WO2013078743A1

WO2013078743A1 - 协作多点多用户mimo系统的预编码方法及矩阵生成装置

Info

Publication number: WO2013078743A1
Application number: PCT/CN2011/084462
Authority: WO
Inventors: 李立华; 张平; 王化磊; 王骥
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2013-06-06
Anticipated expiration: 2014-05-30
Also published as: CN102412933B; CN102412933A

Abstract

本发明是一种协作多点多用户MIMO系统的预编码方法及矩阵生成装置，该方法包括以下步骤：S1：中央控制站从各小区基站n（n=1，···，T）获得基站发射功率P _n（n=1，···，T）、基站n与用户i间的信道信息H_n，i以及信噪比SNR_n，i（i=1，···，K），其中Τ为合作小区的个数，Κ为系统中的用户数；进而得到各用户的信道信息H _i以及噪声功率σ_i ²；S2：依据各用户的信道信息H _i获得各用户的补信道H̅ _i，并对H̅ _i实施信道扩展获得矩阵H̿={H̅ _i，σ_i/}；其中/为式I的单位矩阵，M _k表示用户k的接收天线数；S3：对矩阵H̿ _i实施LQ分解，获得酉矩阵Q _i；S4：将Q _i的子矩阵Q̅ _i共轭转置与H _i相乘，获得各用户的等效信道H _i ^equ；S5：对等效信道H _i ^equ实施SVD分解，获得各用户的预编码矩阵W _i（i=1，···，K）；S6：根据各用户的预编码矩阵W _i（i=1，···，K）得到各基站的预编码矩阵W _n ^base（n=1，···，T）并发送给相应小区基站，进而实施预编码。

Description

协作多点多用户 MIMO系统的预编码方法及矩阵生成装置技术领域

本发明涉及无线移动通信技术领域，特别涉及一种协作多点用户 MIMO系统的预编码方法及矩阵生成方法。背景技术

多输入多输出（ Multiple-Input Multiple-Output, MIMO )技术是无线移动通信领域技术的重大突破。 MIMO技术是指数据的发送和接收都釆用了多根天线。研究表明，利用 MIMO技术可以提高无线通信系统的容量。随着多天线技术研究的深入， MIMO技术已从点对点的单用户 MIMO技术扩展到了点对多点的多用户 MIMO系统（Multiple User MIMO, MU-MIMO )。 MU-MIMO技术中，多天线分集增益可以有效降低系统误码率，多天线复用增益使多用户系统容量区域扩大。 MU-MIMO通常釆用发送端预编码技术，利用空分多址（ Spatial Division Multiple Access, SDMA )技术在相同时间、频率资源上传送多个用户的信息。

为了满足 LTE-A系统在频点带宽峰值速率平均吞吐率等方面的需求， 3GPP 在 LTE-A系统中提出了协作多点（CoMP ) 技术。其中 CoMP技术又可分为 Coordinated beamf orming (CB ) 禾口 Joint processing(JP)技术。 JP技术通过协同小区的联合预编码，能有效地提升系统的性能。然而，对于 CoMP MU-MIMO, 由于各小区基站同时向多个用户端发送数据，多个用户共享同一时频资源，系统中必然存在用户间干扰，包括小区间干扰和小区内干扰。因此用户间干扰和噪声一样，大大地影响了系统的性能。

破零信道逆（ Zero forcing channel inversion, ZF-CI )技术被提出消除多用户间干扰，但是其却未考虑噪声的影响，而且其只适用于接收端各用户为 1根天线。最小均方误差信道逆 ( Minimum mean- squared error channel inversion, MMSE-CI ) 考虑了噪声和多用户间干扰对系统性能的影响，但和 ZF-CI—样，只适合于接收端各用户有一根接收天线。信道块对角化（Block Diagonolization, BD ) 预编码技术，被提出完全消除用户间的干扰，而且接收端各用户可以有多于 1根的天线。但是 BD技术必须满足于发送端的天线数大于等于所有用户的接收天线数之和，因而 BD技术并不适合于接收端各用户有任意根接收天线的情况。而且， BD技术只是消除了用户间的干扰，并未考虑噪声对系统性能的影响，因而在信噪比降低时，其性能比较差。发明内容

