專利名稱：多用戶多天線通信系統(tǒng)收發(fā)聯(lián)合信號(hào)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多用戶多天線通信系統(tǒng)收發(fā)聯(lián)合信號(hào)處理方法，具體涉及一種發(fā)射機(jī)利用信道信息在發(fā)射端進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)接收端也進(jìn)行對(duì)應(yīng)的處理來消除多用戶多天線之間的干擾的方法。屬于無線通信系統(tǒng)中多天線技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
近年來，在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)采用多個(gè)天線，構(gòu)成多天線通信系統(tǒng)，可以獲得較高的信息傳輸可靠性，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)容量的提升。在蜂窩通信系統(tǒng)中，往往有多個(gè)用戶和基站進(jìn)行通信。下行鏈路中，基站向各用戶發(fā)射不同的數(shù)據(jù)流；上行鏈路中，基站接收各用戶發(fā)射的數(shù)據(jù)流。一般各用戶之間是不能在物理層上協(xié)同通信的，而在基站端可以對(duì)所有的用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)同處理。多用戶多天線系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的處理方案一般僅在基站端進(jìn)行干擾消除處理，除了復(fù)雜度非常高的最大似然估計(jì)算法和復(fù)雜度稍低的球形譯碼算法能夠獲得最優(yōu)的性能外，低復(fù)雜度的線性和非線性處理存在較大的性能損失。對(duì)多用戶多天線系統(tǒng)也可以進(jìn)行線性聯(lián)合收發(fā)處理，但其性能改善并不顯著。
現(xiàn)有技術(shù)中，有一種基于幾何平均分解(GMD)方法的聯(lián)合收發(fā)處理方法(Y.Jiang，J.Li，and W.W.Hager，“Joint transceiver design for MIMOcommunications using geometric mean decomposition.”IEEE Trans.SignalProcessing，Vol.53，No.10，pp.3791-3803，Oct.2005.)，該方法能夠均衡各空間子信道之間增益差異，故性能比傳統(tǒng)方案更優(yōu)。但是因?yàn)樵摲椒ㄐ枰邮斩撕桶l(fā)射端分別協(xié)同處理，故僅適用于單用戶系統(tǒng)。另有一種修改的塊對(duì)角幾何平均分解(BD-GMD)方法，可以適用于多用戶系統(tǒng)(S.Lin，W.Ho，Y.Liang，“Block-diagonal geometric mean decomposition(BD-GMD)formultiuser MIMO broadcast channels，”in Proc.IEEE Symposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications，Helsinki，F(xiàn)inland，Sept.2006.)，但該方法只能均衡各用戶各天線間的空間子信道的增益差異，而在不同用戶之間引入了增益差異，故總體性能較之于單用戶情況有所降低。聯(lián)合收發(fā)處理一般能夠獲得比僅在接收端處理更好的性能，付出的代價(jià)是發(fā)射端需要知道全部或部分信道信息，故增加了信令傳輸和處理負(fù)荷。
減格方法可以構(gòu)造正交性能更好的縮減基，其中LLL算法(A.L.Lenstra，H.W.Lenstra，and L.Lovasz，“Factoring polynomials with rational coefficients，”Mathematische Annalen，Vol.261，Issue 4，pp.515-534，1982)因?yàn)榫哂芯€性復(fù)雜度近來被應(yīng)用于通信系統(tǒng)以降低干擾和噪聲的影響。但是傳統(tǒng)的處理僅在發(fā)射端或接收端進(jìn)行，獲得的增益有限。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種多用戶多天線通信系統(tǒng)收發(fā)聯(lián)合信號(hào)處理方法，以較低的復(fù)雜度顯著提升系統(tǒng)性能，可以適用于多用戶多天線系統(tǒng)上、下行鏈路，對(duì)于單用戶多天線系統(tǒng)同樣適用。
