CN101783699B - 多用户mimo系统中下行链路的信号发射方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用户MIMO系统中下行链路的信号发射方法，包括：产生发送给各个用户的信号s^j(n)；根据信道估计结果及发射天线单元的空间响应，对信号s^j(n)进行预编码；利用用户发送给基站的信号波的到达方向范围Φ以及用户与基站的距离D，对所发送的信号进行空间响应控制；利用空间响应可调的发射天线单元将信号发射到信道中。本发明还公开了一种多用户MIMO系统中下行链路的信号发射装置。本发明采用空间响应可调的天线单元以提高接收信干比，可以通过调节天线单元中各个阵元信号的加权幅度和相位，只针对特定方向范围内的用户发射信号，从而降低了发射功率，降低多用户之间的干扰。

Description

多用户MIMO系统中下行链路的信号发射方法和装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种多用户MIMO系统中下行链路的信号发射方法和装置。

背景技术

下一代无线通信系统将为用户提供更高的数据传输速率和更好的服务质量，系统容量将大幅度提高。而可供无线通信使用的无线频谱资源有限，因此下一代无线通信技术必须设法提高频谱利用率。多输入多输出(MIMO)系统正适应未来无线通信技术发展的要求，近年来得到迅猛的发展。MIMO系统是指在发射端通过多个发射天线发送信号，在接收端使用多个接收天线接收信号的无线通信系统。采用MIMO系统能够获得空间分集和复用增益，无需耗费额外的功率和带宽而能够大幅增加系统容量，且能够显著提高传输链路质量。因此，MIMO系统适用于高传输速率的音、视频等多媒体业务。

目前，单用户的MIMO系统研究已经日趋成熟，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(MU-MIMO)。例如，实际的无线局域网(WLAN)以及蜂窝MIMO系统通常是一个基站与多个移动台同时通信，移动台有一根或多根天线，基站则具有多根天线。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性能，多天线的复用增益令多用户的信道和速率区域扩大，多天线同样可以带来方向性增益从空间上区分用户从而消除用户间的干扰。

现有技术的一种多用户MIMO系统如图1所示，该系统可分解为四个部分：预编码模块用于利用信道估计结果对在下行链路系统的基站发射机中对信号进行预编码；全向发射天线模块将对整个空间的用户全向发射信号；接收天线阵列模块用于不同的用户各自利用全向天线接收基站发送的信号；解编码模块用于不同的用户将接收的信号进行解调和解编码。

在基站发射端，各个天线单元独立地向空间全向范围内发射信号。在实际的移动通信系统中，由于大多数基站天线架设位置较高，一般都高于附近建筑物的高度，在天线附近的信道环境不存在均匀分布散射体，因此，对于特定的用户，其到达基站的信号通常不是全向的，而是分布在有限方向范围内的单一信号或簇信号。同样，对于基站发射端，在某一时段内，只需要对特定方向范围内的用户接收端发射信号。但目前的MIMO系统并未考虑上述情况，基站发射端全向天线的使用会导致高的发射能量，用户接收端也会接收到基站发送给其它用户的较强的干扰信号，降低了用户接收机的信干比。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种多用户MIMO系统中下行链路的信号发射方法和装置，以克服现有技术中由于在基站发射端各个天线单元独立地向空间全向范围内发射信号，从而造成发射能量高、用户接收机的信干比低的缺陷。

为达到上述目的，本发明的技术方案提供一种多用户MIMO系统中下行链路的信号发射方法，所述方法包括以下步骤：产生发送给各个用户的信号s^j(n)，j＝1，2，...，K，K为系统中的总用户数目；根据信道估计结果及发射天线单元的空间响应，对信号s^j(n)进行预编码；利用用户发送给基站的信号波的到达方向范围Φ以及用户与基站的距离D，对所发送的信号进行空间响应控制；利用空间响应可调的发射天线单元将信号发射到信道中。

其中，一个空间响应可调的天线单元由含有多个阵元的微型天线阵来实现。

其中，在所述产生发送给各个用户的信号s^j(n)的步骤中，具体包括：第i个天线由含有L_i个阵元的微型天线阵来实现，其中i＝1，2，...，M，M为发射天线的个数。