(一）要解决的技术问题

本发明的目的在于如何使 CoMP MU-MIMO系统的各用户有任意根接收天线，并减小用户间干扰和噪声对系统的影响，改善系统性能，尤其是在噪声较大时使改善更加明显。

(二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种协作多点多用户 MIMO系统的预编码方法，包括以下步骤：

S1: 中央控制站从各小区基站 n(n = 1,--;T)获得基站发射功率 Ρ_η η = 1,-,Γ)、基站 η与用户 i间的信道信息 H„,,以及信噪比 SNR„,_;( = l, ，，其中 T为合作小区的个数，^为系统中的用户数;进而得到各用户的信道信息 H,.以及噪声功率

S2: 中央控制站依 ^各用户的信道信息 H,.获得各用户的补信道^, 并对^ 实施信道扩展获得矩阵^ ={ ·,^}；其中 /为∑_k ^K=_{1 i}M_k x∑ _lk≠M_k的单位矩阵， ^^表示用户的接收天线数；

S3: 中央控制站对矩阵实施 LQ分解，获得酉矩阵 ;

S4: 中央控制站将 β,.的子矩阵^:共轭转置与 H,.相乘，获得各用户的等效信

S5: 中央控制站对等效信道实施 SVD分解，获得各用户的预编码矩阵 W_t(i = !,■■■, Κ)；

S6: 中央控制站根据各用户的预编码矩阵 ^^' = 1，···，得到各基站的预编码矩阵《 = 1，-， )并发送给相应小区基站，进而实施预编码。

优选地，所述步骤 S1进一步包括步骤：

S11 ：小区基站通过反馈或信道互惠性获得信道信息 ^_n ,SNR_n.{i = \,-,K) .

S12: 中央控制站通过网络接口从各基站获得发射功率 P„、信道信息 υκ· = ι,···，； S13: 中央控制站依据从各基站获得的发射功率 P„、信道信息11„,,通过组合获得各用户的信道信息^=[7^！^ …

S14: 中央控制站依据从各基站获得的发射功率 Ρ„、信噪比 SNR„,,获得基站 n与用户 i间的噪声功率^^, 并依据^⁷^获得用户 i的噪声功率 ^ =∑ ,。

优选地，所述步骤 S14进一步包括步骤：

S141: 根据路损公式 = = (^)²^ , 获得用户 i接收到基站 n 的功率

R ^C

^P- =^ PL , 其中 c表示光速， f为频率， d表示基站与用户间的距离，表示路损指数；根据所获得的接收功率以及 ^^w , 进而获得基站 n与用户 i间的

, P

SNR_N ，

S142: 依据基站 n与用户 i间的噪声功率 c^, 进而获得用户 i的噪声功率 =Ση=ΐ^σ ,_ί。

优选地，所述步骤 S2中：

首先根据所述各用户的信道信息 H,., 获得多用户 ΜΙΜΟ 系统的信道信息 Η«···,Η ···Η Υ, 各用户的补信道^ =( ,···, H , H … Ύ,这里 Τ表示优选地，所述步骤 S4进一步包括：

选取由 ¾的前 N列和后 N行的元素组成的子矩阵将的共轭转置矩阵右乘于 H,., 获得各用户的等效信道 τ"=Αα"。

优选地，所述步骤 S5进一步包括步骤：

S51: 对 Η 按照 SVD分解公式 Η = U V" = uM^f进行分解；其中为左酉矩阵， Λ,.为对角矩阵，为右酉矩阵，由的前列组成， ·,ο由的后 N - Μ,列组成， V 表示矩阵的复共轭转置矩阵， ,.表示用户的接收天线数， N表示所有基站的发送天线数之和；

