CN101729460A - 多用户预编码方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种多用户预编码方法及装置，涉及无线通信技术领域，为提高系统的传输效率而发明。其中所述方法包括：将需发送给各用户的数据向量，形成合并数据向量；将所述合并数据向量叠加上摄动向量，形成摄动合并数据向量；根据获得的各用户的信道状态信息，形成线性变换矩阵；利用所述线性变换矩阵对所述摄动合并数据向量进行线性变换，形成发射信号向量。本发明实施例适合于各个用户有任意根接收天线的多用户MIMO预编码的技术中。

Description

多用户预编码方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种多用户预编码方法及装置。

背景技术

随着移动通信技术的快速发展，下一代移动通信技术对设备的带宽、传输速率和延时等指标提出了更高的要求。因此，为提高移动通信系统的性能，OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)技术，MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put，多输入多输出)技术，多用户预编码方法(Multi-user Precoding)等纷纷被引入到通信系统中。

其中，按照不同的分类规则，多用户预编码方法可以有多种分类方法。如多用户预编码方法可分为zero MUI(Multi-User Interference，多用户干扰)预编码方法和非zero MUI预编码方法；又如，所述多用户预编码方法还可以分为线性预编码和非线性预编码两大类。

线性预编码方法包括干扰完全消除方法和信干燥比平衡预编码法。其中，所述干扰完全消除方法包括有如迫零法(Zero Forcing，ZF)，块对角化(BlockDiagonalization，BD)法等。所述线性预编码方法能够消除用户间的干扰，但是一般情况下对发射端和接收端的天线数目有严格的要求。以块对角化法为例，它要求发射端天线的个数大于等于接收端的天线个数的总和。因此，由于线性预编码方法需要对发射信号进行空间上的约束，因此，严重影响了通信系统的性能。

非线性预编码方法包括：Tomlinson-Harashima(THP)预编码方法以及矢量扰动(Vector Perturbation，VP)预编码方法等。其中THP方法的思想是在发射端对多用户信号进行逐次干扰预抵消，并且在发射端引入取模运算。由于通过取模运算引入了非线性，因此该方法能够在很大程度上提高系统的能量有效性。但是THP方法的分集度为1，并且目前该方法主要用于MISO(Multiple-Input Single-Output，多输入单输出)系统中。

发明内容

本发明的实施例提供一种多用户预编码方法及装置，以提高系统的传输效率。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种多用户预编码方法，包括：

将需发送给各用户的数据向量，形成合并数据向量；

将所述合并数据向量叠加上摄动向量，形成摄动合并数据向量；

根据获得的各用户的信道状态信息，形成线性变换矩阵；

利用所述线性变换矩阵对所述摄动合并数据向量进行线性变换，形成发射信号向量。

一种多用户预编码装置，包括：

合并数据向量获取单元，用于将需发送给各用户的数据向量，形成合并数据向量；

摄动合并数据向量获取单元，用于将所述合并数据向量叠加上摄动向量，形成摄动合并数据向量；

线性变换矩阵获取单元，用于根据获得的各用户的信道状态信息，形成线性变换矩阵；

信号生成单元，用于利用所述线性变换矩阵对所述摄动合并数据向量进行线性变换，形成发射信号向量。

本发明实施例所述的多用户预编码方法及装置，首先通过将需发送给各用户的数据向量，形成合并数据向量，再将所述合并数据向量叠加上摄动向量；然后再形成线性变换矩阵。最后，利用所述线性变换矩阵对摄动合并数据向量进行线性变换，从而得到发射信号向量。因此，本发明实施例能够用于接收端有多根天线的情况，提高了系统的传输效率。

附图说明

图1为本发明实施例一多用户预编码方法的流程图；

图2为本发明实施例三多用户预编码装置的结构图；

图3为本发明实施例三多用户预编码装置中的等效合并信道矩阵获取单元的示意图；

图4为本发明实施例三多用户预编码装置中的等效合并信道矩阵获取单元的又一示意图；

图5为对本发明实施例多用户预编码方法的仿真图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

对于接收端的各用户有多根接收天线的情况下，多用户MIMO的系统方程可表示成公式(1)所示的形式：

$y_1=H_j\×T_j\left(D_j\right)+\underset{i\≠j}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i{T}_i\left(D_i\right)+n_j---\left(1\right)$

