專利名稱：Mimo系統(tǒng)及其下行鏈路優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通訊領(lǐng)域，尤其涉及一種MIM0系統(tǒng)及其下行鏈路優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
在多用戶多輸入多輸出(Multi-input Multi-output, MIM0)系統(tǒng)中，基站在同一 時(shí)間同一頻率與多個(gè)用戶通信，在面臨信道衰落的同時(shí)，多用戶MIM0系統(tǒng)還需要解決用戶 之間的共信道干擾(Co-Charmel Interference, CCI)問題。共信道干擾給目標(biāo)信號檢測 帶來更大的難度，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能急劇下降。對于下行鏈路而言，在移動(dòng)臺(tái)采用多用戶檢測 (Multi-UserDetection, MUD)算法去除CCI，會(huì)增加移動(dòng)臺(tái)的成本和復(fù)雜度，不符合當(dāng)前移 動(dòng)臺(tái)小型化和簡單化的發(fā)展趨勢。因此，多用戶MIM0系統(tǒng)往往將對CCI的處理往往轉(zhuǎn)移到 發(fā)送端進(jìn)行。根據(jù)執(zhí)行信號處理的位置不同，可以對抗CCI的方法分為發(fā)送預(yù)編碼和收發(fā) 聯(lián)合設(shè)計(jì)兩類。多用戶MIM0系統(tǒng)下行鏈路的發(fā)送與接收聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)，是在某一特定準(zhǔn)則 下(最小化比特錯(cuò)誤概率、最小化信號均方誤差準(zhǔn)則等)對系統(tǒng)的發(fā)送預(yù)編碼矩陣以及接 收解碼矩陣同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化。其中的預(yù)編碼矩陣并不一定使用戶之間的共信道干擾(CCI)完 全消除，但由于對預(yù)編碼和解碼進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，使預(yù)編碼和解碼矩陣高度配對，可以獲得比 單純的預(yù)編碼優(yōu)化更好的誤碼性能。針對多用戶MIM0系統(tǒng)下行鏈路的發(fā)送與接收聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)，PMSE算法通過上下 行鏈路的互易特性對預(yù)編碼以及解碼矩陣進(jìn)行求解，過程較為復(fù)雜，TMMSE算法以各用戶信 號均方誤差和最小為目標(biāo)，獲得了很好的誤碼性能，但是在迭代初值的設(shè)置上，算法沒有充 分利用各個(gè)用戶的信道狀態(tài)信息，使得收斂速度較慢，求解Lagrange乘子需要解非線性方 程，進(jìn)行數(shù)值搜索，存在多值問題，計(jì)算復(fù)雜度較高，求解不夠精確。因此，針對現(xiàn)有多用戶MIM0系統(tǒng)下行鏈路聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法計(jì)算復(fù)雜度較高及 誤碼性能不夠理想的問題，有必要提出改進(jìn)的技術(shù)手段，來解決此問題。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在現(xiàn)有的多用戶MIM0系統(tǒng)下行鏈路的發(fā)送與接收聯(lián)合優(yōu)化設(shè) 計(jì)方法復(fù)雜的問題而做出本發(fā)明，為此本發(fā)明的主要目的在于提供一種MIM0系統(tǒng)及其下 行鏈路優(yōu)化方法，其中根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于MIM0系統(tǒng)下行鏈路優(yōu)化方法包括基站以對多個(gè)用戶發(fā)送信號的最小均方誤差和為優(yōu)化目標(biāo)，使用迭代算法分別計(jì) 算每個(gè)用戶的發(fā)送預(yù)編碼矩陣以及接收檢測矩陣；使用發(fā)送預(yù)編碼矩陣以及接收檢測矩陣 對系統(tǒng)下行鏈路進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MIM0系統(tǒng)包括基站，其包括計(jì)算模塊，用于以對多個(gè)用戶發(fā)送信號的最小均方誤差和為優(yōu)化目 標(biāo)，使用迭代算法分別計(jì)算每個(gè)用戶的發(fā)送預(yù)編碼矩陣以及接收檢測矩陣；預(yù)編碼模塊，用 于使用發(fā)送預(yù)編碼矩陣對發(fā)送信號進(jìn)行發(fā)送預(yù)編碼；移動(dòng)臺(tái)，其包括檢測模塊，使用接收檢測矩陣對接收信號進(jìn)行接收檢測。與現(xiàn)有技術(shù)相比，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，算法收斂速度快，計(jì)算復(fù)雜度低，誤碼 性能更好。


