CN106899339A - Mimo通信系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种MIMO通信系统，所述MIMO通信系统包括至少一个用户设备和与所述至少一个用户设备协作通信的M个基站，M为大于或等于2的整数，对于每个用户设备，MIMO通信系统，包括：第一预编码矩阵产生单元，用于对每个基站进行第一级MIMO预编码处理，获取各个基站对应的各个第一级预编码矩阵；以及第二至第X级的预编码矩阵产生单元，被配置为顺序地执行第二级至第X级的MIMO预编码处理，以获取相应的第二级至第X级的预编码矩阵基站。

Description

MIMO通信系统及其方法

技术领域

本发明一般涉及无线通信领域，具体涉及一种MIMO(MULTIPLE-INPUT MULTIPLE-OUTPUT)通信系统及其方法。

背景技术

MIMO通信系统已经快速发展到现在。先前的第二代移动通信系统GSM朝着诸如具有改进的数据速率的通用分组无线业务(GPRS)，EDGE技术不断地演进，极大地增强了系统的数据传输能力。具有较高传输速率的第三代移动通信系统例如宽带码分多址(WCDMA，CDMA2000等)已经在世界上许多国家和地区使用并投入商业使用。在蜂窝通信技术的发展的同时，诸如无线局域网(WLAN)和全球微波接入互操作性(WiMAX)之类的其他无线接入技术也已经被快速开发。此外，还开始了IEEE 802.16m和第三代合作伙伴计划长期演进(3GPPLTE)，第三代合作伙伴计划长期演进高级(3GPP LTE+)等的第四移动通信系统导向技术，并且进入研发水平。

对高速多媒体通信和用于高速无线互联网的接入服务的需求已经快速地增加，并且无线频谱资源受到限制，因此，等待解决的问题是如何充分地提高传输速率，通信系统和频谱利用率。考虑到多天线技术可以提高传输容量或信号质量，上述各种系统都采用多天线技术，甚至包括从基站到移动站的8个发射天线和8个接收天线的天线模式已经在3GPPLTE-Advanced系统和IEEE802.16m中定义。

多天线系统的空时处理技术主要包括空间复用和空间分集等。空间分集是通过空时编码将数据划分为多个数据子流，并且通过多个天线发送数据子流，并通过在发送天线之间的时域中引入编码冗余来获取分集增益。空间复用是在发送天线上发送单独的信息流，并且由接收终端使用干扰抑制进行解码，从而实现最大速率。一般来说，空间复用技术可以用于增强MIMO通信系统的吞吐量，而空间分集技术可以用于扩大MIMO通信系统的覆盖。

在MIMO通信系统中，由于距离服务基站较远，小区边缘的用户从服务基站接收到较弱的信号，并且受到来自附近小区中的基站的信号的大干扰，从而恶化了小区边缘处的用户的系统吞吐量。

发明内容

本发明提供了一种MIMO通信系统，所述MIMO通信系统包括至少一个用户设备和与所述至少一个用户设备协作通信的M个基站，M是大于或等于2的整数，对于每个用户设备，所述MIMO通信系统包括：第一预编码矩阵生成单元，用于对每个基站进行第一级MIMO预编码处理，获取各个基站对应的各个第一级预编码矩阵；以及第二至第X级的预编码矩阵产生单元，被配置为顺序地执行第二级至第X级的MIMO预编码处理，以获取相应的第二级至第X级的预编码矩阵基站，X为大于等于2的整数，其中，所述第二至第X级预编码矩阵生成单元包括第X级预编码矩阵生成单元，用于将所述M个基站划分为Q组(X)，并且基于所获取的第一级到第(X-1)组，对Q(X)组基站执行第X级MIMO预编码水平的预编码矩阵，以获取所述Q个(X)基站组中的每组基站的第X级预编码矩阵，Q(X)是大于或等于等于1且小于或等于M。

本发明还提供了一种用于MIMO通信系统的方法，所述MIMO通信系统包括至少一个用户设备和与所述至少一个用户设备协作通信的M个基站，M是大于或等于2的整数所述方法包括：对每个用户设备进行以下处理：对每个基站进行第一级MIMO预编码处理，获取各个基站对应的各个第一级预编码矩阵；顺序执行第二级至第X级的MIMO预编码处理，以获取各个基站的第二级至第X级的预编码矩阵，X是大于或等于2的整数，其中在X M级预编码处理，M个基站被划分成Q个(X)组，并且对Q(X)组执行第X级MIMO预编码基站根据所获取的第一级至第(X-1)级的预编码矩阵，获取Qsup(X)中的每个基站组的第X级预编码矩阵，基站组，Q(X)是大于或等于1且小于或等于M的整数。

