CN102801505B - 多用户协同发送方法、接收方法以及通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用户协同发送、接收方法以及通信装置，具体包括：发送端协同用户将待发送数据进行交互通信；发送端协同用户生成联合预编码调制矩阵，并进行预编码调制；发送信号通过多输入多输出信道进行传输；接收端协同用户对接收信号进行联合检测。利用该方法能够减轻协同通信中多用户对间的相互干扰，保证用户获得较高的通信质量，实现系统传输速率和系统容量的提升，从而达到多输入多输出系统的性能。

Description

多用户协同发送方法、接收方法以及通信装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及通信系统中的多用户多输入多输出技术，特别涉及一种多用户协同发送方法、接收方法以及通信装置。

背景技术

随着无线通信系统对业务需求的不断提高，更高的数据传输速率和更大的系统容量是各项通信技术实现的重要目标。多输入多输出（MIMO）技术是未来无线宽带系统中提高吞吐量的关键技术之一，也是3GPP长期演进（LTE）所采用技术中的重要组成部分。对于发送端和接收端均为多天线的点对点链路，由于空间上自由度的增加，系统容量将随着发送天线数和接收天线数二者中的较小数目的增加呈线性增长。但是，由于移动终端的体积或大小限制，目前通常只配有一至两根天线，这就限制了多输入多输出技术所提出的理论容量增益。

然而，在一个小区存在多用户的场景下，能够通过在相同的时间频率资源中同时传输不同用户的多路数据来提高系统容量，这种技术被称为多用户多天线（MU-MIMO）技术。尽管该技术从理论上论证了系统容量仍然存在很大的提升空间，但是在这种技术的实际应用中，由于用户间难以进行信息交互，系统容量会受到较大程度的限制。

因此，如图1所示，当系统收发端均为多个用户，且两端用户分别能够看作两个整体协同工作时，由于每个用户均配有天线，对于系统中这样的多个协同“用户对”，通过他们发送端、接收端之间的协同配合传输以及用户间有效的数据和信道状态信息交互，系统的收发两端均可作为一个整体。这样，包含收发端多个协同用户的系统可被看作是一个虚拟的多输入多输出系统，这种情形下能够体现出多天线技术所具有的性能增益。

但是，当系统中多个用户对同时占用相同的时间频率资源进行信息传输时，用户彼此间会受到由于占用相同信道而产生的较强的干扰，这会严重影响系统性能。如果能够很好地协调用户对之间传输的信息，这样便能够在提高系统资源利用率的同时，又能够保证用户各自较高的通信质量。

对发送端多个协同用户的发送信号进行预处理，即预编码技术，是有效提高协同通信系统性能的重要方式之一。但是实际系统更多地采用由各种形状的星座点组成的发射信号，如果将已有研究中基于高斯发射信号的预编码技术应用到实际系统中，会导致系统性能的急剧恶化。所以，为了实现实际系统性能的提升，在多用户协同通信系统的设计中，如果能够利用提升调制约束下互信息的预编码调制方法，这对于实际系统有着重大的意义。

发明内容

（一）所要解决的技术问题

本发明解决了现有技术中用户难以进行信息交互，且传输系统容量受到较大程度的限制、系统资源利用率低的技术问题。

（二）技术方案

本发明提供一种多用户协同发送方法，该方法包括如下步骤：

A、多个协同用户基于所述多个协同用户中每个协同用户的待发送数据进行交互通信，生成协同待发送数据，协同用户为进行协同传送的用户；

B、根据当前信道状态信息，生成联合预编码矩阵，并利用所述联合预编码矩阵，对所述协同待发送数据进行预编码调制，产生发送信号；

C、各协同用户发送所产生的发送信号。

可选的，在步骤A前，所述方法还包括步骤：对待发送数据进行编码与调制。

可选的，步骤C中各协同用户发送的信号占用相同的时间频率资源在信道上进行传输。

可选的，步骤B中根据接收端反馈的当前信道状态信息，生成所述联合预编码调制矩阵。

可选的，所述步骤A进一步包括：

A1.确定协同用户间数据交互时隙和数据传输时隙，所述数据交互时隙用于协同用户间进行预编码调制前待发送数据的交互，所述数据传输时隙用于预编码调制后的用户数据的发送，其中每一个数据交互时隙和每一个数据传输时隙构成一个协同传输时隙单元，在每个协同传输时隙单元内完成一次数据交互和联合预编码调制。