其中，在所述对信号s^j(n)进行预编码的步骤中，具体包括：在下行链路系统的基站发射机中，根据信道响应及M个发射天线单元的空间响应，对信号s^j(n)进行预编码得到信号s_i，k ^j(n)，其中i＝1，...，M，k＝1，...，L_i，M为基站发射天线单元的个数，L_i为第i个天线单元中的微型天线阵的阵元个数。

其中，在所述对所发送的信号进行空间响应控制的步骤中，具体包括：确定每个天线单元的每个阵元上信号的加权系数；用所述加权系数对发射信号进行加权。

其中，在所述确定每个天线单元的每个阵元上信号的加权系数的步骤中，具体包括：在下行链路系统的基站发射机中，利用用户发送给基站的信号波的到达方向范围Φ以及用户与基站的距离D，确定每个天线单元每个阵元上信号的加权系数 $W_{i,k}^j=A_{i,k}^j\exp \left({\mathrm{j\θ}}_{i,k}^j\right),$ 其中i＝1，...，M，k＝1，...，L_i，j＝1，2，...，K，M为基站发射天线单元的个数，L_i为第i个天线单元中的阵元个数，K为系统中的总用户数目，A_i，k ^j为幅度，θ_i，k ^j为相位。

其中，在所述用加权系数对发射信号进行加权的步骤中，具体包括：在下行链路系统的基站发射机中，用系数W_i，k ^j对信号s_i，k ^j(n)进行加权得到信号x_i，k ^j(n)，其中i＝1，...，M，k＝1，...，L_i，j＝1，2，...，K，M为基站发射天线单元的个数，L_i为第i个天线单元中的阵元个数，K为系统中的总用户数目，并将信号x_i，k ^j(n)发送给第i个天线单元的第k个阵元。

其中，在所述利用空间响应可调的发射天线单元将信号发射到信道中的步骤中，具体包括：在下行链路系统的基站发射机中，M个空间响应可调的发射天线单元将信号x_i，k ^j(n)发射到信道中。

本发明的技术方案还提供一种多用户MIMO系统中下行链路的信号发射装置，所述装置包括：预编码模块，用于在下行链路系统的基站发射机中，根据信道响应及发射天线单元的空间响应，对信号进行预编码；多用户天线空间响应控制模块，用于在下行链路系统的基站发射机中，利用用户发送给基站的信号波的到达方向范围Φ以及用户与基站的距离D，确定每个天线单元的每个阵元上信号的加权系数，并用所述加权系数对所发送的信号进行加权；空间响应可调的发射天线单元，用于在下行链路系统的基站发射机中，将信号发射到信道中。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点：

本发明是采用空间响应可调的天线单元以提高接收信干比，可以通过调节天线单元中各个阵元信号的加权幅度和相位，只针对特定方向范围内的用户发射信号，从而降低了发射功率，降低多用户之间的干扰；或者在发射功率相同的情况下，最大程度地增大了系统吞吐量。同时，发射的信号具有主瓣能量谱宽而且平、旁瓣能量小的特点，从而可以最大程度地对抗用户接收机移动带来的多谱勒效应并减小对其它用户接收机的干扰。

附图说明

图1是现有技术的一种多用户MIMO系统的结构图；

图2是本发明的一种多用户MIMO系统中下行链路的信号发射方法的流程图；

图3是本发明的一种多用户MIMO系统中下行链路的信号发射装置的结构图；

图4是本发明的一种多用户天线空间响应控制模块的结构图；

图5是本发明的基站第一组发射天线发射信号能量分布图；

图6是现有技术的多用户MIMO系统和本发明的多用户MIMO系统中的下行链路的信号发射装置在相同发射功率下的用户接收机的接收信号信干比仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的一种多用户MIMO系统中下行链路的信号发射方法如图2所示，包括以下步骤：

