一种用于在具有经由上行链路信道和相应的下行链路(DL)信道与基站(BS)进行通信的K个用户终端(UE)的无线系统的所述基站中利用Tomlinson Harashima预编码器(THP)来处理用户符号的方法，该方法包括：估计DL信道矩阵Hk；确定接收机处理矩阵Vk；计算有效DL信道矩阵Heff；对Heff进行QR分解；计算THP矩阵；计算UE的标量权重；由具有THP矩阵的THP来处理用户符号，以产生UE的经滤波的向量符号的输出；将THP的输出引导到由DL信道矩阵表示的信道，其中在无线系统中通过所述DL信道进行与UE的通信；基于K个UE中的每一个UE的Vk来对该UE处的发射信号执行额外的接收机处理；以及对UE处的所述发射信号使用标量权重。
1.一种用于在具有经由上行链路(UL)信道和相应的下行链路(DL)信道与基站(BS)进行通信的K个用户终端(UE)的多用户多输入多输出(MU-MIMO)无线系统的所述基站中利用Tomlinson Harashima预编码器来处理用户符号的方法，所述基站具有N个天线和作为可用的发射功率的Pt，所述方法包括：估计所述K个UE中的每一个UE的DL信道矩阵Hk；
确定所述K个UE中的每一个UE的接收机处理矩阵Vk；
基于所述DL信道矩阵Hk和所述接收机处理矩阵Vk来计算有效DL信道矩阵Heff；
利用列选主元对所述有效DL信道矩阵Heff进行QR分解(QRD)，其中Q是酉矩阵并且R是上三角矩阵；
使用所述酉矩阵Q和所述上三角矩阵R来计算Tomlinson Harashima预编码器矩阵；
由具有所述Tomlinson Harashima预编码器矩阵的所述Tomlinson Harashima预编码器来处理所述用户符号，以产生所述UE的经滤波的向量符号的输出；
将所述Tomlinson Harashima预编码器的所述输出引导到由所述DL信道矩阵表示的信道，其中在所述无线系统中通过所述信道进行与所述用户终端的通信；
基于所述K个UE中的每一个UE的所述接收机处理矩阵Vk来对所述UE处的发射信号进行额外的接收机处理；以及对所述UE处的所述发射信号使用所述标量权重；
其中，确定所述K个UE中的每一个UE的接收机处理矩阵Vk的步骤包括：由所述BS确定第k个UE的相应的UL信道 的输入协方差矩阵Φk，对于所述K个UE中的每一个UE， 其中， 表示所有UE的联合发射向量，并且E[.]指示其参数的时间平均；
假设由所有UE使用的总发射功率不会超过在所述BS中用于初始下行链路传输的所述可用的发射功率Pt，按下式利用每个Φk确定与特征向量相关联的Uk
将与所述第k个UE相关联的接收机处理矩阵Vk设置为
2.根据权利要求1所述的方法，其中，计算有效DL信道矩阵Heff的步骤包括：由所述BS计算
3.根据权利要求2所述的方法，其中，利用列选主元对所述有效DL信道矩阵Heff进行QR分解(QRD)的步骤包括：计算 其中，E是置换矩阵。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，计算Tomlinson Harashima预编码器矩阵的步骤包括：利用(L-N)个尾随零对角线项将(LxL)对角矩阵J定义为其中rkk表示所述矩阵R的第k个对角元素；
计算B＝JR，其中，所述Tomlinson Harashima预编码器包括由B-I表示的干扰预消除块，I表示单位矩阵，并且所述干扰预消除矩阵B具有下三角矩阵的结构；以及计算所述Tomlinson Harashima预编码器中的发射滤波器的发射滤波器矩阵F＝
∑ Q，其中，∑是满足功率约束：trace(∑)≤Pt的对角矩阵。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，计算所述UE的标量权重的步骤包括：H
将所述第k个UE的第i个接收天线的所述标量权重gki确定为矩阵G的第 列的非零列项，其中，rm表示第m个UE的所述有效DL信道矩阵 中的行数。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，由具有所述Tomlinson Harashima预编码器矩阵的所述Tomlinson Harashima预编码器来处理用户符号以产生所述UE的经滤波的向量符号的输出的步骤包括：引导所述用户符号通过放置于前馈路径中的取模单元以产生通过放置于反馈路径中的干扰预消除块进行反馈的所述向量符号，所述干扰预消除块由B-I表示，其中B是干扰预消除矩阵并且I是单位矩阵；
从应用到所述前馈路径中的所述取模单元的所述用户符号中减去所述干扰预消除块的输出信号；以及使所述向量符号通过所述前馈路径中的由发射滤波器矩阵F代表的发射滤波器以产生来自所述BS的所述经滤波的向量符号的所述输出。
7.一种用于在具有经由上行链路(UL)信道和相应的下行链路(DL)信道与基站(BS)进行通信的K个用户终端(UE)的多用户多输入多输出(MU-MIMO)无线系统的所述基站中利用Tomlinson Harashima预编码器来处理用户符号的方法，所述基站具有N个天线和作为可用的发射功率的Pt，所述方法包括：估计所述K个UE中的每一个UE的DL信道矩阵Hk；
确定所述K个UE中的每一个UE的接收机处理矩阵Vk；
基于所述DL信道矩阵Hk和所述接收机处理矩阵Vk来计算有效DL信道矩阵Heff；
利用列选主元对所述有效DL信道矩阵Heff进行QR分解(QRD)，其中Q是酉矩阵并且R是上三角矩阵；
使用所述酉矩阵Q和所述上三角矩阵R来计算Tomlinson Harashima预编码器矩阵；
由具有所述Tomlinson Harashima预编码器矩阵的所述Tomlinson Harashima预编码器来处理所述用户符号，以产生所述UE的经滤波的向量符号的输出；
将所述Tomlinson Harashima预编码器的所述输出引导到由所述DL信道矩阵表示的信道，其中在所述无线系统中通过所述信道进行与所述用户终端的通信；
基于所述K个UE中的每一个UE的所述接收机处理矩阵Vk来对所述UE处的发射信号进行额外的接收机处理；以及对所述UE处的所述发射信号使用所述标量权重；
