CN106160808A - 一种多用户mimo系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多用户MIMO系统及方法。所述多用户MIMO系统包括K个移动设备和一个基站，每个移动设备配置M根天线，所述基站包括：探测帧发送模块，用于生成探测帧并广播发送给所述移动设备；反馈矩阵获取模块，用于获取所有所述移动设备发送的反馈矩阵，所述反馈矩阵中包括所述移动设备的反馈信道特征信息；控制矩阵生成模块，针对每一个移动设备，分别利用除自身的反馈矩阵外的所有反馈矩阵生成一个控制子矩阵，将所有的控制子矩阵组合成控制矩阵。本发明的技术方案在多用户下行传输场景中，针对用户信道特征值反馈的场景，所提出的生成波束赋型控制矩阵的方法，解决了特征值反馈场景中，控制矩阵难生成的问题。

Description

一种多用户MIMO系统及方法
技术领域
本发明涉及一种通信技术，特别是涉及一种多用户MIMO系统及方法。
背景技术
MIMO技术已经成为下一代无线通信系统的关键技术之一。为了进一步提高传输效率，在实际应用中，MIMO系统往往需要一个基站(Base Station，BS)同时和多个移动台(MobileStation，MS)之间进行通信，比如最常见的蜂窝系统和无线局域网(Wireless Local AreaNetwork，WLAN)等，即有关点对多点的多用户MIMO(Multi-user MIMO)系统。多用户MIMO上行链路通常被称作多址接入信道，下行链路则为广播信道。在上行链路中，所有用户工作在相同的频段上，向同一个基站发送信号，然后基站通过适当的方法来区分用户数据，主要问题是基站如何针对不同的多址接入方式采用阵列处理、多用户检测或者其他有效方法来分离各个用户的数据。下行链路中，基站将通过处理的数据串并转换成多个数据流，每一路数据流经脉冲成形、调制，然后通过多根天线同时发送到无线空间，每一个接收天线接收到的是基站发送给所有通信用户的信号与干扰噪声的叠加，主要问题是如何消除由此带来的多址干扰。
与单用户MIMO不同的是，多用户MIMO系统的容量是一个多维的区域。假设总的发送功率一定，对于不同用户有可能分配不同的功率，从而产生许多不同的信息速率，结果就形成了以用户数目为维数的信道容量区域。例如，对于K个用户，信道容量区域则用K维的容量来表示。由于多用户MIMO系统中各用户的信道彼此独立，因此，用户一般能够知道自己的信道状态信息，却很难获得其他用户的信道信息，而获得其他用户信道信息需要付出很大的代价。也就是说用户之间很难进行协作。与此相反，基站有条件获得所有通信用户的信道状态信息，对于时分双工系统，这可由基站接收的上行链路的训练或者导频序列来获得，对于频分双工系统则可以通过反馈获得。另外，基站的处理能力也要比移动台强得多，因此一般都是由基站在发射信号前做信号预处理(比如波束赋型)，以消除、抑制干扰或者在接收到信号之后进行后处理来区分用户。MU-MIMO场景下，基站首先发送测量帧，用户根据测量帧测量信道后，将信道矩阵反馈至基站。反馈的方式包括完整信道信息和信道特征值反馈。基于用户反馈完整的信道信息(以信道矩阵的形式表示)设计的，需要反馈的信息量比较大，会带来较大的传输延时。使用反馈信道特征信息的方法，可以降低反馈的信息量。但由于反馈信息较少，较难生成合适的波束赋型控制矩阵。基站将在发射信号前根据波束赋型控制矩阵做信号预处理(比如波束赋型)，以消除、抑制用户间的信号干扰。