a)在下行链路系统的基站发射机中，基站处理模块产生发送给各个用户的信号s^j(n)，j＝1，2，...，K，K为系统中的总用户数目。

b)在下行链路系统的基站发射机中，根据信道估计结果及发射天线单元的空间响应，对信号s^j(n)进行预编码。

c)在下行链路系统的基站发射机中，利用用户发送给基站的信号波的到达方向范围

(其中

为第j个用户波的到达方向范围)以及各个用户与基站的距离D＝[d₁，d₂，...，d_K]，对所发送的信号进行空间响应控制。目前已有多种方法可以估计用户发送给基站的信号波的到达方向范围以及用户与基站的距离。采用MUSIC算法、ESPRIT算法可用于信号波的到达方向估计，其中MUSIC算法在使用数据足够长或者SNR适当高、并且信号模型足够准确的条件下可以达到很高的精度。采用接收信号功率测量的方法可以非常方便地测定用户与基站的大致距离。

d)在下行链路系统的基站发射机中，利用空间响应可调的发射天线单元将信号发射到信道中。

进一步，所述步骤a)中所述的基站处理模块产生发送给各个用户的信号具体表述为：

在下行链路系统的基站发射机中，基站处理模块产生发送给各个用户的信号s^j(n)，其中j＝1，2，...，K，K为系统中的总用户数目；

满足上述特点的空间响应可调的天线单元的实现方法有很多种，比如可以利用含有多个阵元的微型天线阵来实现一个空间响应可调的天线单元。但这只是一种实现方法，并不构成对本发明的限制。具体的实现方法为：第i个天线单元由含有L_i个阵元的微型天线阵来实现，其中i＝1，2，...，M，M为发射天线单元的个数。

进一步，所述步骤b)中所述的基站发射机发射对信号进行预编码的方法为：在下行链路系统的基站发射机中，根据信道响应及M个发射天线单元的空间响应，对信号s^j(n)进行预编码得到信号s_i，k ^j(n)，其中i＝1，...，M，k＝1，...，L_i，M为基站发射天线单元的个数，L_i为第i个天线单元中的微型天线阵的阵元个数，

进一步，所述步骤c)中所述的形成空间响应可调信号的方法为：

(1)确定每个天线单元每个阵元上信号的加权系数：在下行链路系统的基站发射机中，利用用户发送给基站的信号波的到达方向范围Φ以及用户与基站的距离D，确定每个天线单元每个阵元上信号的加权系数 $W_{i,k}^j=A_{i,k}^j\exp \left({\mathrm{j\θ}}_{i,k}^j\right),$ 其中i＝1，...，M，k＝1，...，L_i，j＝1，2，...，K，M为基站发射天线单元的个数，L_i为第i个天线单元中的阵元个数，K为系统中的总用户数目，A_i，k ^j表示幅度，θ_i，k ^j表示相位；

加权系数确定的原则是：

(i)将发射信号成形为主瓣能量宽而且平的信号，这样的发射信号在特定用户方向范围或方向簇内具有足够大的能量，且可以与原来MIMO系统中具有全向特性的发射天线一样，几乎无损失地发射特定用户的全部信号，这样可以有效地对抗由于接收机移动带来的不利影响。

(ii)将发射信号成形为旁瓣能量很小的信号，这样可以有效抑制与特定用户不在同一方向簇范围内的其它用户信号的干扰，提高用户接收机的信干比，进而为接收机的后续处理提供更多的冗余。

(2)用系数对发射信号进行加权的方法为：在下行链路系统的基站发射机中，用系数W_i，k ^j对信号s_i，k ^j(n)进行加权得到信号x_i，k ^j(n)，其中i＝1，...，M，k＝1，...，L_i，j＝1，2，...，K，M为基站发射天线单元的个数，L_i为第i个天线单元中的阵元个数，K为系统中的总用户数目，并将信号x_i，k ^j(n)发送给第i个天线单元的第k个阵元；

进一步，所述步骤d)中所述的利用空间响应可调的发射天线单元发射信号的方法为：在下行链路系统的基站发射机中，M个空间响应可调的发射天线单元将信号x_i，k ^j(n)发射到信道中。

