CN102546123A - 一种上行预编码方法及基站 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种上行预编码方法及基站，该上行预编码方法，用于多移动台多输入多输出***中，包括：基站接收至少两个移动台中的每一个移动台各自发送的参考信号；针对每个移动台，基站根据对应的参考信号进行信道估计，获取每一个移动台对应的信道响应矩阵；基站获得每一个移动台的每一个待发送数据流对应的预编码器的索引，其中至少一个移动台的待发送数据流的预编码器的索引根据移动台自身的信道响应矩阵和其他的待发送数据流对应的移动台的信道响应矩阵得到；基站将索引发送给对应的移动台；基站再进行接收矩阵的运算，从而将有用信号解出。本发明提高了***吞吐量。

Description

一种上行预编码方法及基站

技术领域

本发明涉及无线移动通信领域，特别是一种上行预编码方法及基站。

背景技术

未来无线通信***要求能提供越来越高的信息传输速率和通信质量。为了在有限的频谱资源上实现这一目标，MIMO(Multi Input Multi Output，多输入多输出)技术已成为未来无线通信中所采用的必不可少的手段之一。

在MIMO***中，发送端利用多根天线进行信号的发送，接收端利用多根天线进行信号的接收。研究表明，相比于传统的单天线传输方法，MIMO技术可以显著的提高信道容量，并提高信息传输速率。

在多移动台MIMO上行***中采用预编码Precoding的发送方法可以有效提高MIMO***的性能。预编码的基本思想是根据当前的信道信息，对待发送数据在发送之前进行预处理，包括线性处理和非线性处理等。

FDD***中，基站(BS)被假设知道所有的上行链路的信道状态信息CSI，因此基站能够计算每个移动台最优的预编码器/解码器，并选择合适的具有最好性能标准的移动台，然后向被选择的移动台反馈量化后的预编码器的索引。

现有技术的多移动台多输入多输出***中的上行预编码方法包括：

步骤A1，至少两个移动台中的每一个各自向基站发送参考信号；

步骤A2，针对每个移动台，基站根据移动台发送的参考信号进行信道估计后，对每个移动***立计算该移动台最优的预编码器，并对预编码器进行量化；

步骤A3，基站将量化后的预编码器对应的索引发送给对应的移动台，使移动台根据各自接收到的索引从码本中选择对应预编码矩阵对待发送数据流进行预编码处理后发送到基站。

然而，上述的上行预编码方法至少存在如下缺点：

众所周知的是，在多移动台多输入多输出***中，由于多个移动台同时进行数据流的传输，移动台之间不可避免的存在干扰，而上述的上行预编码方法中，将每个移动台看作独立的存在来选择移动台的预编码器，其必然无法选择到最优的预编码器，会导致***吞吐量降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种上行预编码方法及基站，提高***吞吐量。

为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种上行预编码方法，用于多移动台多输入多输出***中，所述上行预编码方法包括：

基站接收至少两个移动台中的每一个移动台各自发送的参考信号；

针对每个移动台，基站根据对应的参考信号进行信道估计，获取每一个移动台对应的信道响应矩阵；

基站获得每一个移动台的每一个待发送数据流对应的预编码器的索引，其中至少一个移动台的待发送数据流的预编码器的索引根据移动台自身的信道响应矩阵和其他的待发送数据流对应的移动台的信道响应矩阵得到；

基站将索引发送给对应的移动台，使移动台根据各自接收到的索引从码本中选择对应预编码矩阵对对应的待发送数据流进行预编码处理后发送到基站；

基站再进行接收矩阵的运算，从而将有用信号解出。

上述的上行预编码方法，其中，所述基站获得每一个移动台的每一个待发送数据流对应的预编码器的索引具体包括：

基站计算得到每一个待发送数据流对应的联合最优的t₁，...，t_M；r₁，...，r_M，其中，M为待发送数据流的数目，t_m，m＝1，...，M为第m个数据流的预编码矢量，r_m，m＝1，...，M为第m个数据流的解码矢量；

基站将联合最优的预编码器中的每一个矢量量化为码书中的一个矢量，如下：

${\hat{t}}_m=\underset{c_i^H,i=1,...2^B}{\arg \max }{\left|\right|t_m{c}_i\left|\right|}^2$

为事先保存在基站与移动台中的码书中的矢量，B为预编码矢量的量化比特。

上述的上行预编码方法，其中，所述基站利用穷举法获得每一个移动台的每一个待发送数据流对应的预编码器的索引，具体包括：

基站确定对应于所有待发送数据流可能的预编码器组合；每一个预编码器组合中的预编码器与待发送数据流一一对应；预编码器组合中的每一个矢量为码书中的一个矢量；

基站针对每一个预编码器组合计算性能参数；

基站根据性能参数计算结果，将具有最好性能参数的预编码器组合确定为本次传输所使用的预编码器组合；

所述基站发送给移动台的索引为确定为本次传输所使用的预编码器组合中的矢量在码书中的索引；

所述性能参数包括***容量、***吞吐量、误码率、加权以后的***容量或加权以后的吞吐量。

上述的上行预编码方法，其中，所述基站通过迭代逐个计算的方式获得每一个移动台的每一个待发送数据流对应的预编码器的索引，具体包括：

步骤A，为所述至少两个移动台的待发送数据流选择最初的预编码器索引，基站对至少一个待发送数据流中的每一个待发送数据流根据该数据流所属用户的信道估计结果独立计算该数据流最初的预编码器；

