CN101442351B - 结合块对角化和统一信道分解反馈算法的多用户mimo系统 - Google Patents
结合块对角化和统一信道分解反馈算法的多用户mimo系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101442351B CN101442351B CN2007100505383A CN200710050538A CN101442351B CN 101442351 B CN101442351 B CN 101442351B CN 2007100505383 A CN2007100505383 A CN 2007100505383A CN 200710050538 A CN200710050538 A CN 200710050538A CN 101442351 B CN101442351 B CN 101442351B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- user
- matrix
- base station
- block diagonalization
- signal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Mobile Radio Communication Systems (AREA)
- Radio Transmission System (AREA)
Abstract
一种基于块对角化+统一信道分解(BD+UCD)实现多用户MIMO的方法,属于无线通信技术领域,多天线系统中的发射端信号预处理技术。本方法达到以下目的:1、采用BD算法实现多用户间干扰消除;2、采用UCD分解反馈方案实现天线间资源调度,提高系统性能使系统能适应高相关性信道。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域,特别涉及多用户多入多出(MU-MIMO)系统设计的方法。
背景技术
MIMO技术作为第三代移动通信的关键技术之一今年来受到广泛的关注和研究。与传统的单天线系统比较MIMO系统可以提供更高的传输可靠性和更大的通信容量。在实际使用中MIMO系统性能主要受限于各子流间信道条件的不平衡性,特别是在高相关性信道下不同子流的信道条件相差很大。另外在一个基站与多个用户同时通信的MU-MIMO系统中,不同用户间的信号干扰也制约了系统的性能。同一用户天线间的资源调度和多用户间的干扰消除问题是MU-MIMO系统设计的关键。
发明内容
本发明提出了结合块对角化(BD)和统一信道分解反馈(UCD)算法实现MU-MIMO系统的方法,采用本方法可以消除用户间干扰,并且对每个用户的各个信道子流进行了资源均衡,使MU-MIMO系统能工作于高相关性的信道且性能有较大提升。
本发明的创新之处在于:提出了结合块对角化(BD)和统一信道分解反馈(UCD)算法,并修改了导频发射方案,实现了多用户间干扰消除和各个用户子流间均衡,使MU-MIMO系统性能得到提升。
本发明在UCD系统结构的基础上,提出基于BD+UCD的MU-MIMO用户间干扰消除和性能优化方法,BD算法可以将MU-MIMO信道矩阵对角块化,使不同用户之间相互正交,消除了用户间干扰;然后对每一个用户使用UCD分解反馈方案,使不同的子流达到性能均衡,不仅优化了性能,而且使系统能工作于高相关性信道。
1、系统结构
多用户MIMO的典型结构如图1所示,调度器按照某种准则选择将要通信的K个用户,然后将这些用户的数据流dk经过预处理发射出去。图中M为预编码矩阵,发送数据向量包含发送给所有通信用户的数据。这里的线形预处理也可以被认为是波束成形。移动台k则通过解调矩阵Dk对接收信号进行线性处理从而恢复出相应的数据。
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,结合块对角化和统一信道分解多用户MIMO系统结构如图2所示。图中H1、H2为两个用户实际的信道矩阵,h1、h2为块对角化后两个用户的虚拟信道矩阵,F1、F2分别为基站处对两个用户发射数据的预编码矩阵,M是基站处发射信号的对角化矩阵,W1、W2为两个用户使用分层-最小均方误差(SIC-MMSE)检测需要的加权矩阵。整个发射接受过程如下:首先两个用户的数据分别用F1,F2进行第一级预编码,然后用M进行第二级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 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 其中H=[(H1)T,(H2)T]T是整体信道矩阵。于是有Y1=h1F1X1,Y2=h2F2X2。用户一、二分别用W1、W2对Y1,Y2进行SIC-MMSE检测。在实际使用中,MIMO系统接收端不同天线的接收信号并非完全相互独立。受到天线间隔、入射波束到达角度、入射波角度扩展分布等因素的影响,两个天线之间往往呈现一定程度的空间相关特性。
2、块对角化算法
处理多天线用户的对用户MIMO系统的一种常用方法是块对角化。块对角化方法的预处理是寻找使HM为块对角阵的预编码矩阵M,从而形成多个独立并行的等效单用户MIMO信道,各用户之间的干扰为零。
假定H是u个用户的信道矩阵Hu的垂直拼接,M是u个用户预编码矩阵MU的水平拼接,即H=[(H1)T…(HU)T]T、M=[M1…MU]。如果选择Mu的列位于Hc u的零空间(null-space),则块对角化条件就可以满足。这里的Hc u是整个信道矩阵H去掉对应于用户u的信道矩阵得到的。
