一種面向多播業(yè)務(wù)的多天線分組預(yù)編碼方法
【專利摘要】本發(fā)明針對(duì)支持多播或組播業(yè)務(wù)的多用戶無(wú)線通信系統(tǒng)，公開(kāi)了一種用于分布式多天線系統(tǒng)下行鏈路的多天線分組預(yù)編碼方法。在分布式多天線系統(tǒng)中，多個(gè)遠(yuǎn)端天線單元通過(guò)光纖連接到中央處理單元進(jìn)行聯(lián)合信號(hào)處理。本發(fā)明利用系統(tǒng)中多播業(yè)務(wù)用戶接收相同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，將接收同一路多播業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的多個(gè)用戶構(gòu)建為一個(gè)多播業(yè)務(wù)分組，并分別針對(duì)每個(gè)多播業(yè)務(wù)分組中的多個(gè)用戶聯(lián)合設(shè)計(jì)一個(gè)分組預(yù)編碼矩陣用于下行鏈路發(fā)射。另外，根據(jù)不同多播業(yè)務(wù)分組中的用戶數(shù)目，該分組預(yù)編碼方法基于最小平均路徑損耗的準(zhǔn)則選擇滿足系統(tǒng)要求的最小數(shù)目的下行鏈路發(fā)射天線，能夠在抵消不同多播業(yè)務(wù)分組間的多用戶數(shù)據(jù)互干擾的同時(shí)，進(jìn)一步降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。
【專利說(shuō)明】—種面向多播業(yè)務(wù)的多天線分組預(yù)編碼方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無(wú)線及移動(dòng)通信【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于分布式多天線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的無(wú)線通信系統(tǒng)中的面向多播或組播業(yè)務(wù)的多天線分組預(yù)編碼方法。
[0002]背景方法
[0003]隨著時(shí)代的進(jìn)步與發(fā)展，人類社會(huì)對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率、傳輸質(zhì)量等方面提出了越來(lái)越高的要求，并且需要更加高效地同時(shí)支持廣播、組播和單播數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。由于無(wú)線頻譜資源的有限性，分布式多天線系統(tǒng)作為一種能夠降低發(fā)射功率、提高系統(tǒng)容量以及改善系統(tǒng)覆蓋性能的技術(shù)越來(lái)越受到人們關(guān)注。目前研究的下一代無(wú)線廣播電視系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中，采用了基于單個(gè)高塔的廣播大區(qū)與多個(gè)基站蜂窩小區(qū)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。同時(shí)，蜂窩小區(qū)中采用分布式多天線系統(tǒng)業(yè)已成為下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)方案。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對(duì)支持多播數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的多用戶無(wú)線通信系統(tǒng)，提出了一種用于下行鏈路的多天線分組預(yù)編碼方法。如圖1所示，系統(tǒng)中的K個(gè)活動(dòng)用戶同時(shí)請(qǐng)求接收R種不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，從而構(gòu)成R個(gè)多播業(yè)務(wù)分組。對(duì)于采用多個(gè)發(fā)射天線的下行鏈路，本發(fā)明利用同一個(gè)多播業(yè)務(wù)分組中的多個(gè)用戶接收相同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)分組預(yù)編碼矩陣降低系統(tǒng)運(yùn)算復(fù)雜度，同時(shí)，根據(jù)多播業(yè)務(wù)分組中用戶數(shù)目的不同，該方法基于最小平均路徑損耗的原理選擇最小數(shù)目的總體發(fā)射天線，在滿足抵消不同多播業(yè)務(wù)分組之間數(shù)據(jù)互干擾的前提下，進(jìn)一步降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的成本。本發(fā)明可以應(yīng)用于集中式或者分布式天線系統(tǒng)，在保持與傳統(tǒng)預(yù)編碼方法相近性能的同時(shí)，減少了運(yùn)算復(fù)雜度。
[0005]一個(gè)典型的基于OFDM調(diào)制的多用戶分布式MMO (D-MMO)多天線系統(tǒng)的下行鏈路系統(tǒng)模型如圖2所示。假設(shè)系統(tǒng)中有K個(gè)用戶終端且每個(gè)終端配置Mk (k= 1，2，...，K)個(gè)接收天線，基站側(cè)共有L個(gè)遠(yuǎn)端天線單元(RAU, Remote Antenna Unit)且每個(gè)RAU配置N1 (I = 1，2，...，L)個(gè)發(fā)射天線。當(dāng)所有遠(yuǎn)端天線單元都用于下行鏈路發(fā)射時(shí)，系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)第k個(gè)用戶的無(wú)線信道可以建模為一個(gè)MkXNSK的矩陣瓜=[11〖H Hf]，其中Nsk =