步骤B，利用已有的待发送数据流的最初的预编码器以及各用户的信道信息来联合计算所述至少两个移动台的待发送数据流中的一个或多个数据流的预编码器的索引。

上述的上行预编码方法，其中，所述基站再进行接收矩阵的运算，从而将有用信号解出步骤中，基站利用在反馈过程中计算出的每个数据流的预编码矢量索引，以及当前信道信息，计算接收矩阵R。

为了实现上述目的，本发明实施例提供了执行上述上行预编码方法的的预编码装置的基站，用于多移动台多输入多输出***中。

本发明实施例具有以下的有益效果：

本发明实施例中，由于基站获得每一个移动台的每一个待发送数据流对应的预编码器的索引时，其中至少一个移动台的待发送数据流的预编码器的索引根据移动台自身的信道响应矩阵和其他的待发送数据流对应的移动台的信道响应矩阵得到；也就是说基站没有将每个数据流看作独立的存在来确定预编码矢量，其考虑了数据流之间相互的干扰，因此，选择的预编码矢量更加符合实际情况，提高了***吞吐量。

附图说明

图1为本发明第一实施例的方法的流程示意图；

图2-图9为本发明实施例的仿真结果示意图。

具体实施方式

本发明实施例的上行预编码方法及基站中，用于FDD***，其通过综合考虑多个移动台之间的相互影响来选择每个移动台各自对应的预编码器，以提高***的吞吐量。

假设小区中有一个基站，K个移动台(用户)同时向该基站发射上行数据。基站有N_R个天线，第k个移动台有N_k个天线。第k个移动台发射L_k个数据流。L_k≤N_k，且

接收信号可写为：

${\hat{s}}_m=r_m^T(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i^T{\hat{t}}_i^T{s}_i+n_m)=r_m^T{H}_m^T{\hat{t}}_m^T{s}_m+r_m^T\underset{i\≠m}{\overset{M}{\underset{i=1}{\mathrm{\Σ}}}}{H}_i^T{\hat{t}}_i^T{s}_i+r_m^T{n}_m$

其中

m＝1，...，M为第m个数据流的发射预编码器(预编码矢量)(1×N_k维)。H_m，m＝1，...，M为第m个数据流所属的移动台与基站之间的信道的信道的响应矩阵(N_k×N_R维)，其中包含了发射功率，大尺度衰落，以及小尺度衰落等信息。

m＝1，...，M为第m个数据流的解码器(解码矢量)(N_R×1维)。s_m，m＝1，...，M为第m个数据流的发射数据。m＝1，...，M为第m个数据流的解码软输出。n_m，m＝1，...，M为第m个数据流的上的噪声。上标T表示为转置操作。

本发明实施例的上行预编码方法用于多移动台多输入多输出***中，如图1所示，为本发明第一实施例的上行预编码方法的流程示意图，该方法包括：

步骤11，基站接收至少两个移动台中的每一个移动台各自发送的参考信号；

步骤12，针对每个移动台，基站根据对应的参考信号进行信道估计，获取每一个移动台对应的信道响应矩阵；

步骤13，基站获得每一个移动台的每一个待发送数据流对应的预编码器的索引，其中至少一个移动台的待发送数据流的预编码器的索引根据移动台自身的信道响应矩阵和其他的待发送数据流对应的移动台的信道响应矩阵得到；

步骤14，基站将索引发送给对应的移动台，使移动台根据各自接收到的索引从码本中选择对应预编码矩阵对对应的待发送数据流进行预编码处理后发送到基站；

步骤15，基站再进行接收矩阵的运算，从而将有用信号解出。

在本发明的具体实施例中，步骤13需要获得每一个移动台的待发送数据流对应的预编码器(预编码矢量)的索引，而其中至少一个移动台的待发送数据流对应的预编码器的索引的获得根据移动台自身的信道响应矩阵和其他的待发送数据流对应的移动台的信道响应矩阵得到，在本发明的具体实施例中，可以通过多种方式来实现，具体说明如下。

<实现方式一>

在实现方式一中，步骤13具体包括：

步骤131，基站计算每一个待发送数据流联合最优的预编码器t₁，...，t_M和解码器r₁，...，r_M。

其中，M(大于或等于2)为待发送数据流的总数量；t_m，m＝1，...，M为第m个数据流的预编码矢量，为1×N_k维，r_m，m＝1，...，M为第m个数据流的解码器(解码矢量)，为N_R×1维。

步骤132，基站对最优的预编码器进行量化，得到最优的预编码器中每一个矢量对应的索引，也就是将联合最优的预编码器中的每一个矢量t_m，m＝1，...，M量化为码书中的一个矢量

m＝1，...，M，如下：

${\hat{t}}_m=\underset{c_i^H,i=1,...2^B}{\arg \max }{\left|\right|t_m{c}_i\left|\right|}^2$

