CN101262311A - 多用户mimo系统下行链路发射端信息数据的预处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用户MIMO系统下行链路发射端信息数据的预处理方法。其具体过程为：(1)将每个用户接收到的信号向量写成一个列向量y；(2)将信道矩阵H_k选用相应的奇异值分解代替，得到列向量y′；(3)由所有右奇异值向量矩阵V构建预处理矩阵为：P＝[V^H] ⁺，式中V^H为V的共轭转置矩阵，[V^H] ⁺为V^H的伪逆矩阵；(4)用构建的预处理矩阵P对发送给所有用户的数据进行预处理，即用P左乘信息数据x′，以消除多用户干扰；(5)将预处理后的信息数据进行功率控制后，通过基站的发射天线同时发送出去。本发明可支持数据的联合检测，且每个用户在计算等效信道时无需依赖全局信道信息，降低了系统复杂度，提高了检测性能，可用于在多用户MIMO系统中对下行链路发射端信息数据的预处理。

Description

多用户MIMO系统下行链路发射端信息数据的预处理方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及多用户MIMO系统中下行链路的预处理，具体地说是一种下行链路发射端信息数据的预处理方法。

背景技术

为了满足日益增长的高速率数据传输的需要，新型的无线通信系统中，无线传输的终端和基站都将装配多个天线，从而构成了多输入多输出的MIMO系统，MIMO系统的应用极大的提高了系统的容量，提供了分集，复用等增益。目前的研究已经开发出了多种适用于单用户MIMO系统SU-MIMO的传输技术，例如，空时码技术，BLAST技术，以及特征模式传输技术等。

但是，对于有多个用户条件下的多用户MIMO系统MU-MIMO，因为同时存在多用户干扰和用户自身内部多天线的干扰，使传输方案的设计复杂了很多。对于多用户MIMO系统的下行链路DL而言，每个用户都希望正确地检测出发送给自己的数据。传统的方法是每个用户既要抵消多用户干扰，还要消除自身内部多天线的干扰，这就这会导致复杂的接收机设计。

另一方面，发射端预处理技术可以将部分计算量从用户的接收机转移到基站的发射机上，从而简化用户端接收机的设计。一个具有发射端预处理功能的多用户MIMO系统如图1所示。该系统由一个基站和多个用户构成。其中，基站和每个用户都装配有多根天线，构成了MIMO系统。在基站端，发给所有用户的数据通过发射天线一起发出，在每个用户的接收端，首先进行获取信道信息，然后利用获得的信道信息对发给自己的数据进行检测。为了在发射端进行预处理，信道信息必须反馈回给基站，在图1中用虚线的方框表示。得到反馈的信道信息后，基站对发给每个用户的信息进行预处理，如图1的虚线方框所示。本发明要解决的就是如何进行发射端预处理的问题。另外，在本发明中，假设反馈的信道信息是完全准确的。

现有的发射端预处理技术可以简单地分为非线性和线性两类。非线性预处理技术，例如，Dirty Paper，Tomlinson-Harishima等预处理技术可以取得最优的性能。但是实现这种非线性预处理的方法不仅计算量十分繁重，而且发射机的设计非常复杂。

线性预处理技术相对于非线性预处理技术，其运算量可大幅降低，常用的有最小均方误差MMSE预处理，迫零预处理ZF等。但是这些线性预处理方法的一个主要缺点是对每个用户只能对传送给其的每个数据进行独立的检测，而不能对发送给其的所有数据进行联合检测。

另外一种常用的线性预处理技术是块对角化技术BD。该技术在发射端完全抑制多用户干扰，将一个MU-MIMO系统分解为多个并行的SU-MIMO系统，使得适用于SU-MIMO的各种技术能够直接应用，例如空时码，BLAST和特征模式传输等。同时该方法也支持每个用户对发送给自己数据进行联合检测。但是该方法的缺点在于，分解后所得到的对应于每个用户的等效SU-MIMO信道和所有用户的信道信息有关。因此对每个用户来讲，需要另外设计信道估计的过程，或者需要有全局的信道信息，才能估计相应的等效SU-MIMO信道。

