CN107094124A - 一种下行多用户多天线数据传输方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种下行多用户多天线数据传输方法，包括：K个用户的数据按照预先设置的用户顺序排列得到L层数据，依次对每层数据先进行反馈干扰消除再进行功率约束，然后将所有完成功率约束的L层数据组成一个多用户信号列向量，与一个维度为L×L的酉矩阵F相乘，最后对相乘得到的信号进行资源映射和调制并发射给用户。本发明还提出了相应的装置和系统。本发明通过发射端的预干扰消除，在消除用户间干扰的同时，还能够简化接收机结构。

Description

一种下行多用户多天线数据传输方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种下行多用户多天线数据传输方法、装置及系统。

背景技术

在R13之前的LTE版本中，多用户传输均通过正交传输的方式来降低用户间的干扰。但是从信息论的角度分析，正交传输是有损信道容量的，因此是一种次优的传输方式。若能从发射机和接收机联合进行考虑，即使发射机采用非正交传输方式，在接收机侧通过一些额外的处理也可以获得优于正交传输的性能，甚至可以达到理论上的多用户容量界，进而大大提升系统性能。

其中一种非正交传输方式是采用叠加编码传输(Superposition CodingTransmission)。其基本思想是，系统根据不同的目标传输速率，将信道状态量化为不同的信道质量的等级，每一个信道量化等级对应一个确定的目标传输速率。将两组信号分别按照不同的目标速率独立地进行信道编码和调制映射，然后将两者的输出星座按照一定的功率分配比例进行叠加传输。对应的接收机采用基于最小均方误差准则(Minimum Mean Square Error，MMSE)的干扰抵消(Interference Cancellation，IC)接收机就可以获得逼近多用户信道容量的性能。3GPP目前完成的多用户叠加传输(Multi-user Superposition Transmission，MUST)课题采用的就是该种非正交传输方式，分别选取一个距离基站较近的用户(称为近用户)和一个位于小区边缘的用户(称为远用户)进行多用户的叠加传输。远用户接收到信号之后将近用户的信号当成噪声处理，因此会有一定的信噪比损失，尤其是当近用户分配的功率比较大时。当近用户接收到信号之后，先对远用户的信号进行解码用来进行干扰消除，之后再进行近用户信号的解码。可见，该方案虽然具有简单的发射机结构，但是近用户却需要采用复杂的干扰消除接收机。而且当近用户解码远用户的信号出现误码时，会出现较为严重的误码传播问题。

另一种非正交传输方式是采用脏纸编码(Dirty Paper Coding，DPC)的思想。对于下行链路来说，eNB知道每个用户的传输数据，因此对于某一个用户来说，可以在发送其信号之前，将其他用户的信号当成已知干扰采用合适的预编码进行预消除，从而达到无干扰传输的目的，其好处在于在消除用户间干扰的同时还能够简化接收机结构。

本发明将提出一种采用DPC思想的下行多用户多天线数据传输方法。

发明内容

本发明提出一种下行多用户多天线数据传输方法，基站侧共有N根天线，共有K个用户，每个用户的天线数为M_i，每个用户的传输层数为L_i，i＝1,2，…，K，L_i≤M_i,该方法包括：

所述K个用户的数据按照预先设置的用户顺序排列得到L层数据，依次对每层数据先进行反馈干扰消除再进行功率约束，然后将所有完成功率约束的L层数据组成一个多用户信号列向量，与一个维度为L×L的酉矩阵F相乘，最后对相乘得到的信号进行资源映射和调制并发射给用户；

其中，所述反馈干扰消除是指：当前层数据减去已完成功率约束的所有层数据组成的行向量与反馈矩阵(B-I)中对应当前层数据的行向量的所有非零元素组成的列向量的乘积，B是一个维度为L×L的对角线为1的下三角矩阵，I是一个维度为L×L的单位矩阵，B和F根据矩阵计算得出，H_p是每个用户的预编码矩阵的转置按照所述用户顺序作为对角子矩阵所构造的预处理矩阵，H是信道信息矩阵。

优选的，所述B和F根据矩阵计算得出，具体为：对矩阵的共轭转置进行三角分解获得一个下三角矩阵S和一个酉矩阵F，将矩阵S的每一行的所有元素除以所在行的对角元素，得到一个对角线元素均为1的矩阵，记为B矩阵。

