多用户MIMO系统的预编码方法

摘要

本发明公开了一种多用户MIMO系统的预编码方法，包括：通过各用户反馈或时分双工系统特有的信道互惠性，获取多用户MIMO系统各用户的信道信息Hi以及噪声功率i＝1，2，…K，K为多用户MIMO系统的用户数；依据各用户的信道信息Hi，获得各用户的补信道并对其实施信道扩展，获得矩阵对矩阵实施LQ分解，获得下三角矩阵Li和酉矩阵Qi；将Qi的子矩阵共轭转置与Hi相乘，获得各用户的等效信道对等效信道实施SVD分解，获得各用户的预编码矩阵Wi；利用Wi对要发送给各用户的数据及导频进行预编码，并将预编码后的数据和导频发送给各用户。本发明在用户端有多天线的情况下，排除了多用户间干扰和噪声这两个因素对系统的影响，改善了多用户MIMO系统性能，降低了发送端的复杂度。

权利要求

1.一种多用户MIMO系统的预编码方法，其特征在于，包括以下步骤：S101：通过各用户反馈或利用时分双工系统的信道互惠性，获取所述多用户多输入多输出MIMO系统中各用户的信道信息Hi以及噪声功率 i＝1，2，...K，K表示多用户MIMO系统的用户数；

S102：依据各用户的信道信息Hi，获得各用户的补信道 并对其实施信道扩展，获得矩阵S103：对矩阵 实施LQ分解，获得下三角矩阵Li和酉矩阵Qi；

S104：将Qi的N行N列的子矩阵 的共轭转置矩阵右乘于Hi，获得各用户的等效信道N为发送端天线数；

S105：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Wi；

S106：利用所述预编码矩阵Wi对要发送给各用户的数据及导频进行预编码，并将预编码后的数据和导频发送给各用户；

所述步骤S102具体包括：

根据 所 述各 用户 的信 道 信息Hi，获 得 多用 户MIMO系 统的 信道 信 息各用户的补信道对各用户的补信道 实施信道扩展，获得矩阵 其中 表示噪声系数，其中，I为 的单位矩阵，Mk表示用户k的接收天线数；

所述步骤S104中获得各用户的等效信道 的方式为：选取由Qi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Hi，获得各用户的等效信道所述步骤S105包括步骤：

对 按照SVD分解公式 进行分解操作，其中Ui为左酉矩阵，Λi为对角矩阵，Vi为右酉矩阵，Vi,1由Vi的前Mi列组成，Vi,0由Vi的后N-Mi列组成， 表示矩阵Vi的复共轭转置矩阵，Mi表示用户i的接收天线数，N表示发送端的天线数；

根据 获得预编码矩阵Wi。

2.如权利要求1所述的多用户MIMO系统的预编码方法，其特征在于，所述步骤S101中通过各用户反馈获取各用户的信道信息Hi包括步骤：发送端发送非预编码的下行导频；

各用户利用所述下行导频信息进行信道估计；

各用户向发送端反馈利用所述下行导频所估计出的信道信息；

发送端接收各用户反馈的信道信息，从而获取系统各用户的信道信息Hi。

3.如权利要求1所述的多用户MIMO系统的预编码方法，其特征在于，所述步骤S101中通过时分双工系统获取各用户的信道信息Hi包括步骤：用户端发送非预编码的上行导频；

发送端利用所述上行导频进行信道估计，获得上行信道信息，依据时分双工系统的上下行信道互惠性，获得下行信道信息。

4.如权利要求1或2所述的多用户MIMO系统的预编码方法，其特征在于，所述步骤S106具体为：将所述要发送给各用户的数据Xi及第一导频分别右乘于各用户的预编码矩阵Wi，不预编码第二导频，并将第二导频、预编码后的数据和预编码后的第一导频发送给各用户。

5.如权利要求4所述的多用户MIMO系统的预编码方法，其特征在于，所述步骤S106之后还包括步骤：各用户分别利用自己的天线接收第二导频、预编码后的数据和预编码后的第一导频，并利用预编码后的第一导频进行信道估计，获得各自的用于译码的信道 为实际信道与所述预编码矩阵Wi的乘积，i＝1,2,...K；

