專利名稱：多用戶多數(shù)據(jù)流mimo系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息線性預處理方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及的是一種無線通信技術(shù)領域的處理方法，具體是一種多用戶多數(shù)據(jù)流 MIMO(多輸入多輸出)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息線性預處理方法。
背景技術(shù)：
MIMO無線通信系統(tǒng)由于其在容量和性能方面的巨大潛能，近年來引起了人們的廣 泛研究。隨著研究的不斷深入，MIMO技術(shù)已從起初的點對點的單用戶MIMO(SU-MIMO)系統(tǒng) 擴展到了點對多點的多用戶MIMO (MU-MIMO)系統(tǒng)。在業(yè)界，SU-MIMO和MU-MIMO技術(shù)均已 被國際標準化組織3GPP的LTE和LTE-Advanced標準所采納。MU-MIMO技術(shù)能夠以空分多址(SDMA)的方式在相同的時間、頻率和碼域上同時向 各用戶傳送數(shù)據(jù)信息，因而能夠進一步提高系統(tǒng)的吞吐量。然而，當多個用戶共享同一時頻 資源時，必然會引入共信道干擾(CCI)。由于CCI的存在，必須采用合適的方法來消除或抑 制CCI。然而，由于多個用戶的存在，傳統(tǒng)SU-MIMO系統(tǒng)中在接收端再進行干擾抑制或者消 除的方案在MU-MIMO中不再可行，因而在MU-MIMO中必須采取在發(fā)送端預先對發(fā)送的數(shù)據(jù) 信息進行處理的方案來抑制或者消除CCI，即文獻中通常所述的預處理技術(shù)。MU-MIMO對發(fā)送的數(shù)據(jù)信息通過預處理來抑制CCI的方案主要分為非線性和線性 兩大類。非線性預處理實現(xiàn)復雜度高且有時延，難以在實際中應用。線性預處理實現(xiàn)復雜 度低，隨著用戶數(shù)增加能夠獲得與最優(yōu)預處理方案-臟紙理論(DPC)漸進相同的容量，因此 實用性更強。經(jīng)對現(xiàn)有文獻檢索發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)信息線性預處理方法主要分為兩類一類是基于信號與干擾噪聲比(SINR)最大化的優(yōu)化方法該方法由于無法直 接得到閉合解，故衍生出以塊對角化(BD)為代表的一些次優(yōu)方法(見Q. H. Spencer， "Zero-forcingmethods for downlink spatial multiplexing in multiuser MIMO channels (下行多用戶MIMO空間復用中的迫零方法)，” IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 52,pp. 461-471,Feb. 2004), BD方法對系統(tǒng)發(fā)射天線數(shù)和接收天線數(shù)的關(guān) 系有嚴格的限制，當該限制條件不滿足時，通過BD方法難以獲得理想的性能。另一類設計方法是近年來提出的基于信漏噪比(SLNR)的優(yōu)化方法(見M. Sadek, "Aleakage-based precoding scheme for downlink multi-user ΜΙΜΟ channels (下 行多用戶ΜΙΜΟ中一種基于泄露的預處理方法)，”IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 6，pp. 1711-1721，May 2007)，該方法期望待求的每一個用戶的接收 信號功率盡量大，同時其噪聲功率與泄露對其他用戶的干擾功率之和盡量小。該方法的主 要優(yōu)勢在于目標函數(shù)回避了 SINR優(yōu)化方法下預處理矩陣在用戶間的嵌套問題，能夠直接 求得優(yōu)化閉合解，且無需滿足BD方法中的收發(fā)天線數(shù)的限制條件，因而具有更廣闊的應用 空間。但是SLNR線性預處理方法仍然存在以下三個重要缺陷1)在每個用戶傳輸多個數(shù)據(jù)信息流的情況下，各個數(shù)據(jù)信息流之間的預處理增益 分布嚴重不平衡，從而導致系統(tǒng)總體性能的下降。