优选的，所述方法还包括：每个用户接收到信号后进行解调和资源解映射，然后利用自身的预编码矩阵进行匹配滤波，匹配滤波后输出的每一层数据再除以矩阵S中对应当前层数据的对角元素，之后进行解层映射，解层映射之后的信号先进行功率约束，再计算每个符号的对数似然比信息用于信道译码。进一步优选的，所述方法还包括：在计算对数似然比信息时对原始星座进行扩展，所述扩展是将原始星座在每个维度的两个方向上都进行平移，每次平移与原始星座无缝衔接并且仅保留与原始星座相邻的一半星座点。

优选的，采用以下三种方式之一来构造每个用户的预编码矩阵：方式一，按照用户i反馈的PMI从码本中选取对应的预编码向量或预编码矩阵；方式二，对用户i的信道矩阵进行特征值分解：H_i＝U_i∑_iV_i ^H，直接选取矩阵V_i ^H的前L_i列作为用户i的预编码矩阵；方式三，计算用户i的信道矩阵H_i每一个列向量的2范数，选取前L_i个具有最大值的2范数的列向量组成用户i的预处理矩阵。

优选的，按照如下规则预先设置所述用户顺序：所述K个用户的数据首先按照各用户的传输层数由小到大进行排序，若其中某些用户的传输层数相同，则这些用户按照各用户预编码矩阵的Frobenius范数由小到大进行排序。进一步优选的，各用户预处理矩阵内部按照预处理向量的2范数由小到大进行排序。

优选的，通过取模操作实现所述功率约束。进一步优选的，根据如下公式进行取模操作：其中，x为取模对象，Re(x)和Im(x)分别表示取复数x的实部和虚部，为一个与调制方式有关的参数。更进一步优选的，对应于BPSK、QPSK、16QAM、64QAM的调制方式，的取值分别为2、

本发明还提出一种用于权利要求1的下行数据发送装置，所述装置包含多用户信号收集模块、反馈干扰消除模块、反馈矩阵模块、功率约束模块、酉矩阵模块、资源映射模块和调制模块，其中，

多用户信号收集模块用于将K个用户的数据按照预先设置的用户顺序排列得到L层数据；

反馈干扰消除模块用于对多用户信号收集模块输出的每层数据进行反馈干扰消除，所述反馈干扰消除是指，当前层数据减去反馈矩阵模块的输出结果；

反馈矩阵模块用于将功率约束模块已经输出的所有层数据组成的行向量与反馈矩阵(B-I)中对应当前层数据的行向量的所有非零元素组成的列向量进行相乘；

功率约束模块用于对反馈干扰消除模块输出的层数据进行功率约束；

酉矩阵模块用于将功率约束模块输出的所有L层数据组成一个多用户信号列向量，与酉矩阵F相乘；

资源映射模块用于对酉矩阵模块输出的信号进行资源映射；

调制模块用于对资源映射模块输出的信号进行调制。

本发明还提出一种下行数据传输系统，该系统包括上述的下行数据发送装置。优选的，该系统还包括下行数据接收装置，所述下行数据接收装置包含解调模块、资源解映射模块、匹配滤波模块、层数据处理模块、解层映射模块、功率约束模块、LLR计算模块和信道译码模块，其中，

解调模块用于对接收到信号进行解调；

资源解映射模块用于对解调模块输出的信号进行资源解映射；

配滤波模块用于利用用户自身的预编码矩阵对资源映射模块输出的信号进行匹配滤波；

层数据处理模块用于将匹配滤波模块输出的每一层数据除以矩阵S中对应当前层数据的对角元素，矩阵S是对矩阵的共轭转置进行三角分解获得的一个下三角矩阵；

解层映射模块用于对层数据处理模块输出的信号进行解层映射；

功率约束模块用于对解层映射模块输出的信号进行功率约束；

LLR计算模块用于计算功率约束模块输出的信号的每个符号的对数似然比信息用于信道译码；

信道译码模块用于对LLR计算模块输出的信号进行信道译码。

本发明通过发射端的预干扰消除，在消除用户间干扰的同时，还能够简化接收机结构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的下行数据发送装置结构图；

图2是本发明实施例的下行数据接收装置结构图；

图3是本发明实施例的采用QPSK调制计算LLR时的扩展星座图；

图4是本发明实施例的采用16QAM调制计算LLR时的扩展星座图；

图5是本发明实施例的采用64QAM调制计算LLR时的扩展星座图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例假设基站侧配备N根天线，N的取值可以为1/2/4/8/16/32/64。同时允许K个用户同时通信，每个用户的天线数分别为M_i，(i＝1,2，…，K)，M_i的取值可以为1/2/4。每个用户的传输层数为L_i，(i＝1,2，…，K)。要求L_i≤M_i,

