CN102545984A - 一种多用户mimo系统的线性与非线性综合预编码方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种多用户MIMO系统的线性与非线性综合预编码方法及装置，方法步骤为：发射端获取各用户信道状态信息；根据每用户新型信漏噪比最优化准则进行线性预编码处理矩阵设计；对每用户等效信道进行几何均值分解，获取相应用户前馈处理矩阵；取前馈矩阵及线性预编码矩阵改造后等效信道矩阵的下三角部分做非线性预编码的反馈处理矩阵；发射端依次对信号进行加扰、调制等基本处理、非线性脏纸编码处理、前馈矩阵处理、线性预编码矩阵处理，再发送信号；应用本发明，实现线性预编码与非线性预编码的综合设计，消除已知干扰并压制未知干扰，克服了基于信漏噪比最优化准则的线性预编码中已知干扰未完全消除及各等效信道增益不均衡等两大缺点，提升了系统性能。

Description

一种多用户MIMO系统的线性与非线性综合预编码方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是一种多用户MIMO系统的线性与非线性综合预编码方法及装置。

背景技术

多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术能够充分利用空间多径传输，提供分集增益、复用增益及阵列增益等，大大提高了系统的可靠性及有效性，成为未来无线通信的一大关键技术。近年来，MIMO技术的研究已经从点对点的单用户MIMO系统扩展到了点对多点的多用户MIMO系统。在多用户MIMO系统中，由于在相同时频资源块传递多个用户信息，在提高频谱效率的同时不可避免的引入了用户间的共信道干扰。由于多用户MIMO系统受接收端成本、功耗、地理位置分散等条件限制，难以在接收端应用一些复杂的信号检测技术，一般采用发射端预编码消除共信道干扰。

针对多用户MIMO系统，已经有多种预编码方案被提出。线性块对角化预编码算法使得各用户的预编码矩阵位于其他用户信道矩阵的零空间上，以此来消除用户间的信号干扰，进而将多用户MIMO系统分解为多个平行单用户MIMO信道，但是此算法均要求发射端天线数大于等于接收端所有用户天线数之和，限制了用户数目，灵活性较差，且该算法未考虑噪声影响，在信噪比较低时性能较差。不同于块对角化预编码以优化信干噪比为目标的做法，基于信漏噪比最优化准则(maximizing the signal to leakage plus noise ratio，max-SLNR)的预编码算法以优化每用户信漏噪比为目的，它允许用户之间存在少量的干扰，简化了计算方法，对发射端和接收端的天线数也没有限制，但是该算法主要思路是压制干扰信号，而非消除干扰信号，使得泄露功率最小而非干扰最小，因此，用户间、数据流间不可避免的存在着大量干扰。此外，由于系统误码率取决于信道质量最差的等效子信道，而该算法并没有均衡化各数据流所经过子信道的等效信道增益，不可避免的会出现等效信道增益较小的子信道，以上两方面因素均使得该算法虽然大大降低了复杂度，但其误码率性能及容量性能较差，限制了它的进一步应用。

发明内容

本发明实施例提供一种多用户多输入多输出系统中线性与非线性综合预编码方法及装置，该装置简单而高效，适用于多用户MIMO下行链路信道，可以降低传输的误码率，并提高系统的整体性能。其主要解决基于信漏噪比最优化准则的线性预编码方式中各用户之间以及各数据流之间已知干扰未消除，以及各数据流传输子信道的等效信道增益不均衡而导致误码率较高的问题。本发明不同于已有MIMO预编码方法及装置，采用连续干扰消除的非线性预编码思想来压制已知干扰，采用基于信漏噪比最优化准则的线性预编码思想来压制未知干扰，尤其采用几何均值分解算法均衡每用户各数据流传输子信道的等效信道增益，降低系统总体误码率。

本发明实施例提供的一种多用户多输入多输出系统中线性与非线性综合预编码信号发射方法包括：

对上层协议栈接口获得的信号依次进行加扰及调制等基本操作；

利用从接收端反馈的信道状态信息中的信道增益矩阵以及本发明自定义的连续干扰消除后每用户新型信漏噪比值最大化准则进行线性预处理矩阵设计改造信道增益矩阵，并对改造后的每用户信道增益矩阵进行几何均值分解得到每用户三角化预处理的酉前馈矩阵，再利用最终等效信道矩阵的下三角矩阵作为反馈矩阵对调制后的信号进行非线性脏纸编码操作。