其中，确定所述K个UE中的每一个UE的接收机处理矩阵Vk的步骤包括：由所述UE按照 来进行SVD分解，其中矩阵Yk表示左奇异向量，Sk表示包括主对角线处的奇异值的对角矩阵，并且Wk代表右奇异向量；以及将与所述第k个UE相关联的估计出的接收机处理矩阵设置为
8.根据权利要求7所述的方法，其中，计算有效DL信道矩阵Heff的步骤包括：由所述UE计算
其中，所述方法还包括由所述UE向所述BS告知所述有效DL信道矩阵Heff。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，利用列选主元对所述有效DL信道矩阵Heff进行QR分解(QRD)的步骤包括：计算
10.根据权利要求9所述的方法，其中，计算Tomlinson Harashima预编码器矩阵的步骤包括：利用(L-N)个尾随零对角线项将(LxL)对角矩阵G定义为其中rkk表示所述矩阵R的第k个对角元素；
计算B＝GR，其中，所述Tomlinson Harashima预编码器包括由B-I表示的干扰预消除块，I表示单位矩阵，并且所述干扰预消除矩阵B具有下三角矩阵的结构；以及计算所述Tomlinson Harashima预编码器中的发射滤波器的发射滤波器矩阵F＝
∑ Q，其中，∑是满足功率约束：trace(∑)≤Pt的对角矩阵。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，计算所述UE的标量权重的步骤包括：将所述第k个UE的第i个接收天线的所述标量权重gki确定为矩阵G的第 个对角线元素的非零列项，其中，rm表示 中的行数。
12.根据权利要求7所述的方法，其中，由具有所述Tomlinson Harashima预编码器矩阵的所述Tomlinson Harashima预编码器来处理用户符号以产生所述UE的经滤波的向量符号的输出的步骤包括：引导所述用户符号通过放置于前馈路径中的取模单元以产生通过放置于反馈路径中的干扰预消除块进行反馈的所述向量符号，所述干扰预消除块由B-I表示，其中B是干扰预消除矩阵并且I是单位矩阵；
从应用到所述前馈路径中的所述取模单元的所述用户符号中减去所述干扰预消除块的输出信号；以及使所述向量符号通过所述前馈路径中的由发射滤波器矩阵F代表的发射滤波器以产生来自所述BS的所述经滤波的向量符号的所述输出。
13.一种多用户多输入多输出(MU-MIMO)无线系统，包括：基站(BS)，其具有N个天线和作为可用的发射功率的Pt；
多个(K个)用户终端(UE)，其经由上行链路(UL)信道和相应的下行链路(DL)信道与所述基站进行通信，其中，所述BS包括Tomlinson Harashima预编码器，所述Tomlinson Harashima预编码器用于处理用户符号以产生所述UE的经滤波的向量符号的输出；以及由所述DL信道的DL信道矩阵表示的信道，其用于接收所述Tomlinson Harashima预编码器的所述输出，其中在所述无线系统中通过所述DL信道进行与所述用户终端的通信；
其中，所述Tomlinson Harashima预编码器包括通过估计所述K个UE中的每一个UE的DL信道矩阵Hk而算出的用于干扰预消除块的干扰预消除矩阵B和用于发射滤波器的发射滤波器矩阵F；确定所述K个UE中的每一个UE的接收机处理矩阵Vk；基于所述DL信道矩阵Hk和所述接收机处理矩阵Vk来计算有效DL信道矩阵Heff；利用列选主元对所述有效DL信道矩阵Heff进行QR分解(QRD)，其中Q是酉矩阵并且R是上三角矩阵；以及使用所述酉矩阵Q和所述上三角矩阵R来计算B和F；
其中，所述UE均被配置成基于所述接收机处理矩阵Vk来对所述UE处的发射信号执行额外的接收机处理，并且使用基于所述上三角矩阵R而算出的标量权重将来自所述Tomlinson Harashima预编码器的所述经滤波的向量符号的所述输出按比例缩小；
其中，所述BS被配置成确定所述K个UE中的每一个UE的所述接收机处理矩阵Vk，所述确定的步骤包括：确定第k个UE的相应的UL信道 的输入协方差矩阵Φk，对于所述K个UE中的每一个UE， 其中， 表示所有UE的联合发射向量，并且E[.]指示其参数的时间平均；
假设由所有UE使用的总发射功率不会超过在所述BS中用于初始下行链路传输的所述可用的发射功率Pt，按下式利用每个Φk确定与特征向量相关联的Uk
将与所述第k个UE相关联的接收机处理矩阵Vk设置为
14.根据权利要求13所述的MU-MIMO无线系统，其中，计算有效DL信道矩阵Heff的步骤包括由所述BS计算其中，利用列选主元对所述有效DL信道矩阵Heff进行QR分解(QRD)的步骤包括计算其中，E是置换矩阵；以及其中，使用所述酉矩阵Q和所述上三角矩阵R来计算B和F的步骤包括：利用(L-N)个尾随零对角线项将(LxL)对角矩阵J定义为其中rkk表示所述矩阵R的第k个对角元素；
计算B＝JR，其中，所述Tomlinson Harashima预编码器包括由B-I表示的干扰预消除块，I表示单位矩阵，并且所述干扰预消除矩阵B具有下三角矩阵的结构；以及
计算发射滤波器的发射滤波器矩阵F＝∑ Q，其中，∑是满足功率约束：trace(∑)≤Pt的对角矩阵。
15.根据权利要求14所述的MU-MIMO无线系统，其中，计算所述UE的标量权重的步骤包括：H
将所述第k个UE的第i个接收天线的所述标量权重gki确定为矩阵G的第 列的非零列项，其中，rm表示与第m个UE对应的所述有效DL信道矩阵 中的行数。
在多用户多输入多输出无线传输系统中利用额外的接收机
处理的Tomlinson Harashima预编码
[0001] 相关申请
[0002] 本申请基于2009年9月4日提交的美国临时专利申请No.61/239,888以及2009年9月10日提交的No.61/241,126并且要求所述专利申请的优先权。本申请涉及于2009年3月11日提交的美国专利申请No.12/401,711以及于2009年9月4日提交的
No.12/554,069和No.12/554,082。通过引用的方式将这些申请的全部公开内容并入本文。
