CN102647259A - 基于奇异值分解的多用户mimo系统上行链路传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于奇异值分解的多用户MIMO系统上行链路传输方法。主要解决现有技术因迫零后处理矩阵引起的噪声功率增强问题,实现过程为:将用户发送的信息符号表示为一个列向量,构建功率调整矩阵;对信道矩阵进行奇异值分解构建预处理矩阵;对信息符号向量进行功率归一化和预处理;用户将信号发给基站,基站对接收信号的传输矩阵进行格归约变换,得到近似正交的矩阵;利用近似正交的矩阵根据迫零检测方法构建后处理矩阵,以对接收信号进行后处理;将后处理后的信号的信息符号的实部和虚部转化成连续的整数后,对信号进行量化取整操作得到信息符号的判决向量,经判决后将得到的估计值输出。本发明具有能有效消除噪声功率增强效果的优点。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域,涉及多用户MIMO系统中上行链路数据的传输,具体地说是一种基于奇异值分解的格规约辅助的多用户MIMO系统上行链路传输方法。
背景技术
为了满足未来无线通信的高传输速率,高可靠性和高系统业务容量的要求,无线传输系统的终端和基站都将需装配多个天线,从而构成多输入多输出的MIMO系统,MIMO系统提供了复用、分集等增益,极大的提高了系统的传输速率与可靠性。当前,单用户MIMO系统已经获得了大量的研究成果,其能够在不增加带宽的情况下,成倍地提升用户传输的信息速率,提高了频谱利用率。然而,对于多用户MIMO系统,因为同时存在多用户干扰以及每个用户自身天线内部的干扰,使传输方案的设计复杂了很多。
在用户的发射端,利用预处理技术可以有效的消除自身天线的干扰,在基站的接收端,使用后处理技术能够有效消除多用户干扰,所以在多用户MIMO上行链路传输系统中,预处理和后处理成为两个有效消除干扰的关键技术,大大降低了系统传输设计的复杂度。
图1展示了一种典型的具有预处理和后处理功能的多用户MIMO系统的上行链路传输架构。由图1可知,该系统由一个基站和多个用户构成。其中,基站和每个用户都装配有多根天线,构成了多用户MIMO系统。在传输过程中,每个用户的数据首先通过一个预处理模块,然后通过配置的多根天线将数据发送给基站,基站端将收到所有用户发送的信号,由于这些信号是叠加在一起的,因而基站端就要采取合适的后处理方法分离出每个用户发送的信号,从而正确地获得每个用户发送的信息。
近年来,一种基于奇异值分解的上行链路多数据流传输成为研究的热点。文献“SVD-Assisted Multiuser Transmitter and Multiuser Detector Design for MIMOSystems”给出了一种基于奇异值分解的多用户MIMO系统的传输方法,它能够有效利用预处理和后处理技术,用户根据信道信息对信道矩阵进行奇异值分解,然后对发射信号进行预处理,以完全消除自身天线的干扰。基站则对接收到的用户信号进行迫零后处理,从而完全消除多用户干扰。同时这种方法还可以支持根据子信道特征值的大小采用不同的调制方式,对于特征值较大的子信道采用高阶调制,特征值较小的子信道采用低阶调制。但是,在基站的接收端,由于受到迫零后处理矩阵的影响,会导致噪声功率增强,降低了系统的传输性能。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有传输方法的不足,提供了一种多用户MIMO系统基于奇异值分解的格规约辅助的上行链路传输方法,以有效消除传统迫零后处理矩阵引起的噪声功率增强的影响,提高系统的传输性能。
实现本发明的技术思路是:在多用户MIMO系统的上行链路传输中,使用基于奇异值分解的格规约辅助的迫零后处理技术,对传统迫零后处理矩阵产生的噪声功率进行消除,其具体实现步骤包括如下:
(1)将第j个用户发送给基站的信息符号表示为一个列向量:
