CN101854235A - 一种多入多出系统中用户选择方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多入多出系统中用户选择方法及装置，包括：多入多出系统中用户向基站发送自己的CSI；基站通过得到的各个用户反馈的CSI，计算用户相应的MSE值大小，选择其中MSE值最小的用户作为第一个已选用户，或者根据各个用户的F范数大小，选择其中F范数值最大的用户作为第一个已选用户；基站在待选用户集合中计算各个待选用户与已选用户相应的MSE值加和的大小，选择其中MSE加和值最小的用户作为第二个已选用户，依此类推，直到判断若已选用户的子流数之和等于发送天线数或者待选用户集合为空时，完成多入多出系统中用户的选择。应用本发明，解决了当共信道干扰未完全消除时如何进行用户选择的问题。

Description

一种多入多出系统中用户选择方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通信系统，特别地涉及一种多入多出系统中用户选择方法及装置。

背景技术

随着无线接入速率爆发式增长的需求，现有的移动网络不能满足未来发展高传输速率、高频谱效率的需求。而近十多年来发展起来的MIMO(Multiple Input Multiple Output，多入多出)技术能在不增加带宽的情况下成倍提高通信系统的容量和频谱利用率，是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。近几年来，随着MIMO技术的发展，人们逐渐将研究的热点转移到了多用户MIMO，即利用空分多址(SDMA)技术同时向多个用户发送数据。相比传统的单用户MIMO，多用户MIMO可以大大提高系统的和容量，有效改善系统平均吞吐量和小区边缘的吞吐量。然而由于多个用户在同一物理资源上同时通信，存在共信道干扰(CCI：Co-Channel Interference)，必需采用一定的处理措施也就是预编码技术消除或者抑制多用户干扰。

然而在多用户MIMO系统中，当发送天线数小于用户天线数之和时，系统性能显著下降。实际系统中，同时发起通信需求的用户数目较多，多用户预编码中系统所支持的用户数目有限，目前通常采用用户选择又称为用户调度。然而现有的用户选择技术大多数假设多用户干扰已经完全消除，并且假设各个用户平均分配功率，在用户选择之后才考虑用户之间的功率分配。然而这种完全消除用户间干扰的方式损失了一定的性能，性能劣于抑制用户间干扰的方法。同时，在未完全消除用户间干扰的情况下，某个用户的选择与否还对其他用户产生了影响，也就是选择某个用户会影响对其他用户的干扰。在这种方式下如何进行用户选择是当前需要解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多入多出系统中用户选择方法及装置，解决了当共信道干扰未完全消除时如何进行用户选择的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种多入多出系统中用户选择方法，包括：

所述多入多出系统中用户向基站发送自己的信道状态信息CSI；

所述基站通过得到的各个用户反馈的信道状态信息，计算用户相应的均方误差MSE值大小，选择其中MSE值最小的用户作为第一个已选用户，或者根据各个用户的F范数大小，选择其中F范数值最大的用户作为第一个已选用户；

所述基站在待选用户集合中计算各个待选用户与已选用户相应的MSE值加和的大小，选择其中MSE加和值最小的用户作为第二个已选用户，依此类推，直到判断若已选用户的子流数之和等于发送天线数或者待选用户集合为空时，完成多入多出MIMO系统中用户的选择。

进一步地，上述方法还可包括，所述基站在待选用户集合中选择用户的步骤中，还包括对待选用户与已选用户进行预编码矩阵、接收滤波矩阵的设计和功率分配的步骤，具体是指：

所述基站在待选用户集合中根据最小均方误差和sum-MMSE准则，分别计算待选用户与已选用户的预编码矩阵和接收滤波矩阵，并计算各个待选用户相应的MSE值与已选用户MSE值加和的大小，选择其中MSE加和值最小的用户作为第二个已选用户，依此类推，直到判断若已选用户的子流数之和等于发送天线数时或者待选用户集合为空时，完成MIMO系统中用户的选择，其中，所得到的预编码矩阵包含了对待选用户与已选用户之间的功率分配。

进一步地，上述方法还可包括，所述基站根据Sum-MMSE准则在待选用户集合中计算待选用户与已选用户的预编码矩阵和接收滤波矩阵，具体是指：

以用户的sum MSE值最小为目标函数，通过迭代方法，根据

计算预编码矩阵和接收滤波矩阵；

其中，K为用户个数，M_k为第k个用户的预编码矩阵，G_k为第k个用户的接收滤波矩阵，i＝1，…，K；I_k是对角线元素为1，其余为零的矩阵；N₀为各个用户的接收噪声功率，P为基站的总发送功率。