鉴于此，如何找到一种应用于多用户MIMO系统的通过较少反馈信息生成合适的控制矩阵的方法成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种多用户MIMO系统及方法，用于解决现有技术中生成控制矩阵需要反馈的信息量比较大的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种多用户MIMO系统，所述多用户MIMO系统包括K个移动设备和一个基站，每个移动设备配置M根天线，所述基站包括：探测帧发送模块，用于生成探测帧并广播发送给所述移动设备；反馈矩阵获取模块，用于获取所有所述移动设备发送的反馈矩阵，所述反馈矩阵Vi中包括所述移动设备i的反馈信道特征信息；控制矩阵生成模块，针对每一个移动设备i，分别利用除Vi外的所有反馈矩阵生成一个控制子矩阵Qi，将所有的控制子矩阵Qi组合成控制矩阵Q，Q＝[Q1 Q2 … QK]。
可选地，所述控制子矩阵Qi的生成方法包括：设Ci为除Vi之外所有反馈矩阵的组合，Ci＝[V1 V2 … Vi-1 Vi+1 … VK]，对Ci的共轭转置矩阵进行奇异值分解，得到所述共轭转置矩阵的特征矩阵，并取其后M列作为移动设备i的波束赋型控制矩阵Qi。
可选地，所述反馈矩阵获取模块接收移动设备的压缩数据，对所述压缩数据进行解压得到所述移动设备的反馈矩阵。
本发明还提供一种多用户MIMO系统，所述多用户MIMO系统包括K个移动设备和一个基站，每个移动设备配置M根天线，所述移动设备包括：反馈矩阵生成模块，用于接收所述基站发送的探测帧，并根据所述探测帧进行信道估计得到信道矩阵，根据所述信道矩阵生成反馈矩阵；反馈矩阵发送模块，用于将所述反馈矩阵发送给所述基站。
可选地，所述反馈矩阵的生成方法包括：移动设备对所述信道矩阵进行奇异值分解得到所述信道矩阵的特征矩阵，取其前M列作为移动设备的反馈矩阵。
可选地，所述反馈矩阵发送模块对所述移动设备的反馈矩阵进行压缩得到压缩数据后，将所述压缩数据发送给所述基站。
本发明还提供一种多用户MIMO方法，应用于包括K个移动设备和一个基站，每个移动设备配置M根天线的多用户MIMO系统中，所述多用户MIMO方法包括：基站生成探测帧并广播发送给所有移动设备；移动设备接收所述基站发送的探测帧，并根据所述探测帧进行信道估计得到信道矩阵，根据所述信道矩阵生成反馈矩阵，将所述反馈矩阵发送给基站；基站获取所有所述移动设备发送的反馈矩阵，所述反馈矩阵Vi中包括所述移动设备i的反馈信道特征信息；基站针对每一个移动设备i，分别利用除所述移动设备i发送的反馈矩阵Vi外的所有反馈矩阵生成一个控制子矩阵Qi，将所有的控制子矩阵Qi组合成控制矩阵Q，Q＝[Q1 Q2 …QK]。
可选地，所述反馈矩阵的生成方法包括：移动设备对所述信道矩阵进行奇异值分解得到所述信道矩阵的特征矩阵，取其前M列作为移动设备的反馈矩阵。
可选地，所述控制子矩阵Qi的生成方法包括：设Ci为除Vi之外所有反馈矩阵的组合，Ci＝[V1 V2 … Vi-1 Vi+1 … VK]，对Ci的共轭转置矩阵进行奇异值分解，得到所述共轭转置矩阵的特征矩阵，并取其后M列作为移动设备i的波束赋型控制矩阵Qi。
可选地，所述移动设备对反馈矩阵进行压缩后发送给所述基站，所述基站对所接收的数据解压得到所述移动设备的反馈矩阵。
可选地，所述多用户MIMO方法还包括：基站将待发送信号与所述波束赋型控制矩阵相乘后发送。
如上所述，本发明的一种多用户MIMO系统及方法，具有以下有益效果：在多用户下行传输场景中，针对用户信道特征值反馈的场景，所提出的生成波束赋型控制矩阵的方法，解决了特征值反馈场景中，控制矩阵难生成的问题。
附图说明
图1显示为本发明的多用户MIMO系统的一实施例的模块示意图。
图2显示为本发明的多用户MIMO方法的一实施例的流程示意图。
元件标号说明
1 多用户MIMO系统
11 基站
111 探测帧发送模块
112 反馈矩阵获取模块
113 控制矩阵生成模块
12 移动设备
121 反馈矩阵生成模块
122 反馈矩阵发送模块
S1～S4 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明提供一种多用户MIMO系统。在一个实施例中，如图1所示，所述多用户MIMO系统1包括K个移动设备(也可称为移动终端)12和一个基站11，每个移动设备12配置M根天线。其中，K为任一自然数，M为任一自然数。所述基站11包括探测帧发送模块111、反馈矩阵获取模块112以及控制矩阵生成模块113。其中：
