CN112821928A - 一种多用户mimo系统的速率拆分预编码方法 - Google Patents

一种多用户mimo系统的速率拆分预编码方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种多用户MIMO系统的速率拆分预编码方法，在发射端进行速率拆分，产生公共消息和私有消息，生成公共消息预编码器和私有消息预编码器，分别对公共消息和私有消息数据流进行预编码；在接收端，首先采用最小均方误差准则生成公共消息数据流滤波器，恢复公共消息数据流；然后采用连续干扰消除移除公共消息数据流；通过信道奇异值分解得到规则对角化滤波器，恢复私有消息数据流。本发明的多用户MIMO系统的速率拆分预编码方法，在多用户MIMO系统发射端的预编码之前进行速率拆分，分别对速率拆分之后的公共消息和私有消息数据流进行预编码，能够显著提高多用户MIMO系统的传输总速率。

Description

一种多用户MIMO系统的速率拆分预编码方法
技术领域
本发明涉及一种多用户MIMO系统的速率拆分预编码方法，更具体的说，尤其涉及一种适用于多用户MIMO系统的发射端速率拆分预编码和接收端数据流合并，发射端对速率拆分之后的公共消息和私有消息分别进行预编码，接收端采用最小均方差准则合并公共消息数据流，采用规则分组对角化滤波器来合并私有消息数据流的方法，以提高多用户MIMO系统的传输总速率。
背景技术
随着对无线数据传输需求的快速增加，频率资源的不足成为遏制无线通信发展的瓶颈。多入多出(Multiple-input multiple-output,MIMO)技术可以通过空间复用的方式向多用户提供高速率数据传输。然而，多用户干扰会降低无线MIMO传输系统的性能。在文献“Linear transmit processing in MIMO communications systems”(M.Joham,W.Utschick,and J.A.Nossek，IEEE Trans.on Sig.Proc.,vol.53,no.8,pp.2700–2712,Aug 2005)和文献“Zero-forcing methods for downlink spatial multiplexing inmultiuser MIMO channels”(Q.H.Spencer,A.L.Swindlehurst,and M.Haardt,IEEETrans.on Sig.Proc.,vol.52,no.2,pp.461–471,Jan.2004)中报道了几种旨在减轻多用户干扰的MIMO预编码方法。这些方法需要在发射机端获得精确的信道状态信息，难以在实践中付诸实施。速率拆分被认为是改善无线通信系统性能的一种新兴技术。速率拆分在发射端将原始消息分成公共消息和私有消息，分别对公共消息和私有消息进行数据流预编码，然后以叠加方式进行传输。在接收端，首先对公共消息数据流进行干扰消除和译码，然后再对私有消息数据流进行译码。即使在发射机难以获得精确的信道状态信息的情况下，通过速率拆分带来的灵活性，可以对消息的构成和发射功率进行调整，便于接收端进行消除干扰和数据流合并，可以使无线通信系统取得较好的系统性能。
但在目前的无线通信系统预编码方案中，采用了速率拆分的多用户MIMO系统预编码和数据流合并方法还缺少成功的先例。现有多用户MIMO系统的预编码和数据流合并没有充分利用速率拆分技术，所取得的系统性能较差。
在本发明中，发明人提出了一种多用户MIMO系统的速率拆分预编码方法，用以提高系统的总速率。在本发明中，发射端对消息进行速率拆分，对拆分之后的公共消息和私有消息进行预编码，接收端采用最小均方差准则恢复公共消息数据流，采用规则分组对角化滤波器来恢复私有消息数据流的方法，能够显著提高多用户MIMO系统的传输总速率。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提出了一种多用户MIMO系统的速率拆分预编码方法。
本发明的多用户MIMO系统的速率拆分预编码方法，其特征在于，通过如下步骤来实现：步骤一，在发射端进行速率拆分，产生公共消息和私有消息预编码器，对传输信号进行预编码；步骤二，在接收端采用最小均方误差准则生成公共消息数据流滤波器，恢复公共消息数据流；步骤三，采用连续干扰消除移除公共消息数据流，通过信道奇异值分解得到规则对角化滤波器，恢复私有消息数据流。
本发明的多用户MIMO系统速率拆分预编码方法，所述步骤一通过以下分步骤来实现：
a)在发射端进行速率拆分；对混合消息信号m(RS)进行拆分，产生公共数据流mc和第k个私有消息mk；采用信道编码器对公共消息和所有M个私有消息，即[mc,m1,m2,…,mM]T，进行信道编码，得到信道编码后的信号
Figure BDA0002885140980000021
其中sk是属于第k个用户的私有消息数据流；
b)生成公共消息预编码器和私有消息预编码器；在发射端，预编码器可表述为P(RS)＝[pc,P]，其中的pc为公共消息预编码器，该预编码器可通过对信道进行奇异值分解后的奇异值矢量来确定；P为私有消息预编码器，该预编码器可表示为P＝[P1,P2,…,PK]，其中的Pk为第k个用户的私有消息预编码器；按照规划分组对角化来产生私有消息预编码器
Figure BDA0002885140980000022
其中预编码器
Figure BDA0002885140980000023