进一步地，上述方法还可包括，所述信道状态信息是用户通过对导频进行信道估计获得。

本发明还提供了一种多入多出系统中用户选择装置，包括：接收模块和选择控制模块，其中，

所述接收模块，用于接收各个用户发送的信道状态信息CSI，并传送给所述选择控制模块；

所述选择控制模块，用于通过得到的各个用户反馈的CSI，计算用户相应的均方误差MSE值大小，选择其中MSE值最小的用户作为第一个已选用户，或者根据各个用户的F范数大小，选择其中F范数值最大的用户作为第一个已选用户；在待选用户集合中计算各个待选用户相应的MSE值与已选用户MSE值加和的大小，选择其中MSE加和值最小的用户作为第二个已选用户，依此类推，直到判断若已选用户的子流数之和等于发送天线数或者待选用户集合为空时，完成多入多出MIMO系统中用户的选择。

进一步地，上述装置还可包括，所述选择控制模块还用于，在待选用户集合中选择用户时，对待选用户与已选用户进行功率分配，具体是指：

所述选择控制模块在待选用户集合中根据最小均方误差和sum-MMSE准则，分别计算待选用户与已选用户的预编码矩阵和接收滤波矩阵，并计算各个待选用户相应的MSE值与已选用户MSE值加和的大小，选择其中MSE加和值最小的用户作为第二个已选用户，依此类推，直到判断若已选用户的子流数之和等于发送天线数或者待选用户集合为空时，完成MIMO系统中用户的选择，其中，所得到的预编码矩阵包含了对待选用户与已选用户之间的功率分配。

进一步地，上述装置还可包括，所述选择控制模块根据Sum-MMSE准则在待选用户集合中计算待选用户与已选用户的预编码矩阵和接收滤波矩阵，具体是指：

以用户的sum MSE值最小为目标函数，通过迭代方法，根据

计算预编码矩阵和接收滤波矩阵；

其中，K为用户个数，M_k为第k个用户的预编码矩阵，G_k为第k个用户的接收滤波矩阵，i＝1，…，K_s，；I_k是对角线元素为1，其余为零的矩阵；N₀为各个用户的接收噪声功率，P为基站的总发送功率。

与现有技术相比，应用本发明，解决了当共信道干扰未完全消除时如何进行用户选择的问题，根据一定的原则对同时要求通信的多个用户进行选择，并为所选择的用户设计相对应的预编码矩阵和接收滤波矩阵，使得所选择的用户的和MSE值在所有被选用户构成的集合中能够最优，能够降低整体的MSE值，改善系统误码率，同时给出了一种降低穷尽搜索复杂度的递增用户选择方式。该方法基于sum-MMSE准则，更加贴合实际系统。本发明可以为超三代(B3G)、第四代(4G)移动通信领域及无线局域网(WLAN)等系统的用户选择问题提供重要的理论依据和实现方法。

附图说明

图1是本发明的多入多出系统中用户选择方法的流程图；

图2是本发明实例中MIMO系统中基站选择用户的网络示意图；

图3本发明实例中选择了K_s个用户后，基站同时与所选择的用户进行通信的过程的示意图；

图4是本发明的多入多出系统中用户选择装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明的实施条件是针对多用户MIMO系统中多个同时发起通信需求的用户，由各个用户将各自的信道状态信息反馈给基站，基站通过一定的用户选择技术选择同时服务的用户，并为所选择的用户设计相应的预编码矩阵和接收滤波矩阵。

以多用户MIMO下行链路为例，本发明的用户选择流程，如图1所示，包括以下步骤：

步骤110：所有用户向基站发送自己的信道状态信息(CSI)；

信道状态信息是用户通过对导频进行信道估计获得。

步骤120：基站通过得到的各个用户反馈的信道状态信息，根据MMSE(最小均方误差)准则，分别计算只选择一个用户时的预编码矩阵和接收滤波矩阵，并计算各个用户相应的MSE(均方误差)值大小，选择其中MSE最小的用户作为第一个已选用户，或者根据各个用户的F范数大小，选择其中F范数值最大的用户作为第一个已选用户；继续在待选用户集合中根据sum-MMSE(最小均方误差和)准则，分别计算待选用户与已选用户的预编码矩阵和接收滤波矩阵，并计算各个待选用户相应的MSE值与已选用户MSE值加和的大小，选择其中MSE加和值最小的用户作为第二个已选用户，依此类推，直到判断若已选用户的子流数之和等于发送天线数或者待选用户集合为空，完成MIMO系统中用户的选择，获得选择的全部用户及对应的预编码矩阵、接收滤波矩阵。