本实施例的数据传输方法在发送端进行如下操作：

K个用户的数据按照预先设置的用户顺序排列得到L层数据，依次对每层数据先进行反馈干扰消除再进行功率约束，然后将所有完成功率约束的L层数据组成一个多用户信号列向量，与一个维度为L×L的酉矩阵F相乘，最后对相乘得到的信号进行资源映射和调制并发射给用户。

其中，所述反馈干扰消除是指：当前层数据减去已完成功率约束的所有层数据组成的行向量与反馈矩阵(B-I)中对应当前层数据的行向量的所有非零元素组成的列向量的乘积，B是一个维度为L×L的对角线为1的下三角矩阵，I是一个维度为L×L的单位矩阵，B和F根据矩阵计算得出，H_p是每个用户的预编码矩阵的转置按照所述用户顺序作为对角子矩阵所构造的预处理矩阵，H是信道信息矩阵。

本实施例采用图1所示的下行数据发送装置来实现上述发送端操作。图1的发送装置包含多用户信号收集模块、反馈干扰消除模块、反馈矩阵模块、功率约束模块、酉矩阵模块、资源映射模块和调制模块。

图1中TB_i,1表示用户i经过信道编码和速率匹配之后形成的传输块。当某一个用户为多层传输时，其在每个TTI可以有两个传输块。多用户信号收集模块将K个用户的调制数据按照预先设置的用户顺序，合并为多用户传输信号向量a＝[a₁,a₂,…,a_K]^T。信号向量a先通过图1中的反馈干扰消除模块、反馈矩阵模块、功率约束模块和酉矩阵模块进行预编码处理，之后通过资源映射模块映射到不同天线对应的资源上，再通过调制模块进行调制之后通过对应的天线发射出去。详细步骤如下：

步骤一、计算得到反馈矩阵(B-I)和酉矩阵F

假设eNB可以获取到每个用户的下行信道响应，分别表示为H₁，H₂，……，H_K。

eNB首先根据某一准则为每一个用户i选择一个预编码矩阵，其维度为M_i×L_i，再将每个用户的预编码矩阵的转置按照预先设置的用户顺序作为对角子矩阵构造预处理矩阵H_p：

其中，0表示全零向量。为用户i的预编码矩阵的转置。每个用户的预编码矩阵可以采用以下几种构造方式：

(1)若用户i能够反馈PMI(Precoding Matrix Index，PMI)，则按照用户反馈的PMI，从其码本中选取对应的预编码向量或矩阵即可。

(2)用户i的传输层数为L_i，先对用户i的信道矩阵进行特征值分解：H_i＝U_i∑_iV_i ^H，直接选取最大L_i个奇异值对应的右奇异值向量作为预处理矩阵，即取矩阵V_i ^H的前L_i列即可。

(3)计算矩阵H_i每一个列向量的2范数，并选取前L_i个具有最大值的2范数的列向量作为预处理矩阵。

eNB构造预处理矩阵H_p后，将H_p和完整的信道信息矩阵H相乘得到另个一矩阵 其中。最后根据矩阵计算得出一个维度为L×L的对角线为1的矩阵B和一个维度为L×L的酉矩阵F，将矩阵B减去一个同维度的单位矩阵I，即B-I作为反馈矩阵。

本实施例是对矩阵的共轭转置进行QR分解(也可以是其它三角分解)，得到其中F＝[F₁,F₂,…,F_K]为一个酉矩阵，即F中的各个列向量相互正交，S为一下三角矩阵。将矩阵S的每一行除以该行的对角元素使其对角线元素均为1，从而得到B矩阵，即B＝GS，其中，G＝diag{1/s_1,1 1/s_2,2 … 1/s_L,L}，s_j,j表示矩阵S的第j个主对角线元素，j＝1,2，…，L。反馈矩阵(B-I)如下：

实际实现时也可以采用其它方式根据矩阵得到B和F。

步骤二、设置用户顺序，合并多个用户的传输信号

本实施例中，获取各用户的预处理向量之后，用户数据按照下面的优先级原则进行排序：

(1)各用户首先按照传输层数进行排序，即要求：L₁≤L₂≤…≤L_K，若某几个用户的传输层数相同，则按照各用户预处理矩阵的Frobenius范数进行排序，例如：若L_m＝L_m+1＝L_m+2，且则按照m、m+1、m+2的顺序进行排列。

