CN102412933B - 协作多点多用户mimo***的预编码方法及矩阵生成装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种协作多点多用户MIMO***的预编码方法及矩阵生成装置，该方法包括以下步骤：S1：中央控制站从各小区基站n(n＝1，…，T)获得基站发射功率P_n(n＝1，…，T)、基站n与用户i间的信道信息H_n，i以及信噪比SNR_n，i(i＝1，…，K)，其中T为合作小区的个数，K为***中的用户数；进而得到各用户的信道信息H_i以及噪声功率S2：依据各用户的信道信息H_i获得各用户的补信道并对实施信道扩展获得矩阵其中I为的单位矩阵，M_k表示用户k的接收天线数；S3：对矩阵实施LQ分解，获得酉矩阵Q_i；S4：将Q_i的子矩阵共轭转置与H_i相乘，获得各用户的等效信道S5：对等效信道实施SVD分解，获得各用户的预编码矩阵W_i(i＝1，…，K)；S6：根据各用户的预编码矩阵W_i(i＝1，…，K)得到各基站的预编码矩阵(n＝1，…，T)并发送给相应小区基站，进而实施预编码。

Description

协作多点多用户MIMO***的预编码方法及矩阵生成装置

技术领域

本发明涉及无线移动通信技术领域，特别涉及一种协作多点用户MIMO***的预编码方法及矩阵生成方法。

背景技术

多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技术是无线移动通信领域技术的重大突破。MIMO技术是指数据的发送和接收都采用了多根天线。研究表明，利用MIMO技术可以提高无线通信***的容量。随着多天线技术研究的深入，MIMO技术已从点对点的单用户MIMO技术扩展到了点对多点的多用户MIMO***（MultipleUser MIMO，MU-MIMO）。MU-MIMO技术中，多天线分集增益可以有效降低***误码率，多天线复用增益使多用户***容量区域扩大。MU-MIMO通常采用发送端预编码技术，利用空分多址（SpatialDivision Multiple Access，SDMA）技术在相同时间、频率资源上传送多个用户的信息。

为了满足LTE-A***在频点带宽峰值速率平均吞吐率等方面的需求，3GPP在LTE-A***中提出了协作多点（CoMP）技术。其中CoMP技术又可分为Coordinated beamforming(CB)和Joint processing(JP)技术。JP技术通过协同小区的联合预编码，能有效地提升***的性能。然而，对于CoMP MU-MIMO，由于各小区基站同时向多个用户端发送数据，多个用户共享同一时频资源，***中必然存在用户间干扰，包括小区间干扰和小区内干扰。因此用户间干扰和噪声一样，大大地影响了***的性能。

破零信道逆（Zero forcing channel inversion，ZF-CI）技术被提出消除多用户间干扰，但是其却未考虑噪声的影响，而且其只适用于接收端各用户为1根天线。最小均方误差信道逆（Minimum mean-squarederror channel inversion，MMSE-CI）考虑了噪声和多用户间干扰对***性能的影响，但和ZF-CI一样，只适合于接收端各用户有一根接收天线。信道块对角化（Block Diagonolization，BD）预编码技术，被提出完全消除用户间的干扰，而且接收端各用户可以有多于1根的天线。但是BD技术必须满足于发送端的天线数大于等于所有用户的接收天线数之和，因而BD技术并不适合于接收端各用户有任意根接收天线的情况。而且，BD技术只是消除了用户间的干扰，并未考虑噪声对***性能的影响，因而在信噪比降低时，其性能比较差。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的在于如何使CoMP MU-MIMO***的各用户有任意根接收天线，并减小用户间干扰和噪声对***的影响，改善***性能，尤其是在噪声较大时使改善更加明显。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种协作多点多用户MIMO***的预编码方法，包括以下步骤：