為實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明的低復(fù)雜度多用戶多天線系統(tǒng)收發(fā)聯(lián)合處理方法中，以塊對(duì)角矩陣分解為基礎(chǔ)，輔之于減格方法，消除各用戶各天線之間的干擾，最終恢復(fù)原始發(fā)射信號(hào)。
本發(fā)明的方法包括如下具體步驟 1、在基站端，通過信道估計(jì)或用戶端的反饋，獲得當(dāng)前信道估計(jì)值及噪聲方差估計(jì)值，利用當(dāng)前信道估計(jì)值及噪聲方差估計(jì)值構(gòu)造成一個(gè)擴(kuò)展信道矩陣。
2、對(duì)擴(kuò)展信道矩陣進(jìn)行塊對(duì)角分解，獲得一個(gè)具有塊對(duì)角特征的酉矩陣以及一個(gè)變換后的擴(kuò)展信道矩陣；基站將酉矩陣中的各個(gè)子酉陣分別發(fā)送到對(duì)應(yīng)的各用戶端，同時(shí)基站將變換后的擴(kuò)展信道矩陣共軛轉(zhuǎn)置后進(jìn)行減格處理，得到縮減基。
3、對(duì)于上行鏈路，各用戶端將待發(fā)數(shù)據(jù)乘以接收到的子酉陣后再發(fā)射到信道中；基站接收到各用戶發(fā)射的數(shù)據(jù)后，利用縮減基進(jìn)行干擾消除處理，從而得到各用戶所發(fā)數(shù)據(jù)的估計(jì)值。
4、對(duì)于下行鏈路，基站利用縮減基對(duì)待發(fā)信號(hào)進(jìn)行干擾消除處理，并利用取模技術(shù)來降低發(fā)射功率，然后將處理后的信號(hào)發(fā)射到信道中；各用戶端將接收到的信號(hào)乘以各子酉陣的共軛轉(zhuǎn)置，然后通過取模運(yùn)算，得到對(duì)基站所發(fā)信號(hào)的估計(jì)值。
本發(fā)明中，當(dāng)基站端利用縮減基對(duì)信號(hào)進(jìn)行干擾消除處理時(shí)，可以采用線性或非線性方式。線性方式主要是利用縮減基的逆矩陣直接相乘，而非線性處理主要是連續(xù)干擾消除(SIC)，包括基于QR分解算法的SIC處理與基于VBLAST算法的排序連續(xù)干擾消除(OSIC)處理。通常SIC處理可以獲得比線性處理更好的性能，而OSIC可以進(jìn)一步提高增益。
本發(fā)明方法中，采用最小均方誤差(MMSE)準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)方法，可以獲得噪聲放大和殘余干擾之間的折中，從而改善系統(tǒng)性能。如在步驟1中僅利用信道矩陣而非擴(kuò)展信道矩陣，則得到迫零(ZF)設(shè)計(jì)，但噪聲放大效應(yīng)使得其性能與MMSE設(shè)計(jì)相比有所損失。
本發(fā)明方法中只需在基站端進(jìn)行一次塊對(duì)角矩陣分解和一次減格計(jì)算，不需要在各用戶端進(jìn)行矩陣分解處理，也不需要在收發(fā)機(jī)之間進(jìn)行迭代處理。
本發(fā)明方法的計(jì)算量主要是塊對(duì)角矩陣分解和減格處理。由于進(jìn)行BD-GMD和進(jìn)行LLL減格處理的復(fù)雜度均為多項(xiàng)式級(jí)別；干擾消除處理的復(fù)雜度也為多項(xiàng)式級(jí)別。故本發(fā)明方法的計(jì)算復(fù)雜度為多項(xiàng)式級(jí)別。當(dāng)數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天線數(shù)目時(shí)，塊對(duì)角分解和減格處理的復(fù)雜度將可以忽略，此時(shí)系統(tǒng)復(fù)雜度接近于傳統(tǒng)方案。總之，本發(fā)明方法的計(jì)算復(fù)雜度為多項(xiàng)式級(jí)別，實(shí)現(xiàn)起來較為簡(jiǎn)單。