技术领域
[0003] 概括地说，本发明涉及多输入多输出(MIMO)通信系统，具体地说，涉及MIMO网络中利用额外的接收机处理的Tomlinson Harashima预编码。
背景技术
[0004] 众所周知，基于广义决策反馈均衡器(GDFE)的预编码器提供了用于多用户多输入多输出(MU-MIMO)无线系统的最佳的容量解决方案。然而，确定与GDFE预编码器相关联的各种滤波器的计算成本通常过高并且不适用于很多实际的系统。
[0005] 存在多种已知的预编码技术，这些预编码技术使配备有多个天线的基站(BS)能够向多个用户终端(UE)发送同步数据流，以便优化系统容量。通常，针对MU-MIMO系统的预编码旨在优化诸如系统容量或误码率等的某一标准。在下文中将指出所选择的参考文献以及对其中所提出的技术的有关方面的描述。
[0006] C.Windpassinger、R.F.H Fischer、T.Vencel以 及J.B Huber 于2004年7 月在IEEE Transactions on Wireless Communications的 第 1305-1316页 上 发 表 的“Precoding in multi-antenna and multi-user communications”[1]描述了一种被称作Tomlinson-Harashima预编码(THP)的非线性预编码方案。这种方案依赖于BS处的连续干扰预消除。取模操作用于确保不超过发射功率。不同于BD，THP使有效的信道矩阵三角形化，并且当与BD相比时提供略高的系统容量。在W.Yu于2002年2月在斯坦福大学发表的博士论文“Competition and Cooperation in Multi-User Communication Environments”[2]中，Wei Yu介绍了GDFE预编码器，并且说明其达到了较高程度的系统容量。虽然该技术达到了较高程度的系统容量，但是对于大多数实际系统所需的实时实现来说，确定GDFE预编码器组件的计算成本实际上过高。N.Jindal、W.Rhee、S.Vishwanath、S.A.Jafar和A.Goldsmith于2005年4月在IEEE Transactions on Information Theory的第1570-1580页上发表的“Sum Power Iterative Water-filling for Multi-Antenna Gaussian Broadcast Channels”[6]得到了非常有用的结果，其被称作MAC/BC(多址信道/广播信道)二元性。通过引用的方式将上面的参考文献的全部公开内容并入本文。
发明内容
[0007] 在12/401,711和12/554,082中，给出了用于实现GDFE预编码器的计算高效的算法，其因达到广播信道(BC)容量而被熟知。虽然从计算复杂度的角度来看，这两个应用中的算法简化了GDFE实现，但是其仍然没有克服GDFE对在不同的发射天线中分配不相等的功率的固有要求。由于无线发射机中使用的功率放大器的非线性特性，因此这种不相等的功率分配可能在实际系统中引起问题。作为一种解决方案，本发明致力于对被称为Tomlinson Harashima预编码器(THP)的另一种非线性预编码技术的修改。虽然THP中的最佳功率分配也不相等，但是我们的修改达到了甚至在等功率分配的情况下的近似最佳容量。额外的贡献是关于信道反馈。传统的THP技术要求从接收机到发射机的完整信道矩阵反馈。作为另一种解决方案，本发明提出一种用于实现利用部分信道反馈的THP技术的变形的方法。所提出的方法避免了完整信道反馈开销，并且导致可达到的容量的合理降低。
[0008] 本发明的示例性实施例提供了一种用于在MU-MIMO系统中利用额外的接收机处理的Tomlinson Harashima预编码(THP)的技术，其在不导致容量损失的同时显著地降低了计算成本。该技术适用于改善包括目前计划中的未来“4G”蜂窝网络在内的各种MU-MIMO无线系统的性能。
[0009] 本发明的一个方面涉及一种用于在具有经由上行链路(UL)信道和相应的下行链路(DL)信道与基站(BS)进行通信的K个用户终端(UE)的多用户多输入多输出(MU-MIMO)无线系统的所述基站中利用Tomlinson Harashima预编码器来处理用户符号的方法，所述基站具有N个天线和作为可用的发射功率的Pt。所述方法包括：估计K个UE中的每一个UE的DL信道矩阵Hk；确定K个UE中的每一个UE的接收机处理矩阵Vk；基于DL信道矩阵Hk和接收机处理矩阵Vk来计算有效DL信道矩阵Heff；利用列选主元对有效DL信道矩阵Heff进行QR分解(QRD)，其中Q是酉矩阵并且R是上三角矩阵；使用酉矩阵Q和上三角矩阵R来计算Tomlinson Harashima预编码器矩阵；使用上三角矩阵R来计算UE的标量权重；由具有Tomlinson Harashima预编码器矩阵的Tomlinson Harashima预编码器来处理用户符号，以产生该UE的经滤波的向量符号的输出；将Tomlinson Harashima预编码器的所述输出引导到由DL信道矩阵表示的信道，在所述无线系统中通过所述信道进行与用户终端的通信；基于K个UE中的每一个UE的接收机处理矩阵Vk来对UE处的发射信号执行额外的接收机处理；以及，对UE处的所述发射信号使用标量权重。
[0010] 在某些实施例中，DL信道矩阵H是 并且确定K个UE中的每一个UE的接收机处理矩阵Vk的步骤包括：由BS确定所述第k个UE的相应的UL信道 的输入协方差矩阵Φk，对于所述K个UE中的每一个UE， 其中，
表示所有UE的联合发射向量，并且E[.]指示其参数的时间平均；假设由所有UE使用的总发射功率不会超过在所述BS中用于初始下行链路传输的所述可用的发射功率Pt，按下式利用每个Φk确定与特征向量相关联的Uk： 以及，
将与所述第k个UE相关联的接收机处理矩阵Vk设置为 计算有效DL信道矩阵Heff
的步骤包括由所述BS计算
[0011]