探测帧发送模块111用于生成探测帧并广播发送给所述移动设备。所述探测帧用于供所述移动设备测量信道。基站广播发送探测帧，每个移动设备都能收到所述探测帧，并根据所述探测帧确定信道矩阵，并将信道矩阵反馈给基站。移动设备反馈的方式包括完整信道信息和信道特征值反馈，本发明中移动设备反馈的方式为信道特征值反馈，以反馈矩阵的形式反馈给基站。
反馈矩阵获取模块112用于获取所有所述移动设备发送的反馈矩阵，所述反馈矩阵Vi中包括所述移动设备i的反馈信道特征信息。具体地，反馈矩阵获取模块接收到所有所述移动设备发送的反馈矩阵信息，反馈矩阵获取模块接收到每一个移动设备都将该移动设备发送给基站的反馈矩阵信息，其中，移动设备i的反馈矩阵Vi中包括所述移动设备i的反馈信道特征信息。
控制矩阵生成模块113针对每一个移动设备i，分别利用除Vi外的所有反馈矩阵生成一个控制子矩阵Qi，将所有的控制子矩阵Qi组合成控制矩阵Q(该矩阵有M行，(K-1)*M列)，Q＝[Q1 Q2 … QK]。在一个实施例中，所述反馈矩阵的生成方法包括：移动设备对所述信道矩阵进行奇异值分解得到所述信道矩阵的特征矩阵，取其前M列作为移动设备的反馈矩阵。在一个实施例中，所述控制子矩阵Qi的生成方法包括：设Ci为除Vi之外所有反馈矩阵的组合，Ci＝[V1 V2 … Vi-1 Vi+1 … VK]，对Ci的共轭转置矩阵进行奇异值分解，得到所述共轭转置矩阵的特征矩阵，并取其后M列作为移动设备i的波束赋型控制矩阵Qi。奇异值分解(Singular Value Decomposition)是线性代数中一种重要的矩阵分解，是矩阵分析中正规矩阵酉对角化的推广。假设M是一个m×n阶矩阵，其中的元素全部属于域K，也就是实数域或复数域。如此则存在一个分解使得M＝UΣV*，其中U是m×m阶酉矩阵；Σ是半正定m×n阶对角矩阵；而V*，即V的共轭转置，是n×n阶酉矩阵。这样的分解就称作M的奇异值分解。Σ对角线上的元素Σi,i即为M的奇异值。
在一个实施例中，所述反馈矩阵获取模块接收移动设备的压缩数据，对所述压缩数据进行解压得到所述移动设备的反馈矩阵。
本发明还提供一种多用户MIMO系统。在一个实施例中，如图1所示，所述多用户MIMO系统1包括K个移动设备12和一个基站11，每个移动设备12配置M根天线。其中，K为任一自然数，M为任一自然数。所述移动设备12包括反馈矩阵生成模块121以及反馈矩阵发送模块122。其中：
反馈矩阵生成模块121用于接收所述基站发送的探测帧，并根据所述探测帧进行信道估计得到信道矩阵，根据所述信道矩阵生成反馈矩阵。在一个实施例中，所述反馈矩阵的生成方法包括：移动设备对所述信道矩阵进行奇异值分解得到所述信道矩阵的特征矩阵，取其前M列作为移动设备的反馈矩阵。各个移动设备接收到探测帧之后分别进行信道估计得到各自的信道矩阵Hi。移动设备对信道矩阵进行奇异值分解得到特征矩阵，取其前M列作为反馈矩阵Vi，对Vi以角度的形式进行压缩后返回给基站AP。基站AP收到各个移动设备回传的信息，解压缩后得到各移动设备的反馈矩阵。
反馈矩阵发送模块122用于将所述反馈矩阵发送给所述基站。在一个实施例中，所述反馈矩阵发送模块122对所述移动设备的反馈矩阵进行压缩得到压缩数据后，将所述压缩数据发送给所述基站11。
本发明还提供一种多用户MIMO系统。在一个实施例中，如图1所示，所述多用户MIMO系统1包括K个移动设备12和一个基站11，每个移动设备12配置M根天线。多用户MIMO系统包括如上所述的基站11以及移动设备12。所述基站11包括探测帧发送模块111、反馈矩阵获取模块112以及控制矩阵生成模块113。所述移动设备12包括反馈矩阵生成模块121以及反馈矩阵发送模块122。