圖1為多用戶多天線系統(tǒng)上行鏈路收發(fā)聯(lián)合處理方法示意圖。
圖2為多用戶多天線系統(tǒng)下行鏈路收發(fā)聯(lián)合處理方法示意圖。
圖3為多用戶多天線系統(tǒng)上行鏈路收發(fā)聯(lián)合處理方案BER(誤比特率)性能圖。
圖3中，(a)為4天線2用戶系統(tǒng)，(b)為8天線4用戶系統(tǒng)，均采用16-QAM調(diào)制方式。
圖4為多用戶多天線系統(tǒng)下行鏈路收發(fā)聯(lián)合處理方案BER性能圖。
圖4中，(a)為4天線2用戶系統(tǒng)，(b)為8天線4用戶系統(tǒng)，均采用16-QAM調(diào)制方式。

具體實(shí)施例方式 以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。
考慮多用戶多天線系統(tǒng)中，發(fā)射天線數(shù)為MB，用戶數(shù)為NU，第i個(gè)用戶的天線數(shù)為MUi，有效用戶天線總數(shù)為對(duì)每次信道實(shí)現(xiàn)傳送的數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度為NB。各用戶的頻域信道矩陣的元素為獨(dú)立、同分布、零均值、方差為1的復(fù)高斯隨機(jī)變量，不同用戶的信道相互獨(dú)立。噪聲為獨(dú)立同發(fā)布的、零均值、方差為σn2。各用戶采用相同的QAM(正交幅度調(diào)制)方式，其星座點(diǎn)方差為σs2。
系統(tǒng)收發(fā)模型為 Y＝HX+N(1) 其中X是發(fā)射符號(hào)塊，H是信道矩陣，Y是接收符號(hào)塊，N是噪聲塊。
1、首先在基站端，通過信道估計(jì)或用戶端的反饋，獲得當(dāng)前信道估計(jì)值及噪聲方差估計(jì)值，利用當(dāng)前信道估計(jì)值及噪聲方差估計(jì)值構(gòu)造成一個(gè)擴(kuò)展信道矩陣。
對(duì)上行鏈路，獲得擴(kuò)展信道矩陣He＝[HH σn/σsI]，其中H是一個(gè)維數(shù)為MB×MU的復(fù)矩陣； 對(duì)下行鏈路，獲得擴(kuò)展信道矩陣He＝[H σn/σsI]，其中H是一個(gè)維數(shù)為MU×MB的復(fù)矩陣。
若采用ZF準(zhǔn)則，可直接使用信道矩陣。
2、在基站端，對(duì)擴(kuò)展信道矩陣He進(jìn)行塊對(duì)角分解，獲得一個(gè)具有塊對(duì)角特征的酉矩陣以及一個(gè)變換后的擴(kuò)展信道矩陣。此處以BD-GMD算法為例，得 He＝UVPH(2) 其中

是具有塊對(duì)角特征的酉矩陣，子酉矩陣Ui(維數(shù)為MUi×MUi)對(duì)應(yīng)于第i個(gè)用戶端的信道信息?；緦⒏鱾€(gè)子酉矩陣Ui發(fā)送到對(duì)應(yīng)的各用戶端，以便進(jìn)行收發(fā)端聯(lián)合處理。
令為變換后的擴(kuò)展信道矩陣。
采用LLL算法在基站端對(duì)

進(jìn)行減格處理，得 其中

是具有更好性能的縮減基，T是具有行列式為±1的整數(shù)元素的矩陣。
縮減基的基向量之間具有接近正交的性質(zhì)，故而能夠減天線和用戶之間的干擾。
3、對(duì)于上行鏈路，各用戶端將待發(fā)數(shù)據(jù)乘以接收到的子酉陣后再發(fā)射到信道中，參見圖1 各個(gè)用戶端分別將待發(fā)數(shù)據(jù)乘以Ui以部分均衡信道，故有發(fā)射信號(hào)
其中Si為第i個(gè)用戶端待發(fā)送給基站的符號(hào)塊。
基站接收到各用戶發(fā)射的數(shù)據(jù)后，利用縮減基進(jìn)行干擾消除處理，從而得到各用戶所發(fā)數(shù)據(jù)的估計(jì)值。
利用縮減基進(jìn)行干擾消除處理可以采用以下方式 a)線性處理 由(3)得 故在基站端進(jìn)行以下處理 并通過以下處理恢復(fù)原發(fā)射信號(hào) 其中round(·)為四舍五入操作。
b)SIC處理 對(duì)

