专利名称：非协作虚拟mimo技术的制作方法
技术领域：
本技术方案所属的技术领域为无线通信领域。
背景技术：
多输入多输出(MIMO)技术因其能够显著提高通信容量而受到广泛研究。然而通常情况下便携式移动终端(MT)无法安装多个天线，使得单天线MT与基站多天线无法构成真正的MIMO系统。近年来提出的虚拟MIMO技术利用空间相临的多个MT间的协作构成MIMO系统。然而协作虚拟MIMO技术要求协作MT间必须具有直接的通信能力，因而存在信息安全、系统复杂、难以实现等一系列问题。
本发明提出非协作虚拟MIMO技术，其特点在于由于MT端不进行协作处理，因而不要求共道MT间具有直接的通信能力，克服了协作虚拟MIMO技术的缺点，但同样可实现共道用户的空分复用，使系统总容量得到成倍的提高。对于上行链路，选择合理的用户构成共道用户组合，在多天线基站接收端，通过最小均方差(MMSE)算法、迫零(ZF)算法、串行干扰消除(SIC)算法、最大似然算法等，能够将多个共道用户的上行信号分离。对于下行链路，选择合理的用户构成共道用户组合，通过提出的下行信号预先处理技术，每个用户接收信号中的共道干扰(CCI)明显被抑制，各用户无须其它用户协作便能够单独进行接收信号处理，使用户接收机得到简化。与正交频分复用(OFDM)技术联合使用，本发明能够使宽带无线通信系统的总容量得到成倍的提高。本发明尤其适用于时分双工(TDD)的无线通信系统。
发明内容
提出了虚拟MIMO系统中合理用户组合的搜寻技术，要解决的技术问题通过选择合理的用户组合，使非协作虚拟MIMO系统能够获得更大的容量和更好的误码率(BER)性能。技术方案首先估计MIMO信道矩阵，计算信道矩阵的广义逆阵。能够使广义逆阵的Frobenius范数最小的用户组合为最佳用户组合，广义逆阵的Frobenius范数较小的用户组合为合理用户组合。
提出了虚拟MIMO系统下行信号的预先处理技术，要解决的技术问题在MT间不具有直接通信能力的情况下，每个用户无法利用其它用户的接收信号进行协作处理。提出的下行信号预先处理技术能够使每个用户接收信号中的CCI明显被抑制，各用户无须协作便能够单独进行接收信号处理。技术方案首先估计下行信道矩阵，以共道用户的下行信号构成列矢量，用下行信道矩阵的广义逆阵乘以该列矢量，得到预先处理后的下行信号列矢量，对应地在基站多个天线上分别发射。
具体实施例方式 用M表示非协作虚拟MIMO系统中的共道用户数量，用N表示基站天线数量。为了使接收端能够有效地分离M个共道用户信号，要求N≥M。
窄带信道的上行合理用户组合的搜寻技术。首先对N×M的上行信道矩阵H进行估计，计算信道矩阵H的广义逆阵V，能够使V的Frobenius范数最小的用户组合为最佳用户组合，V的Frobenius范数较小的用户组合为合理用户组合。根据ZF准则，H的广义逆阵由以下算法给出 Vzf＝(HHH)-1HH(1) 根据MMSE准则，H的广义逆阵还可由以下算法给出 Vmmse＝(HHH+σ2IM)-1HH(2) 其中σ2表示基站归一化接收噪声功率，IM为M×M单位矩阵，上标H表示矩阵的共轭转置运算。最佳用户组合的搜寻算法如下 其中vij表示广义逆阵V的第i行第j列的值。能够使
较小的用户组合为合理上行用户组合。
窄带信道的共道上行信号的分离技术。第m个用户在任一时刻发射信号的估计值 其中yi表示基站第i天线的归一化接收信号值。用合理上行用户组合的式(1)计算结果代入式(4)为ZF算法，用合理上行用户组合的式(2)计算结果代入式(4)为MMSE算法。
窄带信道的下行合理用户组合的搜寻技术。首先对M×N的下行信道矩阵G进行估计，计算信道矩阵G的广义逆阵W，能够使W的Frobenius范数最小的用户组合为最佳用户组合，W的Frobenius范数较小的用户组合为合理用户组合。根据ZF准则，G的广义逆阵由以下算法给出 Wzf＝GH(GGH)-1(5) 根据MMSE准则，G的广义逆阵还可由以下算法给出 Wmmse＝GH(GGH+σ2IM)-1(6) 其中σ2表示MT归一化接收噪声功率。最佳用户组合的搜寻算法如下 其中wij表示广义逆阵W的第i行第j列的值。能够使
较小的用户组合为合理下行用户组合。
对于TDD的无线通信系统，若上行用户组合与下行用户组合相同，则上行信道矩阵与下行信道矩阵有如下关系 G＝HT(8) 其中上标T表示矩阵的转置运算。若下行信道矩阵G需要重新估计，可按式(8)获得。