S52: 根据获得各用户的预编码矩阵 ^^ = 1，···， )。

优选地，所述步骤 S6进一步包括步骤：

S61: 依据所获得的预编码矩阵 ^(ζ' = 1，···， ) , 可获得矩阵^ = [^，一，^] , 甘 + Λ ^ N X Υ ^Τ Ν— ' 甘 ώ / 志 it W ^ ^ 4 *r · S62：依据矩阵 ^ = [^,···,^] , 进而获得基站的预编码矩阵 w +ι

：∑ ,,：)表示由矩阵 w的第∑; , +¹至第 U 行组成的子矩阵；

S63: 中央控制站通过网络接口将各基站的预编码矩阵^ (《 = 1,- 发送给相应小区的基站。

本发明还提供一种协作多点多用户 MIMO系统的预编码矩阵生成装置，包括获取模块、计算模块以及生成模块：

所述获取模块，用于从各小区基站获取发射功率 , 信道信息 Η^,^^^Ι,···,^) ; 其中 Η„,,·表示小区 _η与用户 i间的信道信息， SNR„,,表示小区 n与用户 i间的信噪比；

所述计算模块，用于计算出用户的信道信息 H,.以及噪声功率

所述生成模块，用于根据各用户的信道信息 H,.以及噪声功率生成各用户的预编码矩阵。

优选地，所述生成模块进一步包括：

信道扩展模块，用于对各用户的补信道实施信道扩展，获得矩阵； LQ分解模块，用于对矩阵 ^实施 LQ分解，获取各用户有效的零空间矩阵

Q ;

SVD分解模块，用于对各用户的等效信道 Hr=H^T实施 SVD分解，获取各用户的增益矩阵；

相乘模块，用于将各用户的零空间矩阵 ^左乘于其增益矩阵，获取各用户的预编码矩阵 ^=^^。

优选地，补信道扩展后的矩阵 ^={ ·,^Π；其中 I 为∑ί_{Ϊ ί}Μ ∑l_u≠lM_k的单位矩阵， ^表示用户 k的接收天线数。

(三）有益效果

本发明在用户端有多天线的情况下，釆用上述预编码方法及装置，排除了多用户间干扰和噪声这两个因素对系统的影响，改善了协作多点多用户 MIMO 系统性能，降低了发送端的复杂度，从而提升了此方法在实际应用中的可行性。附图说明图 1为本发明方法的流程图；

图 2为本发明装置的结构示意图；

图 3为本发明一实施例中本发明的预编码方法和基于 BD预编码方法的协作多点 MIMO系统的容量比较曲线图。具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不是限制本发明的范围。

如图 1所示，本发明所述的预编码方法包括以下步骤：

S1: 中央控制站从各小区基站（eNB )获得基站发射功率 Ρ„(" = 1，···，Γ) (Τ 为合作小区的个数），基站 η 与用户 i 间的信道信息 Η„,,·以及信噪比 SNR_ni(i = l,-,K) ( 为系统中的用户数），进而得到各用户的信道信息 H_;以及噪声功率 σ,²0' = 1,···, ，具体步骤为：

小区基站 ( = 1,···,Γ) 通过反馈或信道互惠性获得信道信息

= l,-,K) , 其中 Η„,表示小区 _n与用户 1间的信道信息， SNR 表示小区 n与用户 i间的信噪比；

中央控制站通过网络接口从各基站获得发射功率，信道信息 U_n .,SNR_ni(i = l,---,K)；

依据从各基站获得的发射功率、信道信息^ ,进而中央控制站通过组合获得各用户的信道信息 … V^¾_{r ;}

依据从各基站获得的发射功率以及 ^SNR _n,i , 根据路损公式

PL = ^ = (^†d 获得用户 i接收到基站 _n的功率 = , 根据所获得的接收功率以及进而获得基站 n与用户 i间的噪声功率 ,= 一；依据基站 n与用户 i间的噪声功率 ²,· ,进而获得用户 i的噪声功率

