CN101378280B - 基于天线选择的多输入多输出系统及其信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于天线选择的多输入多输出系统及其信号处理方法，系统发射端包括块对角化模块、一次预编码模块、二次预编码模块及统一信道分解模块，接收端包括天线选择模块，块对角化模块用于根据反馈的信道信息，分解出单用户信道矩阵并分解出对角化预编码矩阵；统一信道分解模块用于根据单用户信道矩阵分解出单用户的预编码矩阵；一次预编码模块用于根据单用户的预编码矩阵对用户信息进行预编码；二次预编码模块用于根据所述对角化预编码矩阵对用户信息进行二次预编码；天线选择模块用于根据从信道估计模块得到的信道信息进行天线选择，将选择结果输出到检测模块。本发明优化了多用户多输入多输出系统的性能。

Description

基于天线选择的多输入多输出系统及其信号处理方法

技术领域

本发明涉及通讯领域的多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Out-put，MIMO)系统技术，尤其涉及一种基于天线选择的多输入多输出系统及其信号处理方法。

背景技术

随着无线通信的迅猛发展，人们对无线通信业务的类型和质量的要求越来越高。在当前频谱资源下提高通信速率和可靠性的办法之一就是使用多个发送和多个接收天线，也就是多输入多输出的通信系统。

在多用户多输入多输出系统中，利用空时处理技术，多个用户可以占用相同的时间和频率资源，且不需要扩频处理，仅利用空间信道的不同来抑制干扰，恢复信号。同传统的多址方式相比，空分多址有效地提高了系统的容量，从而能在给定的发射功率和带宽约束条件下实现更高的数据传输速率。

理论研究表明，对于MIMO多用户下行链路，在发射端采用“脏纸编码”可以获得系统的最大和容量，但最优的脏纸编码的复杂度非常高，且不同于现有的编码方法，目前还仅仅是一个理论结果，难以实际应用。一种简单有效的次优方法是在发射端通过线性预编码实现对用户MIMO信道矩阵的块对角化，从而消除多用户之间的干扰，其效果是将多用户MIMO系统转化为多个独立的单用户MIMO系统。设基站同时给K个用户发送数据，则块对角化预编码要求每个用户的预编码矩阵位于其它K-1个用户的信道矩阵的零空间，这就要求任意K-1个用户的接收天线数总和小于发射天线数，从而限制了同时支持的用户数和系统的空间自由度。

由于MIMO系统不可避免地要在发送端和接收端设置多副天线，导致其射频链路的硬件成本和通信双方为保持信道的非相关性所需空间的局限性(尤其是移动终端)，以及天线数目的增加导致的空时码编解码的复杂性都在一定程度上限制了MIMO系统的应用，因此如何才能做到既要保持多天线系统较高的频谱效率和较高的可靠性，又要降低系统的复杂度和成本已逐渐成为人们的研究热点。目前，一种较有前景的技术就是在发送端或者接收端进行天线选择，用以克服MIMO系统的上述缺点。

一般来说，天线选择既可以在发送端进行，也可以在接收端进行，或者收发两端同时进行，他们对MIMO系统的性能影响不同，因此要视具体情况而定。

基于统一信道分解(Uniform Channel Decomposition，UCD)的反馈信道模型，在发送端与接收端采用统一的发送与接收信号处理方式，如使用VBLAST解码或“脏纸编码”。信道UCD分解的方法是将MIMO信道分解为信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)完全相同的L个子信道，这样我们就能对各个子信道采用统一的功率分配和调制方案，既降低了系统的复杂度又提高了系统的性能，而且不会有性能与容量的折衷问题-高dB(分贝)时能使性能和容量最大化。

