CN101958770A - 多输入多输出系统上行多用户多址干扰消除方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于上行多用户多输入多输出系统的多址干扰消除的方法，涉及先进的长期演进系统LTE-Advanced。在基站接收端利用配对用户的信道状态信息得到其零空间矩阵，并进一步构造为不降低信道复用度的变换矩阵，利用变换矩阵对接收信号进行处理，消除配对用户间的多址干扰。同时在调度用户时限制使用相同码本的不同用户占用同一时频资源，减少信道相关性较大的用户相互配对的概率，以最小化变换矩阵对有效信号强度的影响。仿真表明本发明能够显著的降低上行多用户多输入多输出系统的多址干扰，提高用户的信噪比，提升了系统吞吐量。

Description

多输入多输出系统上行多用户多址干扰消除方法及装置

技术领域

本发明涉及移动通信领域，特别涉及先进的长期演进系统(LTE-Advanced)上行多用户多输入多输出(MIMO)系统多址干扰消除的研究。

背景技术

MIMO系统通过在收发端配置多天线利用空间信道实现分集增益或者复用增益，在不增加系统带宽的情况下，极大地提升了通信系统的容量和频谱效率，是下一代无线通信系统的关键技术。第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership，3GPP)中LTE/LTE-Advanced系统都针对MIMO技术的应用进行了大量的研究。在发送端有N_t根天线、接收端有N_r根天线的MIMO系统中，其容量增益是min(N_t，N_r)。但是受到尺寸和造价等因素影响，LTE-Advanced阶段终端的天线数一般为两根，这样就不能从多发射天线中获得足够的容量增益。一种解决方法是采用多用户MIMO(Multi-User MIMO)或空分多址(Spatial Division Multiple Access，SDMA)方式，即基站将占用相同时频资源的多个数据流发送给不同用户。多用户MIMO系统的上行链路存在着多址干扰(multiple access interference，MAI)，下行链路存在着多用户干扰(multi-user interference，MUI)。占用同一时频资源的用户在不同流间引入的多址/多用户干扰成为制约多用户MIMO性能提升的瓶颈。

多用户MIMO下行链路的多用户干扰消除相关研究集中在脏纸编码(dirty paper coding，DPC)和线性迫零预处理技术两个方面，其中脏纸编码能够获得理论上最大容量，但是需要很高的计算复杂度，目前还难以实现。线性迫零预处理方法复杂度较低，例如基于预编码的块对角化(block diagonalization，BD)和迫零波束赋形(ZFBF，zero-forcing beam-forming)，受到3GPP等国际标准化组织的极大关注。

由于下行多用户MIMO系统中基站容易通过导频获得所有用户的信道状态信息，并且来自于配对用户(与解调用户一起占用相同时频资源的其他用户)的多用户干扰信号是经历解调用户的信道，因此配对用户的预编码就可以设计为解调用户信道矩阵的零空间，这样就可以把多用户MIMO信道分解为并行的单用户MIMO信道，在用户终端接收的时候配对用户间的多用户干扰就得到消除。但是在上行多用户MIMO系统中，用户终端不能预知配对用户的信道状态信息，最重要的是解调用户和配对用户分别经历各自的信道到达基站端，所以就不能依照下行预处理的方法进行多址干扰的消除。因此在基站端对接收信号进行后处理以消除配对用户的多址干扰的思想就被提出，这种传统的多址干扰消除算法在基站接收端利用用户信道状态信息获得该用户的零空间矩阵，并作为后处理矩阵对接收信号进行处理，相当于对原有的信道进行信道变换，这样就可以消除配对用户的多址干扰。但是传统的多址干扰消除算法只是考虑后处理矩阵对配对用户多址干扰的消除，没有评估后处理矩阵对解调用户有效信号强度的影响。然而在实际系统中对接收信号应用后处理矩阵会降低等效信道的复用度，这样就会降低解调用户有效信号强度，影响了系统性能的提升。