NJN2+...+隊(duì)是所有RAU的發(fā)射天線數(shù)目之和。系統(tǒng)中第k個(gè)用戶與第I個(gè)RAU之間的MMO
多天線平坦衰落信道由維度Mk X N1的信道矩陣Hi = Hi表示。其中，Hl服從復(fù)高斯或者瑞利分布a,包括無(wú)線信道相應(yīng)的大尺度路徑損耗和陰影衰落，并建模為均值/4(dB)，標(biāo)準(zhǔn)偏差為Ops(ClB)的對(duì)數(shù)正態(tài)分布的隨機(jī)變量，其均值由公式=/;確定，其中，參數(shù)β為路徑損耗因子，4表示第k個(gè)用戶終端與第I個(gè)RAU之間的距離。因此，分布式MIMO多天線系統(tǒng)小區(qū)中所有的K個(gè)用戶終端與L個(gè)RAU之間的無(wú)線傳播信道由維度為MsuXNsk的矩陣H = [Hf B12…Hif表示，其中，Msu = MJM2UMk表示所有K個(gè)用戶終端的接收天線數(shù)目之和，運(yùn)算符[]τ代表一個(gè)向量或者矩陣的轉(zhuǎn)置。
[0006]假設(shè)對(duì)應(yīng)第k個(gè)用戶的下行鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)符號(hào)為^ e Cm^1，其經(jīng)過(guò)相應(yīng)的預(yù)編碼矩陣€ e Cv-x^處理后通過(guò)全部RAU的天線發(fā)射，則在第k個(gè)用戶終端的接收信號(hào)為
ri=h^ZfA+ni
[0007]^(O = HiF1-S^HrX FiS1+η,


1:1j章k
[0008]其中4 eCMiXl，nk表示接收機(jī)的加性高斯白噪聲。從公式⑴可以看出，第k個(gè)用戶的有用期望信號(hào)為HkFkSk,而公式中的第二項(xiàng)是來(lái)自其它用戶數(shù)據(jù)信號(hào)造成的干擾信號(hào)。因此，系統(tǒng)需要針對(duì)每個(gè)用戶設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣Fk使得各用戶的接收信號(hào)中消除其它用戶數(shù)據(jù)造成的干擾，即上式第二項(xiàng)為零，從而第k個(gè)用戶的接收信號(hào)可以表示為
[0009]
r,=H,FA + n,(2)
[0010]由此可見(jiàn)，在接收端進(jìn)行相應(yīng)的線性處理即可以恢復(fù)出發(fā)射的源數(shù)據(jù)信息。
[0011]在基于分布式MIMO多天線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的下一代無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于RAU的發(fā)射天線分布在小區(qū)不同的地理位置，下行鏈路多天線信道之間的相關(guān)性大大降低，更加有利于終端用戶通過(guò)下行鏈路預(yù)編碼獲得空間分集和復(fù)用增益，并且抑制或消除多用戶干擾。另外，下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中存在大量的多播或者組播業(yè)務(wù)。對(duì)于下行鏈路的多播業(yè)務(wù)而言，多個(gè)用戶同時(shí)接收相同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，我們將這些用戶定義為一個(gè)多播業(yè)務(wù)用戶分組。本發(fā)明根據(jù)一個(gè)多播業(yè)務(wù)組內(nèi)的多個(gè)用戶對(duì)應(yīng)的聯(lián)合MMO信道矩陣設(shè)計(jì)一個(gè)預(yù)編碼器，稱為分組預(yù)編碼。在系統(tǒng)的下行鏈路，基站或中心處理單元(⑶，Central Unit)利用同一個(gè)分組預(yù)編碼矩陣對(duì)多個(gè)用戶共同接收的同一路多播數(shù)據(jù)流進(jìn)行預(yù)處理。與針對(duì)每個(gè)終端用戶分別設(shè)計(jì)一個(gè)預(yù)編碼器的傳統(tǒng)方法相比，分組預(yù)編碼方法可以減少設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣的運(yùn)算復(fù)雜度，從而提高系統(tǒng)的處理效率。
[0012]如圖1所示，假設(shè)系統(tǒng)中總共存在R(RSK)個(gè)多播業(yè)務(wù)用戶分組，系統(tǒng)在下行鏈路向R個(gè)多播業(yè)務(wù)分組分別發(fā)送R路不同的多播業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流Pg(g = 1，2，...，R)，每個(gè)多播業(yè)務(wù)分組包括一個(gè)或多個(gè)用戶接收相同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流。假設(shè)每個(gè)多播業(yè)務(wù)用戶
R
分組中包括Kg(g = 1，2，...，R)個(gè)用戶，即Σ \ =Κ。為了分析方便，將第一個(gè)多播分組中的KJK1 ^ I)個(gè)用戶編號(hào)標(biāo)注為用戶1，2，…，K1，并假設(shè)此K1個(gè)用戶接收第一路多播業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流P1，而每個(gè)用戶相應(yīng)的下行鏈路信道矩陣分別為H1,H2，…，Hjci。類似地，
