CN101547032A - 时分双工模式下进行mu-mimo的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时分双工模式下进行MU－MIMO的方法，包括：接收管辖内各用户设备UE发射的上行信道测量导频；根据该上行信道测量导频测量各个UE的上行信道状态信息；根据各UE的上行信道状态信息，按照第一预设准则从所有UE中确定目标UE组，利用第二预设准则生成该目标UE组中各个UE的预编码矢量；将所述目标UE组中各个UE的数据流与对应的预编码矢量相乘。本发明同时还公开了一种实现上述方法的装置。本发明实施例充分利用了TDD模式下，上下行信道的对称性，将原先有UE处理的操作转移到BS侧，避免了基于码本设计的方式所带来的一系列问题。

Description

时分双工模式下进行MU-MIMO的方法和装置

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，更具体地说，涉及一种TDD(TimeDivision Duplex，时分双工)模式下进行MU-MIMO(Multiple Use-Multpleinput Multple Output，多用户的多输入多输出)的方法和装置。

背景技术

未来的移动通信系统朝着大宽带、高容量、高有效性、高可靠性的方向发展。MIMO技术作为提高容量的有效手段，广泛应用于面向未来设计的移动通信系统中，如LTE(Long Term Evolution，长期演进)、WIMAX(WorldwideInteroperability for Microwave Access)、B3G(Beyond Third Generation inmobile communication system，B3G移动通信系统)......。

MIMO技术中的MU-MIMO可以在相同的时频资源上复用多个用户，利用多个用户的分集，使得系统容量随着网络侧发射天线数线性增长，从而提供了一种提高系统容量的有效手段。现有系统中的MU-MIMO一般都是基于码本(Codebook)的，其实现的流程分为码本设计和码本选择，分别如图1和图2所示，具体包括以下步骤：

码本设计

步骤S11、假设MU-MIMO技术应用环境。

例如，假设应用环境为高相关、不相关或者其他表现形式。

步骤S12、根据所述应用环境，通过矢量化技术，离线设计相对应的码本。

步骤S13、将设计好的码本存储于基站(BS)和用户设备(UE)中。

码矢量(Code Vector)选择

步骤S21、BS发射公共导频。

步骤S22、UE根据公共导频测量下行信道，获得下行信道状态信息。

步骤S23、UE根据下行信道状态信息和存储的码本，从码本中选择码矢量。

UE根据一定的准则从码本中选择码矢量。例如根据容量最大或信噪比最大或者干扰最小的准则。

步骤S24、UE将选择的码矢量在码本中的序号反馈给BS。

步骤S25、BS根据各个UE反馈的码矢量，选择参与MU-MIMO的UE的集合。

BS根据各个UE反馈的码矢量，按照一定的准则(如干扰最小或容量最大准则)选择参与MU-MIMO的UE的集合

步骤S26、BS利用参与MU-MIMO的UE反馈的码矢量，构成各个UE的预编码矢量。

BS根据一定的准则(如干扰最小、正交化......)，构成参与MU-MIMO的各个UE的预编码矢量(Precoding Vector)。

步骤S27、BS将参与MU-MIMO的UE的数据与对应的预编码矢量相乘，完成MU-MIMO过程。

在实现本发明的过程中，发明人发现上述现有技术至少存在以下问题：

1、由于码本与应用环境密切相关，所以如果假设的应用环境与实际环境不符，会带来极大的性能损失，而实际系统中，应用环境往往是千差万别的。

2、码本设计困难，基于矢量化的码本设计方法的搜索和计算过程是非常复杂和困难的，至今，工程上能够实现的码本搜索仅限于低维码本。

3、信道量化的精度与码本大小直接相关，量化精度越高，码本越大，在实际系统使用时，所带来的开销越大。

4、码本与发射天线个数密切相关，发射天线数不同，码本也不同，这也给码本设计带来了额外的复杂度。最近出现的嵌入式码本虽然能够使得码本对天线数向下兼容，但其同时却带来了性能的损耗。

5、由于UE反馈给BS的信道状态信息是经过码本量化后的，所以BS侧获得的各个UE的信道状态信息都是部分信道状态信息(Partial Channel StateInformation，PCSI)，而不是全部信道状态信息(Full Partial Channel StateInformation)，这就为选择组成MU-MIMO的UE集合带来误差和困难。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种TDD模式下进行MU-MIMO的方法和装置，以解决现有技术由于基于码本进行而带来的一系列问题。