窄带信道的共道下行信号的预先处理技术。第n个基站天线在任一时刻的发射信号 其中si表示第i共道用户要发射的下行信号值。用合理下行用户组合的式(5)计算结果代入式(9)为ZF算法，用合理下行用户组合的式(6)计算结果代入式(9)为MMSE算法。
以下给出下行信号预先处理技术的理论分析。由式(9)知，预先处理后基站天线的发射列矢量 x＝[x1，x2，…，xN]T＝Ws＝W[s1，s2，…，sM]T(10) 共道用户归一化接收列矢量 y＝[y1，y2，…，yM]T＝Gx+n＝GWs+n(11) 其中n＝[n1，n2，…，nM]T表示归一化接收噪声列矢量。将式(5)代入式(11)， y＝GGH(GGH)-1s+n＝s+n(12) 式(12)说明，下行信号的预先处理技术使每个共道用户的接收信号ym，m＝1，2，…，M中只包含自身的下行信号sm和信道噪声nm，而其它共道用户的下行信号被抑制了。将式(6)代入式(11)也得到同样的结论。
宽带信道的上行合理用户组合的搜寻技术。与OFDM技术结合，非协作虚拟MIMO技术能够工作于宽带信道。MIMO-OFDM系统在每个子载波上都构成一个窄带MIMO系统。首先对多个N×M的上行信道矩阵H(k)，k＝1，2，…，K进行估计，K表示OFDM的子载波数量。计算信道矩阵H(k)的广义逆阵V(k)。根据ZF准则，H(k)的广义逆阵由以下算法给出 Vzf(k)＝(HH(k)H(k))-1HH(k)，k＝1，2，…，K(13) 根据MMSE准则，H(k)的广义逆阵还可由以下算法给出 Vmmse(k)＝(HH(k)H(k)+σ2IM)-1HH(k)，k＝1，2，…，K(14) 最佳用户细合的搜寻算法如下 其中vij(k)表示广义逆阵V(k)的第i行第j列的值。能够使
较小的用户组合为合理上行用户组合。
宽带信道的共道上行信号的分离技术。第m用户第k子载波发射信号的估计值 其中yi(k)表示基站第i天线在第k子载波上的归一化接收信号值。用合理下行用户组合的式(13)计算结果代入式(16)为ZF算法，用合理下行用户组合的式(14)计算结果代入式(16)为MMSE算法。
宽带信道的下行合理用户组合的搜寻技术。首先对多个M×N的下行信道矩阵G(k)，k＝1，2，…，K进行估计，计算信道矩阵G(k)的广义逆阵W(k)。根据ZF准则，G(k)的广义逆阵由以下算法给出 Wzf(k)＝GH(k)(G(k)GH(k))-1，k＝1，2，…，K(17) 根据MMSE准则，G(k)的广义逆阵还可由以下算法给出 Wmmse(k)＝GH(k)(G(k)GH(k)+σ2IM)-1，k＝1，2，…K(18) 其中σ2表示MT归一化接收噪声功率。最佳用户组合的搜寻算法如下 其中wij(k)表示广义逆阵W(k)的第i行第j列的值。能够使
较小的用户组合为合理下行用户组合。
对于TDD的无线通信系统，若上行用户组合与下行用户组合相同，则上行信道矩阵与下行信道矩阵有如下关系 G(k)＝HT(k)，k＝1，2，…K(20) 若下行信道矩阵G(k)需要重新估计，可按式(20)获得。
宽带信道的共道下行信号的预先处理技术。第n基站天线在第k子载波上的发射信号 其中si(k)表示第i共道用户在第k子载波上要发射的下行信号值。用合理下行用户组合的式(17)计算结果代入式(21)为ZF算法，用合理下行用户组合的式(18)计算结果代入式(21)为MMSE算法。
权利要求
1.非协作虚拟MIMO技术。与本主题最接近的现有技术协作虚拟多输入多输出(MIMO)技术，此技术要求空间相临的协作移动终端(MT)间具有直接的通信能力。本主题的特征在于由于MT端不进行协作处理，因而不要求共道MT间具有直接的通信能力，克服了协作虚拟MIMO技术的缺点，但同样可实现共道用户的空分复用，使系统的总容量得到提高。对于上行链路，选择合理的用户构成共道用户组合，在多天线基站接收端，通过迫零(ZF)算法、最小均方差(MMSE)算法、串行干扰消除(SIC)算法、最大似然算法等，能够将多个共道用户的上行信号分离。对于下行链路，选择合理的用户构成共道用户组合，通过提出的下行信号预先处理技术，每个共道用户接收信号中的共道干扰(CCI)明显被抑制，各用户无须其它用户的协作便能够单独进行接收信号处理。与正交频分复用(OFDM)技术联合使用，非协作虚拟MIMO技术能够使宽带无线通信系统的总容量得到提高。非协作虚拟MIMO技术特别适用于时分双工(TDD)的无线通信系统。