其中y_j表示第j个用户的接收信号向量，D_j表示发给第j个用户的数据向量，T_j表示第j个用户的预编码变换，n_j表示第j个用户的噪声向量；H_j表示第j个用户的信道矩阵，是N_R，j×N_T维复矩阵。那么在接收端，用户j在接收到公式(1)所表示的信号向量后，从该信号向量后解析出相应的信号即可。

实施例一

如图1所示，本发明实施例一提供了一种多用户预编码方法，包括如下步骤：

步骤11、将需发送给各用户的数据向量，形成合并数据向量。

发射端利用需要发送给各用户的数据向量，生成合并数据向量，用公式(2)表示：

$D={[D_1^T{D}_2^T...D_k^T]}^T---\left(2\right)$

其中D_j(j＝1...k)表示各用户的数据向量。

步骤12、将所述合并数据向量叠加上摄动向量，形成摄动合并数据向量。

所述摄动合并数据向量可表示成如公式(3)所示的形式：

X₂＝D+l_optτ(3)

其中，X₂表示摄动合并数据向量，D表示合并数据向量，l_optτ表示摄动向量，l_opt是复整数，τ为实数，由调制方式地确定。

步骤13、根据获得的各用户的信道状态信息，形成线性变换矩阵。

在此步骤中，可首先根据获得的各用户的信道状态信息，形成等效合并信道矩阵，然后根据所述等效合并信道矩阵形成线性变换矩阵。

其中，形成等效合并信道矩阵的过程可包括：

步骤131、发射端可首先通过反馈信道如FDD(Frequency Division Duplex，频分双工)系统或者信道对称性如TDD(Division Duplex，时分双工)系统获得各用户的信道状态信息，形成如公式(4)所示的合并信道矩阵：

$H={[H_1^T{H}_2^T...H_k^T]}^T.---\left(4\right)$

其中，H_j(j＝1...k)表示各用户的信道矩阵。

步骤132、根据各用户的信道矩阵以及所述合并信道矩阵，形成等效合并信道矩阵。

具体可包括如下过程：对接收端各用户的信道矩阵H_j进行奇异值分解，得到其中u_j(j＝1...k)表示半酉矩阵，即列正交的矩阵。在本发明实施例中取u_j＝U_j(:，[1:m_j])，即u_j为用户j的信道矩阵的奇异值分解的左奇异矩阵的前m_j列。接着，根据进行奇异值分解后的各用户的信道矩阵以及u_j，获得等效合并信道矩阵，如公式(5)所示：

$H_{\mathrm{eq}}={[{\left(u_1^H{H}_1\right)}^T{\left(u_2^H{H}_2\right)}^T...{\left(u_K^H{H}_k\right)}^T]}^T---\left(5\right)$

其中，H_eq表示等效合并信道矩阵，u_j＝U_j(:，[1:m_j])(j＝1...k)表示对用户j的信道矩阵H_j进行奇异值分解后的左奇异矩阵的前m_j列，H_j(j＝1...k)表示各用户的信道矩阵。

或者，形成等效合并信道矩阵也可通过如下方式实现：

各用户计算该用户的等效信道矩阵u_i ^HH_j(或者其量化后的值或者索引)，然后发送到基站侧；基站接收用户发送的各用户等效信道矩阵(或者是其量化后的值或者索引)(j＝1...k)，然后根据所述各用户等效信道矩阵形成等效合并信道矩阵： $H_{\mathrm{eq}}{=[{\left(u_1^H{H}_1\right)}^T{\left(u_2^H{H}_2\right)}^T...{\left(u_K^H{H}_k\right)}^T]}^T.$

