专利名称：结合块对角化和统一信道分解反馈算法的多用户mimo系统的制作方法
技术领域：
本发明属于无线通信技术领域，特别涉及多用户多入多出(MU-MIM0)系统设计的方法。
背景技术：
MIM0技术作为第三代移动通信的关键技术之一今年来受到广泛的关注和研究。与传统的单天线系统比 较MIM0系统可以提供更高的传输可靠性和更大的通信容量。在实际使用中MIM0系统性能主要受限于各子 流间信道条件的不平衡性，特别是在高相关性信道下不同子流的信道条件相差很大。另外在一个基站与多 个用户同时通信的MU-MIMO系统中，不同用户间的信号干扰也制约了系统的性能。同一用户天线间的资源 调度和多用户间的干扰消除问题是MU-MIMO系统设计的关键。
发明内容
本发明提出了结合块对角化(BD)和统一信道分解反馈(UCD)算法实现MU-MIMO系统的方法，采用本 方法可以消除用户间干扰，并且对每个用户的各个信道子流进行了资源均衡，使MlhMIMO系统能工作于高 相关性的信道且性能有较大提升。
本发明的创新之处在于提出了结合块对角化(BD)和统一信道分解反馈(UCD)算法，并修改了导频 发射方案，实现了多用户间干扰消除和各个用户子流间均衡，使MU-MIMO系统性能得到提升。
本发明在UCD系统结构的基础上，提出基于BD+UCD的MU-MIMO用户间干扰消除和性能优化方法，BD 算法可以将MU-MIMO信道矩阵对角块化，使不同用户之间相互正交，消除了用户间干扰；然后对每一个用 户使用UCD分解反馈方案，使不同的子流达到性能均衡，不仅优化了性能，而且使系统能工作于高相关性 信道。
1、系统结构
多用户MIMO的典型结构如图1所示，调度器按照某种准则选择将要通信的K个用户，然后将这些 用户的数据流《经过预处理发射出去。图中M为预编码矩阵，发送数据向量包含发送给所有通信用户的 数据。这里的线形预处理也可以被认为是波束成形。移动台k则通过解调矩阵Z^对接收信号进行线性处 理从而恢复出相应的数据。
假设基站有4根天线同时为2个用户服务，每个用户有2根接收天线，结合块对角化和统一信道分解多 用户MIM0系统结构如图2所示。图中H。 112为两个用户实际的信道矩阵，、、112为块对角化后两个用户
的虛拟信道矩阵，F,、 ^分别为基站处对两个用户发射数据的预编码矩阵，M是基站处发射信号的对角
化矩阵，W,、 W2为两个用户使用分层-最小均方误差(SIC-MMSE)检测需要的加权矩阵。整个发射接
受过程如下首先两个用户的数据分别用^,^进行第一级预编码，然后用M进行第二级预编码消除多用
户干扰。假设基站欲发送的数据信号为X-[X厶X/;T =[;q,;c2,;c3，x4:f,其中X,-[^j^f为用户一的数据，X,[^;Q]f为用户二的数据，经过第一级预编码后的预发送信号为文[(F,Xy，(F2X2f ]T。假
设用户接收到的信号向量为Y-[Y,、Y/f =[^,^,:^,7/,其中^=[为,><2]\ Y2=[A，y4f分别
为用户一、二的接收信号，则有Y = HxMx^，其中H-[(HY，(H2)77是整体信道矩阵。于是有 Y^h,F,X" Y2=h2F2X2。用户一、二分别用Wp W2对Y,， Y2进行SIC-MMSE检测。在实际使用
中，MIMO系统接收端不同天线的接收信号并非完全相互独立。受到天线间隔、入射波束到达角度、入射
波角度扩展分布等因素的影响，两个天线之间往往呈现一定程度的空间相关特性。 2、块对角化算法
处理多天线用户的对用户MIMO系统的一种常用方法是块对角化。块对角化方法的预处理是寻找使 HM为块对角阵的预编码矩阵M,从而形成多个独立并行的等效单用户MIMO信道，各用户之间的干扰为零。
假定H是M个用户的信道矩阵H"的垂直拼接，M是u个用户预编码矩阵M"的水平拼接，即 H二[(H'f…(H"ff、 M^M'…M"〗。如果选择M"的列位于H:的零空间(nu11—space),则块对角 化条件就可以满足。这里的H:是整个信道矩阵H去掉对应于用户w的信道矩阵得到的。
在图2所示的系统中，基站利用用户反馈的信道信息H,、H2对多用户MIMO信道H-[(Hy,(tfff 进行块角化处理
H = HxM (1)
fi为块对角化的MIMO信道矩阵
H =
、00 、
&200
00&&
00
(2)
得到(2)中的对角化预编码矩阵M，这时多用户MIMO信道被分成独立的两个单用户MIMO信道hp h2
