CN105429685A - 大规模mimo中高效的上行传输方式 - Google Patents

Abstract

本发明公开了大规模MIMO系统中一种高效的传输方式，适用于<i>K</i>个用户和一个基站的上行传输系统，且每个用户配置两根天线基站配置<i>N</i>根天线。基站得到满足一定条件的预编码矩阵，并将预编码矩阵的元素的量化值反馈给用户；用户根据用户数以及基站配置的天线数计算每次传输的Alamouti码字的数量，用户对其调制信号进行Alamouti编码以及预编码，然后将预编码后的码字相加并且发送出去；基站利用Alamouti码字对应的等效信道矩阵的正交特性分离出每个Alamouti码字，进而译码每个码字的元素。

Description

大规模MIMO中高效的上行传输方式

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其是大规模MIMO中高效的上行传输方式。

背景技术

大规模MIMO技术能在不增加频谱资源的情况下提高系统的频谱效率、降低发射功率、减少小区内干扰以及小区间干扰，从而受到广泛的关注，成为未来5G移动通信突破性技术之一。

在单小区的上行大规模MIMO系统中，K个用户同时向基站发送信号，基站配置了上百根天线。已有的研究中，用户直接将信号发送出去，或者对信号进行预编码后发送出去，若用户配置n_t根天线，则每个时隙每个用户最多发送n_t个调制符号。文献“Generalizedspatialmodulationinlarge-scalemultiusermimosystems”(arxiv:1503.03997v1[cs.it],2015)将空间调制应用于上行大规模MIMO系统，除了用天线传输信号外，还用不同的天线组合来传输若干个比特，提高了传输效率。

在单小区的上行大规模MIMO系统中，由于基站配置了上百根天线，就能译码上百个调制符号，若同一时隙所有用户发送的调制符号数即Kn_t远小于基站配置的天线数，则传输效率有待于提高。

发明内容

本发明公开了大规模MIMO系统中一种高效的传输方式，适用于K个用户和一个基站的上行传输系统，且每个用户配置两根天线基站配置N根天线。

实现本发明的技术思路是：基站得到满足一定条件的预编码矩阵，并将预编码矩阵的元素的量化值反馈给用户；用户根据用户数以及基站配置的天线数计算每次传输的Alamouti码字的数量，用户对其调制信号进行Alamouti编码以及预编码，然后将预编码后的码字相加并且发送出去；基站利用Alamouti码字对应的等效信道矩阵的正交特性分离出每个Alamouti码字，进而译码每个码字的元素。

本发明的具体步骤如下：

A，基站得到满足一定条件的预编码矩阵，并将预编码矩阵的元素的量化值反馈给用户；

B，用户k对其调制信号进行空时编码以及预编码，然后将预编码后的码字相加并且发送出去，k＝1,2,…,K，K是总用户数；

C，基站译码每个用户期望发送给基站的信号。

进一步，所述步骤A具体包括：

A1，基站根据用户数以及基站配置的天线数计算每个用户每次传输的Alamouti码字的数量I，N是基站配置的天线数，K是总用户数，表示取整运算；

A2，基站随机选取归一化的阶数为2×2的预编码矩阵V_ki，k＝1,2,…,K，i＝1,2,…,I，N是基站配置的天线数，K是总用户数，表示取整运算，V_ki满秩且满足H₁V₁₁,H₁V₁₂,…,H₁V_1I,H₂V₂₁,H₂V₂₂,…H₂V_2I,…,H_KV_KI各不相同，H_k是用户k到基站的信道矩阵，阶数为N×2，k＝1,2,…,K；

A3，基站量化V_ki的元素，k＝1,2,…,K，i＝1,2,…,I，N是基站配置的天线数，K是总用户数，表示取整运算，然后将V_ki的元素的量化值发送到第k个用户。

进一步，所述步骤B具体包括：

B1，用户k根据用户数以及基站配置的天线数决定每个用户每次传输的Alamouti码字的数量I，k＝1,2,…,K，K是总用户数，N是基站的天线个数，表示取整运算；

B2，用户k对其调制信号进行Alamouti编码得到码字S_ki，k＝1,2,…,K，K是总用户数，i＝1,2,…,I， 表示取整运算，N表示接收天线的个数， $S_{\mathrm{ki}}=\left[\begin{array}{cc}{s^{2i-1}}_{\mathrm{ki}}& -{{s^{2i}}_{\mathrm{ki}}}^{*}\\ {s^{2i}}_{\mathrm{ki}}& {{s^{2i-1}}_{\mathrm{ki}}}^{*}\end{array}\right],$ 其中，s^2i-1 _ki和s²ⁱ _ki是调制信号，(·)^*表示共轭；