其中，H_eq表示等效合并信道矩阵，其中u_j(j＝1...k)表示半酉矩阵，即列正交的矩阵。在本发明实施例中取u_j＝U_j(:，[1:m_j]，即u_j为用户j的信道矩阵的奇异值分解的左奇异矩阵的前m_j列。H_j(j＝1...k)表示各用户的信道矩阵。

利用按照上述任一方式形成的等效合并信道矩阵而获得的线性变换矩阵可表示成如公式(6)或(7)所示的形式：

$F=H_{\mathrm{eq}}^H{(H_{\mathrm{eq}}{H}_{\mathrm{eq}}^H+\mathrm{\ξI})}^{-1}---\left(6\right)$

$F=H_{\mathrm{eq}}^{+}=H_{\mathrm{eq}}^H{\left({\mathrm{HH}}_{\mathrm{eq}}^H\right)}^{-1}---\left(7\right)$

其中F表示线性变换矩阵，H_eq表示等效合并信道矩阵，I表示单位矩阵，ξ为常量，与系统的信噪比有关。

步骤14、利用所述线性变换矩阵对所述摄动合并数据向量进行线性变换，形成发射信号向量。

在此步骤中，可首先利用所述线性变换矩阵对所述摄动合并数据向量进行线性变换，得到的线性变换后的摄动后合并数据向量的表示形式为：

X₁＝F×(D+l_optτ)；

其中，X₁表示线性变换后的摄动合并数据向量；F表示线性变换矩阵；D表示合并数据向量；l_optτ表示摄动向量，l_opt是复整数，τ为实数，由调制方式地确定。

然后，将所述线性变换后的摄动合并数据向量乘以功率因子，得到所述发射信号向量，然后发送到各天线。所述接收端的天线可以是共址，也可以是地理位置分散的，即可以是位于不同的基站上或者不同的基站和中继站上的。所述发射信号向量可表示成如公式(8)所示的形式：

$X=\frac{F\×(D+l_{\mathrm{opt}}\mathrm{\τ})}{\sqrt{\mathrm{\γ}}},$ $\mathrm{\γ}=\frac{{\left|\right|F(u+l_{\mathrm{opt}}\mathrm{\τ})\left|\right|}^2}{P_T},---\left(8\right)$

其中X表示发射信号向量，γ为功率归一化的因子，P_T为总的发射功率；l_opt是整数，τ是由调制方式决定的实数。

在接收端，每个用户可单独检测接收到的信号。可以采用如下的检测算法：即每个用户首先乘以功率归一化因子，然后乘以本用户(用户k)的信道矩阵H_k的奇异值分解的左奇异矩阵的前m_k列的转置共轭，得到本用户的各个数据流。然后对每个数据流进行取模运算，最后再对每个流分别地进行判决。其中，每个用户的发射流数量的选择可以是固定的方式，如m_j＝1；或者m_j＝rank(H_k)或者m_j＝rank(H_k)-1。当然，还可以根据一定的优化目标由H_j来自适应地选择m_j。

此外，为进一步的提高系统性能以及传输效率，在上述实施例中，可对摄动向量进行一定的选择，以使得系统总的发射功率最小，此时

或者还可选择摄动向量，使系统的总均方差最小的摄动向量，此时

在选择合适的摄动向量的过程中，可采用完全搜索的方法，但是为了降低计算复杂度，可利用Lattice-Reduction(格约减)方法对线性变换矩阵F进行格约减，即F＝WR，其中W即为对F进行格约减后的矩阵，R是整数矩阵，其行列式的值等于正负1。通过上述方式，求解出的摄动向量的近似解为公式(9)所示：

$l_{\mathrm{suboptimal}}=-R^{-1}Q\left(\frac{\mathrm{RD}}{\mathrm{\τ}}\right)---\left(9\right)$

其中Q表示对每个元素的实、虚部分别地四舍五入化为整数运算。当然，在求解使得系统性能最优的摄动向量的过程中，还采用其他的基于格约减的算法，如nearest-plane算法等。

