CN102104404A - 无线通信系统中多用户mimo的传输方法、基站和用户终端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线通信系统中多用户多输入多输出MU-MIMO的传输方法、基站和用户终端。该方法的过程包括：基站接收N个用户的探测导频SRS进行信道估计，并根据信道估计结果和所述系统的信道互易性获知下行信道信息，其中所述N大于1；所述基站对所述下行信道信息进行QR分解，从分解得到的Q矩阵中得到第i个用户的多用户波束成型MU-BF矩阵P⁽ⁱ⁾，并进一步得到第i个用户的下行单用户波束成型SU-BF矩阵V⁽ⁱ⁾，其中i＝1，...，N；所述基站根据所述MU-BF矩阵P⁽ⁱ⁾和所述下行SU-BF矩阵V⁽ⁱ⁾，对第i个用户的发射数据进行波束成型处理。本发明的这种方法和设备充分借助系统的信道互易性和QR分解获得用于上下行MU-MIMO传输的波束成型矩阵，能够改善MU-MIMO的传输性能。

Description

无线通信系统中多用户MIMO的传输方法、基站和用户终端

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及无线通信系统(比如LTE-A系统)中多用户多输入多输出(MU-MIMO)的传输方法、用于MU-MIMO传输的基站和用户终端。

背景技术

多输入多输出(MIMO)技术因为能够有效提高无线链路的频谱效率，已经成为包括3GPP长期演进(LTE)在内的宽带无线通信系统的关键技术之一。根据在相同的时频资源上能否同时支持多个用户，MIMO技术又可以分为单用户MIMO(SU-MIMO)和多用户MIMO(MU-MIMO)。其中，MU-MIMO具有更多优点，如支持更灵活的用户天线配置、对信道条件的适应能力更强、存在多用户分集增益等。MU-MIMO对于蜂窝系统的上下行链路都适用，但是下行MU-MIMO对发射机侧的信道状态信息(CSIT)提出了更高的要求，即要求基站(eNB)必须获得各个用户(UE)的下行信道信息。CSIT的获取通常分2种情况：

对于时分双工(TDD)系统而言，由于上下行链路占用相同的频率资源，因此上下行无线信道之间具有互易性，可以方便的根据上行信道推知下行信道，反之亦然。

对于频分双工(FDD)系统而言，由于上下行链路占用不同的频率资源，上下行无线信道之间大多不具有互易性，或者说FDD系统中的互易性更难获得，因此CSIT的获取多半借助反馈信道。当然，为了减少反馈量，可以借助码本设计或量化技术。

在具体实现时，SU-MIMO和MU-MIMO通常需要根据CSIT对发射信号进行预处理，以分别达到匹配信道和消除多用户干扰(MUI，multi-userinterference)的目的，上述操作称为预编码或波束成型。由于不同的技术场景描述习惯不同，本申请中可能交替使用这两种名称，但是二者的含义是相同的。

目前，3GPP LTE Rel-8的上行设计仅能支持虚拟MU-MIMO，即可以支持多个单天线UE同时发送数据；而下行设计则主要是针对SU-MIMO进行优化，对MU-MIMO的支持非常有限，无法支持多UE且每UE多数据流的传输。此外，为了简化系统设计，LTE Rel-8对FDD和TDD采用了几乎完全相同的设计，即均采用基于码本的波束成型，并未利用无线信道可能存在的互易性。

随着LTE Rel-8的标准制定工作渐近尾声，3GPP于2008年年中启动了LTE-A的研究工作。LTE-A是LTE的后续演进，对系统性能提出了更高的要求，比如要求LTE-A系统能够支持多UE且每UE多数据流的MU-MIMO传输。于是，如何在LTE-A系统中有效地支持上下行MU-MIMO成为一个研究热点。再有，在针对LTE-A的技术讨论中，如何充分利用无线信道的互易性来支持非码本的波束成型正受到越来越多的关注，尤其对于TDD系统。

针对上述问题，现有技术中最常见的做法是对蜂窝系统的上下行链路采用独立的MU-MIMO传输，其中最简单的实现方案(方案一)是下行MU-MIMO基于分块对角化(BD)进行发送，上行MU-MIMO在发射端不做处理而仅采用多用户检测(MUD)接收。方案一虽然实现简单，但是由于只考虑如何消除多用户之间的相互干扰，并未进一步利用无线信道的特性，从而在一定程度上牺牲了频谱效率。

在方案一的基础上，现有技术还提出了一种针对TDD系统上下行链路的联合MU-MIMO方案(方案二)。即：下行MU-MIMO借助BD准则消除多用户干扰之后，对每个UE的等效信道进行SVD分解，从而对每个UE分别实现特征传输；在上下行使用相同无线信道进行数据传输的前提下，上行MU-MIMO也可以实现每个UE的特征传输。可以看出，方案二同时实现上下行多个用户多个数据流的正交传输，使频谱效率得到了提高。但是，SVD分解的复杂度很高，且数值稳定性较差，使得方案二的实现存在一定障碍。同时，方案二要求上下行必须使用相同的无线信道进行数据传输，这在实际的蜂窝系统中有时并不能满足，也限制了方案二中上行MU-MIMO的可实现性。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种MU-MIMO传输方法、基站和用户终端。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种无线通信系统中多用户多输入多输出MU-MIMO的传输方法，包括：

基站接收从N个用户终端UE发送的探测导频SRS进行信道估计，并根据信道估计结果和所述系统的信道互易性生成下行信道信息矩阵，其中所述N大于1；

所述基站对所述生成的下行信道信息矩阵进行QR分解，从分解得到的Q矩阵中得到第i个UE的多用户波束成型MU-BF矩阵P⁽ⁱ⁾，并进一步得到第i个UE的下行单用户波束成型SU-BF矩阵V⁽ⁱ⁾，其中i＝1，...，N；