负责部分消除多用户干扰，并按如下方式来确定：
Figure BDA0002885140980000024
公式(1)中，
Figure BDA0002885140980000031
且
Figure BDA0002885140980000032
代表从发射端到第k个用户接收端的无线MIMO信道,
Figure BDA0002885140980000033
为等效噪声矢量，nk为第k个用户接收端的噪声，δ是约束发射功率的归一化因子；
c)对公式(1)中的优化问题求解，可得到预编码器
Figure BDA0002885140980000034
的表达式为：
Figure BDA0002885140980000035
公式(2)中，
Figure BDA0002885140980000036
和
Figure BDA0002885140980000037
的取值通过奇异值分解
Figure BDA0002885140980000038
决定；预编码器
Figure BDA0002885140980000039
按以下公式给出：
Figure BDA00028851409800000310
公式(3)中，Vk的取值通过奇异值分解
Figure BDA00028851409800000311
决定，且有
Figure BDA00028851409800000312
d)对发射信号进行预编码；采用预编码器P对发射信号进行预编码，得到送往发射天线的信号：
Figure BDA00028851409800000313
公式(4)中，αk是私有消息的功率分配系数矢量，ac是公共消息的功率分配系数；完成预编码后的信号
Figure BDA00028851409800000314
从Nt个发射天线发射出去；
本发明的多用户MIMO系统速率拆分预编码方法，所述步骤二通过以下分步骤来实现：
e)第k个用户接收信号；在接收端，第k个用户接收到的信号为：
Figure BDA00028851409800000315
公式(5)中，
Figure BDA00028851409800000316
表示第k个用户的数据流集合；
f)基于最小均方误差准则进行公共数据流恢复，恢复公共数据流的滤波器按以下方式确定：
Figure BDA00028851409800000317
公式(6)中，
Figure BDA00028851409800000318
本发明的多用户MIMO系统速率拆分预编码方法，所述步骤三通过以下分步骤来实现：
g)采用连续干扰消除移除公共消息数据流；在最小均方误差准则恢复公共数据流之后，利用公共消息预编码器pc和信道矩阵Hk作为加权系数，将公共数据流从接收信号中移除；
h)恢复私有消息数据流；通过规划分组对角化获得私有消息滤波器：
Figure BDA0002885140980000041
公式(7)中，U k的取值通过奇异值分解
Figure BDA0002885140980000042
决定；对连续干扰消除之后的信号，采用
Figure BDA0002885140980000043
作为滤波加权系数，恢复私有消息数据流；
本发明的有益效果是：本发明的多用户MIMO系统的速率拆分预编码方法，发射端对消息进行速率拆分，对速率拆分之后的公共消息和私有消息分别进行预编码，接收端采用最小均方差准则恢复公共消息数据流，采用规则分组对角化滤波器来恢复私有消息数据流的方法，能够显著提高多用户MIMO系统的传输总速率。
附图说明
图1为多用户MIMO系统发射端示意图；
图2为第k个用户接收端的信号处理示意图；
图3为系统总速率随信道估计误差变化的实验结果图；
图4为系统总速率随信噪比变化的实验结果图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
由于对无线数据传输需求的快速增加，频率资源的不足成为遏制无线通信发展的瓶颈。多输入多输出技术可以通过使用空间的重复利用可以向多用户提供高速率的数据传输，但是多用户的干扰会对MIMO传输系统的性能。速率拆分是改善无线通信系统性能的新技术，速率拆分在发射端将原始消息分成公共消息和私有消息，分别对公共消息和私有消息进行数据流预编码，然后以叠加方式进行传输。接收端采用先进的信号处理技术分别恢复公共消息和私有消息数据流，能够显著提高无线通信系统的传输总速率。
本发明提出了一种多用户MIMO系统的速率拆分预编码方法，用以提高多用户MIMO系统的传输总速率。针对多用户MIMO系统，提出在发射端进行速率拆分，分别对速率拆分之后的公共消息和私有消息进行预编码，在接收端采用最小均方差准则恢复公共消息数据流，采用规则分组对角化滤波器来恢复私有消息数据流的方法，能够显著提高多用户MIMO系统的传输总速率。
如图1所示，给出了多用户MIMO系统发射端和接收端模型示意图，假设发射端发射M个数据流给K个用户。假设发射端具有Nt个发射天线，第k个用户的接收天线数目为Nk，且有
Figure BDA0002885140980000051
将发射端所有数据流中需要进行速率拆分的数据流记为m(RS)，如图1所示。将速率拆分之后的公共消息记为mc，将速率拆分之后的私有消息记为mk，即该私有消息是第k个私有消息。对任意第k个用户，将其私有消息的集合记为
Figure BDA0002885140980000052
则发射端需要发送的公共消息和私有消息的数据流总数目为