下面结合具体实例对本发明作进一步说明。

如图2所示，基站有N_T个发送天线，共有Kt个活动用户，第i个用户具有N_i个接收天线。各个用户通过信道估计获得各自的信道状态信息；并假设通过理想的反馈信道反馈给基站，本发明不涉及具体的信道状态信息获取方式及具体的反馈方式。假设各个用户具有相同的接收噪声功率。发送端可以根据各个用户反馈的信道状态信息实现对多个用户的选择及发送预编码、接收滤波的优化求解。

图2中实例的运算过程如下：

所有K_t个活动用户向发送端发送自己的信道状态信息(CSI)；

发送端利用各个用户反馈的信道状态信息运行A模块(用户选择)，即从K_t个活动用户中逐次选择出K_s个用户；发送端分别为所选择的K_s个用户运行B模块(基于sum-MMSE准则的预编码、接收滤波矩阵设计(包含功率分配))。

其中，N_T为基站发送天线个数；信道H_i为基站与用户i的信道

N_i为第i个用户的接收天线个数，i＝1，…，K_t；K_t为活动用户个数；A模块为进行用户选择的模块；B模块为基于sum-MMSE准则的预编码和接收滤波矩阵设计的模块(包含功率分配)。

其中，A模块(用户选择)，运算过程如下：

(1)初始化选择第一个用户π(1)，并将剩余用户作为待选用户集合S₁＝S₀\{π(1)}。

可以根据反馈获得的信道状态信息H_i的F范数，选择F范数最大的作为第一个选择出来的用户

或者根据MSE值进行选择，将MSE值最小的作为第一个用户。即发送端利用各个用户反馈的信道状态信息根据MMSE准则，分别计算只选择一个用户时的预编码矩阵和接收滤波矩阵。该矩阵通过MMSE准则计算获得。计算各个用户相对应的MSE值大小，选择MSE最小的作为第一个用户

(2)在待选用户集合中，逐次进行用户选择。即，在选择了第i个用户之后，第i+1个用户从集合S_i＝S₀\{π(1)，π(2)，…，π(i)}中进行选择。

(3)当已选用户的子流数之和等于发送天线或者待选用户集合s_i为空时，停止。否则返回到(2)继续进行用户选择。

(4)获得已选择的用户{π(1)，π(2)，…，π(K_s)}及对应的预编码矩阵和接收滤波矩阵即为最终输出。

B模块(基于sum-MMSE准则的预编码和接收滤波矩阵设计(包含功率分配))具体实现方法为：

此部分中的符号表示为：设计K个用户的预编码矩阵及接收滤波矩阵。第k个用户的预编码矩阵为M_k，接收滤波矩阵为G_k，第k个用户的接收天线数为

子流数为L_k，k＝1，…，K。i为迭代次数的标号，比如，M_k ⁽ⁱ⁾、G_k ⁽ⁱ⁾分别表示第i次迭代时得到的用户k的发送滤波矩阵和接收滤波矩阵；G_k ⁽⁰⁾为接收滤波矩阵的初始值。N₀为各个用户的接收噪声功率，P为基站的总发送功率。

步骤(a)、初始化，对于k＝1，…，K，均有

其中

是对角线元素为1，其余为零的矩阵；

步骤(b)、利用G_k ⁽ⁱ⁾，根据公式：

计算M_k ⁽ⁱ⁺¹⁾。其中，

步骤(c)、通过得到的M_k ⁽ⁱ⁺¹⁾，根据公式

$G_k={M_k}^H{H_k}^H{(H_k\left({\mathrm{\Σ}}_{j=1}^K{M}_j{M_j}^H\right){H_k}^H+N_0{I}_k)}^{-1}$ 计算G_k ⁽ⁱ⁾；