为事先保存在基站与移动台中的码书中的矢量，为N_k×1维，B为预编码矢量的量化比特，上标H为求共轭转置的操作。

步骤131的可通过不同算法来实现。在此以三种算法为例进行详细描述如下。

采用算法A，步骤131包括：

步骤A1，执行初始化，得到每个移动台的所有待发送数据流对应的预编码器

(L_k×N_k维)，的初始值，如下：

$T_k={[I_{L_k},0,...,0]}_{L_k\&times;N_k},(k=1,...,K)$

其中

是移动台中的L_k个数据流对应的预编码器。

步骤A2，根据T_k计算解码器

(N_R×L_k维)，其中

是移动台中的L_k个数据流对应的解码器。R_k计算如下：

$R_k={(\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{H}_i^H{T}_i^H{T}_i{H}_i+v{I}_{N_R})}^{-1}{H}_k^H{T}_k^H,k=1,...,K$

其中，H_k为移动台k与基站之间的信道的信道响应矩阵(N_k×N_R维)。ν是拉格朗日乘子。上标H表示为共轭转置操作。

步骤A3，根据解码器R_k计算新的T_k，如下：

$T_k=R_k^H{H}_k^H{(H_k\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(R_i{R}_i^H\right)H_k^H+N_0{I}_{N_k})}^{-1},k=1,...,K$

其中，N₀为噪声方差；

步骤A4，重复步骤A2和A3，直至两次迭代得到的预编码器的差值的范数小于一个预先设定的数值。

然而上述的方式中，在每一个迭代步骤中都需要计算拉格朗日乘子，运算量较大，为了解决上述问题，本发明实施例进一步提供第二种计算联合最优的预编码器T和解码器R的方案。

采用算法B，步骤131包括：

步骤B1，对每一个移动台进行初始化，得到每个移动台的所有待发送数据流对应的预编码器，如下：

$T_k={[{I_L}_k,0,...,0]}_{L_k\&times;N_k},(k=1,...,K)$

步骤B2，计算每一个移动台的H^-((L-L_k)×N_R维)，如下：

$H_k^{-}\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}{[H_1^T{T}_1^T,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,H_{k-1}^T{T}_{k-1}^T,H_{k+1}^T{T}_{k+1}^T,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,H_K^T{T}_K^T]}^T$

其中上标T为求转置的操作；

步骤B3，对每一个移动台计算各自的零空间Q(N_R×L_k维)，如下：

$Q_k=\mathrm{null}\left(H_k^{-}\right)$

其中null为求零空间的操作，

0为L_k×(L-L_k)维零矩阵。

步骤B4，对每一个移动台的HO进行奇异值分解，如下：

$\mathrm{SVD}\left(H_k{Q}_k\right)=U_k{\mathrm{\&Lambda;}}_k{V}_k^H$

步骤B5，对每一个移动台利用奇异值分解的结果计算各自对应的解码器，如下：

R_k＝Q_kV_k

步骤B6，对每一个移动台利用奇异值分解的结果计算各自对应的T_k，如下：

$T_k=U_k^H$

步骤B7，重复步骤B2至B6，直至下式成立：

${\left|\right|H_k^{-}{R}_k\left|\right|}_F^2<{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{th}}$

上述的计算联合最优的预编码器和解码器相对于第一种方式而言，其计算量有所减少，但在迭代时间上还是比较长，为了降低迭代时间，本发明具体实施例中进一步提供第三种计算联合最优的预编码器和解码器的方案。

采用算法C，步骤131包括：

步骤C1，对每一个移动台进行初始化，得到每个移动台各自对应的预编码器，如下：

$T_k=I_{N_k}$

步骤C2，根据初始化的预编码器计算解码器，如下：

$R_k={(\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{H}_i^H{T}_i^H{T}_i{H}_i+N_0{I}_{N_R})}^{-1}{H}_k^H{T}_k^H$

$={(\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{H}_i^H{H}_i+N_0{I}_{N_R})}^{-1}{H}_k^H$

其中，N₀为噪声方差。

步骤C3，对每一个移动台的HR进行奇异值分解，如下：

$\mathrm{SVD}\left(H_k{R}_k\right)=U_k{\mathrm{\&Lambda;}}_k{V}_k^H$

步骤C4，对每一个移动台利用奇异值分解的结果计算各自对应的T_k，

即T_k取为

中对应于最大L_k个特征值的L_k个特征向量。

步骤C5，根据初始化的T_k计算新的R_k，如下：

$R_k={(\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{H}_i^H{T}_i^H{T}_i{H}_i+N_0{I}_{N_k})}^{-1}{H}_k^H{T}_k^H$

步骤C6，对R_k中的每个矢量进行归一化处理，如下：

$r_m^k=r_m^k/\left|\right|r_m^k\left|\right|,m=1,...L_k$

步骤C7，根据归一化后的R_k计算T_k，如下：

$T_k=R_k^H{H}_k^H{(H_k\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(R_i{R}_i^H\right)H_k^H+N_0{I}_{N_k})}^{-1}$

