CN101378281B - 一种多输入多输出系统信号处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多输入多输出系统信号处理方法及装置，其中装置包括位于发送端的与发送端统一信道分解模块(113.1、113.2)连接的一次预编码模块(112.1、112.2)和与信道逆处理模块(116)连接的二次预编码模块，还包括位于接收端的信道估计模块(120.1、120.2)与检测模块(118.1、118.2)之间的接收端统一信道分解模块(121.1、121.2)；其中方法包括：将多用户多输入多输出物理信道分解成独立的多个单用户虚拟信道；利用虚拟信道对各用户原始预发送信号进行统一信道分解；对分解后的信号进行信道逆处理并通过天线阵列向外发射；接收端结合统一信道分解检测原始预发送信号。

Description

一种多输入多输出系统信号处理方法及装置

技术领域

本发明涉及多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Out-put，MIMO)技术，具体涉及一种多输入多输出系统信号处理方法及装置。

背景技术

多输入多输出技术已经成为下一代无线通信系统的关键技术之一。目前，MIMO系统的研究已经从点对点的单用户系统扩展到点对多点的多用户MIMO系统。多用户的多天线配置带来许多好处：多天线具有的分集增益可以提高误比特率特性，多天线的复用增益可以使多用户的信道容量区域扩大。多用户MIMO系统在应用中有两个主要问题：多用户资源调度和多用户干扰消除。由于同一用户不同天线间和不同用户间的信道条件差异，为了获得最大容量需要对系统资源做合理调度。在多用户干扰消除方面使用统一频段的多用户MIMO系统可以应用各种多址接入方式，时分多址的频谱效率低，系统容量不高，码分多址需要消耗大量的码资源。空分多址技术频谱利用率高且不消耗码资源，是多用户MIMO的一种重要方式，与其他多址方式相结合使系统应用的灵活性进一步提高。

基于统一信道分解Uniform Channel Decomposition(简称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解码或迫零Dirty Paper预编码。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，而且不会有目前其他方法的性能与容量的折衷问题：高dB时，该方法能使性能和容量最大化。

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，而目前没有适用多用户MIMO系统的UCD方法或这样的方法被公开。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种多输入多输出系统信号处理方法及装置，在多用户的实际环境中避免性能与容量的折衷问题，既能降低系统的复杂度，同时又能提高了系统的性能。

本发明的上述第一个技术问题这样解决，提供一种MIMO系统信号处理方法，包括以下步骤：

1.1)采用信道逆处理方法将多用户MIMO物理信道H分解成独立的多个单用户虚拟信道h₁、h₂；

1.2)发射端根据各虚拟信道矩阵对对应各用户原始预发送信号X₁、X₂进行统一信道分解生成各自二次预发送信号F₁X₁、F₂X₂；

1.3)发射端对所有二次预发送信号F₁X₁、F₂X₂统一进行信道逆处理M×[(F₁X₁)^T，(F₂X₂)^T]^T并通过天线阵列向外发射，其中上角标T表示共轭转置运算。

按照本发明提供的处理方法，该处理方法还包括每个用户终端根据其接收信号进行信道估计并将对应信道矩阵H₁、H₂反馈给基站，基站根据所述对应信道矩阵H₁、H₂获取所述多用户MIMO物理信道H＝[(H₁)^T，(H₂)^T]^T。

按照本发明提供的处理方法，该处理方法还包括基站通过导频信号将所述虚拟信道h₁、h₂发送给每个用户终端。

按照本发明提供的处理方法，所述发送是在有所述反馈时或所述多用户MIMO物理信道变化时进行，比如：可以每5ms发送一次，减少对带宽的占用。

按照本发明提供的处理方法，所述步骤1.2)中统一信道分解包括根据各虚拟信道h₁、h₂生成并利用对应用户预编码矩阵F₁、F₂对对应各用户原始预发送信号X₁、X₂进行处理F₁X₁、F₂X₂。

按照本发明提供的处理方法，所述步骤1.3)中信道逆处理包括根据所述多用户MIMO物理信道H生成并利用信道逆处理预编码矩阵M对所有二次预发送信号F₁X₁、F₂X₂统一进行处理M×[(F₁X₁)^T，(F₂X₂)^T]^T。