需要说明的是上述UCD方法仅对单用户MIMO系统有良好的优化效果，而在多用户MIMO系统中，由于用户间干扰以及不同用户之间无法获取相互间的信道信息，UCD方法难以直接使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于天线选择的多输入多输出系统及其信号处理方法，解决UCD方法难以在多用户MIMO系统中直接使用的问题，从而优化多用户MIMO系统的性能。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于天线选择的多输入多输出系统，包括发射端及接收端，所述发射端包括块对角化模块，所述接收端包括信道估计模块和检测模块，所述发射端还包括一次预编码模块、二次预编码模块及统一信道分解模块，所述接收端还包括天线选择模块，

所述块对角化模块，用于根据从所述信道估计模块反馈的信道信息对多用户信道进行块对角化处理，分解出单用户信道矩阵发送到统一信道分解模块，并分解出对角化预编码矩阵发送到所述二次预编码模块；

所述统一信道分解模块，用于根据所述单用户信道矩阵分解出单用户的预编码矩阵，发送到一次预编码模块；

所述一次预编码模块，用于根据单用户的预编码矩阵对用户信息进行预编码后输出到所述二次预编码模块；

所述二次预编码模块，用于根据所述对角化预编码矩阵对用户信息进行二次预编码；

所述天线选择模块，用于根据从所述信道估计模块得到的信道信息进行天线选择，将选择结果输出到所述检测模块。

优选的，所述检测模块为最小均方误差MMSE检测模块。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种基于天线选择的多输入多输出系统的信号处理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)发射端根据从接收端反馈的信道信息对多用户信道进行块对角化处理，分解出单用户信道矩阵输出至统一信道分解模块，并分解出对角化矩阵输出到二次预编码模块；

(2)所述统一信道分解模块根据所述单用户信道矩阵分解出预编码矩阵，输出到一次预编码模块，所述一次预编码模块根据所述预编码矩阵对信号进行一次预编码后，输出至二次预编码模块；

(3)所述二次预编码模块根据所述对角化矩阵对所述信号进行二次预编码后经天线发射；

(4)接收端接收到所述信号后，分别将信道信息反馈到发射端，接收端并根据信道信息进行天线选择，按照天线选择结果进行信号检测。

进一步的，所述方法还包括以下步骤：

(5)发射端接收到反馈的所述信道信息后，发射一次通过块对角化矩阵预编码的导频信号；接收端根据接收到的导频信号估计出信道信息后反馈到所述发射端。

进一步的，步骤(4)中所述天线选择，包括以下步骤：

(4a)对所有用户联合进行天线选择，搜索所有可能的选择方法，将可能的选择方法用序号l＝1，2，…，L表示；

(4b)将采用选择方法l时用户r对应的信道矩阵记为

根据

估计得到对于选择方法l为最优的块对角化预编码矩阵

(4c)根据所述预编码矩阵

估计选择方法l获得的系统和容量： $c\left(l\right)=\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2\det p[I+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}^2}{H}_r^l{F}_r^l{\left(H_r^l\right)}^H{\left(F_r^l\right)}^H];$

其中det()表示求行列式运算，I为是单位矩阵，上角标H表示共轭转置运算；

(4d)比较所有的选择方法获得的系统和容量，将获得的系统和容量最大的选择方法作为最优的天线选择方法。

进一步的，在步骤(4b)中对每种可能的天线选择方法l，通过计算R个矩阵的零空间的标准正交基和R个矩阵的奇异值分解得到

本发明由于采用了结合块对角化处理并配合以接收天线选择和UCD分解的多用户MIMO系统，同现有的多输入多输出系统相比具有很多优点。第一，利用通信信道的特性进行块对角化处理并配合以接收天线选择，能消除用户间干扰，从而使多输入多输出系统具有更广泛的适应性。第二，利用统一信道分解方法优化了各个用户的性能。该方法简洁、计算快速，易于工程实现。

