基于接收端空间调制的多用户下行传输方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于通信技术领域，更进一步涉及一种多用户下行链路传输方法，可以应 用于实现基站与小区中多个用户在同一时刻的信息传输。
【背景技术】
[0002] 在多用户多输入多输出ΜΜ0系统中，用户资源作为一种重要的无线资源已经越来 越多地被人们关注，尤其是考虑到下一代无线通信系统中，小区用户数量大幅度增加的情 况。因此多输入多输出通信系统中多用户下行链路传输方法也成为了一项重要的研究内 容。
[0003] Xueru Li等人在文章 "A novel precoding scheme for downlink multi-user spatial modulation system"（IEEE International Symposium on PIMRC,London,2013) 中公开了一种基于发送端的空间调制技术的多用户传输方法。该方法通过预编码矩阵消除 用户间的干扰，采用基于发送端的空间调制技术来传输信息。该方法的不足之处在于用户 端的信号检测是一个单用户的多天线信号检测问题，因此接收端的复杂度仍然较高。
[0004] Christos Masouros等人在文章 "A constellation scaling approach to vector perturbation for adaptive modulation in MU-MIM0"（ IEEE Wireless Communications Letters，Volume:4，N0·3，June 2015)中公开了一种基于块对角化以及矢 量扰动的解决基站同时给多个用户发送不同信息的传输方法，使得基站在同一个时刻广播 发送信息后，不同的用户能够从该信息中提取自己需要的有用信息。文中利用传统的调制 技术，通过块对角化技术，消除用户间信息的干扰，通过矢量扰动技术，更大程度的降低发 送信号的功率。该方法的不足之处在于当收发双方配置的天线数目较大时，其计算复杂度 较高，误码性能较差，且接收机复杂度高，导致传输性能变差。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于接收端空间调制的多 用户下行传输方法，以减小在收发双方配置的天线数目较大时的计算复杂度和接收机复杂 度，提高误码性能，保证传输性能。
[0006] 为实现上述目的，本发明技术方案包括如下：
[0007] (1)基站利用信道矩阵P，完成块对角化，得到预编码矩阵F:
[0008] (la)当基站配置的发送天线数远大于K个用户配置的总接收天线数时，求解信道 矩阵P的广义逆矩阵M:
[0009]
[0010] 其中，X表示基站配置的发送天线数，上标Η表示矩阵的共辄转置；
[0011] (lb)由广义逆矩阵Μ的第（i-l)Ni+l列到第iNi列构成第i个用户的预编码矩阵Fi， 且i = 1，2，. . .，K，将这些预编码矩阵组合，得到发送端的预编码矩阵F : ^中心表示第i个用户配置的接收天线数，上标T表示矩阵的转 置；
[0012] (2)基站利用预编码矩阵F，通过矢量扰动，采用接收端空间调制技术完成对发送 信息的调制，得到已调信息：
[0013] (2a)将发送信息的前h个比特映射成接收天线索引符号，其中lFlogW;
[0014] (2b)将发送信息中剩余的比特映射成调制符号，实现基于接收端的空间调制，得 到预编码空间调制信息；
[0015] (2c)对预编码空间调制信息进行矢量扰动，并和预编码矩阵F相乘后得到已调信 息；
[0016] (3)基站将已调信息广播发送给小区中的K个用户；
[0017] (4)K个用户对各自接收到的信息进行解调，分别得到需要的信息，完成下行传输 过程。
[0018] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0019] 第一，由于本发明使用了块对角化以及矢量扰动技术对发送信息进行了预编码处 理，发现当收发天线数量仅满足发送天线数大于接收天线数，不满足发送天线数远大于接 收天线数的情况时，预编码矩阵F可以通过信道矩阵的广义逆矩阵得到，并且考虑了当收发 天线数量满足发送天线数远远大于接收天线数的情况时，预编码矩阵F可以通过信道矩阵 的共辄转置矩阵得到，很大程度的降低了计算信道矩阵的广义逆矩阵的计算量，使得本发 明具有计算复杂度低的优点。
[0020] 第二，由于本发明采用了矢量扰动技术，降低了发送端已调信息的发送功率，使得 本发明具有发送功率低的优点。
[0021] 第三，由于本发明采用接收端的空间调制技术对信息进行调制，用户端的信号检 测简化成了一个单用户单天线信号检测问题，使得本发明具有接收端的复杂度低，适合移 动终端的优点。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明的多用户多输入多输出系统下行链路的场景示意图；
[0023]图2为本发明的流程图；