(2)用户预处理矩阵内部按照预处理向量的2范数进行排序，即要求：

依照上述用户顺序，多用户信号收集模块将K个用户的调制数据合并为多用户传输信号向量a＝[a₁,a₂,…,a_K]^T，共得到L层数据。

步骤三、对每层数据进行串行反馈层间干扰预消除和功率约束

首先反馈矩阵模块将功率约束模块已经输出的所有层数据组成的行向量与反馈矩阵(B-I)中对应当前层数据的行向量的所有非零元素组成的列向量进行相乘；然后反馈干扰消除模块用当前层数据减去反馈矩阵模块输出的相乘结果；最后功率约束模块对干扰预消除后的每一层数据进行功率约束，本实施例利用取模运算限制发射信号功率。具体算法可以表示为：

其中，x为取模对象，Re(x)和Im(x)分别表示取复数x的实部和虚部。为一个与调制方式有关的参数，对应于BPSK、QPSK、16QAM、64QAM的调制方式，的取值可以分别为2、

图1中取模运算后得到的每层数据如下所示：

其中，与对应用户对应层信号的调制方式有关。

步骤五、对所有用户数据进行酉变换

经过反馈干扰预消除之后，对获得的所有用户的信号进行线性预编码，即其中，

步骤六、通过资源映射模块将映射到不同天线对应的资源上，再通过调制模块进行调制之后通过对应的天线发射出去。

相应的，本实施例方法在接收端进行如下操作：

每个用户接收到信号后进行解调和资源解映射，然后利用自身的预编码矩阵进行匹配滤波，匹配滤波后输出的每一层数据再除以矩阵S中对应当前层数据的对角元素，之后进行解层映射，解层映射之后的信号先进行功率约束，再计算每个符号的对数似然比信息用于信道译码。

本实施例采用图2所示的下行数据接收装置来实现上述接收端操作。图2的数据接收装置包含解调模块、资源解映射模块、匹配滤波模块、层数据处理模块、解层映射模块、功率约束模块、LLR计算模块和信道译码模块。

如图2所示，每一个用户的数据接收装置接收到信号之后，先通过解调模块对接收到的信号进行解调，再通过资源解映射模块进行资源解映射得到信号yi，之后再通过匹配滤波模块利用eNB选用的预编码矩阵进行如下匹配滤波：

匹配滤波后，层数据处理模块对每一层的传输信号进行如下的处理：

其中，为矩阵S主对角线元素中与用户i对应的元素。本发明的eNB能够获取完整的下行信道信息，因此尤其适用于满足信道互易性的场景，而且当用户采用非QPSK调制时，eNB需要通知用户参数s_j,j用于信号检测。

之后再通过解层映射模块进行解层映射，并通过功率约束模块进行功率约束。本实施例在接收端同样利用取模运算限制每一层信号的功率，之后通过LLR计算模块计算每一个符号的对数似然比(LLR)信息用于信道译码，最后通过信道译码模块进行信道译码。

为了补偿由于取模运算引起的性能损失，在计算LLR时需要对原始星座进行扩展。所谓的扩展是将原始星座在每个维度的两个方向上都进行平移，每次平移与原始星座无缝衔接并且仅保留与原始星座相邻的一半星座点。例如，eNB对用户k采用QPSK调制，计算LLR时采用的扩展星座如图3所示，对图中央的原4个星座点进行了扩展；eNB对用户k采用16QAM调制，计算LLR时采用的扩展星座如图4所示，对图中央的原16个星座点进行了扩展；当eNB对用户k采用64QAM调制，计算LLR时采用的扩展星座如图5所示，对图中央的原16个星座点进行了扩展。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (13)

1.一种下行多用户多天线数据传输方法，基站侧共有N根天线，共有K个用户，每个用户的天线数为M_i，每个用户的传输层数为L_i，i＝1,2，…，K，L_i≤M_i,其特征在于，所述方法包括：

所述K个用户的数据按照预先设置的用户顺序排列得到L层数据，依次对每层数据先进行反馈干扰消除再进行功率约束，然后将所有完成功率约束的L层数据组成一个多用户信号列向量，与一个维度为L×L的酉矩阵F相乘，最后对相乘得到的信号进行资源映射和调制并发射给用户；

其中，所述反馈干扰消除是指：当前层数据减去已完成功率约束的所有层数据组成的行向量与反馈矩阵(B-I)中对应当前层数据的行向量的所有非零元素组成的列向量的乘积，B是一个维度为L×L的对角线为1的下三角矩阵，I是一个维度为L×L的单位矩阵，B和F根据矩阵计算得出，H_p是每个用户的预编码矩阵的转置按照所述用户顺序作为对角子矩阵所构造的预处理矩阵，H是信道信息矩阵。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述B和F根据矩阵计算得出具体如下：