B3，用户k根据反馈信息及量化方法得到预编码矩阵元素的取值，并由此得到预编码矩阵V_ki，k＝1,2,…,K，i＝1,2,…,I，N是基站的天线个数，K是总用户数，表示取整运算，；

B4，用户k对S_ki进行预编码，得到V_kiS_ki，k＝1,2,…,K，i＝1,2,…,I，K是总用户数，N是基站的天线个数，表示取整运算，然后，用户k发送V_k1S_k1+V_k2S_k2+…+V_kIS_kI。

进一步，所述步骤C具体包括：

C1，基站用Y表示其接收信号，Y的表达形式为 $Y=\underset{k=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}{H}_k(V_{k1}{S}_{k1}+V_{k2}{S}_{k2}+...+V_{kI}{S}_{kI})+N,$ N是白噪声，Y和N的阶数均为N×2，N是基站配置的天线数，K是总用户数，表示取整运算，基站根据Alamouti码字对应的等效信道矩阵的正交特性分离Y中包含的KI个Alamouti码字；

C2，基站译码C1中分离出的KI个Alamouti码字，k＝1,2,…,K，K是总用户数，N是基站的天线个数，表示取整运算，采用单个符号的最大似然译码，得到每个码字中包含的2个调制符号。

本发明中，每个用户在2个时隙内传输了个调制符号。若N＝256，K＝32，则每个用户在2个时隙内传输了16个调制符号，平均每根天线每个时隙传输了4个符号。在已有的方案中，若不与空间调制相结合，每根天线每个时隙传输的符号数不多于1个，若与空间调制相结合并且选择2根天线传输信号，平均每根天线每个时隙传输了1个符号以及个比特，n_t是基站配置的天线的数量，因此，本发明的传输效率较高。

在步骤C2中，基站分别译码每个Alamouti码字，其最大似然译码复杂度与调制阶数成正比，低于相同场景中已有方案的最大似然译码复杂度。

附图说明

图1是本发明实施例的系统模型；

图2是本发明的流程图；

图3是本发明详细的流程图。

具体实施方式

下面给出本发明的一种实施例，对本发明做进一步详细的说明。系统模型如图1所示，包括K个用户和1个基站，用户配置2根天线，基站配置N根天线，N＞＞2。假定用户不知道信道状态信息，而基站已知信道状态信息。每个用户期望将自己的信号发送给基站。

令 表示取整运算。用户k对其调制信号进行Alamouti编码，k＝1,2,…,K，得到I个码字，用S_ki表示码字，i＝1,2,…,I， $s_{ki}=\left[\begin{array}{cc}{s^{2i-1}}_{ki}& -s^{2i}{{}_{ki}}^{*}\\ {s^{2i}}_{ki}& s^{2i-1}{{}_{ki}}^{*}\end{array}\right],$ 其中，s^2i-1 _ki和s²ⁱ _ki是调制信号，(·)^*表示共轭。用户k对S_ki进行预编码，得到V_kiS_ki，V_ki是收发双方约定的在一段时间内保持不变的阶数为2×2的预编码矩阵。V_ki满秩且满足H₁V₁₁,H₁V₁₂,…,H₁V_1I,H₂V₂₁,H₂V₂₂,…H₂V_2I,…,H_KV_KI各不相同，其中，H_k是用户k到基站的信道矩阵，阶数为N×2，k＝1,2,…,K。V_ki由基站选取并且发送到第k个用户。为保持发射功率不变，||V_ki||1，||·||表示范数。在相同的时间内，用户k发送V_k1S_k1+V_k2S_k2+…+V_kIS_kI，k＝1,2,…,K，i＝1,2,…,I，基站的接收信号为

$Y=\underset{k=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}{H}_k(V_{k1}{S}_{k1}+V_{k2}{S}_{k2}+...+V_{kI}{S}_{kI})+N$

其中，Y和N分别是接收信号和高斯白噪声，阶数均为N×2。H_k是用户k到基站的信道矩阵，阶数为N×2，k＝1,2,…,K。

文献“Interferencealignment-andcancellationschemebasedonAlamouticodeforthethree-usermulti-input-multi-outputinterferencechannel”给出了一种分离Alamouti码字的方法。若该文献中的M＝2，则每个接收端收到2K个Alamouti码字，接收信号的阶数为2K×2，只要每个码字对应的信道矩阵不同，就可以分离这2K个Alamouti码字。

