專利名稱：結(jié)合塊對角化和統(tǒng)一信道分解反饋算法的多用戶mimo系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及多用戶多入多出(MU-MIM0)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法。
背景技術(shù)：
MIM0技術(shù)作為第三代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一今年來受到廣泛的關(guān)注和研究。與傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)比 較MIM0系統(tǒng)可以提供更高的傳輸可靠性和更大的通信容量。在實(shí)際使用中MIM0系統(tǒng)性能主要受限于各子 流間信道條件的不平衡性，特別是在高相關(guān)性信道下不同子流的信道條件相差很大。另外在一個(gè)基站與多 個(gè)用戶同時(shí)通信的MU-MIMO系統(tǒng)中，不同用戶間的信號(hào)干擾也制約了系統(tǒng)的性能。同一用戶天線間的資源 調(diào)度和多用戶間的干擾消除問題是MU-MIMO系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了結(jié)合塊對角化(BD)和統(tǒng)一信道分解反饋(UCD)算法實(shí)現(xiàn)MU-MIMO系統(tǒng)的方法，采用本 方法可以消除用戶間干擾，并且對每個(gè)用戶的各個(gè)信道子流進(jìn)行了資源均衡，使MlhMIMO系統(tǒng)能工作于高 相關(guān)性的信道且性能有較大提升。
本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于提出了結(jié)合塊對角化(BD)和統(tǒng)一信道分解反饋(UCD)算法，并修改了導(dǎo)頻 發(fā)射方案，實(shí)現(xiàn)了多用戶間干擾消除和各個(gè)用戶子流間均衡，使MU-MIMO系統(tǒng)性能得到提升。
本發(fā)明在UCD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出基于BD+UCD的MU-MIMO用戶間干擾消除和性能優(yōu)化方法，BD 算法可以將MU-MIMO信道矩陣對角塊化，使不同用戶之間相互正交，消除了用戶間干擾；然后對每一個(gè)用 戶使用UCD分解反饋方案，使不同的子流達(dá)到性能均衡，不僅優(yōu)化了性能，而且使系統(tǒng)能工作于高相關(guān)性 信道。
1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
多用戶MIMO的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，調(diào)度器按照某種準(zhǔn)則選擇將要通信的K個(gè)用戶，然后將這些 用戶的數(shù)據(jù)流《經(jīng)過預(yù)處理發(fā)射出去。圖中M為預(yù)編碼矩陣，發(fā)送數(shù)據(jù)向量包含發(fā)送給所有通信用戶的 數(shù)據(jù)。這里的線形預(yù)處理也可以被認(rèn)為是波束成形。移動(dòng)臺(tái)k則通過解調(diào)矩陣Z^對接收信號(hào)進(jìn)行線性處 理從而恢復(fù)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。
假設(shè)基站有4根天線同時(shí)為2個(gè)用戶服務(wù)，每個(gè)用戶有2根接收天線，結(jié)合塊對角化和統(tǒng)一信道分解多 用戶MIM0系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中H。 112為兩個(gè)用戶實(shí)際的信道矩陣，、、112為塊對角化后兩個(gè)用戶
的虛擬信道矩陣，F(xiàn),、 ^分別為基站處對兩個(gè)用戶發(fā)射數(shù)據(jù)的預(yù)編碼矩陣，M是基站處發(fā)射信號(hào)的對角
化矩陣，W,、 W2為兩個(gè)用戶使用分層-最小均方誤差(SIC-MMSE)檢測需要的加權(quán)矩陣。整個(gè)發(fā)射接
受過程如下首先兩個(gè)用戶的數(shù)據(jù)分別用^,^進(jìn)行第一級(jí)預(yù)編碼，然后用M進(jìn)行第二級(jí)預(yù)編碼消除多用
