CN1941660A - 多天线无线通信系统中的多用户分集方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种在多天线输入和输出无线通信系统中的多用户分集方法，包括步骤：移动站根据从基站接收的数据进行信道估计以得到信道信息，并将得到的信道信息反馈给基站；基站将各个移动站反馈的信道信息组合成新的信道信息；根据新的信道信息对数据进行预编码；通过预编码计算信道容量，根据信道容量选择接收用户和发送天线，并对各个发送天线进行功率分配。

Description

多天线无线通信系统中的 多用户分集方法及系统

技术领域

本发明涉及一种在多天线输入和输出(MIMO)无线通信系统中的多用户分集方法和系统，特别是，涉及基于线性预编码的多用户分集的方法和系统。

背景技术

随着无线网络与因特网的逐渐融合，人们对无线通信业务的类型和质量的要求越来越高，而传输速率是未来无线通信系统所要解决的主要问题之一。为满足无线多媒体和高速率数据传输的要求，需要开发新的无线通信系统。人们以往的研究主要集中在如何利用时域资源与频域资源进行通信上。

近年来，多天线输入和输出(MIMO)技术是无线移动通信领域技术的重大突破。MIMO技术指的是数据的发送和接收都采用了多根天线。研究表明，利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。MIMO系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而言，MIMO技术对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力，是新一代移动通信系统采用的关键技术。

在多天线系统中，目前研究较多是空分复用和空时编码两类。前者通过在每根天线发射不同的符号来提高系统速率，后者通过在不同天线的发送符号间引入编码冗余来提高系统误比特率。近来，多天线输入和输出(MIMO)和正交频分复用(OFDM)相结合的MIMO OFDM技术受到广泛关注。

多用户分集是近几年出现的提高系统容量的方法，其基本思想为通过反馈，基站得到各个用户的信道质量，基站通过调度，在某一个时刻，对信道质量高的用户分配更多的资源，以达到提高系统总容量的方法。对多用户分集系统的实现来说，主要有以下几个问题需要考虑：

a)公平性：对一个小区的移动终端用户来说，有的可能离基站比较近，这样，该移动终端信道好的情况比较多。而有的移动终端可能在小区的边缘，这样，其信道差的情况比较多。如果每次分配时，总是分配给信道条件最好的用户，那么向离基站近的用户分配的资源就多，离基站远的用户分配的资源就少。通常，通过设计某种公平性的算法来保证其公平性。

b)信道测量和反馈：由于移动终端用户要测量下行的信道信息，并将其反馈给基站。这样，信道状态测量的错误与反馈时延构成了利用多用户分集的瓶颈。

c)慢衰落的处理：对多用户分集来说，其多用户分集的增益取决于信道变化的分布。信道剧烈地快速变化(在信道测量与反馈的允许范围内)要比信道较慢的变化好。一般来说，对慢衰落的信道来说，通过对不同的发送天线的信号进行加权来人工的制造出快衰落信号。

图1示出了基本的多用户分集的结构示意图。如图1所示，基站方包括用户数据处理单元101，资源调度单元102，空间复用单元103，和发射天线104。移动终端包括空时接收机105，和解调单元107。移动终端通过反馈信道向基站方反馈信道质量。

在基站方的用户数据处理单元101产生各个用户的数据。然后，资源调度单元102测量通过反馈信道106反馈的信道质量，并根据测量结果在某个时刻为某个用户调度资源。然后，将所调度的资源通过空间复用单元103将某个用户的数据从天线104发送出去。各个用户的接收天线104接收到数据后，通过空时接收机105对数据进行检测，将检测结果送到解调单元107进行解调输出。而且，空时接收机105要测量自己信道质量，并通过反馈信道106发送给基站。

下面介绍几种常用的多用户分集方法。

1.基于注水方法的多用户分集的方法

基于注水的多用户分集的方法，是对信道矩阵H进行奇异值分解(SVD)，如下面公式(1)所示。

            H＝USV^H              (1)

在公式(1)中，U和V为酉矩阵，S为对角矩阵，包含信道矩阵H的奇异值，假设其对角元素为λ₁，λ₂，...，λ_N，。如果发送的符号为s(归一化)，令可以得到公式(2)。

            x＝V^Hs               (2)

经过信道后的接收信号为

            r＝USV^Hx+n           (3)

其中n为噪声，其方差为σ²。

用U^H去左乘公式(3)中的接收信号r，得到公式(4)

     r′＝U^Hr＝Sx+U^Hn＝Sx+n′    (4)