在图2所示的系统中,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进行块角化处理
得到(2)中的对角化预编码矩阵M,这时多用户MIMO信道被分成独立的两个单用户MIMO信道h1、h2
3、统一信道分解算法
3.1UCD分解反馈方案简介
由于MIMO系统的BER性能主要受最差子信道影响,我们可以根据当前信道的衰落信息将发射功率根据一定的算法分配在不同子流上使各子流的信噪比等同,以降低系统的误码率。
首先给出了一种称为几何平均分解(GMD)的算法,将信道矩阵作如下分解:
H=QRP*
其中Q、P为酉矩阵,R为对角线元素相等的上三角矩阵,其对角元素为信道矩阵特征值的几何平均值,这也是GMD方案名称的由来。用P对发射信号预编码,Q*对接收信道预处理,则MIMO系统的虚拟信道变为Q*HP=R。例如对于三发三收的MIMO系统,GMD方案的传输方程为
虽然优化了最差子信道,但是GMD方案在系统容量上有损失,而且由于采用了ZF检测算法,系统的误码率性能也较差。在GMD的基础上给出提出了统一信道分解(UCD),UCD方案的思想是在保证系统容量无损失的情况下,优化MIMO系统SIC-MMSE检测器的最差子信道,使各子信道的性能相同。UCD的推导过程比较复杂,这里由于篇幅限制我们只能给出UCD的基本思想和计算流程。
假设 加性高斯白噪声z~N(0,σz 2IN),定义预编码MIMO系统的信噪比为:
(●)*表示共轭转置,Tr{●}表示矩阵的秩。
假设x是高斯随机向量,(1)式的MIMO信道容量为
如果信道信息在发送端和接收端都已知,在发射功率上限 的前提下,对于给定F的最大化信道容量为
其中α在(4)中定义,CIT表示发送端已知信道信息时的信道容量。
H的SVD分解为H=UΛV*,其中Λ是K×K阶对角矩阵,其对角元素{λH,k}K=1 K为H的非零奇异值。使(4)最大的F为[8]
F=VΦ1/2 (7)
将(7)中的预编码矩阵F改写为
F=VΦ1/2Ω* (9)
其中Ω∈CL×K,L≥K(以避免容量损失),Ω*Ω=I。将(9)代入(6)可以看到,(9)中的预编码矩阵F仍然满足最大化信道容量,然而Ω的引入可以将预编码变得更为灵活。UCD分解的基本思想便是通过Ω的设计来使MIMO接收端SIC-MMSE检测的各子层具有相同的增益。基于以上讨论,我们可以看到UCD方案满足MIMO系统容量最大化。
对于VBLAST的SIC-MMSE检测,第i层的加权系数为
其中hi表示MIMO信道矩阵H的第i列。
分层检测过程可写为
v=y
for i=M∶1
end
其中C表示映射到星座图上最近的点(硬判决)。
3.2 UCD分解的算法流程
UCD分解的计算流程如下:
第一步:计算SVD分解H=UΛV*。计算量为O(MNK)。
第二步:通过(8)式计算Φ1/2。计算量为O(K2)。
第三步:∑=ΛΦ1/2,其对角线元素为σi,i=1,...,K。计算量为O(K)。
计算量为O(K)。
第七步:计算 计算量为O(N(K+L))。
第八步:计算 i=1,...L。其中rJ,ii表示RJ的第i个对角元素,qGa,i是QGa u的列向量,wi为SIC-MMSE检测第i子层的加权向量。计算量为O(NL)。将以wi为列向量的矩阵记为W。
由上计算我们得到了UCD方案的预编码矩阵F和SIC-MMSE检测的加权矩阵W。
4、修改后的导频发射方法
由于用户间无法获得其他用户的信道信息,便无法独自计算当先的虚拟信道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:
e1=h1×[p1,p2]T
e2=h2×[p3,p4]T
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SIC-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(5ms一次),所以对带宽的占用是很小的。
本发明的优点:
(1)使用了统一信道分解算法优化了系统性能,使系统能适应不同的信道环境
(2)采用了块对角化算法消除多用户间干扰,预算复杂度较低,性能较好;
附图说明
图1多用户MIMO的典型结构
图2结合块对角化和统一信道分解多用户MIMO系统结构。
Claims (2)
1.一种结合块对角化和统一信道分解反馈算法的多用户MIMO系统,其特征在于,结合了块对角化和统一信道分解反馈算法,其中多用户为2用户,每个用户有2根天线,基站有4根天线,具体信号发射检测流程如下:
第一步:不同用户的二进制比特数据流经过调制映射到二维复星座点上,得到调制后信号X=[X1 T,X2 T]T=[x1,x2,x3,x4]T;
第二步:基站先发送一次导频信号,不同用户根据接收到的导频信号分别估计当前的信道矩阵H1、H2;
第三步:用户将H1、H2反馈到基站处;
第六步:基站重新发射一次导频信号,并且利用M对导频信号预编码,各用户根据接收到的导频信号分别估计出当前的虚拟信道矩阵h1、h2;
第七步:基站和用户分别对当前的虚拟信道矩阵进行统一信道分解(UCD),产生预编码矩阵F1、F2和串行干扰对消最小均方差检测算法需要的加权矩阵W1、W2;
第九步:用M对进行第二级预编码然后发射信号;
第十一步:用户一、二分别用W1、W2对Y1,Y2进行串行干扰消除最小均方差检测;
第十二步:对检测后的信号进行解调制得到二进制数据。