附图说明

参考下面结合附图的更详细的描述和权利要求，将更好地理解本发明的优点和特征，其中相同的元件用相同的附图标记表示，其中：

图1是示出根据本发明的实例，执行MIMO协作通信的系统的示意性简化视图。

图2是根据本发明实施例的MIMO通信系统中的MIMO协作通信方法的简化流程图。

图3A是图2所示方法中的第一级预编码步骤S210的具体实现的简化流程。

图3B是图2所示方法中的第一级预编码步骤S210的另一种具体实现的简化流程.

具体实施方式

用于实施本发明的最佳模式是根据其优选实施例提出的，这里在图1和图2中示出。然而，本发明不限于所描述的实施例，并且本领域技术人员将理解，在不偏离本发明的基本概念的情况下，本发明的许多其它实施例是可能的，并且任何这样的工作也将落入本发明的范围内。可以想象，本发明的其他样式和配置可以容易地并入本发明的教导中，并且为了清楚和公开的目的而不是为了限制范围，仅示出和描述一个特定配置。

本文中的术语“一个”不表示数量的限制，而是表示一个或多个所提及的项目的存在。

图1是示出根据本发明的实施例的执行MIMO协作通信的系统的示意性简化视图。虽然为了描述的简单起见，图1中的MIMO协作通信系统仅示出了包括3个基站和一个用户设备UE，每个基站对应于一个小区，每个基站包括三个发射天线，并且用户设备UE具有两个接收天线，系统的详细配置参数不应用于限制本发明。也就是说，根据本发明实施例的MIMO协作通信系统可以包括多于一个用户设备和与这些用户设备协作通信的M个(M是大于或等于2的整数)个基站，一个基站可以对应于多个小区，并且每个基站和用户设备可以拥有的天线的数量不限于图1所示的3和2。并且可以是根据系统的实际条件的任何数量。为了简单起见，当在下面提到基站或小区时，仅对基站进行描述。

将参照图1描述根据本发明实施例的在MIMO通信系统中执行MIMO协作通信的方法的流程。如图2所示。如图2所示，MIMO协作通信方法包括对MIMO通信系统中的每个用户设备执行步骤S210和步骤S220。在步骤S210中，对每个基站进行第一级MIMO预编码处理，获取每个基站对应的每个第一级预编码矩阵。在步骤S220中，依次执行第二级至第X级MIMO预编码处理，以获取各个基站的第二至第X级预编码矩阵，X为大于或等于在第X级MIMO预编码处理中，将M个基站划分为Q个(X)组，并且基于所获取的第一级到(X-1)级的预编码-编码矩阵，对Q(X)组基站执行第X级MIMO预编码，以获得Q组中每组基站的第X级预编码矩阵(X)组基站。这里，Q(X)是大于或等于1且小于或等于M的整数。

MIMO预编码是通常使用的空间复用技术，其通过在多个发射天线上同时发射多信道信号来提高传输速率。预编码意味着在信号的编码(或加权)之后执行信号的传输。在信号的预编码之后的信号的传输可以减少信号的各个信道之间的干扰。

图3A是图1所示方法中的第一级预编码步骤S210的具体实现的简化流程图。如图2所示。如图3A所示，M个基站中的第m个基站中的天线被划分为K个小组(K.sub.m是大于或等于1且小于或等于天线数目第m基站)。在步骤S320-1中，对每个基站对应的信道矩阵Hsub.1.m进行奇异值分解，得到Hsub.1.m＝U.sub.1.mV.sub.H。将矩阵V.1.m中的第L.1，m列视为对应于每个基站的每个第一级预编码矩阵P.sub.1。这里，m＝1,2……，M表示M个基站中每个基站的序列号。U.sub.1,m和V.sub.1,m是酉矩阵，并且S.sub.1,m是对角矩阵，并且其对角元素是对应于m阶的MIMO信道的子信道的信道增益，该信道位于第m个基站。“H”在V.sub.1,m.sup中，H表示哈密尔顿变换的运算，L.sub.1,m表示第m个基站中的K.sub.m天线组的等效天线的数量，其是大于或等于1且小于或等于用户设备的天线的数量的整数。