本发明还提供一种多用户MIMO方法，应用于包括K个移动设备和一个基站，每个移动设备配置M根天线的多用户MIMO系统中。其中，K为任一自然数，M为任一自然数。在一个实施例中，如图2所示，所述多用户MIMO方法包括：
步骤S1，基站生成探测帧并广播发送给所有移动设备。基站广播发送探测帧，每个移动设备都能收到所述探测帧。
步骤S2，移动设备接收所述基站发送的探测帧，并根据所述探测帧进行信道估计得到信道矩阵，根据所述信道矩阵生成反馈矩阵，将所述反馈矩阵发送给基站。每个移动设备接收所述基站发送的探测帧，都根据所述探测帧进行信道估计得到各自的信道矩阵，根据所述信道矩阵生成反馈矩阵。在一个实施例中，所述反馈矩阵的生成方法包括：移动设备对所述信道矩阵进行奇异值分解得到所述信道矩阵的特征矩阵，取其前M列作为移动设备的反馈矩阵。各个移动设备接收到探测帧之后分别进行信道估计得到各自的信道矩阵Hi。移动设备对信道矩阵进行奇异值分解得到特征矩阵，取其前M列作为反馈矩阵Vi，对Vi以角度的形式进行压缩后返回给基站AP。基站AP收到各个移动设备回传的信息，解压缩后得到各移动设备的反馈矩阵。移动设备将各自的反馈矩阵发送给所述基站。在一个实施例中，所述移动设备对所述移动设备的反馈矩阵进行压缩得到压缩数据后，将所述压缩数据发送给所述基站。
步骤S3，基站获取所有所述移动设备发送的反馈矩阵，所述反馈矩阵Vi中包括所述移动设备i的反馈信道特征信息。在一个实施例中，所述基站接收各个移动设备的压缩数据，对所述压缩数据进行解压得到所述移动设备的反馈矩阵。
步骤S4，基站针对每一个移动设备i，分别利用除所述移动设备i发送的反馈矩阵Vi外的所有反馈矩阵生成一个控制子矩阵Qi，将所有的控制子矩阵Qi组合成控制矩阵Q，Q＝[Q1 Q2 … QK]。所述反馈矩阵的生成方法包括：移动设备对所述信道矩阵进行奇异值分解得到所述信道矩阵的特征矩阵，取其前M列作为移动设备的反馈矩阵。在一个实施例中，所述控制子矩阵Qi的生成方法包括：设Ci为除Vi之外所有反馈矩阵的组合，Ci＝[V1 V2 … Vi-1 Vi+1 … VK]，对Ci的共轭转置矩阵进行奇异值分解，得到所述共轭转置矩阵的特征矩阵，并取其后M列作为移动设备i的波束赋型控制矩阵Qi。奇异值分解(Singular Value Decomposition)是线性代数中一种重要的矩阵分解，是矩阵分析中正规矩阵酉对角化的推广。假设M是一个m×n阶矩阵，其中的元素全部属于域K，也就是实数域或复数域。如此则存在一个分解使得M＝UΣV*，其中U是m×m阶酉矩阵；Σ是半正定m×n阶对角矩阵；而V*，即V的共轭转置，是n×n阶酉矩阵。这样的分解就称作M的奇异值分解。Σ对角线上的元素Σi,i即为M的奇异值。
在一个实施例中，所述多用户MIMO方法还包括：基站将待发送信号与所述波束赋型控制矩阵相乘后发送。具体地，基站的接入节点(Access Point，AP)配备了N根天线，每个用户配备M根天线，AP和移动设备的天线数满足条件N＝KM。设发送给移动设备i的信号为si，因此AP要发送的信号可以表示为 s = s 1 T s 2 T . . . s K T T . 其中，s为N×1维矩阵，si为M×1维矩阵，对应要发送给各个移动设备的数据流。基站在信号被发送到无线信道之前，需要将信号与波束赋型控制矩阵相乘，从而使得信号的发送具有方向性。波束赋型控制矩阵可表示为Q＝[Q1 Q2 … QK]。其中Qi为对应移动设备i的控制矩阵。乘上控制矩阵后，要发送的等效信号为s′＝Qs。因此，对于移动设备i接收到的信号可表示为 r i = H i s ′ + n i = H i Qs + n i = H i Q i s i + Σ k = 1 , k ≠ i K H i Q k s k + n i . 其中，Hi为基站到移动设备i的下行信道矩阵，其维度为M×N。这一项为多用户下行传输系统中的移动设备间干扰。控制矩阵Q＝[Q1 Q2 … QK]满足因此能够消除移动设备间的干扰。
