一种发送下行链路信号的方法及基站的制作方法

专利名称：一种发送下行链路信号的方法及基站的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种发送下行链路信号的方法及基站。
背景技术：
近年来，信息论的研究已经表明，作为一种无线通信的天线技术，多进
多出(MIMO, Multiple-Input Multiple-Output)能够显著地提高无线通信系 统的传输速率。目前，针对点对点单用户MIMO系统的研究已基本有定论， 而对于多用户MIMO系统的研究则引起国际学者们的关注。多用户MIMO 下行链路可以采用时分多址(TDMA， Time Division Multiple Access )、码 分多址(CDMA, Code Division Multiple Access )、正交频分多址(OFDMA， Orthogonal Frequency Division Multiple Access )以及空分多址(SDMA， Space Division Multiple Access)等多址技术。前三种技术均将系统资源唯一分配 给一个用户，因而系统的频谱利用率不高，系统速率有限。与前三种技术不 同，SDMA能够在同一个时隙与频带上支持多个用户，故系统的容量能够成 倍提高。由于多个用户共享系统资源，并且各个用户之间一般不能协作处理 接收信号，故多用户千扰的抑制问题成为影响系统性能的关键所在，而解决 此问题的基本途径是发射端预编码。常用的预编码方法包括线性预编码、 非线性预编码、以及联合收发机设计。
其中，联合收发机设计是以一定准则，如最小均方误差(MMSE, Mininum Mean Square Error)准则、迫零(Zero Forcing )准则等对发射预编码以及接收 矩阵进行联合设计，使系统的性能达到最优。考虑如下多用户MIMO下行链路 系统模型基站发射天线数为M，同时服务用户数为K,每个用户的接收天线数为^，支持的数据流数为^。第/t个用户的数据^经过预编码矩阵^后送至发
射天线，因此基站实际发射的信号为
<formula>formula see original document page 8</formula> ( 1 )
其中^=(^ w ... K)是总的预编码矩阵，《...《)"为发射到尺个用户的数据，其各个元素相互独立，且满足零均值、单位方差。信号经过信道后，
被加性高斯白噪声所污染，第a个用户接收到的信号为
力=〃4义+仏 (2)其中为基站到第*个用户之间的信道矩阵，仏~ #(0，一/)为加性高斯白噪声。
由于各个用户 一般不能交换数据，故每个用户对其接收到的信号进行线性处理，以恢复自己的数据。设第/t个用户采用Gf作为线性接收机，则对 的估计为
;=GfA (3)
综合以上，得出现有技术多用户MIMO下行链路收发机设计框图如图1所示。基站发送下行链路信号时，首先采用上述方法对预编码矩阵进行设计，采用设计出的预编码矩阵对下行信号进行处理，并将处理之后的下行信号发送出去。
这种方法的缺点是由于基站在求解发射预编码矩阵时拉格朗日乘子的计算很复杂，且有多解，这使得基站在发送下行链路信号时的处理过程复杂且处理时间较长。

发明内容
本发明实施例提出 一种发送下行链路信号的方法，该方法能够使得基站在发送下行链路信号时，处理过程较为简单、并且缩短处理时间。
本发明实施例还提出一种基站，该基站在发送下行链路信号时，处理过程较为简单、并且处理时间较短。
本发明的技术方案是这样实现的一种发送下行链路信号的方法，包括设定发送端预编码矩阵为『，接收端接收矩阵为Gf =g(5f ，其中，所述g为接收矩阵的共同系数，按照线性均
衡准则计算『；
根据计算出的W对下行链路信号进行处理，发送处理后的下行链路信
，
一种基站，所述基站包括
设定及计算模块，用于设定发送端预编码矩阵为『，接收端接收矩阵为d^，其中，所述g为接收矩阵的共同系数，按照线性均衡准则计算『；
处理及发送模块，用于根据设定及计算模块所计算出的PF对下行链路信号进行处理，发送处理后的下行链路信号。
可见，本发明实施例提出的发送下行链路信号的方法及基站，通过在计算预编码矩阵时每个用户的接收机提出一个共同的系数g ，简化预编码矩阵的计算，使得基站在发送下行链路信号时的处理过程筒单，并且处理时间较短。