附图说明

图1为本发明基于天线选择的多输入多输出系统结构示意图。

图2为本发明的基于天线选择的多输入多输出系统信号处理方法流程图。

具体实施方式

本发明通过将块对角化处理模块及接收天线选择模块与统一信道分解模块相配合，从而使UCD分解方法在多用户MIMO系统中得以使用，优化系统的性能。

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

参照图1所示，为本发明基于天线选择的多输入多输出系统结构示意图。

以两用户多输入多输出系统为例，将两个用户标识为用户1和用户2。该系统包括发射端和接收端及反馈路径122.1、122.2，在发射端及接收端均分别对用户1及用户2的数据进行处理。发射端包括：信息源模块110.1、110.2，调制模块111.1、111.2，一次预编码模块112.1、112.2，UCD分解模块113.1、113.2，块对角化模块114，二次预编码模块115，及N_t个发射天线116；接收端包括：N_r1、N_r2个接收天线117.1、117.2，检测模块118.1、118.2，解调模块119.1、119.2，信道估计模块120.1、120.2，天线选择模块121.1、121.2。

在发射端，块对角化模块114根据从接收端反馈的用户1、用户2对应的信道矩阵H₁、H₂对多用户MIMO信道进行对角化处理，并将多用户MIMO信道分成独立的两个单用户信道矩阵h₁、h₂，分别输出到UCD分解模块113.1、113.2；UCD分解模块113.1、113.2分别分解出两个用户的预编码矩阵F₁、F₂，分别输入到一次预编码模块112.1、112.2进行一次预编码处理；同时块对角化模块114还输出对角化预编码矩阵M到二次预编码模块115，二次预编码模块115依据对角化预编码矩阵M进行二次预编码处理。

在接收端，信道估计模块120.1、120.2对N_r1、N_r2个接收天线117.1、117.2的信号进行估计，将估计出的信道信息分别输出到天线选择模块121.1、121.2，并把用户1、用户2对应的信道矩阵H₁、H₂分别经反馈通道122.1、122.2反馈给发射端。天线选择模块121.1、121.2分别分解出两个用户的天线选择输出发送至检测模块118.1、118.2，参与信号的检测处理。对于信号检测模块118.1、118.2，本实施例采用MMSE(Minimum MeanSquareError，最小均方误差)检测模块，当然实际应用中还可以使用其他类型的信号检测模块。

由于多输入多输出系统中的A/D和D/A转换、同步等模块的功能并不是本发明关心的内容，在本发明中不描述这些模块。

参照图2所示，为本发明的基于天线选择的多输入多输出系统信号处理方法流程图。

步骤201：发射端根据从接收端反馈的信道信息对多用户信道进行块对角化处理，分解出单用户信道矩阵输出至统一信道分解模块，并分解出对角化矩阵输出到二次预编码模块；

步骤202：所述统一信道分解模块根据单用户信道矩阵分解出预编码矩阵，输出到一次预编码模块，所述一次预编码模块根据所述预编码矩阵对信号进行一次预编码后，输出至二次预编码模块；

步骤203：所述二次预编码模块根据所述对角化矩阵对所述信号进行二次预编码后经天线发射；

步骤204：接收端接收到所述多用户信号后，分别将信道信息反馈到发射端，接收端并根据信道信息进行天线选择，按照天线选择结果进行信号检测。

具体的实施过程如下：

假设基站有4根天线同时为2个用户服务，每个用户有2根接收天线。首先基站利用用户反馈的信道信息H₁、H₂对多用户MIMO信道H＝[(H₁)^T，(H₂)^T]^T(上角标T表示转置运算)进行块对角化：

$\hat{H}=H\×M---\left(1\right)$

为块对角化处理的MIMO信道矩阵：

$\hat{H}=\left(\begin{array}{cccc}{h}_{11}& h_{12}& 0& 0\\ h_{21}& h_{22}& 0& 0\\ 0& 0& h_{33}& h_{34}\\ 0& 0& h_{43}& h_{44}\end{array}\right)---\left(2\right)$