利用 并采用破零准则对接收到的预编码数据进行译码，获得译码后数据；

利用未预编码的第二导频进行信道估计，得到用于反馈的信道信息Hi。

6.如权利要求1或3所述的多用户MIMO系统的预编码方法，其特征在于，所述步骤S106具体为：将所述要发送给各用户的数据Xi及导频分别右乘于各用户的预编码矩阵Wi，并将预编码后的数据和预编码后的导频发送给各用户。

7.如权利要求6所述的多用户MIMO系统的预编码方法，其特征在于，所述步骤S106之后还包括步骤：各用户分别利用自己的天线接收预编码后的数据和预编码后的导频，并利用预编码后的导频进行信道估计，获得各自的用于译码的信道 为实际信道与所述预编码矩阵Wi的乘积，i＝1,2,...K；

利用 并采用破零准则对接收到的预编码后的数据进行译码，获得译码后的数据。

说明书

多用户MIMO系统的预编码方法

技术领域

[0001] 本发明涉及无线移动通信技术领域，特别涉及一种多用户MIMO系统的预编码方法。

背景技术

[0002] 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采用了多根天线。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通常采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。

[0003] MU-MIMO系统中，基站同时向多个用户端发送各自的数据，多个用户共享同一时频资源，系统中必然存在用户间的共道干扰（Co-Channel Interference，CCI），因此CCI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（Minimummean-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一样，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。为了改善BD的性能，RBD（regularized BD）技术被提出来，然而，其复杂度过高，在现实中实现此技术则非常困难。

发明内容

[0004] （一）要解决的技术问题

[0005] 本发明要解决的技术问题是：如何使MU-MIMO系统的各用户有任意根接收天线，并减小CCI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。

[0006] （二）技术方案

[0007] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种多用户MIMO系统的预编码方法，包括以下步骤：

[0008] S101：通过各用户反馈或利用时分双工系统的信道互惠性，获取所述多用户多输入多输出MIMO系统中各用户的信道信息Hi以及噪声功率 i=1,2,…K，K表示多用户MIMO系统的用户数；

[0009] S102：依据各用户的信道信息Hi，获得各用户的补信道 并对其实施信道扩展，获得矩阵

[0010] S103：对矩阵 实施LQ分解，获得下三角矩阵Li和酉矩阵Qi；

[0011] S104：将Qi的N行N列的子矩阵 的共轭转置矩阵右乘于Hi，获得各用户的等效信道 N为发送端天线数；

[0012] S105：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Wi；

[0013] S106：利用所述预编码矩阵Wi对要发送给各用户的数据及导频进行预编码，并将预编码后的数据和导频发送给各用户。

[0014] 其中，所述步骤S101中通过各用户反馈获取各用户的信道信息Hi包括步骤：

[0015] 发送端发送非预编码的下行导频；

[0016] 各用户利用所述下行导频信息进行信道估计；

[0017] 各用户向发送端反馈利用所述下行导频所估计出的信道信息；

[0018] 发送端接收各用户反馈的信道信息，从而获取系统各用户的信道信息Hi。

[0019] 其中，所述步骤S101中通过时分双工系统获取各用户的信道信息Hi包括步骤：

[0020] 用户端发送非预编码的上行导频；

[0021] 发送端利用所述上行导频进行信道估计，获得上行信道信息，依据时分双工系统的上下行信道互惠性，获得下行信道信息。

[0022] 其中，所述步骤S102具体包括：

[0023] 根据所述各用户的信道信息Hi，获得多用户MIMO系统的信道信息各用户的补信道

[0024] 对各用户的补信道 实施信道扩展，获得矩阵 其中 表示噪声系数，其中， I为 的单位矩阵，Mk表示用户k的接收天线数。

[0025] 其中，所述步骤S104中获得各用户的等效信道 的方式为：

[0026] 选取由Qi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Hi，获得各用户的等效信道

[0027] 其中，所述步骤S105包括步骤：

[0028] 对 按照SVD分解公式 进行分解操作，其中Ui为左酉矩阵，Λi为对角矩阵，Vi为右酉矩阵，Vi,1由Vi的前Mi列组成，Vi,0由Vi的后N－Mi列组成，表示矩阵Vi的复共轭转置矩阵，Mi表示用户i的接收天线数，N表示发送端的天线数。