2.根据权利要求1所述的结合块对角化和统一信道分解反馈算法的多用户MIMO系统,其特征在于,采用块对角化加统一信道分解反馈算法消除多用户干扰。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN2007100505383A CN101442351B (zh) | 2007-11-19 | 2007-11-19 | 结合块对角化和统一信道分解反馈算法的多用户mimo系统 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN2007100505383A CN101442351B (zh) | 2007-11-19 | 2007-11-19 | 结合块对角化和统一信道分解反馈算法的多用户mimo系统 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN101442351A CN101442351A (zh) | 2009-05-27 |
CN101442351B true CN101442351B (zh) | 2013-04-24 |
Family
ID=40726628
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN2007100505383A Expired - Fee Related CN101442351B (zh) | 2007-11-19 | 2007-11-19 | 结合块对角化和统一信道分解反馈算法的多用户mimo系统 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN101442351B (zh) |
Families Citing this family (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102025405A (zh) * | 2009-09-17 | 2011-04-20 | 中兴通讯股份有限公司 | 一种基于联合收发端信息的多路波束形成方法及系统 |
EP2557747B1 (en) * | 2010-04-07 | 2019-02-13 | Alcatel Lucent | Method and apparatus for feeding back and constructing correlation matrix in multi-input multi-output system |
CN103427889B (zh) * | 2012-05-22 | 2017-04-05 | 北京邮电大学 | 预编码模式选择方法及其系统 |
CN103731384A (zh) * | 2013-12-19 | 2014-04-16 | 华为技术有限公司 | 一种抑制干扰的方法和装置 |
CA2947184C (en) | 2014-04-28 | 2020-09-22 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Multiple-antenna data transmission method, base station, user equipment, and system |
CN107395259B (zh) | 2016-05-13 | 2020-04-21 | 华为技术有限公司 | 一种二级预编码方法及装置 |
CN109842435A (zh) * | 2017-11-24 | 2019-06-04 | 上海诺基亚贝尔股份有限公司 | 一种用于执行预编码的方法和装置 |
CN113131979B (zh) * | 2019-12-31 | 2022-07-01 | 中国移动通信有限公司研究院 | 一种传输方法及网络侧设备 |
-
2007
- 2007-11-19 CN CN2007100505383A patent/CN101442351B/zh not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (9)
Title |
---|
Hager, W.W..Transceiver design using generalized triangular decomposition for MIMO communications with QoS constraints.《Conference Record of the Thirty-Eighth Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, 2004》.2004,第1卷1154 - 1157. |
Hager, W.W..Transceiver design using generalized triangular decomposition for MIMO communications with QoS constraints.《Conference Record of the Thirty-Eighth Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, 2004》.2004,第1卷1154- 1157. * |
Ho,W.W.L. * |
Jian Li.Uniform Channel Decomposition for MIMO Communications.《IEEE Transactions on Signal Process,vol.53,No.11 November 2005》.2005,第53卷(第11期),856-860. * |
Jiang, Y. * |
Li, J. * |
Shaowei Lin * |
Yi Jiang * |