本发明是这样实现的：

一种时分双工模式下进行MU-MIMO的方法，包括：

接收管辖内各用户设备UE发射的上行信道测量导频；

根据该上行信道测量导频测量各个UE的上行信道状态信息；

根据各UE的上行信道状态信息，按照第一预设准则从所有UE中确定目标UE组，利用第二预设准则生成该目标UE组中各个UE的预编码矢量；

将所述目标UE组中各个UE的数据流与对应的预编码矢量相乘。

优选的，所述测量导频基于频分复用、码分复用或两者的结合。

优选的，所述第一预设准则为简化Greedy准则。

优选的，所述第二预设准则为迫零准则。

本发明同时还公开了一种时分双工模式下进行MU-MIMO的装置，包括：

接收单元，用于接收管辖内各用户设备UE发射的上行信道测量导频；

测量单元，用于根据该上行信道测量导频测量各个UE的上行信道状态信息；

目标UE组确定单元，用于根据各UE的上行信道状态信息，按照第一预设准则从所有UE中确定目标UE组；

预编码矢量生成单元，用于利用第二预设准则生成所述目标UE组中各个UE的预编码矢量；

第一处理单元，用于将所述目标UE组中各个UE的数据流与对应的预编码矢量相乘。

优选的，所述测量导频基于频分复用、码分复用或两者的结合。

优选的，所述第一预设准则为简化Greedy准则。

优选的，所述第二预设准则为迫零准则。

本发明同时还公开了一种基站设备，具备如权利要求5-8任意一项所述的时分双工模式下进行MU-MIMO的装置。

另外，本发明还公开了一种通信系统，包括网络侧和终端侧，所述网络侧包含如权利要求5-8任意一项所述的时分双工模式下进行MU-MIMO的装置。

从上述的技术方案可以看出，与现有技术不同，本发明实施例充分利用了TDD模式下，上下行信道的对称性，将原先有UE处理的操作转移到BS侧，避免了基于码本设计的方式所带来的一系列问题，具有以下优点：

1、与BS侧的发射天线数无关，在任意发射天线数下，都能够使系统容量随着天线数线性增长。

2、BS侧能够获得所管辖UE的全部信道状态信息，从而能够更好地选择MU-MIMO用户集合。

3、大部分的处理流程在BS侧，复杂度也集中在BS侧，所以，通过合理的设计，可以不增加UE侧的复杂度，降低UE的成本，而由于移动通信网络建设中，UE的成本是主要的，UE成本的降低会使得建网成本的降低。

附图说明

图1为现有技术的码本设计流程；

图2为现有技术的码本选择流程；

图3为本发明一种时分双工模式下进行MU-MIMO的方法的实施例流程图；

图4为可用于实现上述一些方法实施例的装置的结构示意图。

具体实施方式

为了从根本上解决基于码本进行的MU-MIMO所带来诸如上述的一系列问题，本发明提供了一种新的解决方案，为了使本领域技术人员更好理解该方案，下面结合附图和实施例进行详细描述。

请参考图3，为本发明一种时分双工模式下进行MU-MIMO的方法的实施例流程图。

假设BS的覆盖区域中存在U个UE，每一个UE设置有M_i，可以接收M_i个数据流；BS有N根天线，那么MU-MIMO的UE个数B满足以下关系：

$\underset{i=1}{\overset{B}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i\≤N.$

按照以下步骤进行MU-MIMO：

步骤S101、BS接收各个UE发送的上行信道测量导频。

网络中的所有UE在设置在自身的每一根发射天线上，发射上行信道测量导频，导频模式可以基于FDM(Frequency Division Multiplexing，频分复用)、CDM(Code Division Multiplexing，码分复用)或者二者的结合。

导频所覆盖的频段要与MU-MIMO所占用的频段相同。

步骤S102、BS根据所述上行信道测量导频，测量各个UE的上行信道状态信息。

BS根据各个UE的上行信道测量导频，测量出各个UE的上行信道响应H_i，i＝1……U。

步骤S103、进行MU-MIMO用户选择。

BS按照预设用户选择准则(第一预设准则)，从U个UE中选择目标UE组即目标UE集合，该集合中包含B个UE，在此假设该目标UE集合为S，组成MU-MIMO。

步骤S104、生成各个UE的预编码矢量。

根据所选目标UE集合S中各UE的上行信道H_i，i∈S，按照预设预编码矢量生成准则(第二预设准则)，生成集合S中各个UE的预编码矢量V_i，i∈S。

步骤S105、将所选的各个UE的数据流与对应的预编码矢量相乘。

将集合S中的各个UE的数据流d_i，i∈S，与其对应的预编码矢量V_i，i∈S相乘，即完成MU-MIMO过程。

上述预设用户选择准则及预设预编码矢量生成准则可以是根据用户需求或者网络实际运行情况而定，例如：所述预设用户选择准则可以是“简化Greedy(贪婪)准则”，或者Qos准则......；所述预设预编码矢量生成准则可以是“迫零准则”，或者最小均方误差准则，干扰消除准则......。