按照本发明提供的处理方法，信道逆处理矩阵M根据以下 $\hat{H}=H\×M$ 获取，其中：

为信道逆处理的MIMO信道矩阵：

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

其中：

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

按照本发明提供的处理方法，该处理方法还包括：

7.1)接收端根据各自接收信号Y₁或Y₂估计自身信道H₁或H₂；

7.2)结合统一信道分解检测对应的所述原始预发送信号X₁或X₂。

按照本发明提供的处理方法，所述检测采用MMSE检测，所述步骤1.2)包括对所述虚拟信道h₁、h₂进行统一信道分解获取并利用MMSE检测加权矩阵W₁或W₂对所述接收信号Y₁或Y₂进行检测。所述检测包括但不限制于采用MMSE检测。

按照本发明提供的处理方法，接收端使用接收天线阵列。

按照本发明提供的处理方法，所述检测包括但不限制于MMSE(Minimum MeanSquare Error，最小均方误差)检测。

按照本发明提供的处理方法，所述多用户是二个或二个以上。

按照本发明提供的处理方法，所述天线阵列包括多个天线。

本发明的上述另一个技术问题这样解决，提供一种MIMO系统信号处理装置，包括：

发送端，包括依次连接的调制模块、一次预编码模块、二次预编码模块和发射天线阵列，其中：一次预编码模块与发送端统一信道分解模块连接，二次预编码模块与信道逆处理模块连接，信道逆处理模块输出连接发送端统一信道分解模块；

接收端，包括依次连接的接收天线阵列、检测模块和解调模块，其中：接收天线阵列与信道估计模块连接，检测模块与接收端统一信道分解模块连接，信道估计模块输出连接接收端统一信道分解模块。

按照本发明提供的处理装置，所述检测模块包括但不限制于是MMSE检测模块、ZF(Zero-forcing，迫零)检测模块等。

按照本发明提供的处理装置，所述天线阵列包括多个天线。

本发明提供的多输入多输出系统信号处理方法及装置，通过信道逆处理将多用户MIMO物理信道分解为独立的多个单用户虚拟信道，从而使基于统一信道分解对于各个独立的单用户虚拟信道适用，同现有技术相比有以下优点：第一，利用通信信道的特性进行信道逆处理，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

下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明。

图1是本发明装置结构示意图。

具体实施方式

下面，以两用户多输入多输出系统为例说明本发明：

(一)装置

如图1所示，该系统包括发射端和接收端及反馈路径122.1、122.2，本发明装置包括：

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，信道逆处理模块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，MMSE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，UCD分解模块121.1、121.2。以及反馈通道122.1、122.2

在发射端，信道逆处理模块114对多用户MIMO物理信道进行信道逆处理，并将多用户MIMO物理信道分成独立的两个单用户虚拟信道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用户预编码矩阵F₁、F₂；同时信道逆处理模块114还输出信道逆处理预编码矩阵M，接着二次预编码模块115依据信道逆处理预编码矩阵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UCD分解模块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反馈给接收端。UCD分解模块121.1、121.2分别分解出两个用户的加权矩阵W₁、W₂，并发送至MMSE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，本实施例采用MMSE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。

(二)工作原理

本发明方法具体实施过程如下：

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物理信道H＝[(H₁)^T，(H₂)^T]^T(上角标T表示共轭转置)进行信道逆处理：

$\hat{H}=H\×M---\left(3\right)$

为信道逆处理的MIMO信道矩阵：

$\hat{H}=\left(\begin{array}{cccc}{h}_{11}& h_{12}& 0& 0\\ h_{21}& h_{22}& 0& 0\\ 0& 0& h_{33}& h_{34}\\ 0& 0& h_{43}& h_{44}\end{array}\right)---\left(4\right)$

得到(3)中的信道逆处理预编码矩阵M，这时多用户MIMO物理信道被分成独立的两个单用户虚拟信道h₁、h₂

$h_1=\left(\begin{array}{cc}{h}_{11}& h_{12}\\ h_{21}& h_{22}\end{array}\right),h_2=\left(\begin{array}{cc}{h}_{33}& h_{34}\\ h_{43}& h_{44}\end{array}\right)---\left(5\right)$