可选的，该方法在步骤A1后还包括：

A2.根据协同传输需求，在数据交互时隙中选择不同的数据交互方式；

A3.根据选择的数据交互方式，在数据交互时隙内完成信息交互。

可选的，所述数据交互时隙和数据传输时隙的时长均是固定的，数据交互时隙的时长远小于数据传输时隙的时长。

可选的，所述数据交互方式为以下三种方式中的一种：1）发送端协同用户进行数据交互后在相同时间频率资源内传输多路数据，2）发送端协同用户仅共同传输一个协同用户对的数据，3）发送端协同用户不进行数据交互，在相同时间频率资源内直接传输多路数据。

可选的，所述预编码调制矩阵生成方法包括以下步骤：1）将调制约束互信息的下界替代难以计算的调制约束互信息，2）生成基于最大化调制约束互信息下界的最优预编码调制矩阵。

本发明还提供一种多用户协同接收方法，其包括：

D、接收协同发送信号；

E、根据所述协同发送信号获取当前信道状态信息，并根据所述当前信道状态信息生成等效信道矩阵；

F、利用所述等效信道矩阵对接收的协同发送信号进行联合检测，并输出每个协同用户的用户数据。

可选的，该方法在步骤F后还包括：G、对用户数据进行译码以及判决输出。

本发明还提供一种多用户协同通信装置，该装置包括：

通信单元，用于多个协同用户基于所述多个协同用户中每个协同用户的待发送数据进行交互通信；

协同预编码器，用于根据当前信道状态信息生成联合预编码矩阵，并利用所述联合预编码矩阵对所述多个协同用户的协同待发送数据进行预编码调制，产生发送信号；

发送单元，用于发送所产生的发送信号。

本发明还提供一种多用户协同通信装置，该装置包括：

接收单元，用于接收协同发送信号；

联合检测单元，用于根据所述协同发送信号获取当前信道状态信息，并根据所述当前信道状态信息生成效信道矩阵，然后利用所述等效信道矩阵对接收的协同发送信号进行联合检测，并输出每个协同用户的用户数据。

（三）有益效果

本发明能够有效地实现协同用户间的交互通信，提高多输入多输出系统的数据传输速率和系统容量；同时，能够很好地协调协同用户间传输的信息，降低彼此间的干扰，保证用户获得较高的通信质量。

附图说明

图1是收发端均为多个用户的协同通信系统结构示意图；

图2是本发明提出的协同发送方法和接收方法的实现流程图；

图3是本发明提出的协同发送方法中时隙结构设计示意图；

图4是本发明提出的发送端的通信装置和接收端的通信装置的结构图；

图5是本发明所述实施例中两种场景下系统应用性能对比的仿真曲线图；

图6是本发明所述实施例中场景二下对系统采用预编码调制与无预编码调制时系统应用性能对比的仿真曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明所述协同通信系统的结构示意图如图1所示。本实施例对系统中发送端和接收端均为两个协同用户的场景进行仿真，发送端和接收端用户均为能够进行协同通信并且已经提出协同请求的单天线用户。

实施例1

所述发送端为一种多用户协同通信装置，该装置包括：

通信单元，用于多个协同用户基于所述多个协同用户中每个协同用户的待发送数据进行交互通信；

协同预编码器，用于根据当前信道状态信息生成联合预编码矩阵，并利用所述联合预编码矩阵对所述多个协同用户的协同待发送数据进行预编码调制，产生发送信号；

发送单元，用于发送所产生的发送信号。

所述接收端为与上述多用户协同通信装置相对应的另一种多用户协同通信装置，该装置包括：

接收单元，用于接收协同发送信号；

联合检测单元，用于根据所述协同发送信号获取当前信道状态信息，并根据所述当前信道状态信息生成效信道矩阵，然后利用所述等效信道矩阵对接收的协同发送信号进行联合检测，并输出每个协同用户的用户数据。