2)預處理設計過程中需要分別求出用戶信道矩陣和干擾信道矩陣的協(xié)方差矩陣。 在求得協(xié)方差矩陣時會發(fā)生信息的丟失，且由于實際系統(tǒng)中發(fā)送端難以獲知精確的信道信 息，上述信息丟失情況將更為嚴重。3)預處理設計過程中需要求得其中一個經(jīng)噪聲修正后的協(xié)方差矩陣的逆矩陣，當 較大信噪比時該矩陣近似為非奇異矩陣(不可逆矩陣)，難以得其逆矩陣且求解復雜(詳 見《矩陣分析與應用》，張賢達著，清華大學出版社，2004年出版)
發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種多用戶多數(shù)據(jù)流MIMO系 統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息線性預處理方法。本發(fā)明方法能夠在有效抑制CCI的同時，進一步平衡各數(shù) 據(jù)信息流間的預處理增益，從而顯著提高了系統(tǒng)的誤碼率性能；并且，本發(fā)明方法避免了 用戶信道矩陣和干擾信道矩陣的協(xié)方差矩陣的求取過程，也無需求近似非奇異矩陣的逆矩 陣，因而該方法不僅具有較低的信息損失度，同時設計簡單，實現(xiàn)復雜度更低。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，包括以下步驟第一步，每個用戶向基站發(fā)射機發(fā)送其所需圖像和語音的請求信號，基站發(fā)射機 根據(jù)各個用戶的請求信號，確定給每個接收用戶待發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。所述的待發(fā)送的數(shù)據(jù)信息包括圖像壓縮編碼信息和語音自回歸(AR)濾波器的系
數(shù)參量。所述的待發(fā)送的數(shù)據(jù)信息以比特調(diào)制后的符號形式表示。第二步，每個用戶根據(jù)自身接收到的導頻數(shù)據(jù)得到用戶信道信息H，并將該用戶信 道信息反饋給基站發(fā)射機。所述的用戶信道信息是量化形式或者碼本形式。第三步，基站發(fā)射機根據(jù)用戶信道信息得到干擾信息瓦并進一步測量得到噪聲功 率σ 20第四步，基站發(fā)射機對發(fā)射給每個用戶的數(shù)據(jù)信息進行線性預處理，并將預處理 后的信息進行疊加得到最終的發(fā)射信息S，此時的發(fā)射信息S中的CCI信息已被有效抑制。所述的線性預處理，具體步驟為1)將第k個用戶的用戶信道信息Hk、干擾信息Hk和噪聲功率ο2進行縱向級聯(lián)得 到共級聯(lián)矩陣Tk,即Tk = [Hk: Hk: α σ IJ ；2)對共級聯(lián)矩陣Tk進行奇異值分解Tt =Γ ( Ak,0f Vf其中Uk是Tk的左奇異
，
矩陣，Ak是Tk的正奇異值構(gòu)成的對角矩陣，Vk是Tk的右奇異矩陣；3)選取左奇異矩陣Uk的前N列得到矩陣U' k(U' k = Uk(:.l:N))，并對矩陣U' k
進行奇異值分解=I^ = Pt(PiJ)1Qf,其中N是基站發(fā)射天線的數(shù)目，Pk是U' k的左奇 異矩陣， ,是…k的正奇異值構(gòu)成的對角矩陣，Qk是U' k的右奇異矩陣；4)令、V! = ^h1Q,取W' k的前m列得到線性預處理矩陣Wk，其中m是每個用
，
戶分配的數(shù)據(jù)流數(shù)；5)利用線性預處理矩陣Wk對基站給第k個用戶發(fā)射的初始信息進行線性預處理，具體公式是