从上述可以看出，第一级预编码处理是为M个基站中的每个基站获取每个第一级预编码矩阵，该处理对应于进行划分的K.sub.m在第m个基站中的m个天线组中等效于L.sub.1,m天线，并且对所有M个基站执行相似的第一级预编码处理，以便为随后的MIMO预编码过程，降低了整个MIMO预编码过程的复杂度。等效天线的数量是通过将每个天线组的信道脉冲响应乘以与天线组相对应的预编码矩阵获得的矩阵的列的数量。

图3B是图1所示方法中的第一级预编码步骤S210的另一种具体实现的简化流程图。如图2所示。如图3B所示，将M个基站中的第m个基站中的天线分成K.sub.m组(K.sub.m是小于或等于1且小于或等于第m基站的天线数量)。在步骤S320-2中，对每个基站对应的信道矩阵Hs,m进行奇异值分解，得到H.sub.1,m＝U.sub.1,mS.sub.1,mV.sub.1,m.sup.H。在MIMO通信系统中将由矩阵V.sub.1,m中的第V.sub.1,m列组成的矩阵映射到预设码本中，将通过这种映射获取的码本向量作为每个第一级对应于每个基站的预编码矩阵P.sub.1,这里，m＝1,2……，M，表示M个基站中每个基站的序列号。U.sub.1,m和V.sub.1,m是酉矩阵，并且S.sub.1,m是对角矩阵，并且其对角元素是与m对应的MIMO信道的子信道的信道增益个基站。V.sub.1,m.sup.H中的“H”表示哈密尔顿变换的运算，并且m表示第m个天线组中的K.sub.m天线组的等效天线的数量基站，其是大于或等于1且小于或等于用户设备的天线的数量的整数。该第一级预编码处理还用于获取M个基站中的每个基站的每个第一级预编码矩阵，该处理对应于使第m个天线中的划分后的K个子天线组基站等效于L.sub.1,m个天线。对所有M个基站执行类似的第一级OF预编码处理。

可以容易地看出，图3中所示的第一级预编码处理图3A与图3A不同。图3B中：通过在图1所示的第一级预编码处理中对每个基站的信道矩阵执行奇异值分解(SVD)来获取相应的第一级预编码矩阵。在图3A中所示的第一级预编码处理中，通过基于码本的方法来获取每个基站的相应的第一级预编码矩阵。3B。

在奇异值分解(SVD)中，假设存在具有A行和B列的矩阵H·A×B，并且该矩阵当然可以用SVD分解为：H＝USV.sup.H。这里，U是具有A行和A列的酉矩阵，S是具有A行和B列的对角矩阵，V是具有B行和B列的酉矩阵，H＝USV中的“H”表示哈米尔顿变换的运算。SVD是数学和工程领域中众所周知的方法。例如，可以通过参考上述专利文献7来获得在通信领域中对SVD的介绍。由于SVD的内容不是本发明的主要关注点，因此将省略其详细描述这里。

码本是由通信系统预先设置的一组预编码矩阵。关于码本和基于码本的预编码的基本概念和原理在本领域中是公知的(参见例如上述专利参考文献8中的码本和基于码本的预编码的相关介绍)。由于关于码本和基于码本的预编码的基本概念和原理不是本发明主要涉及的，因此将省略其详细描述。

作为用于基于如图1所示的码本的第一级预编码的示例。如图3B所示，在上述步骤S320-2的映射处理中，可以在由矩阵V.sub.1，m中的第一L个列m个列和相应的预编码矩阵组成的矩阵之间执行相关运算，编码矩阵，对应于最大相关值的码本中的预编码矩阵可以作为每个基站对应的每个第一级预编码矩阵P×m，m。这种基于码本获取预编码矩阵的方法可以被称为“映射方法”。

接下来将给出在知道一个向量的情况下在已知的向量码本中选择一个向量的具体示例。

假设以下一个码本是已知的。

×××××××××××##EQU00001##

并且一个列向量b是已知的。b＝0.7731-0.8585i 0.7844-0.7874i-0.6107-0.0048i 0.0547+1.0837i。

执行用于获取模数的相关运算，即：C＝abs(b'*码本)＝[1.9270 0.4177 3.21191.0901]

从上面可以看出，通过在码本的第三列向量和向量b之间执行相关运算所获得的模的值最大，为3.2119。然后，码本的第三列向量是根据上述操作选择的向量。这里，C＝abs(b'*码本)指示首先进行相关运算，然后获取模数值，并且b'指列向量b的共轭变换。

