CN102158270A - 一种多用户mimo系统的子信道选择和发送预编码方法 - Google Patents

一种多用户mimo系统的子信道选择和发送预编码方法 Download PDF

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CN102158270A CN2011100782537A CN201110078253A CN102158270A CN 102158270 A CN102158270 A CN 102158270A CN 2011100782537 A CN2011100782537 A CN 2011100782537A CN 201110078253 A CN201110078253 A CN 201110078253A CN 102158270 A CN102158270 A CN 102158270A
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Abstract

本发明提供了一种多用户系统中的子信道选择和发送预编码方法，包括：基站端获得系统各用户的信道信息；并确定在考虑系统中用户间干扰和噪声情况下各用户的合成信道，并对各用户的合成信道做SVD分解，得到系统各用户的子信道选择矩阵；将获得的系统各用户的子信道选择矩阵与信道矩阵相乘，获得系统各用户的等效信道信息；依据系统各用户的等效信道信息，获取系统各用户的预编码矩阵。通过本发明，能够大大提升系统的性能。

Description

一种多用户MIMO系统的子信道选择和发送预编码方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种多用户MIMO系统的子信道选择和发送预编码方法。
背景技术
多入多出(MIMO)技术是无线移动通信领域技术的重大突破。MIMO技术是指数据的发送和接收都采用了多根天线。研究表明，利用MIMO技术可以提高无线通信系统的容量。随着多天线技术研究的深入，MIMO技术已从点对点的单用户MIMO技术扩展到了点对多点的多用户MIMO系统(MU-MIMO：Multiple User MIMO)。MU-MIMO技术中，多天线分集增益可以有效降低系统误码率，多天线复用增益使多用户系统容量容量区域扩大。MU-MIMO通常采用发送端预编码技术，利用空分多址(SDMA：Spatial Division Multiple Access)技术在相同时间、频率资源上传送多个用户的信息。
MU-MIMO系统中，基站同时向多个用户终端发送各自的数据，多个用户共享同一时频资源，系统中必然存在用户间的共道干扰(CCI：Co-Channel Interference)，因此MU-MIMO预编码系统不仅要获取较大的预编码增益，还需有效降低用户间的干扰。信道块对角化(Block Diagonolization：BD)预编码技术，便是用来解决用户间干扰问题，在基站端采用BD预编码技术，可以完全消除用户间的干扰，但是此技术受限于系统的天线配置，即必须满足于发送端的天线数大于等于所有用户的接收天线数之和，而且，BD技术只是消除了用户间的干扰，并不能保证用户的预编码增益，进而不一定提高系统的容量。针对信道块对角化(BD)技术受限于其需满足发送端的天线数不小于终端用户的接收天线数之和这一系统天线配置问题，有人提出了协同BD技术，此技术的实质是：基于子信道选择的BD预编码技术。
具体地，协同BD技术的算法流程如下：
对各用户的信道Hj实施SVD分解
Figure BSA00000462804100021
获得子信道选择矩阵Uj；将系统各用户的子信道选择矩阵Uj的共轭转置与信道信息Hj相乘，获得各用户的等效信道基于各用户的等效信道
Figure BSA00000462804100024
实施BD预编码技术，获得各用户的预编码矩阵wj。
从以上流程中可以看到，协同BD算法在获取子信道选择矩阵时，以各用户为个体，是对各用户自己的信道信息Hj实施SVD操作获得子信道选择矩阵，并未考虑到用户间的干扰，因而其为各用户选择的子信道为具有最大信噪比(SNR)的子信道，因而，依据所选出的子信道，实施预编码技术所获得的预编码矩阵并不能获得很好的系统性能；进一步地，协同BD技术在获得等效信道后，采用的是BD预编码技术，众所周知，BD技术能完全消除用户间的干扰，但其并未考虑噪声的影响，因而其系统性能较差。
发明内容
本发明提供了一种多用户MIMO系统的子信道选择和发送预编码方法，能够提高系统性能。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种多用户MIMO系统的子信道选择和发送预编码方法，包括：
根据获取的所述系统各用户的信道信息Hj，确定在考虑系统中用户间干扰和噪声情况下所述各用户的合成信道Hj，co，j＝1，…，K，K为所述系统的用户数；
对各用户的合成信道Hj，co进行奇异值分解，得到各用户的子信道选择矩阵Uj；
将系统各用户的子信道选择矩阵Uj的共轭转置
Figure BSA00000462804100025
