專利名稱：低復雜度多用戶多天線正交頻分復用系統(tǒng)子信道分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低復雜度多用戶多天線正交頻分復用系統(tǒng)子信道分配方法， 具體涉及一種應用于發(fā)射機利用信道信息在每個子載波上分配空間子信道和發(fā) 射功率的方法。屬于無線通信系統(tǒng)中多天線一正交頻分復用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，在發(fā)射機和接收機采用多個天線，構(gòu)成多天線通信系統(tǒng)，可以獲 得較高的信道容量和信息傳輸?shù)目煽啃?。多天線通信與正交頻分復用技術(shù)相結(jié) 合，構(gòu)成多天線正交頻分復用系統(tǒng)，將時域頻率選擇性信道轉(zhuǎn)換為頻域平坦信 道，有效地抵抗了多徑衰落。此外，在蜂窩通信系統(tǒng)中，往往有多個用戶和基 站進行通信。下行鏈路中，基站向各用戶發(fā)射不同的數(shù)據(jù)流，形成了多用戶多 天線正交頻分復用系統(tǒng)。在多用戶多天線正交頻分復用系統(tǒng)中，在每個子載波 為合適的用戶分配空間子信道，設計有效的子信道分配方法可以實現(xiàn)較大的和 速率信道容量。在傳統(tǒng)的正交頻分復用多址方法中，每個子載波上將所有的子 信道只分配給一個用戶傳輸信號；將該用戶的頻域信道矩陣進行奇異值分解， 發(fā)射機預處理矩陣為右奇異向量，接收機為左奇異向量，從而將頻域信道矩陣 分解為多個獨立并行的子信道。該方法的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，其缺點是由于利用 的空間子信道數(shù)有限，不能實現(xiàn)最優(yōu)的和速率信道容量。
一種較優(yōu)的子信道分配方法是協(xié)作迫零連續(xù)編碼和分配(Pedro Tejem， Wolfgang Utschick> Gerhard Bauch and Josef A. Nossek' "Subchannel Allocation in Multiuser Multiple-Input—Multiple-Output Systems," /E￡^ Tra肌 /"^br細"'ow 77 eoo;， vol. 52, pp. 47214733， Oct. 2006)。與正交頻分復用多址方法相比較，協(xié) 作迫零連續(xù)編碼和分配方法可以實現(xiàn)更高的和速率信道容量；然而，該方法需 要發(fā)射機和接收機聯(lián)合處理，進行多次迭代矩陣奇異值分解，將頻域矩陣信道 分解為多個標量子信道分配給合適的用戶，計算復雜度較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種低復雜度多用戶多天線 正交頻分復用系統(tǒng)子信道分配方法，不需要多次迭代矩陣奇異值分解，可以實 現(xiàn)較優(yōu)的性能。
為實現(xiàn)這一目的，本發(fā)明的低復雜度多用戶多天線正交頻分復用系統(tǒng)子信 道分配方法中，每個子載波上，各用戶以其頻域信道矩陣非零奇異值所對應的 左奇異向量作為線性接收機，將線性接收后的等效信道矩陣利用反饋信道反饋 給發(fā)射機。發(fā)射機獲得所有子載波上每個用戶的信道信息，基于臟紙編碼技術(shù)， 將空間子信道分配給增益較大的用戶；然后利用注水法將總發(fā)射功率分配給所 有子載波上的每個空間子信道。
本發(fā)明的方法包括如下具體步驟
1、 每個子載波上，各用戶根據(jù)接收的導頻數(shù)據(jù)估計自身的頻域信道矩陣；并對 頻域信道矩陣進行奇異值分解，將非零奇異值所對應的左奇異向量構(gòu)成用戶 接收機；然后利用所求得的接收機取共軛轉(zhuǎn)置之后乘以頻域信道矩陣獲得等 效信道矩陣。