Sk = WkSk,其中Sk是基站給第k個用戶發(fā)射的初始信息，Sk則是基站對第k個用戶發(fā)射的 初始信息進線性預處理后的實際發(fā)射信息。所述的疊加，具體公式是<formula>formula see original document page 6</formula>其中S是基站發(fā)射機最終的發(fā)射信息，K是總的接收用戶數(shù)。第五步，基站發(fā)射機將得到的最終發(fā)射信息S進行廣播，即在MIMO信道上將該信 息同時發(fā)送給所有的接收用戶。第六步，每個用戶接收基站發(fā)射機發(fā)送的信息，并對接收信息進行匹配濾波，匹配 濾波后的信息即為用戶所需要的信息。所述的匹配濾波，具體公式是<formula>formula see original document page 6</formula>其中r' k是第k個用戶濾波后的信息，Hk是第k個用戶的用戶信道信息，Wk是第 k個用戶的線性預處理矩陣，Il · I |F表示矩陣Frobenius范數(shù)，rk是第k個用戶的接收信 肩、ο與已有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果1)能夠在有效地抑制CCI的同時，進一步平衡用戶多個數(shù)據(jù)信息流之間的預處理 增益，從而獲得更好的系統(tǒng)誤碼率性能；2)避免了用戶信道矩陣和干擾信道矩陣的協(xié)方差矩陣的求取過程，也無需求出 其中一個近似奇異(不可逆)矩陣的逆矩陣，因而該方法較低的信息損失度和較強的穩(wěn)定 性；3)數(shù)據(jù)信息預處理設計簡單，實現(xiàn)復雜度低，方法魯棒性強，非常適合在實際系統(tǒng) 中應用。


圖1為實施例誤碼性能比較圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的方法作詳細說明本實施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進 行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實 施例。實施例本實施例中MIMO系統(tǒng)有兩個用戶，每個用戶分配3個數(shù)據(jù)流，基站有12根發(fā)射天 線，接收端每個用戶有3根接收天線，每個用戶的信道是獨立、同分布、零均值方差為1的循 環(huán)復高斯隨機變量，用戶間的信道相互獨立，且噪聲是方差為ο 2的復高斯白噪聲，對該系 統(tǒng)進行線性預處理具體包括以下步驟第一步，每個用戶向基站發(fā)射機發(fā)送其所需圖像和語音的請求信號，基站發(fā)射機根據(jù)各個用戶的請求信號，確定給每個接收用戶待發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。所述的待發(fā)送的數(shù)據(jù)信息包括圖像壓縮編碼信息和語音自回歸濾波器的系數(shù)參量。所述的待發(fā)送的數(shù)據(jù)信息以比特調(diào)制后的符號形式表示，其中第一用戶的待發(fā)送的數(shù)據(jù)信息以S1表示，第二用戶的待發(fā)送的數(shù)據(jù)信息以S2表示。第二步，兩個用戶分別根據(jù)自身接收到的導頻數(shù)據(jù)得到其信道信息H1和H2,并分 別將H1和H2以量化形式反饋給基站發(fā)射機。第三步，基站發(fā)射機分別根據(jù)兩個用戶的信道信息H1和H2,得到第一個用戶的干 擾信息S1 = H2，第二個用戶的干擾信息艮=H1,并進一步測量得到噪聲功率σ 2。第四步，基站發(fā)射機對發(fā)射給這兩個用戶的數(shù)據(jù)信息進行線性預處理，并將預處 理后的信息進行疊加得到最終的發(fā)射信息S，此時的發(fā)射信息S中的CCI信息已被有效抑 制。本實施例對第一個用戶初始信息進行線性預處理的過程是1)根據(jù)第一個用戶的信道信息H1、干擾信息S1和噪聲功率ο2進行縱向級聯(lián)得到 矩陣 T1，即 T1 = [H1IH1: α σ IJ ；2)對矩陣T1進行奇異值分解=T1 = U1 (ΛιΤ0)Γ Yf其中U1是T1的左奇異矩陣，
，
Λ i是T1的正奇異值構(gòu)成的對角矩陣，V1是T1的右奇異矩陣；3)選取左奇異矩陣U1的前N列得到矩陣U' k(U'工= U1Ll = N)),并對矩陣U'工
進行奇異值分解r丨=P1 (Q1.O^Qf其中Ν是基站發(fā)射天線的數(shù)目，本實施例中N= 12，
，