[0012] 利用列选主元对所述有效DL信道矩阵Heff进行QR分解(QRD)的步骤包括计算其中，E是置换矩阵。计算Tomlinson Harashima预编码器矩阵的步骤包括：利用(L-N)个尾随零对角线项将(LxL)对角矩阵J定义为 其中
H
rkk表示矩阵R的第k个对角线元素；计算B＝JR，其中，Tomlinson Harashima预编码器包括由B-I表示的干扰预消除块，I表示单位矩阵，并且干扰预消除矩阵B具有下三角矩阵的结构；以及，计算Tomlinson Harashima预编码器中的发射滤波器的发射滤波器矩阵F＝
1/2 H
Σ Q，其中，Σ是满足功率约束：trace(Σ)≤Pt的对角矩阵。计算UE的标量权重的步骤H
包括：将矩阵G定义为G＝JE ；以及，将第k个UE的第i个接收天线的标量权重gki确定为矩阵G的第 列的非零列项，其中，rm表示第m个UE的所述有效DL信道矩阵
中的行数。
[0013] 在具体的实施例中，DL信道矩阵H是 并且确定K个UE中的每一个UE的接收机处理矩阵Vk的步骤包括：由UE按照 来执行SVD分解，其中矩
阵Yk表示左奇异向量，Sk表示包括主对角线处的奇异值的对角矩阵，并且Wk代表右奇异向量；以及，将与第k个UE相关联的估计出的接收机处理矩阵设置为 计算有效DL
信道矩阵Heff的步骤包括由UE计算
[0014]
[0015] 其中，矩阵 是通过选择Wk的列而构成的；所述方法还包括由UE向所述BS告知所述有效DL信道矩阵Heff。利用列选主元对有效DL信道矩阵Heff进行QR分解(QRD)的步骤包括计算
[0016] 计算Tomlinson Harashima预编码器矩阵的步骤包括：利用(L-N)个尾随零对角线项将(LxL)对角矩阵G定义为 其中rkk表示所述矩阵R的第k个对角线元素；计算B＝GRH，其中，Tomlinson Harashima预编码器包括由B-I表示的干扰预消除块，I表示单位矩阵，并且干扰预消除矩阵B具有下三角矩阵的结构；以及，计算Tomlinson Harashima预编码器中的发射滤波器的发射滤波器矩阵F＝Σ1/2QH，其中，Σ是满足功率约束：trace(Σ)≤Pt的对角矩阵。计算所述UE的标量权重的步骤包括：将第k个UE的第i个接收天线的所述标量权重gki确定为矩阵G的第 个对角线元素的非
零列项，其中，rm表示 中的行数。
[0017] 在某些实施例中，由具有Tomlinson Harashima预编码器矩阵的Tomlinson Harashima预编码器来处理用户符号以产生所述UE的经滤波的向量符号的输出的步骤包括：引导所述用户符号通过放置于前馈路径中的取模单元以产生通过放置于反馈路径中的干扰预消除块进行反馈的所述向量符号，所述干扰预消除块由B-I表示，其中B是干扰预消除矩阵并且I是单位矩阵；从应用到前馈路径中的取模单元的所述用户符号中减去干扰预消除块的输出信号；以及，使所述向量符号通过前馈路径中的由发射滤波器矩阵F代表的发射滤波器以产生来自BS的经滤波的向量符号的输出。
[0018] 根据本发明的另一方面，一种多用户多输入多输出(MU-MIMO)无线系统包括：基站(BS)，其具有N个天线和作为可用的发射功率的Pt；多个(K个)用户终端(UE)，其经由上行链路(UL)信道和相应的下行链路(DL)信道与所述基站进行通信，其中，所述BS包括Tomlinson Harashima预编码器，所述Tomlinson Harashima预编码器用于处理用户符号以产生所述UE的经滤波的向量符号的输出；以及，由所述DL信道的DL信道矩阵表示的信道，其用于接收所述Tomlinson Harashima预编码器的所述输出，其中在所述无线系统中通过所述DL信道进行与用户终端的通信。Tomlinson Harashima预编码器包括：通过估计K个UE中的每一个UE的DL信道矩阵Hk而算出的干扰预消除块的干扰预消除矩阵B和发射滤波器的发射滤波器矩阵F；确定K个UE中的每一个UE的接收机处理矩阵Vk；基于DL信道矩阵Hk和接收机处理矩阵Vk来计算有效DL信道矩阵Heff；利用列选主元对有效DL信道矩阵Heff进行QR分解(QRD)，其中Q是酉矩阵并且R是上三角矩阵；以及，使用所述酉矩阵Q和所述上三角矩阵R来计算B和F。所述UE均被配置成基于接收机处理矩阵Vk来对该UE处的发射信号执行额外的接收机处理，并且使用基于上三角矩阵R计算出的标量权重将来自Tomlinson Harashima预编码器的经滤波的向量符号的输出按比例缩小。
[0019] 在具体的实施例中，Tomlinson Harashima预编码器包括：前馈路径；反馈路径；放置于反馈路径中的由B-I表示的干扰预消除块，I是单位矩阵，B是干扰预消除矩阵；放置于所述前馈路径中的取模单元，其用于产生通过放置于反馈路径中的干扰预消除块进行反馈的经滤波的向量符号X流，其中，从应用于前馈路径中的取模单元的用户符号流中减去所述干扰预消除块的输出信号；以及，由发射滤波器矩阵F表示的发射滤波器，其用于滤波由放置于前馈路径中的取模单元产生的经滤波的向量符号X流。
[0020] 鉴于下面具体实施例的详细描述，对于本领域的普通技术人员而言，本发明的这些和其它特征以及优点将变得显而易见。
附图说明
[0021] 图1是示出了根据本发明的实施例显示出多天线基站(BS)和多用户终端(UE)的下行链路信道表示的多用户多输入多输出(MU-MIMO)无线系统的示例。
[0022] 图2示出了用于图2的基站处的下行链路信息流的通信框图的示例。
[0023] 图3示出了已知THP预编码器的框图的示例。
[0024] 图4示出了根据本发明的实施例的THP预编码器的框图的示例。
[0025] 图5是根据本发明的实施例用于计算UL信道的输入协方差矩阵的流程图。
[0026] 图6是用于计算DL信道的输入协方差矩阵的流程图。
具体实施方式
