CN101288244B - 在多用户多天线通信系统中发送/接收数据的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于在多用户多天线通信系统中发送/接收数据的设备及方法。一种数据发送设备及方法利用改进方案计算发送机的TX滤波器，并利用单向信道探测方案向接收机发送计算的TX滤波器。一种数据接收设备及方法通过信道接收TX滤波器，并使用接收到的TX滤波器与信道矩阵的乘积作为RX滤波器。

Description

在多用户多天线通信系统中发送/接收数据的方法

技术领域

本发明总体涉及一种用于在多用户多天线通信系统中发送/接收数据的设备及方法。具体地，本发明涉及一种数据发送设备及方法，用于利用改进方案计算发送机的发送(TX)滤波器，以及利用单向信道探测方案向接收机发送计算的TX滤波器；以及涉及一种数据接收设备及方法，用于通过信道接收TX滤波器，并使用接收到的TX滤波器与信道矩阵的乘积作为接收(RX)滤波器。 

背景技术

对多输入多输出(MIMO)信道的研究已经进行了十几年。另外，对多用户多天线通信系统的研究也在进行中。在发送机中使用多天线提高了谱效率，此外在接收机中使用多天线也提高了谱效率。对多用户多天线通信系统的研究旨在将上述事实应用到多用户通信系统。 

MIMO通信系统在发送机与单用户之间建立多链路，由此提高谱效率。在MIMO通信系统中，一次只能有一个用户可以访问信道资源(例如，子载波、扩频因子，及小区扇区)中的给定资源。也就是说，MIMO链路(即，独立数据流)在给定时间存在于发送机与仅仅一个接收机之间。另一方面，多用户多天线通信系统允许多个用户(终端)同时访问相同的资源，并在发送机与多个用户接收机之间出现独立的数据流。将用于此的多路复用方案称为“多用户空间多路复用(SM)”。 

图1是多用户多天线通信系统的示意性框图，其中在具有多个TX天线的发送机及其中的每一个都具有多个RX天线的多个接收机之间执行通信。 

参照图1，基站(BS)的具有N个TX天线(简单地表示为“N TX天线”)的发送机110与K个用户接收机120、130及140(其中的每一个 都具有多个RX天线)进行通信。发送机110通过使用多用户SM方案向接收机120、130及140发送独立数据流。 

MIMO广播信道(多用户多天线通信信道的示例)是蜂窝网络的下行链路(DL)信道，在该蜂窝网络中，基站(发送机)使用多个TX天线。 

在M.Costa，“Writing On Dirty Paper”，IEEE Transactions onInformation Theory，Vol.29，No.3；pp.439-441，May 1983中公开了用于蜂窝系统中的MIMO广播信道的理论方案的示例。然而，因为该理论方案基于发送机和每一个用户接收机都确切地知道所有用户接收机的信道的假设，因此该理论方案是不切实际的。另外，因此上述理论方案使用非线性预编码技术，因此其非常复杂。 

图2是多用户多天线通信系统的框图，其中一个发送机使用多个TX天线和一个TX滤波器，并且多个接收机中的每一个都使用多个RX天线和一个RX滤波器。对于实际的通信，发送机使用一个TX滤波器，以及每一个接收机都使用一个RX滤波器。 

参照图2，发送机包括分别与TX滤波器M₁、M_k、…、M_n结合的SM TX滤波器210、220及230。同样地，接收机分别包括分别与RX滤波器W_l、W_k、…、W_n结合的SM RX滤波器240、250及260。 

在Lai-U Choi and Ross D.Murch，“A Transmit PreprocessingTechnique for Multiuser MIMO Systems Using a DecompositionApproach”，IEEE Transactions on Wireless Communications，Vol.2，No.4，pp.773-786，July 2003中公开的多用户SM方案基于以下假设：某一实体(终端)知道所有用户(终端)的信道矩阵并且可以计算用于优化通信性能的TX/RX滤波器。 

然而，所公开的多用户SM方案没有提到哪一个实体可以计算TX/RX滤波器以及如何将计算的TX/RX滤波器信息(知识)从发送机发送到接收机。如果关于发送机与接收机之间的各个信道矩阵的信息(知识)对接收机可用，则将其称为“全局信道信息(知识)”。然而，这些在实际系统中是不可能的。 

图3是对取决于用于多用户多天线通信系统的算法类型的谱效率 的图。在图3中，本地信道状态消息(CSI)表示在其中每一个接收机只知道其自身的信道矩阵的实际情况。全局CSI表示在其中每一个接收机知道所有接收机的信道矩阵的不实际的情况。局部CSI表示在其中发送机使用指示CSI的信道质量的某些测量(例如信噪比(SNR))的情况。总CSI表示在其中发送机将CSI的复合条目用于其自身的情况。 

如从图3可以看出，在向单用户发送的情况下(单用户闭环、本地CSI，总CSI)的谱效率(被示为标记+)比在总容量的情况下(非线性预编码方案；全局CSI，总CSI)的谱效率(被示为标记▽)低4.6比特/秒/Hz，总容量情况下的谱效率是具有4个TX天线、4个用户及4个RX天线的多用户通信的理论最大数据速率。尽管在图3中没有示出，当对用户接收机执行多路复用传输、而发送机和接收机分别使用局部CSI和本地CSI时，频谱效率降低。 