此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā) 明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于MIM0系統(tǒng)下行鏈路優(yōu)化方法的流程圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的發(fā)送預(yù)編碼矩陣和接收檢測矩陣的計(jì)算流程圖；圖3為采用本發(fā)明技術(shù)方案與傳統(tǒng)的收發(fā)聯(lián)合設(shè)計(jì)方法以及幾種典型的預(yù)編碼 設(shè)計(jì)方法的誤碼率比較圖；圖4為采用本發(fā)明技術(shù)方案與傳統(tǒng)的收發(fā)聯(lián)合設(shè)計(jì)方法的收斂速度比較圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MIM0系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明公開的多用戶MIM0下行鏈路發(fā)送與接收聯(lián)合優(yōu)化方法以最小化各用戶發(fā) 送信號的均方誤差的之和為目標(biāo)，對多用戶MIM0系統(tǒng)中各個(gè)用戶的預(yù)編碼和解碼矩陣進(jìn) 行迭代求解。最終實(shí)現(xiàn)多天線信號的正確檢測。為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對本 發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種用于MIM0系統(tǒng)下行鏈路優(yōu)化方法。圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于MIM0系統(tǒng)下行鏈路優(yōu)化方法的流程圖，如圖1所 示，該方法包括步驟S102，以多個(gè)用戶發(fā)送信號的最小均方誤差和為優(yōu)化目標(biāo)，使用迭代算法分 別計(jì)算每個(gè)用戶的發(fā)送預(yù)編碼矩陣以及接收檢測矩陣；步驟S104，使用所述發(fā)送預(yù)編碼矩陣以及所述接收檢測矩陣對系統(tǒng)下行鏈路進(jìn)行 優(yōu)化。下面詳細(xì)描述上述各處理的細(xì)節(jié)。步驟1 首先，建立多用戶MIM0系統(tǒng)下行鏈路模型。假定基站配置的發(fā)送天線數(shù) 為nt，K為終端用戶數(shù)，各個(gè)用戶的接收天線個(gè)數(shù)分別為A^C/ = 1，…，，基站給每個(gè)用戶發(fā) 送的信號為BX 1維信號…，(j = 1，…，K)，滿足。基站到用戶j的信道傳輸矩陣& 的維數(shù)為^^><^。在頻分雙工(FDD)的情況下，基站通過各個(gè)用戶的反饋信道獲得每個(gè)用 戶的信道信息，并將信道信息組成信道傳輸矩陣；在時(shí)分雙工(TDD)的情況下，基站利用信 道的互易特性，能夠直接計(jì)算出每個(gè)用戶的信道信息，并將信道信息組成信道傳輸矩陣。步驟2 基站為每個(gè)用戶發(fā)送的信息比特經(jīng)過特定調(diào)制方式后獲得發(fā)送符號，將 發(fā)送符號經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后形成BX 1維發(fā)送矢量…，(j = 1，-,K)。用戶j的發(fā)送矢量…， (j = l，…，K)經(jīng)過NTXB維預(yù)編碼矩陣&之后進(jìn)入信道，每個(gè)用戶的檢測矩陣為(V用 戶j經(jīng)過檢測矩陣之后的信號解碼為nj為 xl維復(fù)加性高斯白噪聲，噪聲方差為o 2，解碼信號由有用信號、CCI以及 噪聲組成?；竟β始s束為P，即各個(gè)用戶發(fā)送總功率為P。步驟3 將發(fā)送與接收的聯(lián)合優(yōu)化問題表示為發(fā)送功率和約束下的最小化系統(tǒng)和