式中,xji为第j个用户发送给基站的第i个数据流,1≤i≤nj,nj为用户发送的数据流个数,nj≤Nj,Nj为第j个用户配置的天线数,1≤j≤K,K为系统的用户数,[·]T表示矩阵转置;
(2)构建第j个用户发送给基站的信息符号列向量xj的数据流发射功率归一化的功率调整矩阵βj:
式中,βji是使得第j个用户发送给基站的第i个数据流xji的发射功率归一化的功率调整系数,1≤j≤K,1≤i≤nj,diag[…]表示对角矩阵;
(3)对第j个用户与基站之间的信道矩阵Hj进行奇异值分解:
(4)根据右奇异值向量构建第j个用户发送的信息符号列向量xj的预处理矩阵Qj,消除用户发射机的nj根天线所发送数据流之间的干扰:
(5)用上述的功率调整矩阵βj和预处理矩阵Qj,对信息符号列向量xj进行功率归一化和预处理,得到第j个用户发送给基站的信号dj,通过用户端的nj根天线将信号dj发射出去,1≤j≤K;
(6)基站接收端通过天线接收到K个用户发送的信号为:
β=diag[β1,β2,…,βK],为所有用户数据流的功率归一化系数构成的对角距阵,
n是均值为0、协方差矩阵是σ2IM的M维高斯白噪声向量,σ2为高斯白噪声的协方差,IM为M×M维的单位矩阵;
(7)对基站接收到的信号y中的传输矩阵UsΛ1/2β进行格归约变换,即:
(10)利用后处理矩阵T对基站接收的信号y进行后处理,以消除多用户干扰,即用后处理矩阵T左乘以基站接收的信号y,得到后处理后的接收信号为:
式中,向量s=[s1,s2,…,sK]T称为转化向量,它由K个用户的转化向量构成,为第j个用户的转化向量,sji是使得第j个用户第i个数据流的实部和虚部转化成连续整数的数值,对于M-QAM调制sji=(1+j),对于BPSK调制,sji=1,1≤j≤K,1≤i≤nj;
本发明与现有技术相比,具有如下优点:
1)本发明通过利用基于奇异值分解的格规约辅助的迫零后处理技术构建后处理矩阵T,此时,得到的后处理矩阵T近似正交,而传统的迫零后处理矩阵T不是正交的,这是引起噪声功率增强的原因。所以,本发明的基于奇异值分解的格规约辅助的迫零后处理矩阵能够有效消除由于传统后处理矩阵产生的噪声功率增强效应,提高了系统的传输性能。
2)本发明在进行格规约变换时,将功率调整矩阵β考虑在内,通过改变β中不同数据流对应的归一化功率调整系数,使得不同的数据流可以根据特征值的大小采用不同的调制方式,从而克服了传统的格规约辅助的MIMO上行链路传输方法中不同数据流只能使用相同调制方式的限制。
附图说明
图1是传统的多用户MIMO系统的上行链路的通信示意图;
图2是本发明的多用户MIMO系统的上行链路的通信示意图;
图3是本发明方法的流程示意图;
图4是采用本发明方法与现有方法的性能比较图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。
参照图2,本发明使用的系统是一个多用户MIMO系统,它由一个基站和K个用户构成。其中,基站装配有M根天线,而第j个用户装配有Nj根天线,1≤j≤K。图2中的xj为第j个用户发送给基站的信息数据,βj为第j个用的功率调整矩阵,Qj为第j个用户的预处理矩阵,y为基站接收到的所有用户的信号,T为后处理矩阵,为后处理后的接收信号,s为将中信息符号向量x的每个元素的实部和虚部转化为连续整数的转化向量,为转化后的接收信号,为信息符号向量x的判决向量,后为判决得到的信息符号向量x的估计。
针对图2所示的多用户MIMO系统,本发明对上行链路数据的处理与检测方法如图3所示。
参照图3,本发明上行链路数据传输步骤如下:
步骤1,将第j个用户发送给基站的信息符号表示为一个列向量:
式中,xji为第j个用户发送给基站的第i个数据流,1≤i≤nj,nj为用户发送的数据流个数,nj≤Nj,Nj为第j个用户配置的天线数,1≤j≤K,K为系统的用户数,[·]T表示矩阵转置。
步骤2,构建第j个用户发送给基站的信息符号列向量xj的数据流发射功率归一化的功率调整矩阵βj。