步骤(d)、重复步骤(b)和步骤(c)，每次重复i增加1；直到

时，停止循环。其中，ε是预先定义的阈值，通常为大于0并接近0的小数，比如10^-4。

其中，选择第i+1个用户的运算过程如下：

利用B模块分别计算待选用户集合s_i中的各个用户与已选中用户{π(1)，π(2)，…，π(i)}的预编码矩阵及接收滤波矩阵，并计算其对应的sum MSE值

选择

最小的那个作为第i+1个用户

并将其添加到已选中的用户集合中；同时将选择的该用户从待选用户s_i中删除S_i+1＝S_i\{π(i+1)}。

其中，

其中I_k是对角线元素为1，其余为零的单位矩阵。

如图3所示，在选择了K_s个用户之后，基站同时与所选择的用户进行通信，通信的过程如下所示：

1、第i个用户的发送数据y_i送至相对应的预编码矩阵M_i，完成相乘功能，输出M_iy_i，i＝1，…，K_s；

2、基站将输出的数据进行相加通过N_T个天线发送，其中基站发送数据历经空时信道H；

3、各个用户接收来自基站的数据，经过接收滤波之后，第i个用户的接收信号为：

其中，K_s为选择的用户个数；y_i为第i个用户的发送信号，i＝1，…，K_s；M_i为第i个用户的预编码矩阵，i＝1，…，K_s；N_T为基站发送天线个数；H为基站与所选择的K_s个用户的复合信道；G_i为第i个用户的接收滤波矩阵，i＝1，…，K_s；N_i为第i个用户的接收天线个数，i＝1，…，K_s；

为第i个用户经接收滤波后的的接收信号，i＝1，…，K_s；n_i为第i个用户接收到的噪声。

如图4所示，本发明的多入多出系统中用户选择装置，包括：接收模块和选择控制模块，其中，

所述接收模块，用于接收各个用户发送的信道状态信息CSI，并传送给所述选择控制模块；

所述选择控制模块，用于通过得到的各个用户反馈的信道状态信息，计算用户相应的均方误差MSE值大小，选择其中MSE值最小的用户作为第一个已选用户；或者根据各个用户的F范数大小，选择其中F范数值最大的用户作为第一个已选用户；在待选用户集合中计算各个待选用户相应的MSE值与已选用户MSE值加和的大小，选择其中MSE加和值最小的用户作为第二个已选用户，依此类推，直到判断若已选用户的子流数之和等于发送天线数或者待选用户集合为空时，完成多入多出MIMO系统中用户的选择。

所述选择控制模块还用于，在待选用户集合中选择用户时，对待选用户与已选用户进行功率分配，具体是指：

所述选择控制模块在待选用户集合中根据最小均方误差和sum-MMSE准则，分别计算待选用户与已选用户的预编码矩阵和接收滤波矩阵(该预编码矩阵包含对待选用户与已选用户之间进行功率分配)，并计算各个待选用户相应的MSE值与已选用户MSE值加和的大小，选择其中MSE加和值最小的用户作为第二个已选用户，依此类推，直到判断若已选用户的子流数之和等于发送天线数或者待选用户集合为空时，完成MIMO系统中用户的选择。

所述选择控制模块根据Sum-MMSE准则在待选用户集合中计算待选用户与已选用户的预编码矩阵和接收滤波矩阵，具体是指：

以用户的sum MSE值最小为目标函数，通过迭代方法，根据

计算预编码矩阵和接收滤波矩阵；

其中，K为用户个数，M_k为第k个用户的预编码矩阵，G_k为第k个用户的接收滤波矩阵，i＝1，…，K；I_k是对角线元素为1，其余为零的矩阵；N₀为各个用户的接收噪声功率，P为基站的总发送功率。

本发明针对多用户干扰未完全消除的情况进行用户选择，在选择过程中，考虑了某个用户对其他用户的干扰及所选用户之间的功率分配。相对于完全消除用户干扰的情况，此方法可以实现更低误码率及MSE，并且获得更高的系统和容量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种多入多出系统中用户选择方法，其特征在于，包括：

所述多入多出系统中用户向基站发送自己的信道状态信息CSI；

所述基站通过得到的各个用户反馈的CSI，计算用户相应的均方误差MSE值大小，选择其中MSE值最小的用户作为第一个已选用户，或者根据各个用户的F范数大小，选择其中F范数值最大的用户作为第一个已选用户；