所述基站根据所述MU-BF矩阵P⁽ⁱ⁾和所述下行SU-BF矩阵V⁽ⁱ⁾，对第i个UE的发射数据进行波束成型处理。

该方法进一步包括：

所述基站根据第i个UE的MU-BF矩阵和下行SU-BF矩阵，对该UE的用户专用导频进行发射波束成型处理后，发送给所述UE。

该方法进一步包括：

第i个UE接收所述基站发送的下行导频进行信道估计，得到针对该UE的下行信道信息矩阵；

该UE对所述下行信道信息矩阵进行QR分解，从分解得到的Q矩阵中获取自身的上行单用户波束成型SU-BF矩阵U⁽ⁱ⁾；

根据该上行SU-BF矩阵对发射数据进行波束成型处理。

所述UE对下行信道信息矩阵进行QR分解获取上行SU-BF矩阵包括：

第i个UE接收基站发送的用户专用导频进行信道估计，得到下行等效信道矩阵；

该UE对所述下行等效信道矩阵进行QR分解，将分解得到的Q矩阵作为所述UE的第一上行SU-BF矩阵。

所述UE对下行信道信息矩阵进行QR分解获取上行SU-BF矩阵包括：

第i个UE接收基站发送的小区专用导频进行信道估计，得到下行物理信道矩阵，并根据信道互易性得到上行物理信道矩阵；

该UE对所述上行物理信道矩阵进行QR分解，从分解得到的Q矩阵获得所述UE的第二上行SU-BF矩阵。

该方法进一步包括：

该UE对上行SU-BF矩阵进行共轭转置；

根据所述上行SU-BF矩阵的共轭转置对该UE的接收数据进行波束成型处理后，执行MIMO检测。

该方法进一步包括：该UE根据所述上行SU-BF矩阵，对上行解调导频DMRS进行发射波束成型处理后，发送给所述基站。

该方法进一步包括：

所述基站对第i个UE的MU-BF矩阵和下行SU-BF矩阵进行共轭转置；

根据所述UE的MU-BF矩阵的共轭转置对该基站的接收数据执行多用户干扰消除MUI，得到第i个UE的接收数据，再利用下行SU-BF矩阵的共轭转置对该UE的接收数据进行处理后，执行MIMO检测。

所述基站得到第i个UE的下行单用户波束成型SU-BF矩阵V⁽ⁱ⁾包括：

所述基站根据第i个UE的下行物理信道矩阵H⁽ⁱ⁾以及MU-BF矩阵P⁽ⁱ⁾得到H⁽ⁱ⁾P⁽ⁱ⁾，并对H⁽ⁱ⁾P⁽ⁱ⁾进行QR分解，得到所述UE的下行SU-BF矩阵V⁽ⁱ⁾。

所述UE获取自身的上行单用户波束成型SU-BF矩阵U⁽ⁱ⁾包括：

UE将上行物理信道矩阵H_UL ⁽ⁱ⁾和该上行物理信道矩阵的共轭转置H_UL ^(i)H相乘得到H_UL ^(i)HH_UL ⁽ⁱ⁾，再将H_UL ^(i)HH_UL ⁽ⁱ⁾和U_t-1 ⁽ⁱ⁾相乘后经过QR分解得到上行SU-BF矩阵U_t ⁽ⁱ⁾。

一种用于多用户多输入多输出MU-MIMO传输的基站，包括：

信道估计单元，用于进行信道估计获得一个以上用户终端UE的上行信道信息，并根据信道互易性得到下行信道信息矩阵；

QR分解单元，用于对所述下行信道信息矩阵进行QR分解，从分解得到的Q矩阵中获取每个UE的多用户波束成型MU-BF矩阵，并进一步得到每个UE的下行单用户波束成型SU-BF矩阵；

发射波束成型单元，用于根据每个UE的MU-BF矩阵和下行SU-BF矩阵，对相应UE的发射数据进行波束成型处理，并送至该基站的天线进行传输。

所述QR分解单元进一步用于将分解得到的R矩阵提供给MIMO检测单元；

所述MIMO检测单元，用于根据所述R矩阵对天线的接收数据进行MIMO检测，恢复出每个UE的发送数据。

所述QR分解单元进一步用于对每个UE的MU-BF矩阵和下行SU-BF矩阵进行共轭转置，提供给接收波束成型单元；

所述接收波束成型单元，用于根据每个UE的MU-BF矩阵的共轭转置对所述天线的接收数据执行多用户干扰消除MUI，得到每个UE的接收数据，再利用下行SU-BF矩阵的共轭转置对相应UE的接收数据进行处理后，发送给所述MIMO检测单元。

所述QR分解单元进一步用于根据分解得到的R矩阵，对所述一个以上UE的发射数据流进行自适应调制编码AMC控制。

所述QR分解单元用于根据每个UE的下行物理信道矩阵H⁽ⁱ⁾以及MU-BF矩阵P⁽ⁱ⁾得到H⁽ⁱ⁾P⁽ⁱ⁾，并对H⁽ⁱ⁾P⁽ⁱ⁾进行QR分解，得到每个UE的下行SU-BF矩阵V⁽ⁱ⁾，所述i为从1到用户数N的任意整数。

所述信道估计单元用于根据每个UE发送的探测导频SRS进行信道估计，或者根据每个UE发送的上行解调导频DMRS得到上行信道信息，并根据信道互易性得到下行信道信息矩阵。