[0027] 在本发明的以下详细描述中，对构成本发明的一部分的附图进行了参考，并且在其中通过举例说明而非限制性的方式示出了可以实现本发明的示例性的实施例。在附图中，贯穿多个视图的相同的数字描述了基本上类似的组件。此外，应当注意的是，虽然详细描述提供了如在下面所描述的并在附图中示出的各种示例性的实施例，但是本发明并不限制于本文中描述和示出的实施例，而是可以扩展到如对于本领域的技术人员来说是已知或将变成已知的其它实施例。在说明书中对“一个实施例”、“该实施例”、或“这些实施例”的提及意指结合实施例所描述的特定特征、结构、或特性被包含在本发明的至少一个实施例中，在说明书中的不同地方出现的这些短语不必都涉及相同的实施例。此外，在下面的详细描述中，给出了大量具体细节以便提供对本发明的全面理解。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是，为了实现本发明，并非所有这些具体细节都是必需的。在其它情况下，未对众所周知的结构、材料、电路、过程以及接口进行详细描述，和/或以框图的形式示出，以避免对本发明造成不必要的混淆。
[0028] 此外，下面详细描述的某些部分是围绕计算机中的操作的算法和符号表示给出的。这些算法描述和符号表示是数据处理领域中的技术人员将其创新的实质最有效地传达给本领域的其它技术人员所使用的方式。算法是导致期望的最终状态或结果的一系列定义的步骤。在本发明中，所实施的步骤需要对实际的量进行物理操作以达到实际的结果。通常，虽然不是必须的，但是这些量呈现为能够被存储、转移、合并、比较以及以其它方式操作的电或磁信号或指令的形式。已经证实，主要出于联合使用的原因，有时将这些信号称为比特、值、元素、符号、字符、项、数字、指令等是方便的。然而，应当注意的是，所有这些术语和类似术语将与适当的物理量相关联，并仅仅作为施加到这些量上的方便的标签。除非另外专门说明，否则通过下面的讨论显而易见，应当清楚的是，贯穿整个描述的、使用诸如“处理”、“计算”、“运算”、“确定”、“显示”等的术语的讨论可以包括计算机系统或其它信息处理设备的动作和处理，该计算机系统或其它信息处理设备对表示为计算机系统的寄存器或存储器内的物理(电子)量的数据进行操作并将其转换成类似地被表示为计算机系统的存储器或寄存器或者其它信息存储、传输或显示设备中的物理量的其它数据。
[0029] 本发明还涉及一种用于执行本文中的操作的装置。该装置可以为所需的目地来专门构造，或其可以包括由一个或多个计算机程序选择性地激活的或重新配置的一个或多个通用计算机。这些计算机程序可以存储在计算机可读存储介质中，例如但不限于光盘、磁盘、只读存储器、随机存取存储器、固态设备和驱动器、或适用于存储电子信息的任何其它类型的介质。本文中给出的算法和显示不是固有地涉及任何特定的计算机或其它装置。可以将各种通用系统与根据本文的教导的程序和模块一起使用，或者，可以证明构造更加专门的装置来执行所期望的方法步骤是方便的。此外，本发明不是参照任何特定的编程语言来描述的。应当清楚的是，各种编程语言可以用以实现如本文中所描述的本发明的教导。编程语言的指令可以由诸如中央处理单元(CPU)、处理器、或控制器等的一个或多个处理设备来执行。
[0030] 如下面将更加详细描述的，本发明的示例性实施例提供了用于MU-MIMO系统中利用额外的接收机处理的THP的装置、方法、以及计算机程序。
[0031] 在下面，小节A给出了在其中可以应用本发明的整体无线传输系统。小节B描述了实现Tomlinson Harashima预编码(THP)的系统模型。小节C给出了用于THP的额外的接收机处理，假设从UE到BS的完整信道反馈是可能的，该额外的接收机处理包括小节C.2中用于发射机和接收机处理的算法。小节C.3放宽了该假设并给出了减少反馈开销的不同算法。
[0032] 传统的THP预编码器无法达到香农的信道容量。本发明的第一部分(小节C.2)概述了一种用于THP预编码器的新算法，对于广播信道，该算法几乎达到了香农的信道容量。其要求在用户终端处使用特殊的接收机处理矩阵。这些接收机处理矩阵被设置为各自等价上行链路信道的最佳输入协方差矩阵的特征向量。通过“最佳”来表示好于仅任意的矩阵的矩阵；该矩阵不需要是最好的可能矩阵。可以使用不同的可用的方法来获得这些“最佳”输入协方差矩阵。例如，Jindal等[3]概述了用于获得输入协方差矩阵的迭代过程。通常，一到三次迭代足以以期望水平的吞吐量性能产生一组输入协方差矩阵。然后，针对等价信道利用接收机处理来实现THP预编码器。具体地说，第一部分(小节C.2)通过针对所有用户引入用户设备(UE)k的接收机过程矩阵Vk来改善部署了多天线基站(BS)的网络的现有THP预编码器的下行链路(DL)或广播(BC)信道容量。用户k的矩阵Vk在本质上是酉的，并且依赖于整个信道矩阵H(由来自BS和所有UE的链路组成)。具体地说，假定各个UE之间没有信息共享，每个Vk是从与第k个UE的等价上行链路(UL)信道的最佳输入协方差矩阵(Φk)相应的特征向量中提取的。所提出的THP预编码器所达到的容量取决于计算Φk的准确度，并且可以通过增加该计算所需的迭代数量来改善。这里的迭代是指用于使用如上面所讨论的Jindal等[3]的方法计算输入协方差矩阵的迭代。因为Φk是迭代地计算出的，因此是针对所有k个UE的Vk。所提出的发明的第一部分中的一个潜在假设是完整的信道反馈可用于反馈的目的。
[0033] 传统的THP预编码器要求从所有接收机到发射机的完整信道反馈。这导致了大量的开销，并且可能抵消吞吐量的益处。本发明的第二部分(小节C.3)概述了一种用于THP预编码器的新算法，其放宽了对完整信道反馈的要求。相反，其依赖于部分信道反馈，并且导致容量上最小的损失。本发明的第二部分还要求在用户终端处使用特殊的接收机处理矩阵。这些接收机处理矩阵是通过各自的信道矩阵的左奇异酉矩阵导出的。然而，右奇异酉矩阵被反馈到BS，然后BS将其用作有效信道来实现THP。更具体地说，本发明的第二部分(小节C.3)描述了在避免完整信道矩阵反馈的同时实现THP预编码器。与要求所有的UE反馈各自的信道矩阵的传统方法相反，所提出的方法要求UE发送属于与其各自的信道矩阵的右奇异向量相应的酉矩阵的列向量的子集。在BS处，可以通过使用由不同的UE发送的列向量来实现THP预编码器。可以通过使用码本方法来进一步减少来自UE的反馈量，其中，可以使用很少的比特来向BS传送所需的信息。