第二個(gè)多播分組中的K2個(gè)用戶接收第二路多播業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流P2，并標(biāo)注為K1+l，Κ1+2,…，1+1(2。依此類推，第R個(gè)多播分組中的Kk個(gè)用戶接收第R路多播業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流Pk,并標(biāo)注為 K1+!^+...+K^1+1, K^K2+...+K^1+2,..., K^K2+...+Kh+Kk。因此，第 I 個(gè)多播業(yè)務(wù)分組用戶相應(yīng)的信道矩陣可以表示為G1=1f …H^f，第2個(gè)多播分組用戶對(duì)應(yīng)的信道矩陣表示為<52=[Η【ι41 Η【ι+2…Η〗#/，依此類推，第r個(gè)多播分組用戶對(duì)應(yīng)的信道矩陣表不為Gi =[H【|+a:+ +a:s i+1…H[i+AV...+A:sys]i'。對(duì)于任一多播業(yè)務(wù)分組，其用戶相對(duì)應(yīng)信道矩陣的干擾矩陣定義為除去該組用戶的信道矩陣以外，其它各分組用戶的信道矩陣的聯(lián)合矩陣，即對(duì)于第g個(gè)多播業(yè)務(wù)分組用戶相應(yīng)的信道矩陣Gg的干擾矩陣可以表示為
Gg = [Gf--GL1 G;廣.Gif。
[0013]不失一般性地，假設(shè)每個(gè)用戶終端的接收天線數(shù)目均為Mt，系統(tǒng)中用于下行鏈路發(fā)射的總天線數(shù)目為NTx，且Ktl = min IK1, K2,, Kj表示包含最少用戶的多播業(yè)務(wù)分組中的用戶數(shù)目。因此，對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)中用戶數(shù)目最少的多播業(yè)務(wù)分組的信道矩陣，存在至少一個(gè)維度為[(K-Ktl)*MT] XNtx的多播業(yè)務(wù)分組用戶信道干擾矩陣，該信道干擾矩陣的相應(yīng)行數(shù)目最大。
[0014]根據(jù)矩陣的塊對(duì)角化(Block Diagonalizat1n, BD)方法的限制條件,只要保證任意一個(gè)G.實(shí)現(xiàn)完全正交化，則系統(tǒng)中其它多播業(yè)務(wù)分組用戶信道的干擾矩陣也能夠?qū)崿F(xiàn)完全正交化。進(jìn)一步地，對(duì)G 進(jìn)行奇異值分解(SVD)可以得到
r-|Γ

Σ O ~ τ
[0015]G =[U腿 Cmax] n Vr⑶

L0 0J LvL_
[0016]其中，矩陣Vmax的維數(shù)為Ntx X Mmin且滿足Mmin = Ntx-(K-Ktl) *ΜΤ，它的列組成了干擾矩陣0_的零空間。為了保證實(shí)現(xiàn)完全正交化，Vmax的列數(shù)必須大于等于每個(gè)用戶終端的接收天線數(shù)，即Iin應(yīng)滿足
[0017]Mmin = Ntx- (K-K0) *Μτ 彡 Mt (4)
[0018]從公式(4)可以看出，為了滿足塊對(duì)角化算法的條件進(jìn)而實(shí)現(xiàn)干擾矩陣完全正交化，系統(tǒng)用于下行鏈路的最少發(fā)射天線數(shù)目應(yīng)為(K-VIRMt，其中Mt為每個(gè)用戶終端的接收天線數(shù)目。
[0019]在支持多播業(yè)務(wù)的多用戶分布式MMO多天線系統(tǒng)中，當(dāng)多個(gè)RAU配置的天線數(shù)目之和滿足公式(4)定義所需的最小發(fā)射天線數(shù)目時(shí)，為了降低處理復(fù)雜度和減少系統(tǒng)能耗，我們可以選擇部分RAU天線用于下行鏈路發(fā)射的分組預(yù)編碼處理。與傳統(tǒng)的集中式MIMO系統(tǒng)不同，分布式MMO多天線系統(tǒng)中的多個(gè)RAU位于小區(qū)的不同地理位置，通常各個(gè)RAU的天線到某個(gè)用戶的距離及大尺度衰落均不相等，因此，選擇不同的RAU發(fā)射天線將獲得不同的下行鏈路傳輸性能。
[0020]圖2給出了包括K個(gè)用戶和L個(gè)RAU的系統(tǒng)無(wú)線信道模型示意圖，我們據(jù)此說(shuō)明分布式多天線小區(qū)下行鏈路發(fā)射天線選擇方法原理。小區(qū)中的K個(gè)用戶終端編號(hào)為UE#k(k=1,2,...，K)，L個(gè)RAU編號(hào)為RAU#1(1 = 1,2,…，L)，系統(tǒng)中第k個(gè)用戶終端和第I個(gè)RAU
之間的距離表示為W。通常，因?yàn)橥粋€(gè)RAU的多個(gè)天線安裝的位置彼此靠近，所以假設(shè)它們與同一用戶終端距離近似相等。假設(shè)系統(tǒng)選擇用于下行鏈路發(fā)射的總天線數(shù)目為NTx，而每個(gè)RAU配置天線數(shù)目均為Nq，則經(jīng)過(guò)選擇參與發(fā)射的RAU數(shù)目為
[0021]
N mu —「N Tx I Λ^ρ~|(5)
[0022]其中，「Z]表示不小于Z的最小整數(shù)。為了選擇參與發(fā)射的RAU，定義
[0023]^idkY
Di；un= ,, (1 = 1,-,1)(6)

K
[0024]為第I個(gè)RAU與系統(tǒng)中所有K個(gè)用戶終端之間的平均大尺度衰落路徑損耗。首先，將L個(gè)平均路徑損耗數(shù)值1)?1)，D%{2),..., Dfi(Z)從小到大進(jìn)行排序，然后，選擇
Neau個(gè)最小的平均路徑損耗數(shù)值所對(duì)應(yīng)的RAU參與下行鏈路發(fā)射，從而使得下行鏈路無(wú)線傳輸?shù)目傮w平均路徑損耗達(dá)到最小。當(dāng)實(shí)際系統(tǒng)中Ntx不能被Nq整除時(shí)，則上述排序選擇的最后一個(gè)RAU(其平均路徑損耗值相對(duì)最大)的Nq個(gè)天線不需要全部用于發(fā)射，又由于假設(shè)同一個(gè)RAU配置的多個(gè)天線與一個(gè)終端用戶的距離近似相等，此時(shí)可以隨機(jī)選擇其中
Ntx - No * [Nr, / No]個(gè)天線用于下行鏈路的發(fā)射。
[0025]以上給出了一種基于平均路徑損耗最小的次優(yōu)的天線選擇方案，即首先選擇參與發(fā)射的分布式RAU，再選擇其中配置的多個(gè)天線。另外一種最優(yōu)方案是在所有RAU天線中，選擇對(duì)應(yīng)的平均信道增益最大，即平均大尺度衰落路徑損耗最小的所需數(shù)目的天線用于下行鏈路發(fā)射。不失一般性，假設(shè)系統(tǒng)需要選擇最少Nt= (K-Kc^IRMt個(gè)天線在下行鏈路進(jìn)行發(fā)射，并且所選擇的Nt個(gè)天線與所有K個(gè)用戶終端之間的平均路徑損耗最小，即