综上所述，本发明的一种多用户MIMO系统及方法在多用户下行传输场景中，针对用户信道特征值反馈的场景，所提出的生成波束赋型控制矩阵的方法，解决了特征值反馈场景中，控制矩阵难生成的问题。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种多用户MIMO系统，其特征在于，所述多用户MIMO系统包括K个移动设备和一个基站，每个移动设备配置M根天线，所述基站包括：
探测帧发送模块，用于生成探测帧并广播发送给所述移动设备；
反馈矩阵获取模块，用于获取所有所述移动设备发送的反馈矩阵，所述反馈矩阵Vi中包括所述移动设备i的反馈信道特征信息；
控制矩阵生成模块，针对每一个移动设备i，分别利用除Vi外的所有反馈矩阵生成一个控制子矩阵Qi，将所有的控制子矩阵Qi组合成控制矩阵Q，Q＝[Q1 Q2 … QK]。
2.根据权利要求1所述的多用户MIMO系统，其特征在于：所述控制子矩阵Qi的生成方法包括：设Ci为除Vi之外所有反馈矩阵的组合，Ci＝[V1 V2 … Vi-1 Vi+1 … VK]，对Ci的共轭转置矩阵进行奇异值分解，得到所述共轭转置矩阵的特征矩阵，并取其后M列作为移动设备i的波束赋型控制矩阵Qi。
3.一种多用户MIMO系统，其特征在于：所述多用户MIMO系统包括K个移动设备和一个基站，每个移动设备配置M根天线，所述移动设备包括：
反馈矩阵生成模块，用于接收所述基站发送的探测帧，并根据所述探测帧进行信道估计得到信道矩阵，根据所述信道矩阵生成反馈矩阵；
反馈矩阵发送模块，用于将所述反馈矩阵发送给所述基站。
4.根据权利要求3所述的多用户MIMO系统，其特征在于：反馈矩阵的生成方法包括：移动设备对所述信道矩阵进行奇异值分解得到所述信道矩阵的特征矩阵，取其前M列作为移动设备的反馈矩阵。
5.一种多用户MIMO系统，其特征在于：所述多用户MIMO系统包括K个如权利要求3或4所述的移动设备和一个如权利要求1或2所述的基站，每个移动设备配置M根天线。
6.一种多用户MIMO方法，应用于包括K个移动设备和一个基站，每个移动设备配置M根天线的多用户MIMO系统中，其特征在于：所述多用户MIMO方法包括：
基站生成探测帧并广播发送给所有移动设备；
移动设备接收所述基站发送的探测帧，并根据所述探测帧进行信道估计得到信道矩阵，根据所述信道矩阵生成反馈矩阵，将所述反馈矩阵发送给基站；
基站获取所有所述移动设备发送的反馈矩阵，所述反馈矩阵Vi中包括所述移动设备i的反馈信道特征信息；
基站针对每一个移动设备i，分别利用除所述移动设备i发送的反馈矩阵Vi外的所有反馈矩阵生成一个控制子矩阵Qi，将所有的控制子矩阵Qi组合成控制矩阵Q，Q＝[Q1 Q2 … QK]。
7.根据权利要求6所述的多用户MIMO方法，其特征在于：所述反馈矩阵的生成方法包括：移动设备对所述信道矩阵进行奇异值分解得到所述信道矩阵的特征矩阵，取其前M列作为移动设备的反馈矩阵。
8.根据权利要求6所述的多用户MIMO方法，其特征在于：所述控制子矩阵Qi的生成方法包括：设Ci为除Vi之外所有反馈矩阵的组合，Ci＝[V1 V2 … Vi-1 Vi+1 … VK]，对Ci的共轭转置矩阵进行奇异值分解，得到所述共轭转置矩阵的特征矩阵，并取其后M列作为移动设备i的波束赋型控制矩阵Qi。
9.根据权利要求6所述的多用户MIMO方法，其特征在于：所述移动设备对反馈矩阵进行压缩后发送给所述基站，所述基站对所接收的数据解压得到所述移动设备的反馈矩阵。
10.根据权利要求6所述的多用户MIMO方法，其特征在于：所述多用户MIMO方法还包括：基站将待发送信号与所述波束赋型控制矩阵相乘后发送。
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