针对当前技术与需求，本发明提出一种基于预编码调制的多用户协同通信方法。它通过用户间的信息交互将发送端与接收端的多个用户分别进行联合得到多个可以进行协同传输的用户对，在协同用户对共享数据和信道状态信息的基础上，完成发送端多用户的联合预编码调制和接收端多用户的联合检测。

实施例2

本发明提出一种基于预编码调制的多用户协同通信方法，该方法包括：1）协同用户对间通过Wi-Fi或蓝牙技术的方式进行信息交互，系统收发两端分别形成协同的整体；2）结合当前信道信息，生成针对发送端多个协同用户的预编码调制矩阵，对发送端的协同用户进行联合的预编码调制；3）接收端的多个协同用户进行接收信号的联合检测。

所述多用户协同通信方法包括步骤：

1.发送端包含N_t个可以进行协同传输的用户，并且已经提出协同请求。用户将各自的待发送数据进行编码和调制，得到发送端的发射符号；

2.发送端的多个协同用户通过Wi-Fi或蓝牙技术的交互方式将各个用户的编码与调制之后的待发送数据进行交互通信，通过这样的方式，发端用户之间不仅可以为协同传输作好准备，同时也可以避免用户之间得知其他用户的原始传输数据，充分保证了用户的隐私性；

3.发送端协同用户根据接收端反馈的当前信道状态信息（CSI），采用一种基于最大化系统互信息下界的最优预编码调制矩阵生成方法，得到发送端多个协同用户的联合预编码矩阵，并对发送端协同用户进行预编码调制，形成各天线的发送信号s，且s=Px，其中为所述的线性预编码调制矩阵；

4.各用户发送信号占用相同的时间频率资源进行传输，经过信道H后得到接收端多个协同用户的接收信号，其中，为本协同系统发送端与接收端之间的等效多输入多输出信道，且N_r为接收端协同用户的个数；等效信道矩阵H中第i行第j列的元素可表示为H_ij，且H_ij表示发送端第j个用户到接收端第i个用户之间的信道增益；

5.接收端的N_r个协同用户通过多天线接收信号，得到的接收信号为y且y＝Hs+n，其中n∈N_r为均值为零的加性高斯白噪声，且满足E(nn^H)＝σ²I。接收端多个协同用户进行信号的联合检测，从而得到最终的接收数据，且 $r={\left(\begin{array}{cccc}{r}_1& r_2& ....& r_{N^r}\end{array}\right)}^T,$ 其中r_k为第k个接收端协同用户的接收数据。

所述步骤2进一步包括如下步骤：

2.1确定协同用户进行数据交互和数据传输的时隙结构。如图2所示，时隙结构包括两部分，即数据交互时隙和数据传输时隙，其中前者用于发送端协同用户间进行预编码调制前待发送数据的交互，后者用于预编码调制后的用户数据的发送。同时，每个数据交互时隙和每个数据传输时隙构成一个协同传输时隙单元，在每个时隙单元内完成一次数据交互和联合预编码调制。数据交互时隙和数据传输时隙的时长均固定，二者的时长分别为a和b，两个时隙的具体时长根据具体的系统设计方案和参数要求进行设定，其中a的长度远小于b。

2.2在数据交互时隙中，发送端协同用户根据传输需求选择不同的数据交互方式，分别为：1）发送端协同用户进行数据交互后在相同时间频率资源内传输多路数据；2）发送端协同用户仅共同传输一个协同用户对的数据；3）发送端协同用户不进行数据交互，在相同的资源内直接传输多路数据。

