CN102932043A - 下行多用户mimo 信号发射方法以及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开发射下行多用户MIMO信号的方法以及基站，将RRU端口分为P/M个天线分组，保存天线分组与端口的对应关系；判断用户所在通道，找到通道对应的天线分组；接收用户反馈的预编码矩阵，选择处于不同天线分组的用户，进行下行多用户MIMO传输；通知用户进行下行数据传输的天线分组以及预编码矩阵，预编码矩阵是用户从端口数为M的码本集合中选择的；按照预编码矩阵对数据进行加权，在用户所在天线端口将加权后数据输出给用户，其余端口不发送该用户的数据。本发明增加有用信号发射功率，减少干扰，提升室内小区吞吐量。

Description

下行多用户MIMO 信号发射方法以及装置

技术领域

本发明属于无线移动通信领域，尤其涉及适用于FDD-LTE室内分布***的下行多用户MIMO信号发射方法以及装置。

背景技术

MIMO(多输入多输出)技术通过在发射端和接收端配置多根天线，利用天线之间多径衰落的独立性实现多路信号的并行传输，在不增加***带宽和发射功率的情况下，可以提高信道容量，也可以用来提高信道的可靠性，降低误码率。因而LTE将MIMO作为必选技术之一。

LTE绝大部分高速数据业务都发生在室内，因此，如何做好室内覆盖，发挥MIMO优势，提升小区吞吐量，是运营商在进行LTE网络建设时需要解决的关键问题。

室内采用分布式***后，考虑到楼层之间以及墙体之间的穿透损耗较大，一般在20-30dB左右，室内用户将主要接收其所在楼层通道的信号，并且由于室内用户多处于静止状态，信道变化不大，因此与室外相比，利用室内环境进行多用户MIMO具有天然优势。

目前3GPP标准中的下行多用户MIMO码本与单用户MIMO码本相同，都是恒模的，即每个天线端口预编码只进行相位调整而没有幅值的变化。这种预编码码本设计没有考虑到室内用户接收基站多天线端口时的功率不平衡的特点，既浪费功率，又增加干扰。

发明内容

鉴于以上，本发明提出下行多用户MIMO信号发射方法以及装置。

下行多用户MIMO信号发射方法，包括以下步骤：

将RRU端口分为P/M个天线分组，保存天线分组与端口的对应关系，其中，P为RRU端口数，M为每楼层通道数，P大于M；

判断用户所在通道，找到通道对应的天线分组；

接收用户反馈的预编码矩阵，选择处于不同天线分组的用户，进行下行多用户MIMO传输；

通知用户进行下行数据传输的天线分组以及预编码矩阵，所述预编码矩阵是用户从端口数为M的码本集合中选择的，预编码矩阵是M×v矩阵，v为用户信道矩阵的秩；

按照预编码矩阵对数据进行加权，在用户所在天线端口将加权后数据输出给用户，其余端口不发送该用户的数据。

下行多用户MIMO信号发射装置，包括：

映射模块，将RRU端口分为P/M个天线分组，保存天线分组与端口的对应关系，其中，P为RRU端口数，M为每楼层通道数，P大于M；

分组模块，耦合于映射模块，判断用户所在通道，找到通道对应的天线分组；

选择模块，耦合于分组模块，接收用户反馈的预编码矩阵，选择处于不同天线分组的用户，进行下行多用户MIMO传输；

通知模块，耦合于选择模块，通知用户进行下行数据传输的天线分组以及预编码矩阵，所述预编码矩阵是用户从端口数为M的码本集合中选择的，预编码矩阵是M×v矩阵，v为用户信道矩阵的秩；

输出模块，按照预编码矩阵对数据进行加权，在用户所在天线端口将加权后数据输出给用户，其余端口不发送该用户的数据。

相对于现有的LTE下行多用户MIMO信号发射方式而言，本发明根据室内用户链路不平衡的特点，对处于不同通道的用户进行下行多用户MIMO配对，在下行多用户MIMO信号发射时，用户预编码码本在端口为用户所在楼层通道数的码本中进行选择，以方便集中基站功率在用户所在通道发射，对用户不在的通道不进行发射，从而节约发射功率，减少对配对用户的干扰，有效提升室内小区吞吐量。