(3)
化「& 、 ，h2 =
2乂
/2 /
h1 =
3、统一信道分解算法
3.1 UCD分解反馈方案简介
由于MIMO系统的BER性能主要受最差子信道影响，我们可以根据当前信道的衰落信息将发射功率 根据一定的算法分配在不同子流上使各子流的信噪比等同，以降低系统的误码率。
首先给出了一种称为几何平均分解(GMD)的算法，将信道矩阵作如下分解<formula>formula see original document page 5</formula>
其中Q、 P为酉矩阵，R为对角线元素相等的上三角矩阵，其对角元素I为信道矩阵特征值的几何 平均值，这也是GMD方案名称的由来。用P对发射信号预编码，Q'对接收信道预处理，则MIMO系统 的虚拟信道变为Q'HP = R 。例如对于三发三收的MIMO系统，GMD方案的传输方程为
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中i为噪声向量。忽略误差传播效应，用基于迫零(ZF)的SIC检测算法我们看到GMD将信道分解成 K个相同的子信道
<formula>formula see original document page 5</formula>
虽然优化了最差子信道，但是GMD方案在系统容量上有损失，而且由于采用了 ZF检测算法，系统 的误码率性能也较差。在GMD的基础t给出提出了统一信道分解(UCD)， UCD方案的思想是在保证系统 容量无损失的情况下，优化MIMO系统SIC-MMSE检测器的最差子信道，使各子信道的性能相同。UCD 的推导过程比较复杂，这里由于篇幅限制我们只能给出UCD的基本思想和计算流程。
假设E[xx';ho^lL ，加性高斯白噪声z N(0,cr，")，定义预编码MIMO系统的信噪比为<formula>formula see original document page 5</formula>
(4)
0)4表示共轭转置，Tr—)表示矩阵的秩。 假设x是高斯随机向量，(1)式的MIMO信道容量为
<formula>formula see original document page 5</formula>
(5)
如果信道信息在发送端和接收端都已知，在发射功率上限o^Tr(FF、-;Oo^的前提下，对于给定F的
最大化信道容量为
<formula>formula see original document page 5</formula> (6)
其中"在(4)中定义，C^表示发送端已知信道信息时的信道容量。
H的SVD分解为H:UAV4,其中A是A:x《阶对角矩阵，其对角元素(;^J^为H的非零奇异 值。使(4)最大的F为[8]F = VO"2 (7)
这里①是对角阵，它的第A(7 < /t < ATj个对角元素^是通过"注水"算法分配给第A:个子信道的功率
%(//),^")+ (8)
其中满足o^Z:!AC")二pcrz2' (or)+表示max(a,0〉。 将(7)中的预编码矩阵F改写为
F = W2Q' (9)
其中QeC"、 ￡2《(以避免容量损失)，il'Q = I。将(9)代入(6)可以看到，(9)中的预编
码矩阵F仍然满足最大化信道容量，然而Q的引入可以将预编码变得更为灵活。UCD分解的基本思想便 是通过ft的设计来使MIMO接收端SIC-MMSE检测的各子层具有相同的增益。基于以上讨论，我们可以 看到UCD方案满足MIMO系统容量最大化。
对于VBLAST的SIC-MMSE检测，第i层的加权系数为
户'
其中h,表示MIMO信道矩阵H的第/列。 分层检测过程可写为
v = y
for / = M:i
X, =x v; X,. = C(X,.); v = v — h:i,.;
end
其中C表示映射到星座图上最近的点(硬判决)。 3.2 UCD分解的算法流程
UCD分解的计算流程如下-
第一步计算SVD分解H = UAV'。计算量为O(MV尺;)。 第二步通过(8)式计算W2。计算量为0(f)。
第三步S = A<t>m,其对角线元素为0",，/ = 1，...,夂。计算量为O(iQ
(10)
第四步:计算丄x Z阶对角矩阵I::其对角线元素为< ,. = Vcr,2+a,l S / S K ;= V^，+1 S /《丄计算量为O(iQ。