MSE優(yōu)化問題，即在系統(tǒng)和MMSE準(zhǔn)則下，設(shè)計(jì)一組發(fā)送預(yù)編碼矩陣{F」} (j = 1， 檢測矩陣{Gj(j = l，…，K)，對發(fā)送和接收聯(lián)合優(yōu)化。即
引入拉格朗日乘子v，由KKT (Karush-Kuhn-Tucker)條件能夠得到 步驟4 對預(yù)編碼矩陣和解碼矩陣以及Lagrange乘子進(jìn)行迭代求解矩陣。步驟5 在步驟4所示的過程中，迭代開始時(shí)，將檢測矩陣G」初始化
為
維單位矩陣
通過”⑴二’爐
求解f/1。/"與&相乘獲得& 維等效
信道H//1)，對其進(jìn)行奇異值分解， 將等效信道&F/1)分解成^^個(gè)獨(dú)立子信道，其中A j為各獨(dú)立子信道對應(yīng)的奇異 值所組成的對角矩陣，不失一般性，將各奇異值降序排列。\為等效信道對應(yīng)的右奇異矢量 矩陣，Uj為等效信道對應(yīng)的左奇異矢量矩陣，更新Gj(1)為化的共軛轉(zhuǎn)置的前B列。 步驟6 在步驟4所示的過程中，通過v =
可以求解拉格朗日乘子
V，相比于傳統(tǒng)的發(fā)送接收聯(lián)合優(yōu)化方法，避免了解非線性方程的復(fù)雜過程，將非線性求解轉(zhuǎn)化成線性求解，大大降低了計(jì)算復(fù)雜度；避免了多值問題，提高了求解的精確性。最終使 得整個(gè)系統(tǒng)的誤碼性能提高。具體地，發(fā)送預(yù)編碼矩陣和接收檢測矩陣的計(jì)算過程參考圖2，如圖2所示，包括步驟S202，初始化和第一次迭代。將檢測矩陣G」初始化為nR,nRj維單位矩陣二 IRj，通過
求v(1)，通過
求解F/1)，
將等效信道H//1)通過奇異值分解分解成 個(gè)獨(dú)立子信道。其中人」為 各獨(dú)立子信道對應(yīng)的奇異值所組成的對角矩陣，不失一般性，將各奇異值降序排列。\為等 效信道對應(yīng)的右奇異矢量矩陣，Uj為等效信道對應(yīng)的左奇異矢量矩陣，更新Gj(1)為Uj的共 軛轉(zhuǎn)置的前B列。步驟 S2。4，通過公式產(chǎn)
求解
( 步驟 S206，通過公式F
求解 F步驟 S208，通過公式
求解
步驟S210，重復(fù)步驟S204-S208(即進(jìn)行n步迭代(n > 2))，直至lj 2
算法終止，其中，￡為算法的終止門限，例如取e為0.0001步驟S212，迭代結(jié)束，得到最優(yōu)發(fā)送預(yù)編碼矩陣和接收檢測矩陣。本發(fā)明以各用戶信號均方誤差和最小為優(yōu)化目標(biāo)，與現(xiàn)有技術(shù)對比首先，在迭代 優(yōu)化開始時(shí)，充分利用了各個(gè)用戶的所有信道信息，借鑒了 BD算法的思想，使得算法的收 斂速度大大加快；第二，獲得了 Lagrange乘子的解析表達(dá)式，將求解Lagrange乘子的非線 性過程轉(zhuǎn)化為線性過程，避免求解復(fù)雜的非線性方程，提高了求解的精確性，最終進(jìn)一步提 高了算法的誤碼性能。 下面結(jié)合具體實(shí)例描述本發(fā)明。假設(shè)基站發(fā)送天線數(shù)為8，用戶數(shù)為2，且每個(gè)用戶的接收天線數(shù)為4。基站的發(fā)送 總功率為1，定義信噪比為基站發(fā)送功率與每接收天線的噪聲之比。假設(shè)系統(tǒng)工作環(huán)境接收 信噪比為10dB。步驟1 基站獲得每個(gè)用戶的信道信息，并將它組成信道傳輸矩陣{&}，j = 1，2。 說明如下以第一個(gè)用戶為例出/1’1)為基站第1根發(fā)射天線和用戶1的第1根接收天線之間 的信道，h/2’1)為基站第1根發(fā)射天線和用戶1的第2根接收天線之間的信道；以此類推， h2(4’8)為基站第8根發(fā)射天線和用戶2的第4根接收天線之間的信道；以此類推，可得基站 與兩個(gè)用戶之間的信道傳輸矩陣分別為

假設(shè)基站與第1個(gè)用戶之間的信道傳輸矩陣為
基站與第2個(gè)用戶之間的信道傳輸矩陣為
禾呈，