本发明中，接收信号阶数为N×2，包含KI个Alamouti码字。由于所以KI≤N，又因为KI个Alamouti码字对应的信道矩阵H₁V₁₁,H₁V₁₂,…,H₁V_1I,H₂V₂₁,H₂V₂₂,…H₂V_2I,…,H_KV_KI各不相同，从而基站可以分离这KI个Alamouti码字，然后进行单个符号的最大似然译码，其复杂度与调制阶数成正比。

本发明在2个时隙内发送了2KI个调制符号，平均每根天线每个时隙发送个符号，最大似然译码复杂度与调制阶数成正比。文献“Interferencealignment-andcancellationschemebasedonAlamouticodeforthethree-usermulti-input-multi-outputinterferencechannel”中，用n_t表示发送天线的个数，若从中选择2根天线发送信号，则平均每根天线每个时隙发送1个符号以及个比特，其最大似然译码复杂度与调制阶数的2K次方成正比。

下面结合附图，对本发明的具体实施过程做进一步说明。

结合本发明的流程图即图2以及本发明实施例的系统模型即图1，大规模MIMO系统中高效的上行传输方式的步骤如下：

A，基站得到满足一定条件的预编码矩阵，并将预编码矩阵的元素的量化值反馈给用户；

B，用户k对其调制信号进行空时编码以及预编码，然后将预编码后的码字相加并且发送出去，k＝1,2,…,K，K是总用户数；

C，基站译码每个用户期望发送给基站的信号。

图3是本发明方法中详细的流程图。结合图1和图3，本发明中大规模MIMO系统中高效的上行传输方式的具体步骤如下：

A1，基站根据用户数以及基站配置的天线数计算每个用户每次传输的Alamouti码字的数量I，N是基站配置的天线数，K是总用户数，表示取整运算；

A2，基站随机选取归一化的阶数为2×2的预编码矩阵V_ki，k＝1,2,…,K，i＝1,2,…,I，N是基站配置的天线数，K是总用户数，表示取整运算，V_ki满秩且满足H₁V₁₁,H₁V₁₂,…,H₁V_1I,H₂V₂₁,H₂V₂₂,…H₂V_2I,…,H_KV_KI各不相同，H_k是用户k到基站的信道矩阵，阶数为N×2，k＝1,2,…,K；

A3，基站量化V_ki的元素，k＝1,2,…,K，i＝1,2,…,I，N是基站配置的天线数，K是总用户数，表示取整运算，然后将V_ki的元素的量化值发送到第k个用户。

B1，用户k根据用户数以及基站配置的天线数决定每个用户每次传输的Alamouti码字的数量I，k＝1,2,…,K，K是总用户数，N是基站的天线个数，表示取整运算；

B2，用户k对其调制信号进行Alamouti编码得到码字S_ki，k＝1,2,…,K，K是总用户数，i＝1,2,…,I， 表示取整运算，N表示接收天线的个数， $s_{ki}=\left[\begin{array}{cc}{s^{2i-1}}_{ki}& -s^{2i}{{}_{ki}}^{*}\\ {s^{2i}}_{ki}& s^{2i-1}{{}_{ki}}^{*}\end{array}\right],$ 其中，s^2i-1 _ki和s²ⁱ _ki是调制信号，(·)^*表示共轭；

B3，用户k根据反馈信息及量化方法得到预编码矩阵元素的取值，并由此得到预编码矩阵V_ki，k＝1,2,…,K，i＝1,2,…,I，N是基站的天线个数，K是总用户数，表示取整运算，；

B4，用户k对S_ki进行预编码，得到V_kiS_ki，k＝1,2,…,K，i＝1,2,…,I，K是总用户数，N是基站的天线个数，表示取整运算，然后，用户k发送V_k1S_k1+V_k2S_k2+…+V_kIS_kI；

C1，基站用Y表示其接收信号，Y的表达形式为 $Y=\underset{k=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}{H}_k(V_{k1}{S}_{k1}+V_{k2}{S}_{k2}+...+V_{kI}{S}_{kI})+N,$ N是白噪声，Y和N的阶数均为N×2，N是基站配置的天线数，K是总用户数，表示取整运算，基站根据Alamouti码字对应的等效信道矩阵的正交特性分离Y中包含的KI个Alamouti码字；