发明的内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种多用户MIMO系统下行链路发射端信息数据的预处理方法，以简化对全局信道信息的要求，同时支持每个用户对发送给自己的数据进行联合检测，提高检测性能。

实现本发明目的的技术方案是：使用多用户MIMO系统中的下行链路发射端预处理技术，将多用户MIMO系统分解为多个并行的单用户MIMO系统，从而使得已有的针对单用户MIMO系统的算法能够得到直接的应用。具体过程如下：

(1)将每个用户接收到的信号向量y_k＝H_kx+n_k，写成一个列向量：

$y={[y_1^T{y}_2^T\·\·\·y_K^T]}^T,$

式中，K为用户数，1≤k≤K， $x=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k$ 为所有信息数据向量，x_k为发送给第k个用户的信息数据列向量，n_k为第k个用户的高斯白噪声向量，H_k为第k个用户的信道矩阵；

(2)将信道矩阵H_k选用相应的奇异值分解 $H_k=U_k{\mathrm{\Λ}}_k^{1/2}{V}_k^H$ 代替，得到列向量式为：

y′＝UΛ^1/2V^Hx+n

式中，U_k为信道矩阵H_k的左奇异值向量构成的矩阵，

V_k为信道矩阵H_k的右奇异值向量构成的矩阵，

Λ_k ^1/2为信道矩阵H_k的奇异值构成的矩阵，

U为所有左奇异值向量构成的矩阵，U＝diag{U₁，U₂，…U_K}，

Λ^1/2为所有奇异值构成的矩阵 ${\mathrm{\Λ}}^{1/2}=\mathrm{diag}\{{\mathrm{\Λ}}_1^{1/2},{\mathrm{\Λ}}_2^{1/2},\·\·\·{\mathrm{\Λ}}_K^{1/2}\},$

V为所有右奇异值向量构成的矩阵，V＝[V₁，V₂，…V_K]，

n为所有接受端高斯白噪声构成的矩阵， $n={[n_1^T,n_2^T,\·\·\·n_K^T]}^T;$

(3)由所有右奇异值向量构建预处理矩阵为：

P＝[V^H]⁺＝V[V^HV]^-1；

式中，[V^H]⁺为V^H的伪逆矩阵；

(4)用所构建的预处理矩阵P对发送给所有用户的数据进行预处理，即用预处理矩阵P左乘信息数据 $x^{\′}={[x_1^T{x}_2^T\·\·\·x_K^T]}^T,$ 以消除多用户干扰，

(5)将预处理后的信息数据进行功率控制后，通过基站的发射天线同时发送出去。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1，本发明由于采用预处理矩阵P在发射端将多用户MIMO系统分解成了多个并行的单用户MIMO系统，从而使得适用于单用户MIMO系统的算法和方案可以直接应用，同时相对于最小均方误差或者是迫零预处理技术只能对传输的数据进行独立检测而言，本发明可支持对发送给每个用户的数据的联合检测，从而提高了检测的准确性。

2，由于通过预处理矩阵消除多用户干扰后得到的每个用户的等效单用户MIMO信道，只和其自身的信道信息有关，从而克服了块对角化预处理技术中，每个用户在计算等效信道时对全局信道信息的依赖，有效地降低了系统设计的复杂度。

附图说明

图1是现有基站端具有发射端预处理功能的通信系统示意图；

图2是本发明使用的系统示意图；

图3是本发明方法的流程示意图；

图4是采用本发明方法与现有预处理方法的性能比较图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。

参照图2，本发明使用的系统是一个多用户MIMO系统，由一个基站和K个用户构成。其中，基站装配有M个天线，而第k个用户装配有N_k个天线。本发明假设基站端的第m个发射天线和第k个用户的第n_k个接收天线之间的无线信道