下面再通过一个具体实施例进一步对本发明技术方案进行说明：

假设网络存在U个UE，每一个UE设置有M_i(M_i＝1)根天线，可以接收1个数据流；BS有N根天线，那么MU-MIMO的UE个数B＝N。

MU-MIMO的实现过程如下：

步骤S201、BS接收各个UE发送的上行信道测量导频。

网络中BS的覆盖范围内存在U个UE，各UE利用自身的发射天线发射上行信道测量导频，导频基于CDM模式。

所述BS总共接收到U个UE发送的导频，导频所覆盖的频段和MU-MIMO所占用的频段相同。

步骤S202、BS根据所述上行信道测量导频，测量各个UE的上行信道状态信息。

BS根据上述U个UE发射的上行信道测量导频，测量各个UE的上行信道响应：h_i，i＝1……U。

其中，每一个h_i为N×1的列矢量。

步骤S203、进行MU-MIMO用户选择。

BS根据各个UE的上行信道响应，按照简化Greedy准则，从U个UE中选择B个UE，组成MU-MIMO，假设U个UE组成的用户集合为R。

选择UE的具体过程包括以下步骤：

步骤S2031、在所有UE中确定主用户。

根据各个UE的上行信道响应，从U个UE中选择出新到质量最好的UE作为主用户。

$k^{*}=\arg \underset{i}{\max }{\left|\right|h_i\left|\right|}^2.$ 其中，k^*表示信道质量最好的UE的索引。

更新所选择的用户个数N_s＝1，更新用户集合S＝{k^*}，计算该用户的传信率：

$R\left(S\right)={\log }_2(1+\frac{{\left|\right|h_{k^{*}}\left|\right|}^2}{{\mathrm{\σ}}^2}).$ 其中，σ^*表示高斯噪声功率。

步骤S2032、从剩余UE中，选择UEm^*。

m^*满足以下公式：

$m^{*}=\underset{m\∈R\backslash S}{\arg \max }R\left(S^p\right)=\underset{m\∈R\backslash S}{\arg \max }{\log }_2(1+\frac{1}{\mathrm{tr}\left({\mathrm{VV}}^H\right){\mathrm{\σ}}^2})$

其中：

S^p＝S∪{m}；

R/S表示用户集合R与用户集合S的差集。

矩阵V表示预编码矩阵：

V＝H^H(HH^H)^-1

其中：

$H={\left[\begin{array}{cccc}{h}_{j_1}& h_{j_2}& \·\·\·& h_{j_{\left|s^p\right|}}\end{array}\right]}^T,j_1,j_2\·\·\·\·\·\·j_{\left|S^P\right|}\∈S^P$

其中算子|S^P|表示集合S^P的大小。

V^H表示矩阵V的共轭转置，tr(VV^H)表示矩阵VV^H的迹。

如果R(S∪{m^*})>R(S)，那么：S＝S∪{m^*}，N_s＝|S|；否则，S、N_s保持不变。

如果N_s≤N，则重新进行步骤S2032；否则，进入步骤S204。

步骤S204、生成各个UE的预编码矢量。

根据所选UE集合S中UE的上行信道响应H_i，i∈S，按照迫零准则(ZeroForcing Criterion)生成预编码矩阵：

V＝H^H(HH^H)-1

其中：

$H={\left[\begin{array}{cccc}{h}_{j_1}& h_{j_2}& \·\·\·& h_{j_{\left|s^p\right|}}\end{array}\right]}^T,j_1,j_2\·\·\·\·\·\·j_{\left|S^P\right|}\∈S^P$