与信道信息Hj相乘，获得各用户的等效信道
依据各用户的等效信道获取系统各用户的预编码矩阵wj，并利用各用户的预编码矩阵构造系统的预编码矩阵为w＝[w1，…，wK]；
利用系统的预编码矩阵进行预编码处理。
较佳地，所述确定在考虑系统中用户间干扰和噪声情况下所述各用户的合成信道Hj，co包括：
根据最小均方误差准则，获取系统各用户信道信息Hj的补信道
Figure BSA00000462804100031
的零空间矩阵
Figure BSA00000462804100032
将系统各用户Hj的补信道
Figure BSA00000462804100033
的零空间矩阵
Figure BSA00000462804100034
与信道信息Hj相乘，获得各用户j的合成信道Hj，co。
较佳地，所述获取系统各用户Hj的补信道
Figure BSA00000462804100035
的零空间矩阵
Figure BSA00000462804100036
包括：
根据所述系统各用户的信道信息Hj(j＝1，…，K)，确定系统的信道信息
Figure BSA00000462804100037
以及所述各用户的补信道
依据最小均方误差准则
Figure BSA00000462804100039
对系统信道信息H进行处理，得到矩阵其中为系统的噪声系数，I为一单位矩阵；
根据H′确定系统所述各用户的矩阵H′j＝H′(:，k:m)，其中，H′(:，k:m)表示从矩阵H′中选出其第列至第
Figure BSA000004628041000313
列，
Figure BSA000004628041000314
(j＝1，…，K)表示系统各用户的接收天线数；
对系统所述各用户的H′j进行正交化处理，得到Hj的补信道
Figure BSA000004628041000315
的零空间矩阵
Figure BSA000004628041000316
较佳地，所述对各用户的合成信道进行奇异值分解得到各用户的子信道选择矩阵Uj包括：
对Hj，co按照奇异值分解公式
Figure BSA000004628041000317
进行奇异值分解，其中U″j为左酉矩阵，Λj为对角矩阵，vj为右酉矩阵；依据所获得的系统各用户的左酉矩阵U″j，获得系统各用户的子信道选择矩阵Uj＝U″j(:，1:nj)，其中nj表示用户j所传输的流数。
较佳地，所述依据各用户的等效信道
Figure BSA000004628041000318
获取系统各用户的预编码矩阵wj包括：
确定系统所述各用户等效信道的补信道
Figure BSA000004628041000320
的零空间矩阵
Figure BSA000004628041000321
将系统各用户
Figure BSA00000462804100041
的补信道
Figure BSA00000462804100042
的零空间矩阵
Figure BSA00000462804100043
与信道信息Hj相乘，得到各用户j的修正合成信道
Figure BSA00000462804100044
依据最大化系统各用户的SLNR准则，确定系统所述各用户的优化矩阵
Figure BSA00000462804100045
其中，σ2为系统的噪声功率；
将各用户等效信道的补信道的零空间矩阵
Figure BSA00000462804100047
与优化矩阵Tj相乘，获得系统各用户的预编码矩阵
Figure BSA00000462804100048
由上述技术方案可见，本发明中，基站端获得系统各用户的信道信息；并确定在考虑系统中用户间干扰和噪声情况下各用户的合成信道，并对各用户的合成信道做SVD分解，得到系统各用户的子信道选择矩阵；将获得的系统各用户的子信道选择矩阵与信道矩阵相乘，获得系统各用户的等效信道信息；依据系统各用户的等效信道信息，并依据最大化系统各用户信号泄露噪声比(SLNR)原则，获取系统各用户的预编码矩阵。因为用于进行SVD分解的信道是考虑了用户间干扰和噪声的合成信道，所以获得的系统各用户的子信道选择矩阵是具有最大信干噪比(SINR)的子信道；进一步地，预编码矩阵的获取是依据最大化SLNR原则，因而其会提升各用户的信干噪比，故可大大提升系统的性能。
附图说明
图1为本发明中子信道选择和预编码方法的基本流程示意图；
图2为本发明实施例一的子信道选择和预编码方法的流程示意图；
图3为本发明实施例二的子信道选择和预编码方法的流程示意图；
图4为本发明方法与协同BD技术的性能比较示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术手段和优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明的基本思想是：以最大化SINR为准则进行子信道选择，因此其选择出的子信道是考虑了用户间干扰和噪声的，相对于协同BD技术能够大大提升系统性能；进一步地，以最大化SLNR为准则进行预编码，能够进一步提升系统性能。
图1为本发明中子信道选择和预编码方法的基本流程图。如图1所示，该方法包括：