戶干擾。假設(shè)基站欲發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)為X-[X厶X/;T =[;q,;c2,;c3，x4:f,其中X,-[^j^f為用戶一的數(shù)據(jù)，X,[^;Q]f為用戶二的數(shù)據(jù)，經(jīng)過第一級(jí)預(yù)編碼后的預(yù)發(fā)送信號(hào)為文[(F,Xy，(F2X2f ]T。假
設(shè)用戶接收到的信號(hào)向量為Y-[Y,、Y/f =[^,^,:^,7/,其中^=[為,><2]\ Y2=[A，y4f分別
為用戶一、二的接收信號(hào)，則有Y = HxMx^，其中H-[(HY，(H2)77是整體信道矩陣。于是有 Y^h,F,X" Y2=h2F2X2。用戶一、二分別用Wp W2對Y,， Y2進(jìn)行SIC-MMSE檢測。在實(shí)際使用
中，MIMO系統(tǒng)接收端不同天線的接收信號(hào)并非完全相互獨(dú)立。受到天線間隔、入射波束到達(dá)角度、入射
波角度擴(kuò)展分布等因素的影響，兩個(gè)天線之間往往呈現(xiàn)一定程度的空間相關(guān)特性。 2、塊對角化算法
處理多天線用戶的對用戶MIMO系統(tǒng)的一種常用方法是塊對角化。塊對角化方法的預(yù)處理是尋找使 HM為塊對角陣的預(yù)編碼矩陣M,從而形成多個(gè)獨(dú)立并行的等效單用戶MIMO信道，各用戶之間的干擾為零。
假定H是M個(gè)用戶的信道矩陣H"的垂直拼接，M是u個(gè)用戶預(yù)編碼矩陣M"的水平拼接，即 H二[(H'f…(H"ff、 M^M'…M"〗。如果選擇M"的列位于H:的零空間(nu11—space),則塊對角 化條件就可以滿足。這里的H:是整個(gè)信道矩陣H去掉對應(yīng)于用戶w的信道矩陣得到的。
在圖2所示的系統(tǒng)中，基站利用用戶反饋的信道信息H,、H2對多用戶MIMO信道H-[(Hy,(tfff 進(jìn)行塊角化處理
H = HxM (1)
fi為塊對角化的MIMO信道矩陣
H =
、00 、
&200
00&&
00
(2)
得到(2)中的對角化預(yù)編碼矩陣M，這時(shí)多用戶MIMO信道被分成獨(dú)立的兩個(gè)單用戶MIMO信道hp h2
(3)
化「& 、 ，h2 =
2乂
/2 /
h1 =
3、統(tǒng)一信道分解算法
3.1 UCD分解反饋方案簡介
由于MIMO系統(tǒng)的BER性能主要受最差子信道影響，我們可以根據(jù)當(dāng)前信道的衰落信息將發(fā)射功率 根據(jù)一定的算法分配在不同子流上使各子流的信噪比等同，以降低系統(tǒng)的誤碼率。
首先給出了一種稱為幾何平均分解(GMD)的算法，將信道矩陣作如下分解<formula>formula see original document page 5</formula>
其中Q、 P為酉矩陣，R為對角線元素相等的上三角矩陣，其對角元素I為信道矩陣特征值的幾何 平均值，這也是GMD方案名稱的由來。用P對發(fā)射信號(hào)預(yù)編碼，Q'對接收信道預(yù)處理，則MIMO系統(tǒng) 的虛擬信道變?yōu)镼'HP = R 。例如對于三發(fā)三收的MIMO系統(tǒng)，GMD方案的傳輸方程為
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中i為噪聲向量。忽略誤差傳播效應(yīng)，用基于迫零(ZF)的SIC檢測算法我們看到GMD將信道分解成 K個(gè)相同的子信道
<formula>formula see original document page 5</formula>
雖然優(yōu)化了最差子信道，但是GMD方案在系統(tǒng)容量上有損失，而且由于采用了 ZF檢測算法，系統(tǒng) 的誤碼率性能也較差。在GMD的基礎(chǔ)t給出提出了統(tǒng)一信道分解(UCD)， UCD方案的思想是在保證系統(tǒng) 容量無損失的情況下，優(yōu)化MIMO系統(tǒng)SIC-MMSE檢測器的最差子信道，使各子信道的性能相同。UCD 的推導(dǎo)過程比較復(fù)雜，這里由于篇幅限制我們只能給出UCD的基本思想和計(jì)算流程。
假設(shè)E[xx';ho^lL ，加性高斯白噪聲z N(0,cr，")，定義預(yù)編碼MIMO系統(tǒng)的信噪比為<formula>formula see original document page 5</formula>
(4)