Figure BDA0002885140980000053
其中Mk代表集合
Figure BDA0002885140980000054
中的数据流数目。在发射端完成速率拆分之后，采用信道编码器对公共消息和所有K个用户的私有消息，即[mc,m1,m2,…,mM]T，进行信道编码，得到编码后的信号
Figure BDA0002885140980000055
针对发射端速率拆分之后的公共消息和私有消息，分别生成公共消息预编码器和私有消息预编码器。在发射端，预编码器可表述为P(RS)＝[pc,P]，其中的pc为公共消息预编码器，该预编码器可通过对信道进行奇异值分解后的奇异值矢量来确定。P为私有消息预编码器，该预编码器可表示为P＝[P1,P2,…,PK]，其中的Pk为第k个用户的私有消息预编码器。按照规划分组对角化来产生私有消息预编码器
Figure BDA0002885140980000056
其中预编码器
Figure BDA0002885140980000057
负责部分消除多用户干扰，并按如下方式来确定：
Figure BDA0002885140980000058
公式(1)中，
Figure BDA0002885140980000059
且
Figure BDA00028851409800000510
代表从发射端到第k个用户接收端的无线MIMO信道,
Figure BDA00028851409800000511
为等效噪声矢量，nk为第k个用户接收端的噪声，δ是约束发射功率的归一化因子。
对公式(1)中的优化问题求解，可得到预编码器
Figure BDA00028851409800000512
的表达式为：
Figure BDA00028851409800000513
公式(2)中，
Figure BDA00028851409800000514
和
Figure BDA00028851409800000515
的取值通过奇异值分解
Figure BDA00028851409800000516
决定。预编码器
Figure BDA00028851409800000517
按以下公式给出：
Figure BDA00028851409800000518
公式(3)中，V k的取值通过奇异值分解
Figure BDA0002885140980000061
决定，且有
Figure BDA0002885140980000062
对发射信号进行预编码。采用预编码器P对发射信号进行预编码，得到送往发射天线的信号：
Figure BDA0002885140980000063
公式(4)中，αk是私有消息的功率分配系数矢量，ac是公共消息的功率分配系数。完成预编码后的信号
Figure BDA0002885140980000064
从Nt个发射天线发射出去；
第k个用户接收信号；在接收端，第k个用户接收到的信号为：
Figure BDA0002885140980000065
公式(5)中，
Figure BDA0002885140980000066
表示第k个用户的数据流集合。
基于最小均方误差准则进行公共数据流恢复，恢复公共数据流的滤波器按以下方式确定：
Figure BDA0002885140980000067
公式(6)中，
Figure BDA0002885140980000068
采用连续干扰消除移除公共消息数据流。在最小均方误差准则恢复公共数据流之后，利用公共消息预编码器pc和信道矩阵Hk作为加权系数，将公共数据流从接收信号中移除。
恢复私有消息数据流。通过规划分组对角化获得私有消息滤波器为：
Figure BDA0002885140980000069
公式(7)中，Uk的取值通过奇异值分解
Figure BDA00028851409800000610
决定。对连续干扰消除之后的信号，采用
Figure BDA00028851409800000611
作为滤波加权系数，恢复私有消息数据流；
本发明所阐述的多用户MIMO系统的速率拆分预编码方法方法具有较高的传输总速率，从而实现较高的频率效率。通过仿真实验，对本发明提出的方法所取得的总速率进行验证。在仿真实验中，设置发射天线数目为Nt，设置用户数目为K＝6，每个用户配置2个接收天线。设置公共消息预编码器为pc＝v1，其中v1是V的第一列，且有H＝UΨV。信道误差模型为
Figure BDA00028851409800000612
其中
Figure BDA00028851409800000613
是信道估计，
Figure BDA00028851409800000614
是信道估计误差，且
Figure BDA00028851409800000615
的元素服从独立同分布的零均值和方差
Figure BDA00028851409800000616
的复高斯分布。对对比起见，仿真实验中给出了常规的最小均方误差预编码和规则分组对角化预编码所取得的总速率。
图3给出了系统总速率随信道估计误差变化的实验结果图。从图3可以看出，本发明的方法取得了最高的总速率，且取得总速率要远高于常规的最小均方误差预编码和规则分组对角化预编码所取得的总速率。此外，随着信道估计误差
Figure BDA0002885140980000071
的增加，本发明的方法取得的总速率随之下降，但仍然远远高于常规的最小均方误差预编码和规则分组对角化预编码所取得的总速率。