[0034] A.无线传输系统
[0035] 图1示出了根据本发明的实施例显示出多天线基站(BS)和多用户终端(UE)的下行链路信道表示的多用户多输入多输出(MU-MIMO)无线系统的示例。
[0036] A.l信道矩阵定义
[0037] BS和多个UE之间的下行链路信道通常被表示为矩阵H，矩阵H的行数等于UE处的天线总数，并且其列数与BS处的发射天线的数量相同。如图1中所示，第(i,j)项代表第i个发射天线和第j个接收天线之间的复信道增益hij。具体地说，复信道增益hij代表发射信号在无线信道中所经历的放大(或衰减)。
[0038] A.2信道矩阵估计
[0039] 在诸如OFDMA等的频分双工(FDD)系统中，通常在UE端估计复信道增益hij。信道估计过程如下。首先，在BS处，天线#1发射参考信号。所有的UE对在每个接收机天线处的接收信号进行估计。当所有UE获知参考信号时，可以确定与第一个发射天线相应的信道增益(假设噪声水平充分低于参考信号功率)。然后，针对号码为2到N的发射天线重复这个过程。
[0040] 通过这种方式，可以估计与第k个UE相应的信道矩阵Hk。然后，所有UE使用专用反馈信道将其各自的信道报告回BS。然后，BS可以合并单独的信道矩阵以获得整个信道矩阵H。
[0041] 在时分双工(FDD)系统中，可以在BS处利用信道互易特性(即，UL和DL信道通过某种数学表达而关联)来估计信道矩阵。对于此类系统，在给定的时刻，UE中的一个将使用给定的天线发射参考信号。该信号被BS处的所有天线捕获，并且因而获知相应的信道增益。由所有UE针对所有可用的天线重复这个过程，从而得到对完整的上行链路信道矩阵的估计。然后，BS可以使用某种数学变换(例如，复共轭)来获得等价下行链路信道。
[0042] A.3从基站到用户终端的信息流
[0043] 图2示出了图1的基站处的下行链路信息流的通信框图的示例。由不同的码字(可以将一个或多个码字分配给单个UE)来代表要发送到不同UE的信息。然后，使用预定的加扰码(加扰块)对给定的码字中的比特进行加扰，该预定的加扰码在BS和UE两处是已知的。然后，将经加扰的比特映射(调制映射器块)到复调制符号(例如，BPSK、QPSK、QAM等)。然后，如图2中所示，将这些信息符号映射(层映射器块)到层(复符号流)。层的数量通常小于或等于信道矩阵H的秩。然后，在预编码块(其实现GDFE或THP等)中对映射到不同层的信息符号进行处理。然后，将经预编码的符号映射到资源元素映射器块(其为具有OFDM音调和时隙的矩形网格)中的资源元素。然后，将这些符号馈送给OFDM信号发生器，并将输出映射到发射天线端口。
[0044] A.4MIMO预编码器
[0045] 存在多种已知的预编码技术，这些预编码技术能够使多天线BS向多个UE发送同步数据流，以便最大化BC信道可达到的速率。在第三代合作伙伴计划；技术规范组无线接入网络、演进型通用陆地无线接入(E-UTRA)、物理信道和调制(版本8)、3GPP TS36.211V8.6.0(2009-03)[4]中提出了称为Tomlinson Harashima预编码(THP)的非线性预编码方案。在图3中示出了该方案的基本组成。THP预编码器由干扰预消除块(三角矩阵B)组成，其有助于确保在第k个步骤编码的符号向量将仅遭受来自(k-1)个符号向量的干扰。取模操作用于确保不会超过发射功率。与线性预编码技术不同，THP使有效信道矩阵三角形化，并且提供更高的系统容量。通常，THP提供接近于正方形信道矩阵的最佳容量；然而，对于矩形信道矩阵(当所有UE的天线数量之和超过BS的天线数量之和时)，容量损失很大。与线性预编码技术类似，THP还可以在有一些性能损失的情况下与等功率分配一起运行。
[0046] Wei Yu在2002年2月的斯坦福大学博士论文“Capacity and Coding for Multi-Antenna Broadcast Channels”中介绍了广义决策反馈均衡器(GDFE)预编码器。他说明GDFE预编码器达到了BC信道容量。在美国专利申请No.12/401,711和No.12/554,082中，提出了新的GDFE算法，以减小与Wei Yu的文章中提出的算法相关联的计算复杂度。与上面引用的Windpassinger等的文章[1]类似，在这两个美国申请出版物中的算法依赖不相等的功率分配以实现GDFE预编码器。在2008年10月28日提交的、题为“Multiuser MIMO wireless communication method and wireless communication apparatus”的PCT/JP2008/069540[5]中已考虑了利用接收波束成形的THP。
[0047] B、用于使用干扰预消除的THP预编码的系统模型
[0048] 图4示出了根据本发明的实施例用于THP预编码器的框图的示例。
[0049] 首先，阐述本文中使用的系统模型和符号。假设BS具有N个天线，并且假设存在K个UE，在第k个UE上具有Lk个天线。所有UE处的天线之和表示为 假设HK表示BS和第k个UE之间的维数为{Lk x N}的信道增益矩阵。BS和K个UE之间的组合的信T
道增益矩阵的维数为{L x N}，并且由 给出，其中上标 表示矩阵转置。
[0050] 假设ak表示去往第k个UE的输入符号向量，使得堆叠的输入向量可以表示为假定a的长度不超过BS处的天线数量。此外，假定额外的约束条件为Saa＝E[aaH]＝I，其中E[.]指示其参数的时间平均，上标H表示共轭转置，并且I表示单位矩阵。
[0051] 如图4中所示，THP预编码器包括由B-I表示的干扰预消除块，其中B具有下三角矩阵的结构。该块的功能与Windpassinger等[1]中所描述的相同，即在第k个步骤编码的向量a中的符号将仅遭受来自(k-1)个符号的干扰。与[1]中的描述类似，使用取模操作来限制在干扰预消除阶段之后获得的向量 的总发射功率。然后，使向量 通过发射滤波器F以产生向量x，向量x被映射到基站的发射天线元件以便进行传输。具体地说，F＝1/2