0)4表示共軛轉(zhuǎn)置，Tr—)表示矩陣的秩。 假設(shè)x是高斯隨機(jī)向量，(1)式的MIMO信道容量為
<formula>formula see original document page 5</formula>
(5)
如果信道信息在發(fā)送端和接收端都已知，在發(fā)射功率上限o^Tr(FF、-;Oo^的前提下，對于給定F的
最大化信道容量為
<formula>formula see original document page 5</formula> (6)
其中"在(4)中定義，C^表示發(fā)送端已知信道信息時(shí)的信道容量。
H的SVD分解為H:UAV4,其中A是A:x《階對角矩陣，其對角元素(;^J^為H的非零奇異 值。使(4)最大的F為[8]F = VO"2 (7)
這里①是對角陣，它的第A(7 < /t < ATj個(gè)對角元素^是通過"注水"算法分配給第A:個(gè)子信道的功率
%(//),^")+ (8)
其中滿足o^Z:!AC")二pcrz2' (or)+表示max(a,0〉。 將(7)中的預(yù)編碼矩陣F改寫為
F = W2Q' (9)
其中QeC"、 ￡2《(以避免容量損失)，il'Q = I。將(9)代入(6)可以看到，(9)中的預(yù)編
碼矩陣F仍然滿足最大化信道容量，然而Q的引入可以將預(yù)編碼變得更為靈活。UCD分解的基本思想便 是通過ft的設(shè)計(jì)來使MIMO接收端SIC-MMSE檢測的各子層具有相同的增益。基于以上討論，我們可以 看到UCD方案滿足MIMO系統(tǒng)容量最大化。
對于VBLAST的SIC-MMSE檢測，第i層的加權(quán)系數(shù)為
戶'
其中h,表示MIMO信道矩陣H的第/列。 分層檢測過程可寫為
v = y
for / = M:i
X, =x v; X,. = C(X,.); v = v — h:i,.;
end
其中C表示映射到星座圖上最近的點(diǎn)(硬判決)。 3.2 UCD分解的算法流程
UCD分解的計(jì)算流程如下-
第一步計(jì)算SVD分解H = UAV'。計(jì)算量為O(MV尺;)。 第二步通過(8)式計(jì)算W2。計(jì)算量為0(f)。
第三步S = A<t>m,其對角線元素為0",，/ = 1，...,夂。計(jì)算量為O(iQ
(10)
第四步:計(jì)算丄x Z階對角矩陣I::其對角線元素為< ,. = Vcr,2+a,l S / S K ;= V^，+1 S /《丄計(jì)算量為O(iQ。
第五步對f;進(jìn)行GMD分解得到i:-c^R^^。計(jì)算量為o(丄2)。
第六步計(jì)算F-V(屯"2;0^(i—")P5 ,其中(《 1/2:'0^(丄—")的l:K列為O"2 ， K:Z列為 《x (z:-《)階零矩陣0&^"。計(jì)算量為<9(M(《+z))。
第七步..計(jì)算Q、-upio^^JI^Qr計(jì)算量為o(iv(/:+z》。
第八步##w,=rj>je。,，/ = l,...Z。其中^表示Rj的第/個(gè)對角元素，q。是Q^,的列向量，
w,為SIC-MMSE檢測第/子層的加權(quán)向量。計(jì)算量為。將以w,.為列向量的矩陣記為W 。 由上計(jì)算我們得到了 UCD方案的預(yù)編碼矩陣F和SIC-MMSE檢測的加權(quán)矩陣W 。
4、修改后的導(dǎo)頻發(fā)射方法
由于用戶間無法獲得其他用戶的信道信息，便無法獨(dú)自計(jì)算當(dāng)先的虛擬信道h,、 h2,所以接下來基
站要增加一次通過M預(yù)編碼的導(dǎo)頻符號(hào)(未預(yù)編碼的導(dǎo)頻信號(hào)記為p， P^[A，;^，A,j^]T)發(fā)射，兩個(gè) 用戶接收到的導(dǎo)頻信號(hào)為e-[e二e/f =[ei,e2，e3,e4]『，其中e, =[ei,e2:T,e2 =[^^/分別為第一個(gè) 和第二個(gè)用戶接收到的導(dǎo)頻信號(hào)，則有
e = HxMxp = fixp
用戶分別通過e,，e2估計(jì)出hp h2。最后基站和用戶分別對hp ^進(jìn)行UCD分解，得到兩個(gè)用戶 的預(yù)編碼矩陣、 F2和SI C-MMSE檢測加權(quán)矩陣\% 、 W2 。注意到這里需要增加下行鏈路導(dǎo)頻信號(hào)的 發(fā)射，但這種附加的導(dǎo)頻之在用戶反饋新到信息后才發(fā)射(5ms—次)，所以對帶寬的占用是很小的。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