2.3根据发送端协同用户选择的协同方式，在相应时隙内通过Wi-Fi或者蓝牙技术完成信息交互，为联合预编码调制和数据传输做好准备。

所述步骤3采用专利“低复杂度的预编码调制矩阵生成方法及其预编码调制方法”（专利申请号201110418759.8）所述的预编码调制矩阵生成方法。

该方法针对提高实际调制约束下的互信息量，对发送端的协同用户进行统一的联合预编码，以提高协同通信系统的性能。该方法所生成的预编码调制矩阵P利用的信道矩阵是根据当前CSI对信道信息进行估计生成的信道估计矩阵H_est，且

所述步骤5进一步包括如下步骤：

5.1根据发送端生成的预编码调制矩阵P和信道估计得到的矩阵H_est计算得到接收端协同用户的等效矩阵H_eq，其中满足H_eq＝H_est·P，且

5.2接收端协同用户利用接收信号y和等效矩阵H_eq进行联合检测、各用户分别译码以及判决输出，从而得到接收端用户天线上的最终接收数据r。在接收端信号检测的过程中涉及接收端协同用户间的信息交互，数据交互过程中的时隙结构和交互方式与协同用户发送端相同。

该协同通信方法具有以下特点：1）通过实现多用户多天线系统收发两端用户间有效的信息交互，形成虚拟的多天线协同通信系统；2）通过发送端的联合预编码调制，降低协同用户对间的干扰，提升系统的传输性能。通过这样的方式，本发明可实现如下优势：一方面，在多个用户对占用相同的时间频率资源的前提下，系统可以分别同时传输多路不同数据，并且充分保证多用户通信质量，从而大幅度提高系统吞吐量；另一方面，当多个用户对同时为同一用户对传输数据且系统速率不变的情况下，相较于单用户点对点传输，系统可以显著提高抗差错性能，从而应对恶劣的信道条件。

实施例3

根据本发明所利用的预编码的方法，对发端数据进行联合预编码调制，形成两个发端用户各自天线上的发射信号。通过虚拟MIMO信道后，收端协同用户进行联合检测和译码，并且分离出各接收用户的最终数据。

如图3所示，根据本发明所提出时隙结构，在数据交互时隙内完成发送端协同用户间进行预编码调制前待发送数据的交互，在数据传输时隙内完成预编码调制后的用户数据的发送。

为实现协同用户发送端待发送数据信息的交互，本实施例采用Wi-Fi交互的方式进行发送端用户间的数据传输。随着Wi-Fi技术发展的成熟和使用的普遍，该技术在移动终端使用的可行性不断增强，而且Wi-Fi所能够达到的数据传输速率可以充分保证发送端协同用户间的数据交互。

在设定数据交互时隙时长时需要平衡考虑数据交互所导致的时间上的开销以及该时隙内能够保证的传输数据量。然而由于该系统中预编码调制技术的使用，尽管数据交互需要少量的时间开销，但是协同传输的方式可以为系统多用户传输带来较为明显的性能增益。

在本实施例中数据交互时隙长度设定为0.05ms,数据传输时隙长度为0.95ms,则一个协同传输时隙单元的长度为1ms,一个时隙单元的长度即为系统帧结构中一个子帧的时长。

实施例4

如图4所示，本实施例所对应的系统模型，系统主要模块功能如下：发送端包括用户数据编码、调制、发送符号协同预编码调制及OFDM调制，接收端包括同步、信道估计、OFDM解调、联合检测、用户分别译码以及输出判决。

系统各模块仿真说明如下：

1.系统帧结构：系统采用3GPP LTE中频分双工（FDD）模式的标准帧结构，每帧时长为10ms，且含10个子帧，每个子帧长度为1ms。一个子帧可以传输7个OFDM符号。