发明的内容

本发明的目的就是为了克服传统多址干扰消除技术的不足，提供一种应用于LTE-A上行多用户MIMO系统消除多址干扰的方法，以实现既能消除配对用户的多址干扰，又可避免降低解调用户有效信号强度的效果。其技术思路为：在基站接收端利用配对用户的信道状态信息得到其零空间矩阵，并进一步构造为不降低信道复用度的变换矩阵，利用变换矩阵对接收信号进行处理，消除配对用户间的多址干扰。同时在调度用户时限制使用相同码本的不同用户占用相同时频资源，减少信道相关性较大的用户相互配对的概率，以最小化变换矩阵对有效信号强度的影响。

本发明提供了一种MIMO系统的上行多址干扰消除方法，包括：

在基站端依据用户的信道状态信息来进行用户上行传输码本选择以及配对用户选择时，限制使用同一预编码矩阵的用户配对占用同一时频资源。

从终端反馈的信道状态信息中提取各个用户的等效信道响应矩阵。利用配对用户即共信道多址干扰用户的等效信道响应矩阵，求得其零空间矩阵。

对配对用户的零空间矩阵构造为接收信号的后处理矩阵。

用后处理矩阵对接收信号进行左乘处理，可以消除上行共信道用户的多址干扰。

本发明提供了一种多用户干扰消除的装置，包括：

用户资源调度限制模块：用于存储当前用户选用的码本序号，并据此向调度模块传递信息，禁止选用相同码本的用户占用同一时频资源。

后处理矩阵获取模块：用于对配对用户的信道估计矩阵进行SVD分解，得到相应的零空间矩阵，并构造相应后处理矩阵。

信道变换模块：使用后处理矩阵对接收信号进行左乘处理进行信道变换，消除配对用户的多址干扰。

本发明与现有技术相比，具有以下几个优点：

(1)本发明使用用户的等效信道矩阵HV进行SVD分解，在实际多用户MIMO系统中，每个用户使用单流进行数据传输，因此用户的等效信道矩阵HV为4·1，这样SVD分解得到的用户的零空间矩阵为4·3，在利用零空间矩阵对接收信号进行处理时，就可以保证等效信道的维数最大化。

(2)本发明对基于信道状态信息得到的零空间矩阵进行了构造。利用配对用户的零空间矩阵的向量信息，构造一维与配对用户等效信道矩阵有一定相关性的向量，也即与配对用户的零空间矩阵的向量具有一定的不相关性，并组成一个4·4的矩阵T′₁。这样以此作为后处理矩阵对接收信号进行处理，进行信道变换后就不会降低信道维度，在尽量减少配对用户干扰的同时保留了一维天线信息，减少了后处理矩阵对接收信号的强度带来的影响。

(3)本发明在基站端进行用户调度以及配对用户选择时，依据用户选择使用的码本对配对用户的选择进行限制，即选择使用同一预编码矩阵的用户不能进行配对。这样就避免了两个信道相关性比较强的用户互为配对用户的可能性。也就消除了对接收信号应用由配对用户的零空间矩阵得到的后处理矩阵T时降低解调用户有效信号的强度的可能，增加了系统的吞吐量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。

图1是以基站4根接收天线、用户2根发送天线为例上行MU-MIMO系统模型图。

图2是本发明装置的用户资源调度限制模块。

图3是本发明装置的后处理矩阵获取模块和信道变换模块。

图4是本发明仿真中服务用户的信噪比分布图。

图5是本发明仿真中服务用户的频谱效率分布图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下参照附图对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

在介绍本发明技术方案之前，先对本发明技术方案基于的现有通信系统场景进行一下介绍。如图1所示为多用户MIMO系统的上行链路。以LTE-A的典型天线配置为例，其中基站(BS)配置有4根天线，移动台UE_k(k＝1，2，...，K)有2根天线，并且两个用户占用一个相同的时频资源块构成配对用户对。