图1为现有技术多用户MIMO下行链路收发机设计框图2为本发明实施例多用户MIMO下行链路收发机设计框图3为采用本发明实施例在不同信噪比下的收敛性能曲线；
图4为采用本发明实施例采用MMSE计算的误符号率性能曲线一；
图5为采用本发明实施例采用MMSE计算的误符号率性能曲线二；
图6为本发明实施例采用ZF准则计算的误符号率性能曲线。
具体实施例方式
本发明实施例提出一种发送下行链路信号的方法，包括设定发送端预编码矩阵为『，接收端接收矩阵为《-g《，其中，所述g为接收矩阵的共同系数，按照线性均衡准则计算『；
根据计算出的『对下行链路信号进行处理，发送处理后的下行链路信
9号。
其中，计算预编码矩阵为『时采用的线性均衡准则可以是MMSE准则以下具体介绍采用MMSE准则的计算方法。
参见图2,图2为本发明实施例多用户MIMO下行链路收发机设计框图第*个用户的MSE为
碼=碌—、『) (4)
="-{g2&w(//y 〃f+(r2/)(5t十/-g《/^ _g《《(—'
系统总的MSE为
因此收发机的设计问题转化为如下优化问题
w^w^e{MS￡}, //"(WW")S尸 (6)
其中P为系统总的发射功率。根据式(6)可以写出如下拉格朗日函数
k / 、
J = Z A/S￡, +攀(,w) - ( 7 )
其中A为拉格朗日乘子。根据最优化条件(如KKT， Karush-kuhn-Tucker条件)，可以列出如下方程组
<formula>formula see original document page 10</formula> (8)<formula>formula see original document page 10</formula> (9)
<formula>formula see original document page 10</formula> ( 10)
<formula>formula see original document page 10</formula> ( 11 )
<formula>formula see original document page 10</formula> (12)
其中5兰血g(5," g ...《)，/ 兰M, //2W ...《)H。由式(9)左乘w"可
<formula>formula see original document page 10</formula> (13)
由Hermite矩阵的性质可得(14)
由式(13)、 (14)及(10)可得进一步可得
丰2加" (16)
显然此处ho。故由KKT条件式(11)可得,kww")=p。代入式(16)可得
(17)
p 一将式(17)代入式(9),可得
w = g-'/ "[A/^ ( 18 )
而由式(8)可得
& =g-+cr2t ( 19 )
将式(19)代入式(18)可得
(20)
其中D","g(G," G，w ...《)=^,,咖，)力2。由式(20)可见，引入了共同的增益因子g后，发端预编码矩阵有闭式解，而此闭式解与g无关。
虽然式(20)比已有线性编码方法更加简洁，且方程中仅有发端预编码矩阵一个未知矩阵变量，但直接求解『仍然比较困难，因为D是依赖于『的。
但值得注意的是，此时ff的求解可以不依赖于对s的求解，即可以直接迭代求
解出在此提出以下两种迭代求解方案(一)交替迭代求解逐次优化发端预编码阵与接收机
1. 初始化(^=、嗎，"i…《；
2. 利用式(18)算出w的更新值，同时由发射功率约束确定g;
3. 利用式(19)算出4的更新值；
4. w最近两次更新值之差的Frobenius范数大于预设值(如0.0001 )时，返
115。
5. 对最终得到的w按发射功率进行归一化；
6. 各个用户单独按MMSE准则设计接收机^ 。发送端按照按照计算得出的 『对导频信号进行处理，发送处理后的导频信号；接收端收到处理后的导频 信号后，按照MMSE准则计算接收端接收矩阵G:。
(二 )直接迭代求解发端预编码矩阵
1. 初始化r二/^。；其中，e为所有用户支持的数据流数的总和；
2. 利用式(20)算出w的更新值；