得到(1)中的块对角化处理预编码矩阵M，这时多用户MIMO信道矩阵被分成独立的两个单用户MIMO信道矩阵h₁、h₂

$h_1=\left(\begin{array}{cc}{h}_{11}& h_{12}\\ h_{21}& h_{22}\end{array}\right),$ $h_2=\left(\begin{array}{cc}{h}_{33}& h_{34}\\ h_{43}& h_{44}\end{array}\right)---\left(3\right)$

由于用户间无法获得其他用户的信道信息，便无法独自计算当前的虚拟信道矩阵H₁、H₂，所以接下来基站要增加一次通过M预编码的导频信号(未预编码的导频信号记为p，p＝[p₁，p₂，p₃，p₄]^T)发射，两个用户接收到的导频信号为e＝[e₁ ^T，e₂ ^T]T＝[e₁，e₂，e₃，e₄]^T，其中：e₁＝[e₁，e₂]^T，e₂＝[e₃，e₄]^T分别为第一个和第二个用户接收到的导频信号，则有：

$e=H\×M\×p=\hat{H}\×p---\left(4\right)$

e₁＝h₁×[p₁，p₂]^T    (5)

e₂＝h₂×[p₃，p₄]^T    (6)

用户分别通过e₁，e₂估计出H₁、H₂反馈到发射端。最后基站对h₁、h₂进行UCD分解，得到两个用户的预编码矩阵F₁、F₂。注意到这里需要增加下行链路导频信号的发射，但这种附加的导频只在用户反馈新到信息后才发射(例如5ms一次)，所以对带宽的占用是很小的。

与以往的反馈预编码不同，发送端要对发送信号进行两次预编码：首先第一级两个用户的数据分别用F₁，F₂预编码，然后第二级经过M预编码消除多用户干扰。假设基站欲发送的数据信号为X＝[X₁ ^T，X₂ ^T]T＝[x₁，x₂，x₃，x₄]^T，其中X₁＝[x₁，x₂]^T为用户一的数据，X₂＝[x₃，x₄]^T为用户二的数据，经过第一级预编码后的预发送信号为

$\tilde{X}={[{\left(F_1{X}_1\right)}^T,{\left(F_2{X}_2\right)}^T]}^T---\left(7\right)$

在接收端，假设用户接收到的信号向量为Y＝[Y₁ ^T，Y₂ ^T]^T＝[y₁，y₂，y₃，y₄]^T，其中Y₁＝[y₁，y₂]^T，基站采用块对角化预编码同时给R个用户发送数据，为了增加系统的空间自由度或降低用户接收机的硬件复杂度，设第r个用户需要从N_r根天线中选择N_k根天线使用。这里考虑最大化系统和容量的最优的用户天线选择。

对于块对角化预编码，每个用户的预编码矩阵均位于其它所有用户的信道矩阵的零空间中，因此若某一个用户改变所使用的天线，则其它所有用户的预编码矩阵都要发生改变。这就意味着，最优的用户天线选择不能分解为各用户独立地选择天线，而需要对所有用户联合进行天线选择，即搜索所有可能的： $L=\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Π}}}\left[\begin{array}{c}{N}_r\\ N_k\end{array}\right]$ 种选择方法。将可能的选择方法用序号l＝1，2，…，L表示，然后采用如下的最优用户天线选择步骤：

1)对l＝1，2，…，L

进一步分为：

将采用选择方法l时用户r对应的信道矩阵记为

根据估计得到对于选择方法l为最优的块对角化预编码矩阵

估计选择方法l获得的系统和容量： $c\left(l\right)=\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2\det p[I+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}^2}{H}_r^l{F}_r^l{\left(H_r^l\right)}^H{\left(F_r^l\right)}^H],$ 其中det()表示求行列式运算，I为是单位矩阵，上角标H表示共轭转置运算。