[0029] 根据 获得预编码矩阵Wi。

[0030] 其中，所述步骤S106具体为：

[0031] 将所述要发送给各用户的数据Xi及第一导频分别右乘于各用户的预编码矩阵Wi，不预编码第二导频，并将第二导频、预编码后的数据和预编码后的第一导频发送给各用户。

[0032] 其中，所述步骤S106之后还包括步骤：

[0033] 各用户分别利用自己的天线接收第二导频、预编码后的数据和预编码后的第一导频，并利用预编码后的第一导频进行信道估计，获得各自的用于译码的信道 为实际信道与所述预编码矩阵Wi的乘积，i＝1,2,…K；

[0034] 利用 并采用破零准则对接收到的预编码数据进行译码，获得译码后数据；

[0035] 利用未预编码的第二导频进行信道估计，得到用于反馈的信道信息Hi。

[0036] 其中，所述步骤S106具体为：

[0037] 将所述要发送给各用户的数据Xi及导频分别右乘于各用户的预编码矩阵Wi，并将预编码后的数据和预编码后的导频发送给各用户。

[0038] 其中，所述步骤S106之后还包括步骤：

[0039] 各用户分别利用自己的天线接收预编码后的数据和预编码后的导频，并利用预编码后的导频进行信道估计，获得各自的用于译码的信道 为实际信道与所述预编码矩阵Wi的乘积，i＝1,2,…K；

[0040] 利用 并采用破零准则对接收到的预编码后的数据进行译码，获得译码后的数据。

[0041] （三）有益效果

[0042] 本发明在用户端有多天线的情况下，采用上述预编码步骤，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

[0043] 图1是本发明一实施例的多用户MIMO系统的预编码方法流程图；

[0044] 图2是本发明另一实施例的多用户MIMO系统的预编码方法流程图；

[0045] 图3为应用图1中方法的MU-MIMO系统模型示意图，其中，发送端利用反馈获得系统各用户的信道信息；

[0046] 图4为应用图2中方法的MU-MIMO系统模型示意图，其中，发送端利用TDD系统的信道互惠性获得系统各用户的信道信息；

[0047] 图5给出了在不同信噪比的条件下，基于本发明的预编码方法和基于BD，RBD预编码方法的多用户MIMO系统的容量比较曲线图；

[0048] 图6给出了在信噪比为-6dB时，基于本发明的预编码方法和基于BD，RBD预编码方法的多用户MIMO系统的容量累积分布函数比较曲线图；

[0049] 图7给出了在信噪比为15dB时，基于本发明的预编码方法和基于BD，RBD预编码方法的多用户MIMO系统的容量累积分布函数比较曲线图。

具体实施方式

[0050] 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，但不用来限制本发明的范围。

[0051] 以下利用反馈获得信道信息的频分双工（Frequency DivisionDuplexing，FDD）MU-MIMO系统，以及利用上下行导频信息获得信道信息的时分双工（Time Division Duplexing，TDD）MU-MIMO系统为例对本发明进行详细说明。

[0052] 实施例1

[0053] 如图1所示，为利用用户反馈获得信道信息的预编码方法流程图，该方法包括：

[0054] 步骤S101，通过各用户反馈，获取所述多用户MIMO系统各用户的信道信息Hi以及噪声功率 i=1,2,…K，K表示多用户MIMO系统的用户数。具体获取步骤为：