所述发射波束成型单元进一步用于根据每个UE的MU-BF矩阵和下行SU-BF矩阵，对发给每个UE的用户专用导频进行波束成型处理。

一种用于多用户多输入多输出MU-MIMO传输的用户终端UE，包括：

信道估计单元，用于进行信道估计，得到该UE的下行信道信息矩阵；

QR分解单元，用于对所述下行信道信息矩阵进行QR分解，从分解得到的Q矩阵中获取该UE的上行单用户波束成型SU-BF矩阵；

发射波束成型单元，用于根据该UE的上行SU-BF矩阵对发射数据进行波束成型处理，并从该UE的天线进行发送。

所述信道估计单元用于根据基站发送的用户专用导频进行信道估计，得到下行等效信道矩阵；

所述QR分解单元用于对所述下行等效信道矩阵进行QR分解，将分解得到的Q矩阵作为该UE的第一上行SU-BF矩阵。

所述信道估计单元用于根据基站发送的小区专用导频进行信道估计，得到下行物理信道矩阵，并根据信道互易性得到上行物理信道矩阵；

所述QR分解单元用于对所述上行物理信道矩阵进行QR分解，从分解得到的Q矩阵获得该UE的第二上行SU-BF矩阵。

所述QR分解单元进一步用于将分解得到的R矩阵提供给MIMO检测单元；

所述MIMO检测单元，用于根据所述R矩阵对该UE的接收数据进行MIMO检测。

所述QR分解单元进一步用于对该UE的上行SU-BF矩阵进行共轭转置，提供给接收波束成型单元；

所述接收波束成型单元，用于根据所述上行SU-BF矩阵的共轭转置对该UE的接收数据进行处理后，发送给所述MIMO检测单元。

所述QR分解单元进一步用于根据分解得到的R矩阵，对所述UE的一个以上发射数据流进行自适应调制编码AMC控制。

所述发射波束成型单元进一步用于根据该UE的上行SU-BF矩阵，对上行解调导频DMRS进行波束成型处理。

由上述技术方案可见，本发明的这种MU-MIMO传输方法借助复杂度较低、数值稳定性较好的QRD计算用于上下行MU-MIMO传输的波束成型矩阵(包括MU-BF矩阵和SU-BF矩阵)，并在此基础上对收发机结构(基站和用户终端)进行简化和优化，以利于工程实现。可以看出，本发明充分利用通信系统中无线信道的互易性，为LTE-A系统的上下行链路设计非码本的MU-MIMO传输方案，用于支持多用户多数据流传输，这种非码本的波束成型可以实现对无线信道更准确的匹配以提升传输性能，同时无需反馈预编码矩阵索引值(PMI)，从而可以减小反馈开销以提高频谱效率。

附图说明

图1为本发明一个实施例中MU-MIMO的系统模型；

图2为本发明一个实施例中上下行资源分配相同时MU-MIMO上下行传输的流程图；

图3为eNB侧QRD迭代的示意图；

图4为本发明一个实施例中上下行资源分配不同时MU-MIMO下行传输的流程图；

图5为本发明一个实施例中上下行资源分配不同时MU-MIMO上行传输的流程图；

图6为UE侧QRD迭代的示意图；

图7为本发明一个实施例中用于MU-MIMO传输的基站的结构示意图；

图8为本发明一个实施例中用于MU-MIMO传输的用户终端的结构示意图；

图9为现有技术和本发明实施例在下行吞吐性能上的比较示意图；

图10为现有技术和本发明实施例在上行吞吐性能上的比较示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

在本发明一个实施例中，MU-MIMO传输的系统模型如图1所示，该模型考虑1个基站(eNB)2个用户(UE)的情况，这2个UE是通过多用户调度选择出的独立用户。该eNB有4根天线，每个UE有2根天线。需要说明的是，由于蜂窝系统中可能存在很多用户，在进行MU-MIMO传输之前，应借助多用户调度算法挑选出若干个空间信道相互独立的用户，参与MU-MIMO传输。在下面的描述中，仅考虑多用户调度完成之后，独立用户之间如何进行MU-MIMO传输。

针对图1所示的系统模型，下行MU-MIMO传输的信号模型表示为：

$y_{\mathrm{DL}}^{\left(i\right)}=H^{\left(i\right)}\underset{k=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{P}^{\left(k\right)}{V}^{\left(k\right)}{d}_{\mathrm{DL}}^{\left(k\right)}+n_{\mathrm{DL}}^{\left(i\right)},i=\mathrm{1,2}---\left(1\right)$

其中：

y_DL ⁽ⁱ⁾为第i个UE的接收信号矢量(2*1)；

H⁽ⁱ⁾为从eNB到第i个UE的下行信道矩阵(2*4)；

P^(k)为第k个UE的多用户波束成型(MU-BF)矩阵(4*2)；

V^(k)为第k个UE的下行单用户波束成型(SU-BF)矩阵(2*2)；

d_DL ^(k)为第i个UE的下行数据流矢量(2*1)；

n_DL ⁽ⁱ⁾为第i个UE的加性高斯白噪声(AWGN，Additive White GaussianNoise)噪声矢量(2*1)。

假定上下行链路的无线资源分配相同，则上行MU-MIMO传输的信号模型可以表示为：

$y_{\mathrm{UL}}=\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{\left[H^{\left(i\right)}\right]}^H{U}^{\left(i\right)}{d}_{\mathrm{UL}}^{\left(i\right)}+n_{\mathrm{UL}}---\left(2\right)$

其中：

y_UL为eNB的接收信号矢量(4*1)；

[H⁽ⁱ⁾]^H为从第i个UE到eNB的上行信道矩阵(4*2)；

U⁽ⁱ⁾为第i个UE的上行单用户波束成型(SU-BF)矩阵(2*2)；

d_UL ⁽ⁱ⁾为第i个UE的上行数据流矢量(2*1)；

n_UL为eNB的AWGN噪声矢量(4*1)。

需要指出的是，在TDD系统中，当上下行链路占用相同的无线信道时，上下行的无线信道之间存在互易性，即如果从eNB到第i个UE的下行信道矩阵表示为H⁽ⁱ⁾，那么从第i个UE到eNB的上行信道矩阵就可以表示为[H⁽ⁱ⁾]^T，亦即上下行信道矩阵满足转置关系。在本发明的实施例中，为了简化上下行SU-BF矩阵的计算，需要使上下行信道矩阵之间满足共轭转置关系，即如果从eNB到第i个UE的下行信道矩阵表示为H⁽ⁱ⁾，那么从第i个UE到eNB的上行信道矩阵则表示为[H⁽ⁱ⁾]^T。为了满足该共轭转置关系，只需在上行信号发射前和上行接收信号处理前各进行一次共轭操作即可。