P1是U'工的左奇異矩陣，Q1是U' i的正奇異值構(gòu)成的對角矩陣，Q1是U' i的右奇異矩 陣；4)令1W1'= V1Af1Ql，取W' i的前m列得到線性預處理矩陣巧，其中m是每個用戶 分配的數(shù)據(jù)流數(shù)，本實施例中m = 3 ；5)利用線性預處理矩陣對基站給第一個用戶發(fā)射的初始信息S1進行線性預處理， 得到的基站給第一個用戶的實際發(fā)射信息S1的具體公式是S1 = W1S1O采用相同的方法，得到基站給第二個用戶的實際發(fā)射信息S2。本實施例經(jīng)疊加得到的最終發(fā)射信息S是S = S^S2。第五步，基站發(fā)射機將得到的最終發(fā)射信息S進行廣播，即在MIMO信道上將該信 息同時發(fā)送給兩個接收用戶。第六步，每個用戶接收基站發(fā)射機發(fā)送的信息，并對接收的信息進行匹配濾波，匹 配濾波后的信息即為用戶所需要的信息。本實施例第一個用戶接收到的信息巧是r' ！ = HiS+rii其中ηι是功率為ο 2的高斯白噪聲。本實施例第一個用戶得到的匹配濾波后的信息r'工是r' ！ = [(H1W1)VI IH1W1I IfJXt1
其中| I · I ι F表示矩陣Frobenius范數(shù)，信息r' i即為第一個用戶需要的信息。采用相同的方法，得到第二個用戶匹配濾波后的信息r' 2，該信息即為第二個用 戶需要的信息。分別采用本實施例方法和SLNR線性預處理方法得到的誤碼率隨信噪比變化的性 能比較如圖1所示，從圖中可以看出，在誤碼率為10_4時，本實施例方法相比SLNR線性預處 理方法獲得超過3dB的性能增益，其原因正是在于本發(fā)明方法在能夠有效地抑止CCI的同 時，進一步平衡各數(shù)據(jù)信息流間的預處理增益，從而顯著提高系統(tǒng)的誤碼率性能；此外，隨 著收發(fā)天線數(shù)和用戶數(shù)據(jù)流數(shù)的增加，二者的性能差距會更加明顯。此外，本實施例方法在實際應用中，避免了需要分別求出用戶信道矩陣和干擾信 道矩陣的協(xié)方差矩陣的過程，也無需求出其中一個近似奇異(不可逆)矩陣的逆矩陣，因而 該方法不僅具有較低的信息損失度，同時設計簡單 ，實現(xiàn)復雜度更低，方法魯棒性更強。
權(quán)利要求
一種多用戶多數(shù)據(jù)流MIMO系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息線性預處理方法，其特征在于，包括以下步驟第一步，每個用戶向基站發(fā)射機發(fā)送其所需圖像和語音的請求信號，基站發(fā)射機根據(jù)各個用戶的請求信號，確定給每個接收用戶待發(fā)送的數(shù)據(jù)信息；第二步，每個用戶根據(jù)自身接收到的導頻數(shù)據(jù)得到用戶信道信息H，并將該用戶信道信息反饋給基站發(fā)射機；第三步，基站發(fā)射機根據(jù)用戶信道信息得到干擾信息H，并進一步測量得到噪聲功率σ2；第四步，基站發(fā)射機對發(fā)射給每個用戶的數(shù)據(jù)信息進行線性預處理，并將預處理后的信息進行疊加得到最終的發(fā)射信息S，此時的發(fā)射信息S中的CCI信息已被有效抑制；第五步，基站發(fā)射機將得到的最終發(fā)射信息S進行廣播，即在MIMO信道上將該信息同時發(fā)送給所有的接收用戶；第六步，每個用戶接收基站發(fā)射機發(fā)送的信息，并對接收信息進行匹配濾波，匹配濾波后的信息即為用戶所需要的信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多用戶多數(shù)據(jù)流MIM0系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息線性預處理方法，其特 征是，第一步中所述的待發(fā)送的數(shù)據(jù)信息包括圖像壓縮編碼信息和語音自回歸濾波器的系 數(shù)參量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多用戶多數(shù)據(jù)流MIM0系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息線性預處理方法，其特 征是，第一步中所述的待發(fā)送的數(shù)據(jù)信息以比特調(diào)制后的符號形式表示。