S1：中央控制站从各小区基站n(n=1,...,T)获得基站发射功率P_n(n=1,...,T)、基站n与用户i间的信道信息H_n,i以及信噪比SNR_n,i(i=1,...,K)，其中T为合作小区的个数，K为***中的用户数；进而得到各用户的信道信息H_i以及噪声功率

S2：中央控制站依据各用户的信道信息H_i获得各用户的补信道并对实施信道扩展获得矩阵其中I为的单位矩阵，M_k表示用户k的接收天线数；

S3:中央控制站对矩阵 Q_i；

S4：中央控制站将Q_i的子矩阵共轭转置与H_i相乘，获得各用户的等效信道

S5：中央控制站对等效信道实施SVD分解，获得各用户的预编码矩阵W_i(i=1,...,K)；

S6：中央控制站根据各用户的预编码矩阵W_i(i=1,...,K)得到各基站的预编码矩阵并发送给相应小区基站，进而实施预编码。

优选地，所述步骤S1进一步包括步骤：

S11：小区基站通过反馈或信道互惠性获得信道信息H_n,i,SNR_n,i(i=1,...,K)；

S12：中央控制站通过网络接口从各基站获得发射功率P_n、信道信息H_n,i,SNR_n,i(i=1,...,K)；

S13：中央控制站依据从各基站获得的发射功率P_n、信道信息H_n,i通过组合获得各用户的信道信息

S14：中央控制站依据从各基站获得的发射功率P_n、信噪比SNR_n,i获得基站n与用户i间的噪声功率并依据获得用户i的噪声功率 ${\mathrm{\σ}}_i^2={\mathrm{\Σ}}_{n=1}^T{\mathrm{\σ}}_{n,i}^2.$

优选地，所述步骤S14进一步包括步骤：

S141：根据路损公式获得用户i接收到基站n的功率其中c表示光速，f为频率，d表示基站与用户间的距离，γ表示路损指数；根据所获得的接收功率以及SNR_n,i，进而获得基站n与用户i间的噪声功率

S142：依据基站n与用户i间的噪声功率进而获得用户i的噪声功率 ${\mathrm{\σ}}_i^2={\mathrm{\Σ}}_{n=1}^T{\mathrm{\σ}}_{n,i}^2.$

优选地，所述步骤S2中：

首先根据所述各用户的信道信息H_i，获得多用户MIMO***的信道信息 $H={(H_l^T,...H_i^T,...H_K^T)}^T,$ 各用户的补信道 ${\stackrel{\‾}{H}}_i={(H_l^T,...H_{i-1}^T,H_{i+1}^T,...H_k^T)}^T,$ 这里T表示转置。

优选地，所述步骤S4进一步包括：

选取由Q_i的前N列和后N行的元素组成的子矩阵将的共轭转置矩阵右乘于H_i，获得各用户的等效信道其中N表示所有基站的发送天线数之和。

优选地，所述步骤S5进一步包括步骤：

S51：对按照SVD分解公式 $H_i^{\mathrm{equ}}=U_i{\mathrm{\Λ}}_i{V}_i^H=U_i{\mathrm{\Λ}}_i[V_{i,1}{V}_{i,0}{]}^H$ 进行分解；其中U_i为左酉矩阵，Λ_i为对角矩阵，V_i为右酉矩阵，V_i,1由V_i的前M_i列组成，V_i,0由V_i的后N－M_i列组成，表示矩阵V_i的复共轭转置矩阵，M_i表示用户i的接收天线数，N表示所有基站的发送天线数之和；

S52：根据获得各用户的预编码矩阵W_i(i=1,...,K)。

优选地，所述步骤S6进一步包括步骤：

S61：依据所获得的预编码矩阵W_i(i=1,...,K)，可获得矩阵W=[W₁,...,W_K]，其大小为N表示所有基站的发送天线数之和

S62：依据矩阵W=[W₁,...,W_K]，进而获得基站l的预编码矩阵 $W_n^{\mathrm{base}}=W({\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{n-1}{N}_j+1:{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^n{N}_j,:),$ 其中 $W_n({\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{n-1}{N}_j+1:{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{n-1}{N}_j,:)$ 表示由矩阵W的第至第行组成的子矩阵，其中N_j表示基站j的发送天线数；