3. 『最近两次更新值之差的Frobenius范数大于预设值(如0.0001 )时，返 回步骤2;否则执行步骤4;
4. 对最终得到的w按发射功率进行归 一化；
5. 各个用户单独按MMSE准则设计接收机^ 。 直接迭代的一个好处是不用在每次迭代过程中计算g，只要在最终『阵收
敛后进行发射功率归一化即可。因此从计算量的角度考虑，直接迭代方案比交 替迭代方案更好。
以下对交替迭代方案的收敛性做简单分析。由于面临的问题是一个多参数 优化问题，且参数之间相互耦合，因此直接求解很困难。交替优化迭代首先将 待优化的参数分成若千组，优化其中一组参数时，假设其它组参数已经固定， 而当得到该组参数的更新值时，就可以用于其它组参数的优化。
从上述分析可以知道，在々)("i，..j )给定的前提下，式(18)所得到的 『w是最优的，即
MS単(")，g("W)SMS単,g,(5"))，W;Vg (21)
同理，当W")、 g(")给定时，由式(19)所得到的(5!一 ( "u )也是最优的，
即
M5攀("),g("),f ))SMSE(C,(^)， (22)
由式(21)、 (22)可得
12o s緒攀'")，， f)) s ms単(")，g("), c5)"))《ms，("-') , g'"-'), (5)")) ( 23 )
因此交替优化迭代方案总可以使系统的MSE逐步减小，并最终收敛到一个稳定 点。当然这个稳定点有可能全局最优，也可能局部最优。
直接迭代求解方法由于是交替迭代求解的简化形式，因此两者有相同的收敛 性能。参见图3,图3为采用本发明实施例在不同信噪比下的收敛性能曲线。 随着信噪比的提高，收敛速度有所变慢，但在信噪比小于10dB时，5次左右的 迭代已基本收敛。信噪比对收敛速度的影响主要是通过影响^对收敛起作用， 这可以从式(20)看出来。/,的作用类似于对角加注，在阵列信号处理中经常用到
这种方法，它可以加快算法迭代收敛的速度。但当S層卄oo，— o ，
此时式(20)中类似于对角加注的比重变小，故对收敛速度有一定影响。
以下对本发明实施例方案进行仿真，仿真环境如下基站至各个用户之间 的信道均为Rayleigh平衰落，在一个数据帧内信道保持不变，且在基站侧可以 准确已知。对于基站M天线，《个用户，每个用户w天线，每个用户支持z,数据 流的下行链路系统简记为[m乂w,丄,]。为了防止某些情况下收敛速度过慢，对迭 代次数的上界作了限制，即/(/8=50。所有仿真中信息码元采用QPSK调制，在 各种参数配置下Monte Carlo仿真次数大于10000次。参见图4及图5，图4为 采用本发明实施例采用MMSE计算的误符号率性能曲线一，图5为采用本发明 实施例采用MMSE计算的误符号率性能曲线二。
或者，本发明实施例还可以采用迫零(ZF ， Zero Forcing )准则计算『。该 方法与上述釆用MMSE计算『的不同点仅在于，不考虑加性高斯白噪声，也就 是相当于加性高斯白噪声的功率CT 2 = o ，
则由上述(17)式可得
由上述^一2，")^g2可得,〃 =0;
将—、^、 ^代入上述(18)、 ( 19)和(20)得到
<formula>formula see original document page 13</formula>( 18')4 =g-'(/^跳"《)-( 19') 1^//WZ^[D册w( 20') 同样采用上述类似的交替迭代求解及直接迭代求解，不同点仅在于，采用 (18' )、 ( 19')以及(20')式代替上述(18 ) ( 19 )和(20 )式进行计算。
采用ZF计算能够达到较好的仿真效果，如图6所示，图6为本发明实施 例采用ZF准则计算的误符号率性能曲线。
综上可以看出，本发明提出的发送下行链路信号的方法，在设计线性收发 机时的计算方法简单，从而使得基站在发送下行链路信号时，处理过程简单、 并且处理时间较短。
本发明实施例还提出一种基站，包括
设定及计算模块，用于设定发送端预编码矩阵为『，接收端接收矩阵为 《-g《，其中，所述g为接收矩阵的共同系数，按照线性均衡准则计算『；
处理及发送模块，用于根据设定及计算模块所计算出的『对下行链路信号 进行处理，发送处理后的下行链路信号。
