CN101378282B - 多输入多输出***信号处理方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多输入多输出***信号处理方法及装置，其中装置包括位于发送端的与发送端统一信道分解模块(113.1、113.2)连接的一次预编码模块(112.1、112.2)和与块对角化处理模块(116)连接的二次预编码模块，还包括位于接收端的信道估计模块(120.1、120.2)与检测模块(118.1、118.2)之间的接收端统一信道分解模块(121.1、121.2)；其中方法包括：将多用户多输入多输出物理信道分解成独立的多个单用户虚拟信道；利用虚拟信道对各用户原始预发送信号进行统一信道分解；对分解后的信号进行块对角化处理并通过天线阵列向外发射；接收端结合统一信道分解检测原始预发送信号。
Description
技术领域
本发明涉及多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Out-put，MIMO)技术，具体涉及一种多输入多输出***信号处理方法及装置。
背景技术
多输入多输出(MIMO)技术已经成为下一代无线通信***的关键技术之一。目前，MIMO***的研究已经从点对点的单用户***扩展到点对多点的多用户MIMO***。多用户的多天线配置带来许多好处：多天线具有的分集增益可以提高误比特率特性，多天线的复用增益可以使多用户的信道容量区域扩大。多用户MIMO***在应用中有两个主要问题：多用户资源调度和多用户干扰消除。由于同一用户不同天线间和不同用户间的信道条件差异，为了获得最大容量需要对***资源做合理调度。在多用户干扰消除方面使用统一频段的多用户MIMO***可以应用各种多址接入方式，时分多址的频谱效率低，***容量不高，码分多址需要消耗大量的码资源。空分多址技术频谱利用率高且不消耗码资源，是多用户MIMO的一种重要方式，与其他多址方式相结合使***应用的灵活性进一步提高。
基于统一信道分解Uniform Channel Decomposition(简称UCD)的反馈信道模型，在发送端与接收端采用统一的发送与接收信号处理方式，如使用VBLAST解码或迫零Dirty Paper预编码。信道UCD分解的方法是将MIMO信道分解为信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)完全相同的L个子信道，这样我们就能对各个子信道采用统一的功率分配和调制方案，既降低了***的复杂度又提高了***的性能，而且不会有目前其他方法的性能与容量的折衷问题：高dB时，该方法能使性能和容量最大化。
上述UCD方法仅对单用户MIMO***有良好的优化效果，而在多用户MIMO***中，由于用户间干扰以及不同用户之间无法获取相互间的信道信息，UCD方法难以直接使用，而目前没有适用多用户MIMO***的UCD方法或这样的方法被公开。另外，本发明申请人同时提交的中国发明申请“一种多输入多输出***信号处理方法及装置”提供了一种基于信道逆处理的多用户UCD方法。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种多输入多输出***信号处理方法及装置，在多用户的实际环境中避免性能与容量的折衷问题，既能降低***的复杂度，同时又能提高了***的性能。
本发明的上述第一个技术问题这样解决，提供一种MIMO***信号处理方法，包括以下步骤：
1.1)采用块对角化方法将多用户MIMO物理信道H分解成独立的多个单用户虚拟信道h1、h2；
1.2)发射端根据各虚拟信道矩阵对对应各用户原始预发送信号X1、X2进行统一信道分解生成各自二次预发送信号F1X1、F2X2；
1.3)发射端对所有二次预发送信号F1X1、F2X2统一进行块对角化处理M×[(F1X1)T，(F2X2)T]T并通过天线阵列向外发射，其中上角标T表示共轭转置运算。
这样提供了一种基于块对角化处理的多用户UCD方法。