Dpa^(J) = ^τ~ (./ =丨，.、",,)門(mén)

K
[0027]為系統(tǒng)所有Nsk個(gè)天線相對(duì)應(yīng)的(/_ =U中最小的Nt個(gè)平均大尺度衰落路徑損耗，其中，W (./ = I,...，#&)表示第k個(gè)用戶與第j個(gè)RAU配置天線之間的距離。
[0028]以下假設(shè)系統(tǒng)僅利用基于上述算法選擇出的Nt個(gè)發(fā)射天線進(jìn)行分組預(yù)編碼設(shè)計(jì)。為了表述簡(jiǎn)單，我們以Nt代替NSK，(K.Μτ)代替Msu分析上述多用戶D-MMO系統(tǒng)下行鏈路信道模型，即所選擇的Nt個(gè)天線與所有K個(gè)用戶終端之間的下行鏈路無(wú)線信道通過(guò)維度為(K.MT) XNt的信道矩陣H = IHl H丨.H |'表示。其中，Hk (k = 1，2，...，K)
是對(duì)應(yīng)第k個(gè)終端用戶的無(wú)線信道的維度為MtXNt的子信道矩陣。類似地，對(duì)于第g(g = 1，2，...，R)個(gè)多播業(yè)務(wù)分組中用戶相對(duì)應(yīng)的信道矩陣Gg的干擾矩陣可以表示為=！ G〖+r-G〗f。其中，第g個(gè)多播業(yè)務(wù)分組的信道矩陣Gg的維度是
(Kg.Μτ) XNt，而相應(yīng)的信道干擾矩陣G的維度是[(K-Kg).MT] XNt。
[0029]進(jìn)一步對(duì)第g個(gè)多播業(yè)務(wù)分組的信道干擾矩陣進(jìn)行SVD分解可以得到

—Σ O
[0030]Gg - [ug0J(8)
[0031]根據(jù)矩陣奇異值分解原理，VgeC?XZ*的列向量構(gòu)成了干擾矩陣t的零空間的正交基，其中，Vg的列維度Zg = Nt-(K-Kg).Mt等于G的零空間向量的維數(shù)。因此，對(duì)于系統(tǒng)中滿足集合= K^K2+...+Kp1 U K^K2+...+Kg ^ j ^ K}的第j個(gè)用戶，即不屬于第g個(gè)多播業(yè)務(wù)分組中的第j個(gè)用戶，可以推導(dǎo)得到
[0032]HjXVg = O (9)
[0033]綜上所述，我們構(gòu)造第g個(gè)多播業(yè)務(wù)分組的分組預(yù)編碼矩陣為
[0034]Fg = Vg (10)
[0035]假設(shè)系統(tǒng)中的第i個(gè)用戶屬于第g(g = 1，2，...，R)個(gè)多播業(yè)務(wù)分組，且該用戶在下行鏈路相應(yīng)接收的第g路發(fā)射數(shù)據(jù)流為Sg e Cu^1，那么經(jīng)過(guò)分組預(yù)編碼處理的接收信號(hào)為


R
I.=H+ Η * Σ Fys,+ η,.
[0036](11)
= H^V/Sg + m
[0037]其中，Hi是第i個(gè)用戶相對(duì)應(yīng)的MtXNt信道矩陣，nk表示接收機(jī)加性高斯白噪聲。從公式(11)可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)分組預(yù)編碼處理可以消除多用戶干擾，而第i個(gè)用戶相對(duì)應(yīng)的等效信道矩陣Si = HA
[0038]綜上所述，當(dāng)多用戶MMO多天線系統(tǒng)中存在K個(gè)用戶終端請(qǐng)求接收R(R彡K)路多播業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流Pg(g= I, 2,..., R)時(shí)，傳統(tǒng)方法需要針對(duì)每一個(gè)用戶分別設(shè)計(jì)總共K個(gè)預(yù)編碼矩陣，并對(duì)每個(gè)用戶相應(yīng)的[(K-1).Mt] XNt的信道干擾矩陣進(jìn)行如公式(2.13)所示的SVD分解運(yùn)算，即總計(jì)需要完成K個(gè)[(K-1).ΜΤ] XNt的矩陣的SVD分解運(yùn)算。本發(fā)明申請(qǐng)的分組預(yù)編碼方法分別針對(duì)R(R ( K)個(gè)多播業(yè)務(wù)分組設(shè)計(jì)R個(gè)預(yù)編碼矩陣，并且需要進(jìn)行R個(gè)業(yè)務(wù)分組相對(duì)應(yīng)的信道干擾矩陣的SVD分解運(yùn)算(矩陣的維度根據(jù)用戶分組情況不同而不同)，其運(yùn)算復(fù)雜度不大于傳統(tǒng)預(yù)編碼方法，在實(shí)現(xiàn)抵消多用戶信號(hào)干擾的同時(shí)，系統(tǒng)平均差錯(cuò)性能近乎相同。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0039]圖1為包括K個(gè)用戶及R個(gè)多播業(yè)務(wù)分組的分布式MMO多天線系統(tǒng)示意圖；
[0040]圖2為多用戶分布式MMO多天線系統(tǒng)無(wú)線信道建模示意圖；
[0041]圖3為本發(fā)明實(shí)施例性能仿真的分布式天線系統(tǒng)小區(qū)架構(gòu)示意圖；
[0042]圖4為實(shí)施例1中3個(gè)多播業(yè)務(wù)分組場(chǎng)景的6用戶等效系統(tǒng)示意圖；
[0043]圖5為在瑞利平坦衰落信道條件的分布式多天線系統(tǒng)中，采用迫零和最小均方誤差準(zhǔn)則塊對(duì)角化的傳統(tǒng)預(yù)編碼方法，以及實(shí)施例1({1，2，3}，{4，5}，{6})和實(shí)施例2({1，2，3}，{4，5，6})兩種多播業(yè)務(wù)分組場(chǎng)景中分組預(yù)編碼方法的平均誤符號(hào)率性能；
[0044]圖6為在Brazil B信道模型的分布式多天線系統(tǒng)中，采用迫零和最小均方誤差準(zhǔn)則塊對(duì)角化的傳統(tǒng)預(yù)編碼方法，以及實(shí)施例1({1，2，3}，{4，5}，{6})和實(shí)施例2({1，2，3}，{4，5,6})兩種多播業(yè)務(wù)分組場(chǎng)景中分組預(yù)編碼方法的平均誤符號(hào)率性能；