在协调波束赋形算法的情况下的空间效率(被示为标记o)比在总容量的情况下的低0.7比特/秒/Hz。协调波束赋形算法的使用使得可以设计一种通过仅向每一个用户接收机发送一个层来向用户接收机发送关于RX滤波器的信息的有效方法，如在B.Farhang-Boroujeny，Q.Spencer and L.Swindlehurst，“Layering Techniques for Space-TimeCommunication in Multi-User Networks，”in Proceedings of IEEEVehicular Technology Conference(VTC’03Fall)，Orlando，FL，October6-9，2003，Vol.2，pp.1339-1343所公开的。 

现在将详细描述协调波束赋形算法。 

首先，用于计算TX/RX滤波器的算法遵循： 

计算步骤

A_i表示任意矩阵A的第i列。当矩阵A经过奇异值分解处理(SVD)时， 

A＝UDV^*。 

这里，U和V是单元矩阵，而D是矩阵A的具有以降序排列的对角元素的奇异值矩阵。将矩阵A的主左奇异值向量表示为U₁，U₁是矩阵U的第一列。 

以下计算基于基站具有总CSI的假设。 

初始化 

对于k＝1:K 

H_k＝UDV    SVD 

W_k＝U₁

结束 

重复次数： 

有效信道向量计算 

对于k＝1:K 

$H_{\mathrm{eff},k}=W_k^{*}{H}_k$

结束 

TX/RX滤波器的更新 

对于k＝1:K 

$H_{\mathrm{stacked},k}={\left[\begin{array}{cccccc}{H}_{\mathrm{eff},1}^T& \·\·\·& H_{\mathrm{eff},k-1}^T& H_{\mathrm{eff},k+1}^T& \·\·\·& H_{\mathrm{eff},K}^T\end{array}\right]}^T$

H_stacked，k＝U_kD_kV_k    SVD 

M_k＝V_k，N

$W_k=\frac{H_k{V}_{k,N}}{\left|\right|H_k{V}_{k,N}\left|\right|}$

结束 

结束迭代 

其中SVD表示奇异值分解，D是对角矩阵，以及U和V是单位矩阵。H_eff.k表示接收机实际经历的用户接收机k的有效信道矩阵，以及H_stacked，k 表示除了用户接收机k以外的所有用户的接收机的有效信道。M_k是用户接收机k的TX滤波器矩阵，W_k是用户接收机k的RX滤波器矩阵，以及V_k，n是在H_stacked，k的数字空间中的奇异值向量。T表示转置，以及^*表示复共轭转置。 

随着该算法迭代至收敛，发送机基于包含RX滤波器的有效信道矩阵来对每一个用户接收机执行迫零波束赋形(ZFBF)。 

尽管在上述算法中没有示出，再次使用SVD来根据M_k计算W_k。作为结果，上述算法在计算TX/RX滤波器期间对每一个用户接收机执行 两次SVD，并在初始化期间执行一次SVD，这导致了复杂性问题。此外，基站知道针对N个用户接收机中的每一个的最佳TX/RX滤波器，但是用户接收机不知道。然而，上述算法没有提到用于向接收机通知最佳RX滤波器的技术。因此，需要：(a)一种用于向接收机通知最佳RX滤波器的方案；(b)一种用于多天线通信系统的数据发送设备及方法，其可以提供一种用于计算TX滤波器的简单方案以及一种用于使接收机能够简单地计算RX滤波器的改进方案；(c)一种用于多天线通信系统的数据接收设备及方法，其可以有效地接收发送机所计算的TX滤波器。最后，需要的是一种用于多用户多天线通信系统的数据发送/接收设备及方法，其能够降低系统复杂度、提高谱效率以及可以在接收机不知道其他接收机的信道时被实现。 

发明内容

技术问题 

本发明的目的是在实质上至少解决上述问题和/或缺点，并提供至少以下优点。因此，本发明的目的是提供一种用于多天线通信系统的数据发送设备及方法，其能够有效地计算TX滤波器。 

本发明的另一目的是提供一种用于多天线通信系统的数据发送设备及方法，其能够有效地向接收机发送计算的TX滤波器。 

本发明的另一目的是提供一种用于多天线通信系统的数据接收设备及方法，其从发送机接收计算的TX滤波器，并使用接收到的TX滤波器来计算RX滤波器。 

根据本发明的一方面，提供了一种用于多用户多天线通信系统的发送机，该发送机包括：空间多路复用(SM)TX滤波器单元，用于计算多个用户接收机的TX滤波器；以及多个天线，用于向相应的用户接收机发送计算的TX滤波器。 

根据本发明的另一方面，提供了一种用于多用户多天线通信系统的接收机，该接收机包括：一个或更多个天线，用于从发送机接收TX滤波器；以及SM RX滤波器，用于对接收到的TX滤波器与信道矩阵的乘积进行归一化，以获得RX滤波器。 

根据本发明的另一方面，提供了一种用于在多用户多天线通信系统中从发送机发送数据的方法，该方法包括：计算多个用户接收机的TX滤波器；以及利用单向信道探测方案通过多个天线向相应的用户接收机发送计算的TX滤波器。 

根据本发明的又一方面，提供了一种用于在多用户多天线通信系统中在接收机处接收数据的方法，该方法包括：通过一个或更多个天线从发送机接收TX滤波器；对接收到的TX滤波器与信道矩阵的乘积进行归一化，以获得RX滤波器；以及使用所获得的RX滤波器对接收到的数据进行解码。 