[0055] 发送端发送非预编码的下行导频；

[0056] 各用户端利用下行导频信息进行信道估计；

[0057] 各用户端向基站反馈利用下行导频所估计出的信道信息；

[0058] 基站接收各用户反馈的信道信息，从而获取系统各用户的信道信息Hi。

[0059] 步骤S102，依据各用户的信道信息Hi，获得各用户的补信道 用户i的补信道由多用户MIMO系统中除了用户i之外的其它所有用户的信道构成，并对其实施信道扩展，获得矩阵

[0060] 具体地，根据所述各用户的信道信息Hi，获得多用户MIMO系统的信道信息为各用户的补信道为 T表示转置。

[0061] 对各用户的补信道 实施信道扩展，获得矩阵 其中 表示噪声系数，其中， I为 的单位矩阵，Mk表示用户k的接收天线数。通过将 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 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。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。因而本实施例适合于接收端各用户有任意接收天线的MU-MIMO预编码系统。

[0062] 步骤S103，对矩阵 实施LQ分解，获得下三角矩阵Li和酉矩阵Qi，通过采用LQ分解来获得三角矩阵Li和酉矩阵Qi，降低了发送端的复杂度。

[0063] 步骤S104，将Qi的后N行前N列的子矩阵 的共轭转置矩阵右乘于Hi，获得各用户的等效信道 N为发送端天线数。具体地，选取Qi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Hi，进而获得各用户的等效信道

[0064] 步骤S105，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Wi。具体包括：

[0065] 对 按照SVD分解公式 进行分解操作，其中Ui为左酉矩阵，Λi为对角矩阵，Vi为右酉矩阵，Vi,1由Vi的前Mi列组成， 表示矩阵Vi的复共轭转置矩阵，Vi，0由Vi的后N－Mi（N减Mi）列组成，Mi表示用户i的接收天线数，N为发送端的天线数。

[0066] 根据 获得预编码矩阵Wi。

[0067] 步骤S106，利用所述预编码矩阵Wi对要发送给各用户的数据及第一导频进行预编码，即将所述要发送给各用户的数据Xi及第一导频分别右乘于各用户的预编码矩阵Wi，不对第二导频进行预编码，并将第二导频、预编码后的数据和预编码后的第一导频发送给各用户。

[0068] 当发送端发送上述第二导频、预编码后的数据和预编码后的第一导频后，各用户分别利用自己的天线接收第二导频、预编码后的数据和预编码后的第一导频，并利用预编码后的第一导频进行信道估计，获得各自的用于译码的信道 为实际信道与预编码矩阵Wi的乘积，优选左乘于Wi，实际信道为实际的物理信道，i＝1,2,…K，利用 并采用迫零（Zero forcing，ZF）准则对接收到的预编码数据进行译码，获得译码后数据；利用未预编码的第二导频进行信道估计，得到用于反馈的信道信息Hi。

[0069] 如图2所示，为利用上述方法的步骤S101~S106的FDD MU-MIMO系统模型。设FDD MU-MIMO系统包含1个基站和K个用户（用户1，用户2，……，用户K），发送端有M根发射天线，用户i有Mi根接收天线。图中Wi为用户i的预编码矩阵，为用户i的噪声，Xi为要发送给用户i的数据，yi为用户i的接收数据，Zi为用户i译码后的数据，Hi为反馈的信道信息。

[0070] 实施例2

[0071] 如图3所示，为利用TDD系统获得信道信息的预编码方法流程图，该方法包括：

[0072] 步骤S301，通过TDD系统特有的信道互惠性，获取所述多用户MIMO系统各用户的信道信息Hi以及噪声功率 i=1,2,…K，K表示多用户MIMO系统的用户数。具体获取步骤为：

[0073] 用户端发送非预编码的上行导频；

[0074] 发送端利用所述上行导频进行信道估计，获得上行信道信息，依据时分双工系统上下行信道互惠性，获得下行信道信息，其即为上行信道信息。

[0075] 步骤S302，依据各用户的信道信息Hi，获得各用户的补信道 并对其实施信道扩展，获得矩阵 具体地，根据所述各用户的信道信息Hi，获得多用户MIMO系统的信道信息为 各用户的补信道 T表示转置。