实施例二

在此实施例二中，与实施例一所描述的方法的不同之处在于，在实施例二中，形成的摄动合并数据向量的表示形式如公式(10)所示：

X₃＝D+l_optτ+p_opt    (10)

其中，X₃表示摄动合并数据向量，D表示合并数据向量，l_optτ表示摄动向量，l_opt是整数，τ为实数，由调制方式确定。

其中，

因为p是连续的，可以通过系统总的均方误差MSE对p的局部极小点的条件求得，即

由于p_opt是连续变量，因此，与实施例一相比，实施例二更能进一步的改善系统的性能，提高系统传输效率。

在选择摄动向量使得系统总的发射功率最小即

或系统总均方差最小即

时，可采用与实施例一中相类似的方法求得相应的摄动向量。

相应地，在实施例二中，形成的发射信号向量可表示成如公式(11)所示的形式：

$X=\frac{F\×(D+l_{\mathrm{opt}}\mathrm{\τ}+p_{\mathrm{opt}})}{\sqrt{\mathrm{\γ}}}---\left(11\right)$

其中，X表示发射信号向量，其中γ为功率归一化的因子，P_T为总的发射功率；l_opt是整数，p_opt是连续变量，τ是由调制方式决定的实数。

同样，在实施例二中，在接收端，每个用户可单独检测接收到的信号。可以采用如下的检测算法：

即每个用户首先乘以功率归一化因子，然后乘以本用户(用户k)的信道矩阵H_k的奇异值分解的左奇异矩阵的前m_k列的转置共轭，得到本用户的各个数据流。然后对每个数据流进行取模运算，最后再对每个流分别地进行判决。其中，每个用户的发射流数量的选择可以是固定的方式，如m_j＝1；或者m_j＝rank(H_k)或者m_j＝rank(H_k)-1。当然，还可以根据一定的优化目标由H_j来自适应地选择m_j。

由实施例一和实施例二所述的方法可以看出，本发明实施例所述的多用户预编码方法及装置，首先通过将需发送给各用户的数据向量，形成合并数据向量，再将所述合并数据向量叠加上摄动向量；然后再形成线性变换矩阵。最后，利用所述线性变换矩阵对摄动合并数据向量进行线性变换，从而得到发射信号向量。因此，本发明实施例能够用于接收端有多根天线的情况，提高了系统的传输效率。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

此外，与本发明实施例所述的方法相对应，本发明实施例三提供了一种多用户预编码装置。

如图2所示，本发明实施例三多用户预编码装置包括：合并数据向量获取单元21，摄动合并数据向量获取单元22，线性变换矩阵获取单元23，信号生成单元24。

其中，合并数据向量获取单元21，用于将需发送给各用户的数据向量，形成合并数据向量；摄动合并数据向量获取单元22，用于将所述合并数据向量叠加上摄动向量，形成摄动合并数据向量；线性变换矩阵获取单元23，用于根据获得的各用户的信道状态信息，形成线性变换矩阵；信号生成单元24，用于利用所述线性变换矩阵对所述摄动合并数据向量进行线性变换，形成发射信号向量。

其中，形成的摄动合并数据向量、等效合并信道矩阵以及线性变换矩阵的方式与实施例一或实施例二中所描述的相同。

其中，如图3所示，所述线性变换矩阵获取单元23包括：等效合并信道矩阵获取子单元231，用于根据获得的各用户的信道状态信息，形成等效合并信道矩阵；线性变换矩阵获取子单元232，用于根据所述等效合并信道矩阵形成线性变换矩阵。其中，所述等效合并信道矩阵获取子单元231包括：合并信道矩阵获取模块2311，用于根据的各用户的信道状态信息；等效合并信道矩阵获取模块2312，用于根据各用户的信道矩阵和所述合并信道矩阵形成等效合并信道矩阵。

其中，如图4所示，所述等效合并信道矩阵获取子单元231还可包括：等效信道矩阵获取模块2313，用于获得各用户等效信道矩阵；等效合并信道矩阵获取模块2314，用于根据获得的各用户等效信道矩阵形成等效合并信道矩阵。