MΣ ，其中M是酉矩阵并且Σ是满足功率约束：trace(Σ)≤Pt的对角矩阵。在此，Pt表示总的可用发射功率，trace(.)指示矩阵参数的对角线元素之和。在接收端，UE使用标量(gki)将所接收的基带信号按比例缩小，接着进行取模操作以将所接收的信号重映射到初始的星座点。可以在Windpassinger等[1]中找到该操作的细节。
[0052] C.THP预编码器矩阵的计算
[0053] C.l信道估计
[0054] 每一个UE将确定与BS相关联的相应的DL信道。假设Hk表示第k个UE的估计出的DL信道矩阵。如在节B中所提到的，整个信道矩阵H为
[0055]
[0056] C.2假定从UE到BS的完整信道反馈，接收机处理矩阵的计算
[0057] 接下来，BS将确定第k个UE的相应的UL信道 的最佳输入协方差矩阵Φk。如上面所讨论的，该矩阵不需要是最佳的；出于实际目的，使用Jindal等[3]的算法的一次或两次迭代通常将是足够的。为了进一步对此进行详细阐述，BS将考虑所有UE都参与到BS的UL传输中并且没有一个UE与其它UE共享其发射数据的情况。在数学术语中，如果表示所有UE的联合发射向量，则将相关联的输入协方差矩阵定义为：
[0058]
[0059] 此外，假设由所有UE使用的总发射功率不会超过在BS中用于初始下行链路传输的可用发射功率。
[0060]
[0061] 为了达到等价UL信道的最佳容量，通常联合计算这些矩阵，这是因为所有矩阵都依赖于H。可以使用Jindal等[3]或12/554,069中的方法来计算这些矩阵。
[0062] 接下来，BS将按下式确定与特征向量相关联的Uk以及每个Φk为
[0063]
[0064] 其中，Uk是由特征向量组成的酉矩阵，Γk是由特征值组成的对角矩阵，并且将与第k个UE相关联的接收机处理矩阵Vk设置为
[0065]
[0066] 接下来，BS将显式地或者通过与3GPP TS36.211V8.6.0(2009-03)[4]的章节6.3.4.2.3中提到的码本方法类似的码本方法向相应的UE发送这些接收机处理矩阵。
[0067] C.2.1THP预编码器矩阵的计算
[0068] 接下来，BS将按照下列方式计算矩阵{B,F}：
[0069] a)通过下式获得有效DL信道矩阵
[0070]
[0071] b)利用列选主元(column pivoting)来计算矩阵 的QR分解以使得：
[0072]
[0073] 其中，E是置换矩阵，Q是酉矩阵，并且R是上三角矩阵。列选主元确保R的对角线项按量值减小的顺序。可以使用 软件的“qr”函数以通过如下命令计算矩阵E、Q和R：
[0074] c)计算THP预编码器矩阵。首先，利用(L-N)个尾随零对角线项将(LxL)对角矩阵J定义为
[0075]
[0076] 其中rkk表示矩阵R的第k个对角线元素。
[0077] 接下来，按下式计算THP矩阵：
[0078] B＝JRH (9)
[0079] F＝Σ1/2QH (10)
[0080] 对于等功率分配，可以设置 为了最佳容量，需要执行注水(water-filing)来确保向(由矩阵F的对角线所代表的)最强的信道模式分配较多的功率。这可以通过在矩阵F的正方形的对角线项上执行注水来实现。
[0081] C.2.2用户终端的标量权重的计算
[0082] 将矩阵G定义为：
[0083] G＝JEH (11)
[0084] 现在，BS可以确定第k个UE的第i个接收天线的标量权重gki为矩阵G的第列的最大的列元素，其中，rm表示第m个UE的有效DL信道矩阵 中的行数(其
与第m个UE处的天线数量相同)。
[0085] 图5显示了示出在假定从用户终端到基站的完整信道反馈的情况下实现所提出的THP方法所需的计算序列的流程图的示例。在步骤502，该方法估计如等式(1)中所给出的信道矩阵 在步骤504中，该方法根据等式(2)计算K个用户的UL协方差矩阵Φk。在步骤506中，该方法根据等式(4)来计算特征向量分解 在
步骤508中，该方法根据等式(5)来计算接收机处理矩阵 在步骤510中，该方法根
据等式(6)来计算有效DL信道矩阵 在步骤512中，该方法根据等
式(7)来计算QR分解 在步骤514中，该方法利用R的N个对角线项来定义矩阵
H 1/2 H
J，并且按照根据等式(9)的B＝JR 和根据等式(10)的F＝Σ Q 来计算THP矩阵。对于等功率分配，该方法将Σ的项设置为Pt/N。在步骤516中，该方法根据等式(11)来计算H
UE的放大系数G＝JE。
[0086] C.2.3数值示例
[0087] 下列数值示例示出了所提出的THP预编码器的设计中涉及的各种矩阵的计算。考虑具有2个天线的BS和分别具有2个天线的2个UE的情况，使得与两个用户相关联的信道矩阵的维数为2x2(如(12)中所示)。假设发射功率为40。出于简单起见，考虑如下的实信道(步骤502)：
[0088]
[0089] 接下来，使用Jindal等[3]中的算法来计算等价上行链路信道 和 的输入协方差矩阵。使用[3]中的算法的两次迭代来计算这些矩阵(步骤504)。
[0090]
[0091]
[0092] 现在，按照 来执行特征值分解(EVD)(步骤506)，并且获得两个UE的接收机处理矩阵(步骤508)。
[0093]
[0094]
[0095] 现在可以将有效DL信道矩阵计算为(步骤510)：
[0096]
[0097] 接下来，使用 命令 利用列选主元对 进行QR分解并获得下列矩阵(步骤512)：
[0098]
[0099]
[0100]
[0101] 然后使用(18)—(20)中的矩阵来计算下列矩阵(步骤514)：
[0102]
[0103]
[0104] 干扰预消除矩阵B中的最后两个零行指示BS可以仅发送两个符号。因此，使用由B的前两行形成的子矩阵来执行干扰预消除。假定等功率分配(即，Σ＝(40/2)I2)，可以将发射滤波器F计算为
[0105]
[0106] 最后，可以通过首先矩阵G来确定在进行接收滤波之后在UE处使用的标量权重(步骤516)：
[0107]
[0108] 并且然后将标量权重设置为g11＝0，g12＝0.8723，g21＝0，以及g22＝0.6797。