基站為第j個(gè)用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過QPSK調(diào)制之后，進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換成2路，即發(fā)送 信號維數(shù)為2，得到2個(gè)發(fā)送符號…=[dM，<2]T。承上述例子，基站發(fā)送給第一個(gè)用戶的 數(shù)據(jù)經(jīng)過QPSK調(diào)制后得到的發(fā)送符號d^ = -0. 7071-0. 7071i dlj2 = 0. 7071+0. 7071i，基 站發(fā)送給第2個(gè)用戶的數(shù)據(jù)經(jīng)過QPSK調(diào)制后得到的發(fā)送符號du = 0. 7071+0. 7071i，d2,2 =0. 7071-0. 7071i。 步驟2 基站獲得基站與每個(gè)用戶的信道傳輸矩陣之后，在基站根據(jù)圖2所示的流 〖，求得發(fā)送預(yù)編碼矩陣F” F2，接收檢測矩陣&、G2，分別為 步驟3 對各個(gè)用戶的發(fā)送信號進(jìn)行發(fā)送預(yù)編碼，得到Xl = FA，x2 = F2d2，Xl、x2 為進(jìn)入發(fā)送天線的8X1維矢量。將\、&從發(fā)送天線發(fā)送到信道中；步驟4 各用戶的接收天線對信號進(jìn)行接收，接著在2個(gè)用戶的移動(dòng)臺(tái)終端根據(jù)采 用檢測矩陣61、62檢測接收信號。根據(jù)公式(7)，兩個(gè)用戶的檢測之后得到的對發(fā)送信號的 估計(jì)值分別為 其中ni、n2為兩個(gè)用戶在接收天線上的4X1維復(fù)加性高斯白噪聲，復(fù)加性高斯白 噪聲叫、 分別為

兩個(gè)用戶的檢測之后得到的對發(fā)送信號的估計(jì)值rfp <分別為 步驟5:最后對^、式進(jìn)行判決，并串轉(zhuǎn)換，還原出發(fā)送信息。參考圖3和圖4，圖3為采用本發(fā)明技術(shù)方案與傳統(tǒng)的收發(fā)聯(lián)合設(shè)計(jì)方法以及幾種 典型的預(yù)編碼設(shè)計(jì)方法的誤碼率比較圖，從圖中可以看出，本發(fā)明技術(shù)方案與傳統(tǒng)的TMMSE 兩種收發(fā)聯(lián)合設(shè)計(jì)比其他幾種算法誤碼性能好；本發(fā)明方法相比于TMMSE誤碼率有明顯提
尚o圖4為采用本發(fā)明技術(shù)方案與傳統(tǒng)的收發(fā)聯(lián)合設(shè)計(jì)方法的收斂速度比較圖，從圖 中可以看出，本發(fā)明技術(shù)方案在各個(gè)信噪比下4次迭代即可收斂，相比于TMMSE算法節(jié)省一 半迭代次數(shù)以上，收斂速度明顯優(yōu)于TMMSE算法。系統(tǒng)實(shí)施例根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，還提供了一種MIM0系統(tǒng)。圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MIM0系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，如圖5所示，該裝置包括基站 10和移動(dòng)臺(tái)20。基站10包括計(jì)算模塊(圖中未示)，用于以對多個(gè)用戶發(fā)送信號的最小均方誤 差和為優(yōu)化目標(biāo)，使用迭代算法分別計(jì)算每個(gè)用戶的發(fā)送預(yù)編碼矩陣以及接收檢測矩陣； 預(yù)編碼模塊102，用于使用發(fā)送預(yù)編碼矩陣對發(fā)送信號101進(jìn)行發(fā)送預(yù)編碼。移動(dòng)臺(tái)20包括檢測模塊201，使用接收檢測矩陣對接收信號進(jìn)行接收檢測，還原 出發(fā)送信號202。此外，基站10還包括建立模塊(圖中未示)，用于根據(jù)基站發(fā)送天線數(shù)量及每個(gè) 用戶反饋的信道信息建立信道傳輸矩陣。在具體實(shí)施過程中，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MIM0系統(tǒng)的具體工作過程可以參考圖1 和圖2所示，此處不贅述。綜上所示，根據(jù)本發(fā)明上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，算法收斂速度快，計(jì)算復(fù) 雜度低，誤碼性能更好。