是平坦衰落信道。并且，各个信道之间是相互独立的。图2中，x_k为发送给第k个用户的信息数据，虚线表示预处理功能，其中P为预处理矩阵，d为经过预处理后的信息数据。

针对图2所示的多用户MIMO系统，本发明对下行链路发射端信息数据进行预处理的过程如图3所示。

参照图3，本发明预处理过程如下：

步骤1，将每个用户接收到的信号向量写成一个列向量。

1.设基站发送给第k个用户的信息数据列向量为x_k，将所有的信息数据向量叠加在一起，再通过基站端的M个发射天线同时发射出去，第k个用户接收到的信号向量y_k为

$y_k=H_{k}x+n_k=H_k\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i+n_k=H_k{x}_k+H_k\underset{i=1,i\≠k}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i+n_k,---\left(1\right)$

式中， $x=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k$ 为所有信息数据向量，H_k为第k个用户和基站之间的无线信道矩阵，n_k是第k个用户的接收机的噪声，在本发明中，n_k被认为是均值为0的高斯白噪声向量，为多用户干扰；

2.将所有用户接收到的信号向量{y_k}写成一个列向量为：

$y={[y_1^T{y}_2^T\·\·\·y_K^T]}^T---\left(2\right)$

式中，y_k ^T为y_k的转置向量。

步骤2，将信道矩阵选用奇异值分解代替。

假设发射机的发射天线数M大于或等于第k个用户的接收机的接收天线数N_k，对第k个用户的信道矩阵H_k进行奇异值分解为，

$H_k=U_k{\mathrm{\Λ}}_k^{1/2}{V}_k^H---\left(3\right)$

式中，Λ_k是一个对角矩阵，即对角元素为H_k的非零奇异值，

      U_k是对应于所有非零奇异值的左奇异向量构成的矩阵，

      V_k是对应于所有非零奇异值的右奇异向量构成的矩阵，

      V_k ^H为V_k的共轭转置矩阵；

2.将所述列向量y中的所有用户的信道矩阵{H_k}，用其对应的奇异值分解代替，可以得到奇异值分解替换后的列向量：

y′＝UΛ^1/2V^Hx+n    (4)

式中，U为所有左奇异值向量构成的矩阵，U＝diag{U₁，U₂，…U_K}，

      Λ^1/2为所有奇异值构成的矩阵 ${\mathrm{\Λ}}^{1/2}=\mathrm{diag}\{{\mathrm{\Λ}}_1^{1/2},{\mathrm{\Λ}}_2^{1/2},\·\·\·{\mathrm{\Λ}}_K^{1/2}\},$

      V为所有右奇异值向量构成的矩阵，V＝[V₁，V₂，…V_K]，

      n为所有接受端高斯白噪声构成的矩阵， $n={[n_1^T,n_2^T,\·\·\·n_K^T]}^T,$

      V^H为V的共轭转置矩阵。

步骤3，构建预处理矩阵。

由上述公式(4)可以看出，只要选择预处理矩阵，使得预处理矩阵和矩阵V^H的乘积为单位矩阵，就可以完全消除多用户干扰，因此可以按照如下过程构建预处理矩阵P：

1.通过所有右奇异值向量构成矩阵：V＝[V₁，V₂，…V_K]；

2.写出该矩阵V的共轭转置矩阵V^H；

3.求共轭转置矩阵V^H的伪逆矩阵，即可得到预处理矩阵为：

P＝[V^H]⁺＝V[V^HV]^-1    (5)

式中，[V^H]⁺为V^H的伪逆矩阵。

步骤4，消除多用户干扰。

利用所构建的预处理矩阵P对发送给所有用户的数据进行预处理，即用预处理矩阵P左乘信息数据 $x^{\′}={[x_1^T{x}_2^T\·\·\·x_K^T]}^T,$ 得到新的发射数据d为：

d＝Px′    (6)

式中，x_k ^T为信息数据x_k的转置向量。

步骤5，进行功率控制。

为了使系统的下行链路发射端的功率保持不变，必须保证预处理后的发射信号的功率不超过预处理前的发射信号的功率，即，

E[||d||²]≤E[||x′||²]    (7)