2.信道编码：对各发送端协同用户各自的待发送数据进行编码，这里采用LDPC编码，且设定为3/4码率。

3.数据调制：对各用户编码后的信号进行调制，系统以QPSK与BPSK两种方式为例进行仿真。

4.联合预编码调制：根据收端反馈的即时信道信息，在发送端计算出预编码调制矩阵，对发端协同用户待发送符号进行预编码，从而得到各用户发送天线上的传输数据。

5.OFDM调制：系统采用OFDM调制技术，由于这里对发送端两个协同用户的情形进行仿真，故只占用系统的部分子载波资源。此模块经过逆快速傅里叶变换（IFFT）运算、加循环前缀（CP）步骤，且此处的循环前缀的长度采用3GPP LTE中的“标准循环前缀”相应长度。另外，在发送数据前加入物理层前导（Preamble），以用于接收端的同步和信道估计。

6.信道：本系统仿真采用最能够贴近实际传输环境的空间、时间以及频率三重选择性信道，具体为国际电信联盟（ITU）标准信道中最接近本系统应用场景的PedB相关信道模型，以使系统结果更加贴近实际应用下的情形。

7.同步和信道估计：根据发送端添加的物理层前导，同步与信道估计模块以此进行运算，具体算法参见参考文献BroadbandMIMO-OFDM wireless communications,IEEE 2004。其中同步模块完成时间同步与载波频偏修正等，信道估计采用LS算法对即时信道信息进行估计，并将信道估计得到的信息反馈到发送端。

8.OFDM解调：主要包括去物理层前导、去循环前缀、快速傅里叶变换，进而恢复得到接收端协同用户的接收信号。

9.检测与解码：系统接收端用户采用MAP检测器与LDPC解码器迭代运算的方式，直到迭代次数达到预定数目或者系统误比特率达到预定目标。此后，检测部分将接收端各用户的数据传输到对应的接收天线上，各用户得到各自接收数据。

10.判决输出：对各用户各自数据进行硬判决输出，得到最终的接收数据。

至此，系统根据上述步骤完成预期发送端和接收端多用户协同通信的全部过程。

如图5所示，系统对如下两种场景进行仿真和验证：

场景一：两个用户对占用相同时间频率资源进行传输时的系统误比特率与单用户对传输时系统误比特率的对比，以此来验证在系统总的传输速率提升为原来两倍时，误比特率所发生的变化情况，即能否保证多用户协同通信的质量。

场景二：两个用户对传输同一用户对数据时的系统误比特率与单用户对传输时系统误比特率的对比，以此来验证当信道条件非常恶劣时，本系统对于用户性能（误比特率）所能够带来的提升。

根据上述内容，系统的主要仿真参数归纳如表1所示：

表1

根据图5可知，对于场景一，两个用户对占用相同时间频率资源进行传输时，系统总的传输速率是单用户对传输时传输速率的二倍，但是当二者误比特率同为10^-4时，前者的误比特率仅比后者误比特率恶化约0.6dB。由此可见，虽然系统的时间频率资源利用率两倍于单用户对传输时的利用率，但是同样保持了系统两个用户对较高的通信质量。

对于场景二，两个用户对同时传输同一用户对的数据，在系统整体传输速率不变的情况下，可以大幅度提高用户的传输性能，特别是在信道条件特别恶劣时的系统抗差错性能。比较两条曲线误比特率为10^-4时，两个协同用户对共同传输一路数据的情况下，系统性能提升了约5.3dB，而对于这种情况的理论极限是提高6dB。由此可见，本系统已经很大程度上提高了系统的整体性能，并且保证用户具有相当高的通信质量。

如图6所示，系统对采用联合预编码调制与无预编码调制时系统的传输性能情况进行对比。仿真对比多用户同时传输一路数据的场景下，使用本发明所述的预编码调制技术与不进行预编码调制的两种情况下数据传输的误比特率。此时所采用的仿真参数见表1中场景二对应参数。

根据图6可知，两种情形下在误比特率均为10^-4时，使用预编码时系统的相应性能较无预编码的传输方式提高约4.8dB。由此可见，联合的预编码是本协同通信系统的关键技术，也是保证多用户在协同通信的过程中保证较高通信质量的重要环节。

另外，发送端的多个协同用户将各自编码与调制之后的待发送数据进行交互通信，通过这样的方式，发送端用户之间不仅能够为协同传输做好准备，同时也能够避免用户之间得知其他用户的原始传输数据，充分保证了用户的隐私性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种多用户协同发送方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