2、 各用戶通過反饋信道將其每個子載波上的等效信道矩陣反饋給發(fā)射機；發(fā)射 機將獲得的每個子載波上所有用戶的等效信道矩陣堆起來構(gòu)成該子載波上 的總信道矩陣；求總信道矩陣的秩，該秩即為該子載波上發(fā)射機所能提供的 最大的空間子信道數(shù)。
3、 在總信道矩陣中，首先選取向量2范數(shù)最大的行，為其對應的用戶分配一個 空間子信道，該空間子信道的增益為該向量2范數(shù)的平方；建立已分配信道
矩陣和未分配信道矩陣，將該行作為已分配信道矩陣的第一行，總信道矩陣 去掉該行后形成未分配信道矩陣。
4、 根據(jù)所獲得的已分配信道矩陣求其零空間上的投影矩陣；將未分配信道矩陣 的每一行投影到已分配信道矩陣的零空間上，求得該投影的向量2范數(shù)；比
較未分配信道矩陣的每一行在已分配信道矩陣的零空間上的投影的向量2 范數(shù)；找出該投影的向量2范數(shù)最大的行，為該行所對應的用戶分配一個空
間子信道，該空間子信道的增益為該投影的向量2范數(shù)的平方；將該行加入 到已分配信道矩陣的最后一行；未分配信道矩陣去掉該行后形成新的未分配 信道矩陣。
5、 如果已分配信道矩陣的行數(shù)小于該子載波上按步驟2所求得的總信道矩陣 的秩，則重復步驟4，直到已分配信道矩陣的行數(shù)等于該子載波上總信道矩 陣的秩為止；從而獲得該子載波上的每個空間子信道所分配的用戶及其增
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nrr^.。
6、 對所有的子載波完成步驟2到步驟4的計算，獲得所有子載波上的空間子信 道分配的用戶及其增益；利用所有空間子信道的增益，按照注水法將發(fā)射機 總發(fā)射功率分配在這些空間子信道上，從而獲得所有子載波上每個空間子信
道的發(fā)射功率。
本發(fā)明方法中各用戶的接收機在每個子載波上只需進行一次頻域信道矩陣 的奇異值分解，接收機反饋的信道信息是線性接收后的等效信道矩陣。它不需 要發(fā)射機和接收機進行協(xié)作和多次迭代奇異值分解，復雜度低于協(xié)作迫零連續(xù) 編碼和分配方法。在每個子載波上，本發(fā)明方法將空間子信道分配給多個增益 較大的用戶，與正交頻分復用多址方法相比，提高了可以實現(xiàn)的和速率信道容
本發(fā)明方法的計算量主要是矩陣奇異值分解。為了分析簡單起見，假設多 用戶多天線正交頻分復用系統(tǒng)中，發(fā)射天線數(shù)為f，每個用戶的接收天線數(shù)相同
為r;每個子載波上用戶信道矩陣的秩為g。協(xié)作迫零連續(xù)編碼和分配方法矩陣
奇異值分解的計算復雜度為0(min一V，一jx〖x《xiV)。本發(fā)明方法所有矩陣奇
異值分解的計算復雜度0(min(A,/^x《xW)，降低了g倍，所以實現(xiàn)起來更
加簡單。


圖1為多用戶多天線正交頻分復用系統(tǒng)子信道分配的和速率信道容量性能 圖。 '
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步描述。 考慮一16個子載波、IO個用戶的多用戶多天線正交頻分復用系統(tǒng)，基站采 用4個發(fā)射天線，每個用戶采用2個接收天線。每個子載波上各用戶的頻域信 道矩陣的元素為獨立、同分布、零均值、方差為1的復高斯隨機變量。不同用 戶的信道相互獨立。噪聲功率歸一化為l，總發(fā)射功率由系統(tǒng)的信噪比(SNR) 計算得出。
具體的實施步驟如下
1) 每個子載波上，各用戶根據(jù)接收的導頻數(shù)據(jù)估計自身的頻域信道矩陣，記為
HA(")(Ar = l，一，10， "-l，…，16);各用戶對HJ")進行奇異值分解，求得
<formula>formula see original document page 6</formula>