附图说明

根据结合附图的下列详细描述，本发明的上述和其他目的、特征及优点将变得更加显而易见，在附图中： 

图1是典型的多用户多天线通信系统的示意性框图，其中在具有多个TX天线的发送机与其中的每一个都具有多个RX天线的接收机之间执行通信； 

图2是典型的多用户多天线通信系统的框图，其中发送机使用多个TX天线和一个TX滤波器，以及多个接收机中的每一个都使用多个RX天线和一个RX滤波器； 

图3是对取决于用于多用户多天线通信系统中的算法类型的谱效率的图； 

图4和5是示出了根据本发明的在多用户多天线通信系统中的发送机与接收机之间的通信流程的流程图； 

图6及7是示出了使用根据本发明的算法在多用户多天线通信系统中的发送流程的流程图； 

图8是示出了使用根据本发明的算法的取决于用于多用户多天线通信系统中的TX天线数目的谱效率的图；以及 

图9是示出了使用根据本发明的算法的取决于用于多用户多天线通信系统中的数据SNR的谱效率的图。 

具体实施方式

下面将参考附图描述本发明的优选实施例。在下列描述中，不对公知的功能或结构进行详细描述，因为他们可能在不必要的细节上混淆本发明。 

本发明提供了一种用于多用户多天线通信系统的发送设备及方法，其有效地计算TX滤波器并利用单向信道探测方案来向接收机发送计算的TX滤波器；以及一种用于多用户多天线通信系统的数据接收设备及方法，其通过信道接收TX滤波器并使用接收到的TX滤波器与信道矩阵的乘积作为RX滤波器。 

本发明以在其中发送机知道关于接收机的DL CSI的通信系统为前提。在下列描述中，以时分复用(TDD)多用户多天线通信系统为例，在该通信系统中，BS发送机可以通过对上行链路(UL)信道的估计而获得下行链路(DL)的信道状态信息(CSI)。 

如图1所示，本发明考虑了一种多用户多天线通信系统，其中BS发送机具有N个TX天线以及多个用户接收机中的用户接收机k具有N_k 个RX天线。发送机与用户接收机k之间的信道由矩阵H_k表示。当信道的变化比DL/UL帧缓慢时，可以认为该信道对于连续几帧为恒定的，并且该信道在上行链路与下行链路具有相同吞吐量。在这种情况下，BS和用户接收机估计相同的信道。BS可以使用数据传输或用户接收机所发送的上行链路探测导频来估计BS发送机与用户接收机之间的信道矩阵H_k(k＝1，…，k，)。在其他实施例中，用户接收机k可以估计矩阵H_k，然后用户接收机k向BS报告所估计的H_k。发送机和接收机使用公知的方案来执行信道估计。 

从BS向N个用户接收机发送，其中N个用户接收机与图2中所示的TX天线的数目相同。使用一种调度算法来选择用户接收机。该调度算法考虑诸如工作量、延迟，以及服务质量(QoS)等因素来分配频率、时间和空间，并使用一种用于最大化传输效率的方案。该调度算法可以是传统的，并在图2中的SM TX滤波器210、220、…、230之前安装用于实现该调度算法的调度器。 

在执行调度算法之后，发送机执行下列计算步骤。 

计算阶段

使用一种用于计算TX滤波器M_k的简化算法来降低在给每一个用户接收机发送一个层的情况下的复杂度。本发明通过有效信道矩阵的伪逆同时获得N个用户接收机的N个TX滤波器。因此，可以忽略复杂的SVD操作，以简化计算，该复杂的SVD操作需要在每一个用户接收机的每一次迭代阶段中对数字信号处理执行两次。 

另外，每一个用户接收机中的初始化所必需的SVD操作可以通过将初始RX滤波器设置为随机单位向量而忽略。 

降低了相关复杂度的简化算法包括以下步骤： 

首先，针对K个用户的每一个用户，将RX滤波器初始化为随机值。 

其次，将下列计算重复Ni次：使用当前RX滤波器来计算有效信道矩阵。然后，使用当前TX滤波器和信道矩阵来计算有效信道矩阵的伪逆。然后针对每一个用户k，将当前TX滤波器更新为归一化后的有效信道矩阵的逆的第k列。将针对每一个用户k的RX滤波器更新为用户k的信道矩阵与其当前TX滤波器的乘积，随后对其进行归一化。 

减少相关复杂度的简化算法遵循： 

初始化

对于k＝1:K 

W_k＝大小为N_k×1的随机单位向量 

结束 

重复N_i次 

定义 $H_{\mathrm{eff}}={\left[\begin{array}{ccccc}{\left(W_1^{*}{H}_1\right)}^T& \·\·\·& {\left(W_k^{*}{H}_k\right)}^T& \·\·\·& {\left(W_K^{*}{H}_K\right)}^T\end{array}\right]}^T$

对于k＝1:K 

计算 

$W_k=\frac{H_k{M}_k}{\left|\right|H_k{M}_k\left|\right|}$

结束 

迭代结束。 

其中H_k表示用户接收机k的信道矩阵，H_eff表示接收机实际经历的用户接收机的有效信道矩阵， 

表示有效信道矩阵H_eff的伪逆矩阵，M_k是用户接收机k的TX滤波器矩阵，W_k是用户接收机k的RX滤波器矩阵，T表示转置，以及^*表示复共轭转置，N_i是迭代次数。 