A、多个协同用户基于所述多个协同用户中每个协同用户的待发送数据进行交互通信，生成协同待发送数据，协同用户为进行协同传送的用户；

B、根据当前信道状态信息，生成联合预编码矩阵，并利用所述联合预编码矩阵，对所述协同待发送数据进行预编码调制，产生发送信号；

C、各协同用户发送所产生的发送信号；

在步骤A前，所述方法还包括步骤：对待发送数据进行编码与调制；

所述多个协同用户通过Wi-Fi或蓝牙技术的交互方式将各个协同用户的编码与调制之后的待发送数据进行交互通信。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于，步骤B中根据接收端反馈的当前信道状态信息，生成所述联合预编码矩阵。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于，步骤C中各协同用户发送的信号占用相同的时间频率资源在信道上进行传输。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于，所述步骤A进一步包括：

A1.确定协同用户间数据交互时隙和数据传输时隙，所述数据交互时隙用于协同用户间进行预编码调制前待发送数据的交互，所述数据传输时隙用于预编码调制后的用户数据的发送，其中每一个数据交互时隙和每一个数据传输时隙构成一个协同传输时隙单元，在每个协同传输时隙单元内完成一次数据交互和联合预编码调制。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征还在于，该方法在步骤A1后还包括：

A2.根据协同传输需求，在数据交互时隙中选择不同的数据交互方式；

A3.根据选择的数据交互方式，在数据交互时隙内完成信息交互。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征还在于，所述数据交互时隙和数据传输时隙的时长均是固定的，数据交互时隙的时长远小于数据传输时隙的时长。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征还在于，所述数据交互方式为以下三种方式中的一种：1)发送端协同用户进行数据交互后在相同时间频率资源内传输多路数据，2)发送端协同用户仅共同传输一个协同用户对的数据，3)发送端协同用户不进行数据交互，在相同时间频率资源内直接传输多路数据。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征还在于，所述联合预编码矩阵生成方法包括以下步骤：1)将调制约束互信息的下界替代难以计算的调制约束互信息，2)生成基于最大化调制约束互信息下界的最优联合预编码矩阵。

9.一种多用户协同接收方法，其特征在于包括：

D、接收协同发送信号；所述协同发送信号由多个协同用户通过Wi-Fi或蓝牙技术的交互方式将各个协同用户的编码与调制之后的待发送数据进行交互通信而生成；

E、根据所述协同发送信号获取当前信道状态信息，并根据所述当前信道状态信息生成等效信道矩阵；

F、利用所述等效信道矩阵对接收的协同发送信号进行联合检测，并输出每个协同用户的用户数据,协同用户为进行协同传送的用户。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征还在于，该方法在步骤F后还包括：G、对用户数据进行译码以及判决输出。

11.一种多用户协同通信装置，其特征在于，该装置包括：

通信单元，用于多个协同用户基于所述多个协同用户中每个协同用户的待发送数据进行交互通信,协同用户为进行协同传送的用户；所述多个协同用户通过Wi-Fi或蓝牙技术的交互方式将各个协同用户的编码与调制之后的待发送数据进行交互通信；

协同预编码器，用于根据当前信道状态信息生成联合预编码矩阵，并利用所述联合预编码矩阵对所述多个协同用户的协同待发送数据进行预编码调制，产生发送信号；

发送单元，用于发送所产生的发送信号。

12.一种多用户协同通信装置，其特征在于，该装置包括：

接收单元，用于接收协同发送信号；所述协同发送信号由多个协同用户通过Wi-Fi或蓝牙技术的交互方式将各个协同用户的编码与调制之后的待发送数据进行交互通信而生成；

联合检测单元，用于根据所述协同发送信号获取当前信道状态信息，并根据所述当前信道状态信息生成等效信道矩阵，然后利用所述等效信道矩阵对接收的协同发送信号进行联合检测，并输出每个协同用户的用户数据,协同用户为进行协同传送的用户。