[0024]图3为在1( = 2，吣=4，乂 = 8/16/32，谱效率为41^8的场景中，用本发明方法和现有 方法进行多用户下行链路传输时的误码性能对比图；
[0025] 图4为在1( = 2，化=44 = 8/16/32，谱效率为813^8时的场景中，用本发明和现有方 法实现多用户下行链路传输时的误码性能对比图；
[0026]图5为在K = 2，Ni = 4，X = 128，谱效率为4bits时的场景中，基于本发明提出的方法 和现有方法实现多用户下行链路传输时的误码性能对比图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本发明做进一步的描述。
[0028]参照图1，本发明的使用场景是一个多用户多输入多输出系统，其包括一个基站和 K个用户。基站配置了 X根发送天线，第i个用户配置了 m根接收天线，满足关系
，其中Y表示所有用户的总接收天线数，且基站到每个用户的信 道矩阵各不相同，设基站到第i个用户的信道矩阵可以表示为Ρη则基站到所有用户的信道 矩阵可表示关
[0029] 空间调制技术是近年来提出的一种多天线空间复用技术。由于其单射频传输特 性，空间调制结构发送端不需要天线间同步，且接收机仅需要一个简单的单数据流检测器。 另外，空间调制技术在普通调制技术的基础上增加了空间维，能够利用无源发送天线索引 传递信息。因此，空间调制相比传统的多天线技术具有更高的能量效率。将这一思想推广到 接收天线上，即为基于接收端的空间调制技术。在多用户多输入多输出系统中，下行链路的 广播通信的干扰主要来自多用户间的干扰，采用块对角化对发送信息进行预编码处理可以 成功的消除多用户干扰。这一预编码处理方式与接收端的空间调制技术中的预编码处理方 式基本一致，因此只需要将发送信息映射成接收天线索引和调制星座点两部分符号，并引 入矢量扰动技术，实现了接收端的空间调制，各个用户可以从这个已调信息，中解调得到对 应的正确的接收信号，并且此时用户端的信号检测是一个单用户单天线信号检测问题，能 够很大程度的降低接收端的复杂度。
[0030] 参照附图2，对本发明实现步骤如下：
[0031]步骤1，基站求解预编码矩阵F。
[0032]基站利用信道矩阵Ρ，完成块对角化，得到预编码矩阵F。
[0033] (la)求解信道矩阵Ρ的广义逆矩阵Μ:
[0034] 在多输入多输出系统中，预编码矩阵F可以通过信道矩阵P的广义逆矩阵Μ得到。首 先信道矩阵Ρ是一个Υ行X列的矩阵，其广义逆矩阵Μ是一个X行Υ列的矩阵，当收发天线数量 满足发送天线数远远大于接收天线数的情况时，广义逆矩阵Μ的求解过程会带来非常大的 计算复杂度，而在这样的多输入多输出系统中，信道矩阵Ρ是近似行正交的，因此可以得到 广义逆矩阵Μ和信道矩阵Ρ的关系如下：
[0035]
[0036] 其中，X表示基站配置的发送天线数，上标Η表示矩阵的共辄转置。因此广义逆矩阵 Μ可以通过信道矩阵Ρ的共辄转置矩阵得到，可以大大降低求解广义逆矩阵Μ带来的计算复 杂度;信道矩阵Ρ中的每个元素在独立同分布的瑞利信道下，均服从均值为〇,方差为1的复 高斯分布；
[0037] (lb)通过广义逆矩阵Μ求得预编码矩阵F:
[0038]由广义逆矩阵Μ的第(i-DNdl列到第1化列构成第i个用户的预编码矩阵Fi，且i = 1，2,...，K，将这些预编码矩阵组合，得到发送端的预编码矩阵F:
[0039]
[0040] 步骤2,基站利用预编码矩阵F，通过矢量扰动，采用接收端空间调制技术完成对发 送信息的调制，得到已调信息。基站对预编码信息采用基于接收端的空间调制技术，完成对 预编码信息的调制，得到已调信息。
[0041 ] (2a)将发送信号映射成两部分信息：
[0042] 本发明采用基于接收端的空间调制技术，将发送信号映射成两部分信息，一部分 是接收天线索引，另一部分则调制成传统的星座符号，以第i个用户为例，它们的信息比特 长度满足如下关系：
[0043] l = h+l2
[0044] li = log2Ni
[0045] l2 = log2m
[0046] 其中，1表示发送信息比特的长度，h表示接收天线索引符号信息比特的长度，12表 示传统调制星座符号信息比特的长度，K表示第i个用户配置的接收天线数，m表示调制星 座的大小；
[0047] (2b)将发送信息按照上述(2a)的映射关系映射成长度为Y的信息，实现基于接收 端的空间调制，得到预编码空间调制信号；
[0048] (2c)对预编码空间调制信息进行矢量扰动，并和预编码矩阵F相乘后得到已调信 息，其中矢量扰动技术中的扰动矢量，通过球形译码算法可以得到。
[0049] 步骤3,基站将已调信息广播给小区中的K个用户。
[0050] 步骤4,接收端的K个用户对接收到的信息进行解调，分别得到各自需要的信息，完 成这一通信过程。
[0051] 已调信息在经过下行链路传输后，基于步骤1中预编码矩阵F的设计原理，用户端 的信号检测是一个单用户单天线信号检测，各个用户收到的信息即为用户各自需要接收到 的信息比特，因此检测时，接收端只需直接对该信息进行最大似然检测即可恢复