各用戶以HJn)的非零奇異值所對應的左奇異向量即矩陣iyw)的列向量作 為線性接收機；對UJ")取共軛轉(zhuǎn)置之后乘以HJ")，獲得等效信道矩陣<formula>formula see original document page 6</formula>(2)
2) 各用戶通過反饋信道將其每個子載波上的等效信道矩陣fijw)反饋給發(fā)射
機；發(fā)射機將獲得的每個子載波上所有用戶的等效信道矩陣堆起來構(gòu)成該子 載波上的總信道矩陣，即
&(") = ,...，&10(")7 (3) 求fi(")的秩，獲得i n-rank(fl("))，該秩即為該子載波上發(fā)射機所能提供
的最大的空間子信道數(shù)。
3) 在總信道矩陣fi(w)中，首先選取向量2范數(shù)最大的行
<formula>formula see original document page 6</formula>
(4)
上式中(")是fiA (")的第/行。給第/。行所對應的用戶分配一個空間子信道，
該空間子信道的增益^ 為向量^。(")的向量2范數(shù)的平方，即& 。 建立已分配信道矩陣和未分配信道矩陣Hw/ ，將、(《)作為己分配信道矩
陣H^的第一行，即
總信道矩陣去掉第/。行后形成新的未分配信道矩陣，所以
(5)
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(6)
初始化H《的零空間上的投影矩陣T為單位陣，即1 = 14;初始化循環(huán)變〗為2。
4)根據(jù)所獲得的已分配信道矩陣H^求其零空間上的投影矩陣，設
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，則已分配信道矩陣零空間的投影矩陣為<formula>formula see original document page 7</formula>(7)
將未分配信道矩陣的每一行fi,(w)投影到T上，獲得其投影為ii,(n)T，該投影
的向量2范數(shù)是
h,(")T
;比較未分配信道矩陣H^的每一行在T上的投影
的向量2范數(shù)；找出該投影的向量2范數(shù)最大的行/。 =argmaxpfi,( )T| j ，
為該行所對應的用戶分配一個空間子信道，該空間子信道的增益為該投影的 向量2范數(shù)的平方，即& =|、(")1|2;將該行加入到已分配信道矩陣的最 后一行；未分配信道矩陣去掉該行后形成新的未分配信道矩陣。 5)將_/加1，即_/ = y + l 。如果y小于該子載波上按步驟2)所求得的總信道矩
陣的秩凡，則重復步驟4)直到y(tǒng)等于^為止；從而獲得該子載波上的每
空間子信道所分配的用戶及其增益g,"， 7 = 1,...&
6)對所有的子載波完成步驟2)到步驟4)的計算，可獲得所有子載波上的空 間子信道分配的用戶及其增益&， ， _/ = 1，...及 ， " = 1,...16;利用所有空間子
信道增益，按照注水法將發(fā)射機總發(fā)射功率分配在這些空間子信道上，從而
獲得所有子載波上每個空間子信道的發(fā)射功率為<formula>formula see original document page 8</formula>其
中7需滿足<formula>formula see original document page 8</formula>，尸n等于信噪比乘以噪聲功率i，數(shù)值上與信噪
比相等。
圖i為本發(fā)明方法與正交頻分復用多址、協(xié)作迫零連續(xù)編碼和分配方法的和
速率信道容量性能比較。基站發(fā)射天線數(shù)4遠少于所有用戶總的接收天線數(shù)20;