[0045]圖7為實(shí)施例2中2個(gè)多播業(yè)務(wù)分組場(chǎng)景的6用戶等效系統(tǒng)示意圖；
[0046]圖8為瑞利平坦衰落信道條件下的分布式多天線系統(tǒng)中，實(shí)施例3的2個(gè)多播業(yè)務(wù)分組({1，2，3}，{4，5,6})場(chǎng)景中分別選擇8個(gè)和12個(gè)發(fā)射天線的分組預(yù)編碼方法的平均誤符號(hào)率性能；
[0047]圖9為在Brazil B信道模型的分布式多天線系統(tǒng)中，實(shí)施例3的2個(gè)多播業(yè)務(wù)分組({1，2，3}，{4，5，6})場(chǎng)景中分別選擇8個(gè)和12個(gè)發(fā)射天線的分組預(yù)編碼方法平均誤符號(hào)率性能。

【具體實(shí)施方式】
[0048]以下結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述實(shí)施例。在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)于本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0049]為了通過(guò)仿真評(píng)估對(duì)比本發(fā)明的分組預(yù)編碼方法與傳統(tǒng)預(yù)編碼方法的系統(tǒng)性能，假設(shè)系統(tǒng)為一個(gè)基于分布式多天線系統(tǒng)(DAS)架構(gòu)的蜂窩小區(qū)，它包括I個(gè)基站設(shè)備的中央處理單元(BS/⑶)和7個(gè)分布在小區(qū)不同地理位置的遠(yuǎn)端天線單元RAUl?RAU7。BS/⑶通過(guò)光纖與多個(gè)RAU相連，每個(gè)RAU配置4天線，如圖3所示。假設(shè)終端用戶在小區(qū)內(nèi)隨機(jī)均勻分布，基于蒙特卡羅方法仿真得到系統(tǒng)平均誤誤符號(hào)率。
[0050]實(shí)施例1:一種3個(gè)多播業(yè)務(wù)分組的6用戶場(chǎng)景
[0051]假設(shè)系統(tǒng)包括標(biāo)識(shí)為編號(hào)I?6的6個(gè)用戶，它們需要分別接收3路不同的多播業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，據(jù)此可以將它們分為3個(gè)多播業(yè)務(wù)分組。假設(shè)第一個(gè)多播業(yè)務(wù)分組包括用戶1，用戶2和用戶3,標(biāo)記為{1,2,3};第二個(gè)多播業(yè)務(wù)分組包括用戶4和用戶5,標(biāo)記為{4,5}；第三個(gè)多播業(yè)務(wù)分組僅包括用戶6，標(biāo)記為{6}。
[0052]實(shí)施例1中的總用戶數(shù)為K = 6，假設(shè)每個(gè)用戶終端配置天線數(shù)Mt = 2，第三個(gè)多播分組中對(duì)應(yīng)的最少用戶數(shù)Ktl= I。根據(jù)前述的本發(fā)明分組預(yù)編碼方法，下行鏈路的總發(fā)射天線最小數(shù)目為(K-Kc^irmt = 12，仿真采用上述基于最小平均路徑損耗的準(zhǔn)則選擇12個(gè)發(fā)射天線。經(jīng)過(guò)分組預(yù)編碼方案處理后，系統(tǒng)可以等效為3個(gè)獨(dú)立的多播系統(tǒng)，如圖4所
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[0053]為了對(duì)比分組預(yù)編碼與傳統(tǒng)未分組預(yù)編碼方法的性能，在瑞利平坦衰落信道條件下的分布式多天線系統(tǒng)中，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真得到了傳統(tǒng)預(yù)編碼方案和對(duì)應(yīng)實(shí)施例1中用戶場(chǎng)景({1，2，3}，{4，5}，{6})的基于BD-ZF和BD-MMSE檢測(cè)的分組預(yù)編碼方法的平均誤符號(hào)率性能曲線，分別如圖5中的第1、2和第4、5條曲線所示。其中，圖例“Conv.Pre-coding”表示傳統(tǒng)預(yù)編碼方法，BD-ZF表示基于迫零準(zhǔn)則的塊對(duì)角化檢測(cè)方法，BD-MMSE表示基于最小均方誤差準(zhǔn)則的塊對(duì)角化檢測(cè)方法。由圖可見(jiàn)，當(dāng)信噪比小于25dB時(shí)，本發(fā)明的分組預(yù)編碼方法與傳統(tǒng)預(yù)編碼方案的性能近乎相同。
[0054]類似地，在Brazil B信道模型的分布式多天線系統(tǒng)中，未分組的傳統(tǒng)預(yù)編碼方法和實(shí)施例1 ({1，2，3}，{4，5}，{6})中基于BD-ZF和BD-MMSE檢測(cè)的相應(yīng)分組預(yù)編碼方法的平均誤符號(hào)率性能仿真曲線分別如圖6中的第1、2和第4、5條曲線所示。由圖可見(jiàn)，本發(fā)明的分組預(yù)編碼方法與傳統(tǒng)預(yù)編碼方案的性能基本相同。
[0055]實(shí)施例1中，未分組的傳統(tǒng)預(yù)編碼方法需要針對(duì)6個(gè)用戶分別設(shè)計(jì)6個(gè)預(yù)編碼矩陣，而本發(fā)明的分組預(yù)編碼方法只需要針對(duì)3個(gè)多播業(yè)務(wù)分組設(shè)計(jì)3個(gè)預(yù)編碼矩陣。
[0056]實(shí)施例2:一種2個(gè)多播業(yè)務(wù)分組的6用戶場(chǎng)景
[0057]假設(shè)系統(tǒng)包括標(biāo)識(shí)為編號(hào)I?6的6個(gè)用戶，它們分為2個(gè)多播業(yè)務(wù)分組，分別請(qǐng)求接收2路不同的多播業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流。假設(shè)第一個(gè)多播業(yè)務(wù)分組包括用戶1，用戶2和用戶