步骤S205、将所选的各个UE的数据流与对应的预编码矢量相乘，完成MU-MIMO过程。

将集合S中各个UE的数据流d_i，i∈S与其对应的预编码矢量v_i，i∈S相乘，完成MU-MIMO过程，BS发射的数据信号为：

T＝VD

其中：

本发明上述实施例充分利用了TDD模式下，上下行信道的对称性，将原先有UE处理的操作转移到BS侧，避免了基于码本设计的方式所带来的一系列问题。具有以下优点：

1、与BS侧的发射天线数无关，在任意发射天线数下，都能够使系统容量随着天线数线性增长。

2、BS侧能够获得所管辖UE的全部信道状态信息，从而能够更好地选择MU-MIMO用户集合。

3、大部分的处理流程在BS侧，复杂度也集中在BS侧，所以，通过合理的设计，可以不增加UE侧的复杂度，降低UE的成本，而由于移动通信网络建设中，UE的成本是主要的，UE成本的降低会使得建网成本的降低。

图4示出了可用于实现上述一些方法实施例的装置的结构示意图。

该装置包括：接收单元100、测量单元200、目标UE组确定单元300、预编码矢量生成单元400和第一处理单元500。

该装置的工作过程和工作原理如下：

所述接收单元100接收管辖内各用户设备UE发射的上行信道测量导频，导频模式可以基于FDM、CDM或者二者的结合。导频所覆盖的频段和MU-MIMO所占用的频段相同。

所述测量单元200根据所述上行信道测量导频，测量各个UE的用于指示上行信道状态的信道响应H_i，i＝1……U。

所述目标UE组确定单元300用BS按照预设用户选择准则(第一预设准则)，从U个UE中选择目标UE组(包含B个UE)，组成MU-MIMO。假设选择的UE集合为S。

所述预编码矢量生成单元400用于根据所选UE集合S中各UE的上行信道H_i，i∈S，按照预设预编码矢量生成准则(第二预设准则)，生成集合S中各个UE的预编码矢量V_i，i∈S。

所述第一处理单元500用于将所述目标UE组中各个UE的数据流d_i，i∈S与对应的预编码矢量V_i，i∈S相乘，完成MU-MIMO过程。

上述预设用户选择准则及预设预编码矢量生成准则可以是根据用户需求或者网络实际运行情况而定。例如：所述预设用户选择准则可以是“简化Greedy(贪婪)准则”，此时具体的选择过程可参照前文方法部分的描述，或者Qos准则......；所述预设预编码矢量生成准则可以是“迫零准则”，具体的选择过程可参照前文方法部分的描述，或者MMSE准则、干扰消除准则......。

具有上述装置的基站设备同样属于本发明的保护范畴，该基站设备与现有基站设备的不同之处在于，其具有上述装置。

另外，具有该装置的通信系统也属于本发明的保护范畴，该该系统包括网络侧和终端侧，终端侧包含有多个UE，网络侧包含多个基站设备，各基站设备包含上述装置。

本领域技术人员可以理解，可以使用许多不同的工艺和技术中的任意一种来表示信息、消息和信号。例如，上述说明中提到过的消息、信息都可以表示为电压、电流、电磁波、磁场或磁性粒子、光场或以上任意组合。

专业人员还可以进一步应能意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1、一种时分双工模式下进行MU-MIMO的方法，其特征在于，包括：

接收管辖内各用户设备UE发射的上行信道测量导频；

根据该上行信道测量导频测量各个UE的上行信道状态信息；

根据各UE的上行信道状态信息，按照第一预设准则从所有UE中确定目标UE组，利用第二预设准则生成该目标UE组中各个UE的预编码矢量；

将所述目标UE组中各个UE的数据流与对应的预编码矢量相乘。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量导频基于频分复用、码分复用或两者的结合。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一预设准则为简化Greedy准则。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二预设准则为迫零准则。

5、一种时分双工模式下进行MU-MIMO的装置，其特征在于，包括：

接收单元，用于接收管辖内各用户设备UE发射的上行信道测量导频；

测量单元，用于根据该上行信道测量导频测量各个UE的上行信道状态信息；

目标UE组确定单元，用于根据各UE的上行信道状态信息，按照第一预设准则从所有UE中确定目标UE组；

预编码矢量生成单元，用于利用第二预设准则生成所述目标UE组中各个UE的预编码矢量；

第一处理单元，用于将所述目标UE组中各个UE的数据流与对应的预编码矢量相乘。

6、如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述测量导频基于频分复用、码分复用或两者的结合。

7、如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一预设准则为简化Greedy准则。

8、如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第二预设准则为迫零准则。

9、一种基站设备，其特征在于，具备如权利要求5-8任意一项所述的时分双工模式下进行MU-MIMO的装置。

10、一种通信系统，包括网络侧和终端侧，其特征在于，所述网络侧包含如权利要求5-8任意一项所述的时分双工模式下进行MU-MIMO的装置。

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