按照本发明提供的处理方法，该处理方法还包括每个用户终端根据其接收信号进行信道估计并将对应信道矩阵H1、H2反馈给基站，基站根据所述对应信道矩阵H1、H2获取所述多用户MIMO物理信道H＝[(H1)T(H2)T]T。
按照本发明提供的处理方法，该处理方法还包括基站通过导频信号将所述虚拟信道h1、h2发送给每个用户终端。
按照本发明提供的处理方法，所述发送是在有所述反馈时或所述多用户MIMO物理信道变化时进行，比如：可以每5ms发送一次，减少对带宽的占用。
按照本发明提供的处理方法，所述步骤1.2)中统一信道分解包括根据各虚拟信道h1、h2生成并利用对应用户预编码矩阵F1、F2对对应各用户原始预发送信号X1、X2进行处理F1X1、F2X2。
按照本发明提供的处理方法，所述步骤1.3)中块对角化处理包括根据所述多用户MIMO物理信道H生成并利用块对角化预编码矩阵M对所有二次预发送信号F1X1、F2X2统一进行处理M×[(F1X1)T，(F2X2)T]T。
按照本发明提供的处理方法，块对角化矩阵M是k个用户预编码矩阵Mk的水平拼接，即：M＝[M1…Mk]。考虑所有用户的信道矩阵在发射端完全已知的情况，并要求发射端的预编码使得各用户的接收信号中没有其它用户的干扰，则各用户的预编码矩阵Mi，i＝1，…k需满足：HiMj＝0，其中i≠j，即每个用户的预编码矩阵位于其它所有用户的信道矩阵的零空间，据此条件即可求得k个用户预编码矩阵Mk。
按H＝[(H1)T…(Hk)T]T，如果选择Fk的列位于Hk c的零空间，则块对角化条件就可以满足，这里的Hk c是整个信道矩阵H去掉对应于用户k的信道矩阵得到的。
按照本发明提供的处理方法，该处理方法还包括：
7.1)接收端根据各自接收信号Y1或Y2估计自身信道H1或H2；
7.2)结合统一信道分解检测对应的所述原始预发送信号X1或X2。
按照本发明提供的处理方法，所述检测是最小均方误差(Minimum MeanSquare Error，MMSE)检测，所述步骤1.2)包括对所述虚拟信道h1、h2进行统一信道分解获取并利用MMSE检测加权矩阵W1或W2对所述接收信号Y1或Y2进行检测。
按照本发明提供的处理方法，接收端使用接收天线阵列。
按照本发明提供的处理方法，所述检测包括但不限制于MMSE检测。
按照本发明提供的处理方法，所述多用户是二个或二个以上。
按照本发明提供的处理方法，所述天线阵列包括多个天线。
本发明的上述另一个技术问题这样解决，提供一种MIMO***信号处理装置，包括：
发送端，包括依次连接的调制模块、一次预编码模块、二次预编码模块和发射天线阵列，其中：一次预编码模块与发送端统一信道分解模块连接，二次预编码模块与块对角化处理模块连接，块对角化处理模块输出连接发送端统一信道分解模块；
接收端，包括依次连接的接收天线阵列、检测模块和解调模块，其中：接收天线阵列与信道估计模块连接，检测模块与接收端统一信道分解模块连接，信道估计模块输出连接接收端统一信道分解模块。
按照本发明提供的处理装置，所述检测模块可以是MMSE检测模块、迫零ZF检测模块等。
按照本发明提供的处理装置，所述天线阵列包括多个天线。
本发明提供的多输入多输出***信号处理方法及装置，通过块对角化处理将多用户MIMO物理信道分解为独立的多个单用户虚拟信道，从而使基于统一信道分解对于各个独立的单用户虚拟信道适用，同现有技术相比有以下优点：第一，利用通信信道的特性进行信道逆处理，能消除用户间干扰，从而使多输入多输出***具有更广泛的适应性；第二，利用统一信道分解方法优化了各个用户的性能。该方法简洁、计算快速，易于工程实现。
附图说明
下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明。
图1是本发明装置结构示意图。
图2是本发明方法流程示意图；
图3是本发明多输入多输出***仿真效果图。
具体实施方式
下面，以两用户多输入多输出***为例说明本发明：
(一)装置