2)最优的天线选择方法的序号为：

也就说对每种可能的天线选择方法l，获得

需要计算R个矩阵的零空间的标准正交基和R个矩阵的奇异值分解。

通常对于具有多个子信道的MIMO架构，系统的误码率性能是由最差子信道决定的。UCD方案最大程度地优化了最差子信道，从而优化了系统性能，使之在高相关性信道条件下也可以使用。采用块对角化预编码的MIMO多用户系统，在用户端仅选择部分天线使用可能会增加系统的和容量。实际上，发射端知道所有用户的信道状态信息，因此在选择用户的天线时利用这些信息来优化天线选择，从而获得大的容量增益。

本发明利用块对角化处理处理并配合以接收天线选择方法消除用户间干扰，根据系统配置对用户的接收天线进行选择，以增加基站同时支持的用户数和系统的空间自由度，从而达到增加系统容量的目的，然后对每个用户使用UCD分解反馈算法，使UCD分解方法在多用户MIMO系统中使用。

当然，上述具体实施方式不是对本发明技术方案的进一步限定，任何熟悉本领域的技术人员对本发明技术特征所做的等同替换或相应改进，仍在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于天线选择的多输入多输出系统，包括发射端及接收端，所述发射端包括块对角化模块，所述接收端包括信道估计模块和检测模块，其特征在于，所述发射端还包括一次预编码模块、二次预编码模块及统一信道分解模块，所述接收端还包括天线选择模块，

所述块对角化模块，用于根据从所述信道估计模块反馈的信道信息对多用户信道进行块对角化处理，分解出单用户信道矩阵发送到统一信道分解模块，并分解出对角化预编码矩阵发送到所述二次预编码模块；

所述统一信道分解模块，用于根据所述单用户信道矩阵分解出单用户的预编码矩阵，发送到一次预编码模块；

所述一次预编码模块，用于根据单用户的预编码矩阵对用户信息进行预编码后输出到所述二次预编码模块；

所述二次预编码模块，用于根据所述对角化预编码矩阵对用户信息进行二次预编码；

所述天线选择模块，用于根据从所述信道估计模块得到的信道信息进行天线选择，将选择结果输出到所述检测模块。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述检测模块为最小均方误差MMSE检测模块。

3.一种基于天线选择的多输入多输出系统的信号处理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)发射端根据从接收端反馈的信道信息对多用户信道进行块对角化处理，分解出单用户信道矩阵输出至统一信道分解模块，并分解出对角化矩阵输出到二次预编码模块；

(2)所述统一信道分解模块根据所述单用户信道矩阵分解出预编码矩阵，输出到一次预编码模块，所述一次预编码模块根据所述预编码矩阵对信号进行一次预编码后，输出至二次预编码模块；

(3)所述二次预编码模块根据所述对角化矩阵对所述信号进行二次预编码后经天线发射；

(4)接收端接收到所述信号后，分别将信道信息反馈到发射端，接收端并根据信道信息进行天线选择，按照天线选择结果进行信号检测。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

(5)发射端接收到反馈的所述信道信息后，发射一次通过块对角化矩阵预编码的导频信号；接收端根据接收到的导频信号估计出信道信息后反馈到所述发射端。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(4)中所述天线选择，包括以下步骤：

(4a)对所有用户联合进行天线选择，搜索所有可能的选择方法，将可能的选择方法用序号l＝1，2，…，L表示；

(4b)将采用选择方法l时用户r对应的信道矩阵记为

根据

估计得到对于选择方法l为最优的块对角化预编码矩阵

(4c)根据所述预编码矩阵

估计选择方法l获得的系统和容量： $c\left(l\right)=\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2\det [I+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}^2}{H}_r^l{F}_r^l{\left(H_r^l\right)}^H{\left(F_r^l\right)}^H];$

其中det()表示求行列式运算，I为是单位矩阵，上角标H表示共轭转置运算；

(4d)比较所有的选择方法获得的系统和容量，将获得的系统和容量最大的选择方法作为最优的天线选择方法。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤(4b)中对每种可能的天线选择方法l，通过计算R个矩阵的零空间的标准正交基和R个矩阵的奇异值分解得到

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