为了使第j个用户发送给基站的每个数据流的发射功率归一化,引入nj×nj维功率功率调整矩阵βj:
式中,βji是使得第j个用户发送给基站的第i个数据流xji的发射功率归一化的功率调整系数,1≤j≤K,1≤i≤nj,diag[…]表示对角矩阵;
步骤3,对第j个用户与基站之间的信道矩阵Hj进行奇异值分解。
步骤4,根据右奇异值向量构建第j个用户发送的数据流的预处理矩阵Qj,消除用户发射机的nj根天线所发送数据流之间的干扰:
步骤5,用上述的功率调整矩阵βj和预处理矩阵Qj,对信息符号列向量xj进行功率归一化和预处理,得到第j个用户发送给基站的信号dj。
5a)用功率归一化矩阵βj左乘以信息符号列向量xj,得到功率归一化后的信号为:
x′j=βjxj,<5>
5b)用预处理矩阵Qj左乘以信号x′j,得到第j个用户经过功率归一化和预处理后的发送信号为:
步骤6,基站接收端通过天线接收到K个用户发送的信号为:
式中, 为半酉矩阵Uj的前nj列,其包含了信道矩阵Hj的前nj个最大奇异值的左奇异值向量,
β=diag[β1,β2,…,βK],其为所有用户数据流的功率归一化系数构成的对角阵,
n是均值为0、协方差矩阵是σ2IM的M维高斯白噪声向量,σ2为高斯白噪声的协方差,IM为M×M维的单位矩阵。
步骤7,对基站接收到的信号y中的传输矩阵UsΛ1/2β进行格归约变换。
参照文献“Performance Analysis for MIMO Systems with Lattice-Reduction AidedLinear Equalizationpartv”中给出的格规约算法,对传输矩阵UsΛ1/2β按如下公式进行格归约变换:
式中,从公式可见近似正交,F-1为矩阵F的逆,F为单模矩阵,即单模矩阵F的全部元素都为整数,行列式的值det(F)=±1或±j,j为虚数单位,通过格规约变换后,将原来不正交的传输矩阵UsΛ1/2β转化为了近似正交的矩阵得到一个性能相对更好的等价传输系统。
式中,F-1为单模矩阵矩阵F的逆,x为K个用户发送的符号向量构成的维列向量 为第j个用户发送给基站的信息符号,n是均值为0、协方差矩阵是σ2IM的M维高斯白噪声向量,σ2为高斯白噪声的协方差,IM为M×M维的单位矩阵。
步骤9,根据基站接收的信号,构建后处理矩阵,消除多用户干扰。
步骤10,利用步骤9构建的后处理矩阵T对基站接收的信号y进行后处理,即用后处理矩阵T左乘以信号y,得到后处理后的信号为:
11a)根据用户数据流的调制方式,构造能使信息符号列向量x的每个实部和虚部转化成连续整数的向量:s=[s1,s2,…,sK]T,s称为转化向量,为第j个用户的所有数据流采用的转化向量,sji为将第j个用户第i个数据流xji的实部和虚部转化为连续整数的数值,对于M-QAM调制,由于第j个用户第i个数据流xji的实部和虚部的取值范围为所以sji=(1+j),对于BPSK调制,sji=1,1≤j≤K,1≤i≤nj;
11b)利用步骤11a)构造的转化向量s将中的信息符号向列量x的每个实部和虚部转化为连续的整数,即用后处理后的接收信号减去转化向量s与步骤7中的矩阵F-1的乘积F-1s,并除以2,这就实现了将信息符号列向量x的每个元素的实部和虚部转化为连续的整数,即经过连续取整处理后得到的接收信号向量为:
例如,假定xji的调制方式为4-QAM,则其实部与虚部的取值为+1或-1,此时,sji=(1+j),连续取整后得xji实部与虚部的取值为0或-1,变成了连续的整数,便于后续的判决。
13a)假定第j个用户发送给基站的第i个数据流xji采用QPSK调制,如果中的元系的实部和虚部均大于则认为用户发射的信息符号是10;如果元素的实部大于且虚部小于则认为用户发射的信息符号是11;如果元素的实部和虚部均小于则认为用户发射的信息符号是00;如果元素的实部小于且虚部大于则认为用户发射的信息符号是01;
13b)将步骤13a)得到的用户发射的信息符号值作为发送信号xji的估计值j=1,2,…,K,i=7,2,…,nj;