(1) 使用了統(tǒng)一信道分解算法優(yōu)化了系統(tǒng)性能，使系統(tǒng)能適應(yīng)不同的信道環(huán)境
(2) 采用了塊對角化算法消除多用戶間干擾，預(yù)算復(fù)雜度較低，性能較好；


圖1多用戶MIMO的典型結(jié)構(gòu)
圖2結(jié)合塊對角化和統(tǒng)一信道分解多用戶MIMO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1、一種結(jié)合塊對角化和統(tǒng)一信道分解反饋算法的多用戶MIMO系統(tǒng)，其特征在于，結(jié)合了塊對角化和統(tǒng)一信道分解反饋算法，以2用戶，每個(gè)用戶有2根天線，基站有4根天線的多用戶MIMO系統(tǒng)為例，具體信號(hào)發(fā)射檢測流程如下(系統(tǒng)框架圖參見說明書附圖2)第一步不同用戶的二進(jìn)制比特?cái)?shù)據(jù)流經(jīng)過調(diào)制映射到二維復(fù)星座點(diǎn)上，得到調(diào)制后信號(hào)X＝[X1T，X2T]T＝[x1，x2，x3，x4]T。第二步基站先發(fā)送一次導(dǎo)頻信號(hào)，不同用戶根據(jù)接受到的導(dǎo)頻信號(hào)分別估計(jì)當(dāng)前的信道矩陣H1、H2。第三步用戶將H1、H2反饋到基站處。第四步基站將H1、H2組合成當(dāng)前的整體信道矩陣第五步基站對H塊對角化，得到塊對角化矩陣M使為塊對角矩陣，由兩個(gè)用戶的虛擬信道矩陣h1、h2組成，具體見說明書(2)式。第六步基站重新發(fā)射一次導(dǎo)頻信號(hào)，并且利用M對導(dǎo)頻信號(hào)預(yù)編碼，各用戶根據(jù)接收到的導(dǎo)頻信號(hào)分別估計(jì)出當(dāng)前的虛擬信道矩陣h1、h2；第七步基站和用戶分別對當(dāng)前的虛擬信道矩陣進(jìn)行統(tǒng)一信道分解(UCD)，產(chǎn)生預(yù)編碼矩陣F1、F2和SIC-MMSE檢測需要的加權(quán)矩陣W1、W2。第八步基站對兩個(gè)用戶的調(diào)制信號(hào)分別用F1、F2進(jìn)行第一級(jí)預(yù)編碼得到第九步用M對進(jìn)行第二級(jí)預(yù)編碼然后發(fā)射信號(hào)。第十步用戶接收到的信號(hào)向量為Y＝[Y1T，Y2T]T＝[y1，y2，y3，y4]T，其中Y1＝[y1，y2]T，Y2＝[y3，y4]T分別為用戶一、二的接收信號(hào)，則有第十一步用戶一、二分別用W1、W2對Y1，Y2進(jìn)行SIC-MMSE檢測。第十二步對檢測后的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)制得到二進(jìn)制數(shù)據(jù)；
2 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于塊對角化+統(tǒng)一信道分解反饋(BD+UCD)多用戶MIM0系統(tǒng)，其 特征在于，采用BD+UCD消除多用戶干擾并在單用戶不同天線間做資源調(diào)度。
3 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種修改的導(dǎo)頻發(fā)射方法，其特征在于，用對角化矩陣M對導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)行預(yù) 處理，使接收端估計(jì)的信道矩陣為虛擬信道矩陣。
全文摘要
一種基于塊對角化+統(tǒng)一信道分解(BD+UCD)實(shí)現(xiàn)多用戶MIMO的方法，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，多天線系統(tǒng)中的發(fā)射端信號(hào)預(yù)處理技術(shù)。本方法達(dá)到以下目的1.采用BD算法實(shí)現(xiàn)多用戶間干擾消除；2.采用UCD分解反饋方案實(shí)現(xiàn)天線間資源調(diào)度，提高系統(tǒng)性能使系統(tǒng)能適應(yīng)高相關(guān)性信道。
文檔編號(hào)H04B7/04GK101442351SQ200710050538
公開日2009年5月27日 申請日期2007年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月19日
發(fā)明者磊 呂, 張忠培 申請人:電子科技大學(xué)