步骤101，获取多用户系统中各用户的信道信息Hj。
其中，j＝1，…，K，K为所述系统的用户数。具体获取用户信道信息的方式可以采用现有方式。
步骤102，根据各用户的信道信息Hj，确定在考虑系统中用户间干扰和噪声情况下各用户的合成信道Hj，co。
本步骤中的合成信道，是对于任一用户而言，在考虑对系统中其他用户的干扰以及系统噪声前提下，该任一用户的信道特性。
步骤103，对各用户的合成信道Hj，co进行奇异值分解，得到各用户的子信道选择矩阵Uj。
本步骤中，是利用用户的合成信道进行奇异值分解以获得子信道选择矩阵的，因此该选择出的子信道是SLNR最大的子信道，利用该子信道进行预编码，能够大大提高系统性能。
步骤104，将系统各用户的子信道选择矩阵Uj的共轭转置与信道信息Hj相乘，获得各用户的等效信道
Figure BSA00000462804100052
步骤105，依据各用户的等效信道
Figure BSA00000462804100053
获取系统各用户的预编码矩阵wj，并利用各用户的预编码矩阵构造系统的预编码矩阵为w＝[w1，…，wK]。
本步骤的处理中，可以采用现有获取各用户预编码矩阵的方式。但是，为进一步提高系统整体性能，优选地，可以以最大化SLNR为准则，获取各用户的预编码矩阵，以该方式获取的预编码矩阵再构造出系统预编码矩阵，能够提升用户的信干噪比，从而进一步提升系统性能。
步骤106，利用步骤105构造的系统预编码矩阵对发送数据进行预编码处理。
本步骤的处理与现有技术相同。
至此，本发明的子信道选择和预编码方法流程结束。通过上述方法可以看出，本发明中利用考虑了用户间干扰和系统噪声的合成信道确定子信道选择矩阵，从而使选择出的子信道为具有最大SINR的子信道，以提高系统整体性能。
下面将结合附图以及具体实施例分别对基于本发明的子信道选择和预编码方法，利用反馈获得信道信息的FDD MU-MIMO系统以及利用上下行导频信息获得信道信息的TDD MU-MIMO系统进行详细说明。
本发明的两个实施例均应用于多用户MIMO预编码系统，如图2和图3所示，多用户MIMO系统包含1个基站和K个用户(用户1，用户2，...，用户K)，基站有M根发射天线，用户j有
Figure BSA00000462804100061
根接收天线，且用户j的码流数为nj。在下面的实施例中，wj为用户j的预编码矩阵，Gj为用户j的译码矩阵，xj为要发送给用户j的数据，yj为用户j的接收数据，zj为用户j译码后的数据。
实施例一
图2所示为本发明实施例一的系统模型图，本实施例中，发送端利用反馈获得信道信息，具体方法流程包括：
步骤201，发送端接收由接收端反馈的系统各用户的信道信息Hj(j＝1，…，K)。
接下来，确定考虑用户间干扰和噪声情况下各用户的合成信道。本实施例通过步骤202-203给出一种具体的实现方式，当然，也可以采用其他方式来实现。确定各用户的合成信道。
步骤202，根据最小均方误差准则，获取系统各用户信道信息Hj的补信道
Figure BSA00000462804100062
的零空间矩阵
Figure BSA00000462804100063
具体地，获取零空间矩阵
Figure BSA00000462804100064
的具体方式为：
发送端依据系统中各用户的信道信息Hj(j＝1，…，K)，获得系统的信道信息为
Figure BSA00000462804100071
和各用户的补信道
Figure BSA00000462804100072
依据最小均方误差准则
Figure BSA00000462804100073
对系统信道信息H进行处理，得到矩阵其中
Figure BSA00000462804100075
为系统的噪声系数，I为一单位矩阵；
依据H′，获取矩阵H′j＝H′(:，k:m)，其中，H′(:，k:m)表示从矩阵H′中选出其第
Figure BSA00000462804100076
列至第
Figure BSA00000462804100077
列；
对系统各用户的H′j正交化，获得矩阵
Figure BSA00000462804100078
根据矩阵逆的属性，可得
Figure BSA00000462804100079
即为Hj的补信道
Figure BSA000004628041000710
的零空间矩阵。
通过上述方式，能够获得有效地零空间，其考虑到用户间干扰和噪声，因而其能有效地降低用户间干扰和噪声。
步骤203，发送端将各用户的信道信息Hj与其补信道的零空间矩阵
Figure BSA000004628041000711
相乘，得到各用户的合成信道Hj，co。
步骤204，发送端对Hj，co实施奇异值分解操作
Figure BSA000004628041000712
以获得系统各用户的子信道选择矩阵Uj＝U″j(:，1:nj)。
在前述步骤有效降低用户间干扰和噪声的基础上，本步骤获取自身增益的提升；从而基于步骤102-104，获得的子信道选择矩阵，能选出具有最大信干噪比的子信道。
步骤205，将系统各用户的子信道选择矩阵Uj的共轭转置