其中，设定及计算模块中所采用的线性均衡准则可以为MMSE准则、ZF 准则等。
其中，上述设定及计算模块可以包括初始化模块，用于初始化(^:/^ ， 其中，所述"i，...,z:，《为同时服务的用户数，A为第/t个用户支持的数据流数， 为第A:个用户的接收天线数；
第一计算模块，用于将初始化模块所初始化的4=、,、或者将第二计算 模块所计算的&的更新值，按照w-gm丽"+^r'计算Pf的更新值，同时由发 射功率约束确定g ; 其中，所述,6兰力ag(5f ... (52), w兰(《《...《)"，//2.......&分别为第1、 2.......K个用户的信道矩
阵，《一，)，^为加性高斯白噪声的功率，户为系统总的发射功率，/为 单位矩阵；
14第二计算模块，用于将第一计算模块所计算出的『的更新值，利用 《=g-'+ 一/)-' 计算的更新值；其中，所述cr2为加性高斯白噪声的
功率；
PF确定模块，用于判断第二计算模块所计算的本次『的更新值与上次『的 更新值之差的范数是否大于预先设定的门限值，如果是，则指示第一计算模块 重新计算W的更新值，否则，确定本次『的更新值为计算得出的『。
或者，上述第一计算模块还可以按照『=g-'//"[/Mw]-'计算w的更新值，同时，
第二计算模块利用& =g-)-'/z^计算《的更新值。 或者，上述设定及计算模块可以包括
初始化模块，用于初始化『=/^^其中，所述e为所有用户支持的数据流
数的总和，M为发射天线数，/为单位矩阵；
计算模块，用于将初始化模块所初始化的『=/MxQ ，利用 『=/////)//[￡>///////)"+/^/]-'计算『的更新值，其中，所述〃兰(《//2"...
//2......./^分别为第1、2.......K个用户的信道矩阵，D全&ag(G,〃 G2〃…G:)，
^兰《g2,《兰,咖，")，^为加性高斯白噪声的功率，尸为系统总的发射功率；
『确定模块，用于判断计算模块所计算出的本次『的更新值与上次『的更 新值之差的范数是否大于预先设定的门限值，如果是，则指示计算模块重新计 算『的更新值，否则，确定本次『的更新值为计算得出的『。
或者，上述设定及计算模块还可以采用ff = //"￡)"
-'计算『的更新值。
上述基站中，所述『确定模块，可以用于当判断出计算模块所计算出的本 次『的更新值与上次『的更新值之差的范数不大于预先设定的门限值时，将得 到的本次『的更新值按发射功率进行归 一化，确定归 一化之后的『的更新值为 计算得出的『。
上述基站可以进一步包括
导频信号处理发送模块，用于按照『确定模块所确定的计算得出的『对导频信号进行处理，发送处理后的导频信号。
综上可见，本发明实施例提出的发送下行链路信号的方法及基站，通过提 出一种改进的收发机结构，并提出有效的迭代算法以解决发送端预编码矩阵的 求解问题，使得在发送下行链路信号时，降低基站处理过程的复杂度、并且使 得基站的处理时间较短。
综上所述，以上仅为对本发明精神的展示，而非用于限制本发明的保护范 围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均 应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种发送下行链路信号的方法，其特征在于，所述方法包括设定发送端预编码矩阵为W，接收端接收矩阵为其中，所述g为接收矩阵的共同系数，按照线性均衡准则计算W；根据计算出的W对下行链路信号进行处理，发送处理后的下行链路信号。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线性均衡准则为最小均 方误差MMSE准则；所述计算的方式为初始化4=/")^，其中，所述"u，《为同时服务的用户数，A为第/t个用户支持的数据流数， 为第/t个用户的接收天线数；按照『-g-'/^[^ "+W]-'计算『的更新值，同时由发射功率约束确定g;其中， 所述々兰加，o兰血g(^ (5f ...《)，//兰(","〃2" ... //aw)w， //,、 //2、 ......〃k分别为第1、 2.......《个用户的信道矩阵，^丰，), 一为加性高斯白噪声的功率，尸为系统总的发射功率，/为单位矩阵；利用& =g Wf+<72/)-'//,4计算(^的更新值；其中，所述^为加性高斯白噪声的功率；判断本次『的更新值与上次『的更新值之差的范数是否大于预先设定的门 限值，如果是，则重新执行所述计算『的更新值的步骤；否则，确定『的更新 值为计算得出的『。