将经过非线性脏纸编码以及线性预编码处理后的信号发送到信道，经信道传输到各接收端。

本发明实施例提供的一种多用户多输入多输出系统中线性与非线性综合预编码接收方法包括：

多个独立相同接收端，即多个用户，分别对信道进行估计，并将信道状态信息反馈到发射端；

接收发射端发送的接收端处理矩阵；

接收发射端发送的信号，对该信号依次进行解预编码处理、判决、解调、去扰等逆基本处理操作。

本发明实施例提供的一种多用户多输入多输出系统中线性与非线性综合预编码信号发射装置，包括发射端、接收端以及反馈单元；

所述的发射端装置，包括：基本处理单元、非线性处理单元、前馈处理单元、线性预编码处理单元、发送单元，其中：

基本处理单元，用于对信号进行加扰及调制等基本处理操作；

非线性处理单元，用于对调制后的信号进行脏纸编码，对已知干扰进行连续干扰消除；

前馈处理单元，用于对非线性预编码后的信号进行酉矩阵相乘处理，酉矩阵从每用户等效信道矩阵的几何均值分解算法获得；

线性预编码处理单元，用于对从接收端反馈的信道增益矩阵进行线性预处理矩阵设计，获得每用户线性预处理矩阵，并进行相应处理；

发送单元，用于将经过线性预编码处理的信号以及各用户接收端处理矩阵发送到信道，经信道传输到接收端。

本发明实施例提供的一种多用户多输入多输出系统中线性与非线性综合预编码信号接收端装置，包括多个独立相同接收装置，即多个用户，分别包含：

接收单元，用于接收发射端发送预编码处理之后的信号；

解预编码单元，用于对接收单元接收的信号以及本用户接收端处理矩阵进行矩阵处理；

逆基本处理单元，用于对矩阵处理单元处理后的信号依次进行判决、解调、去扰等逆基本处理操作。

本发明实施例提供的一种多用户多输入多输出系统中线性与非线性综合预编码信号反馈单元，用于接收端向发射端反馈信道增益矩阵。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果是：

1.本发明实施例提供一种适用于多用户MIMO系统下行链路的可靠预编码方法与装置，适用场景较广。该预编码算法将线性预编码方法与非线性预编码方法相结合，同时具备非线性预编码低误码率及线性预编码低算法复杂度的优点；

2.本发明引入新的连续干扰消除优化后的每用户新型信漏噪比定义，以设计线性预编码部分压制未知干扰，同时忽略连续干扰消除的已知干扰；

3.本发明引入几何均值分解算法，均衡每用户各数据流传输子信道的等效信道增益，避免出现信道质量较差的等效子信道，降低系统误码率，提高系统整体性能。

附图说明

图1为本发明系统实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的发射装置的结构示意图；

图3为本发明实施例的接收装置的结构示意图；

图4为本发明方法的具体实施例的流程示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做详细说明：

本实施例应用于多用户MIMO下行链路系统，该系统包括1个基站(发射端)及K个用户(接收端)。基站端配备N_T根发射天线，且发送给用户i(1≤i≤K)的数据流数目为L_i，用户i配置N_ri根接收天线，基站发送给用户i的数据可表示为s_i，B表示非线性处理单元反馈矩阵，P表示前馈处理单元前馈矩阵，P_i表示用户i的前馈矩阵，W表示线性处理单元预处理矩阵，W_i表示用户i的预处理矩阵，发射端总功率限制为E_T。H表示系统信道增益矩阵，H_i表示用户i的信道增益矩阵。Q_i表示用户i的解预编码处理单元处理矩阵。

图1为本发明系统实施例的结构示意图。

参见图1所示，本发明实施例的装置包括发射端11、接收端12、反馈单元13。

发射端11，用于对发射信号进行一系列的加扰、调制等基本操作，以及非线性、线性信号预处理；

接收端12，用于对接收信号进行解预编码处理，以及判决、解调、去扰等逆基本处理操作。

反馈单元13，用于接收端向发射端反馈信道增益矩阵。其实现方式为：发射端向发送信号中插入导频信号，送入信道，接收端信道估计单元利用接收信号中提取的导频信息进行信道估计，并将估计出的信道增益矩阵周期性地反馈给发射端。