Figure BSA000004628041000713
与信道信息Hj相乘，获得各用户的等效信道
Figure BSA000004628041000714
步骤206，发送端依据各用户的等效信道
Figure BSA000004628041000715
获取系统各用户的预编码矩阵wj，再构造系统的预编码矩阵。
如前所述，本步骤中，可以按照现有方式确定各用户的预编码矩阵，同时，为进一步提高系统性能，优选地，可以以最大化SLNR为准则确定各用户的预编码矩阵wj。具体地，以最大化SLNR为准确确定预编码矩阵的步骤包括：
A、获得系统各用户等效信道
Figure BSA000004628041000716
的补信道
Figure BSA000004628041000717
的零空间矩阵
Figure BSA000004628041000718
具体可以采用步骤202的方式；
B、根据步骤A得到的零空间矩阵
Figure BSA00000462804100081
获得各用户j的修正合成信道
Figure BSA00000462804100082
具体可以采用步骤203的方式；
C、依据最大化系统各用户SLNR准则的表达式
Figure BSA00000462804100083
获取系统各用户的优化矩阵Tj，其中σ2为系统的噪声功率；
D、将各用户等效信道
Figure BSA00000462804100084
的补信道的零空间矩阵与优化矩阵Tj相乘，获得系统各用户的预编码矩阵
Figure BSA00000462804100086
上述即为基于SLNR准则获取预编码矩阵的方式；与BD算法不同的是，其将噪声和用户间干扰对系统的影响有效地纳入预编码矩阵的生成过程中，由于不仅考虑了用户间干扰，进一步考虑了系统噪声，因此该预编码矩阵能够进一步提高系统性能。
步骤207，发送端同时对发送给各用户的数据以及导频1做预编码，即将系统各用户的预编码矩阵wj与数据xj及导频1同时相乘；并发送信号及导频1，未预编码的导频2；
步骤208，接收端各用户分别利用自己的天线接收数据yj，并利用预编码的导频1进行信道估计，获得各自的Hdec，j(j＝1，…，K)，利用Hdec，j(j＝1，…，K)并采用ZF准则对接收数据yj进行译码，获得zj；利用未编码的导频2进行信道估计，获得用于反馈的信道Hj(j＝1，…，K)。
步骤207-208的处理与现有技术相同。
至此，本实施例中的方法流程结束。
实施例二：
图3为本发明实施例二的系统模型图，本实施例中，发送端利用上行导频信道估计获取信道信息，具体方法流程包括：
步骤301，发送端根据TDD信道互惠性，利用上行导频进行信道估计，获得系统各用户的信道信息Hj(j＝1，…，K)；
步骤302，根据最小均方误差准则，获取系统各用户信道信息Hj的补信道
Figure BSA00000462804100091
的零空间矩阵
步骤303，发送端将各用户的信道信息Hj与其补信道的零空间矩阵
Figure BSA00000462804100093
相乘，得到各用户的合成信道Hj，co。
步骤304，发送端对Hj，co实施奇异值分解操作
Figure BSA00000462804100094
以获得系统各用户的子信道选择矩阵Uj＝U″j(:，1:nj)。
步骤305，将系统各用户的子信道选择矩阵Uj的共轭转置
Figure BSA00000462804100095
与信道信息Hj相乘，获得各用户的等效信道
Figure BSA00000462804100096
步骤306，发送端依据各用户的等效信道获取系统各用户的预编码矩阵wj，再构造系统的预编码矩阵。
上述步骤302-306的处理与实施例一中步骤202-206的处理相同，这里就不再赘述。
步骤307，利用步骤306确定的系统预编码矩阵，对发送给各用户的数据以及导频进行预编码处理，即将系统各用户的预编码矩阵wj与数据xj及导频同时相乘；并发送信号；
步骤308，接收端各用户分别利用自己的天线接收数据yj，并利用预编码的导频进行信道估计，获得各自的Hequ，j(j＝1，…，K)，利用Hequ，j(j＝1，…，K)并采用ZF准则对接收数据yj进行译码，获得zj；发送上行导频信息。
至此，本实施例的方法流程结束。
由上述本发明的具体实施例可以看出，本发明提出的一种多用户MIMO系统的子信道选择和预编码方法，能有效地提升系统的性能，对于任何天线配置的系统均适用。在子信道选择时，依据最小系统均方误差准则H为系统信道，获得最小均方误差矩阵，在此基础上，获得子信道选择矩阵，用此子信道选择矩阵，可选得信干噪比最大的子信道；优选地，在获取预编码矩阵时，依据最大化系统各用户的SLNR准则表达式
Figure BSA00000462804100101
获得系统的预编码矩阵。由于本发明的方法在选择子信道时考虑了用户间干扰和噪声的影响，因此根据本发明的方法获得的预编码矩阵，与传统的协同BD算法获得的预编码矩阵相比，会进一步提升系统的性能。
下面将给出本发明的子信道选择和预编码方案与现有的其它预编码方案的比较，以使本发明的优势及特征更加明显。