步骤C8，对步骤C7得到的T_k中的每一个矢量

m＝1，...L_k执行如下所示的更新操作：

$t_m^k=t_m^k/\left|\right|t_m^k\left|\right|,m=1,...L_k$

步骤C9，重复步骤C5到C8，直至两次迭代得到的预编码器的差值的范数小于一个预先设定的一个数值。

<实现方式二>

第一种实现方式由于需要进行量化操作，会引入量化误差，使得实际使用的预编码器并不是最佳预编码器。则实际所能达到的性能也无法达到最佳预编码器所能达到的性能。针对此问题，本发明又提出了第二种实现方式。

实现方式二中，基站利用穷举法获得每一个移动台的每一个待发送数据流对应的预编码器的索引，具体包括：

步骤133，基站确定对应于所有待发送数据流可能的预编码器组合；每一个预编码器组合中的预编码器与待发送数据流一一对应；预编码器组合中的每一个矢量为码书中的一个矢量；

步骤134，基站针对每一个预编码器组合计算性能参数；

步骤135，基站根据性能参数计算结果，将具有最好性能参数的预编码器组合确定为本次传输所使用的预编码器组合；

所述基站发送给移动台的索引为所述确定为本次传输所使用的预编码器组合中的矢量在码书中的索引。

所述性能参数包括***容量，***吞吐量，误码率，或加权以后的***容量或加权以后的吞吐量。下面以性能参数为***容量为例说明如下。

在M个数据流，2^B个码本的情况下，预编码器组合有(2^B)M

种。例如，当M＝4，B＝4时，(2^B)^M＝65536。

首先，选定某一编码器组合。假设第m个数据流用码书中的预编码矢量

发射，则M个数据流的组合所采用的预编码器组合为

针对每一个预编码器组合执行如下运算：

计算该预编码器组合所构造的等价信道H，如下：

$H_{i_1,...,i_M}={[H_1^T{c}_{i_1},...,H_M^T{c}_{i_M}]}^T$

其中H_m，m＝1，...，M为第m个数据流所属的移动台的信道响应矩阵。当然，在一个移动台有多个待发送数据流时，即当第m₁个数据流与第m₂(m₁≠m₂)个数据流同属于一个移动台时， $H_{m_1}=H_{m_2},(m_1=1,...,M,m_2=1,...,M).$

然后，利用计算得到的

对每一个待发送数据流计算接收解码器，如下：

$r_m={\left[H_{i_1,i_2,i_3,i_4}^H{H}_{i_1,i_2,i_3,i_4}\right]}^{-1}{H}_m^H{c}_{i_m},(m=1,...,M)$

接着，计算每一个数据流所对应的接收信干噪比(SINR)，如下：

${\mathrm{SINR}}_m^{i_1,...,i_M}=\frac{1}{N_0}{\left|r_m^T{H}_m^T{c}_{i_m}\right|}^2/(1+\underset{k\&NotEqual;m}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{1}{N_0}{\left|r_m^T{H}_k^T{c}_{i_k}\right|}^2),(m=1,...,M)$

最后，计算该预编码器组合的***容量(sum rate)，如下：

${\mathrm{sumrate}}_{i_1,...,i_M}=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_m^{i_1,...,i_M})$

在得到每一个预编码器组合的吞吐量之后，选择sumrate最大的预编码器组合，如下：

$\{{{\hat{t}}_1}^T,...,{\hat{t}}_M^T\}=\underset{c_{i_1},...,c_{i_M},i_1,...,i_M=1,...2^B}{\arg \max }{\left|\right|{\mathrm{sumrate}}_{i_1,...,i_M}\left|\right|}^2$

在本发明的第二种实现方式中，由于移动台可以选择的预编码器是有限的，只能从预先设置好的一些预编码器中进行选择，所以直接根据可能的预编码器组合预先计算吞吐量，最后选择吞吐量最大的预编码器组合，则预先计算的吞吐量与实际的吞吐量十分接近。避免了第一种实现方式带来的量化误差。

<实现方式三>

实现方式二虽然能达到最佳的性能，但是由于需要计算所有预编码器组合所对应的性能指标，运算量较大。针对这一问题，本发明又提出了地三中实现方式，可使运算量大为减小。

实现方式三中，基站通过迭代逐个计算的方式获得每一个移动台的每一个待发送数据流对应的预编码器的索引，具体包括：

步骤136，为所述至少两个移动台的待发送数据流选择最初的预编码器索引，基站对至少一个待发送数据流中的每一个待发送数据流根据该数据流所属用户的信道估计结果独立计算该数据流最初的预编码器；

步骤137，利用已有的待发送数据流的最初的预编码器以及各用户的信道信息来联合计算所述至少两个移动台的待发送数据流中的一个或多个数据流的预编码器的索引。

在本发明的实现方式三中，分为两种情况，分别描述如下。

情况一

在情况一中，在步骤136中，基站从码书中选择与该用户信道相关性最大的矢量作为最初的预编码器，如下：

${\hat{t}}_m^T=\underset{c_i,i=1,...2^B}{\arg \max }{\left|\right|H_m^T{c}_i\left|\right|}^2,m=1,...,M$