基于图1的模型，在上下行链路无线资源分配相同的前提下，上下行联合MU-MIMO传输的流程如图2所示，包括以下步骤：

步骤201：多个UE(假设用户数为N，N大于1)向eNB发出探测导频(SRS)，其中第i个UE为UE_i，i＝1，...，N。本实施例中，N＝2。

步骤202：eNB根据SRS进行信道估计，获知多个UE的上行物理信道，继而根据信道互易性推知下行物理信道 $H_{\mathrm{DL}}\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\left[\begin{array}{c}{H}^{\left(1\right)}\\ H^{\left(2\right)}\end{array}\right].$

步骤203：eNB执行4*4QR分解(QRD，QR decomposition)，为每个UE计算各自的MU-BF矩阵P⁽ⁱ⁾，i＝1，2。其中，QR分解也称为正交矩阵三角化，即将某个矩阵A分解为一个正交矩阵Q和一个上三角矩阵R。

以P⁽²⁾为例，对H_DL的共轭转置H^H进行QRD，得到H^H＝QR。其中，Q是4*4的酉阵，R是4*4的上三角阵，将Q的前2列和后2列写为2个子阵，即Q＝[Q⁽¹⁾Q⁽²⁾]。那么，P⁽²⁾＝Q⁽²⁾即为UE2的MU-BF矩阵，满足H⁽¹⁾P⁽²⁾＝0_2×2

步骤204：eNB根据UE_i的下行物理信道H⁽ⁱ⁾和MU-BF矩阵P⁽ⁱ⁾计算得到H⁽ⁱ⁾P⁽ⁱ⁾，i＝1，2，针对H⁽ⁱ⁾P⁽ⁱ⁾，i＝1，2进行2*2的QRD迭代，得到UE_i的下行SU-BF矩阵V⁽ⁱ⁾。

具体迭代过程见图3。随着迭代次数的增加，UE_i的多个数据流之间的干扰减小，但是计算时延也会相应增大，通常1次迭代即可达到较好性能。

步骤205：eNB使用级联的BF矩阵P⁽ⁱ⁾V⁽ⁱ⁾对发射数据进行波束成型(Tx-BF)。

步骤206：eNB对用户专用导频(UE-specific RS)也进行同样的波束成型。

步骤207：eNB向每个UE发送用于数据传输的下行控制信息(DCI，Downlink Control Information)。需要指出，该步骤是可选的。

步骤208：eNB向每个UE发送经过波束成型的用户专用导频和数据。

步骤209：UE根据接收到的用户专用导频进行信道估计，得到下行等效信道 ${\tilde{H}}_{\mathrm{DL}}^{\left(i\right)}=H^{\left(i\right)}{P}^{\left(i\right)}{V}^{\left(i\right)}.$

步骤210：UE对下行等效信道进行2*2QRD，得到的Q阵即为该UE的第一上行SU-BF矩阵U₁ ⁽ⁱ⁾。也就是说，第一上行SU-BF矩阵U₁ ⁽ⁱ⁾是根据下行等效信道得到的。

步骤211：将UE的第一上行SU-BF矩阵U₁ ⁽ⁱ⁾的共轭转置[U₁ ⁽ⁱ⁾]^H作为该UE的接收波束成型(Rx-BF)，得到波束成型后的接收数据

需要指出，该步骤是可选的。

${\tilde{d}}_{\mathrm{DL}}^{\left(i\right)}={\left[U^{\left(i\right)}\right]}^H{y}_{\mathrm{DL}}^{\left(i\right)}=R_{\mathrm{DL}}^{\left(i\right)}{d}_{\mathrm{DL}}^{\left(i\right)}+{\tilde{n}}_{\mathrm{DL}}^{\left(i\right)}$

其中， $R_{\mathrm{DL}}^{\left(i\right)}=\left[\begin{array}{cc}{r}_{\mathrm{DL},11}^{\left(i\right)}& r_{\mathrm{DL},12}^{\left(i\right)}\\ 0& r_{\mathrm{DL},22}^{\left(i\right)}\end{array}\right],$ 该R_DL ⁽ⁱ⁾是下行等效信道

进行2*2QRD之后得到的上三角阵；d_DL ⁽ⁱ⁾为第i个UE的下行数据流矢量(2*1)； ${\tilde{n}}_{\mathrm{DL}}^{\left(i\right)}={\left[U^{\left(i\right)}\right]}^H{n}_{\mathrm{DL}}^{\left(i\right)}.$

步骤212：UE对接收数据进行MIMO检测。

如果执行步骤211，则经过接收波束成型之后，UE对

进行MIMO检测。考虑到LTE-A系统的下行链路基于正交频分多址(OFDMA)，R_DL ⁽ⁱ⁾的这种上三角结构可以支持多种不同的MIMO检测算法，包括QR-SIC、QRM-MLD、SD等。需要指出的是，在图2所示的MU-MIMO传输中，接收波束成型的操作是可选的，因此也可直接对y_DL ⁽ⁱ⁾进行ZF/MMSE检测或ML检测。

步骤213：UE使用第一上行SU-BF矩阵U₁ ⁽ⁱ⁾发送数据，并对上行解调导频(DMRS)进行同样的波束成型。

步骤214：UE将经过波束成型处理的DMRS和数据发送给eNB。

步骤215：eNB使用MU-BF矩阵的共轭转置[P⁽ⁱ⁾]^H进行多用户干扰(MUI)消除，从而分离出不同UE的上行数据流。需要指出，该步骤是可选的。

步骤216：eNB根据DMRS进行信道估计。

步骤217-218：eNB通过QRD得到UE的下行SU-BF矩阵V⁽ⁱ⁾，并使用其共轭转置[V⁽ⁱ⁾]^H进行接收波束成型，得到波束成型后的接收数据

需要指出，这两个步骤也是可选的。

${\tilde{d}}_{\mathrm{DL}}^{\left(i\right)}={\left[V^{\left(i\right)}\right]}^H{\left[P^{\left(i\right)}\right]}^H{y}_{\mathrm{UL}}=R_{\mathrm{UL}}^{\left(i\right)}{d}_{\mathrm{UL}}^{\left(i\right)}+{\tilde{n}}_{\mathrm{UL}}^{\left(i\right)}$