3、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线性均衡准则为MMSE 准则；所述计算的方式为初始化『=/^。，其中，所述^为所有用户支持的数据流数的总和，M为发射天线数，/为单位矩阵；利用『=i/"zy/[D////wJDw+///r1计算r的更新值，其中，所述 //f ...《)h， //,、 //2......./^分别为第1、 2、 ......K个用户的信道矩阵，《…/^&2，《兰"了 、 一为加性高斯白噪声的功率，P为系统总的发射功率；判断本次r的更新值与上次『的更新值之差的范数是否大于预先设定的门限值，如果是，则重新执行所述计算『的更新值的步骤；否则，确定W的更新 值为计算得出的『。
4、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线性均衡准则为迫零 ZF准则；所述计算的方式为初始化&=/^ ，其中，所述"u, K为同时服务的用户数，4为第/t个用户支持的数据流数，^为第yt个用户的接收天线数；按照w-g-'W[丽"r'计算『的更新值，同时由发射功率约束确定g;其中， 所述A兰力//,力兰&jg((5," (5f ...《)，//f ...《)"，巧、//2、 ......&分别为第1、 2.......尺个用户的信道矩阵；利用& =g-)-X^计算《的更新值；判断本次『的更新值与上次『的更新值之差的范数是否大于预先设定的门 限值，如果是，则重新执行所述计算W的更新值的步骤；否则，确定w的更新 值为计算得出的『。
5、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线性均衡准则为ZF准则；所述计算的方式为初始化『=/^^其中，所述e为所有用户支持的数据 流数的总和，M为发射天线数，/为单位矩阵；利用^ = //"/^[￡)////"/^]-'计算『的更新值，其中，所述〃兰(//, //f ...《)"，//, 、 7/2.......//《分别为第1 、 2.......《个用户的信道矩阵，D全麵(G," Gf …G。；判断本次『的更新值与上次『的更新值之差的范数是否大于预先设定的门 限值，如果是，则重新执行所述计算『的更新值的步骤；否则，确定『的更新值为计算得出的『。
6、 根据权利要求2至5任意一项所述的方法，其特征在于，所述判断结果 为否之后，进一步包括将得到的Pf的更新值按发射功率进行归一化，确定归 一化之后的『的更新值为计算得出的『。
7、 根据权利要求2至5任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法之后 进一步包括基站按照计算得出的『对导频信号进行处理，发送处理后的导频信号； 接收端收到处理后的导频信号后，计算接收端接收矩阵G-。
8、 一种基站，其特征在于，所述基站包括设定及计算模块，用于设定发送端预编码矩阵为W，接收端接收矩阵为 《=g( ，其中，所述g为接收矩阵的共同系数，按照线性均衡准则计算『；处理及发送模块，用于根据设定及计算模块所计算出的『对下行链路信号 进行处理，发送处理后的下行链路信号。
9、 根据权利要求8所述的基站，其特征在于，所述设定及计算模块包括 初始化模块，用于初始化4=、,，其中，所述"i,...,k， K为同时服务的用户数，A为第/t个用户支持的数据流数， 为第A:个用户的接收天线数；第一计算模块，用于将初始化模块所初始化的4=/^ 、或者将第二计算 模块所计算的^的更新值，按照h^gH丽"g/]'计算Pf的更新值，同时由发 射功率约束确定g; 其中，所述， 6兰汆g(W (5f ... (5D ， //兰(《《...《)"，//, 、 //2.......&分别为第1、 2.......K个用户的信道矩阵，《兰一，"),—为加性高斯白噪声的功率，p为系统总的发射功率，/为 单位矩阵；第二计算模块，用于将第一计算模块所计算出的w的更新值，利用 《=g-'+ //a计算&的更新值；其中，所述o"2为加性高斯白噪声的 功率；『确定模块，用于判断第二计算模块所计算的本次『的更新值与上次『的 更新值之差的范数是否大于预先设定的门限值，如果是，则指示第一计算模块 重新计算『的更新值，否则，确定本次『的更新值为计算得出的『。