S63：中央控制站通过网络接口将各基站的预编码矩阵发送给相应小区的基站。

本发明还提供一种协作多点多用户MIMO***的预编码矩阵生成装置，包括获取模块、计算模块以及生成模块：

所述获取模块，用于从各小区基站获取发射功率P_n，信道信息H_n,i,SNR_n,i(i=1,...,K)；其中H_n,i表示小区n与用户i间的信道信息，SNR_n,i表示小区n与用户i间的信噪比；

所述计算模块，用于计算出用户的信道信息H_i以及噪声功率

所述生成模块，用于根据各用户的信道信息H_i以及噪声功率生成各用户的预编码矩阵W_i。

优选地，所述生成模块进一步包括：

信道扩展模块，用于对各用户的补信道实施信道扩展，获得矩阵

LQ分解模块，用于对矩阵实施LQ分解，获取各用户有效的零空间矩阵

SVD分解模块，用于对各用户的等效信道实施SVD分解，获取各用户的增益矩阵V_i,1；

相乘模块，用于将各用户的零空间矩阵左乘于其增益矩阵V_i,1，获取各用户的预编码矩阵

优选地，补信道扩展后的矩阵其中I为的单位矩阵，M_k表示用户k的接收天线数。

（三）有益效果

本发明在用户端有多天线的情况下，采用上述预编码方法及装置，排除了多用户间干扰和噪声这两个因素对***的影响，改善了协作多点多用户MIMO***性能，降低了发送端的复杂度，从而提升了此方法在实际应用中的可行性。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明装置的结构示意图；

图3为本发明一实施例中本发明的预编码方法和基于BD预编码方法的协作多点MIMO***的容量比较曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不是限制本发明的范围。

如图1所示，本发明所述的预编码方法包括以下步骤：

S1：中央控制站从各小区基站（eNB）获得基站发射功率P_n(n=1,...,T)（T为合作小区的个数），基站n与用户i间的信道信息H_n,i以及信噪比SNR_n,i(i=1,...,K)（K为***中的用户数），进而得到各用户的信道信息H_i以及噪声功率具体步骤为：

小区基站n(n=1,...,T)通过反馈或信道互惠性获得信道信息H_n,i,SNR_n,i(i=1,...,K)，其中H_n,i表示小区n与用户i间的信道信息，SNR_n,i表示小区n与用户i间的信噪比；

中央控制站通过网络接口从各基站获得发射功率P_n，信道信息H_n,i,SNR_n,i(i=1,...,K)；

依据从各基站获得的发射功率P_n、信道信息H_n,i，进而中央控制站通过组合获得各用户的信道信息

依据从各基站获得的发射功率P_n以及SNR_n,i，根据路损公式获得用户i接收到基站n的功率根据所获得的接收功率以及SNR_n,i，进而获得基站n与用户i间的噪声功率依据基站n与用户i间的噪声功率进而获得用户i的噪声功率 ${\mathrm{\σ}}_i^2={\mathrm{\Σ}}_{n=1}^T{\mathrm{\σ}}_{n,i}^2.$

S2：中央控制站依据各用户的信道信息H_i，获得各用户的补信道并对其实施信道扩展获得矩阵具体步骤为：

根据所述各用户的信道信息H_i，获得多用户MIMO***的信道信息为 $H={(H_l^T,...H_i^T,...H_K^T)}^T,$ 各用户的补信道为这里T表示转置。