進(jìn)行QR分解得 由上式得 其中D為對(duì)角矩陣，其元素對(duì)應(yīng)為R-1的對(duì)角元素，B為具有單位對(duì)角元素的上三角矩陣。
故在基站進(jìn)行以下處理 然后通過SIC處理來對(duì)具有單位對(duì)角元素的上三角矩陣B進(jìn)行判決反饋均衡 其中B-1由反饋環(huán)路實(shí)現(xiàn)。最后恢復(fù)原始發(fā)射信號(hào) c)OSIC處理 這里利用VBLAST算法獲得最優(yōu)SIC處理排序。對(duì)

進(jìn)行VBLAST分解得 其中B為具有單位對(duì)角元素的上三角矩陣，W為具有正交行的矩陣，P為置換矩陣代表最優(yōu)SIC處理次序。由上式得 故在基站進(jìn)行以下處理 然后通過OSIC處理來對(duì)具有單位對(duì)角元素的上三角矩陣B進(jìn)行判決反饋均衡 其中B-1由反饋環(huán)路實(shí)現(xiàn)。最后恢復(fù)原始發(fā)射符號(hào) 4、對(duì)于下行鏈路，參見圖2，在基站端待發(fā)送給第i個(gè)用戶的數(shù)據(jù)塊為Si，將所有待發(fā)送的用戶數(shù)據(jù)組織為 基站利用縮減基對(duì)待發(fā)信號(hào)進(jìn)行干擾消除處理，并利用取模技術(shù)來降低發(fā)射功率，然后將處理后的信號(hào)發(fā)射到信道中。
在基站端對(duì)縮減基進(jìn)行干擾消除處理，可以采用以下方式 a)線性處理 由(3)得 在基站端進(jìn)行取模處理來降低發(fā)射功率 其中mod(·)為取模運(yùn)算。并通過以下預(yù)均衡處理得到發(fā)射信號(hào) 其中β為發(fā)射功率約束因子，使得tr(XHX)＝tr(SHS)，此處tr(·)表示矩陣的跡。
b)SIC處理 對(duì)

進(jìn)行QR分解得 由上式得 其中D為對(duì)角矩陣，其元素對(duì)應(yīng)為R-H的對(duì)角元素，B為具有單位對(duì)角元素的上三角矩陣。
故在基站進(jìn)行取模處理來降低發(fā)射功率 此處通過SIC處理來對(duì)具有單位對(duì)角元素的下三角矩陣BH進(jìn)行THP預(yù)編碼。其中B-1由反饋環(huán)路實(shí)現(xiàn)。然后通過以下的預(yù)均衡處理得到發(fā)射信號(hào) c)OSIC處理 這里利用VBLAST算法獲得最優(yōu)SIC處理排序。對(duì)