以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人 員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、 等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種用于MIMO系統(tǒng)下行鏈路優(yōu)化方法，其特征在于，包括基站以對多個(gè)用戶發(fā)送信號的最小均方誤差和為優(yōu)化目標(biāo)，使用迭代算法分別計(jì)算每個(gè)用戶的發(fā)送預(yù)編碼矩陣以及接收檢測矩陣；使用所述發(fā)送預(yù)編碼矩陣以及所述接收檢測矩陣對系統(tǒng)下行鏈路進(jìn)行優(yōu)化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述基站以對多個(gè)用戶發(fā)送信號的最 小均方誤差和為優(yōu)化目標(biāo)，使用迭代算法分別計(jì)算每個(gè)用戶的發(fā)送預(yù)編碼矩陣以及接收檢 測矩陣之前，所述方法還包括所述基站根據(jù)其發(fā)送天線數(shù)量、所述每個(gè)用戶接收天線數(shù)量、所述每個(gè)用戶反饋或者 通過信道互易得到的信道信息建立信道傳輸矩陣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述基站使用迭代算法分別計(jì)算每個(gè)用 戶的發(fā)送預(yù)編碼矩陣以及接收檢測矩陣，進(jìn)一步包括所述基站使用公式(1)計(jì)算發(fā)送預(yù)編碼矩陣； 所述基站使用公式(2)計(jì)算接收檢測矩陣； 所述基站使用公式(3)計(jì)算拉格朗日乘子。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，迭代算法開始時(shí)，將所述接收檢測矩 陣6」初始化為維單位矩陣廣(。)_, 通過v(1(1)，通過 信道Hf/1)，對其進(jìn)行奇異值分解，巧 ，將等效信道H//1)分解成個(gè)獨(dú)立子信道，其中A^為各獨(dú)立子信道對應(yīng)的奇異值所組成的對角矩陣，將各奇異值降序排列，Vj為等效信道對應(yīng)的右奇異矢量矩陣，Uj為等效信道對應(yīng)的左奇異矢量矩陣，更新Gj(1)為Uj的共軛轉(zhuǎn)置的前B列。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述使用所述發(fā)送預(yù)編碼矩陣以及所述 接收檢測矩陣對系統(tǒng)下行鏈路進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步包括在基站使用所述發(fā)送預(yù)編碼矩陣對發(fā)送信號進(jìn)行編碼； 移動(dòng)臺(tái)使用所述接收檢測矩陣檢測接收信號。
6.一種MIMO系統(tǒng)，其特征在于，包括 基站，其包括計(jì)算模塊，用于以對多個(gè)用戶發(fā)送信號的最小均方誤差和為優(yōu)化目標(biāo)，使用迭代算法 分別計(jì)算每個(gè)用戶的發(fā)送預(yù)編碼矩陣以及接收檢測矩陣；預(yù)編碼模塊，用于使用所述發(fā)送預(yù)編碼矩陣對發(fā)送信號進(jìn)行發(fā)送預(yù)編碼； 移動(dòng)臺(tái)，其包括檢測模塊，使用所述接收檢測矩陣對接收信號進(jìn)行接收檢測。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述基站進(jìn)一步包括建立模塊，用于根據(jù)所述基站發(fā)送天線數(shù)量、所述每個(gè)用戶天線數(shù)量、所述每個(gè)用戶反 饋的或者通過信道互易得到的信道信息建立信道傳輸矩陣。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)算模塊使用公式(4)計(jì)算發(fā)送預(yù)編碼矩陣； 所述計(jì)算模塊使用公式(5)計(jì)算接收檢測矩陣； 所述計(jì)算模塊使用公式(6)計(jì)算拉格朗日乘子。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種MIMO系統(tǒng)及其下行鏈路優(yōu)化方法，其中，該方法包括基站以對多個(gè)用戶發(fā)送信號的最小均方誤差和為優(yōu)化目標(biāo)，使用迭代算法分別計(jì)算每個(gè)用戶的發(fā)送預(yù)編碼矩陣以及接收檢測矩陣；使用發(fā)送預(yù)編碼矩陣以及接收檢測矩陣對系統(tǒng)下行鏈路進(jìn)行優(yōu)化。采用本發(fā)明，算法收斂速度快，計(jì)算復(fù)雜度低，誤碼性能更好。
文檔編號H04L25/02GK101854234SQ20101013540
公開日2010年10月6日 申請日期2010年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月30日
發(fā)明者仵國鋒, 任修坤, 季仲梅, 崔維嘉, 祝鍇 申請人:中國人民解放軍信息工程大學(xué)