在图2或图3或图4所示的多用户预编码装置的基础上，所述信号生成单元24包括：线性变换子单元，用于利用所述线性变换矩阵对所述摄动合并数据向量进行线性变换；发射信号向量生成子单元，用于将所述线性变换后的摄动合并数据向量乘以功率因子，得到所述发射信号向量。

图5为对本发明实施例所描述的方法进行仿真的效果图。从图5可以看出，本发明实施例的多用户预编码方法，不仅性能大大超过BD算法和ExtendedRegularized Channel Inverse算法，而且相对每个流对应于该用户的一根接收天线的多用户预编码方法的性能有一定的提高，例如在(3(3)，3(3)，6)天线配置16QAM的情况下有1.3dB改进，在(2(2)，2(2)，4)天线配置16QAM的情况下有有0.6dB的改进。

综上所述，本发明实施例所述的多用户预编码方法及装置，首先通过将需发送给各用户的数据向量，形成合并数据向量，然后再将所述合并数据向量叠加上摄动向量，并将叠加上摄动向量后得到的摄动合并数据向量进行线性变换，从而得到发射信号向量。因此，本发明实施例能够用于接收端有多根天线的情况，提高了系统的传输效率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (17)

1.一种多用户预编码方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

将需发送给各用户的数据向量，形成合并数据向量；

将所述合并数据向量叠加上摄动向量，形成摄动合并数据向量；

根据获得的各用户的信道状态信息，形成线性变换矩阵；

利用所述线性变换矩阵对所述摄动合并数据向量进行线性变换，形成发射信号向量。

2.根据权利要求1所述的多用户预编码方法，其特征在于，根据获得的各用户的信道状态信息，形成线性变换矩阵的步骤包括：

根据获得的各用户的信道状态信息，形成等效合并信道矩阵；

根据所述等效合并信道矩阵形成线性变换矩阵。

3.根据权利要求2所述的多用户预编码方法，其特征在于，根据获得的各用户的信道状态信息，形成等效合并信道矩阵的步骤包括：

根据各用户的信道状态信息，形成合并信道矩阵；

根据各用户的信道矩阵和所述合并信道矩阵形成等效合并信道矩阵。

4.根据权利要求2所述的多用户预编码方法，其特征在于，根据获得的各用户的信道状态信息，形成等效合并信道矩阵的步骤包括：

获得各用户等效信道矩阵；

根据获得的各用户等效信道矩阵形成等效合并信道矩阵。

5.根据权利要求3所述的多用户预编码方法，其特征在于，所述等效合并信道矩阵的计算方法为：

$H_{\mathrm{eq}}={[{\left(u_1^H{H}_1\right)}^T{\left(u_2^H{H}_2\right)}^T\·\·\·{\left(u_K^H{H}_k\right)}^T]}^T;$

其中，H_eq表示等效合并信道矩阵，u_j(j＝1...k)表示半酉矩阵，H_j(j＝1...k)表示各用户的信道矩阵。

6.根据权利要求5所述的多用户预编码方法，其特征在于，所述半酉矩阵为：u_j＝U_j(：，[1：m_j])(j＝1...k)表示对用户j的信道矩阵H_j进行奇异值分解的左奇异矩阵的前m_j列。

7.根据权利要求4所述的多用户预编码方法，其特征在于，所述各用户等效信道矩阵的计算方法为：

$H_{\mathrm{eq}}^j=u_j^H{H}_j;$

其中u_j(j＝1...k)表示半酉矩阵，H_eq ^j(j＝1...k)表示用户j的等效信道矩阵；

获得各用户的等效信道矩阵后，等效合并信道矩阵的计算方法为：

$H_{\mathrm{eq}}={[{\left(H_{\mathrm{eq}}^1\right)}^T{\left(H_{\mathrm{eq}}^2\right)}^T\·\·\·{\left(H_{\mathrm{eq}}^K\right)}^T]}^T,$