[0109] C.3减少反馈开销的算法：如何计算发射机/接收机处理矩阵
[0110] 每一个UE将执行以下SVD分解：
[0111]
[0112] 其中，矩阵Yk表示左奇异向量，Sk表示包括主对角线处的奇异值的对角矩阵，并且Wk代表右奇异向量。建议以Sk的对角线项都为非零的方式执行SVD分解(例如，这可以通过使用具有‘econ’选项MATLAB软件函数‘svd’来实现)。
[0113] 建议UE采用 来进行接收机处理(如图4中所示)并且向BS告知以下估计出的信道：
[0114]
[0115] 其中，通过选择Wk的列来构成矩阵 (还可能设置 )。 中的列数将指示可以由BS向第k个UE发送的空间流的最大数量。这可以由UE单独决定或者由BS来决定。UE将显式地或者通过与3GPP TS36.211V8.6.0[4]的章节6.3.4.2.3中提到的码本方法类似的码本方法向BS发送 个矩阵。
[0116] C.3.1THP预编码器矩阵的计算
[0117] 接下来，BS将通过以下方式来计算矩阵{B,F}：
[0118] a)按下式获得有效DL信道矩阵
[0119]
[0120] b)按下式计算矩阵 的QR分解：
[0121]
[0122] 其中Q是酉矩阵，并且R是上三角矩阵。
[0123] c)计算THP预编码器矩阵。首先，利用(L-N)个尾随零对角线项将(LxL)对角矩阵G定义为：
[0124]
[0125] 其中rkk表示矩阵R的第k个对角线元素。
[0126] 接下来，计算THP矩阵：
[0127] B＝GRH (30)
[0128] F＝Σ1/2QH (31)
[0129] 对于等功率分配，可以设置
[0130] C.3.2用户终端的标量权重的计算
[0131] 现在，BS可以选择第k个UE的第i个接收天线的标量权重gki作为矩阵G的第个对角线元素。在此，rm表示 中的行数(其小于或等于第m个UE处的天线数量)。
[0132] 图6显示了示出使用减少反馈开销的算法实现所提出的THP方法所需的计算序列的流程图的示例。在步骤602中，每一个UE估计DL信道矩阵Hk。在步骤604中，该方法根据等式(25)计算SVD分解 在步骤606中，每一个UE将 作为接收机处理矩阵。在步骤608中，每一个UE根据等式(26)反馈 作为有效信道矩阵。矩阵 由Wk的列向量组成。在步骤610中，BS根据等式(27)计算有效DL信道矩阵
在步骤612中，该方法根据等式(28)计算QR分解 在步骤614中，该方法定义由
H
矩阵R的经倒置的对角线项组成的对角矩阵G，并且按照根据等式(30)的B＝GR 和根据
1/2 H
等式(31)的F＝Σ Q 来计算THP矩阵。对于等功率分配，该方法将Σ的项设置为Pt/N。
在步骤616中，该方法通过矩阵G的对角线项来设置UE放大系数。
[0133] 本发明是对用于MU-MIMO网络的现有THP预编码器技术的改善。提出的第一个算法(图5)适用于在与GDFE预编码器相比大大减少的计算复杂度和反馈开销的情况下达到与香农的容量接近的性能。提出的第二个算法(图6)是在其放宽了对从UE到BS的完整信道反馈的要求时对现有的THP预编码器技术的改善。第一个算法的主要优点在于其在保持THP方案的吞吐量优点的同时需要与多用户波束成形技术(线性预编码方法)相同的反馈开销。其具有良好的潜力用于LTE-A标准化活动。第二个算法的主要优点在于其在计算复杂度没有任何显著增加的情况下改善了公知的THP预编码器以几乎达到香农的信道容量。
[0134] 实现本发明的计算机和存储系统还可以包括能够存储和读取用于实现上述发明的模块、程序、以及数据结构的已知I/O设备(例如，CD和DVD驱动器、软盘驱动器、硬盘驱动器等)。可以将这些模块、程序以及数据结构编码到这种计算机可读介质上。例如，本发明的数据结构可以存储在独立于在其上驻留有本发明中使用的程序的一个或多个计算机可读介质的计算机可读介质上。系统的组件可以通过数字数据通信的任何形式或介质(例如，通信网络)进行互连。通信网络的示例包括局域网、广域网(例如，因特网)、无线网络、存储域网络等。
[0135] 在描述中，出于解释的目的，给出了大量具体细节，以便提供对本发明的全面理解。然而，本领域的技术人员应当清楚的是，为了实现本发明，并非所有这些具体细节都是必需的。还应当注意的是，可以将本发明描述为过程，该过程通常被描述为流程图、作业图、结构图、或框图。虽然流程图可以将操作描述为连续的过程，但是许多操作可以以并行或并发的方式执行。此外，可以对操作的顺序进行重新排列。
[0136] 如在本领域中已知的，上面描述的操作可以由硬件、软件、或硬件和软件的某种组合来执行。本发明的实施例的各个方面可以使用电路和逻辑设备(硬件)来实现，而其它方面可以使用存储在机器可读介质(软件)上的指令来实现，所述指令如果由处理器来执行，则将使该处理器执行用于实现本发明的实施例的方法。此外，本发明的某些实施例可以单独在硬件中执行，而其它实施例可以单独在软件中执行。此外，所描述的各种功能可以在单个单元中执行，或者可以以任意数量的方式遍布在多个组件上。当方法由软件执行时，该方法可以由诸如通用计算机等的处理器基于存储在计算机可读介质上的指令来执行。如果期望，可以以压缩和/或加密的格式将指令存储在介质上。
[0137] 通过以上描述将清楚的是，本发明提供了用于MU-MIMO系统中利用额外的接收机处理的Tomlinson Harashima预编码(THP)的方法、装置、以及存储在计算机可读介质上的程序。另外，虽然已经在说明书中示出和描述了具体的实施例，但本领域的普通技术人员将清楚的是，被计算为达到相同目的的任何布置均可以代替所公开的具体实施例。公开内容旨在涵盖本发明的任何以及所有修改或变化，并且应当理解的是，在下面的权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书中公开的具体实施例。相反，本发明的范围应当完全由以下应当依照所建立的关于权利要求解释的教条来理解的权利要求以及这些权利要求所享有的等价物的整体范围来确定。