对各用户的补信道Hi实施信道扩展，获得矩阵其中I为的单位矩阵，M_k表示用户k的接收天线数。通过将放置在的右边，（现有技术中的常用方法是放在下方），使得矩阵的维度变为 ${\mathrm{\Σ}}_{k=1,k\≠i}^K{M}_k\×({\mathrm{\Σ}}_{k=1,k\≠i}^K{M}_k+N),$ 显然其列数大于其行数，进而保证了获取零空间的维度要求。因而本发明适合于接收端各用户有任意接收天线的CoMP MU-MIMO预编码***。由的构成形式可知，其同时考虑了会引起多用户间干扰的影响元素和噪声N为发送端天线数。而且，我们可以看到，对不同的用户，其噪声功率也可能不一样，这依赖于各基站的发送功率。因此，本发明还有效地适合于各小区基站发送功率不一样的CoMP***。

步骤S3，对矩阵实施LQ分解，获得下三角矩阵L_i和酉矩阵Q_i，通过采用LQ分解来获得三角矩阵L_i和酉矩阵Q_i，降低了发送端的复杂度。

步骤S4，将Q_i的的子矩阵与信道信息矩阵H_i相乘，获得各用户的等效信道具体包括如下：

选取Qi的前N列和后N行的元素来组成子矩阵并将的共轭转置右乘于H_i，进而获得各用户的等效信道

步骤S5，对各用户的等效信道实施SVD分解操作，获得各用户的预编码矩阵W_i，具体包括如下：

对按照SVD分解公式 $H_i^{\mathrm{equ}}=U_i{\mathrm{\Λ}}_i{V}_i^H=U_i{\mathrm{\Λ}}_i[V_{i,1}{V}_{i,0}{]}^H$ 进行分解操作，其中U_i为左酉矩阵，Λ_i为对角矩阵，V_i为右酉矩阵，V_i,1由V_i的前M_i列组成，V_i ^H表示矩阵V_i的复共轭转置矩阵，V_i,0由V_i的后N－M_i（N减M_i）列组成，M_i表示用户i的接收天线数，N为发送端的天线数。

根据获得各用户的预编码矩阵W_i。

S106：中央控制站将根据预编码矩阵W_i所获得的各基站的预编码矩阵发送给各小区基站，进而实施预编码，具体包括如下：

依据所获得的各用户的预编码矩阵W_i(i=1,...,K)，可获得矩阵W=[W₁,...,W_K]，其大小为其中N_n表示基站n的发送天线数；

依据W，进而获得基站l的预编码矩阵 $W_n^{\mathrm{base}}=W({\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{n-1}{N}_j+1:{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^n{N}_j,:),$ 其中 $W_n({\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{n-1}{N}_j+1:{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{n-1}{N}_j,:)$ 表示由矩阵W的第至第行组成的子矩阵；

中央控制站通过网络接口将各基站的预编码矩阵 $W_n^{\mathrm{base}}(n=1,...,T)$ 发给相应地基站n。

图2为本发明的CoMP MU-MIMO的预编码矩阵生成装置结构示意图，该装置包括：获取模块10，计算模块20以及生成模块30：

其中所述获取模块10，用于从各小区基站获取发射功率P_n，信道信息H_n,i,SNR_n,i(i=1,...,K)，其中H_n,i表示小区n与用户i间的信道信息，SNR_n,i表示小区n与用户i间的信噪比；所述计算模块20，用于计算出用户的信道信息H_i以及噪声功率所述生成模块30，用于根据各用户的信道信息H_i以及噪声功率生成预编码矩阵W_i。

其中生成模块30进一步包括：信道扩展模块31，LQ分解模块32,SVD分解模块33，相乘模块34。信道扩展模块31，用于对各用户的补信道实施信道扩展，获得矩阵LQ分解模块32，用于对矩阵实施LQ分解，获取各用户有效的零空间矩阵SVD分解模块33，用于对各用户的等效信道实施SVD分解，获取各用户的增益矩阵V_i,1；相乘模块34，用于将各用户的零空间矩阵左乘于其增益矩阵V_i，1，获取各用户的预编码矩阵

