为所述选取的用户的数量，M_t为所述基站的发射天线数量。

其中W＝[w₁，w₂，...，w_K]^H，w₁至w_K为对第1个至第K个用户预编码的M_t×1的列向量。

步骤S305，对发送的用户数据进行预编码，将预编码后的用户数据发送给用户。

W₀＝[w₁，w₂，...，w_K]，x₁至x_K为发送给选取的第1个至第K个用户的数据。s＝[x₁，x₂，...，x_K]^T，则基站201发送的信号x为 $x=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_k{x}_k=W_{0}s.$

用户k₁接收到信号进行解码，用户k₁解码后得到的估计信号为

由于公式2可以得到

$v_{k_1}^H{w}_{k_2}=\left\{\begin{array}{c}0,k_1\&NotEqual;k_2\\ 1,k_1=k_2\end{array}\right.,$

用户解码后仅获得发送给自身的信号，其他用户的信号在解码后被消除。由此可见，采用上述方法实现了消除用户间干扰。

具体实施例二

在具体实施例二中，使用的上行链路和下行链路在不同的频率上，因而基站201无法获得下行链路的信道信息，需要通过用户端202将下行链路信息发送给基站201，并且本实施例中选取最大奇异值对应的本征模式流进行传输。

用户端202获得并发送用户空间特征码的方法如图6所示。

步骤S601，用户端202测量下行链路，并估计获得信道矩阵。

步骤S602，对信道矩阵按公式1进行奇异值分解。

步骤S603，将最大奇异值对应的右奇异向量作为用户的空间特征码，并将该空间特征码发送给基站201。

基站201根据获得用户空间特征码进行用户间干扰消除，具体实施方式如图3b所示。

步骤S311，基站201接收用户端S202发送的反馈信息。

步骤S312，基站201从接收的反馈信息中获得用户的空间特征码。

步骤S313至步骤S315的执行过程同具体实施例一中步骤S303至步骤S305相同。

本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。

Claims (4)

1.一种多用户多天线传输的方法，用于消除下行链路中用户间干扰，其特征在于，包括：

步骤1，获取所有用户的空间特征码；

步骤2，在所述所有用户中选取部分用户，所选取的用户的数量不大于基站的发射天线数量；

步骤3，将所选取的用户的空间特征码构成空间特征矩阵，由所述空间特征矩阵生成使所选取的用户间干扰消除的预编码矩阵；

步骤4，应用所述预编码矩阵对所选取的用户的数据进行预编码并发送；

步骤5，用户端接收预编码后的用户数据，进行解码，获得所述基站发送给所述用户端的数据；

所述步骤1进一步为，所述基站通过测量各个所述用户的上行链路信道矩阵，将所述信道矩阵进行奇异值分解，选择最大奇异值对应的右奇异向量作为所述用户的空间特征码；

所述步骤5中，用户端对接收的用户数据解码后，仅获得发送给自身的信号，其他用户的信号在解码后被消除；

所述步骤3进一步包括：

步骤31，根据公式V＝[v₁，v₂，...，v_K]^H获得所述空间特征矩阵，其中，K为所选取的用户的数量，V为所述空间特征矩阵，v₁至v_K分别为所选取的用户的空间特征码；

步骤32，根据公式

$W=\left\{\begin{array}{c}{V}^{-1},K=M_t\\ V^H{\left({\mathrm{VV}}^H\right)}^{-1},K<M_t\end{array}\right.$

生成所述预编码矩阵，W为所述预编码矩阵，V为所述空间特征矩阵，K为所选取的用户的数量，M_t为所述基站的发射天线数量，并且W＝[w₁，w₂，...，w_K]^H，w₁至w_K为对第1个至第K个所选取的用户进行预编码的M_t×1的列向量。

2.如权利要求1所述的多用户多天线传输的方法，其特征在于，所述步骤2中选取部分用户的过程进一步为，

步骤21，在所有用户中选取一个用户作为第一个被选取的用户；

步骤22，在未选取的用户中，选取同已被选取的用户的相关系数平方和最小的用户作为下个被选取的用户；

所述相关系数根据公式

获得，

为用户k₁和用户k₂的相关系数，

为用户k₁的空间特征码，

为用户k₂的空间特征码。

3.一种多用户多天线传输的系统，用于消除下行链路中用户间干扰，包括基站和用户端，其特征在于，

所述基站，用于获取所有用户的空间特征码，在所述所有用户中选取部分用户，所选取的用户的数量不大于所述基站的发射天线数量，将所选取的用户的空间特征码构成空间特征矩阵，由所述空间特征矩阵生成使所选取的用户间干扰消除的预编码矩阵，应用所述预编码矩阵对所选取的用户的数据进行预编码并发送；

所述用户端，用于接收预编码后的用户数据，进行解码，获得所述基站发送给所述用户端的数据；

所述基站进一步用于通过测量各个所述用户的上行链路信道矩阵，将所述信道矩阵进行奇异值分解，选择最大奇异值对应的右奇异向量作为所述用户的空间特征码；

所述用户端对接收的用户数据解码后，仅获得发送给自身的信号，其他用户的信号在解码后被消除；

所述基站进一步用于根据公式V＝[v₁，v₂，...，v_K]^H获得所述空间特征矩阵，根据公式

$W=\left\{\begin{array}{c}{V}^{-1},K=M_t\\ V^H{\left({\mathrm{VV}}^H\right)}^{-1},K<M_t\end{array}\right.$

生成所述预编码矩阵，K为所选取的用户的数量，V为所述空间特征矩阵，v₁至v_K分别为所选取的用户的空间特征码，W为所述预编码矩阵，M_t为所述基站的发送天线数量；

其中W＝[w₁，w₂，...，w_K]^H，w₁至w_K为对第1个至第K个所选取的用户进行预编码的M_t×1的列向量。

4.如权利要求3所述的多用户多天线传输的系统，其特征在于，所述基站进一步用于在所有用户中选取一个用户作为第一个被选取的用户，在未选取的用户中，选取同已被选取的用户的相关系数平方和最小的用户作为下个被选取的用户；

所述相关系数根据公式

获得，

为用户k₁和用户k₂的相关系数，

为用户k₁的空间特征码，

为用户k₂的空间特征码。

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