如图1所示，该***包括发射端和接收端及反馈路径122.1、122.2，本发明装置包括：
发射端，包括：信息源模块110.1、110.2，调制模块111.1、111.2，一次预编码模块112.1、112.2，UCD分解模块113.1、113.2，块对角化处理模块114，二次预编码模块115，及Nt个发射天线116；
接收端，包括：Nr1、Nr2个接收天线117.1、117.2，MMSE检测模块118.1、118.2，解调模块119.1、119.2，信道估计模块120.1、120.2，UCD分解模块121.1、121.2。以及反馈通道122.1、122.2
在发射端，信道逆处理模块114对多用户MIMO物理信道进行块对角化处理，并将多用户MIMO物理信道分成独立的两个单用户虚拟信道h1、h2分别输出到UCD分解模块113.1、113.2；UCD分解模块113.1、113.2分别分解出两个用户的用户预编码矩阵F1、F2；同时块对角化处理模块114还输出块对角化处理预编码矩阵M，接着二次预编码模块115依据块对角化处理预编码矩阵M进行二次预编码处理。
在接收端，信道估计模块120.1、120.2对Nr1、Nr2个接收天线117.1、117.2的信号进行估计，将估计出的信道信息分别输出到UCD分解模块121.1、121.2，并把用户1、用户2对应的信道矩阵H1、H2分别经反馈通道122.1、122.2反馈给接收端。UCD分解模块121.1、121.2分别分解出两个用户的加权矩阵W1、W2，并发送至MMSE检测模块118.1、118.2，参与信号的检测处理。对于信号检测模块，本实施例采用MMSE检测模块，当然实际应用中还可以使用其他类型的信号检测模块。
(二)工作原理
如图2所示，本发明方法的具体实施，包括以下步骤：
201)接收端信道估计：通过信道估计生成信道质量测量值信息，一般以链路的总信噪比SNR等形式给出。同时给出反映信道特征的信道矩阵，该信道矩阵包含每对发射和接收天线之间信道响应关系。
202)信道状态信息反馈：得到接收端信道估计反馈的链路的反映信道特征的信道矩阵，根据SNR选择调制方式，根据信道矩阵确定***空时处理方式。
203)对多用户MIMO信道进行对角化处理。
假定H是k个用户的信道矩阵Hk的垂直拼接，M是k个用户预编码矩阵Mk的水平拼接，即
H＝[(H1)T…(Hk)T]T
M＝[M1…Mk]
其中上角标T表示共轭转置运算，如果选择Fk的列位于Hk c的零空间，则块对角化条件就可以满足。这里的Hk c是整个信道矩阵H去掉对应于用户k的信道矩阵得到的。
考虑所有用户的信道矩阵在发射端完全已知的情况，并要求发射端的预编码使得各用户的接收信号中没有其它用户的干扰，则各用户的预编码矩阵Mi，i＝1，…k需满足：HiMj＝0，其中i≠j，即每个用户的预编码矩阵位于其它所有用户的信道矩阵的零空间，据此条件即可求得k个用户预编码矩阵Mk。
204)将块对角化输出h1、h2进行统一信道分解，得到两个用户的预编码矩阵F1、F2。
经对角化处理后，多用户MIMO信道被分成独立的两个单用户MIMO信道h1、h2，由于用户间无法协同，便无法独自估计当前的虚拟信道h1、h2，所以接下来基站要增加一次通过M预编码的导频符号发射，使用户获知h1、h2。最后基站和用户分别对h1、h2进行UCD分解，得到两个用户的预编码矩阵F1、F2和MMSE检测加权矩阵W1、W2。
205)，依据对角化预编码矩阵M进行预编码处理。
(三)仿真
如图3所示，仿真在不同的相关性信道中比较了本发明方法：块对角化-统一信道分解BD-UCD和现有方法：ZF(Zero-forcing迫零，ZF方法可以参见[Quentin H.Spencer，A.Lee Swindlehurst，Martin Haardt.Zero-forcingMethods for Downlink Spatial Multiplexing in Multiuser MIMO Channels.IEEETransactions on Signal Processing，2004，52(2)])的误码率BER这里假设新道相关系数分别为0.1和0.7，仿真结果表明本发明BD-UCD比ZF更能适应高相关性的信道条件。