發(fā)射機所能提供的子信道數(shù)有限，最大為4，需要根據(jù)用戶的頻域信道矩陣將子 信道分配給信道質(zhì)量較好的用戶。從圖中可見，本發(fā)明的方法和協(xié)作迫零連續(xù) 編碼和分配方法都可以有效分配空間子信道，在每個子載波上可以復用多個用 戶的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)較優(yōu)的和速率信道容量，接近Sato界。正交頻分復用多址方法 的性能差于本發(fā)明的方法。
對于該實例，信道模型為復高斯隨機變量，每個子載波上用戶信道矩陣的秩 《=4。協(xié)作迫零連續(xù)編碼和分配方法中矩陣奇異值計算所需乘法的運算量為
10240，本發(fā)明方法中矩陣奇異值計算所需乘法的運算量為2560，降低了 4倍。
權(quán)利要求
1、一種低復雜度多用戶多天線正交頻分復用系統(tǒng)子信道分配方法，其特征在于包括如下具體步驟(1)每個子載波上，各用戶根據(jù)接收的導頻數(shù)據(jù)估計自身的頻域信道矩陣；并對頻域信道矩陣進行奇異值分解，將非零奇異值所對應的左奇異向量構(gòu)成用戶接收機；然后利用所求得的接收機取共軛轉(zhuǎn)置之后乘以頻域信道矩陣獲得等效信道矩陣；(2)各用戶通過反饋信道將其每個子載波上的等效信道矩陣反饋給發(fā)射機；發(fā)射機將獲得的每個子載波上所有用戶的等效信道矩陣堆起來構(gòu)成該子載波上的總信道矩陣；求總信道矩陣的秩，該秩即為該子載波上發(fā)射機所能提供的最大的空間子信道數(shù)；(3)在總信道矩陣中，首先選取向量2范數(shù)最大的行，為其對應的用戶分配一個空間子信道，該空間子信道的增益為該向量2范數(shù)的平方；建立已分配信道矩陣和未分配信道矩陣，將該行作為已分配信道矩陣的第一行，總信道矩陣去掉該行后形成未分配信道矩陣；(4)根據(jù)所獲得的已分配信道矩陣求其零空間上的投影矩陣；將未分配信道矩陣的每一行投影到已分配信道矩陣的零空間上，求得該投影的向量2范數(shù)；比較未分配信道矩陣的每一行在已分配信道矩陣的零空間上的投影的向量2范數(shù)；找出該投影的向量2范數(shù)最大的行，為該行所對應的用戶分配一個空間子信道，該空間子信道的增益為該投影的向量2范數(shù)的平方；將該行加入到已分配信道矩陣的最后一行；未分配信道矩陣去掉該行后形成新的未分配信道矩陣；(5)如果已分配信道矩陣的行數(shù)小于該子載波上按步驟(2)所求得的總信道矩陣的秩，則重復步驟(4)，直到已分配信道矩陣的行數(shù)等于該子載波上總信道矩陣的秩為止；從而獲得該子載波上的每個空間子信道所分配的用戶及其增益；(6)對所有的子載波完成步驟(2)到步驟(4)的計算，獲得所有子載波上的空間子信道分配的用戶及其增益；利用所有空間子信道增益，按照注水法將發(fā)射機總發(fā)射功率分配在這些空間子信道上，從而獲得所有子載波上每個空間子信道的發(fā)射功率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低復雜度多用戶多天線正交頻分復用系統(tǒng)子信道分配方法。每個子載波上，各用戶以其頻域信道矩陣非零奇異值所對應的左奇異向量作為線性接收機，將線性接收后的等效信道矩陣利用反饋信道反饋給發(fā)射機。發(fā)射機獲得所有子載波上每個用戶的信道信息，基于臟紙編碼技術(shù)，將空間子信道分配給增益較大的用戶；然后利用注水法將總發(fā)射功率分配給所有子載波的每個空間子信道。仿真和分析表明本發(fā)明方法簡單，可以獲得接近于Sato界的和速率信容量。
文檔編號H04B7/04GK101170340SQ20071017077
公開日2008年4月30日 申請日期2007年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月22日
發(fā)明者晨 何, 蔣鈴鴿, 車小林 申請人:上海交通大學