CN105515625A - 基于接收端空间调制的多用户下行传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于接收端空间调制的多用户下行传输方法，主要解决多用户下行通信系统中，基站需要同时给小区多个用户传输信息的问题。其技术方案是：由基站先采用共轭转置矩阵的方式求解预编码矩阵实现；再对发送信息采用基于接收端的空间调制并对得到的信息进行矢量扰动，再与预编码矩阵相乘后得到已调信息；然后，由基站将调制信息广播发送给K个用户；最后由K个用户对接收到基站发送的调制信息通过最大似然解调信息，完成下行传输。本发明具有实现计算复杂度低，接收端设计简单，可获得更大的误码性能增益的优点，特别适合基站配置的发送天线数较大时的多用户多输入多输出系统。

Description

基于接收端空间调制的多用户下行传输方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及一种多用户下行链路传输方法，可以应用于实现基站与小区中多个用户在同一时刻的信息传输。

背景技术

在多用户多输入多输出MIMO系统中，用户资源作为一种重要的无线资源已经越来越多地被人们关注，尤其是考虑到下一代无线通信系统中，小区用户数量大幅度增加的情况。因此多输入多输出通信系统中多用户下行链路传输方法也成为了一项重要的研究内容。

XueruLi等人在文章“Anovelprecodingschemefordownlinkmulti-userspatialmodulationsystem”(IEEEInternationalSymposiumonPIMRC,London,2013)中公开了一种基于发送端的空间调制技术的多用户传输方法。该方法通过预编码矩阵消除用户间的干扰，采用基于发送端的空间调制技术来传输信息。该方法的不足之处在于用户端的信号检测是一个单用户的多天线信号检测问题，因此接收端的复杂度仍然较高。

ChristosMasouros等人在文章“AconstellationscalingapproachtovectorperturbationforadaptivemodulationinMU-MIMO”(IEEEWirelessCommunicationsLetters,Volume:4,NO.3,June2015)中公开了一种基于块对角化以及矢量扰动的解决基站同时给多个用户发送不同信息的传输方法，使得基站在同一个时刻广播发送信息后，不同的用户能够从该信息中提取自己需要的有用信息。文中利用传统的调制技术，通过块对角化技术，消除用户间信息的干扰，通过矢量扰动技术，更大程度的降低发送信号的功率。该方法的不足之处在于当收发双方配置的天线数目较大时，其计算复杂度较高，误码性能较差，且接收机复杂度高，导致传输性能变差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于接收端空间调制的多用户下行传输方法，以减小在收发双方配置的天线数目较大时的计算复杂度和接收机复杂度，提高误码性能，保证传输性能。

为实现上述目的，本发明技术方案包括如下：

(1)基站利用信道矩阵P，完成块对角化，得到预编码矩阵F：

(1a)当基站配置的发送天线数远大于K个用户配置的总接收天线数时，求解信道矩阵P的广义逆矩阵M：

$M\≈\frac{P^H}{X},$

其中，X表示基站配置的发送天线数，上标H表示矩阵的共轭转置；

(1b)由广义逆矩阵M的第(i-1)N_i+1列到第iN_i列构成第i个用户的预编码矩阵F_i，且i＝1,2,...,K，将这些预编码矩阵组合，得到发送端的预编码矩阵F：其中N_i表示第i个用户配置的接收天线数，上标T表示矩阵的转置；