下面将给出本发明的预编码方法与现有的其它预编码方案的比较，以使本发明的优势及特征更加明显。

对一个m×n的实矩阵，其SVD分解的复杂度为4n²m+13m³（flops），其LQ分解的复杂度为2m²(n-m/3)(flops)。这里以实矩阵为例来说明。

假定***有K个用户，各用户有相同的接收天线数M_i=M，并假定每用户传输的流数为1，本发明的预编码方法与已有的预编码的复杂度的比较如下表1所示,其中实例（8,2,2,4）表示***基站端的发送天线数之和N为8，***有两个小区协作，每个用户的接收天线数为2，***中共有4个用户。

表1本发明的预编码方法与已有的预编码的复杂度比较

由表1可知，与传统的CoMP MU-MIMO预编码方法，例如BD相比，本发明技术方案大大降低了发收端的运算复杂度，这将有利于本发明的方法在实际中的应用。

此外，如图3所示，示出了***（8,2,4）基于本发明的预编码方法和基于BD预编码方法CoMP MU-MIMO***的容量比较曲线图，该***有4个用户，每个用户有2根接收天线，共有2个协作小区，每个小区基站发送端有4根发送天线，接收端均采用ZF检测，在不同的信噪比条件下，基于本发明的多用户预编码***与BD的多用户预编码***的容量的仿真比较图。由图3可以看出，本发明的预编码方案与BD方案相比，能很好的改善***的信噪比，从而提高***的容量。而且如表1所示，与BD相比，本发明的方案有更低的复杂度。进而表明了本方案与传统的BD方案有更好地实现性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种协作多点多用户MIMO***的预编码方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：中央控制站从各小区基站n，n＝1,…,T获得基站发射功率P_n，n＝1,…,T、基站n与用户i间的信道信息H_n,i以及信噪比SNR_n,i，i＝1,…,K，其中T为合作小区的个数，K为***中的用户数；进而得到各用户的信道信息H_i以及噪声功率

S2：中央控制站依据各用户的信道信息H_i获得各用户的补信道并对实施信道扩展获得矩阵其中I为的单位矩阵，M_k表示用户k的接收天线数，σ_i为的二次方根；

S3:中央控制站对矩阵实施LQ分解，获得酉矩阵Q_i；

S4：中央控制站将Q_i的子矩阵共轭转置与H_i相乘，获得各用户的等效信道

S5：中央控制站对等效信道实施SVD分解，获得各用户的预编码矩阵W_i，i＝1,…,K；

S6：中央控制站根据各用户的预编码矩阵W_i，i＝1,…,K得到各基站的预编码矩阵并发送给相应小区基站，进而实施预编码；

其中，所述步骤S1进一步包括步骤：

S11：小区基站通过反馈或信道互惠性获得信道信息H_n,i,SNR_n,i，i＝1,…,K；

S12：中央控制站通过网络接口从各基站获得发射功率P_n、信道信息H_n,i,SNR_n,i，i＝1,…,K；

S13：中央控制站依据从各基站获得的发射功率P_n、信道信息H_n,i通过组合获得各用户的信道信息

S14：中央控制站依据从各基站获得的发射功率P_n、信噪比SNR_n,i获得基站n与用户i间的噪声功率并依据获得用户i的噪声功率 ${\mathrm{\σ}}_i^2={\mathrm{\Σ}}_{n=1}^T{\mathrm{\σ}}_{n,i}^2.$

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S14进一步包括步骤：

S141：根据路损公式获得用户i接收到基站n的功率其中c表示光速，f为频率，d表示基站与用户间的距离，γ表示路损指数；根据所获得的接收功率以及SNR_n,i，进而获得基站n与用户i间的噪声功率

S142：依据基站n与用户i间的噪声功率进而获得用户i的噪声功率 ${\mathrm{\σ}}_i^2={\mathrm{\Σ}}_{n=1}^T{\mathrm{\σ}}_{n,i}^2.$