如图4所示，系统有4个用户，每个用户有2根接收天线，基站端有4根发送天线，在不同的信噪比条件下，基于本发明的多用户预编码系统与基于协同BD的多用户预编码系统的平均信道容量仿真比较图。其中，本发明的预编码系统利用最大化SLNR的方式进行预编码矩阵选择。由图4可以看出，本发明的基于最大化信噪比的子信道选择方案和基于最大化信号泄露噪声比(SLNR)的预编码方案，能很好的改善系统的信噪比，从而提高系统的平均信道容量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种多用户MIMO系统的子信道选择和发送预编码方法，其特征在于，该方法包括：
根据获取的所述系统各用户的信道信息Hj，确定在考虑系统中用户间干扰和噪声情况下所述各用户的合成信道Hj，co，j＝1，…，K，K为所述系统的用户数；
对各用户的合成信道Hj，co进行奇异值分解，得到各用户的子信道选择矩阵Uj；
将系统各用户的子信道选择矩阵Uj的共轭转置
Figure FSA00000462804000011
与信道信息Hj相乘，获得各用户的等效信道
依据各用户的等效信道获取系统各用户的预编码矩阵wj，并利用各用户的预编码矩阵构造系统的预编码矩阵为w＝[w1，…，WK]；
利用系统的预编码矩阵进行预编码处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定在考虑系统中用户间干扰和噪声情况下所述各用户的合成信道Hj，co包括：
根据最小均方误差准则，获取系统各用户信道信息Hj的补信道
Figure FSA00000462804000014
的零空间矩阵
Figure FSA00000462804000015
将系统各用户Hj的补信道
Figure FSA00000462804000016
的零空间矩阵
Figure FSA00000462804000017
与信道信息Hj相乘，获得各用户j的合成信道Hj，co。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取系统各用户Hj的补信道
Figure FSA00000462804000018
的零空间矩阵
Figure FSA00000462804000019
包括：
根据所述系统各用户的信道信息Hj(j＝1，…，K)，确定系统的信道信息
Figure FSA000004628040000110
以及所述各用户的补信道
Figure FSA000004628040000111
依据最小均方误差准则
Figure FSA000004628040000112
对系统信道信息H进行处理，得到矩阵
Figure FSA000004628040000113
其中
Figure FSA000004628040000114
为系统的噪声系数，I为一单位矩阵；
根据H′确定系统所述各用户的矩阵H′j＝H′(:，k:m)，其中，H′(:，k:m)表示从矩阵H′中选出其第
Figure FSA00000462804000021
列至第
Figure FSA00000462804000022
列，(j＝1，…，K)表示系统各用户的接收天线数；
对系统所述各用户的H′j进行正交化处理，得到Hj的补信道
Figure FSA00000462804000024
的零空间矩阵
Figure FSA00000462804000025
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对各用户的合成信道进行奇异值分解得到各用户的子信道选择矩阵Uj包括：
对Hj，co按照奇异值分解公式进行奇异值分解，其中U″j为左酉矩阵，Λj为对角矩阵，vj为右酉矩阵；依据所获得的系统各用户的左酉矩阵U″j，获得系统各用户的子信道选择矩阵Uj＝U″j(:，1:nj)，其中nj表示用户j所传输的流数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据各用户的等效信道
Figure FSA00000462804000027
获取系统各用户的预编码矩阵wj包括：
确定系统所述各用户等效信道的补信道
Figure FSA00000462804000029
的零空间矩阵
将系统各用户
Figure FSA000004628040000211
的补信道
Figure FSA000004628040000212
的零空间矩阵
Figure FSA000004628040000213
与信道信息Hj相乘，得到各用户j的修正合成信道
依据最大化系统各用户的SLNR准则，确定系统所述各用户的优化矩阵
Figure FSA000004628040000215
其中，σ2为系统的噪声功率；
将各用户等效信道的补信道的零空间矩阵
Figure FSA000004628040000217
与优化矩阵Tj相乘，获得系统各用户的预编码矩阵
Figure FSA000004628040000218
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