。

S2: 中央控制站依据各用户的信道信息 H_;，获得各用户的补信道^，并对其实施信道扩展获得矩阵，具体步骤为：

根据所述各用户的信道信息 H,. , 获得多用户 MIMO 系统的信道信息为

H = «···, Η ···ΐ ^τ , 各用户的补信道为^ =( ,···, H , H … Ύ, 这里 Τ表示转置。

对各用户的补信道^实施信道扩展，获得矩阵 ^={ ,σ_;/}，其中 / 为 ∑^_≠, ><∑^_≠, 的单位矩阵，表示用户的接收天线数。通过将 σ,·/放置在的右边，（现有技术中的常用方法是放在下方），使得矩阵的维度变为∑ ^^^x(∑ _≠i^⁺W) , 显然其列数大于其行数，进而保证了获取 ,零空间的维度要求。因而本发明适合于接收端各用户有任意接收天线的 CoMP MU-MIMO 预编码系统。由^的构成形式可知，其同时考虑了会引起多用户间干扰的影响元素^和噪声 ,/ , N为发送端天线数。而且，我们可以看到，对不同的用户，其噪声功率也可能不一样，这依赖于各基站的发送功率。因此，本发明还有效地适合于各小区基站发送功率不一样的 CoMP系统。

步骤 S3, 对矩阵实施 LQ分解，获得下三角矩阵 ^和酉矩阵通过釆用 LQ分解来获得三角矩阵 Z^P酉矩阵降低了发送端的复杂度。

步骤 S4, 将¾的的子矩阵与信道信息矩阵相乘，获得各用户的等效信道 ΗΓ , 具体包括如下：

选取 ¾的前 N列和后 N行的元素来组成子矩阵^：, 并将的共轭转置右乘于 H_;, 进而获得各用户的等效信道 Γ"= ^ 。

步骤 S5, 对各用户的等效信道 ^ "实施 SVD分解操作，获得各用户的预编码矩阵，具体包括如下：

对 H_t ^equ按照 SVD分解公式 Hr = υ,Α,ν," = U W_l V_lfi}^H进行分解操作，其中为左酉矩阵， Λ_;为对角矩阵，为右酉矩阵，由的前列组成， ^ff表示矩阵 K的复共轭转置矩阵，。由的后 (N减列组成， ^表示用户的接收天线数， N为发送端的天线数。

根据 ^：^^, 获得各用户的预编码矩阵。

S106: 中央控制站将根据预编码矩阵所获得的各基站的预编码矩阵发送给各小区基站，进而实施预编码，具体包括如下：

依据所获得的各用户的预编码矩阵 ' = ι,···, ，可获得矩阵 w = [^d ] , 其大小为 Wx∑^N„ , 其中 ^表示基站 "的发送天线数；

依据^ 进而获得基站 ^z的预编码矩阵 w =w(∑ N₊iU ，_:），其中 W(∑" N_} + 1：∑^η Ν_},:)表示由矩阵 w的第 U ₊1至第行组成的子矩阵；

中央控制站通过网络接口将各基站的预编码矩阵 ^¾^(" =1，一）发给相应地基站 "。

图 2为本发明的 CoMP MU-MIMO的预编码矩阵生成装置结构示意图，该装置包括：获取模块 10, 计算模块 20以及生成模块 30:

其中所述获取模块 10, 用于从各小区基站获取发射功率 C 信道信息

= !,■-, K) , 其中 H„,_;表示小区 _n与用户 i间的信道信息， SNR_n„泉示小区 n与用户 i间的信噪比；所述计算模块 20,用于计算出用户的信道信息以及噪声功率所述生成模块 30, 用于根据各用户的信道信息 H_;以及噪声功率 , 生成预编码矩阵。