其中，H_eq表示等效合并信道矩阵。

8.根据权利要求7所述的多用户预编码方法，其特征在于，所述半酉矩阵为：u_j＝U_j(：，[1：m_j])(j＝1...k)表示对用户j的信道矩阵H_j进行奇异值分解的左奇异矩阵的前m_j列。

9.根据权利要求2所述的多用户预编码方法，其特征在于，利用所述等效合并信道矩阵形成线性变换矩阵的方法为：

$F=H_{\mathrm{eq}}^H{(H_{\mathrm{eq}}{H}_{\mathrm{eq}}^H+\mathrm{\ξI})}^{-1}$ 或 $F=H_{\mathrm{eq}}^{+}=H_{\mathrm{eq}}^H{\left({\mathrm{HH}}_{\mathrm{eq}}^H\right)}^{-1};$

其中F表示线性变换矩阵，H_eq表示等效合并信道矩阵，I表示单位矩阵，ξ为和噪声功率相关的量。

10.根据权利要求9所述的多用户预编码方法，其特征在于，利用所述等效合并信道矩阵对所述摄动后合并数据向量进行线性变换的步骤中，得到的线性变换后的摄动后合并数据向量的表示形式为：

X₁＝F×(D+l_optτ)，或X₁＝F×(D+l_optτ+p_opt)；

其中，X₁表示线性变换后的摄动合并数据向量；F表示线性变换矩阵；D表示合并数据向量；l_optτ表示摄动向量，τ为实数，l_opt为复整数，P_opt为连续变量。

11.根据权利要求10所述的多用户预编码方法，其特征在于，所述摄动向量为使系统总的发射功率最小或使系统的总均方差最小的摄动向量。

12.根据权利要求1所述的多用户预编码方法，其特征在于，利用所述线性变换矩阵对所述摄动合并数据向量进行线性变换，形成发射信号向量的步骤具体为：

利用所述线性变换矩阵对所述摄动合并数据向量进行线性变换；

将所述线性变换后的摄动合并数据向量乘以功率因子，得到所述发射信号向量。

13.一种多用户预编码装置，其特征在于，所述装置包括：

合并数据向量获取单元，用于将需发送给各用户的数据向量，形成合并数据向量；

摄动合并数据向量获取单元，用于将所述合并数据向量叠加上摄动向量，形成摄动合并数据向量；

线性变换矩阵获取单元，用于根据获得的各用户的信道状态信息，形成线性变换矩阵；

信号生成单元，用于利用所述线性变换矩阵对所述摄动合并数据向量进行线性变换，形成发射信号向量。

14.根据权利要求13所述的多用户预编码装置，其特征在于，所述线性变换矩阵获取单元包括：

等效合并信道矩阵获取子单元，用于根据获得的各用户的信道状态信息，形成等效合并信道矩阵；

线性变换矩阵获取子单元，用于根据所述等效合并信道矩阵形成线性变换矩阵。

15.根据权利要求14所述的多用户预编码装置，其特征在于，所述等效合并信道矩阵获取子单元包括：

合并信道矩阵获取模块，用于根据各用户的信道状态信息，形成合并信道矩阵；

等效合并信道矩阵获取模块，用于根据各用户的信道矩阵和所述合并信道矩阵形成等效合并信道矩阵。

16.根据权利要求14所述的多用户预编码装置，其特征在于，所述等效合并信道矩阵获取子单元包括：

等效信道矩阵获取模块，用于获得各用户等效信道矩阵；

等效合并信道矩阵获取模块，用于根据获得的各用户等效信道矩阵形成等效合并信道矩阵。

17.根据权利要求13所述的多用户预编码装置，其特征在于，所述信号生成单元包括：

线性变换子单元，用于利用所述线性变换矩阵对所述摄动合并数据向量进行线性变换；

发射信号向量生成子单元，用于将所述线性变换后的摄动合并数据向量乘以功率因子，得到所述发射信号向量。

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