假设发送天线的数目为N，则可以得到N个并行的信道。如果要达到最大的容量，假设其最大的发射功率为P，对第i个信道的功率分配为可以由公式(5)表示

$P_i={(u-\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{{\mathrm{\λ}}_i^2})}^{+}---\left(5\right)$

其中，可以将x⁺定义为x⁺＝max(x，0)。P_i满足公式(6)。

$\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i=P---\left(6\right)$

于是，可以按照下面的公式(7)计算各个信道的接收功率

$P_{\mathrm{ri}}={({\mathrm{\λ}}_i^{2}u-{\mathrm{\σ}}^2)}^{+}---\left(7\right)$

其容量可以表示为公式(8)

$C=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+\frac{P_{\mathrm{ri}}}{{\mathrm{\σ}}^2})---\left(8\right)$

图2为多用户分集的注水方法的结构示意图，经过注水处理单元202的处理后，如果由波束赋形生成器V203进行了波束赋形的向量V_b等于信道矩阵H的右特征向量V，此用户则达到了最大的容量。在某个时刻选择其容量最大的移动终端与基站通信。

2.基于迫零(ZF)接收机的多用户分集的方法

基于ZF接收机的多用户分集的方法是其空时接收机105为ZF接收机。第k个用户的容量由公式(9)表示

$C_k=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+\frac{E_s}{{\mathrm{\σ}}^2}\frac{1}{{\left(H_k^H{H}_k\right)}_{\mathrm{ij}}^{-1}})---\left(9\right)$

公式(9)中E_s为符号平均功率，E_s＝(P/N)。在某个时刻选容量最大用户终端的与基站通信。

基于ZF接收机的多用户分集的方法与基于注水方法的多用户分集的方法的区别在于，如果要按照注水的方法达到最大的容量，则注水的方法需要在发送端得到信道信息以便对发送信号进行处理，而基于迫零(ZF)接收机的多用户分集的方法不需要在发送端对发送信号进行处理。

发明内容

本发明提供一种基于线性预编码的多用户分集的方法和装置，其中基站通过预编码的方法计算容量，根据其容量选择接收的用户以及天线，从而系统容量。

为了实现本发明的目的，根据本发明的一个方面，提供一种在多天线输入和输出无线通信系统中的多用户分集方法，包括步骤：移动站根据从基站接收的数据进行信道估计以得到信道信息，并将得到的信道信息反馈给基站；基站将各个移动站反馈的信道信息组合成新的信道信息；根据新的信道信息对数据进行预编码；通过预编码计算信道容量，根据信道容量选择接收用户和发送天线，并对各个发送天线进行功率分配。

根据本发明的另一个方面，提供一种在多天线输入和输出无线通信系统中的多用户分集系统，其中在基站包括：用户数据处理单元，用于产生各个用户的数据；资源调度单元，用于根据接收方通过反馈信道反馈的信道，为用户的天线调度资源；预编码单元，用于从发射天线发送用户数据；在移动站包括：空时接收机，用于对接收的数据进行解调输出；信道估计单元，用于测量接收信道，并通过反馈信道将测量结果发送给基站。

附图说明

通过下面结合附图说明本发明的优选实施例，将使本发明的上述及其它目的、特征和优点更加清楚，其中：

图1是现有技术的多用户分集系统的结构示意图；

图2是采用注水方法的多用户分集系统的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的基于预编码的多用户分集的流程图；

图4是根据本发明一个实施例的基于注水的信道逆预编码用户分集功率分配的流程图；

图5是根据本发明实施例的基于预编码的多用户分集系统的结构示意图；

图6是根据本发明实施例采用迫零(ZF)接收机在不同用户数目下与注水的方法容量比较示意图，其中接收天线和发送天线的数量都是2；

图7是根据本发明实施例基于预编码的用户选择与注水方法的比较的示意图，其中接收天线和发送天线的数量都是2；

图8是本发明的多用户分集的方法与注水方法容量的比较示意图，其中接收天线和发送天线的数量都是2；和

图9是本发明的多用户分集的方法与注水方法容量的比较示意图，其中接收天线和发送天线的数量都是4。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施例进行详细的说明，在描述过程中省略了对于本发明来说是不必要的细节和功能，以防止对本发明的理解造成混淆。

图3是根据本发明一个实施例的基于预编码的多用户分集的流程图。图3给出了本发明的基于预编码的多用户分集的方法，以下通过具体的实施例说明多用户分集的过程。在MIMO系统中，可以假设每个基站和移动站都有N根天线。首先，在步骤301，各个用户的移动终端通过接收天线接收基站发送的信号，并通过接收的信号得到其接收信道的信道矩阵H_K。此外，通过反馈信道将信道矩阵反馈给基站。接下来，在步骤302，基站将各个用户的移动终端的信道组成新的信道矩阵H。具体地讲，例如，假设每个基站有2根天线，每个移动台有2根天线，一共有三个移动台。则用户1的信道矩阵可以用公式(10)表示为