(2)基站利用预编码矩阵F，通过矢量扰动，采用接收端空间调制技术完成对发送信息的调制，得到已调信息：

(2a)将发送信息的前l₁个比特映射成接收天线索引符号，其中l₁＝log₂N_i；

(2b)将发送信息中剩余的比特映射成调制符号，实现基于接收端的空间调制，得到预编码空间调制信息；

(2c)对预编码空间调制信息进行矢量扰动，并和预编码矩阵F相乘后得到已调信息；

(3)基站将已调信息广播发送给小区中的K个用户；

(4)K个用户对各自接收到的信息进行解调，分别得到需要的信息，完成下行传输过程。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明使用了块对角化以及矢量扰动技术对发送信息进行了预编码处理，发现当收发天线数量仅满足发送天线数大于接收天线数，不满足发送天线数远大于接收天线数的情况时，预编码矩阵F可以通过信道矩阵的广义逆矩阵得到，并且考虑了当收发天线数量满足发送天线数远远大于接收天线数的情况时，预编码矩阵F可以通过信道矩阵的共轭转置矩阵得到，很大程度的降低了计算信道矩阵的广义逆矩阵的计算量，使得本发明具有计算复杂度低的优点。

第二，由于本发明采用了矢量扰动技术，降低了发送端已调信息的发送功率，使得本发明具有发送功率低的优点。

第三，由于本发明采用接收端的空间调制技术对信息进行调制，用户端的信号检测简化成了一个单用户单天线信号检测问题，使得本发明具有接收端的复杂度低，适合移动终端的优点。

附图说明

图1为本发明的多用户多输入多输出系统下行链路的场景示意图；

图2为本发明的流程图；

图3为在K＝2，N_i＝4，X＝8/16/32，谱效率为4bits的场景中，用本发明方法和现有方法进行多用户下行链路传输时的误码性能对比图；

图4为在K＝2，N_i＝4，X＝8/16/32，谱效率为8bits时的场景中，用本发明和现有方法实现多用户下行链路传输时的误码性能对比图；

图5为在K＝2，N_i＝4，X＝128，谱效率为4bits时的场景中，基于本发明提出的方法和现有方法实现多用户下行链路传输时的误码性能对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照图1，本发明的使用场景是一个多用户多输入多输出系统，其包括一个基站和K个用户。基站配置了X根发送天线，第i个用户配置了N_i根接收天线，满足关系其中Y表示所有用户的总接收天线数，且基站到每个用户的信道矩阵各不相同，设基站到第i个用户的信道矩阵可以表示为P_i，则基站到所有用户的信道矩阵可表示为 $P={\[P_1^T,P_2^T,...,P_i^T,...,P_K^T\]}^T.$

空间调制技术是近年来提出的一种多天线空间复用技术。由于其单射频传输特性，空间调制结构发送端不需要天线间同步，且接收机仅需要一个简单的单数据流检测器。另外，空间调制技术在普通调制技术的基础上增加了空间维，能够利用无源发送天线索引传递信息。因此，空间调制相比传统的多天线技术具有更高的能量效率。将这一思想推广到接收天线上，即为基于接收端的空间调制技术。在多用户多输入多输出系统中，下行链路的广播通信的干扰主要来自多用户间的干扰，采用块对角化对发送信息进行预编码处理可以成功的消除多用户干扰。这一预编码处理方式与接收端的空间调制技术中的预编码处理方式基本一致，因此只需要将发送信息映射成接收天线索引和调制星座点两部分符号，并引入矢量扰动技术，实现了接收端的空间调制，各个用户可以从这个已调信息，中解调得到对应的正确的接收信号，并且此时用户端的信号检测是一个单用户单天线信号检测问题，能够很大程度的降低接收端的复杂度。

参照附图2，对本发明实现步骤如下：

步骤1，基站求解预编码矩阵F。

基站利用信道矩阵P，完成块对角化，得到预编码矩阵F。

(1a)求解信道矩阵P的广义逆矩阵M：

在多输入多输出系统中，预编码矩阵F可以通过信道矩阵P的广义逆矩阵M得到。首先信道矩阵P是一个Y行X列的矩阵，其广义逆矩阵M是一个X行Y列的矩阵，当收发天线数量满足发送天线数远远大于接收天线数的情况时，广义逆矩阵M的求解过程会带来非常大的计算复杂度，而在这样的多输入多输出系统中，信道矩阵P是近似行正交的，因此可以得到广义逆矩阵M和信道矩阵P的关系如下：