進(jìn)行VBLAST分解得 其中B為具有單位對(duì)角元素的上三角矩陣，W為具有正交行的矩陣，P為置換矩陣代表最優(yōu)SIC處理次序。由上式得 故在基站進(jìn)行取模處理來降低發(fā)射功率 此處通過OSIC處理來對(duì)具有單位對(duì)角元素的下三角矩陣BH進(jìn)行THP預(yù)編碼。其中B-1由反饋環(huán)路實(shí)現(xiàn)。然后通過以下的預(yù)均衡處理得到發(fā)射信號(hào) 各用戶端分別將接收到的信號(hào)乘以UiH以部分均衡信道，
其中Yi為第i個(gè)用戶端接收到的符號(hào)塊。
最后各個(gè)用戶通過模運(yùn)算恢復(fù)原始符號(hào) 其中β通過自動(dòng)增益控制獲得。從而各個(gè)用戶端分別得到對(duì)基站所發(fā)信號(hào)的估計(jì)值。
圖3為多用戶多天線系統(tǒng)上行鏈路收發(fā)聯(lián)合處理方案BER(誤比特率)性能圖。圖4為多用戶多天線系統(tǒng)下行鏈路收發(fā)聯(lián)合處理方案BER性能圖。圖3圖4中，(a)為4天線2用戶系統(tǒng)，(b)為8天線4用戶系統(tǒng)，均采用16-QAM調(diào)制方式。點(diǎn)劃線表示基于ZF準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)，實(shí)線表示基于MMSE準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)，其中十字標(biāo)記為線性干擾消除，三角標(biāo)記為SIC干擾消除，方塊標(biāo)記為OSIC干擾消除；而虛線表示基于BD-GMD的傳統(tǒng)處理方案，其中圓圈標(biāo)記為基于ZF準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)，五星標(biāo)記為基于MMSE準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)。
從圖3和圖4可以看出，本發(fā)明所提方案的性能比原有方案性能有明顯改善。尤其是基于MMSE準(zhǔn)則的OSIC處理方案具有最優(yōu)的性能，與傳統(tǒng)方案相比在BER為10-5處，上行鏈路有6dB以上的SNR增益，下行鏈路有4dB以上的SNR增益。
權(quán)利要求
1.一種多用戶多天線通信系統(tǒng)收發(fā)聯(lián)合信號(hào)處理方法，其技術(shù)特征包括如下具體步驟
1)在基站端，通過信道估計(jì)或用戶端的反饋，獲得當(dāng)前信道估計(jì)值及噪聲方差估計(jì)值，利用當(dāng)前信道估計(jì)值及噪聲方差估計(jì)值構(gòu)造成一個(gè)擴(kuò)展信道矩陣；
2)對(duì)擴(kuò)展信道矩陣進(jìn)行塊對(duì)角分解，獲得一個(gè)具有塊對(duì)角特征的酉矩陣以及一個(gè)變換后的擴(kuò)展信道矩陣；基站將酉矩陣中的各個(gè)子酉陣分別發(fā)送到對(duì)應(yīng)的各用戶端，同時(shí)基站將變換后的擴(kuò)展信道矩陣共軛轉(zhuǎn)置后進(jìn)行減格處理，得到縮減基；
3)對(duì)于上行鏈路，各用戶端將待發(fā)數(shù)據(jù)乘以接收到的子酉陣后再發(fā)射到信道中；基站接收到各用戶發(fā)射的數(shù)據(jù)后，利用縮減基進(jìn)行干擾消除處理，從而得到各用戶所發(fā)數(shù)據(jù)的估計(jì)值；
4)對(duì)于下行鏈路，基站利用縮減基對(duì)待發(fā)信號(hào)進(jìn)行干擾消除處理，并利用取模技術(shù)來降低發(fā)射功率，然后將處理后的信號(hào)發(fā)射到信道中；各用戶端將接收到的信號(hào)乘以各子酉陣的共軛轉(zhuǎn)置，然后通過取模運(yùn)算，得到對(duì)基站所發(fā)信號(hào)的估計(jì)值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多用戶多天線通信系統(tǒng)收發(fā)聯(lián)合信號(hào)處理方法，基站獲得當(dāng)前信道信息和噪聲方差的估計(jì)值，首先對(duì)信道矩陣進(jìn)行塊對(duì)角分解，獲得具有塊對(duì)角特征的酉矩陣以及變換后的擴(kuò)展信道矩陣，將酉矩陣的每個(gè)塊分別作用到對(duì)應(yīng)的各個(gè)用戶端對(duì)信道進(jìn)行部分均衡，變換后的擴(kuò)展信道矩陣在基站端進(jìn)行均衡處理。基站端利用減格技術(shù)得到具有更好性能的縮減基，然后利用該縮減基進(jìn)行干擾消除處理，以達(dá)到聯(lián)合接收端、發(fā)射端來消除多用戶之間、多天線之間干擾的目的。本發(fā)明提高了原有單純基于塊對(duì)角分解方法的方案的性能，提高了分集增益，同時(shí)增加的減格處理仍然保持多項(xiàng)式復(fù)雜度，從而達(dá)到了以較低的復(fù)雜度顯著地提高系統(tǒng)性能和容量的目的。
文檔編號(hào)H04B7/04GK101227219SQ20081003330
公開日2008年7月23日 申請(qǐng)日期2008年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月31日
發(fā)明者晨 何, 鋒 劉, 蔣鈴鴿 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)