然后在步骤137中，再将每个用户的信道投影到其他用户等价信道的零空间上，每个用户预编码矢量选为与该用户在其他用户等价信道零空间上的投影相关性最大的那个码矢量，如下所示：

${\hat{t}}_m^T=\underset{c_i,i=1,...2^B}{\arg \max }{\left|\right|\mathrm{null}\left(H\right|h_m)H_m^T{c}_i\left|\right|}^2,m=1,...,M$

其中h_m为第m个用户的等价信道，表示为：

$h_m={\hat{t}}_m{H}_m,m=1,...,M$

其中：

m＝1，...，M为第m个数据流已经得到的预编码器或初始预编码器；

$H={[h_1^T,...,h_M^T]}^T$

H|h_m为H中除去h_m的操作，即：

$H|h_m={[h_1^T,...,h_{m-1}^T,h_{m+1}^T,..,h_M^T]}^T$

null为求零空间的操作。

当然，在本发明的具体实施例中，以一个移动台一个待发送数据流为例，可以按照如下方式更新：

移动台1、移动台2、...、移动台M

......

移动台1、移动台2、...、移动台M

具体迭代多少次可以根据需要而定。

当然，在本发明的具体实施例中，也可以仅对移动台1、移动台2、...、移动台M中的部分移动台进行更新，其能够提高的吞吐量肯定小于全部更新的情况，但应当理解的是，相对于现有技术的所有移动台的预编码器都独立计算而言，还是能够提高吞吐量。

在情况一中，首先对所述至少两个移动台中的每一个移动台的每一个待发送数据流均独立计算该移动台最初的预编码器，在情况二中，可以对部分待发送数据流独立计算最初的预编码器，然后再利用已有的预编码器来联合计算所述至少两个移动台的待发送数据流中的一个或多个数据流的预编码器。

对于情况二而言，在计算下式之前：

${\hat{t}}_m^T=\underset{c_i,i=1,...2^B}{\arg \max }{\left|\right|\mathrm{null}\left(H\right|h_m)H_m^T{c}_i\left|\right|}^2,m=1,...,M$

需要先联合计算剩余的待发送数据流中的预编码器一次，如下：

${\hat{t}}_m^T=\underset{c_i,i=1,...2^B}{\arg \max }{\left|\right|\mathrm{null}\left({[H_1^T{t}_1^T,...,H_{m-1}^T{t}_{m-1}^T]}^T\right)H_m^T{c}_i\left|\right|}^2,m=1,...M$

假定待发送数据流1的预编码器独立计算得到，则待发送数据流2的预编器如下：

${\hat{t}}_2^T=\underset{c_i,i=1,...2^B}{\arg \max }{\left|\right|\mathrm{null}\left({\left[H_1^T{t}_1^T\right]}^T\right)H_2^T{c}_i\left|\right|}^2$

而待发送数据流3的预编器如下：

${\hat{t}}_3^T=\underset{c_i,i=1,...2^B}{\arg \max }{\left|\right|\mathrm{null}\left({[H_1^T{t}_1^T,H_2^T{t}_2^T]}^T\right)H_3^T{c}_i\left|\right|}^2$

而待发送数据流4的预编器如下：

${\hat{t}}_4^T=\underset{c_i,i=1,...2^B}{\arg \max }{\left|\right|\mathrm{null}\left({[H_1^T{t}_1^T,H_2^T{t}_2^T,H_3^T{t}_3^T]}^T\right)H_4^T{c}_i\left|\right|}^2$

在所有的待发送数据流的预编码器都有一初始值之后，再利用下式进行更新：

${\hat{t}}_m^T=\underset{c_i,i=1,...2^B}{\arg \max }{\left|\right|\mathrm{null}\left(H\right|h_m)H_m^T{c}_i\left|\right|}^2,m=1,...,M$

具体迭代计算多少次可以根据需要而定。

步骤15中，在基站端，基站在接收到移动台根据接收到的索引从码本中选择对应预编码矩阵对待发送数据流进行预编码处理后发送的数据流之后，重新计算新的解码器R，说明如下。

第一步，构造M个数据流的等价信道的组合H.有两种实现方式来构造H，具体说明如下：

实现方式一：移动台向基站发送未经预编码的参考信号，基站通过接收参考信号获得当前信道信息。基站利用在反馈过程中计算出的每个数据流的预编码矢量索引，以及当前信道信息，构造H。即

$H={[H_1^T{\hat{t}}_1^T,...,H_M^T{\hat{t}}_M^T]}^T$

其中

m＝1，...，M为第m个数据流对应的预编码矢量。

实现方式二：移动台向基站发送经预编码后的参考信号，基站通过接收经预编码后的参考信号获得当前经预编码后的信道信息H′_m，m＝1，...，M。基站利用当前经预编码后的信道信息构造H。即