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h₁、h₂，所以接下来基站要增加一次通过M预编码的导频符号(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：

$e=H\×M\×p=\hat{H}\×p---\left(6\right)$

e₁＝h₁×[p₁，p₂]^T    (7)

e₂＝h₂×[p₃，p₄]^T    (8)

用户分别通过e₁，e₂估计出h₁、h₂。最后基站和用户分别对h₁、h₂进行UCD分解，得到两个用户的预编码矩阵F₁、F₂和MMSE检测加权矩阵W₁、W₂。注意到这里需要增加下行链路导频信号的发射，但这种附加的导频之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]＝[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

$\tilde{X}={[{\left(F_1{X}_1\right)}^T,{\left(F_2{X}_2\right)}^T]}^T---\left(9\right)$

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，Y₂＝[y₃，y₄]^T分别为用户一、二的接收信号，则有

$Y=H\×M\×\tilde{X}---\left(10\right)$

将(3)(4)(5)(9)代入(10)，可得

Y₁＝h₁F₁X₁    (11)

Y₂＝h₂F₂X₂    (12)

用户一、二分别用W₁、W₂对Y₁，Y₂进行MMSE检测。

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。因此本发明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。

Claims (8)

1.一种多输入多输出系统信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

1.1)采用信道逆处理方法将多用户多输入多输出物理信道分解成独立的多个单用户虚拟信道；

1.2)发射端根据各虚拟信道矩阵对对应各用户原始预发送信号进行统一信道分解生成各自二次预发送信号；

1.3)发射端对所有二次预发送信号统一进行信道逆处理并通过天线阵列向外发射；

其中，所述步骤1.2)中统一信道分解包括根据各虚拟信道生成并利用对应用户预编码矩阵对对应各用户原始预发送信号进行处理；

所述步骤1.3)中信道逆处理包括根据所述多用户多输入多输出物理信道生成并利用信道逆处理预编码矩阵对所有二次预发送信号统一进行处理。

2.根据权利要求1所述处理方法，其特征在于，该处理方法还包括每个用户终端根据其接收信号进行对应信道估计并反馈给基站，基站根据所述对应信道获取所述多用户多输入多输出物理信道。

3.根据权利要求2所述处理方法，其特征在于，该处理方法还包括基站通过导频信号将所述虚拟信道发送给每个用户终端。

4.根据权利要求3所述处理方法，其特征在于，所述发送是在有所述反馈时或所述多用户MIMO物理信道变化时进行。

5.根据权利要求1所述处理方法，其特征在于，该处理方法还包括：

5.1)接收端根据各自接收信号估计自身信道；

5.2)结合统一信道分解检测对应的所述原始预发送信号。

6.根据权利要求5所述处理方法，其特征在于，所述检测是MMSE检测，所述步骤1.2)包括对所述虚拟信道进行统一信道分解获取并利用MMSE检测加权矩阵对所述接收信号进行检测。

7.一种多输入多输出系统信号处理装置，其特征在于，包括：

发送端，包括依次连接的调制模块(111.1、111.2)、一次预编码模块(112.1、112.2)、二次预编码模块(115)和发射天线阵列(116)，其中：一次预编码模块(111.1、111.2)与发送端统一信道分解模块(113.1、113.2)连接，二次预编码模块(115)与信道逆处理模块(116)连接，信道逆处理模块(116)输出连接发送端统一信道分解模块(113.1、113.2)；

接收端，包括依次连接的接收天线阵列(117.1、117.2)、检测模块(118.1、118.2)和解调模块(119.1、119.2)，其中：接收天线阵列(117.1、117.2)与信道估计模块(120.1、120.2)连接，检测模块(118.1、118.2)与接收端统一信道分解模块(121.1、122.2)连接，信道估计模块(120.1、120.2)输出连接接收端统一信道分解模块(121.1、121.2)。

8.根据权利要求7所述处理装置，其特征在于，所述检测模块(118.1、118.2)是MMSE检测模块或迫零检测模块。

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