13d)将所有用户信息符号的估计值作为最终的判决结果,并输出。
本发明的效果可以通过以下仿真结果进一步说明:
仿真条件:设定一个多用户MIMO系统,包括一个基站和4个用户。基站端配置8根接收天线,每个用户端配置2根发射天线。每个用户向基站发送两个数据流,对于特征值较大的数据流采用16QAM调制,特征值较小的数据流采用QPSK调制。每个用户与基站之间的信道为独立同分布的瑞利衰落信道,每个用户的传输功率为Pk=nk,每个符号的信噪比定义为:σ2为高斯白噪声的协方差。
仿真内容:分别采用本发明提出的基于奇异值分解的格规约辅助的迫零检测的传输方法和传统的基于奇异值分解的迫零检测的传输方法对多用户MIMO系统的误码率BER相对于每个信息符号信噪比SNR进行仿真,仿真结果如图4所示。
从图4可以看出,采用本发明提出的基于奇异值分解的格规约辅助的迫零检测的传输方法的误码性能曲线明显低于传统的基于奇异值分解的迫零检测的传输方法的误码性能曲线。在误码率为10-3的情况下,本发明提出的方法相对于传统方法可获得15dB的信噪比增益,这是由于本发明提出的方法相比于传统方法有效消除了噪声功率增的影响,提高了系统的传输性能。
Claims (3)
1.一种基于奇异值分解的多用户MIMO系统上行链路传输方法,包括如下步骤:
(1)将第j个用户发送给基站的信息符号表示为一个列向量:
式中,xji为第j个用户发送给基站的第i个数据流,1≤i≤nj,nj为用户发送的数据流个数,nj≤Nj,Nj为第j个用户配置的天线数,1≤j≤K,K为系统的用户数,[·]T表示矩阵转置;
(2)构建第j个用户发送给基站的信息符号列向量xj的数据流发射功率归一化的功率调整矩阵βj:
式中,βji是使得第j个用户发送给基站的第i个数据流xji的发射功率归一化的功率调整系数,1≤j≤K,1≤i≤nj,diag[…]表示对角矩阵;
(3)对第j个用户与基站之间的信道矩阵Hj进行奇异值分解:
(4)根据右奇异值向量构建第j个用户发送的信息符号列向量xj的预处理矩阵Qj,消除用户发射机的nj根天线所发送数据流之间的干扰:
(5)用上述的功率功率调整矩阵βj和预处理矩阵Qj,对信息符号列向量xj进行功率归一化和预处理,得到第j个用户发送给基站的信号dj,通过用户端的nj根天线将信号dj发射出去,1≤j≤K;
(6)基站接收端通过天线接收到K个用户发送的信号为:
β=diag[β1,β2,…,βK],为所有用户数据流的功率归一化系数构成的对角距阵,
n是均值为0、协方差矩阵是σ2IM的M维高斯白噪声向量,σ2为高斯白噪声的协方差,IM为M×M维的单位矩阵;
(7)对基站接收到的信号y中的传输矩阵UsΛ1/2β进行格归约变换,即:
(10)利用后处理矩阵T对基站接收的信号y进行后处理,以消除多用户干扰,即用后处理矩阵T左乘以基站接收的信号y,得到后处理后的接收信号为:
式中,向量s=[s1,s2,…,sK]T称为转化向量,它由K个用户的转化向量构成, 为第j个用户的转化向量,sji是使得第j个用户第i个数据流的实部和虚部转化成连续整数的数值,对于M-QAM调制sji=(1+j),对于BPSK调制,sji=1,1≤j≤K,1≤i≤nj;
13a)假定第j个用户发送给基站的第i个数据流xji采用QPSK调制,如果 中的元系 的实部和虚部均大于 则认为用户发射的信息符号是10;如果元素 的实部大于 且虚部小于 则认为用户发射的信息符号是11;如果元素 的实部和虚部均小于 则认为用户发射的信息符号是00;如果元素 的实部小于 且虚部大于 则认为用户发射的信息符号是01;
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CN102647259B (zh) | 2014-09-17 |
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