图4给出了系统总速率随信噪比变化的实验结果图例。从图4可以看出，本发明的方法取得了最高的总速率，且取得总速率要远高于最小均方误差预编码和规则分组对角化预编码所取得的总速率。此外，随着信噪比的增加，本发明的方法取得的总速率随之上升，且远远高于最小均方误差预编码和规则分组对角化预编码所取得的总速率。
综上可知，本发明的多用户MIMO系统的速率拆分预编码方法，发射端对拆分之后的公共消息和私有消息分别进行预编码，接收端采用最小均方差准则恢复公共消息数据流，采用规则分组对角化滤波器来恢复私有消息数据流的方法，相比没有利用速率拆分的预编码方案，极大地提高了多用户MIMO系统的传输总速率。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (4)

1.一种多用户MIMO系统的速率拆分预编码方法，其特征在于，通过如下步骤来实现：步骤一，在发射端进行速率拆分，产生公共消息和私有消息预编码器，对传输信号进行预编码；步骤二，在接收端采用最小均方误差准则生成公共消息数据流滤波器，恢复公共消息数据流；步骤三，采用连续干扰消除移除公共消息数据流，通过信道奇异值分解得到规则对角化滤波器，恢复私有消息数据流。
2.根据权利要求1所述的多用户MIMO系统的速率拆分预编码方法，其特征在于，所述步骤一通过以下分步骤来实现：
a)在发射端进行速率拆分；对混合消息信号m(RS)进行拆分，产生公共数据流mc和第k个用户的私有数据流mk；采用信道编码器对公共消息和所有K个用户的私有消息，即[mc，m1，m2，…，mK]T，进行信道编码，得到信道编码后的信号
Figure FDA0002885140970000011
b)生成公共消息预编码器和私有消息预编码器；在发射端，预编码器可表述为P(RS)＝[pc，P]，其中的pc为公共消息预编码器，该预编码器可通过对信道进行奇异值分解后的奇异值矢量来确定；P为私有消息预编码器，该预编码器可表示为P＝[P1，P2，…，PK]，其中的Pk为第k个用户的私有消息预编码器；按照规划分组对角化来产生私有消息预编码器
Figure FDA0002885140970000012
其中预编码器
Figure FDA0002885140970000013
负责部分消除多用户干扰，并按如下方式来确定：
Figure FDA0002885140970000014
公式(1)中，
Figure FDA0002885140970000015
且
Figure FDA0002885140970000016
代表从发射端到第k个用户接收端的无线MIMO信道，
Figure FDA0002885140970000017
为等效噪声矢量，nk为第k个用户接收端的噪声，δ是约束发射功率的归一化因子；
c)对公式(1)中的优化问题求解，可得到预编码器
Figure FDA0002885140970000018
的表达式为：
Figure FDA0002885140970000019
公式(2)中，
Figure FDA00028851409700000110
和
Figure FDA00028851409700000111
的取值通过奇异值分解
Figure FDA00028851409700000112
决定；预编码器
Figure FDA00028851409700000113
按以下公式给出：
Figure FDA00028851409700000114
公式(3)中，V k的取值通过奇异值分解
Figure FDA00028851409700000115
决定，且有
Figure FDA00028851409700000116
d)对发射信号进行预编码；采用预编码器P对发射信号进行预编码，得到送往发射天线的信号：
Figure FDA0002885140970000021
公式(4)中，αk是私有消息的功率分配系数矢量，ac是公共消息的功率分配系数；完成预编码后的信号
Figure FDA0002885140970000022
从Nt个发射天线发射出去。
3.根据权利要求1所述的多用户MIMO系统的速率拆分预编码方法，其特征在于，所述步骤二通过以下分步骤来实现：
e)第k个用户接收信号；在接收端，第k个用户接收到的信号为：
Figure FDA0002885140970000023
公式(5)中，Mk表示第k个用户的数据流集合；
f)基于最小均方误差准则进行公共数据流的恢复，恢复公共数据流的滤波器按以下方式确定：
Figure FDA0002885140970000024
公式(6)中，
Figure FDA0002885140970000025
。
4.根据权利要求1所述的多用户MIMO系统的速率拆分预编码方法，其特征在于，所述步骤三通过以下分步骤来实现：
g)采用连续干扰消除移除公共消息数据流；在最小均方误差准则合并公共数据流之后，利用公共消息预编码器pc和信道矩阵Hk作为加权系数，将公共数据流从接收信号中移除；
h)恢复私有消息数据流；通过规划分组对角化获得私有消息滤波器：
Figure FDA0002885140970000026
公式(7)中，U k的取值通过奇异值分解
Figure FDA0002885140970000027
决定；对连续干扰消除之后的信号，采用
Figure FDA0002885140970000028
作为滤波加权系数，恢复私有消息数据流。
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