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多用戶多數(shù)據(jù)流MIM0系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息線性預處理方法，其特 征是，第二步中所述的用戶信道信息是量化形式或者碼本形式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多用戶多數(shù)據(jù)流MIM0系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息線性預處理方法，其特 征是，第四步中所述的線性預處理，具體步驟為1)將第k個用戶的用戶信道信息Hk、干擾信息艮和噪聲功率02進行縱向級聯(lián)得到共 級聯(lián)矩陣 Tk，即 Tk = [Hk:Sk: a 0 IN]；2)對共級聯(lián)矩陣Tk進行奇異值分解=V. (Ak,0f Vf其中Uk是Tk的左奇異矩，陣，Ak是Tk的正奇異值構(gòu)成的對角矩陣，Vk是Tk的右奇異矩陣；3)選取左奇異矩陣Uk的前N列得到矩陣Uk'(Uk' =Uk(:. 1:N))，并對矩陣Uk'進行奇異值分解=Qf，其中N是基站發(fā)射天線的數(shù)目，Pk是Uk'的左奇異矩陣，是Uk'的正奇異值構(gòu)成的對角矩陣，Qk是Uk'的右奇異矩陣；4)令、、HApQ,取Wk'的前m列得到線性預處理矩陣Wk，其中m是每個用戶分配 ，的數(shù)據(jù)流數(shù)；5)利用線性預處理矩陣\對基站給第k個用戶發(fā)射的初始信息進行線性預處理，具體 公式是Sk — Wksk其中Sk是基站給第k個用戶發(fā)射的初始信息，Sk則是基站對第k個用戶發(fā)射的初始 信息進線性預處理后的實際發(fā)射信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多用戶多數(shù)據(jù)流MIM0系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息線性預處理方法，其特 征是，第四步中所述的疊加，具體公式是其中S是基站發(fā)射機最終的發(fā)射信息，K是總的接收用戶數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多用戶多數(shù)據(jù)流MIM0系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息線性預處理方法，其特 征是，第六步中所述的匹配濾波，具體公式是 rk' = [(Hkffk)V |HkWkl lF]Xrk其中rk'是第k個用戶濾波后的信息，Hk是第k個用戶的用戶信道信息，Wk是第k個 用戶的線性預處理矩陣，I I | ^表示矩陣Frobenius范數(shù)，rk'是第k個用戶的接收信息。
全文摘要
一種無線通信技術(shù)領域的多用戶多數(shù)據(jù)流MIMO系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息線性預處理方法，包括以下步驟基站發(fā)射機確定給每個接收用戶待發(fā)送的數(shù)據(jù)信息；每個用戶將得到的用戶信道信息反饋給基站發(fā)射機；基站發(fā)射機得到干擾信息和噪聲功率；基站發(fā)射機對發(fā)射給每個用戶的數(shù)據(jù)信息進行線性預處理和疊加；基站發(fā)射機將得到的最終發(fā)射信息進行廣播；每個用戶接收基站發(fā)射機發(fā)送的信息，并對接收信息進行匹配濾波，匹配濾波后的信息即為用戶所需要的信息。本發(fā)明能夠平衡用戶多個數(shù)據(jù)流之間的預處理增益，從而獲得更好的系統(tǒng)誤碼率性能；同時，無需分別求出用戶信道矩陣和干擾信道矩陣的協(xié)方差矩陣，計算簡單且數(shù)值性能穩(wěn)定，因此適合實際應用。
文檔編號H04B7/06GK101834651SQ20101030134
公開日2010年9月15日 申請日期2010年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月8日
發(fā)明者張文軍, 程鵬, 陶梅霞 申請人:上海交通大學