3,標(biāo)記為{1,2,3};第二個(gè)多播業(yè)務(wù)分組包括用戶4,用戶5和用戶6,標(biāo)記為{4,5,6}。
[0058]實(shí)施例2中的總用戶數(shù)為K = 6，多播分組中的最少用戶數(shù)Ktl = 3。為了與實(shí)施例I的算法性能對(duì)比，假設(shè)每個(gè)用戶終端天線數(shù)Mt = 2，下行鏈路采用選擇合計(jì)12個(gè)發(fā)射天線。經(jīng)過(guò)分組預(yù)編碼方法處理后，系統(tǒng)可以等效為2個(gè)獨(dú)立的多播系統(tǒng)，如圖7所示。
[0059]為了對(duì)比分組預(yù)編碼與未分組傳統(tǒng)預(yù)編碼方法的性能，在瑞利平坦衰落信道條件下的分布式多天線系統(tǒng)中，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真得到了未分組的傳統(tǒng)預(yù)編碼方案和實(shí)施例2({1，2，3}，{4，5，6})中基于BD-ZF和BD-MMSE檢測(cè)的相應(yīng)分組預(yù)編碼方法的平均誤符號(hào)率性能曲線，分別如圖5中的第1、3和第4、6條曲線所示。由圖可見(jiàn)，當(dāng)信噪比小于25dB時(shí)，本發(fā)明的分組預(yù)編碼方法與傳統(tǒng)預(yù)編碼方案的性能近乎相同。
[0060]類似地，在Brazil B信道模型的分布式多天線系統(tǒng)中，未分組的傳統(tǒng)預(yù)編碼方法和實(shí)施例2 ({I, 2，3}，{4，5，6})中基于BD-ZF和BD-MMSE檢測(cè)的相應(yīng)分組預(yù)編碼方法的平均誤符號(hào)率性能仿真曲線分別如圖6中的第1、3和第4、6條曲線所示。由圖可見(jiàn)，本發(fā)明的分組預(yù)編碼方法與傳統(tǒng)預(yù)編碼方案的性能幾乎相同。
[0061]實(shí)施例2中，未分組的傳統(tǒng)預(yù)編碼方法需要針對(duì)6個(gè)用戶分別設(shè)計(jì)6個(gè)預(yù)編碼矩陣，而本發(fā)明的分組預(yù)編碼方法只需要針對(duì)2個(gè)多播業(yè)務(wù)分組設(shè)計(jì)2個(gè)預(yù)編碼矩陣。
[0062]實(shí)施例3:—種最小發(fā)射天線數(shù)目的2個(gè)多播業(yè)務(wù)分組的6用戶場(chǎng)景
[0063]實(shí)施例3中假設(shè)系統(tǒng)包括標(biāo)識(shí)為編號(hào)I?6的6個(gè)用戶，它們分別接收2路多播業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流。假設(shè)第一個(gè)多播業(yè)務(wù)分組包括用戶1，用戶2和用戶3，標(biāo)記為{1，2，3};第二個(gè)多播業(yè)務(wù)分組包括用戶4，用戶5和用戶6，標(biāo)記為{4，5，6}。
[0064]實(shí)施例3中的總用戶數(shù)為K = 6，假設(shè)每個(gè)用戶終端配置天線數(shù)Mt = 2，多播分組中的最少用戶數(shù)Ktl = 3，根據(jù)前述的本發(fā)明分組預(yù)編碼方法，下行鏈路的合計(jì)發(fā)射天線最小數(shù)目為(K-Kc^IRMt = 8。在下行鏈路采用基于最小平均路徑損耗的準(zhǔn)則選擇最小數(shù)目的8個(gè)發(fā)射天線，經(jīng)過(guò)分組預(yù)編碼方法處理的等效多播系統(tǒng)如圖7所示。
[0065]圖8和圖9分別在瑞利平坦衰落信道和Brazil B信道模型的分布式多天線系統(tǒng)中，給出了在多播業(yè)務(wù)分組場(chǎng)景({1，2，3}，{4,5,6})中分別選擇總計(jì)8個(gè)和12個(gè)發(fā)射天線時(shí)，基于BD-ZF和BD-MMSE檢測(cè)的分組預(yù)編碼方法的平均誤符號(hào)率性能仿真曲線。由圖可見(jiàn)，對(duì)于采用基于最小平均路徑損耗準(zhǔn)則選擇出的8個(gè)和12個(gè)發(fā)射天線進(jìn)行比較，系統(tǒng)平均誤符號(hào)率性能只有很小的損失。需要指出的是，12個(gè)發(fā)射天線是在下行鏈路采用傳統(tǒng)預(yù)編碼方法所需的最小發(fā)射天線數(shù)目。
[0066]由以上分析可知，當(dāng)系統(tǒng)中任一多播業(yè)務(wù)分組中存在至少2個(gè)用戶，即多播分組中的最少用戶數(shù)KtlM時(shí)，則本發(fā)明的分組預(yù)編碼方法可以采用較傳統(tǒng)預(yù)編碼方法所需天線總數(shù)目更少的天線用于下行鏈路的發(fā)射，而進(jìn)一步降低運(yùn)算復(fù)雜度和系統(tǒng)成本，同時(shí)系統(tǒng)的平均誤符號(hào)率性能僅有輕微地劣化。
[0067]本發(fā)明申請(qǐng)的分組預(yù)編碼方法及傳統(tǒng)預(yù)編碼方法的基本原理均是對(duì)多播業(yè)務(wù)分組或者單個(gè)用戶信道的干擾矩陣基于塊對(duì)角化原則進(jìn)行奇異值分解而得到用戶的預(yù)編碼矩陣。為了進(jìn)一步闡述分組預(yù)編碼方法相比傳統(tǒng)預(yù)編碼方法在處理復(fù)雜度上的優(yōu)勢(shì)，以下針對(duì)實(shí)施例中的多播業(yè)務(wù)分組場(chǎng)景分析具體運(yùn)算復(fù)雜度。由于精確統(tǒng)計(jì)本發(fā)明方法處理中所需的運(yùn)算量數(shù)目較為困難，所以采用分組預(yù)編碼方法中最重要的對(duì)信道干擾矩陣進(jìn)行奇異值分解處理所需要的浮點(diǎn)運(yùn)算數(shù)(flops)來(lái)替代。