移动台UE_k发送信号为V_kX_k，其中V_k为用户预编码矩阵，X_k为用户数据向量。当基站端用于检测移动台1发送的数据时，接收信号向量y可以表示为：

其中H为用户与基站间的信道响应矩阵，N⁽⁰⁾表示白噪声干扰，上标(0)表示的是服务基站参量，上标

表示的是干扰基站参量，下标表示不同用户。

H₂ ⁽⁰⁾V₂ ⁽⁰⁾X₂ ⁽⁰⁾代表本扇区的配对用户的共信道干扰即多址干扰，代表来自于其他扇区的同频干扰。

针对图1所示的上行多用户MIMO系统，本发明对上行链路进行多址干扰消除的过程如下：

步骤一：上行多用户MIMO系统中，在基站端依据用户的信道状态信息来进行用户上行预编码矩阵码本选择选择时，记录每个用户使用的预编码矩阵序号，并将这一信息传递给资源调度模块。在资源调度模块中，基站调度器根据每个用户选择的预编码矩阵码本序号，禁止使用同一预编码矩阵的用户占用同一时频资源，这样就可以防止信道相关性较大的用户互为配对用户。

步骤二：如图1所示，基站为了检测移动台1发送的数据符号，对接收到的信号y左乘处理矩阵T₁，表示成：

取出1用户的配对用户即用户2的等效信道响应矩阵H₂ ⁽⁰⁾V₂ ⁽⁰⁾。因为在多用户MIMO中用户只能采用单层进行数据的发送，所以用户2的信道响应矩阵维数为4·1，对H₂ ⁽⁰⁾V₂ ⁽⁰⁾进行奇异值分解得到：

其中U₂是一个4·4维的矩阵，U₂的列向量是(H₂ ⁽⁰⁾V₂ ⁽⁰⁾)·(H₂ ⁽⁰⁾V₂ ⁽⁰⁾)^H的特征向量，U_2s是由(H₂ ⁽⁰⁾V₂ ⁽⁰⁾)·(H₂ ⁽⁰⁾V₂ ⁽⁰⁾)^H信号子空间组成，其中H₂ ⁽⁰⁾V₂ ⁽⁰⁾为4·1维矩阵，因此U_2s的维数为4·1，U_2n是由(H₂ ⁽⁰⁾V₂ ⁽⁰⁾)·(H₂ ⁽⁰⁾V₂ ⁽⁰⁾)^H零空间组成，相应的维数为4·3，这样就可以得到后处理矩阵

并满足

步骤三：取用户1的后处理矩阵相应的维数为3·4，假设变换矩阵其中t为4·1的向量，构造向量t_4a＝(t₁+t₂+t₃)/3，其中t_4a为T₁中3个行向量的相关向量，利用正交向量构造法构造向量t_4b为T₁中3个行向量的不相关向量。并取

组成新的后处理矩阵

满足

步骤四：将步骤三得到的后处理矩阵T′₁代入公式(2)得到：

这样配对用户间的多址干扰就可以得到消除，而利用后处理矩阵对接收信号进行处理则可以看成是将原有的信道进行信道变换，从而消除了配对用户的多址干扰。

图2和图3为本发明提供了装置结构示意图。本实施例的装置包括：用户资源调度限制模块11、后处理矩阵获取模块12和信道变换模块13。

该三个模块都布设在基站端，其中用户资源调度限制模块11是在基站端为用户选择相应的预编码矩阵序号时执行，用于存储调度用户选用的预编码矩阵序号，其中码本序号对应的预编码矩阵都是已经定义，终端与基站都是可以获知的。用户资源调度限制模块11向调度模块传递用户预编码码本信息，禁止选用相同码本序号的用户占用同一时频资源。

后处理矩阵获取模块12包括零空间获取单元121和后处理矩阵构造单元122。其中零空间获取单元121对配对用户的信道估计矩阵进行SVD分解，得到配对用户的零空间矩阵，其中信道估计矩阵是利用基站端对接收信号中各用户的专用导频进行信道估计而获得。后处理矩阵构造单元122基于步骤三中的原则对零空间矩阵进行构造得到相应的后处理矩阵。