式中，E[||x′||²]为预处理前的发射信号的功率，

E[||d||²]为预处理后的发射信号的功率。

本发明的效果可以通过以下仿真结果进一步说明：

仿真条件：设定一个多用户MIMO系统包括一个基站和2个用户。假设基站装配有4根天线，每个用户装配2根天线。同时，设定一个具有2根发射天线，2根接收天线的单用户MIMO系统。所发数据采用BPSK调制方式，在每个用户的接收端采用最大似然检测器。同时采用等功率控制的方法，也就是使得每个被发送的数据具有相同的发送功率。

仿真内容：分别采用本发明奇异值分解预处理方法、传统的迫零预处理方法、块对角化预处理方法、以及一个单用户MIMO系统进行仿真。

仿真结果：如图4所示，图4中给出了几种不同的预处理方法以及一个单用户MIMO系统的误码率BER相对于信噪比SNR的性能曲线。从图4中可以看出，采用本发明SVD预处理方法所获得的误码率性能曲线明显低于传统的迫零ZF预处理方法的误码率性能曲线，而且相对于块对角化BD预处理方法和单用户SU系统仅有3分贝的性能损失，但却克服了块对角化预处理方法中，每个用户对全局信道的依赖，降低的系统设计的复杂度。

Claims (2)

1.一种多用户MIMO系统下行链路发射端信息数据的预处理方法，包括如下过程：

(1)将每个用户接收到的信号向量y_k＝H_kx+n_k，写成一个列向量：

$y={[y_1^T{y}_2^T\·\·\·y_K^T]}^T,$

式中，K为用户数，1≤k≤K， $x=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k$ 为所有信息数据向量，x_k为发送给第k个用户的信息数据列向量，n_k为第k个用户的高斯白噪声向量，H_k为第k个用户的信道矩阵；

(2)将信道矩阵H_k选用相应的奇异值分解 $H_k=U_k{\mathrm{\Λ}}_k^{1/2}{V}_k^H$ 代替，得到列向量式为：

y′＝UΛ^1/2V^Hx+n

式中，U_k为信道矩阵H_k的左奇异值向量构成的矩阵，

      V_k为信道矩阵H_k的右奇异值向量构成的矩阵，

      Λ_k ^1/2为信道矩阵H_k的奇异值构成的矩阵，

      U为所有左奇异值向量构成的矩阵，U＝diag{U₁，U₂，…U_K}，

      Λ^1/2为所有奇异值构成的矩阵 ${\mathrm{\Λ}}^{1/2}=\mathrm{diag}\{{\mathrm{\Λ}}_1^{1/2},{\mathrm{\Λ}}_2^{1/2},\·\·\·{\mathrm{\Λ}}_K^{1/2}\},$

      V为所有右奇异值向量构成的矩阵，V＝[V₁，V₂，…V_K]，

      n为所有接受端高斯白噪声构成的矩阵， $n={[n_1^T,n_2^T,\·\·\·n_K^T]}^T;$

(3)由所有右奇异值向量构建预处理矩阵为：

P＝[V^H]⁺＝V[V^HV]^-1；

式中，[V^H]⁺为V^H的伪逆矩阵；

(4)用所构建的预处理矩阵P对发送给所有用户的数据进行预处理，即用预处理矩阵P左乘信息数据 $x^{\′}={[x_1^T{x}_2^T\·\·\·x_K^T]}^T,$ 以消除多用户干扰，

(5)将预处理后的信息数据进行功率控制后，通过基站的发射天线同时发送出去。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(3)所述的构建预处理矩阵，是先通过所有右奇异值向量构成矩阵V；再建立该矩阵V的共轭转置矩阵V^H，最后通过共轭转置矩阵V^H构建预处理矩阵P，即求矩阵V^H的伪逆矩阵，可得到预处理矩阵为：

P＝[V^H]⁺＝V[V^HV]^-1。

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