所述基站在待选用户集合中计算各个待选用户与已选用户相应的MSE值加和的大小，选择其中MSE加和值最小的用户作为第二个已选用户，依此类推，直到判断若已选用户的子流数之和等于发送天线数或者待选用户集合为空时，完成多入多出MIMO系统中用户的选择。

2.如权利要求1所述的用户选择方法，其特征在于，

所述基站在待选用户集合中选择用户的步骤中，还包括对待选用户与已选用户进行预编码矩阵、接收滤波矩阵的设计和功率分配的步骤，具体是指：

所述基站在待选用户集合中根据最小均方误差和sum-MMSE准则，分别计算待选用户与已选用户的预编码矩阵和接收滤波矩阵，并计算各个待选用户相应的MSE值与已选用户MSE值加和的大小，选择其中MSE加和值最小的用户作为第二个已选用户，依此类推，直到判断若已选用户的子流数之和等于发送天线数时或者待选用户集合为空时，完成MIMO系统中用户的选择，其中，所得到的预编码矩阵包含了对待选用户与已选用户之间的功率分配。

3.如权利要求2所述的用户选择方法，其特征在于，

所述基站根据Sum-MMSE准则在待选用户集合中计算待选用户与已选用户的预编码矩阵和接收滤波矩阵，具体是指：

以用户的sum MSE值最小为目标函数，通过迭代方法，根据

$G_k={M_k}^H{H_k}^H{(H_k\left({\mathrm{\Σ}}_{j=1}^K{M}_j{M_j}^H\right){H_k}^H+N_0{I}_k)}^{-1},$

计算预编码矩阵和接收滤波矩阵；

其中，K为用户个数，M_k为第k个用户的预编码矩阵，G_k为第k个用户的接收滤波矩阵，i＝1，…，K；I_k是对角线元素为1，其余为零的矩阵；N₀为各个用户的接收噪声功率，P为基站的总发送功率。

4.如权利要求1所述的用户选择方法，其特征在于，

所述信道状态信息是用户通过对导频进行信道估计获得。

5.一种多入多出系统中用户选择装置，其特征在于，

包括：接收模块和选择控制模块，其中，

所述接收模块，用于接收各个用户发送的信道状态信息CSI，并传送给所述选择控制模块；

所述选择控制模块，用于通过得到的各个用户反馈的CSI，计算用户相应的均方误差MSE值大小，选择其中MSE值最小的用户作为第一个已选用户，或者根据各个用户的F范数大小，选择其中F范数值最大的用户作为第一个已选用户；在待选用户集合中计算各个待选用户相应的MSE值与已选用户MSE值加和的大小，选择其中MSE加和值最小的用户作为第二个已选用户，依此类推，直到判断若已选用户的子流数之和等于发送天线数或者待选用户集合为空时，完成多入多出MIMO系统中用户的选择。

6.如权利要求5所述的用户选择装置，其特征在于，

所述选择控制模块还用于，在待选用户集合中选择用户时，对待选用户与已选用户进行功率分配，具体是指：

所述选择控制模块在待选用户集合中根据最小均方误差和sum-MMSE准则，分别计算待选用户与已选用户的预编码矩阵和接收滤波矩阵，并计算各个待选用户相应的MSE值与已选用户MSE值加和的大小，选择其中MSE加和值最小的用户作为第二个已选用户，依此类推，直到判断若已选用户的子流数之和等于发送天线数或者待选用户集合为空时，完成MIMO系统中用户的选择，其中，所得到的预编码矩阵包含了对待选用户与已选用户之间的功率分配。

7.如权利要求6所述的用户选择装置，其特征在于，

所述选择控制模块根据Sum-MMSE准则在待选用户集合中计算待选用户与已选用户的预编码矩阵和接收滤波矩阵，具体是指：

以用户的sum MSE值最小为目标函数，通过迭代方法，根据

$G_k={M_k}^H{H_k}^H{(H_k\left({\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{K_s}{M}_j{M_j}^H\right){H_k}^H+N_{0}I)}^{-1},$

计算预编码矩阵和接收滤波矩阵；

其中，K为用户个数，M_k为第k个用户的预编码矩阵，G_k为第k个用户的接收滤波矩阵，i＝1，…，K_s，；I_k是对角线元素为1，其余为零的矩阵；N₀为各个用户的接收噪声功率，P为基站的总发送功率。

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