$H={[{H^{\&prime;}}_1^T,...,{H^{\&prime;}}_M^T]}^T.$

第二步，基站利用构造的H，计算第m个数据流对应的解码矢量为：

$r_m={\left[H^{H}H\right]}^{-1}{H}_m^H{t}_m^H,(m=1,...,M),$

则总的BS解码器可写为R＝[r₁，...，r_M]。

利用解码器，解出个个信号。第m个数据流解码后的信号软输出为：

最终总传输速率(容量)为

其中

${\mathrm{SINR}}_m=\frac{{\left|r_m^T{H}_m^T{t}_m\right|}^2}{(N_0+\underset{k\&NotEqual;m}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left|r_m^T{H}_m^T{t}_k\right|}^2)},(m=1,...M).$

为了验证本发明实施例的技术效果，对上述方案进行仿真，仿真条件如下：

***带宽            10MHz

载波频率            2GHz

FFT尺寸             1024

子载波数量          600

子载波间隔          15KHz

资源块尺寸(子载波)  12

延时                1.5ms

移动台发射天线数量  4

基站接收天线数量    4

码本                Rel.10UL SU-MIMO码本

预编码器            线性ZF(迫零)

解码器              线性MMSE

移动台数目          4

信道                典型Urban6路块衰落信道

信道估计误差        0，10％

移动速度            3km/h

其中，图2中为4×4MMIO，移动台数为4，采用MMSE解码器，移动速度为3Km/h，而步骤13利用方式一中的第3种实现方式的情况下的仿真示意图，从图2中可以发现，随着SNR的增加，本发明实施例的方法(图中带有星型标记的曲线)与吞吐量的上限(图中带有圆圈的曲线)之间的差距基本维持在3bps/Hz左右，但对于现有技术的方法，随着SNR的增加，本发明实施例的方法的吞吐量与现有技术的方法(图中带有三角形的曲线)的吞吐量的差异逐渐增大，在SNR为20dB时，二者相差达到6bps/Hz左右。

其中，图3中为4×4MMIO，移动台数为4，采用MMSE解码器，移动速度为3Km/h，而步骤13利用方式二中的穷举搜索实现的情况下的仿真示意图，从图3中可以发现，随着SNR的增加，本发明实施例的方法(图中带有矩形标记的曲线)与吞吐量的上限(图中带有圆圈的曲线)之间的差距基本维持在2bps/Hz左右，但相对于现有技术的方法，随着SNR的增加，本发明实施例的方法的吞吐量与现有技术的方法(图中带有三角形的曲线)的吞吐量的差异越大，在SNR为20dB时，二者相差达到7bps/Hz左右。

其中，图4中为4×4MMIO，移动台数为4，采用MMSE解码器，移动速度为3Km/h，而步骤13利用方式三中的第一种方式实现的情况下的仿真示意图，从图4中可以发现，随着SNR的增加，本发明实施例的方法(图中带有叉的曲线)与吞吐量的上限(图中带有圆圈的曲线)之间的差距基本维持在2.5bps/Hz左右，但相对于现有技术的方法，随着SNR的增加，本发明实施例的方法的吞吐量与现有技术的方法(图中带有三角形的曲线)的吞吐量的差异越大，在SNR为20dB时，二者相差达到6.5bps/Hz左右。

其中，图5中为4×4MMIO，移动台数为4，采用MMSE解码器，移动速度为3Km/h，而步骤13利用方式三中的第二种方式实现的情况下的仿真示意图，从图4中可以发现，随着SNR的增加，本发明实施例的方法(图中带有菱形的曲线)与吞吐量的上限(图中带有圆圈的曲线)之间的差距基本维持在2bps/Hz左右，但相对于现有技术的方法，随着SNR的增加，本发明实施例的方法的吞吐量与现有技术的方法(图中带有三角形的曲线)的吞吐量的差异越大，在SNR为20dB时，二者相差达到6.6bps/Hz左右。

图6到图9分别与图2到图5对应，二者之间的差别在于图6到图9所对应的方针条件中，信道估计误差为10％，但图6-图9的仿真结果也表明同样的结果，本发明实施例的方法相对于现有技术的方法，能够带来明显的吞吐量的增加。

本发明实施例的基站用于多移动台多输入多输出***中，所述基站包括用于执行以上描述的上行预编码方法的预编码装置，在此不作详细描述。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种上行预编码方法，用于多移动台多输入多输出***中，其特征在于，所述上行预编码方法包括：

基站接收至少两个移动台中的每一个移动台各自发送的参考信号；

针对每个移动台，基站根据对应的参考信号进行信道估计，获取每一个移动台对应的信道响应矩阵；

基站获得每一个移动台的每一个待发送数据流对应的预编码器的索引，其中至少一个移动台的待发送数据流的预编码器的索引根据移动台自身的信道响应矩阵和其他的待发送数据流对应的移动台的信道响应矩阵得到；

基站将索引发送给对应的移动台，使移动台根据各自接收到的索引从码本中选择对应预编码矩阵对对应的待发送数据流进行预编码处理后发送到基站；

基站再进行接收矩阵的运算，从而将有用信号解出。

2.根据权利要求1所述的上行预编码方法，其特征在于，所述基站获得每一个移动台的每一个待发送数据流对应的预编码器的索引具体包括：

基站计算得到每一个待发送数据流对应的联合最优的t₁，...，t_M；r₁，...，r_M，其中，M为待发送数据流的数目，t_m，m＝1，...，M，为第m个数据流的预编码矢量，r_m，m＝1，...，M，为第m个数据流的解码矢量；