因为信道矩阵随时间变化，所以本发明提供了一种备选算法。可以将该算法用作为更新TX滤波器的过程。在这种算法中，将TX滤波器的初始值设置为1_N+i1_N，其中1_N是每一个条目为1的、长度为N的列向量。尽管初始值不是最优的，但是每一个初始值的性能是相同的。因此，可以简单地设定初始值，并且其性能与之前的计算算法相同。备选的计算算法包括以下步骤： 

首先，针对K个用户的每一个用户，将TX滤波器初始化为值1_N+i1_N。对于每一个用户k，计算等于用户k的信道矩阵的转置共轭与用户k的信道矩阵的乘积的矩阵。 

其次，将下列计算重复Ni次：使用当前TX滤波器及在初始化步骤中计算的矩阵来计算有效信道矩阵。然后计算有效信道矩阵的伪逆。然后，针对每一个用户k，将当前的TX滤波器更新为有效信道矩阵的逆的第k列。 

第三，针对每一个用户k，对TX滤波器进行归一化。然后，针对每一个用户k，计算用户k的信道矩阵与其TX滤波器的乘积作为RX滤波器，随后对其进行归一化。 

备选的计算方法可以概述如下： 

初始化

对于k＝1:K 

M_k＝1_N+i1_N

$\stackrel{\‾}{H_k}=H_k^{*}{H}_k$

结束 

重复Ni次： 

$H_{\mathrm{eff}}={\left[\begin{array}{ccccc}{\left(M_1^{*}\stackrel{\‾}{H_1}\right)}^T& \·\·\·& {\left(M_k^{*}\stackrel{\‾}{H_k}\right)}^T& \·\·\·& {\left(M_K^{*}\stackrel{\‾}{H_K}\right)}^T\end{array}\right]}^T$

结束迭代 

对RX滤波器进行归一化 

对于k＝1:K 

$M_k\←\frac{M_k}{\left|\right|M_k\left|\right|}$

$W_k=\frac{H_k{M}_k}{\left|\right|H_k{M}_k\left|\right|}$

结束 

其中H_k表示信道矩阵， 

表示修改的匹配信道矩阵，H_eff表示用户接收机实际经历的有效信道矩阵，M_k是用户接收机k的TX滤波器矩阵，W_k是用户接收机k的RX滤波器矩阵，T表示转置，以及^*表示复共轭转置，N_i是迭代次数。 

用于初始化的计算比较简单。另外，如果信道足够慢，则仅通过一定的迭代次数就能够保持基于时间的性能。上述算法的优点在于：不仅TX滤波器的计算不需要SVD，而且RX滤波器的计算也不需要SVD。此外，上述算法的滤波器计算的复杂度甚至低于单用户闭环MIMO传输方案的复杂度。此外，对于所有用户，上述算法的RX结构也比单用户开环层传输方案简单。此外，上述算法的传输效率比单用户的情况高得多。 

训练阶段

利用单向信道探测方案，将由发送机计算的TX滤波器发送给接收机。除了接收由发送机计算的RX滤波器以外，接收机还通过信道接收所计算的TX滤波器，并使用接收到的TX滤波器与信道矩阵的乘积作为RX滤波器。因此，接收机不需要信道估计来计算RX滤波器。单向信道探测方案用于向接收机发送TX滤波器。在单向信道探测方案中，DL符号(例如，导频信号)用于向接收机发送TX滤波器与序列信号(例如，[1111])的乘积，该DL符号在发送机与接收机侧是一致的。换一种表示，发送机通过发送机的TX滤波器发送已知的序列(例如，导频信号)，并且接收机接收通过TX滤波器及下行链路信道传送的已 知序列(TX滤波器与下行链路信道矩阵的乘积)。 

如上所述，给用户接收机发送TX滤波器，而不是RX滤波器。接收机通过信道接收TX滤波器，并使用接收到的TX滤波器与信道矩阵的乘积来对接收到的数据进行解码。 

在本发明中，针对用户接收机k，使用RX滤波器与最佳TX滤波器之间的下列关系来执行归一化过程。 

                      W_k～a_kH_kM_k

其中，a_k是归一化参数，并在归一化过程中获得。 

通过子载波k发送针对用户k的导频信号。在这点上，信道矩阵在多个载波上是恒定的。这符合在其中子载波所发送的频率带宽小于信道的相关带宽的情况。可以通过对在BS与用户接收机k之间达成一致的序列(信号)进行波束赋形来检测基站(BS)所发送的导频信号。例如，已一致的序列(信号)可以是以功率P_t发送的1的序列。另外的序列也是可能的。TX波束赋形向量是针对用户接收机k的TX滤波器。 

也就是说，通过子载波k向用户接收机k发送的导频信号是： 

$x_k=M_k\×1\×\sqrt{P_t}=\sqrt{P_t}{M}_k$

通过子载波在用户接收机k处接收到的信号可以表示为： 

$y_k=\sqrt{P_t}{H}_k{M}_k+w_k$

其中w_k是N_k×1的加性高斯白噪声(AWGN)向量。 

上述等式可重写为： 

$y_k=\sqrt{P_t}{H}_k{V}_{k,N}+W_k$

然后，接收的信号向量为： 

$y_k=\left|\right|H_k{V}_{k,N}\left|\right|\sqrt{P_t}{W}_k+W_k$

对接收到的信号进行归一化，并用于估计RX滤波器。 

${\hat{W}}_k=\frac{y_k}{\left|\right|y_k\left|\right|}$

这可重写为： 

${\hat{W}}_k=\frac{\left|\right|H_k{V}_{k,N}\left|\right|\sqrt{P_t}{W}_k+w_k}{\left|\right|\left|\right|H_k{V}_{k,N}\left|\right|\sqrt{P_t}{W}_k+w_k\left|\right|}=\frac{W_k+\frac{w_k}{\sqrt{P_t\left|\right|H_k{V}_{k,N}\left|\right|}}}{\left|\right|W_k+\frac{w_k}{\sqrt{P_t\left|\right|H_k{V}_{k,N}\left|\right|}}\left|\right|}$