对矩阵的共轭转置进行三角分解获得一个下三角矩阵S和一个酉矩阵F，将矩阵S的每一行的所有元素除以所在行的对角元素，得到一个对角线元素均为1的矩阵，记为B矩阵。

3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述方法还包括：

每个用户接收到信号后进行解调和资源解映射，然后利用自身的预编码矩阵进行匹配滤波，匹配滤波后输出的每一层数据再除以矩阵S中对应当前层数据的对角元素，之后进行解层映射，解层映射之后的信号先进行功率约束，再计算每个符号的对数似然比信息用于信道译码。

4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述方法还包括：

在计算对数似然比信息时对原始星座进行扩展，所述扩展是将原始星座在每个维度的两个方向上都进行平移，每次平移与原始星座无缝衔接并且仅保留与原始星座相邻的一半星座点。

5.根据权利要求1～4任意一项所述方法，其特征在于：

采用以下三种方式之一来构造每个用户的预编码矩阵：

方式一，按照用户i反馈的PMI从码本中选取对应的预编码向量或预编码矩阵；

方式二，对用户i的信道矩阵进行特征值分解：H_i＝U_i∑_iV_i ^H，直接选取矩阵V_i ^H的前L_i列作为用户i的预编码矩阵；

方式三，计算用户i的信道矩阵H_i每一个列向量的2范数，选取前L_i个具有最大值的2范数的列向量组成用户i的预处理矩阵。

6.根据权利要求1～4任意一项所述方法，其特征在于，按照如下规则预先设置所述用户顺序：

所述K个用户的数据首先按照各用户的传输层数由小到大进行排序，若其中某些用户的传输层数相同，则这些用户按照各用户预编码矩阵的Frobenius范数由小到大进行排序。

7.根据权利要求6所述方法，其特征在于：

各用户预处理矩阵内部按照预处理向量的2范数由小到大进行排序。

8.根据权利要求1～4任意一项所述方法，其特征在于：

通过取模操作实现所述功率约束。

9.根据权利要求8所述方法，其特征在于，根据如下公式进行取模操作：

其中，x为取模对象，Re(x)和Im(x)分别表示取复数x的实部和虚部，为一个与调制方式有关的参数。

10.根据权利要求9所述方法，其特征在于：

对应于BPSK、QPSK、16QAM、64QAM的调制方式，的取值分别为2、

11.一种用于权利要求1的下行数据发送装置，其特征在于，所述装置包含多用户信号收集模块、反馈干扰消除模块、反馈矩阵模块、功率约束模块、酉矩阵模块、资源映射模块和调制模块，其中，

多用户信号收集模块用于将K个用户的数据按照预先设置的用户顺序排列得到L层数据；

反馈干扰消除模块用于对多用户信号收集模块输出的每层数据进行反馈干扰消除，所述反馈干扰消除是指，当前层数据减去反馈矩阵模块的输出结果；

反馈矩阵模块用于将功率约束模块已经输出的所有层数据组成的行向量与反馈矩阵(B-I)中对应当前层数据的行向量的所有非零元素组成的列向量进行相乘；

功率约束模块用于对反馈干扰消除模块输出的层数据进行功率约束；

酉矩阵模块用于将功率约束模块输出的所有L层数据组成一个多用户信号列向量，与酉矩阵F相乘；

资源映射模块用于对酉矩阵模块输出的信号进行资源映射；

调制模块用于对资源映射模块输出的信号进行调制。

12.一种下行数据传输系统，其特征在于，包括权利要求11所述的下行数据发送装置。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，还包括下行数据接收装置，所述下行数据接收装置包含解调模块、资源解映射模块、匹配滤波模块、层数据处理模块、解层映射模块、功率约束模块、LLR计算模块和信道译码模块，其中，

解调模块用于对接收到信号进行解调；

资源解映射模块用于对解调模块输出的信号进行资源解映射；

配滤波模块用于利用用户自身的预编码矩阵对资源映射模块输出的信号进行匹配滤波；

层数据处理模块用于将匹配滤波模块输出的每一层数据除以矩阵S中对应当前层数据的对角元素，矩阵S是对矩阵的共轭转置进行三角分解获得的一个下三角矩阵；

解层映射模块用于对层数据处理模块输出的信号进行解层映射；

功率约束模块用于对解层映射模块输出的信号进行功率约束；

LLR计算模块用于计算功率约束模块输出的信号的每个符号的对数似然比信息用于信道译码；

信道译码模块用于对LLR计算模块输出的信号进行信道译码。