其中， $R_{\mathrm{UL}}^{\left(i\right)}=\left[\begin{array}{cc}{r}_{\mathrm{UL},11}^{\left(i\right)}& r_{\mathrm{UL},12}^{\left(i\right)}\\ 0& r_{\mathrm{UL},22}^{\left(i\right)}\end{array}\right],$ 该R_UL ⁽ⁱ⁾是此时的上行等效信道 ${\tilde{H}}_{\mathrm{UL}}^{\left(i\right)}={\left[V^{\left(i\right)}\right]}^H{\left[P^{\left(i\right)}\right]}^H{\left[H^{\left(i\right)}\right]}^H{U}^{\left(i\right)}$ 进行2*2QRD后得到的上三角阵；d_UL ⁽ⁱ⁾为第i个UE的上行数据流矢量(2*1)； ${\tilde{n}}_{\mathrm{UL}}^{\left(i\right)}={\left[V^{\left(i\right)}\right]}^H{\left[P^{\left(i\right)}\right]}^H{n}_{\mathrm{UL}}.$ 考虑到LTE-A系统的上行链路基于单载波频分多址(SC-FDMA)，R_UL ⁽ⁱ⁾的这种上三角结构可以支持基于QR-SIC的MIMO检测算法。

步骤219：eNB利用R_UL ⁽ⁱ⁾进行MIMO检测。

需要说明的是，在图2所示的流程中，步骤214之后存在两种情况：

(1)如果eNB进行上行联合检测，就无需进行接收波束成型的操作。那么，eNB根据DMRS进行信道估计得到上行等效信道 ${\tilde{H}}_{\mathrm{UL}}^{\left(i\right)}={\left[H^{\left(i\right)}\right]}^H{U}^{\left(i\right)},$ 然后直接对y_UL进行ZF/MMSE检测即可。

(2)如果eNB进行上行独立检测，则使用MU-BF矩阵的共轭转置[P⁽ⁱ⁾]^H分离出不同UE的上行数据流，再使用下行SU-BF矩阵V⁽ⁱ⁾的共轭转置[V⁽ⁱ⁾]^H进行接收波束成型，然后对

进行MIMO检测。

至此，一次完整的下行MU-MIMO+上行MU-MIMO的传输过程完成。其中，eNB使用MU-BF矩阵P⁽ⁱ⁾和下行SU-BF矩阵V⁽ⁱ⁾进行Tx-BF，参与MU-MIMO传输的每个UE使用第一上行SU-BF矩阵U₁ ⁽ⁱ⁾进行Tx-BF。可选地，每个UE还可以使用第一上行SU-BF矩阵的共轭转置进行Rx-BF，eNB也可以使用MU-BF矩阵和下行SU-BF矩阵的共轭转置进行Rx-BF。

在信道条件未发生改变的前提下，上下行的MU-MIMO传输可以基于已经获得的P⁽ⁱ⁾、V⁽ⁱ⁾和U⁽ⁱ⁾，以及

(见步骤209)和(见步骤216)继续进行下去。当信道条件发生改变时，则需要重新开始一轮图2所示的流程。

在上述过程中，步骤204的具体迭代如图3所示，包括：矩阵H⁽ⁱ⁾P⁽ⁱ⁾一路经过Hermitian转置器301得到P^(i)HH^(i)H，另一路经过矩阵乘法器302和 $V_{t-1}^{\left(i\right)}(V_0^{\left(i\right)}=I_{2\×2})$ 相乘得到H⁽ⁱ⁾P⁽ⁱ⁾V_t-1 ⁽ⁱ⁾。H⁽ⁱ⁾P⁽ⁱ⁾V_t-1 ⁽ⁱ⁾经过QR分解器303后得到U_t-1 ⁽ⁱ⁾，U_t-1 ⁽ⁱ⁾经过矩阵乘法器304和P^(i)HH^(i)H相乘得到P^(i)HH^(i)HU_t-1 ⁽ⁱ⁾。P^(i)HH^(i)HU_t-1 ⁽ⁱ⁾经过QR分解器305分别得到V_t ⁽ⁱ⁾和R_t ⁽ⁱ⁾。根据预先设置的迭代次数，V_t ⁽ⁱ⁾还可以作为 $V_{t-1}^{\left(i\right)}(V_0^{\left(i\right)}=I_{2\×2})$ 反馈给矩阵乘法器302。

图2所示的上下行MU-MIMO传输过程要求上下行链路的无线资源分配相同。当上下行链路的无线资源分配不同时，下行MU-MIMO和上行MU-MIMO的传输过程应该独立进行，分别如图4和图5所示，但是仍然能够利用上下行无线信道的互易性。

由图4可见，资源分配不同并未给下行MU-MIMO传输过程带来影响，该过程和图2中的步骤201-212类似，此处不再赘述。其中，可选的步骤(比如步骤407、410、411)用虚线示出。

图5为本发明一个实施例中上下行资源分配不同时上行MU-MIMO的传输过程，该过程与图2有所不同，具体包括：

步骤501-504参见图2中的对应步骤。具体地，步骤501和步骤201类似，步骤502和步骤202类似，步骤503和步骤207类似，步骤504和步骤208类似，所不同的是图5中eNB发送的是小区专用导频(Cell-specific RS)。

步骤505：UE根据eNB发送的小区专用导频进行信道估计，获知2*4的下行物理信道H⁽ⁱ⁾，继而根据信道互易性推知4*2的上行物理信道H_UL ⁽ⁱ⁾为[H⁽ⁱ⁾]^T。