Ying-Chang Liang.MIMO BROADCAST COMMUNICATIONS USING BLOCK-DIAGONAL UNIFORM CHANNEL DECOMPOSITION (BD-UCD).《The 17th Annual IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC’06)》.2006,1-5. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN101442351A (zh) | 2009-05-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN101442351B (zh) | 结合块对角化和统一信道分解反馈算法的多用户mimo系统 | |
US6987819B2 (en) | Method and device for multiple input/multiple output transmit and receive weights for equal-rate data streams | |
Wong et al. | A joint-channel diagonalization for multiuser MIMO antenna systems | |
US7676007B1 (en) | System and method for interpolation based transmit beamforming for MIMO-OFDM with partial feedback | |
CN101984571B (zh) | 多用户mimo系统的预编码方法 | |
CN101378280B (zh) | 基于天线选择的多输入多输出系统及其信号处理方法 | |
EP1994651A1 (en) | Mimo precoding in the presence of co-channel interference | |
CN103312389A (zh) | 一种多用户干扰抑制方法、终端及基站 | |
CN105515625B (zh) | 基于接收端空间调制的多用户下行传输方法 | |
US7342970B2 (en) | Array processing using an aggregate channel matrix generated using a block code structure | |
CN101242381B (zh) | 多用户多输入多输出系统的线性预编码方法 | |
CN101286823A (zh) | 用于多输入多输出系统的数据传输方法及数据传输系统 | |
CN100388645C (zh) | 一种改善v-blast检测性能的预编码方法和装置 | |
CN109787665B (zh) | 平流层大规模mimo用户分组和预编码方法、系统 | |
CN101378281B (zh) | 一种多输入多输出系统信号处理方法及装置 | |
Zanella et al. | Reduced complexity power allocation strategies for MIMO systems with singular value decomposition | |
Doneriya et al. | Performance analysis of linear precoding techniques over the fading channel for MU-MIMO | |
CN101355377A (zh) | 一种多输入多输出v-balst系统信号检测方法 | |
Sharma et al. | Multiuser downlink MIMO beamforming using an iterative optimization approach | |
Thomas et al. | Reduced-order zero-forcing beamforming vs optimal beamforming and dirty Paper coding and massive MIMO Analysis | |
Chen et al. | Selection based list detection with approximate matrix inversion for large-scale MIMO systems | |
Yu et al. | Precoding design for distributed antenna systems in spatially correlated Ricean fading channel | |
CN106712820A (zh) | 自干扰抑制的多流分集bd预编码方法及装置 | |
Park et al. | Low complexity coordinated beamforming in 2-user MIMO systems | |
EP3103209B1 (en) | System and method for multiple-input multiple-output communication |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C17 | Cessation of patent right | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130424 Termination date: 20131119 |