[0076] 对各用户的补信道 实施信道扩展，获得矩阵 其中 表示噪声系数，其中， I为 的单位矩阵，Mk表示用户k的接收天线数。通过所述将 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 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。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 因而本实施例适合于接收端各用户有任意接收天线的MU-MIMO预编码系统。

[0077] 步骤S303，对矩阵 实施LQ分解，获得下三角矩阵Li和酉矩阵Qi，通过采用LQ分解来获得三角矩阵Li和酉矩阵Qi，降低了发送端的复杂度。

[0078] 步骤S304，将Qi的后N行前N列的子矩阵 的共轭转置矩阵右乘于Hi，获得各用户的等效信道 N为发送端天线数。具体地，选取Qi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Hi，进而获得各用户的等效信道

[0079] 步骤S305，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Wi。具体包括：

[0080] 对 按照SVD分解公式 进行分解操作，其中Ui为左酉矩阵，Λi为对角矩阵，Vi为右酉矩阵，Vi,1由Vi的前Mi列组成， 表示矩阵Vi的复共轭转置矩阵，Vi，0由Vi的后N－Mi（N减Mi）列组成，Mi表示用户i的接收天线数，N为发送端的天线数。

[0081] 根据 获得预编码矩阵Wi。

[0082] 步骤S306，利用所述预编码矩阵Wi对要发送给各用户的数据及导频进行预编码，将所述要发送给各用户的数据Xi及导频分别右乘于各用户的预编码矩阵Wi，并将预编码后的数据和预编码后的导频发送给各用户。

[0083] 当发送端发送上述预编码后的数据和预编码后的导频后，各用户分别利用自己的天线接收预编码后的数据和预编码后的导频，并利用预编码后的导频进行信道估计，获得各自的用于译码的信道 为实际信道与预编码矩阵Wi的乘积，优选左乘于Wi，实际信道为实际的物理信道，i＝1,2,…K；利用 并采用破零（Zero forcing:ZF）准则对接收到的预编码后的数据进行译码，获得译码后的数据。

[0084] 如图4所示，为利用上述方法步骤S301~S306的TDD MU-MIMO系统模型。设TDD MU-MIMO系统包含1个基站和K个用户（用户1，用户2，……，用户K），基站有M根发射天线，用户i有Mi根接收天线。图中Wi为用户i的预编码矩阵，为用户i的噪声，Xi为要发送给用户i的数据，yi为用户i的接收数据，Zi为用户i译码后的数据。

[0085] 下面将给出本发明的预编码方案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。

[0086] 对一个m×n的实矩阵，其SVD分解的复杂度为4n2m+13m3（flops），其LQ分解的2
复杂度为2m(n-m/3)(flops)。为了便于简单，这里就以实矩阵为例来说明。

[0087] 假定系统有K个用户，各用户有相同的接收天线数Mi=M， 并假定每用户传输的流数为1，本发明的预编码算法与已有的预编码的复杂度的比较如下表1所示。

[0088] 表1本发明的预编码算法与已有的预编码的复杂度比较

[0089]

[0090] 由表1可知，与传统的多用户预编码方法，例如BD，RBD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。

[0091] 此外，如图5所示，示出了系统(2,2,2)×6基于本发明的预编码方法和基于BD，RBD预编码方法的多用户MIMO系统的容量比较曲线图，该系统有3个用户，每个用户有2根接收天线，发送端有6根发送天线，接收端均采用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，RBD的多用户预编码系统的容量的仿真比较图。由图5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。本发明的预编码方案与RBD相比，获得同样的性能，但如表1所示，本发明的方案复杂度大大低于RBD方案的复杂度。同样的条件，系统有3个用户，每个用户有2根接收天线，发送端有6根发送天线，如图6和7所示，给出了本发明的方法与BD的容量CDF比较的曲线图，其进一步表明了本发明的性能优势。而且如表1所示，与BD相比，本发明的方案有更低的复杂度。

[0092] 以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。