其中生成模块 30进一步包括：信道扩展模块 31, LQ分解模块 32, SVD 分解模块 33, 相乘模块 34。信道扩展模块 31, 用于对各用户的补信道实施信道扩展，获得矩阵 LQ分解模块 32, 用于对矩阵实施 LQ分解，获取各用户有效的零空间矩阵 SVD 分解模块 33, 用于对各用户的等效信道 ΗΓ =Η^^Η实施 SVO分解, 获取各用户的增益矩阵^; 相乘模块 34, 用于将各用户的零空间矩阵左乘于其增益矩阵，获取各用户的预编码矩阵 W_t =¾ 。

下面将给出本发明的预编码方法与现有的其它预编码方案的比较，以使本发明的优势及特征更加明显。

对一个 mx«的实矩阵，其 SVD分解的复杂度为 ½²m + 13m³ (flops),其 LQ 分解的复杂度为 2m²(«-m/3) (flops)。这里以实矩阵为例来说明。

假定系统有个用户，各用户有相同的接收天线数 Μ_; =Μ , = 0ίΓ-1)χΜ , 并假定每用户传输的流数为 1,本发明的预编码方法与已有的预编码的复杂度的比较如下表 1所示,其中实例（8,2,2,4)表示系统基站端的发送天线数之和 Ν为 8, 系统有两个小区协作，每个用户的接收天线数为 2, 系统中共有 4个用户。

表 1 本发明的预编码方法与已有的预编码的复杂度比较

复杂度表达式实例（8,2,2,4)

由表 1可知，与传统的 CoMP MU-MIMO预编码方法，例如 BD相比，本发明技术方案大大降低了发收端的运算复杂度，这将有利于本发明的方法在实际中的应用。

此外，如图 3 所示，示出了系统（8,2,4 )基于本发明的预编码方法和基于 BD预编码方法 CoMP MU-MIMO系统的容量比较曲线图，该系统有 4个用户，每个用户有 2根接收天线，共有 2个协作小区，每个小区基站发送端有 4根发送天线，接收端均釆用 ZF检测，在不同的信噪比条件下，基于本发明的多用户预编码系统与 BD的多用户预编码系统的容量的仿真比较图。由图 3可以看出，本发明的预编码方案与 BD方案相比，能很好的改善系统的信噪比，从而提高系统的容量。而且如表 1所示，与 BD相比，本发明的方案有更低的复杂度。进而表明了本方案与传统的 BD方案有更好地实现性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims

权利要求书

1、一种协作多点多用户 MIMO系统的预编码方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1: 中央控制站从各小区基站 η(η = 1,···,Γ)获得基站发射功率 Ρ η = 1,-,Γ)、基站 η与用户 i间的信道信息 H„,,以及信噪比 SNR ^l, , ，其中 T为合作小区的个数，^为系统中的用户数;进而得到各用户的信道信息 H_;以及噪声功率

S2: 中央控制站依据各用户的信道信息 H_;获得各用户的补信道^, 并对^ 实施信道扩展获得矩阵¾={¾, }；其中 I为∑i_≠i ^M _k x∑_k ^K=_u≠lM _k 车位矩阵， ₄表示用户的接收天线数；

S3: 中央控制站对矩阵实施 LQ分解，获得酉矩阵 ft;

S4: 中央控制站将 ¾的子矩阵共轭转置与 H_;相乘，获得各用户的等效信

S5: 中央控制站对等效信道 Hr"实施 SVD分解，获得各用户的预编码矩阵 W_t(i = !,■■■, K)；

S6: 中央控制站根据各用户的预编码矩阵 ^^' = 1，···，得到各基站的预编码矩阵^ (《 = 1,-, )并发送给相应小区基站，进而实施预编码。

2、如权利要求 1所述的方法，其特征在于，所述步骤 S1进一步包括步骤：

S12: 中央控制站通过网络接口从各基站获得发射功率、信道信息 U_ni,SNR_n.(i = l,-,K)