$H_1=\left[\begin{array}{cc}{h}_{11}& h_{12}\\ h_{21}& h_{22}\end{array}\right]---\left(10\right)$

H₁的第一行对应于第一根接收天线的信道，第二行对应于第二根接收天线的信道。同理，可得H₂、H₃。然后基站将所有用户的信道组成新的信道矩阵H，由公式(11)表示。

$H=\left[\begin{array}{c}{H}_1\\ H_2\\ H_3\end{array}\right]---\left(11\right)$

然后，在步骤303，根据预编码的方法来计算信道容量，选择容量最大的信道。此后，在步骤304对发送数据进行预编码后执行发送。

具体地讲，预编码的方法为信道逆的方法。就是说，如果有N根发送天线，则有N根相应的接收天线，这N根天线可以属于一个用户，也可以属于不同用户。可以令这N个发送天线和N个接收天线对应的信道为H_c。

假设预编码前的发送符号为d(归一化)，则预编码后的发送为可以用公式(12)表示。

$s=H_c^{-1}d---\left(12\right)$

假设发送的符号d之间不相关，且能量归一化，即E(dd^H)＝I，则向量s之间的相关矩阵为E(ss^H)，E(ss^H)的第k个对角线元素为第k根天线的平均发射功率。E(ss^H)可表示为公式(13)。

$E\left({\mathrm{ss}}^H\right)=H_c^{-1}{H}_C^{-H}---\left(13\right)$

公式(13)表明，在第i根天线的平均发射功率由1变为H_c ^-1的第i行的2范数的平方，这表明提高了发射功率。假设第i个接收天线的噪声功率为σ_i ²，H_c ^-1的第i行的2范数的平方为β_i，则第i个接收天线的等效信噪比可以用公式(14)表示。

${\mathrm{SNR}}_i=\frac{1}{{\mathrm{\β}}_i{\mathrm{\σ}}_i^2}---\left(14\right)$

由于预编码去除了干扰，在接收天线来看，它是一个信噪比如公式(14)所示的并行信道。

可以设定 $W=H_c^{-1},$ 然后经过以下两个步骤。

1)计算未经过注水的容量来选择信道矩阵在步骤S401，利用到下面的公式(15)选择信道矩阵H_c。

$C=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+\frac{E_s}{{\mathrm{\σ}}_i^2}\frac{1}{{\left({\mathrm{WW}}^H\right)}_{\mathrm{ii}}})---\left(15\right)$

2)根据注水的方法利用信道矩阵进行功率分配

在步骤S401选择了H_c后，在步骤S402，经过注水的方法进行功率分配，可以近一步提高容量，其功率分配可以用公式(16)表示。

$P_i={(u-\frac{1}{{\mathrm{SNR}}_i})}^{+}---\left(16\right)$

总功率可以表示为公式(17)。

$\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i=P---\left(17\right)$

其容量可以用公式(17)表示

$C=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+\frac{P_i}{{\mathrm{\σ}}_i^2})---\left(18\right)$

在公式(16)中，如果计算结果为某个P_i＝0，则意味者此天线不发送信号，还要进一步处理。具体地讲，假设发送天线数为3，已经要选择3根不同用户或同一个用户的3个接收天线，根据公式(16)，通过计算，例如，得到P₂＝0，则表明第二根天线不发送信号，总的发送天线变为2。由于预编码要求发送天线的数目大于或等于接收天线的数目，所以要求接收天线数目为2，此时要从这3根接收天线中选择2根天线，选择的准则根据公式所表示的容量(15)。然后根据公式(16)计算P_i，依次类推，直到所有的P_i＞0。然后按照公式(18)计算出信道容量。

下面结合图4说明基于注水的信道逆预编码用户分集功率分配的流程。首先，在步骤S401，按照公式(15)选择H_c使对应的信道容量最大。此后，在步骤S402，根据公式(16)进行计算以得到各根天线分配的功率P_i。接下来，在步骤S403，判断是否所有的功率P_i都大于0，如果判断结果为是，流程则进入步骤S405。如果判断结果为否，流程则进入S404。