[0068]根據(jù)Shen Z 和 Chen R 等作者 2006 年發(fā)表在 IEEE Transact1ns on SignalProcessing雜志第54期第9卷的論文“Low complexity user select1n algorithms formultiuser MIMO systems with block diagonalizat1n”，對(duì)于浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，I個(gè)flop表不I次實(shí)數(shù)乘法或I次實(shí)數(shù)加法運(yùn)算。對(duì)于復(fù)數(shù)運(yùn)算，I次復(fù)數(shù)加法需要2個(gè)flops，而I次復(fù)數(shù)乘法需要6個(gè)flops。根據(jù)上述論文和John Hopkins大學(xué)出版社2012年出版的GolubG H和Van Loan等作者的書(shū)籍《Matrix computat1ns》,對(duì)于任意的MXN(Μ > N)的實(shí)數(shù)矩陣采用SVD算法進(jìn)行奇異值分解時(shí)，所需要的flops數(shù)目約為4M2N+8MN2+9N3。而對(duì)于一個(gè)MXN(M ( N)的復(fù)數(shù)矩陣采用SVD算法進(jìn)行奇異值分解時(shí)，將每一步操作都當(dāng)作復(fù)數(shù)乘法，則需要的flops數(shù)目約為24MN2+48M2N+54M3。另外，對(duì)一個(gè)MXN(M ^ N)的實(shí)數(shù)矩陣采用R-SVD算法進(jìn)行奇異值分解時(shí)，需要的flops數(shù)目約為4M2N+22N3，而對(duì)一個(gè)MXN (M ( N)的復(fù)數(shù)矩陣采用R-SVD算法進(jìn)行奇異值分解時(shí)，需要的flops數(shù)目約為24MN2+132M3。
[0069]當(dāng)系統(tǒng)中每個(gè)用戶均接收不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，6個(gè)分組的分組預(yù)編碼方法退化為未分組的傳統(tǒng)預(yù)編碼方法。由表I可見(jiàn)，此時(shí)系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)6個(gè)預(yù)編碼矩陣，并且需要進(jìn)行6個(gè)維度均為10X 12的干擾矩陣的奇異值分解。完成一次SVD算法所需運(yùn)算的flops數(shù)目為146160，因此，對(duì)于傳統(tǒng)預(yù)編碼方法進(jìn)行6次SVD分解所需的flops總數(shù)為876960。
[0070]對(duì)于實(shí)施例1中的3個(gè)多播業(yè)務(wù)分組({1，2，3}，{4，5}，{6})場(chǎng)景，本方法需要進(jìn)行3次奇異值分解，且進(jìn)行奇異值分解的干擾矩陣維數(shù)分別為6X 12、8X 12、10X 12。根據(jù)上述采用SVD算法所需的浮點(diǎn)運(yùn)算數(shù)計(jì)算公式可知，系統(tǒng)對(duì)3個(gè)矩陣進(jìn)行SVD所需的flops數(shù)分別為53136、92160、146160，因此分組預(yù)編碼矩陣設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行SVD分解所需的flops總數(shù)為291456。由此可見(jiàn)，對(duì)于實(shí)施例1中的多播業(yè)務(wù)分組場(chǎng)景，分組預(yù)編碼方法進(jìn)行SVD分解的浮點(diǎn)運(yùn)算量只有相應(yīng)傳統(tǒng)預(yù)編碼方法的大約1/3。
[0071]對(duì)于實(shí)施例3中的2個(gè)多播業(yè)務(wù)分組({1，2，3}，{4，5，6})場(chǎng)景，系統(tǒng)下行鏈路采用最少8個(gè)發(fā)射天線時(shí)，分組預(yù)編碼方法需要對(duì)2個(gè)維數(shù)均為6X8的信道干擾矩陣進(jìn)行奇異值分解。根據(jù)前述計(jì)算公式，采用SVD算法對(duì)一個(gè)6X8的復(fù)矩陣進(jìn)行奇異值分解所需的flops數(shù)目為34704，因此，實(shí)施例3中分組預(yù)編碼矩陣設(shè)計(jì)時(shí)SVD分解所需的flops總數(shù)為69408。由此可見(jiàn)，對(duì)于實(shí)施例3的多播業(yè)務(wù)分組場(chǎng)景，分組預(yù)編碼方法進(jìn)行SVD分解的浮點(diǎn)運(yùn)算量少于傳統(tǒng)預(yù)編碼方法的1/12。
[0072]針對(duì)系統(tǒng)中存在6個(gè)用戶時(shí)所有可能的分組情況，我們分析了本發(fā)明的分組預(yù)編碼方法所需的最少發(fā)射天線數(shù)目，預(yù)編碼矩陣數(shù)目，該方法需要進(jìn)行奇異值分解的信道干擾矩陣數(shù)目和維度，以及采用SVD算法進(jìn)行奇異值分解所需的flops浮點(diǎn)運(yùn)算數(shù)目。我們歸納各種分組場(chǎng)景如表I所示，其中，[.]?>><?表示一個(gè)維度為mXn的矩陣。
[0073]表16用戶系統(tǒng)不同分組場(chǎng)景分組預(yù)編碼方法運(yùn)算復(fù)雜度
[0074]

【權(quán)利要求】