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中：

首先根据所述各用户的信道信息H_i，获得多用户MIMO***的信道信息各用户的补信道 ${\stackrel{\‾}{H}}_i={(H_1^T,\·\·\·,H_{i-1}^T,H_{i+1}^T,\·\·\·H_K^T)}^T,$ 这里T表示转置。

4.如权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述步骤S4进一步包括：

选取由Q_i的前N列和后N行的元素组成的子矩阵将的共轭转置矩阵右乘于H_i，获得各用户的等效信道其中N表示所有基站的发送天线数之和。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S5进一步包括步骤：

S51：对按照SVD分解公式 $H_i^{\mathrm{equ}}=U_i{\mathrm{\Λ}}_i{V_i}^H=U_i{\mathrm{\Λ}}_i{[V_{i,1},V_{i,0}]}^H$ 进行分解；其中U_i为左酉矩阵，Λ_i为对角矩阵，V_i为右酉矩阵，V_i,1由V_i的前M_i列组成，V_i,0由V_i的后N－M_i列组成，V_i ^H表示矩阵V_i的复共轭转置矩阵，M_i表示用户i的接收天线数，N表示所有基站的发送天线数之和；

S52：根据获得各用户的预编码矩阵W_i，i＝1,…,K。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S6进一步包括步骤：

S61：依据所获得的预编码矩阵W_i，i＝1,…,K，可获得矩阵W＝[W₁,…,W_K]，其大小为N表示所有基站的发送天线数之和；

S62：依据矩阵W＝[W₁,…,W_K]，进而获得基站l的预编码矩阵 $W_n^{\mathrm{base}}=W({\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{n-1}{N}_j+1:{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^n{N}_j,:),$ 其中 $W({\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{n-1}{N}_j+1:{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^n{N}_j,:)$ 表示由矩阵W的第至第行组成的子矩阵，其中N_j表示基站j的发送天线数；

S63：中央控制站通过网络接口将各基站的预编码矩阵发送给相应小区的基站。

7.一种协作多点多用户MIMO***的预编码矩阵生成装置，其特征在于，包括获取模块(10)、计算模块(20)以及生成模块(30)：

所述获取模块(10)，用于从各小区基站获取发射功率P_n，n＝1,…,T，信道信息H_n,i,SNR_n,i，i＝1,…,K；其中H_n,i表示小区n与用户i间的信道信息，SNR_n,i表示小区n与用户i间的信噪比，K表示***的用户数，T表示合作小区的个数；

所述计算模块(20)，用于计算出用户的信道信息H_i以及噪声功率

所述生成模块(30)，用于根据各用户的信道信息H_i以及噪声功率生成各用户的预编码矩阵W_i；

其中，所述生成模块(30)进一步包括：

信道扩展模块(31)，用于对各用户的补信道实施信道扩展，获得矩阵

LQ分解模块(32)，用于对矩阵实施LQ分解，获取各用户有效的零空间矩阵

SVD分解模块(33)，用于对各用户的等效信道实施SVD分解，获取各用户的增益矩阵V_i,1；

相乘模块(34)，用于将各用户的零空间矩阵左乘于其增益矩阵V_i,1，获取各用户的预编码矩阵

其中，补信道扩展后的矩阵其中I为的单位矩阵，M_k表示用户k的接收天线数，σ_i为噪声功率的二次方根；

其中，获取模块(10)具体用于通过反馈或信道互惠性获得信道信息H_n,i,SNR_n,i，i＝1,…,K；通过网络接口从各基站获得发射功率P_n、信道信息H_n,i,SNR_n,i，i＝1,…,K；依据从各基站获得的发射功率P_n、信道信息H_n,i通过组合获得各用户的信道信息依据从各基站获得的发射功率P_n、信噪比SNR_n,i获得基站n与用户i间的噪声功率并依据获得用户i的噪声功率 ${\mathrm{\σ}}_i^2={\mathrm{\Σ}}_{n=1}^T{\mathrm{\σ}}_{n,i}^2.$