附图说明

图1为本发明FDD-LTE室内分布***RRU端口和天线分组之间映射关系示意图。

图2为本发明FDD-LTE室内分布***下行多用户MIMO信号发射方法流程图。

图3为本发明下行多用户MIMO信号发射装置的结构示意图。

具体实施方式

为了解决现有技术存在的缺陷，本发明提出适用于FDD-LTE室内分布***的下行多用户MIMO信号发射方法以及装置。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细描述。

图1为本发明FDD-LTE室内分布***RRU(Remote RF Unit，远端射频单元)端口和天线分组之间映射关系示意图。考虑到RRU端口数P大于每楼层通道数M，P大于等于用户接收天线数N，为了充分利用MIMO空间复用增益，将RRU端口分为P/M个天线分组。每个天线分组对应一定的楼层，不同的天线分组对应不同的楼层。分组之间的天线在下行信道上采用多用户MIMO模式空分复用相同的时频单元。

图2为本发明FDD-LTE室内分布***下行多用户MIMO信号发射方法流程图。该方法包括步骤如下：

在步骤201、将RRU端口分为P/M个天线分组，保存天线分组与端口的对应关系。

P/M所得到的为整数。考虑到目前网络室内分布***部署情况，最可能的两种配置为P＝4，M＝2；P＝2，M＝1。

在步骤202、判断用户所在通道，找到通道对应的天线分组。

基站可以根据用户i不同端口上行信道接收功率，判断接收功率最强的端口为用户i所在通道，找到该通道对应的天线分组A⁽ⁱ⁾为该用户i所在的分组。

为用户i在端口p的接收功率，i＝0，1，...，Kp＝0，1，...，。在确定分组后，还可以把用户加入所在的天线分组列表ε_a＝1，2，...P/M。

在步骤203、基站接收用户反馈的预编码矩阵，选择处于不同天线分组的用户，进行下行多用户MIMO传输。其中，基站经过现有技术的配对算法选择用户。

在步骤204、通知用户进行下行数据传输的天线分组以及预编码矩阵，所述预编码矩阵是用户从端口数为M的码本集合中选择的，预编码矩阵是M×v矩阵，v为用户信道矩阵的秩。

比如，基站收到用户i预编码矩阵反馈后，通过下行信令通知用户i将在天线分组A⁽ⁱ⁾进行下行数据传输，预编码矩阵为

用户j将在天线分组A^(j)进行下行数据传输，预编码矩阵为其中A⁽ⁱ⁾不等于A^(j)。

在步骤205、按照预编码矩阵对数据进行加权，基站在用户所在天线端口将加权后数据输出给用户，其余端口不发送该用户的数据。比如，基站在用户i所在天线端口按照用户i反馈的预编码矩阵

对数据进行加权，输出给用户i，其余端口不发送用户i的数据。用户j所在端口按照用户j反馈的预编码矩阵对数据进行加权，输出给用户j，其余端口不发送用户j的数据。

到该步骤为止，已完成基站向用户终端的信号发射过程，当用户终端接收到信号时，用户i和用户j还可以分别进行信道估计，解析出接收信号。

相对于现有的LTE下行多用户MIMO信号发射方式而言，本发明根据室内用户链路不平衡的特点，对处于不同通道的用户进行下行多用户MIMO配对，在下行多用户MIMO信号发射时，用户预编码码本在天线端口数为用户所在楼层通道数的码本中进行选择，以方便集中基站功率在用户所在通道发射，对用户不在的通道不进行发射，从而节约发射功率，减少对配对用户的干扰，有效提升室内小区吞吐量。

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案进一步详细阐述。但本发明所涉及的原理和方法不局限于以下端口和天线数配置。

考虑到基站、用户终端、室内分布***的实际情况，本发明实施例将以4端口RRU、2收1发终端、室内2通道为例。室内每个楼层采用2通道分布***，每个楼层有2个独立射频通道，即每个分布式天线位置上有2根发射天线。楼层1和楼层2为第一天线分组，对应RRU端口1和RRU端口2，楼层3和楼层4为第二天线分组，对应RRU端口3和RRU端口4。

本实施例中RRU端口数4大于每层天线数2，也大于用户接收天线数2。采用单用户MIMO模式时，单用户下行信道最大秩为2；采用多用户MIMO模式时，可支持两个用户同时进行下行信道最大秩为2的传输，将会成倍增加***容量。

用户i在楼层1，属于第一天线分组，对应RRU端口1和RRU端口2，下行信道秩为2。用户j在楼层3，属于第二天线分组，对应RRU端口3和RRU端口4，下行信道秩为2。按照3GPP标准的MU-MIMO，用户i和用户j将在端口为4的码本中根据信道秩2选择预编码矩阵，选出的预编码矩阵