此外，作为图1所示方法中的第一级预编码步骤S210的另一个具体实现(图中未示出)。如图2所示，可以基于对应于每个基站的信道矩阵H s，m，根据预定原理搜索MIMO通信系统的预设码本，并且将通过搜索获得的码本向量作为每个第一级预编码矩阵P m，m对应于每个基站。这里，m＝1,2……，M表示M个基站中每个基站的序列号。基于码本获取预编码矩阵的方法可以称为“穷举法”。可以根据需要根据针对接收信号的SNR(信噪比)最大化准则，最大似然准则，最小均方误差准则，信道容量最大准则等中的一个来执行码本搜索。

已经出于说明和描述的目的给出了本发明的具体实施例的前述描述。它们不是穷尽的或将本发明和使用方法限制到所公开的精确形式。显然，根据上述教导，许多修改和变化是可能的。选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，并且从而使得本领域的其他技术人员能够最佳地利用本发明以及具有适于预期的特定用途的各种修改的各种实施例。应当理解，在不脱离本发明的权利要求的精神或范围的情况下，可以设想等同物的各种省略或替代，因为环境可以建议或呈现权宜，而是旨在覆盖应用或实现。

Claims (10)

1.一种多输入多输出(MIMO)通信系统，其特征在于，包括至少一个用户设备和与所述至少一个用户设备协作通信的M个基站，M是大于或等于2的整数，针对每个用户设备，所述MIMO通信系统包括：

第一预编码矩阵生成单元，用于为每个基站进行第一级MIMO预编码处理，获取各个基站对应的各个第一级预编码矩阵；

和第二至第X级预编码矩阵生成单元，被配置为顺序执行第二级至第X级的MIMO预编码处理，以获取各个基站的第二级至第X级的预编码矩阵站，X是大于或等于2的整数，

其中所述第二至第X级预编码矩阵产生单元包括第X级预编码矩阵产生部分，其被配置为：将所述M个基站划分为Q个(X)组，基于所获取的第一级至第(X-1)级的预编码矩阵，对Q(X)组基站执行MIMO预编码以获得第X级预编码-基站的Q组(X)组中的每组基站的编码矩阵，Q(X)是大于或等于1并且小于或等于M的整数。

2.根据权利要求1所述的MIMO通信系统，其特征在于，所述第一级预编码矩阵生成单元包括：

天线分组子单元，用于将所述M个基站中的第m个基站的天线划分为K.sub.m个组，

其中K.sub.m是大于或等于1且小于或等于所述第m个基站中的天线的数量的整数；以及奇异值分解子单元，用于对每个基站对应的信道矩阵H.sub.m进行奇异值分解，得到H.sub.1,m＝U.sub.1,mS.sub.1,mV.sub.1,m.sup.H，以矩阵V.sub.1,m中的第L.sub.1,m列作为预编码矩阵P.sub.1,m的每个第一级，m对应于每个基站，其中m＝1,2……，M表示M个基站中每个基站的序列号，U.sub.1,m和V.sub.1,m是酉矩阵，S.sub.1,m是对角矩阵，对角元素是对应于第m个基站的MIMO信道的子信道的信道增益，其中，V.sub.1,m.sup.H中的“H”表示哈密尔顿变换的运算，L.sub.1,m表示第m个基站中的K.sub.m天线组的等效天线的数量，其是大于或等于1且小于或等于用户的天线数量的整数设备。

3.根据权利要求1所述的MIMO通信系统，其特征在于，其中，所述第一级预编码矩阵生成单元包括：

天线分组子单元，用于将所述M个基站中的第m个基站的天线划分为K.sub.m个组，

其中V.sub.m是大于或等于1且小于或等于所述第m个基站中的天线的数量的整数；码本映射子单元，用于对每个基站对应的信道矩阵H.sub.1,m进行奇异值分解的运算，得到H.sub.1,m＝U.sub.1,mS.sub.1,mV.sub.1,m.sup.H。并将矩阵V.sub.1,m中的第L.sub.1,m列组成的矩阵映射到MIMO通信系统中的预设码本中，通过映射获取的码本向量被取作对应于每个基站的每个第一级预编码矩阵P m，m，其中m＝1,2……，M表示M个基站中每个基站的序列号，U.sub.1,m和V.sub.1,m是酉矩阵，S.sub.1,m是对角矩阵，对角元素是对应于第m个基站的MIMO信道的子信道的信道增益，并且其中V.sub.1,m.sup.H中的“H”表示哈密顿变换的运算。L.sub.1,m表示第m个基站中的K.sub.m天线组的等效天线的数量，其是大于或等于1且小于或等于用户的天线数量的整数设备。