各单元详细作用及描述在下文中给出。

图2为本发明实施例的发射装置的结构示意图。

参见图2所示，本发明实施例发射装置包括：基本处理单元21、非线性处理单元22、前馈处理单元23、线性处理单元24、发送单元25。

基本处理单元21，用于对信号进行加扰和调制得到基站发送给各用户的数据，调制方式可包括QAM、4QAM、16QAM、64QAM、BPSK、QPSK等；

非线性处理单元22，运用脏纸编码定理实现各数据流间已知干扰的连续干扰消除，为实现简便，采用模代数非线性处理代替脏纸编码，并采用下三角反馈矩阵B进行连续干扰消除；

前馈处理单元23，采用前馈酉矩阵P对信号进行处理；

线性处理单元24，设计线性预处理矩阵W对信号进行处理。定义连续干扰消除优化后的用户i新型信漏噪比：

${\mathrm{SLNR}}_{i\_\mathrm{DPC}}=\frac{{\left|\right|H_i{W}_i\left|\right|}^2}{N_{\mathrm{ri}}{\mathrm{\σ}}_n^2+{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^{i-1}{\left|\right|H_k{W}_i\left|\right|}^2}---\left(1\right)$

式中

表示噪声方差。分别最大化每用户SLNR_{i_DPC}值即可得到用户i预处理矩阵W_i；

发送单元25，用于将编码后的信号做功率控制之后发送到信道，经信道传输到接收端。

图3为本发明实施例的接收装置的结构示意图。

参见图3所示，本发明实施例接收装置包括K个独立相同装置，分别包含：接收单元31、解预编码处理单元32、逆基本处理单元33。

接收单元31，接收发射端发送信号经信道传输后的信号，即用户i接收信号；

解预编码处理单元32，对用户i接收信号利用解预编码处理矩阵Q_i进行信号处理；

逆基本处理单元33，对用户i解预编码处理单元32处理后的信号进行判决、解调、去扰等逆基本处理操作，还原原始发送信号。

下面结合附图4对本发明具体实施步骤进行详细描述：

首先获得相关处理单元处理矩阵，为进行信号处理做好准备工作；

步骤401：基站(发射端)根据接收端信道估计反馈得到分别每用户信道增益矩阵H_i，进而得到系统整体信道增益矩阵H：

$H={\left[\begin{array}{ccccc}{H}_1^T& ...& H_i^T& ...& H_K^T\end{array}\right]}^T---\left(2\right)$

步骤402：定义：

${\stackrel{\‾}{H}}_i={\left[\begin{array}{cccc}{H}_1^T& H_2^T& ...& H_{i-1}^T\end{array}\right]}^T,2\≤i\≤K---\left(3\right)$

选取矩阵对广义特征分解后前L_i大特征值所对应的特征向量组合得到W_i(2≤i≤K)，可最大化式(1)。特殊的对于用户1，则选取矩阵的前L₁大特征值所对应的特征向量组成W₁。令发射端总线性处理单元24线性处理矩阵W＝[W₁...W_i...W_K]，用W左乘信道增益矩阵H，由于W的设计，使得||H_iW_j||≈0，1≤i≤K-1，i+1≤j≤K，即：

式中0～表示Frobenius范数趋近于0的矩阵。

步骤403：对K个用户的等效信道增益矩阵H_iW_i(1≤i≤K)，分别进行几何均值分解(Geometric Mean Decomposition，GMD)，分别得到用户i前馈处理单元23前馈矩阵P_i和接收端解预编码处理单元32处理矩阵Q_i，即：

$H_i{W}_i=Q_i{R}_i{P}_i^H---\left(5\right)$

令

步骤404：由式(4)～(7)，可得：

取R的下三角部分作为非线性处理单元22反馈矩阵B，即：

B＝L_{取下三角操作}(R)。                                (9)