步骤506：根据该上行物理信道矩阵H_UL ⁽ⁱ⁾，UE执行2*2QRD迭代得到第二上行SU-BF矩阵U₂ ⁽ⁱ⁾(又可表示为U_phy ⁽ⁱ⁾)，该迭代可以通过设置不同的迭代次数加以控制。需要注意的是，此时的第二上行SU-BF矩阵U₂ ⁽ⁱ⁾是根据上行物理信道计算得到的，不同于图2中根据下行等效信道计算得到第一上行SU-BF矩阵U₁ ⁽ⁱ⁾。

步骤507：UE使用第二上行SU-BF矩阵U₂ ⁽ⁱ⁾进行数据发送，而DMRS也需要进行同样的发射波束成型。

步骤508：UE发送波束成型后的DMRS和数据给eNB。

步骤509-510：eNB根据DMRS进行信道估计得到等效信道，并进行联合ZF/MMSE检测。

此外，步骤506的具体迭代如图6所示，包括：将上行物理信道矩阵H_UL ⁽ⁱ⁾一路送至Hermitian转置器601得到H_UL ^(i)H，另一路送至矩阵乘法器602和H_UL ^(i)H相乘得到H_UL ^(i)HH_UL ⁽ⁱ⁾；将H_UL ^(i)HH_UL ⁽ⁱ⁾送至矩阵乘法器603和U_t-1(U₀＝I)相乘后，经过QR分解器604得到U_t；将U_t作为U_t-1(U₀＝I)反馈给矩阵乘法器602。

当然，本发明实施例所描述的方法可以直接推广到任意用户数及天线数的情况，只要满足约束关系(3)。

$n_{\mathrm{eNB}}\≥\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{n}_{\mathrm{UEi}}---\left(3\right)$

其中，n_eNB为eNB的天线数，n_UEi为第i个UE的天线数，i≥1。

可以看出，本发明提供的基于QRD的上下行MU-MIMO传输方法，利用到系统中(比如TDD或者FDD系统)上下行信道之间的互易性，从而在LTE-A系统的上下行链路上能够有效支持多用户多数据流的正交或者准正交传输。

进一步地，本发明的实施例提供了一种用于MU-MIMO传输的基站，包括：多根天线、开关单元701、信道估计单元702、QR分解单元703、发射波束成型单元704、为每个UE设置的MIMO检测单元、接收波束成型单元706、MUI消除处理单元707。本实施例中，设定eNB有4根天线，参与MU-MIMO传输的用户数N为2，每个用户设置有2根天线，则MIMO检测单元包括：UE1的MIMO检测单元7051和UE2的MIMO检测单元7052。

实际工作时，信道估计单元702将信道估计结果提供给QR分解单元703，由QR分解单元703对信道矩阵进行分解，得到每个用户的MU-BF矩阵和下行SU-BF矩阵，本实施例中为P⁽¹⁾、P⁽²⁾、V⁽¹⁾、V⁽²⁾，提供给发射波束成型单元704。进一步地，QR分解单元703提供V^(1)H和V^(2)H给接收波束成型单元706，提供P^(1)H和P^(2)H给MUI消除处理单元707。进一步地，QR分解单元703将分解中生成的R矩阵提供给MIMO检测单元，以便进行MIMO检测。进一步地，QR分解单元703还将生成AMC控制信号(比如利用分解中生成的R矩阵)，对发射数据流进行控制，以便适应不同的信道条件。

数据发射时，发射波束成型单元704使用V⁽¹⁾对UE1的发射数据流1和发射数据流2进行SU-BF矩阵处理，再用P⁽¹⁾进行MU-BF矩阵处理，得到4路数据流a1-d1。类似地，发射波束成型单元704使用V⁽²⁾对UE2的发射数据流1和发射数据流2进行SU-BF矩阵处理，再用P⁽²⁾进行MU-BF矩阵处理，也得到4路数据流a2-d2。将UE1和UE2经过发射波束成型后得到的数据流迭加后输出到天线，比如将UE1的数据流a1和UE2的数据流a2迭加后送至某根天线发送。

数据接收时，从4根天线上接收到4路数据流a3-d3，将每路数据流分别送至多个用户的MUI消除处理单元707，再送至接收波束成型单元706。比如，将数据流a3送至UE1和UE2的MUI消除处理单元，分别用P^(1)H和P^(2)H消除MUI，再分别用SU-BF的共轭转置V^(1)H和V^(2)H进行接收波束成型。需要指出，MUI消除处理单元707和接收波束成型单元706是eNB上可选的单元。之后，经过MIMO检测单元的处理，恢复出UE的发射数据流。

进一步地，本发明的实施例提供了一种用于MU-MIMO传输的用户终端，包括：多根天线、开关单元801、信道估计单元802、QR分解单元803、发射波束成型单元804、MIMO检测单元805、接收波束成型单元806。其中，发射波束成型单元804包括SU-BF处理单元8041，接收波束成型单元806包括SU接收波束成型单元8061。需要指出，接收波束成型单元806在用户终端上是可选的。

QR分解单元803根据信道估计单元提供的信道估计结果，对信道矩阵进行分解，得到上行SU-BF矩阵U⁽ⁱ⁾(可以为第一上行SU-BF矩阵U₁ ⁽ⁱ⁾，也可以为第二上行SU-BF矩阵U₂ ⁽ⁱ⁾)，并进一步得到上行SU-BF矩阵的共轭转置[U⁽ⁱ⁾]^H，分别提供给SU-BF处理单元8041和SU接收波束成型单元8061。进一步地，QR分解单元803将分解得到的R矩阵提供给MIMO检测单元805，或者用于AMC控制。