和

均为4×2矩阵。由于目前3GPP标准的码本具有恒模特性，每个天线端口幅值相等，只是相位加权不同，以保证连接到每个天线的功率放大器负荷相同。因此用户i虽然主要接收来自于楼层1的2通道天线的信号，接收来自于楼层3的2通道天线功率会很小，但基站仍然会以相等的功率在端口1-端口4发送用户i数据S₁与S₂。同理对于用户j基站会以相等的功率在端口1-端口4发送用户j数据S₃与S₄。

假设用户i下行RI＝2，PMI＝0，其中，RI(Rank Indicator)，信道秩指示，PMI(Precoding Matrix Indicator)，预编码矩阵指示。用户在进行信道估计以后，可以通过不同的算法，如最大化SINR/最小化误符号率等，选择出预编码矩阵，则预编码矩阵为：

$W_4^{\left(i\right)}=\left(\begin{array}{cc}0.3536& 0.3536\\ 0.3536& -0.3536\\ 0.3536& -0.3536\\ 0.3536& 0.3536\end{array}\right)$

用户j下行RI＝2，PMI＝1，则预编码矩阵：

$W_4^{\left(j\right)}=\left(\begin{array}{cc}0.3536& -0.3536i\\ 0.3536i& 0.3536\\ -0.3536& -0.3536i\\ -0.3536i& 0.3536\end{array}\right)$

进行MU-MIMO时，基站发射的信号

$S=W_4^{\left(i\right)}\left(\begin{array}{c}{S}_1\\ S_2\end{array}\right)+W_4^{\left(j\right)}\left(\begin{array}{c}{S}_3\\ S_4\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}0.3536& 0.3536\\ 0.3536& -0.3536\\ 0.3536& -0.3536\\ 0.3536& 0.3536\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{S}_1\\ S_2\end{array}\right)+\left(\begin{array}{cc}0.3536& -0.3536i\\ 0.3536i& 0.3536\\ -0.3536& -0.3536i\\ -0.3536i& 0.3536\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{S}_3\\ S_4\end{array}\right)$

$=\left(\begin{array}{c}0.3536S_1+0.3536S_2+0.3536S_3-0.3536i{S}_4\\ 0.3536S_1-0.3536S_2+0.3536i{S}_3+0.3536S_4\\ 0.3536S_1-0.3536S_2-0.3536S_3-0.3536i{S}_4\\ 0.3536S_1+0.3536S_2-0.3536{\mathrm{iS}}_3+0.3536i{S}_4\end{array}\right)$

由基站发射信号S表达式可以看出，最终每个天线端口发送信号为用户i数据S₁、S₂和用户j数据S₃、S₄进行等功率叠加。这样对于用户i来说，有一半功率浪费在端口3和端口4，并且还会对用户j造成干扰。同理对于用户j来说，有一半功率浪费在端口1和端口2，并且还会对用户i造成干扰。

因此本发明提出，用户i在天线端口为M的码本中根据下行信道的秩v进行下行PMI选择反馈。具体本实施例中，用户i和用户j在天线端口数为2的码本中根据下行信道秩2反馈预编码码本

和

选出的预编码码本为2×2矩阵。

假设用户i下行RI＝2，PMI＝1，则用户反馈的预编码矩阵：

$W_2^{\left(i\right)}=\left(\begin{array}{cc}0.5& 0.5\\ 0.5& -0.5\end{array}\right)$

用户j下行RI＝2，PMI＝2，则用户反馈的预编码矩阵：

$W_2^{\left(j\right)}=\left(\begin{array}{cc}0.5& 0.5\\ 0.5i& -0.5i\end{array}\right)$

基站通知用户i的下行数据将在天线端口1和端口2传输，用户j的下行数据将在天线端口3和端口4传输。

基站根据用户i反馈的预编码矩阵

对下行数据S₁、S₂加权后在天线端口1和端口2传输，根据用户j反馈的预编码矩阵对下行数据S₃、S₄加权后在天线端口3和端口4传输。

最终在基站天线端口1和端口2发送信号为用户i数据S₁与S₂的等功率叠加，在天线端口3和端口4发送信号为用户j数据S₃与S₄的等功率叠加。这样对于用户i来说，没有功率浪费在端口3和端口4，并且减少对用户j造成干扰。同理对于用户j来说，没有功率浪费在端口1和端口2，并且减少对用户i造成干扰。