基站将联合最优的预编码器中的每一个矢量量化为码书中的一个矢量，如下：

${\hat{t}}_m=\underset{c_i^H,i=,...2^B}{\arg \max }{\left|\right|t_m{c}_i\left|\right|}^2$

为事先保存在基站与移动台中的码书中的矢量，B为预编码矢量的量化比特，上标H为求共轭转置的操作。

3.根据权利要求2所述的上行预编码方法，其特征在于，基站计算得到每一个待发送数据流对应的联合最优的预编码器具体包括：

步骤A1，执行初始化，得到每个移动台的所有待发送数据流对应的预编码器，如下：

$T_k={[{I_L}_k,0,...,0]}_{L_k\&times;N_k},k=1,...,K$

其中，K为移动台数目，L_k为移动台k的数据流数目，N_k为移动台k的天线数目；

为L_k×L_k维单位阵

步骤A2，根据T_k计算解码器R_k，如下：

$R_k={(\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{H}_i^H{T}_i^H{T}_i{H}_i+v{I}_{N_R})}^{-1}{H}_k^H{T}_k^H$

其中，H_k为移动台k与基站之间的信道的信道响应矩阵，N_R为基站的天线数目，K为移动台数目，ν是拉格朗日乘子；

步骤A3，根据解码器R_k计算新的T_k，如下：

$T_k=R_k^H{H}_k^H{(H_k\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(R_i{R}_i^H\right)H_k^H+N_0{I}_{N_k})}^{-1}$

其中，N₀为噪声方差，I为单位阵；

步骤A4，重复步骤A2和A3，直至两次迭代得到的预编码器的差值的范数小于一个预先设定的一个数值。

4.根据权利要求2所述的上行预编码方法，其特征在于，基站计算得到每一个待发送数据流对应的联合最优的预编码器具体包括：

步骤B1，对每一个移动台进行初始化，得到每个移动台的所有待发送数据流对应的预编码器，如下：

$T_k={[{I_L}_k,0,...,0]}_{L_k\&times;N_k},k=1,...,K$

L_k为移动台k的数据流数目，N_k为移动台k的天线数目，K为移动台数目；

步骤B2，计算每一个移动台的H^-，如下：

$H_k^{-}\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}{[H_1^T{T}_1^T,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,H_{k-1}^T{T}_{k-1}^T,H_{k+1}^T{T}_{k+1}^T,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,H_K^T{T}_K^T]}^T$

上标T为求转置的操作；

步骤B3，对每一个移动台计算各自的H^-对应的零空间Q，如下：

$Q_k=\mathrm{null}\left(H_k^{-}\right)$

步骤B4，对每一个移动台的HQ进行奇异值分解，如下：

$\mathrm{SVD}\left(H_k{Q}_k\right)=U_k{\mathrm{\&Lambda;}}_k{V}_k^H$

步骤B5，对每一个移动台利用奇异值分解的结果计算各自对应的解码器，如下：

R_k＝Q_kV_k

步骤B6，对每一个移动台利用奇异值分解的结果计算各自对应的T_k，如下：

$T_k=U_k^H$

步骤B7，重复步骤B2至B6，直至下式成立：

${\left|\right|H_k^{-}{R}_k\left|\right|}_F^2<{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{th}};$

其中ε_th为预先设定的一个数值。

5.根据权利要求2所述的上行预编码方法，其特征在于，基站计算得到每一个待发送数据流对应的联合最优的预编码器具体包括：

步骤C1，对每一个移动台进行初始化，得到每个移动台各自对应的预编码器，如下：

$T_k=I_{N_k}$

其中，N_k为移动台k的天线数目；

步骤C2，根据初始化的预编码器计算解码器，如下：

$R_k={(\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{H}_i^H{T}_i^H{T}_i{H}_i+N_0{I}_{N_R})}^{-1}{H}_k^H{T}_k^H$

$={(\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{H}_i^H{H}_i+N_0{I_N}_R)}^{-1}{H}_k^H$

其中，N₀为噪声方差，H_k，k＝1，...，K，为移动台k与基站之间的信道的信道响应矩阵，N_R为基站的天线数目，L_k为移动台k的数据流数目；

步骤C3，对每一个移动台的HR进行奇异值分解，如下：

$\mathrm{SVD}\left(H_k{R}_k\right)=U_k{\mathrm{\&Lambda;}}_k{V}_k^H$

步骤C4，对每一个移动台利用奇异值分解的结果计算各自对应的T_k，

$T_k=U_k^H{|}_{1,...,L_k}$

步骤C5，根据初始化的T_k计算新的R_K，如下：

$R_k={(\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{H}_i^H{T}_i^H{T}_i{H}_i+N_0{I_N}_k)}^{-1}{H}_k^H{T}_k^H$