可以看出，本发明的方法、基站和用户终端在进行MU-MIMO传输时，无需借助高复杂度的SVD，甚至在不采用MMSE检测时，也可以不用高复杂度的矩阵求逆，而是借助复杂度更低的QRD实现波束成型。一方面，QRD产生的酉阵可用于MU-BF和SU-BF，且可以同时用于发射和接收波束成型；另一方面，QRD产生的上三角阵可用于MIMO检测和自适应调制编码(AMC)。例如，根据上三角阵的对角线元素即可得到各个(准)正交信道的信道增益，结合噪声功率可以计算得到信噪比(SNR)，据此为每个(准)正交信道选择合适的调制编码方式(MCS)，包括在信道条件不足以支持最低级别的MCS时选择关闭该数据流，从而实现传输阶数(Rank)的自适应改变。

利用表一所示的仿真参数，对本发明实施例提供的方法进行链路级仿真。在该仿真中，假定当前已经完成多用户调度，2个UE的无线信道始终保持独立，每个UE支持2个数据流。如果在MU-BF中考虑了SU-BF，那么2个数据流分别采用64QAM和4QAM调制；如果在MU-BF中未考虑SU-BF，那么2个数据流采用相同的调制方式，均为16QAM。此外，该仿真中假定理想信道估计，但是波束成型是基于资源块内的平均信道(而不是每个子载波的瞬时信道)进行的，这虽然会导致一定程度的性能下降，但是更符合实际系统的要求。

表一仿真参数

图8为现有技术和本发明实施例在下行吞吐量上的比较示意图。其中，下行统一采用MMSE检测算法，仿真得到针对3种下行MU-MIMO方法的共5条性能曲线，分别是BD、BD+SVD、以及本发明基于QRD的方法(即曲线BD-QRD_eq ⁰、BD-QRD_eq ¹、BD-QRD_eq ²)，其中SU-BF的迭代次数分别设置为0、1、2。当迭代次数为0时，意味着没有进行SU-BF，只有MU-BF。

从图8可以看出：①对于MU-BF而言，基于QRD的性能比传统BD的性能更好，原因在于基于QRD的MU-BF矩阵在分块对角化的基础上，进一步实现了分块阵的三角化，能够减小数据流之间的干扰；②对于SU-BF而言，基于QRD的迭代收敛速度很快，只需1-2次迭代即可达到SVD的性能。

图9为现有技术和本发明实施例在上行吞吐量上的比较示意图，上行统一采用联合MMSE检测算法，仿真得到针对4种上行MU-MIMO方法的共7条性能曲线。这4种上行MU-MIMO方法分别是：发端不进行波束成型(NoBF)、SVD、本发明针对等效信道进行QRD(即曲线QRD_eq ⁰、QRD_eq ¹、QRD_eq ²)、本发明针对物理信道进行QRD(即曲线QRD_phy ¹、QRD_phy ²)。其中，针对等效信道进行QRD时，上行仅进行1次QRD，而下行QRD的迭代次数分别设置为0、1、2；针对物理信道进行QRD时，上行迭代次数分别设置为1和2。

从图9可以看出：①当上下行资源分配相同时，基于等效信道的QRD可以达到和SVD相同的性能，且上行性能对下行QRD迭代次数的依赖更小；②当上下行资源分配不同时，可以基于物理信道进行QRD迭代，虽然性能较基于等效信道的QRD或SVD有所下降，但是与不进行波束成型相比仍有明显的性能增益。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (24)

1.一种无线通信系统中多用户多输入多输出MU-MIMO的传输方法，其特征在于，包括：

基站接收从N个用户终端UE发送的探测导频SRS进行信道估计，并根据信道估计结果和所述系统的信道互易性生成下行信道信息矩阵，其中所述N大于1；

所述基站对所述生成的下行信道信息矩阵进行QR分解，从分解得到的Q矩阵中得到第i个UE的多用户波束成型MU-BF矩阵P⁽ⁱ⁾，并进一步得到第i个UE的下行单用户波束成型SU-BF矩阵V⁽ⁱ⁾，其中i＝1，...，N；

所述基站根据所述MU-BF矩阵P⁽ⁱ⁾和所述下行SU-BF矩阵V⁽ⁱ⁾，对第i个UE的发射数据进行波束成型处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：

所述基站根据第i个UE的MU-BF矩阵和下行SU-BF矩阵，对该UE的用户专用导频进行发射波束成型处理后，发送给所述UE。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：

第i个UE接收所述基站发送的下行导频进行信道估计，得到针对该UE的下行信道信息矩阵；

该UE对所述下行信道信息矩阵进行QR分解，从分解得到的Q矩阵中获取自身的上行单用户波束成型SU-BF矩阵U⁽ⁱ⁾；

根据该上行SU-BF矩阵对发射数据进行波束成型处理。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述UE对下行信道信息矩阵进行QR分解获取上行SU-BF矩阵包括：

第i个UE接收基站发送的用户专用导频进行信道估计，得到下行等效信道矩阵；

该UE对所述下行等效信道矩阵进行QR分解，将分解得到的Q矩阵作为所述UE的第一上行SU-BF矩阵。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述UE对下行信道信息矩阵进行QR分解获取上行SU-BF矩阵包括：

第i个UE接收基站发送的小区专用导频进行信道估计，得到下行物理信道矩阵，并根据信道互易性得到上行物理信道矩阵；

该UE对所述上行物理信道矩阵进行QR分解，从分解得到的Q矩阵获得所述UE的第二上行SU-BF矩阵。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，进一步包括：

该UE对上行SU-BF矩阵进行共轭转置；

根据所述上行SU-BF矩阵的共轭转置对该UE的接收数据进行波束成型处理后，执行MIMO检测。

7.根据权利要求3-6任一项所述的方法，其特征在于，进一步包括：该UE根据所述上行SU-BF矩阵，对上行解调导频DMRS进行发射波束成型处理后，发送给所述基站。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：

所述基站对第i个UE的MU-BF矩阵和下行SU-BF矩阵进行共轭转置；

根据所述UE的MU-BF矩阵的共轭转置对该基站的接收数据执行多用户干扰消除MUI，得到第i个UE的接收数据，再利用下行SU-BF矩阵的共轭转置对该UE的接收数据进行处理后，执行MIMO检测。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基站得到第i个UE的下行单用户波束成型SU-BF矩阵V⁽ⁱ⁾包括：