$M\≈\frac{P^H}{X},$

其中，X表示基站配置的发送天线数，上标H表示矩阵的共轭转置。因此广义逆矩阵M可以通过信道矩阵P的共轭转置矩阵得到，可以大大降低求解广义逆矩阵M带来的计算复杂度；信道矩阵P中的每个元素在独立同分布的瑞利信道下，均服从均值为0，方差为1的复高斯分布；

(1b)通过广义逆矩阵M求得预编码矩阵F：

由广义逆矩阵M的第(i-1)N_i+1列到第iN_i列构成第i个用户的预编码矩阵F_i，且i＝1,2,...,K，将这些预编码矩阵组合，得到发送端的预编码矩阵F：

$F={\[F_1^T,F_2^T,...,F_i^T,...,,F_K^T\]}^T;$

步骤2，基站利用预编码矩阵F，通过矢量扰动，采用接收端空间调制技术完成对发送信息的调制，得到已调信息。基站对预编码信息采用基于接收端的空间调制技术，完成对预编码信息的调制，得到已调信息。

(2a)将发送信号映射成两部分信息：

本发明采用基于接收端的空间调制技术，将发送信号映射成两部分信息，一部分是接收天线索引，另一部分则调制成传统的星座符号，以第i个用户为例，它们的信息比特长度满足如下关系：

l＝l₁+l₂

l₁＝log₂N_i

l₂＝log₂m

其中，l表示发送信息比特的长度，l₁表示接收天线索引符号信息比特的长度，l₂表示传统调制星座符号信息比特的长度，N_i表示第i个用户配置的接收天线数，m表示调制星座的大小；

(2b)将发送信息按照上述(2a)的映射关系映射成长度为Y的信息，实现基于接收端的空间调制，得到预编码空间调制信号；

(2c)对预编码空间调制信息进行矢量扰动，并和预编码矩阵F相乘后得到已调信息，其中矢量扰动技术中的扰动矢量，通过球形译码算法可以得到。

步骤3，基站将已调信息广播给小区中的K个用户。

步骤4，接收端的K个用户对接收到的信息进行解调，分别得到各自需要的信息，完成这一通信过程。

已调信息在经过下行链路传输后，基于步骤1中预编码矩阵F的设计原理，用户端的信号检测是一个单用户单天线信号检测，各个用户收到的信息即为用户各自需要接收到的信息比特，因此检测时，接收端只需直接对该信息进行最大似然检测即可恢复发送信息。

对本发明的效果可通过以下仿真做进一步的描述：

1.仿真条件：

本发明在C++平台上仿真得到仿真数据，在Matlab平台上，得到仿真图。

本发明对提出的基于接收端空间调制的多用户下行传输方法进行了仿真。在图1所示的场景中，对不同的收发天线数量，用户数量以及谱效率为例，在独立同分布瑞利衰落信道下进行了对比仿真。

2.仿真内容：

仿真1，在图1所示的场景中，多输入多输出系统的配置为：用户数量K＝2，每个用户端的接收天线数N_i＝4，基站的发送天线数为N_t＝8/16/32，谱效率为4bits。在独立同分布瑞利衰落信道下，分别用传统的基于垂直分层空时编码的预处理方法和本发明中提到的基于预编码的空间调制的预处理方法实现基站到多个用户的信息传输，二者的预处理方法均采用广义逆矩阵的方式得到预编码矩阵F，在传统的方案中，每根接收天线均采用BPSK调制方式，在本发明提出的方案中，由于N_i＝4，因此对每个用户而言，4bits信息中的前两个比特用来选定接收天线，而剩余的两个比特则采用QPSK调制映射到相应的星座点，并对二者的端到端误码性能进行了对比，结果如图3所示，图中横坐标SNR(dB)均表示信噪比，单位为分贝dB，纵坐标BER表示误比特率。