对于P＝4，M＝2，基站接收到用户反馈的预编码矩阵为2×2，而基站的发射端口为4个，即对下行数据加权的标准矩阵为4×2，为了按照用户反馈的预编码矩阵进行加权，对标准矩阵的其他位用0表示，从而达到只在用户所在通道进行数据发送，其他端口不发送该用户数据的目的。

那么，最终基站侧的预编码矩阵如下所示：

P＝2，M＝1时，

$\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right]$ $\left[\begin{array}{c}0\\ 1\end{array}\right]$

P＝4，M＝2时，

$\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right]$ $\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ i& -i\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right]$ $\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right]$ $\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\\ 1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]$ $\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\\ 1& 1\\ i& -i\end{array}\right]$ $\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\\ 1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]$

由于天线端口数为2的预编码码本仍具有恒模特性，因此在进行下行多用户MIMO时，从基站发射端加权后整体来看，各天线端口仍然具有恒模特性。

$S=W_2^{\left(i\right)}\left(\begin{array}{c}{S}_1\\ S_2\end{array}\right)+W_2^{\left(j\right)}\left(\begin{array}{c}{S}_3\\ S_4\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}0.5& 0.5\\ 0.5& -0.5\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{S}_1\\ S_2\end{array}\right)+\left(\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\\ 0.5& 0.5\\ 0.5i& -0.5i\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{S}_3\\ S_4\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}0.5S_1+0.5S_2\\ 0.5S_1-{0.5S}_2\\ 0.5S_3+{0.5S}_4\\ 0.5i{S}_3-{0.5\mathrm{iS}}_4\end{array}\right)$

用户i接收信号为：

$y^{\left(i\right)}=H^{\left(i\right)}S+n=\left(\begin{array}{cccc}{h}_{11}^i& h_{12}^i& h_{13}^i& h_{14}^i\\ h_{21}^i& h_{22}^i& h_{23}^i& h_{24}^i\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{S}_{\left(1\right)}\\ S_{\left(2\right)}\\ S_{\left(3\right)}\\ S_{\left(4\right)}\end{array}\right)+n$

用户j接收信号为：

$y^{\left(j\right)}=H^{\left(j\right)}S+n=\left(\begin{array}{cccc}{h}_{11}^j& h_{12}^j& h_{13}^j& h_{14}^j\\ h_{21}^j& h_{22}^j& h_{23}^j& h_{24}^j\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{S}_{\left(1\right)}\\ S_{\left(2\right)}\\ S_{\left(3\right)}\\ S_{\left(4\right)}\end{array}\right)+n$

现有技术中，基站RRU有P(4)个端口，用户应该从端口数为P(4)的码本集合中选取预编码矩阵，但是由于室内分布***中每层楼只有M(2)个通道，P＞M，且楼层间隔离较大，造成用户信道矩阵的秩会降低(多数情况为M(2)而不是P(4))，如果进行单用户MIMO传输，最多传M(2)个流，因此适合做多用户MIMO。

本发明中，进行多用户MIMO传输，可以同时支持两个用户分别传M(2)个流，共2M(4)个流，用户从端口数为M(2)的码本集合中选取预编码矩阵，而不是从端口数为4的码本集合中进行预编码矩阵的选择反馈。对于每个用户信号而言，仅在用户所在天线分组端口发射，在增加有用信号发射功率的同时减少干扰，提升室内小区吞吐量。

如图3所示，本发明还提出下行多用户MIMO信号发射装置，包括映射模块、分组模块、选择模块、通知模块以及输出模块，包含上述模块的所述装置可以设置在基站。其中：

映射模块，将RRU端口分为P/M个天线分组，保存天线分组与端口的对应关系，其中，P为RRU端口数，M为每楼层通道数，P大于M。P/M所得到的除数为整数。

分组模块，耦合于映射模块，判断用户所在通道，找到通道对应的天线分组。其中，分组模块可以根据用户不同端口上行信道接收功率，判断接收功率最强的端口对应的通道为用户所在通道。进一步，分组模块还可以将用户加入所在的天线分组列表，选择模块可以根据现有技术的配对算法选择处于不同天线分组列表的用户。