根据已获得相关处理单元处理矩阵，按照本发明实施例结构示意图进行信号处理；

步骤405：基站获取来自上层协议栈接口的信号。

步骤406：基站对信号进行加扰、调制等基本操作，加扰用以实现干扰随机化，调制用以实现比特数据符号化。

步骤407：利用步骤404获得的反馈矩阵B进行模代数非线性信号处理。

步骤408：利用步骤403得到的前馈矩阵P及步骤402得到的线性处理矩阵W对步骤407得到的信号进行线性矩阵相乘处理。

步骤409：基站控制发射信号功率，并用多根发射天线发射信号至信道，经信道传输到接收端。

步骤410：K个独立用户接收端通过天线接收基站发射的信号。

步骤411：每用户根据接收到的发射导频信号，进行信道估计，并将本用户估计信道增益矩阵反馈给发射端(基站)。

步骤412：利用步骤403得到的接收端解预编码处理矩阵Q_i进行解预编码处理。

步骤413：对解预编码操作后的信号，进行判决、去扰、解调等基本操作。

通过以上技术方案可知，本发明提出的多用户MIMO系统的线性与非线性综合预编码方法及装置，将连续干扰消除的非线性操作同基于每用户信漏噪比最优化准则的线性预编码操作相结合，在消除已知干扰的同时，压制了未知干扰，并通过对每用户等效信道增益矩阵进行几何均值分解，使得每用户各数据流传输子信道的等效信道增益保持一致，均衡了各等效子信道性能，避免了最差等效子信道的出现。因此，本发明大大提高了传统线性预编码方法的系统性能，克服了基于信漏噪比最优化准则的线性预编码中已知干扰未完全消除以及各等效信道增益不均衡等两大缺点，降低了系统误码率，并且满足发射端功率限制以及用户间公平性的需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多用户MIMO系统的线性与非线性综合预编码方法，其特征在于，包括以下步骤：

基站对来自上层的信号依次进行加扰、调制操作；

基站获得信道状态信息，利用脏纸编码思想及基于新型信漏噪比最大化准则预编码算法进行处理矩阵设计，对每用户等效信道矩阵利用矩阵分解，进行预编码操作；

将经过预编码处理的信号发送到无线信道，经信道传输给接收端；

接收端对收到的信号进行解预编码、判决、解调、去扰操作。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对发送信号利用脏纸编码思想及基于新型信漏噪比最大化准则预编码算法进行预编码操作，包括：

基站利用上行反馈链路获得信道状态信息H_i(1≤i≤K)；

利用脏纸编码思想，预先消除掉各用户间、各数据流间已知干扰；

利用基于新型信漏噪比最大化准则预编码算法进行线性处理，以压制脏纸编码未能消除干扰的用户的泄露功率，即压制对该用户的未知干扰。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用新型信漏噪比，该新型信漏噪比定义为：

并选取矩阵对 

广义特征分解后前L_i大特征值所对应的特征向量组合得到W_i(2≤i≤K)，可最大化式(1)，式中K表示系统用户数目，N_ri表示用户i接收天线数目，

2≤i≤K， 

表示噪声方差，E_T表示发射端总功率；对于用户1，则选取矩阵 

的前L₁大特征值所对应的特征向量组成W₁。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对每用户等效信道矩阵利 用矩阵分解，该每用户等效信道矩阵指H_iW_i(1≤i≤K)，该矩阵分解方法指几何平均分解，即：

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用脏纸编码思想，该脏纸编码思想指，利用下三角矩阵B进行模代数非线性处理，下三角矩阵B由式(3)和式(4)获得：

B＝L_{取下三角操作}(R)                             (4)

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射端获得信道状态信息，包括如下步骤：

基站(发射端)发送下行导频信息；

用户终端利用下行导频信息进行信道估计；

各用户分别反馈自己的信道状态信息给基站端；

基站端接收各用户信道信息，并组合得到整个信道信息。

7.一种多用户MIMO系统的线性与非线性综合预编码装置，其特征在于，该装置包括：发射端、接收端以及反馈单元；发射端发送导频信息，接收端利用导频信息进行信道估计，再把信道状态信息反馈给发射端，发射端重构信道状态信息并进行预编码，形成待发送的信号；

发送端装置包括：基本处理单元、预编码单元(包括非线性处理单元、前馈处理单元、线性处理单元)及发送单元；发射端首先进行加扰、调制等基本操作，然后利用信道状态信息，结合脏纸编码思想消除掉已知用户干扰，再利 用前馈处理单元对信号进行酉矩阵相乘处理，最后利用基于新型信漏噪比最大化准则预编码方案抑制对其他用户的泄露功率，即压制未知用户干扰，最后利用发送单元发送信号到无线信道传输；

接收端装置包括：接收单元、解预编码处理单元、逆基本处理单元；接收端接收到信号后，先消除预编码操作的影响，再对信号进行判决、解调、去扰操作，即可恢复原始发送数据。 

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