C2，基站译码C1中分离出的KI个Alamouti码字，k＝1,2,…,K，K是总用户数，N是基站的天线个数，表示取整运算，采用单个符号的最大似然译码，得到每个码字中包含的2个调制符号。

本发明中，每个用户在2个时隙内传输了个调制符号。若N＝256，K＝16，平均每根天线每个时隙传输了8个符号；若N＝256，K＝32，平均每根天线每个时隙传输了4个符号；若N＝512，K＝32，平均每根天线每个时隙传输了8个符号。因此，基站配置的天线越多，用户数越少，本发明的传输效率越高。

在步骤C2中，基站分别译码每个Alamouti码字，其最大似然译码复杂度与调制阶数成正比，低于相同场景中已有方案的最大似然译码复杂度。

以上实施例仅仅是对本发明的举例说明，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (1)

1.大规模MIMO中高效的上行传输方式，适用于K个用户和一个基站的上行传输系统，且每个用户配置两根天线基站配置N根天线，其特征在于，包括如下步骤：

A，基站得到满足一定条件的预编码矩阵，并将预编码矩阵的元素的量化值反馈给用户，具体过程如下：

A1，基站根据用户数以及基站配置的天线数计算每个用户每次传输的Alamouti码字的数量I，N是基站配置的天线数，K是总用户数，表示取整运算；

A2，基站随机选取归一化的阶数为2×2的预编码矩阵V_ki，k＝1,2,…,K，i＝1,2,…,I，N是基站配置的天线数，K是总用户数，表示取整运算，V_ki满秩且满足H₁V₁₁,H₁V₁₂,…,H₁V_1I,H₂V₂₁,H₂V₂₂,…H₂V_2I,…,H_KV_KI各不相同，H_k是用户k到基站的信道矩阵，阶数为N×2，k＝1,2,…,K；

A3，基站量化V_ki的元素，k＝1,2,…,K，i＝1,2,…,I，N是基站配置的天线数，K是总用户数，表示取整运算，然后将V_ki的元素的量化值发送到第k个用户；

B，用户k对其调制信号进行空时编码以及预编码，然后将预编码后的码字相加并且发送出去，k＝1,2,…,K，K是总用户数，具体过程如下：

B1，用户k根据用户数以及基站配置的天线数决定每个用户每次传输的Alamouti码字的数量I，k＝1,2,…,K，K是总用户数，N是基站的天线个数，表示取整运算；

B2，用户k对其调制信号进行Alamouti编码得到码字S_ki，k＝1,2,…,K，K是总用户数，i＝1,2,…,I， 表示取整运算，N表示接收天线的个数， $S_{ki}=\left[\begin{array}{cc}{s^{2i-1}}_{ki}& -s^{2i}{{}_{ki}}^{*}\\ {s^{2i}}_{ki}& s^{2i-1}{{}_{ki}}^{*}\end{array}\right],$ 其中，s^2i-1 _ki和s²ⁱ _ki是调制信号，(·)^*表示共轭；

B3，用户k根据反馈信息及量化方法得到预编码矩阵元素的取值，并由此得到预编码矩阵V_ki，k＝1,2,…,K，i＝1,2,…,I，N是基站的天线个数，K是总用户数，表示取整运算；

B4，用户k对S_ki进行预编码，得到V_kiS_ki，k＝1,2,…,K，i＝1,2,…,I，K是总用户数，N是基站的天线个数，表示取整运算，然后，用户k发送V_k1S_k1+V_k2S_k2+…+V_kIS_kI；

C，基站译码每个用户期望发送给基站的信号，具体过程如下：

C1，基站用Y表示其接收信号，Y的表达形式为 $Y=\underset{k=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}{H}_k(V_{k1}{S}_{k1}+V_{k2}{S}_{k2}+...+V_{kI}{S}_{kI})+N,$ N是白噪声，Y和N的阶数均为N×2，N是基站配置的天线数，K是总用户数，表示取整运算，基站根据Alamouti码字对应的等效信道矩阵的正交特性分离Y中包含的KI个Alamouti码字；

C2，基站译码C1中分离出的KI个Alamouti码字，k＝1,2,…,K，K是总用户数，N是基站的天线个数，表示取整运算，采用单个符号的最大似然译码，得到每个码字中包含的2个调制符号。