选择模块，耦合于分组模块，接收用户反馈的预编码矩阵，选择处于不同天线分组的用户，进行下行多用户MIMO传输。

通知模块，耦合于选择模块，通知用户进行下行数据传输的天线分组以及预编码矩阵，所述预编码矩阵是用户从端口数为M的码本集合中选择的，预编码矩阵是M×v矩阵，v为用户信道矩阵的秩。

输出模块，耦合于通知模块，按照预编码矩阵对数据进行加权，在用户所在天线端口将加权后数据输出给用户，其余端口不发送该用户的数据。

作为对详细描述的结论，应该注意本领域的技术人员将会很清楚可对优选实施例做出许多变化和修改，而实质上不脱离本发明的原理。这种变化和修改包含在所附权利要求书所述的本发明的范围之内。

Claims (10)

1.下行多用户MIMO信号发射方法，包括以下步骤：

将RRU端口分为P/M个天线分组，保存天线分组与端口的对应关系，其中，P为RRU端口数，M为每楼层通道数，P大于M；

判断用户所在通道，找到通道对应的天线分组；

接收用户反馈的预编码矩阵，选择处于不同天线分组的用户，进行下行多用户MIMO传输；

通知用户进行下行数据传输的天线分组以及预编码矩阵，所述预编码矩阵是用户从端口数为M的码本集合中选择的，预编码矩阵是M×v矩阵，v为用户信道矩阵的秩；

按照预编码矩阵对数据进行加权，在用户所在天线端口将加权后数据输出给用户，其余端口不发送该用户的数据。

2.根据权利要求1所述下行多用户MIMO信号发射方法，按照预编码矩阵对数据进行加权的步骤中，基站侧的预编码矩阵为：

P＝2，M＝1时，

$\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right]$ $\left[\begin{array}{c}0\\ 1\end{array}\right]$

P＝4，M＝2时，

$\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right]$ $\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ i& -i\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right]$ $\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right]$ $\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\\ 1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]$ $\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\\ 1& 1\\ i& -i\end{array}\right]$ $\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\\ 1& 0\\ 0& 1\end{array}\right].$

3.根据权利要求1或2所述下行多用户MIMO信号发射方法，判断用户所在通道，包括以下步骤：

基站根据用户不同端口上行信道接收功率，判断接收功率最强的端口对应的通道为用户所在通道。

4.根据权利要求3所述下行多用户MIMO信号发射方法，找到通道对应的天线分组，还包括以下步骤：

将用户加入所在的天线分组列表。

5.根据权利要求4所述下行多用户MIMO信号发射方法，将用户加入所在的天线分组列表，还包括以下步骤：

根据配对算法选择处于不同天线分组列表的用户。

6.下行多用户MIMO信号发射装置，包括：

映射模块，将RRU端口分为P/M个天线分组，保存天线分组与端口的对应关系，其中，P为RRU端口数，M为每楼层通道数，P大于M；

分组模块，耦合于映射模块，判断用户所在通道，找到通道对应的天线分组；

选择模块，耦合于分组模块，接收用户反馈的预编码矩阵，选择处于不同天线分组的用户，进行下行多用户MIMO传输；

通知模块，耦合于选择模块，通知用户进行下行数据传输的天线分组以及预编码矩阵，所述预编码矩阵是用户从端口数为M的码本集合中选择的，预编码矩阵是M×v矩阵，v为用户信道矩阵的秩；

输出模块，耦合于通知模块，按照预编码矩阵对数据进行加权，在用户所在天线端口将加权后数据输出给用户，其余端口不发送该用户的数据。

7.根据权利要求6所述下行多用户MIMO信号发射装置，输出模块对数据进行加权的预编码矩阵为：

P＝2，M＝1时，

$\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right]$ $\left[\begin{array}{c}0\\ 1\end{array}\right]$

P＝4，M＝2时，

$\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right]$ $\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ i& -i\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right]$ $\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right]$ $\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\\ 1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]$ $\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\\ 1& 1\\ i& -i\end{array}\right]$ $\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\\ 1& 0\\ 0& 1\end{array}\right].$

8.根据权利要求6或7所述下行多用户MIMO信号发射装置，还包括：

分组模块根据用户不同端口上行信道接收功率，判断接收功率最强的端口对应的通道为用户所在通道。

9.根据权利要求8所述下行多用户MIMO信号发射装置，包括：

分组模块将用户加入所在的天线分组列表；

选择模块根据配对算法选择处于不同天线分组列表的用户。

10.根据权利要求6或7所述下行多用户MIMO信号发射装置，设置在基站。

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