4.根据权利要求3所述的MIMO通信系统，其特征在于，其中，所述码本映射子单元被配置为执行由矩阵V.sub.1,m表示第m个基站中的K.sub.1,m表示第m个基站中的K.sub.1,m表示第m个基站中的K.sub.1,m表示第m个基站中的K.sub.1,m表示第m个基站中第L.sub.1,m列预编码矩阵，将与最大相关值对应的码本中的预编码矩阵作为每个基站对应的每个第一级预编码矩阵P.sub.1,m。

5.根据权利要求1所述的MIMO通信系统，其特征在于，所述第一级预编码矩阵生成单元包括：

根据预定原则确定的码本搜索子单元；

获取的MIMO通信系统的预设码本，该码本的获取基于与每个基站对应的信道矩阵H.sub.1,m，并将通过搜索获得的码本向量作为每个第一级预编码矩阵P.sub.1,m对应于每个基站，其中m＝1,2……，M表示M个基站中的每个基站的序列号。

6.一种用于多输入多输出(MIMO)通信系统的方法，其特征在于，所述MIMO通信系统包括至少一个用户设备和与所述至少一个用户设备协作通信的M个基站，M是大于或等于到2，所述方法包括：

针对每个用户设备执行以下处理：

对每个基站进行第一级MIMO预编码处理，获取各个基站对应的各个第一级预编码矩阵；顺序执行第二级至第X级的MIMO预编码处理，以获取各个基站的第二级至第X级的预编码矩阵，X是大于或等于2的整数，

其中在第X级MIMO预编码处理中，将M个基站划分为Q.sup.(X)组，并且对Q.sup.(X)组执行第X-1级MIMO预编码，获取Q.sup.(X)中的每个基站组的第X级预编码矩阵。Q.sup.(X)是大于或等于1且小于或等于M的整数。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一级MIMO预编码过程包括：

将所述M个基站中的第m个基站的分割天线分成K.sub.m组，K.sub.m小于等于1且小于或等于所述m个基站中的天线的数目，第三基站；

对与每个基站对应的信道矩阵H.sub.1,m执行奇异值分解，以获得H.sub.1,m＝U.sub.1,mS.sub.1,mV.sub.1,m.sup.H。将矩阵V.sub.1,m中的第L.sub.1,m列，作为对应于每个基站的每个第一级预编码矩阵P.sub.1,m，其中m＝1,2……，M表示M个基站中每个基站的序列号，U.sub.1,m和V.sub.1,m是酉矩阵，V.sub.1,m是对角矩阵，对角元素是对应于第m个基站的MIMO信道的子信道的信道增益，并且其中矩阵V.sub.1,m.sup.H中的“H”表示哈密尔顿变换的操作，L.sub.1,m表示第m个基站中的K.sub.1,m天线组的等效天线的数量，其是大于或等于1且小于或等于天线数量用户设备。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一级MIMO预编码过程包括：

将M个基站中的第m个基站的分割天线分成K.sub.m个小组，K.sub.m是大于或等于1且小于或等于m的天线的数目的整数基站；

对与每个基站对应的信道矩阵H.sub.1,m执行奇异值分解，以获得H.sub.1,m＝U.sub.1,mS.sub.1,mV.sub.1,m.sup.H。将由矩阵V.sub.1,m中的第L.sub.1,m列组成的矩阵映射到MIMO通信系统中的预设码本中，将通过映射获取的码本向量作为第一级对应于每个基站的预编码矩阵P.sub.1,m，其中m＝1,2……，M表示M个基站中每个基站的序列号，U.sub.1,m和V.sub.1,m是酉矩阵，S.sub.1,m是对角矩阵，对角元素是对应于第m个基站的MIMO信道的子信道的信道增益，并且其中矩阵V.sub.1.m.sup.H中的“H”表示哈密尔顿变换的操作，L.sub.1,m表示第m个基站中的K.sub.m天线组的等效天线的数量，其是大于或等于1且小于或等于天线数量的整数的用户装备。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，在所述映射过程中，执行矩阵V.sub.1,m中的第L.sub.1,m列，和相应的预编码矩阵,并将该最大相关值对应的码本中的预编码矩阵作为每个基站对应的每个第一级预编码矩阵P.sub.1,m。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一级MIMO预编码过程包括：

根据预定原则，基于对应于每个基站的信道矩阵H.sub.1,m，搜索MIMO通信系统的预设码本，并将通过搜索获得的码本向量作为每个第一级预编码矩阵P.sub.1,m对应于每个基站，其中m＝1,2，……，M表示M个基站中每个基站的序列号。