在所述步骤d)完成后，即信号发射出去之后，在下行链路系统的用户接收机中进行如下操作：

e)在下行链路系统的用户接收机中，每个用户利用全向天线接收基站发送的信号。

f)在下行链路系统的用户接收机中，用户处理模块对接收的信号进行解调和解码处理。

本发明的一种多用户MIMO系统中下行链路的信号发射装置如图3所示，该装置在现有多用户MIMO系统的基础上做了改进，在原发射装置中增加了3个模块，该3个模块分别为：3--多用户天线空间响应预编码模块，4--多用户天线空间响应控制模块，如图4所示，6-基站发射机的空间响应可调的发射天线单元，它使得MIMO发射系统中天线单元的空间响应不再是固定的全空间响应，而是方向可调的局部空间响应。通过上述的扩展，MIMO系统的发射机就可以在信号发射过程中实现对不同用户的适当隔离，减少发射信号能量，减小不同用户接收机之间的干扰。并且，与原接收机的波束成型模块不同，本发明的基站发射机发射信号为主瓣能量宽而且平、旁瓣能量很小的信号，对抗由于接收机移动带来的不利影响，同时也可以减弱该用户对其它用户接收机的干扰，提高用户接收机的信干比。同时本发明相应地去除了现有多用户MIMO系统的预编码模块和全向发射天线模块。

下面分别列举本发明的具体实施例：

下行链路系统中存在K＝2个用户：用户1和用户2，两个用户信号间的相关系数等于0.2。基站发射机端使用M＝2个空间响应可调的天线单元，每个线天线阵由一个4阵元的等距线阵构成，即L₁＝L₂＝4。

基站的2个天线单元向用户端发射数据，2个发送天线分别以某一个方向为中心、以一定的角度扩展为半径到达用户端及其周围物体，信号经周围物体散射后形成的多径信号到达用户端接收天线。

利用信号波的到达方向估计算法可知各个用户相对于基站的方向范围Φ：用户1及其散射体相对于基站天线单元1来说，所在的角度范围

为：[30°，35°]，用户1及其散射体相对于基站天线单元2来说，所在的角度范围

为：[25°，30°]；用户2及其散射体相对于基站天线单元1来说，所在的角度范围

为：[60°，65°]，用户1及其散射体相对于基站天线单元2来说，所在的角度范围

为：[58°，63°]。

基站处的多用户天线空间响应控制模块根据用户1所在方向范围

以及与基站的距离d₁求得发送天线单元1中4个阵元的加权系数分别为： $W_{\mathrm{1,1}}^1=1,$ $W_{\mathrm{1,2}}^1=1,$ $W_{\mathrm{1,3}}^1=1,$ $W_{\mathrm{1,4}}^1=1,$ 即对发送信号进行波束成形后得到 $x_1^1\left(n\right)=\underset{k=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{1,k}^1{s}_{1,k}\left(n\right),$ 同样的步骤可以求得发送天线单元2中4个阵元的加权系数分别为： $W_{\mathrm{2,1}}^1=1,$ $W_{\mathrm{2,2}}^1=1,$ $W_{\mathrm{2,3}}^1=1,$ $W_{\mathrm{2,4}}^1=1,$ 并对相应的发送信号进行波束成形得到 $x_2^1\left(n\right)=\underset{k=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{2,k}^1{s}_{2,k}\left(n\right),$ 针对用户1的发送信号x₁ ¹(n)和x₂ ¹(n)经过信道后到达用户端，经处理模块进行后续处理。类似地，根据指向用户2所在的方向范围

以及与基站的距离d₂可以求得发送天线单元1和2中4个阵元的相应加权系数分别为： $W_{\mathrm{1,1}}^2=0.001,$ $W_{\mathrm{1,2}}^2=0.001,$ $W_{\mathrm{1,3}}^2=0.001,$ $W_{\mathrm{1,4}}^2=0.001,$ $W_{\mathrm{2,1}}^2=0.001,$ $W_{\mathrm{2,2}}^2=0.001,$ $W_{\mathrm{2,3}}^2=0.001,$ $W_{\mathrm{2,4}}^2=0.001,$ 进一步得到波束成形后的信号x₁ ²(n)和x₂ ²(n)送给基站发送天线。如图4所示为含有4阵元的线天线阵、阵元间距为1/2波长、期望的用户信号方向为30度的基站接收天线单元的空间响应图。