其中，H_k是发送机与用户接收机k之间的信道，M_k是用户接收机k的TX矩阵，W_k是用户接收机k的RX矩阵，P_t是TX功率，以及V_k，n是H_stacked，k的零空间的奇异向量。 

当不存在噪声或导频信号的功率增大到较高水平时， $\hat{W}\→W_k.$

由于导频训练过程的特性，用户接收机不需要对其包含NN_k个复系数的信道矩阵进行估计。取而代之的是，必需估计N_k(RX天线的数目)个复系数中的每一个。因为信道估计只需要较少量的导频信号，所以这些特性降低了RX的复杂度，并增大了系统的带宽利用。 

可以将导频信号作为数据分组的一部分或作为帧的前导发送到用户接收机。导频信号可以通过专用信道或公共信道发送。 

可以很容易地将本发明应用到基于多用户MIMO信道的正交频分多址接入(OFDMA)时分复用(TDD)系统。 

参照图4，在步骤410，发送机执行用于确定向哪一个用户接收机发送数据的调度操作以及自适应调制与编码(AMC)操作。在步骤420，发送机使用根据本发明的改进方案来计算TX滤波器。在步骤430，发送机根据本发明利用单向信道探测方案向接收机发送计算的TX滤波器(发送机的SM TX滤波器210、220和230计算TX滤波器)。尽管没有示出，接收机240、250、260和270使用接收到的TX滤波器与信道矩阵的乘积作为RX滤波器。接收机根据等式(1)对RX滤波器进行归一化，并使用归一化的RX滤波器。该归一化在接收机的SM RX滤波器240、250和260中执行。 

$W_k=\frac{H_k{M}_k}{\left|\right|H_k{M}_k\left|\right|}...\left(1\right)$

其后，在步骤440中执行从发送机到接收机的DL数据传输。接收机使用上述RX滤波器对接收到的数据进行解码。此后不久，在步骤450，发送机更新TX滤波器，并利用单向信道探测方案向接收机发送更新的TX滤波器。接收机对信道矩阵与接收自发送机的TX滤波器的乘积进行归一化，并使用归一化值作为RX滤波器。其后，在步骤460中执行从发送机到接收机的DL数据传输。接收机使用归一化后的RX滤波器对接收到的数据进行更新。 

参照图5，在步骤470，发送机执行用于确定向其发送数据的用户接收机的调度操作以及必需的AMC操作。在步骤471中，发送机使用根据本发明的改进方案计算TX滤波器。在步骤480，发送机利用单向信道探测方案向接收机发送计算的TX滤波器。在步骤490中，同时执行该TX滤波器的发送与DL数据的发送。接收机240、250、260和270使用接收到的TX滤波器与信道矩阵的乘积作为RX滤波器。接收机对RX滤波器进行归一化，并使用归一化后的RX滤波器。在接收机的SM RX滤波器240、250和260中执行该归一化。其后不久，在步骤481，发送机更新TX滤波器，并利用单向信道探测方案向接收机发送更新的TX滤波器。在步骤491，同时执行更新的TX滤波器和DL数据传输。 

下列参数被认为是在OFDMA系统中的实际设计。必需找出发送到每一个用户接收机的导频信号的数目，以及对理想RX向量的估计有多大的可靠性。使用向量量化方案来检测对于控制信号必需的资源的数目。同时给N个用户接收机提供在跨越信道的相干带宽的子带宽上的各个子载波。 

·载波数目：1024 

·相干带宽：256个子载波 

·每个相干带宽的用户接收机的数目＝天线的个数(N)＝4 

·控制比特的编码速率R＝1/20到1/8 

·基于设计的用于向量量化的控制比特的数目：B＝6 

·用于控制比特的星座：QPSK 

为了在系统中(其中控制比特的编码速率为R，以及用户接收机 的数目为N)在每个相干带宽上向用户接收机发送B个比特，必需发送BN/R，即BN/(2R)个QPSK符号。如果BN/(2R)＜256，则可以使用每一OFDM符号BN/(2R)个子载波对一个OFDM符号进行操作。在相同数目的用户接收机及相同的相干带宽的情况下，仅必需一个子载波来发送具有与每个相关信道上的用户接收机的数据信号相同的平均功率的导频信号。因此，必需N个子载波操作于一个OFDM符号上。 

如果在上述情况中确定使用相同数目的子载波，则导频信号可以被发送(B/(2R)＝BN/(2R)/N)次。在这种情况下，导频TX功率增加B/(2R)倍。当接收机对导频信号执行线性最小均方误差(LMMSE)操作时，导频信号的平均SNR相对于数据信号的平均SNR可以增加10log₁₀(B/2R)dB。此外，因为导频可以增加到2.5dB，所以总增加可以达到大约(2.5+10log₁₀(B/2R))dB。对于前述参数，在1/8到1/20的编码率下有效的导频电压增加16.3dB到20.3dB。 