图3中带菱形的虚线表示在N_t＝8时，使用本发明中提出的方法完成基站到多用户下行链路通信时，所有用户收到的信息的误码率性能仿真曲线。

图3中带十字形的实线表示在N_t＝8时，使用传统的方法完成基站到多用户下行链路通信时，所有用户收到的信息的误码率性能仿真曲线。

图3中带三角形的虚线表示在N_t＝16时，使用本发明中提出的方法完成基站到多用户下行链路通信时，所有用户收到的信息的误码率性能仿真曲线。

图3中带五角星形的实线表示在N_t＝16时，使用传统的方法完成基站到多用户下行链路通信时，所有用户收到的信息的误码率性能仿真曲线。

图3中带圆形的虚线表示在N_t＝32时，使用本发明中提出的方法完成基站到多用户下行链路通信时，所有用户收到的信息的误码率性能仿真曲线。

图3中带正方形的实线表示在N_t＝32时，使用传统的方法完成基站到多用户下行链路通信时，所有用户收到的信息的误码率性能仿真曲线；

由图3可以看出，当多输入多输出系统中，发送天线数越来越大时，本发明中提出的方法与传统的方法得到的误码性能均越来越好，但是本发明的性能增益明显更大，例如当端到端误码率均达到10^-5数量级，发送天线数从16增加到32，传统方法的误码性增益提高了约8dB，而本发明中提出的方法的误码性增益提高了约10.6dB。因此可见，当发送天线数较大时，本发明所提的方法相比于传统的方法具有更低的误比特率。

仿真2，在图1所示的场景中，多输入多输出系统的配置为：用户数量K＝2，每个用户端的接收天线数N_i＝4，基站的发送天线数为N_t＝8/16/32，谱效率为8bits。在独立同分布瑞利衰落信道下，分别用传统的基于垂直分层空时编码的预处理方法和本发明中提到的基于预编码的空间调制的预处理方法实现基站到多个用户的信息传输，二者的预处理方法均采用广义逆矩阵的方式得到预编码矩阵F，在传统的方案中，每根接收天线均采用QPSK调制方式，在本发明提出的方案中，由于N_i＝4，因此对每个用户而言，8bits信息中的前两个比特用来选定接收天线，而剩余的6比特则采用64-QAM调制方式来传递信息，并对二者的端到端误码性能进行了对比，结果如图4所示,图中横坐标SNR(dB)均表示信噪比，单位为分贝dB，纵坐标BER表示误比特率。

图4中带菱形的虚线表示在N_t＝8时，使用本发明中提出的方法完成基站到多用户下行链路通信时，所有用户收到的信息的误码率性能仿真曲线。

图4中带十字形的实线表示在N_t＝8时，使用传统的方法完成基站到多用户下行链路通信时，所有用户收到的信息的误码率性能仿真曲线。

图4中带三角形的虚线表示在N_t＝16时，使用本发明中提出的方法完成基站到多用户下行链路通信时，所有用户收到的信息的误码率性能仿真曲线。

图4中带五角星形的实线表示在N_t＝16时，使用传统的方法完成基站到多用户下行链路通信时，所有用户收到的信息的误码率性能仿真曲线。

图4中带圆形的虚线表示在N_t＝32时，使用本发明中提出的方法完成基站到多用户下行链路通信时，所有用户收到的信息的误码率性能仿真曲线。

图4中带正方形的实线表示在N_t＝32时，使用传统的方法完成基站到多用户下行链路通信时，所有用户收到的信息的误码率性能仿真曲线；

由图4可以看出，当多输入多输出系统中，发送天线数越来越大时，本发明中提出的方法与传统的方法得到的误码性能均越来越好，但是此时在相同的发送天线配置下，传统方案的误码性能均比本发明中提出的方案好，但对比图3可以看出，在谱效率较低时，本发明提出的方法具有更明显的优势。因此可见，当发送天线数较大，且谱效率较低时，本发明所提的方法相比于传统的方法具有更低的误比特率。