信道变换模块13使用后处理矩阵对接收信号进行左乘处理进行信道变换，消除配对用户的多址干扰。

为突出本发明的效果，可以通过对以上实例的仿真进一步说明：

本实例的应用通信场景中小区数为19，每小区扇区数为3，站间距为1732米，每扇区平均10个用户，用户所属小区以及在小区中的位置都是随机生成，共有用户570个，用户到每个扇区之间的信道生成参照于ITU的技术规范文档M.2135。系统中心载频为800MHz，频带宽度为10MHz，业务类型为Full Buffer业务。在基站端通过比例公平算法和信道状况对所有用户进行资源分配以及自适应调制编码方式的选择，在接收端进行MMSE接收解调，并进行HARQ反馈确认数据是否正确传送。

仿真内容：分别采用无多址干扰消除算法、传统的多址干扰消除算法以及本发明提出的多址干扰消除算法进行仿真。

仿真结果：如图所示，不同算法操作下调度用户的有效信噪比、用户的平均频谱效率的CDF曲线比较，图4中可以得出传统的多址干扰消除算法能够在一定程度上提升解调信号的SINR值，但是本发明提出的构造变换矩阵和用户配对限制的多址干扰消除算法能进一步提升解调信号的SINR值，这样SINR值的提升就可以使得用户有更多的机会选择更高阶的调制编码方式，最后提升了用户的频谱效率，如图5所示。

下表为在这三种算法操作下扇区平均频谱效率和边缘频谱效率值。可以看出本文提出的应用于LTE-A上行多址MIMO系统的利用码本限制用户配对并构造变换矩阵消除配对用户多址干扰的算法在传统算法基础上能够提升10％的扇区平均频谱效率。

表1 不同算法操作下频谱效率的比较

最后应说明的是：以上实施例及其仿真仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于多输入多输出的蜂窝通信系统中，消除上行多用户多址干扰的方法，其过程如下：

A.在基站端依据用户的信道状态信息来进行用户上行预编码码本选择以及配对用户选择时，限制使用同一预编码矩阵的用户配对占用同一时频资源；

B.从终端反馈的信道状态信息中提取各个用户的等效信道响应矩阵HV，并对解调用户(用户1)的配对用户(用户2)即共信道干扰用户的等效信道响应矩阵H₂ ⁽⁰⁾V₂ ⁽⁰⁾进行SVD分解，得到：

其中V为用户预编码矩阵，X为用户数据向量，H为用户与基站间的信道响应矩阵；

C.取用户1的后处理矩阵

相应的维数为4·3，利用其向量信息构造一维向量得到一个4·4的后处理矩阵T′₁；

D.用后处理矩阵T′₁对接收信号进行处理，这样就可以消除上行共信道用户的多址干扰。

2.根据权利要求1所述的多址干扰消除的方法，其特征在于：所述步骤A中，在基站端根据由公共导频承载的用户信道状态信息进行用户上行预编码矩阵码本选择以及配对用户选择，其中预编码矩阵码本是在预定的预编码矩阵码本中进行选择，同时基站将选定的预编码矩阵的序号反馈给终端，用户终端就可以利用反馈信息获得的预编码矩阵进行预编码操作，并且从预定的预编码矩阵码本中选择预编码矩阵可以基于信道量化选择，即对信道矩阵进行奇异值分解，然后在码本中选择与该右奇异矩阵均方误差最小的矩阵作为选择使用的预编码矩阵/向量。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：在基站端根据用户信道状态信息选择用户预编码矩阵码本序号，同时基站为用户分配资源块时参考用户选择预编码矩阵的序号，禁止选择相同序号码本的用户占用同一时频资源，避免了信道相关性较强的用户互为配对用户，消除了对接收信号应用由配对用户的零空间矩阵得到的后处理矩阵T时降低解调用户有效信号的强度的可能。