数据传输阶段

基站发送机发送TX滤波器与调制符号s的向量的乘积(其中s_k 是发送给用户接收机k的符号)。这些符号通过信道以总传输功率P₀ 发送。 

将总TX功率均匀地分配给N个层(从N个TX天线到各个用户接收机)。 

发送的向量可以表示为： 

$x=\sqrt{\frac{P_0}{N}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{M}_n{s}_n$

用户接收机k接收到的信号表示为： 

$y_k=\sqrt{\frac{P_0}{N}}{H}_k\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{M}_n{s}_n+w_k$

用户接收机k将接收到的信号与其RX滤波器相乘，以获得： 

${\hat{s}}_k={\hat{W}}_k^{*}{y}_k,$

${\hat{s}}_k={\hat{W}}_k^{*}(\sqrt{\frac{P_0}{N}}{H}_k\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{M}_n{s}_n+w_n),$

${\hat{s}}_k=\sqrt{\frac{P_0}{N}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{W}}_k^{*}{H}_k{M}_n{s}_n+W_k^{*}{w}_n.$

理论上，如果 ${\hat{W}}_k=W_k,$ 则 ${\hat{W}}_k{H}_k{M}_n=\left\{\begin{array}{c}0,k\≠n\\ 1,k=n\end{array}\right..$

因此，在理论上， ${\hat{s}}_k=\sqrt{\frac{P_0}{N}}{s}_k+w_k.$

其中H_k是发送机与用户接收机k之间的信道，M_n是用户接收机n的TX矩阵，W_k是用户接收机k的RX矩阵，P₀是总TX功率，以及W_k与W_n是AWGN。 

假设用户接收机可以完美地估计RX滤波器，BS可以通过使用传统的注水方案代替均匀功率分配方案来适应分配给每一层的功率，从而增大传输效率。 

参照5A，在步骤510，发送机执行用于确定将向哪一个用户接收机发送数据的方案。还可以在步骤510执行自适应调制与编码(AMC)操作。在步骤520，发送机使用根据本发明的改进方案来计算TX滤波器。在步骤530，发送机使用根据本发明的单向信道探测方案向接收机发送计算的TX滤波器。在步骤540，发送机向接收机发送数据。 

接收机将接收到的TX滤波器与信道矩阵相乘以获得RX滤波器，并使用等式(1)对RX滤波器进行归一化： 

$W_k=\frac{H_k{M}_k}{\left|\right|H_k{M}_k\left|\right|}...\left(1\right)$

在步骤550，接收机使用归一化的RX滤波器对接收数据进行解码。 

参照图7，在步骤560，发送机执行用于确定将向哪一个用户接收机发送数据的调度方案。还可以在步骤560执行AMC操作。在步骤570，发送机使用根据本发明的改进方案来计算TX滤波器。在步骤580，发送机使用根据本发明的单向信道探测方案向接收机发送计算的TX滤波器及数据。 

在步骤590，接收机将接收到的TX滤波器与信道矩阵相乘以获 得RX滤波器，对该RX滤波器进行归一化，并使用归一化后的RX滤波器来对接收到的数据进行解码。 

仿真结果

现在将使用Monte-Carlo仿真模型在谱效率方面对本发明的性能进行检验。 

图8是示出了使用根据本发明的算法的取决于用于多用户多天线通信系统中的TX天线数目的谱效率的图。图8中的条件与图3中的相同。根据本发明的算法可以在实际系统中实现。脏纸编码算法是理论上的最佳情况，改进的波束赋形方案是不切实际的情况。从图8可以看出，根据本发明的算法在性能上与脏纸编码算法及改进的波束赋形算法非常相似。 

图9是示出了使用根据本发明的算法的取决于用于多用户多天线通信系统中的数据SNR的谱效率的图。图9示出了在其中发送机具有4个TX天线、以及4个接收机中的每一个都具有4个RX天线的情况。此外，从图9可以看出，根据本发明的算法在性能上与脏纸编码算法以及改进的波束赋形算法非常相似。 

如上所述，本发明提供了一种数据发送设备及方法，用于利用改进方案计算发送机的TX滤波器以及利用单向信道探测方案向接收机发送计算的TX滤波器，以及一种数据接收设备及方法，用于通过信道接收TX滤波器并使用信道矩阵与接收到的TX滤波器的乘积作为RX滤波器。因此，可以降低系统复杂度。此外，由于接收机不需要信道估计，因此也可以降低其复杂度。 

尽管已经参考本发明的特定优选实施例说明并描述了本发明，本领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以在本发明中进行形式与细节上的多种变化，本发明的精神和范围由所附权利要求进行进一步限定。 

Claims (22)

1.一种用于在多用户多天线通信系统中从发送机发送数据的方法，所述方法包括步骤：

计算多个用户接收机的发送(TX)滤波器矩阵；

利用单向信道探测方案，通过多个天线向相应的用户接收机发送计算的TX滤波器矩阵；以及

向用户接收机发送数据，

其中，通过有效信道矩阵的伪逆来计算N个用户接收机的N个TX滤波器矩阵，

其中，使用下列算法计算TX滤波器矩阵：

初始化

对于k=1：K

W_k=大小为N_k×1的随机单位向量

结束

重复N_i次：

定义 $H_{\mathrm{eff}}={[{\left(W_1^{*}{H}_1\right)}^T...{\left(W_k^{*}{H}_k\right)}^T...{\left(W_K^{*}{H}_K\right)}^T]}^T$