1.一種面向多播業(yè)務(wù)的多天線分組預(yù)編碼方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)在包括K個(gè)用戶的無(wú)線通信系統(tǒng)中，將接收同一路多播業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的多個(gè)用戶構(gòu)建為一個(gè)多播業(yè)務(wù)分組，系統(tǒng)總共構(gòu)建R(R ( K)個(gè)多播業(yè)務(wù)分組，每個(gè)多播業(yè)務(wù)用戶分組中包括 Kg (g= I, 2,..., R)個(gè)用戶，即= (2)假設(shè)每個(gè)用戶接收天線數(shù)目均為Mt，系統(tǒng)多播業(yè)務(wù)分組中的最小用戶數(shù)目為Ktl=min IK1, K2,, KE}，假設(shè)分布式多天線系統(tǒng)在基站側(cè)共有L個(gè)遠(yuǎn)端天線單元，每個(gè)遠(yuǎn)端天線單元配置隊(duì)(1 = I, 2,..., L)個(gè)發(fā)射天線，為了滿足干擾矩陣完全正交化的條件，基于平均大尺度衰落路徑損耗最小化的準(zhǔn)則選擇不小于(K-Kc^IRMt個(gè)多天線用于下行鏈路發(fā)射，平均大尺度衰落路徑損耗定義為,.DtUVgO) = ^-~ (J=h …,Ij1-1nAK 其中么表示第k個(gè)用戶終端與第j個(gè)RAU發(fā)射天線之間的距離，參數(shù)β為無(wú)線傳播路徑損耗因子； (3)針對(duì)第g(g=1，2，...，R)個(gè)多播業(yè)務(wù)分組內(nèi)的Kg個(gè)用戶下行鏈路聯(lián)合信道矩陣Gg，分別計(jì)算該多播業(yè)務(wù)分組的信道干擾矩陣0g=[G1-G^ G〖+r-G$i，其中，Gg表示第g個(gè)多播業(yè)務(wù)分組內(nèi)的所有用戶的多個(gè)接收天線與系統(tǒng)基站側(cè)選擇用于發(fā)射的所有天線之間的聯(lián)合無(wú)線傳輸信道矩陣； (4)根據(jù)矩陣塊對(duì)角化原理，分別對(duì)每個(gè)多播業(yè)務(wù)分組g(g= 1，2，...，R)的信道干擾矩陣進(jìn)行奇異值SVD分解處理， 設(shè)計(jì)第g(g = 1，2，...，R)個(gè)多播業(yè)務(wù)分組的預(yù)編碼矩陣Fg = Vg用于下行鏈路發(fā)射，即可完全消除不同多播業(yè)務(wù)分組之間不同發(fā)射數(shù)據(jù)造成的多用戶干擾。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多天線分組預(yù)編碼方法，其特征在于:根據(jù)多用戶無(wú)線通信系統(tǒng)中各用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，將接收同一路多播業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的一個(gè)或多個(gè)用戶構(gòu)建為一個(gè)多播業(yè)務(wù)分組。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多天線分組預(yù)編碼方法，其特征在于:針對(duì)一個(gè)多播業(yè)務(wù)分組中的多個(gè)用戶設(shè)計(jì)一個(gè)共同的預(yù)編碼矩陣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多天線分組預(yù)編碼方法，其特征在于:根據(jù)無(wú)線通信系統(tǒng)中多播業(yè)務(wù)分組內(nèi)的多用戶數(shù)目，在基站側(cè)選擇最少數(shù)目的(K-Kfl) *MT個(gè)多天線用于下行鏈路的發(fā)射。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多天線分組預(yù)編碼方法，其特征在于:系統(tǒng)基站側(cè)選擇下行鏈路發(fā)射天線的最優(yōu)方案是對(duì)所有天線分別計(jì)算與K個(gè)用戶之間的平均大尺度衰落路徑損耗，排序后基于平均路徑損耗最小化的準(zhǔn)則進(jìn)行選擇。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多天線分組預(yù)編碼方法，其特征在于:系統(tǒng)選擇下行鏈路發(fā)射天線的次優(yōu)方案是對(duì)L個(gè)遠(yuǎn)端天線單元分別計(jì)算與K個(gè)用戶的平均大尺度衰落路徑損耗，排序后基于平均路徑損耗最小化的準(zhǔn)則選擇需要參與發(fā)射的遠(yuǎn)端天線單元，然后在相關(guān)遠(yuǎn)端天線單元的多天線中隨機(jī)選擇所需數(shù)目的天線。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多天線分組預(yù)編碼方法，其特征在于:分別針對(duì)系統(tǒng)第g(g = 1，2，...，R)個(gè)多播業(yè)務(wù)分組內(nèi)的Kg個(gè)用戶的下行鏈路聯(lián)合信道矩陣Gg，構(gòu)建得到每個(gè)多播業(yè)務(wù)分組的信道干擾矩陣= [G『…GU Grg+l ..GDr。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多天線分組預(yù)編碼方法，其特征在于:分別針對(duì)每個(gè)多播業(yè)務(wù)分組g(g= 1，2，...，R)的信道干擾矩陣進(jìn)行SVD奇異值分解得到，
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多天線分組預(yù)編碼方法，其特征在于:無(wú)線通信系統(tǒng)中的第g(g = 1，2，...，R)個(gè)多播業(yè)務(wù)分組的預(yù)編碼矩陣設(shè)計(jì)為Fg = Vg,該分組中的Kg個(gè)用戶均通過(guò)矩陣Fg的預(yù)編碼處理后進(jìn)行下行鏈路發(fā)射，能夠完全消除不同多播業(yè)務(wù)分組之間的由不同發(fā)射數(shù)據(jù)導(dǎo)致的多用戶干擾。
【文檔編號(hào)】H04L1/00GK104168091SQ201410441221
【公開(kāi)日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年9月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月1日
【發(fā)明者】王向陽(yáng), 蔣濤, 徐銀, 王東明, 吳疆 申請(qǐng)人:東南大學(xué)