所述基站根据第i个UE的下行物理信道矩阵H⁽ⁱ⁾以及MU-BF矩阵P⁽ⁱ⁾得到H⁽ⁱ⁾P⁽ⁱ⁾，并对H⁽ⁱ⁾P⁽ⁱ⁾进行QR分解，得到所述UE的下行SU-BF矩阵V⁽ⁱ⁾。

10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述UE获取自身的上行单用户波束成型SU-BF矩阵U⁽ⁱ⁾包括：

UE将上行物理信道矩阵H_UL ⁽ⁱ⁾和该上行物理信道矩阵的共轭转置H_UL ^(i)H相乘得到H_UL ^(i)HH_UL ⁽ⁱ⁾，再将H_UL ^(i)HH_UL ⁽ⁱ⁾和U_t-1 ⁽ⁱ⁾相乘后经过QR分解得到上行SU-BF矩阵U_t ⁽ⁱ⁾。

11.一种用于多用户多输入多输出MU-MIMO传输的基站，其特征在于，包括：

信道估计单元，用于进行信道估计获得一个以上用户终端UE的上行信道信息，并根据信道互易性得到下行信道信息矩阵；

QR分解单元，用于对所述下行信道信息矩阵进行QR分解，从分解得到的Q矩阵中获取每个UE的多用户波束成型MU-BF矩阵，并进一步得到每个UE的下行单用户波束成型SU-BF矩阵；

发射波束成型单元，用于根据每个UE的MU-BF矩阵和下行SU-BF矩阵，对相应UE的发射数据进行波束成型处理，并送至该基站的天线进行传输。

12.根据权利要求11所述的基站，其特征在于，所述QR分解单元进一步用于将分解得到的R矩阵提供给MIMO检测单元；

所述MIMO检测单元，用于根据所述R矩阵对天线的接收数据进行MIMO检测，恢复出每个UE的发送数据。

13.根据权利要求12所述的基站，其特征在于，所述QR分解单元进一步用于对每个UE的MU-BF矩阵和下行SU-BF矩阵进行共轭转置，提供给接收波束成型单元；

所述接收波束成型单元，用于根据每个UE的MU-BF矩阵的共轭转置对所述天线的接收数据执行多用户干扰消除MUI，得到每个UE的接收数据，再利用下行SU-BF矩阵的共轭转置对相应UE的接收数据进行处理后，发送给所述MIMO检测单元。

14.根据权利要求11-13任一项所述的基站，其特征在于，所述QR分解单元进一步用于根据分解得到的R矩阵，对所述一个以上UE的发射数据流进行自适应调制编码AMC控制。

15.根据权利要求11-13任一项所述的基站，其特征在于，所述QR分解单元用于根据每个UE的下行物理信道矩阵H⁽ⁱ⁾以及MU-BF矩阵P⁽ⁱ⁾得到H⁽ⁱ⁾P⁽ⁱ⁾，并对H⁽ⁱ⁾P⁽ⁱ⁾进行QR分解，得到每个UE的下行SU-BF矩阵V⁽ⁱ⁾，所述i为从1到用户数N的任意整数。

16.根据权利要求11-13任一项所述的基站，其特征在于，所述信道估计单元用于根据每个UE发送的探测导频SRS进行信道估计，或者根据每个UE发送的上行解调导频DMRS得到上行信道信息，并根据信道互易性得到下行信道信息矩阵。

17.根据权利要求11-13任一项所述的基站，其特征在于，所述发射波束成型单元进一步用于根据每个UE的MU-BF矩阵和下行SU-BF矩阵，对发给每个UE的用户专用导频进行波束成型处理。

18.一种用于多用户多输入多输出MU-MIMO传输的用户终端UE，其特征在于，包括：

信道估计单元，用于进行信道估计，得到该UE的下行信道信息矩阵；

QR分解单元，用于对所述下行信道信息矩阵进行QR分解，从分解得到的Q矩阵中获取该UE的上行单用户波束成型SU-BF矩阵；

发射波束成型单元，用于根据该UE的上行SU-BF矩阵对发射数据进行波束成型处理，并从该UE的天线进行发送。

19.根据权利要求18所述的UE，其特征在于，所述信道估计单元用于根据基站发送的用户专用导频进行信道估计，得到下行等效信道矩阵；

所述QR分解单元用于对所述下行等效信道矩阵进行QR分解，将分解得到的Q矩阵作为该UE的第一上行SU-BF矩阵。

20.根据权利要求18所述的UE，其特征在于，所述信道估计单元用于根据基站发送的小区专用导频进行信道估计，得到下行物理信道矩阵，并根据信道互易性得到上行物理信道矩阵；

所述QR分解单元用于对所述上行物理信道矩阵进行QR分解，从分解得到的Q矩阵获得该UE的第二上行SU-BF矩阵。

21.根据权利要求18-20任一项所述的UE，其特征在于，所述QR分解单元进一步用于将分解得到的R矩阵提供给MIMO检测单元；

所述MIMO检测单元，用于根据所述R矩阵对该UE的接收数据进行MIMO检测。

22.根据权利要求21所述的UE，其特征在于，所述QR分解单元进一步用于对该UE的上行SU-BF矩阵进行共轭转置，提供给接收波束成型单元；

所述接收波束成型单元，用于根据所述上行SU-BF矩阵的共轭转置对该UE的接收数据进行处理后，发送给所述MIMO检测单元。

23.根据权利要求18-20任一项所述的UE，其特征在于，所述QR分解单元进一步用于根据分解得到的R矩阵，对所述UE的一个以上发射数据流进行自适应调制编码AMC控制。

24.根据权利要求18-20任一项所述的UE，其特征在于，所述发射波束成型单元进一步用于根据该UE的上行SU-BF矩阵，对上行解调导频DMRS进行波束成型处理。

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