10、 根据权利要求8所述的基站，其特征在于，所述设定及计算模块包括 初始化才莫块，用于初始化『/^e,其中，所述e为所有用户支持的数据流数的总和，M为发射天线数，/为单位矩阵；计算模块，用于将初始化模块所初始化的『=/Mxe ，利用 『=/////)〃[￡)///////)"+///]-|计算『的更新值，其中，所述w兰(//, //f ... 〃K")"，//,、 //2.......分别为第1、2.......《个用户的信道矩阵，￡)兰^"g(G, G2W…G。，^全《g2， ^一，")， ^为加性高斯白噪声的功率，P为系统总的发射功率；ff确定模块，用于判断计算模块所计算出的本次『的更新值与上次『的更 新值之差的范数是否大于预先设定的门限值，如果是，则指示计算模块重新计 算『的更新值，否则，确定本次『的更新值为计算得出的『。
11、 根据权利要求8所述的基站，其特征在于，所述设定及计算模块包括 初始化模块，用于初始化(^=、《，其中，所述"i，...,尺，《为同时服务的用户数，A为第A个用户支持的数据流数，A^为第A个用户的接收天线数；第一计算模块，用于将初始化模块所初始化的&=/"4、或者将第二计算模块所计算的&的更新值，按照w^g'/^[/ /^r'计算『的更新值，同时由发射功 率约束确定g;其中，所述A兰加，D兰血g(c5, (5f ... W)， //f ...《)w，//,、 //2.......//,分别为第1、 2.......K个用户的信道矩阵；第二计算模块，用于将第一计算模块所计算出的『的更新值，利用 <54 = g-' )-1 //^计算《的更新值；『确定模块，用于判断第二计算模块所计算的本次『的更新值与上次『的 更新值之差的范数是否大于预先设定的门限值，如果是，则指示第一计算模块 重新计算『的更新值，否则，确定本次『的更新值为计算得出的『。
12、 根据权利要求8所述的基站，其特征在于，所述设定及计算模块包括初始化模块，用于初始化『=/^2，其中，所述e为所有用户支持的数据流 数的总和，M为发射天线数，/为单位矩阵；计算模块，用于将初始化模块所初始化的W = /Mxe ，利用W = W"Z^[Z5OT/"Z/r计 算PF的更新值，其中，所述"兰(《《...〃-)", //2.......&分别为第L2.......夂个用户的信道矩阵，D兰c/,'ag(G,w Gf ... G。；『确定模块，用于判断计算模块所计算出的本次『的更新值与上次『的更 新值之差的范数是否大于预先设定的门限值，如果是，则指示计算模块重新计 算W的更新值，否则，确定本次『的更新值为计算得出的『。
13、 根据权利要求9至12任意一项所述的基站，其特征在于，所述『确定 模块，用于当判断出计算模块所计算出的本次『的更新值与上次『的更新值之 差的范数不大于预先设定的门限值时，将得到的本次『的更新值按发射功率进 行归 一化，确定归 一化之后的『的更新值为计算得出的『。
14、 根据权利要求9至12任意一项所述的基站，其特征在于，所述基站进 一步包括导频信号处理发送模块，用于按照『确定模块所确定的计算得出的『对导 频信号进行处理，发送处理后的导频信号。
全文摘要
本发明提出一种发送下行链路信号的方法及基站，其中，方法包括设定发送端预编码矩阵为W，接收端接收矩阵为G_k^H＝gG_k^H，其中，所述g为接收矩阵的共同系数，按照线性均衡准则计算W；根据计算出的W对下行链路信号进行处理，发送处理后的下行链路信号。本发明提出的方法及基站，能够使得基站在发送下行链路时的处理过程简单、并且处理时间较短。
文档编号H04L25/03GK101459634SQ20071030211
公开日2009年6月17日 申请日期2007年12月14日 优先权日2007年12月14日
发明者杜颖钢, 杨绿溪, 许道峰 申请人:华为技术有限公司