计算

对于k=1∶K

$W_k=\frac{H_k{M}_k}{\left|\right|H_k{M}_k\left|\right|}$

结束

迭代结束

其中，K表示用户接收机的数目，N_k表示用户接收机的天线的数目，H_k表示信道矩阵，H_eff表示接收机经历的用户接收机的有效信道矩阵，

表示有效信道矩阵H_eff的伪逆矩阵，M_k是用户接收机k的TX滤波器矩阵，W_k是用户接收机k的RX滤波器矩阵，T表示转置，以及^*表示复共轭转置。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括确定用于用户接收机的数据传输调度，并将所确定的数据传输调度提供给发送机的多路复用(SM)TX滤波器单元。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，通过使用发送机与用户接收机之间的信道矩阵来计算TX滤波器矩阵。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，通过使用来自用户接收机的上行链路探测导频来估计信道矩阵。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，通过用户接收机报告信道矩阵。

6.一种用于在多用户多天线通信系统中从发送机发送数据的方法，所述方法包括步骤：

计算多个用户接收机的发送(TX)滤波器矩阵；

利用单向信道探测方案，通过多个天线向相应的用户接收机发送计算的TX滤波器矩阵；以及

向用户接收机发送数据，

其中，通过有效信道矩阵的伪逆来计算N个用户接收机的N个TX滤波器矩阵，

其中，使用下列算法来计算TX滤波器矩阵：

初始化

对于k=1∶K

M_k=1_N+i1_N

$\stackrel{\‾}{H_k}=H_k^{*}{H}_k$

结束

重复N_i次：

$H_{\mathrm{eff}}={[{\left(M_l^{*}\stackrel{\‾}{H_l}\right)}^T...{\left(M_k^{*}\stackrel{\‾}{H_k}\right)}^T...{\left(M_K^{*}\stackrel{\‾}{H_K}\right)}^T]}^T$

结束迭代

对RX滤波器矩阵进行归一化

对于k=1：K

$M_k\←\frac{M_k}{\left|\right|M_k\left|\right|}$

$W_k=\frac{H_k{M}_k}{\left|\right|H_k{M}_k\left|\right|}$

结束

其中，K表示用户的数目，1_N是每一个条目为1的、长度为N的列向量，H_k表示信道矩阵，

表示修改的匹配信道矩阵，H_eff表示用户接收机实际经历的有效信道矩阵，

表示有效信道矩阵H_eff的伪逆矩阵，M_k是用户接收机k的TX滤波器矩阵，W_k是用户接收机k的RX滤波器矩阵，T表示转置，以及^*表示复共轭转置。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括确定用于用户接收机的数据传输调度，并将所确定的数据传输调度提供给发送机的多路复用(SM)TX滤波器单元。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，通过使用发送机与用户接收机之间的信道矩阵来计算TX滤波器矩阵。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，通过使用来自用户接收机的上行链路探测导频来估计信道矩阵。

10.根据权利要求6所述的方法，其中，通过用户接收机报告信道矩阵。

11.一种用于在多用户多天线通信系统中从发送机发送数据的方法，所述方法包括以下步骤：

计算多个用户接收机的发送(TX)滤波器矩阵，并通过所计算的TX滤波器矩阵所应用的多个天线来向相应的用户接收机发送训练序列，

其中，通过有效信道矩阵的伪逆来计算N个用户接收机的N个TX滤波器矩阵，

其中，通过使用下列算法来计算所述TX滤波器矩阵：

初始化

对于k=1：K

W_k=大小为N_k×1的随机单位向量

结束

重复N_i次：

定义 $H_{\mathrm{eff}}={[{\left(W_1^{*}{H}_1\right)}^T...{\left(W_k^{*}{H}_k\right)}^T...{\left(W_K^{*}{H}_K\right)}^T]}^T$

计算

对于k=1：K

$W_k=\frac{H_k{M}_k}{\left|\right|H_k{M}_k\left|\right|}$

结束

迭代结束

其中，K是用户接收机的数目，N_k表示用户接收机的天线的数目，H_k表示信道矩阵，H_eff表示接收机经历的用户接收机的有效信道矩阵，

表示有效信道矩阵H_eff的伪逆矩阵，M_k是用户接收机k的TX滤波器矩阵，W_k是用户接收机k的RX滤波器矩阵，T表示转置，以及^*表示复共轭转置。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括确定针对用户接收机的数据传输调度，并将所确定的数据传输调度提供给发送机的多路复用(SM)TX滤波器单元。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，通过使用所述发送机与用户接收机之间的信道矩阵来计算所述TX滤波器矩阵。

14.一种用于在多用户多天线通信系统中从发送机发送数据的方法，所述方法包括以下步骤：

计算多个用户接收机的发送(TX)滤波器矩阵；以及

通过所计算的TX滤波器矩阵所应用的多个天线来向相应的用户接收机发送训练序列，

其中，通过有效信道矩阵的伪逆来计算N个用户接收机的N个TX滤波器矩阵，

其中，使用下列算法来计算所述TX滤波器矩阵：

初始化

对于k=1：K

M_k=1_N+i1_N

$\stackrel{\‾}{H_k}=H_k^{*}{H}_k$

结束

重复N_i次：

$H_{\mathrm{eff}}={[{\left(M_l^{*}\stackrel{\‾}{H_l}\right)}^T...{\left(M_k^{*}\stackrel{\‾}{H_k}\right)}^T...{\left(M_K^{*}\stackrel{\‾}{H_K}\right)}^T]}^T$