S13: 中央控制站依据从各基站获得的发射功率 Ρ„、信道信息11„,,通过组合获得各用户的信道信息 …

S14: 中央控制站依据从各基站获得的发射功率、信噪比 SNR„,,获得基站 n与用户 i间的噪声功率^², 并依据^⁷^获得用户 i的噪声功率。

3、如权利要求 2所述的方法，其特征在于，所述步骤 S14进一步包括步骤： S141: 根据路损公式 = = (^ ²^ , 获得用户 i接收到基站 n 的功率 ^P:=^ PLF, 其中 c表示光速， f为频率， d表示基站与用户间的距离，表示指数；根据所获得的接收功率以及 ^ν ,,·,进而获得基站 η与用户 i间的。

S142: 依据基站 n与用户 i间的噪声功率 σ^·, 进而获得用户 i的噪声功率 =Ση=ΐ^ση,。

4、如权利要求 1所述的方法，其特征在于，所述步骤 S2中：

首先根据所述各用户的信道信息 H,., 获得多用户 ΜΙΜΟ 系统的信道信息 Η«···Έ,···ί ^τ, 各用户的补信道^ =( ,···, ΑΚ₊₁ ·· Λ 这里 Τ表示

5、如权利要求 1中所述的方法，其特征在于，所述步骤 S4进一步包括：选取由 ¾的前 N列和后 N行的元素组成的子矩阵 ,将的共轭转置矩阵右乘于 H,., 获得各用户的等效信道

6、如权利要求 1所述的方法，其特征在于，所述步骤 S5进一步包括步骤：

S51: 对 Η 按照 SVD分解公式 Η = U V" = uM^f进行分解；其中为左酉矩阵， Λ,.为对角矩阵，为右酉矩阵，由的前列组成， ·,ο由的后 N - Μ,列组成， V,表示矩阵的复共轭转置矩阵，表示用户的接收天线数， N表示所有基站的发送天线数之和；

S52: 根据获得各用户的预编码矩阵 ^^' = 1，···， )。

7、如权利要求 1所述的方法，其特征在于，所述步骤 S6进一步包括步骤： S61: 依据所获得的预编码矩阵 ^(ζ' = 1，···， ) , 可获得矩阵^ = [^，一，^] , 其大小为 ^χΣ^^；其中 ^表示基站 "的发送天线数；

S62：依据矩阵 ^ = [^,···,^] , 进而获得基站的预编码矩阵 w

+ι：∑ ,,：)表示由矩阵 w的第∑; , +¹至第行组成的子矩阵；

8、一种协作多点多用户 MIMO系统的预编码矩阵生成装置，其特征在于，包括获取模块（10)、计算模块（20) 以及生成模块（30):

所述获取模块（ 10 ), 用于从各小区基站获取发射功率，信道信息 Η^,^^^Ι,···,^) ; 其中 Η„,,·表示小区 _η与用户 i间的信道信息， SNR„,,表示小区 n与用户 i间的信噪比；

所述计算模块（20), 用于计算出用户的信道信息 H_;以及噪声功率

所述生成模块（30), 用于根据各用户的信道信息 H_;以及噪声功率生成各用户的预编码矩阵。

9、如权利要求 8所述的装置，其特征在于，所述生成模块（30)进一步包括：

信道扩展模块（ 31 )，用于对各用户的补信道实施信道扩展，获得矩阵； LQ分解模块（32), 用于对矩阵实施 LQ分解，获取各用户有效的零空间矩阵；

SVD分解模块（ 33 )，用于对各用户的等效信道 Hr =H, ^H实施 SVD分解，获取各用户的增益矩阵^;

相乘模块（34), 用于将各用户的零空间矩阵 ^左乘于其增益矩阵，获取各用户的预编码矩阵 W 。

10、如权利要求 9 所述的装置，其特征在于，补信道扩展后的矩阵 H^iH^I]；其中 /为∑ ,_k≠iM_k ∑ _lk≠M_k的单位矩阵， ^表示用户 k的接收天线数。