步骤C6，对R_K中的每个矢量进行归一化处理，如下：

$r_m^k=r_m^k/\left|\right|r_m^k\left|\right|,m=1,...L_k$

步骤C7，根据归一化后的R_k计算T_k，如下：

$T_k=R_k^H{H}_k^H{(H_k\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(R_i{R}_i^H\right)H_k^H+N_0{I_N}_k)}^{-1}$

步骤C8，对步骤C7得到的T_k中的每一个矢量

m＝1，...L_k执行如下所示的更新操作：

$t_m^k=t_m^k/\left|\right|t_m^k\left|\right|,m=1,...L_k$

步骤C9，重复步骤C5至C8，直至两次迭代得到的预编码器的差值的范数小于一个预先设定的一个数值。

6.根据权利要求1所述的上行预编码方法，其特征在于，所述基站利用穷举法获得每一个移动台的每一个待发送数据流对应的预编码器的索引，具体包括：

基站确定对应于所有待发送数据流可能的预编码器组合；每一个预编码器组合中的预编码器与待发送数据流一一对应；预编码器组合中的每一个矢量为码书中的一个矢量；

基站针对每一个预编码器组合计算性能参数；

基站根据性能参数计算结果，将具有最好性能参数的预编码器组合确定为本次传输所使用的预编码器组合；

所述基站发送给移动台的索引为确定为本次传输所使用的预编码器组合中的矢量在码书中的索引；

所述性能参数包括***容量、***吞吐量、误码率、加权以后的***容量或加权以后的吞吐量。

7.根据权利要求1所述的上行预编码方法，其特征在于，所述基站通过迭代逐个计算的方式获得每一个移动台的每一个待发送数据流对应的预编码器的索引，具体包括：

步骤A，为所述至少两个移动台的待发送数据流选择最初的预编码器索引，基站对至少一个待发送数据流中的每一个待发送数据流根据该数据流所属用户的信道估计结果独立计算该数据流最初的预编码器；

步骤B，利用已有的待发送数据流的最初的预编码器以及各用户的信道信息来联合计算所述至少两个移动台的待发送数据流中的一个或多个数据流的预编码器的索引。

8.根据权利要求7所述的上行预编码方法，其特征在于，步骤A中，基站从码书中选择与该用户信道相关性最大的矢量作为最初的预编码器，如下：

${\hat{t}}_m^T=\underset{c_i,i=1,...2^B}{\arg \max }{\left|\right|H_m^T{c}_i\left|\right|}^2,m=1,...,M$

其中，M为待发送数据流的数目；

步骤B中，基站将每个用户的信道投影到其他用户等价信道的零空间上，然后每个用户预编码矢量选为与该用户在其他用户等价信道零空间上的投影相关性最大的那个码矢量，如下：

${\hat{t}}_m^T=\underset{c_i,i=1,...2^B}{\arg \max }{\left|\right|\mathrm{null}\left(H\right|h_m)H_m^T{c}_i\left|\right|}^2,m=1,...,M$

其中：

$H={[h_1^T,...,h_M^T]}^T$

h_m为第m个用户的等价信道，表示为：

$h_m={\hat{t}}_m{H}_m,m=1,...,M,$

其中

m＝1，...，M为第m个数据流已经得到的预编码器或初始预编码器；

H|h_m为H中除去h_m的操作，即：

$H|h_m={[h_1^T,...,h_{m-1}^T,h_{m+1}^T,..,h_M^T]}^T;$

null为求零空间的操作。

9.根据权利要求8所述的上行预编码方法，其特征在于，步骤A中，对所述至少两个移动台中的每一个移动台的待发送数据流均独立计算最初的预编码器。

10.根据权利要求8所述的上行预编码方法，其特征在于，步骤A中，对部分待发送数据流独立计算最初的预编码器，然后再根据已有的预编码器利用下式来联合计算剩余的待发送数据流的最初的预编码器后进入步骤B：

${\hat{t}}_m^T=\underset{c_i,i=1,...2^B}{\arg \max }{\left|\right|\mathrm{null}\left({[H_1^T{t}_1^T,...,H_{m-1}^T{t}_{m-1}^T]}^T\right)H_m^T{c}_i\left|\right|}^2,m=1,...M.$

11.根据权利要求1所述的上行预编码方法，其特征在于，所述基站再进行接收矩阵的运算，从而将有用信号解出步骤具体包括：

基站接收移动台发送的未经预编码的参考信号获得当前信道信息，并利用在反馈过程中计算出的每个数据流的预编码矢量索引，以及当前信道信息，构造H，如下：

$H={[H_1^T{\hat{t}}_1^T,...,H_M^T{\hat{t}}_M^T]}^T$

其中

m＝1，...，M为第m个数据流对应的预编码矢量；基站利用构造的H计算第m个数据流对应的解码矢量为：

$r_m={\left[H^{H}H\right]}^{-1}{H}_m^H{t}_m^H,(m=1,...,M)$

总的基站解码器为R＝[r₁，...，r_M]；

基站利用总的基站解码器解出各个信号。

12.一种基站，用于多移动台多输入多输出***中，其特征在于，所述基站包括用于执行权利要求1-11中任意一项所述的上行预编码方法的预编码装置。

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