结束迭代

对RX滤波器矩阵进行归一化

对于k=1：K

$M_k\←\frac{M_k}{\left|\right|M_k\left|\right|}$

$W_k=\frac{H_k{M}_k}{\left|\right|H_k{M}_k\left|\right|}$

结束

其中，K表示用户的数目，1_N是每一个条目为1的、长度为N的列向量，H_k表示信道矩阵，

表示修改的匹配信道矩阵，H_eff表示用户接收机经历的有效信道矩阵，

表示有效信道矩阵H_eff的伪逆矩阵，M_k是用户接收机k的TX滤波器矩阵，W_k是用户接收机k的RX滤波器矩阵，T表示转置，以及^*表示复共轭转置。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括确定针对用户接收机的数据传输调度，并将所确定的数据传输调度提供给发送机的多路复用(SM)TX滤波器单元。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，通过使用所述发送机与用户接收机之间的信道矩阵来计算所述TX滤波器矩阵。

17.一种用于在多用户多天线通信系统中在接收机处接收数据的方法，所述方法包括步骤：

通过一个或更多个天线从发送机接收发送(TX)滤波器矩阵；

对接收到的TX滤波器矩阵与信道矩阵的乘积进行归一化，以获得接收(RX)滤波器矩阵；以及

使用所获得的RX滤波器矩阵对接收到的数据进行解码，

其中，通过使用下列等式来获得所述RX滤波器矩阵：

$W_k=\frac{H_k{M}_k}{\left|\right|H_k{M}_k\left|\right|}$

其中，H_k是信道矩阵，M_k是用户接收机k的TX滤波器矩阵，以及W_k是用户接收机k的RX滤波器矩阵，

其中，TX滤波器矩阵是使用下列算法计算的：

初始化

对于k=1:K

W_k=大小为N_k×1的随机单位向量

结束

重复Ni次：

定义 $H_{\mathrm{eff}}={[{\left(W_1^{*}{H}_1\right)}^T...{\left(W_k^{*}{H}_k\right)}^T...{\left(W_K^{*}{H}_K\right)}^T]}^T$

计算

对于k=1：K

$W_k=\frac{H_k{M}_k}{\left|\right|H_k{M}_k\left|\right|}$

结束

迭代结束

其中，K是用户接收机的数目，N_k表示用户接收机的天线的数目，H_eff表示接收机经历的用户接收机的有效信道矩阵，

表示有效信道矩阵H_eff的伪逆矩阵，M_k是用户接收机k的TX滤波器矩阵，W_k是用户接收机k的RX滤波器矩阵，T表示转置，以及^*表示复共轭转置。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述TX滤波器矩阵是利用单向信道探测方案从所述发送机发送的。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述单向信道探测方案是所述发送机通过所述TX滤波器矩阵所应用的TX天线来发送训练序列。

20.一种用于在多用户多天线通信系统中在接收机处接收数据的方法，所述方法包括步骤：

通过一个或更多个天线从发送机接收发送(TX)滤波器矩阵；

对接收到的TX滤波器矩阵与信道矩阵的乘积进行归一化，以获得接收(RX)滤波器矩阵；以及

使用所获得的RX滤波器矩阵对接收到的数据进行解码，

其中，通过使用下列等式来获得所述RX滤波器矩阵：

$W_k=\frac{H_k{M}_k}{\left|\right|H_k{M}_k\left|\right|}$

其中，H_k是信道矩阵，M_k是用户接收机k的TX滤波器矩阵，以及W_k是用户接收机k的RX滤波器矩阵，

其中，TX滤波器矩阵是使用下列算法计算的：

初始化

对于k=1：K

M_k=1_N+i1_N

$\stackrel{\‾}{H_k}=H_k^{*}{H}_k$

结束

重复N_i次：

$H_{\mathrm{eff}}={[{\left(M_l^{*}\stackrel{\‾}{H_l}\right)}^T...{\left(M_k^{*}\stackrel{\‾}{H_k}\right)}^T...{\left(M_K^{*}\stackrel{\‾}{H_K}\right)}^T]}^T$

结束迭代

对RX滤波器矩阵进行归一化

对于k=1：K

$M_k\←\frac{M_k}{\left|\right|M_k\left|\right|}$

$W_k=\frac{H_k{M}_k}{\left|\right|H_k{M}_k\left|\right|}$

结束

其中，K表示用户的数目，1_N是每一个条目为1的、长度为N的列向量，H_k表示信道矩阵，

表示修改的匹配信道矩阵，H_eff表示用户接收机经历的有效信道矩阵，

表示有效信道矩阵H_eff的伪逆矩阵，M_k是用户接收机k的TX滤波器矩阵，W_k是用户接收机k的RX滤波器矩阵，T表示转置，以及^*表示复共轭转置。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述TX滤波器矩阵是利用单向信道探测方案从所述发送机发送的。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述单向信道探测方案是所述发送机通过所述TX滤波器矩阵所应用的TX天线来发送训练序列。

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