第五步对f;进行GMD分解得到i:-c^R^^。计算量为o(丄2)。
第六步计算F-V(屯"2;0^(i—")P5 ,其中(《 1/2:'0^(丄—")的l:K列为O"2 ， K:Z列为 《x (z:-《)阶零矩阵0&^"。计算量为<9(M(《+z))。
第七步..计算Q、-upio^^JI^Qr计算量为o(iv(/:+z》。
第八步##w,=rj>je。,，/ = l,...Z。其中^表示Rj的第/个对角元素，q。是Q^,的列向量，
w,为SIC-MMSE检测第/子层的加权向量。计算量为。将以w,.为列向量的矩阵记为W 。 由上计算我们得到了 UCD方案的预编码矩阵F和SIC-MMSE检测的加权矩阵W 。
4、修改后的导频发射方法
由于用户间无法获得其他用户的信道信息，便无法独自计算当先的虚拟信道h,、 h2,所以接下来基
站要增加一次通过M预编码的导频符号(未预编码的导频信号记为p， P^[A，;^，A,j^]T)发射，两个 用户接收到的导频信号为e-[e二e/f =[ei,e2，e3,e4]『，其中e, =[ei,e2:T,e2 =[^^/分别为第一个 和第二个用户接收到的导频信号，则有
e = HxMxp = fixp
用户分别通过e,，e2估计出hp h2。最后基站和用户分别对hp ^进行UCD分解，得到两个用户 的预编码矩阵、 F2和SI C-MMSE检测加权矩阵\% 、 W2 。注意到这里需要增加下行链路导频信号的 发射，但这种附加的导频之在用户反馈新到信息后才发射(5ms—次)，所以对带宽的占用是很小的。 本发明的优点
(1) 使用了统一信道分解算法优化了系统性能，使系统能适应不同的信道环境
(2) 采用了块对角化算法消除多用户间干扰，预算复杂度较低，性能较好；
图1多用户MIMO的典型结构
图2结合块对角化和统一信道分解多用户MIMO系统结构。
权利要求
1、一种结合块对角化和统一信道分解反馈算法的多用户MIMO系统，其特征在于，结合了块对角化和统一信道分解反馈算法，以2用户，每个用户有2根天线，基站有4根天线的多用户MIMO系统为例，具体信号发射检测流程如下(系统框架图参见说明书附图2)第一步不同用户的二进制比特数据流经过调制映射到二维复星座点上，得到调制后信号X＝[X1T，X2T]T＝[x1，x2，x3，x4]T。第二步基站先发送一次导频信号，不同用户根据接受到的导频信号分别估计当前的信道矩阵H1、H2。第三步用户将H1、H2反馈到基站处。第四步基站将H1、H2组合成当前的整体信道矩阵第五步基站对H块对角化，得到块对角化矩阵M使为块对角矩阵，由两个用户的虚拟信道矩阵h1、h2组成，具体见说明书(2)式。第六步基站重新发射一次导频信号，并且利用M对导频信号预编码，各用户根据接收到的导频信号分别估计出当前的虚拟信道矩阵h1、h2；第七步基站和用户分别对当前的虚拟信道矩阵进行统一信道分解(UCD)，产生预编码矩阵F1、F2和SIC-MMSE检测需要的加权矩阵W1、W2。第八步基站对两个用户的调制信号分别用F1、F2进行第一级预编码得到第九步用M对进行第二级预编码然后发射信号。第十步用户接收到的信号向量为Y＝[Y1T，Y2T]T＝[y1，y2，y3，y4]T，其中Y1＝[y1，y2]T，Y2＝[y3，y4]T分别为用户一、二的接收信号，则有第十一步用户一、二分别用W1、W2对Y1，Y2进行SIC-MMSE检测。第十二步对检测后的信号进行解调制得到二进制数据；
2 、根据权利要求1所述的一种基于块对角化+统一信道分解反馈(BD+UCD)多用户MIM0系统，其 特征在于，采用BD+UCD消除多用户干扰并在单用户不同天线间做资源调度。
3 、根据权利要求1所述的一种修改的导频发射方法，其特征在于，用对角化矩阵M对导频信号进行预 处理，使接收端估计的信道矩阵为虚拟信道矩阵。
全文摘要
一种基于块对角化+统一信道分解(BD+UCD)实现多用户MIMO的方法，属于无线通信技术领域，多天线系统中的发射端信号预处理技术。本方法达到以下目的1.采用BD算法实现多用户间干扰消除；2.采用UCD分解反馈方案实现天线间资源调度，提高系统性能使系统能适应高相关性信道。
文档编号H04B7/04GK101442351SQ200710050538
公开日2009年5月27日 申请日期2007年11月19日 优先权日2007年11月19日
发明者磊 吕, 张忠培 申请人:电子科技大学