4.根据权利要求1所述的多址干扰消除的方法，其特征在于：所述步骤B中，使用专用导频进行信道估计，获得配对用户的等效信道响应矩阵HV，并对等效信道矩阵进行SVD分解，得到其零空间矩阵，并作为初步的信号后处理矩阵。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：对等效信道矩阵进行SVD分解，其中U₂是一个4·4维的矩阵，U₂的列向量是(H₂ ⁽⁰⁾V₂ ⁽⁰⁾·(H₂ ⁽⁰⁾V₂ ⁽⁰⁾)^H的特征向量，U_2s是由(H₂ ⁽⁰⁾V₂ ⁽⁰⁾)·(H₂ ⁽⁰⁾V₂ ⁽⁰⁾)^H信号子空间组成，其中H₂ ⁽⁰⁾V₂ ⁽⁰⁾为4·1维矩阵，因此U_2s的维数为4·1，U_2n是由(H₂ ⁽⁰⁾V₂ ⁽⁰⁾)·(H₂ ⁽⁰⁾V₂ ⁽⁰⁾)^H零空间组成，相应的维数为4·3，这样就可以得到后处理矩阵

并满足

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：利用后处理矩阵对接收信号进行左乘处理则可以看成是将原有的信道进行信道变换，其中后处理矩阵如果是一个满秩的4·4矩阵，那么进行信道变换时就不会改变信道维度，能够将接收天线信息完整的保留，但是配对用户的等效信道矩阵H₂ ⁽⁰⁾V₂ ⁽⁰⁾只有三个不相关的正交矩阵，因此后处理矩阵T′₁若要完全消除配对用户的多址干扰，就只能是秩不大于3的4·4矩阵。而利用其三个不相关向量构造了以为具有一定相关性的向量，则可以在尽量减少配对用户干扰的同时尽可能的保留天线信息。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：在构造后处理矩阵T₁为方阵中，假设变换矩阵

其中t为4·1的向量，构造向量t_4a＝(t₁+t₂+t₃)/3，其中t_4a为T₁中3个行向量的相关向量，利用正交向量构造法构造向量t_4b为T₁中3个行向量的不相关向量，并取

组成新的后处理矩阵

满足

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：利用后处理矩阵T′₁对接收信号进行左乘处理，这样相当于对信号做了等效信道变换，如公式(1)所示：

其中H₂ ⁽⁰⁾V₂ ⁽⁰⁾X₂ ⁽⁰⁾代表本扇区的配对用户的共信道干扰即多址干扰，

代表来自于其他扇区的同频干扰，N⁽⁰⁾表示白噪声干扰，这样配对用户间的多址干扰就可以大为减少，而利用后处理矩阵对接收信号进行左乘处理则可以看成是将原有的信道进行信道变换，从而消除了配对用户的多址干扰。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：4·4的后处理矩阵T′₁在对接收信号进行处理时，如果解调用户的等效信道矩阵H₁ ⁽⁰⁾V₁ ⁽⁰⁾与其配对用户的等效信道矩阵H₂ ⁽⁰⁾V₂ ⁽⁰⁾相关性比较强，即H₁ ⁽⁰⁾V₁ ⁽⁰⁾与后处理矩阵T′₁向量的正交性比较强时，后处理矩阵T′₁在对接收信号进行处理时会显著的降低解调信号强度，因此有必要在基站端对用户进行资源调度和分配的时候，限制选用相同预编码码本序号即信道相关性较强的用户占用同一时频资源。

10.一种多用干扰消除的装置，其特征在于，包括：

用户资源调度限制模块：用于存储当前用户选用的码本序号，并据此向调度模块传递信息，禁止选用相同码本的用户占用同一时频资源；

后处理矩阵获取模块：用于对配对用户的信道估计矩阵进行SVD分解，得到相应的零空间矩阵，并构造相应后处理矩阵；

信道变换模块：使用后处理矩阵对接收信号进行左乘处理进行信道变换，消除配对用户的多址干扰。

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