2.引用1中所述的非协作虚拟MIMO技术。其附加的技术特征在于给出了虚拟MIMO系统中合理用户组合的搜寻技术。首先估计MIMO信道矩阵，计算信道矩阵的广义逆阵。能够使广义逆阵的Frobenius范数最小的用户组合为最佳用户组合，能够使广义逆阵的Frobenius范数较小的用户组合为合理用户组合。
3.引用2中所述的非协作虚拟MIMO技术。其附加的技术特征在于给出了虚拟MIMO系统中上行合理用户组合的搜寻技术。用M表示非协作虚拟MIMO系统中的上行共道用户数量，用N表示基站天线数量。在窄带情况下，能够使
较小的用户组合为合理上行用户组合。其中vij表示广义逆阵V的第i行第j列的值，广义逆阵V＝(HHH)-1HH或者V＝(HHH+σ2IM)-1HH，H为上行信道矩阵的估计，σ2表示基站归一化接收噪声功率，IM为M×M单位矩阵，上标H表示矩阵的共轭转置运算。在宽带情况下，能够使
较小的用户组合为合理上行用户组合，其中K表示OFDM的子载波数量，vij(k)表示广义逆阵V(k)的第i行第j列的值，广义逆阵V(k)＝(HH(k)H(k))-1HH(k)，k＝1，2，…，K或者V(k)＝(HH(k)H(k)+σ2IM)-1HH(k)，k＝1，2，…，K，H(k)为上行信道矩阵的估计。
4.引用2中所述的非协作虚拟MIMO技术。其附加的技术特征在于给出了虚拟MIMO系统中下行合理用户组合的搜寻技术。用M表示非协作虚拟MIMO系统中的下行共道用户数量，用N表示基站天线数量。在窄带情况下，能够使
较小的用户组合为合理下行用户组合。其中wij表示广义逆阵W的第i行第j列的值，广义逆阵W＝GH(GGH)-1或者W＝GH(GGH+σ2IM)-1，G为下行信道矩阵的估计，σ2表示MT归一化接收噪声功率。对于TDD的无线通信系统，若上行用户组合与下行用户组合相同，则上行信道矩阵与下行信道矩阵有如下关系G＝HT，若下行信道矩阵G需要重新估计，可按G＝HT关系获得。在宽带情况下，能够使
较小的用户组合为合理下行用户组合，wij(k)表示广义逆阵W(k)的第i行第j列的值，广义逆阵W(k)＝GH(k)(G(k)GH(k))-1，k＝1，2，…，K或者W(k)＝GH(k)(G(k)GH(k)+σ2IM)-1，k＝1，2，…K，G(k)为下行信道矩阵的估计。对于TDD的无线通信系统，若上行用户组合与下行用户组合相同，则上行信道矩阵与下行信道矩阵有如下关系G(k)＝HT(k)，k＝1，2，…K，若下行信道矩阵G(k)需要重新估计，可按G(k)＝HT(k)，k＝1，2，…K关系获得。
5.引用1中所述的非协作虚拟MIMO技术。其附加的技术特征在于给出了共道下行信号的预先处理技术。首先估计下行信道矩阵，以共道用户的下行信号构成列矢量，用下行信道矩阵的广义逆阵乘以该列矢量，得到预先处理后的下行信号列矢量，对应地在基站多个天线上分别发射。
6.引用5中所述的非协作虚拟MIMO技术。其附加的技术特征在于在窄带情况下，第n个基站天线在任一时刻的发射信号n＝1，2，...，N。其中si表示第i共道用户要发射的下行信号值，wij表示广义逆阵W的第i行第j列的值，广义逆阵W＝GH(GGH)-1或者W＝GH(GGH+σ2IM)-1，G为下行信道矩阵的估计。在宽带情况下，第n基站天线在第k子载波上的发射信号其中si(k)表示第i共道用户在第k子载波上要发射的下行信号值，wij(k)表示广义逆阵W(k)的第i行第j列的值，广义逆阵W(k)＝GH(k)(G(k)GH(k))-1，k＝1，2，…，K或者W(k)＝GH(k)(G(k)GH(k)+σ2IM)-1，k＝1，2，…K，G(k)为下行信道矩阵的估计。
全文摘要
非协作虚拟MIMO技术，属于无线通信技术领域。选择合理的用户构成共道用户组合，不要求移动终端间具有直接的通信能力，同样可实现共道用户的空分复用，使系统总容量得到成倍的提高。对于上行链路，通过最小均方差算法、迫零算法、串行干扰消除算法、最大似然算法等，能够将上行共道信号分离。对于下行链路，通过提出的下行信号预先处理技术，每个用户接收信号中的共道干扰明显被抑制，各用户无须其它用户协作便能够单独进行接收信号处理，使用户接收机大为简化。与正交频分复用技术联合使用，非协作虚拟MIMO技术能够使宽带无线通信系统的总容量得到成倍的提高。非协作虚拟MIMO技术特别适用于时分双工的无线通信系统。
文档编号H04L27/00GK101127548SQ200710147330
公开日2008年2月20日 申请日期2007年8月18日 优先权日2007年8月18日
发明者姜永权, 月 魏 申请人:姜永权, 月 魏