在步骤S404，去掉 $P_i=(u-\frac{1}{{\mathrm{SNR}}_i})<0$ 的集合中，发射功率P_i最小的发射天线所对应的信道(相当于去掉H_c的某个列)。此时，实际发射天线的数量变为K(原来为K+1)。在H_c中按照公式(15)选择出K行，得到新的H_c(K×K)。H_c对应的容量在这C_K+1 ^K种选择中为最大。然后，流程返回步骤S403。步骤S404的操作是为了根据注水方法得到第i根发送天线不发送数据(或数据为0)后，预编码时就不需要考虑如何消除这根天线对其它天线的干扰。这样，可以提高容量。此后，在步骤S405，对第i根发送天线按照P_i进行功率分配。如图4所述的过程进行功率分配后，将数据进行预编码后发送(如图3中的步骤S304所述)。

图5示出了根据本发明实施例的多用户分集系统的结构图。在基站方的用户数据处理单元501产生各个用户的数据。资源调度单元502根据反馈信道506反馈的信道在某个时刻为某些用户的某些天线调度资源。然后，通过预编码单元503将某个用户的数据从发射天线504发送出去。在接收方，对应的用户移动终端的接收天线504接收到数据后，通过空时接收机507对接收的数据进行解调输出。信道估计单元505测量接收信道，并通过反馈信道506将测量结果发送给基站。根据本发明的一个实例，移动站的接收机采用ZF接收机。

图6至图9给出了根据不同的方法得到的容量比较。图6至图9中的K表示用户的数目。

图6给出了基站发送天线的数量为2，每个用户移动终端的接收天线的数量为2，接收机为ZF接收机时，不同用户数目的容量与基于注水方法的多用户分集的方法比较结果。在同一个时刻，基站给可用容量最大的一个用户发数据。

图7给出了基站发送天线的数量为2，每个用户的接收天线的数量为2，基站预编码器为信道逆时，不同用户数目的容量与基于注水方法的多用户分集的方法比较结果。在同一个时刻，基站同样给容量最大的一个用户发数据。

图8和图9为本发明的多用户分集的方法与注水方法容量的比较结果。在图8是表示基站发送天线的数量为2，每个用户的接收天线的数量为2的情况下的比较结果，图9是表示基站发送天线的数量为4，每个用户的接收天线的数量为4的情况下的比较结果。

从图6图9可以看出，本发明的方法得到的容量要优于其他的方法。

至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不应该被理解为被局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。

Claims (12)

1.一种在多天线输入和输出无线通信系统中的多用户分集方法，包括步骤：

移动站根据从基站接收的数据进行信道估计以得到信道信息，并将得到的信道信息反馈给基站；

基站将各个移动站反馈的信道信息组合成新的信道信息；

根据新的信道信息对数据进行预编码；

通过预编码计算信道容量，根据信道容量选择接收用户和发送天线，并对各个发送天线进行功率分配。

2.根据权利要求1所述的方法，其中运用注水方法对各个发送天线进行功率分配。

3.根据权利要求1所述的方法，其中通过预编码计算信道容量，根据信道容量选择接收用户和发送天线的步骤进一步包括得到相应的信道矩阵H_c的步骤。

4.根据权利要求1所述的方法，其中对数据进行预编码的步骤进一步包括基站通过信道逆的方法，按照下面的公式计算所选用户和天线可以得到的容量的步骤

$P_i={(u-\frac{1}{{\mathrm{SNR}}_i})}^{+}$

其中SNR_i是第i个接收天线的等效信噪比，P_i满足 $\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_i=P.$

5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括如果计算某根发射天线的分配功率为P_i＝0，则重新进行功率分配，直到所有的功率P_i都大于0为止的步骤。

6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括对要发送的数据进行预编码，然后进行发送的步骤。

7.根据权利要求1所述的方法，其中根据信道容量选择接收用户和发送天线的步骤是选择信道容量最大用户和相应的接收天线。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述信道信息是信道矩阵。

9.一种在多天线输入和输出无线通信系统中的多用户分集系统，其中在基站包括：

用户数据处理单元，用于产生各个用户的数据；

资源调度单元，用于根据接收方通过反馈信道反馈的信道，为用户的天线调度资源；

预编码单元，用于从发射天线发送用户数据；

在移动站包括：

空时接收机，用于对接收的数据进行解调输出；

信道估计单元，用于测量接收信道，并通过反馈信道将测量结果发送给基站。

10.根据权利要求9所述的系统，其中还包括注水处理单元，用于对用户数据进行注水处理。

11.根据权利要求10所述的系统，其中还包括波束赋形生成器，用于对经注水处理的用户数据进行波束赋形。

12.根据权利要求9所述的系统，其中移动站的接收机采用ZF接收机。

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