仿真3，在图1所示的场景中，多输入多输出系统的配置为：用户数量K＝2，每个用户端的接收天线数N_i＝4，基站的发送天线数为N_t＝128，谱效率为4bits。在独立同分布瑞利衰落信道下，分别用传统的基于垂直分层空时编码的预处理方法和本发明中提到的基于预编码的空间调制的预处理方法实现基站到多个用户的信息传输，二者的预处理方法均考虑采用广义逆矩阵的方式以及采用转置矩阵的方式得到预编码矩阵F，并对二者的端到端误码性能进行了对比，结果如图5所示，图中横坐标SNR(dB)均表示信噪比，单位为分贝dB，纵坐标BER表示误比特率。

图5中带菱形的虚线表示预处理采用转置矩阵的方式得到预编码矩阵F时，使用本发明中提出的方法完成基站到多用户下行链路通信时，所有用户收到的信息的误码率性能仿真曲线。

图5中带十字形的实线表示表示预处理采用转置矩阵的方式得到预编码矩阵F时，使用传统的方法完成基站到多用户下行链路通信时，所有用户收到的信息的误码率性能仿真曲线。

图5中带五角星形的虚线表示预处理采用广义逆矩阵的方式得到预编码矩阵F时，使用本发明中提出的方法完成基站到多用户下行链路通信时，所有用户收到的信息的误码率性能仿真曲线。

图5中带三角形的实线表示预处理采用广义逆矩阵的方式得到预编码矩阵F时，使用传统的方法完成基站到多用户下行链路通信时，所有用户收到的信息的误码率性能仿真曲线。

由图5可以看出，当多输入多输出系统中，当发送天线数远大于接收天线数时，本发明中提出的采用转置矩阵的方式求解预编码矩阵F与传统的通过广义逆矩阵的方式求解预编码矩阵F的方法相比，不论是在本发明提出的基于预编码的空间调制的方法还是传统的基于垂直分层空时编码方法，采用转置矩阵的方式减少了计算复杂度，同时性能没有太大的损失，且当BER＝10^-3时，本发明提出的方法相比于传统的方法有3dB的性能增益。因此可见，本发明中提出的采用转置矩阵的方式求解预编码矩阵F的方法是可行的。

Claims (3)

1.一种基于接收端空间调制的多用户下行传输方法，其特征在于，包括步骤如下：

(1)基站利用信道矩阵P，完成块对角化，得到预编码矩阵F：

(1a)当基站配置的发送天线数远大于K个用户配置的总接收天线数时，求解信道矩阵P的广义逆矩阵M：

$M\≈\frac{P^H}{X},$

其中，X表示基站配置的发送天线数，上标H表示矩阵的共轭转置；

(1b)由广义逆矩阵M的第(i-1)N_i+1列到第iN_i列构成第i个用户的预编码矩阵F_i，且i＝1,2,...,K，将这些预编码矩阵组合，得到发送端的预编码矩阵F：其中N_i表示第i个用户配置的接收天线数，上标T表示矩阵的转置；

(2)基站利用预编码矩阵F，通过矢量扰动，采用接收端空间调制技术完成对发送信息的调制，得到已调信息：

(2a)将发送信息的前l₁个比特映射成接收天线索引符号，其中l₁＝log₂N_i；

(2b)将发送信息中剩余的比特映射成调制符号，实现基于接收端的空间调制，得到预编码空间调制信息；

(2c)对预编码空间调制信息进行矢量扰动，并和预编码矩阵F相乘后得到已调信息；

(3)基站将已调信息广播发送给小区中的K个用户；

(4)K个用户对各自接收到的信息进行解调，分别得到需要的信息，完成下行传输过程。

2.根据权利要求1所述的基于接收端空间调制的多用户下行传输方法，其特征在于，步骤(2c)中矢量扰动技术中的扰动矢量，通过球形译码算法得到。

3.根据权利要求1所述的基于接收端空间调制的多用户下行传输方法，其特征在于，步骤(4)中K个用户对各自接收到的信息进行解调，采用单输入单输出的最大似然检测对接收到的信息进行解调。