Claims (8)
1.一种多输入多输出***信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
1.1)采用块对角化方法将多用户多输入多输出物理信道分解成独立的多个单用户虚拟信道矩阵；
1.2)发射端根据各虚拟信道矩阵对对应各用户原始预发送信号进行统一信道分解生成各自二次预发送信号，所述统一信道分解包括根据各虚拟信道矩阵生成并利用对应用户预编码矩阵对对应各用户原始预发送信号进行处理；
1.3)发射端对所有二次预发送信号统一进行块对角化处理并通过天线阵列向外发射，所述块对角化处理包括根据所述多用户多输入多输出物理信道生成并利用对角化预编码矩阵对所有二次预发送信号统一进行处理。
2.根据权利要求1所述处理方法，其特征在于，该处理方法还包括每个用户终端根据其接收信号进行对应信道估计并反馈给基站，基站根据所述对应信道获取所述多用户多输入多输出物理信道。
3.根据权利要求2所述处理方法，其特征在于，该处理方法还包括基站通过导频信号将所述虚拟信道矩阵发送给每个用户终端。
4.根据权利要求3所述处理方法，其特征在于，所述发送是在有所述反馈时或所述多用户多输入多输出物理信道变化时进行。
5.根据权利要求1所述处理方法，其特征在于，该处理方法还包括：
5.1)接收端根据各自接收信号估计自身信道；
5.2)结合统一信道分解检测对应的所述原始预发送信号。
6.根据权利要求5所述处理方法，其特征在于，所述检测是最小均方误差检测，所述步骤5.2)包括对所述虚拟信道进行统一信道分解获取并利用最小均方误差检测加权矩阵对步骤5.1)所述接收信号进行检测。
7.一种多输入多输出***信号处理装置，其特征在于，包括：
发送端，包括调制模块(111.1、111.2)、一次预编码模块(112.1、112.2)、统一信道分解模块(113.1、113.2)、块对角化模块(114)、二次预编码模块(115)、发射天线阵列(116)，其中：调制模块(111.1、111.2)的输出端连接一次预编码模块(112.1、112.2)的一输入端，一次预编码模块(112.1、112.2)的输出端连接二次预编码模块(115)的一输入端，二次预编码模块(115)的输出端连接发射天线阵列(116)；
统一信道分解模块(113.1、113.2)的用户预编码矩阵输出端连接一次预编码模块(112.1、112.2)的另一输入端；
块对角化模块(114)的单用户虚拟信道输出端分别连接统一信道分解模块(113.1、113.2)的输入端，块对角化模块(114)的预编码矩阵输出端连接二次预编码模块(115)的输入端；
接收端，包括接收天线阵列(117.1、117.2)、检测模块(118.1、118.2)、解调模块(119.1、119.2)、信道估计模块(120.1、120.2)、统一信道分解模块(121.1、121.2)，其中：接收天线阵列(117.1、117.2)分别与信道估计模块(120.1、120.2)的输入端和检测模块(118.1、118.2)的一输入端连接，统一信道分解模块(121.1、121.2)的加权矩阵输出端连接检测模块(118.1、118.2)的另一输入端；
检测模块(118.1、118.2)的输出端连接解调模块(119.1、119.2)的输入端；信道估计模块(120.1、120.2)的一输出端连接统一信道分解模块(121.1、121.2)的输入端；
信道估计模块(120.1、120.2)的信道矩阵输出端分别连接发送端的块对角化模块(114)的输入端。
8.根据权利要求7所述处理装置，其特征在于，所述检测模块(118.1、118.2)是最小均方误差检测模块或迫零检测模块。
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