通过对仿真结果的比较证明：使用本发明技术方案的发送系统后，多用户MIMO系统中下行链路系统的误码率性能优于原有基站接收系统，尤其在信噪比较高的情况下，性能优势会更加突出。如图5所示，其中1为原有发送系统，2为本发明技术方案实施例的发送系统。

本发明通过控制基站发射端的天线方向控制，只针对特定方向范围内的用户发射信号，从而降低了发射功率，降低多用户之间的干扰；或者在发射功率相同的情况下，最大程度地增大了系统吞吐量。同时，发射的信号具有主瓣能量谱宽而且平、旁瓣能量小的特点，从而可以最大程度地降低对其它用户接收机的干扰。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种多用户MIMO系统中下行链路的信号发射方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

a）产生发送给各个用户的信号s^j(n)，j＝1,2，...,K，K为系统中的总用户数目；

b）根据信道估计结果及发射天线单元的空间响应，对信号s^j(n)进行预编码；

c）利用用户发送给基站的信号波的到达方向范围Φ以及用户与基站的距离D，对所发送的信号进行空间响应控制；

d）利用空间响应可调的发射天线单元将信号发射到信道中；

其中步骤c）具体包括：(c-1)确定每个天线单元的每个阵元上信号的加权系数；和（c-2）用所述加权系数对发射信号进行加权；

所述(c-1)确定加权系数的步骤包括：

在下行链路系统的基站发射机中，利用用户发送给基站的信号波的到达方向范围Φ以及用户与基站的距离D，确定每个天线单元每个阵元上信号的加权系数

其中i=1，...,M，k=1，...,Li，j＝1,2，...,K，M为基站发射天线单元的个数，Li为第i个天线单元中的阵元个数，K为系统中的总用户数目，

为幅度，

为相位；

所述(c-2)进行加权的步骤包括：

在下行链路系统的基站发射机中，用系数

对信号

进行加权得到信号

其中i=1，...,M，k=1,...,Li，j＝1,2，...,K，M为基站发射天线单元的个数，Li为第i个天线单元中的阵元个数，K为系统中的总用户数目，并将信号

发送给第i个天线单元的第k个阵元。

2.如权利要求1所述的多用户MIMO系统中下行链路的信号发射方法，其特征在于，一个空间响应可调的天线单元由含有多个阵元的微型天线阵来实现。

3.如权利要求2所述的多用户MIMO系统中下行链路的信号发射方法，其特征在于，在所述产生发送给各个用户的信号s^j(n)的步骤中，具体包括：

第i个天线由含有L_i个阵元的微型天线阵来实现，其中i=1,2，...,M，M为发射天线的个数。

4.如权利要求3所述的多用户MIMO系统中下行链路的信号发射方法，其特征在于，在所述对信号s^j(n)进行预编码的步骤中，具体包括：

在下行链路系统的基站发射机中，根据信道响应及M个发射天线单元的空间响应，对信号s^j(n)进行预编码得到信号

其中i=1，...,M，k=1,...,L_i，M为基站发射天线单元的个数，L_i为第i个天线单元中的微型天线阵的阵元个数。

5.如权利要求1所述的多用户MIMO系统中下行链路的信号发射方法，其特征在于，在所述利用空间响应可调的发射天线单元将信号发射到信道中的步骤中，具体包括：

在下行链路系统的基站发射机中，M个空间响应可调的发射天线单元将信号

发射到信道中。

6.一种实施权利要求1-5任意一种方法的多用户MIMO系统中下行链路的信号发射装置，其特征在于，所述装置包括：

预编码模块，用于在下行链路系统的基站发射机中，根据信道响应及发射天线单元的空间响应，对信号进行预编码；

多用户天线空间响应控制模块，用于在下行链路系统的基站发射机中，利用用户发送给基站的信号波的到达方向范围Φ以及用户与基站的距离D，确定每个天线单元的每个阵元上信号的加权系数，并用所述加权系数对所发送的信号进行加权；

空间响应可调的发射天线单元，用于在下行链路系统的基站发射机中，将信号发射到信道中。

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