專利名稱：用于多用戶多輸入多輸出無線傳輸系統(tǒng)的快速廣義判決反饋均衡器預(yù)編碼器實施的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)。更詳細(xì)地，本發(fā)明涉及一種MIMO系 統(tǒng)中的預(yù)編碼器配置。
背景技術(shù)：
公知基于廣義判決反饋均衡器(Generalized Decision Feedback Equalizer⑶FE)的預(yù)編碼器提供用于多用戶多輸入多輸出(MU-MIMO)無線系統(tǒng)的最優(yōu)容 量解決方案。然而，確定與GDFE預(yù)編碼器相關(guān)聯(lián)的各種過濾器的計算代價通常是非常大的 并且不適用于許多實際的系統(tǒng)。存在已知的多個預(yù)編碼技術(shù)，該技術(shù)使得裝配有多個天線的基站(BS)能夠向多 個用戶終端(UT)發(fā)送同步數(shù)據(jù)流從而使得系統(tǒng)容量最優(yōu)化。通常，對于MU-MIMO系統(tǒng)的預(yù) 編碼目的是最優(yōu)化特定標(biāo)準(zhǔn)，該特定標(biāo)準(zhǔn)例如是系統(tǒng)容量或誤碼率。下面給出了選擇的參 考以及參考中提出的技術(shù)的相關(guān)方面的描述。Q. H Spencer> A. L. Swindlehurst 以 R Μ. Haardt ^ "Zero-forcing methods fordownlink spatial multiplexing in multi-user MIMO channels，，，IEEE Transactionson Signal Processing, pp. 461—471，2004 年 2 月[1]描述了一種線性預(yù)編 碼技術(shù)，已知為塊對角化(BD)，通過確保干擾貫穿犧牲UT的信道的零空間來將數(shù)據(jù)流分開 到不同的UT。BD技術(shù)使有效信道矩陣對角化從而創(chuàng)建BS和UT之間的多個隔離的MIMO子 信道。盡管該方案易于實施，但是在某種程度上限制系統(tǒng)容量。C. ffindpassinger> R. F. H Fischer、Τ· Vencel 以及 J. B Huber 的"Precoding inmulti-antenna and multi-user communications，，，IEEE Transactions on WirelessCommunications，pp. 1305-1316，2004 年 7 月[2]描述 了一種已知為 Tomlinson-Harashima預(yù)編碼(THP)的非線性預(yù)編碼方案。該方案依賴于在BS的連續(xù)干擾 預(yù)消除。使用模操作來確保不超過發(fā)射功率。與BD不同，THP使有效信道矩陣三角形化并 且提供當(dāng)與BD相比時在某種程度上更高的系統(tǒng)容量。在 W. Yu 的"Competition and Cooperation in Multi-User CommunicationEnvironments，，，博士論文，Stanford University, 2002 年 2 月[3]以及 W. Yu 禾口 J. Cioffi 的"Sum capacity of Gaussian vector broadcast channels，，，IEEE Transactionson Information Theory, pp. 1875—1892，2004年 9 月[4], Wei Yu 介紹了 GDFE 預(yù)編碼器并且示出了其實現(xiàn)很高程度的系統(tǒng)容量。該方案的基本部件在圖1中示出。GDFE 預(yù)編碼器包括干擾預(yù)消除塊101。與上述參考文獻(xiàn)[2]中討論的THP預(yù)編碼方案相似，干擾 預(yù)消除有助于確保在第k個步驟編碼的符號矢量將僅受來自(k-Ι)個符號矢量的干擾。干 擾預(yù)消除塊101處理信息符號u以產(chǎn)生過濾后的矢量符號χ。過濾后的矢量符號χ然后經(jīng)過由矩陣B指示的發(fā)射過濾器103以產(chǎn)生發(fā)射的信號1。在參考文獻(xiàn)[3]和[4]中，提出了基于和“最差噪聲”相對應(yīng)的協(xié)方差矩陣(Szz)的技術(shù)以計算GDFE預(yù)編碼器分量。盡管該技術(shù)實現(xiàn)了很高的系統(tǒng)容量，對于大多數(shù)實際系統(tǒng)所要 求的實時實施，確定GDFE預(yù)編碼器分量的計算代價太高。X. Shao, J. Yuan 禾口 P. Rapajic 的"Precoder design for ΜΙΜΟ broadcastchannelsIEEE International Conference on Communications(ICC), PP. 788-794，2005年5月[5]提出了不同的預(yù)編碼技術(shù)，其實現(xiàn)了與理論最大系統(tǒng)容量接近 的容量。相比與GDFE預(yù)編碼器技術(shù)，該提出的方法的計算復(fù)雜性較低。然而，該提出的方 法向所有的數(shù)據(jù)流分配相同的功率，這對于使用有限數(shù)目的量化比特率的實際系統(tǒng)來說可 能不是有效的技術(shù)。同時，該提出的技術(shù)只局限于不可逆信道矩陣，而情況并不總是這樣。N. Jindal、W. Rhee、S. Vishwanath、S. A. Jafar 禾口 k. Goldsmith 的“SumPower Iterative Water-filling for Multi-Antenna Gaussian Broadcast Channels，，， IEEE Transactions on Information Theory, pp. 1570-1580，2005 年 4 月[6]得到被稱為 MAC/ BC (多訪問信道/廣播信道)雙重性的非常有用的結(jié)果；并且Wei Yu的DIMACS Series in Discrete Mathematics and Theoretical Computer Science, Vol.66, " Advances in Network Information Theory, “ pp. 159-147 [7]提出 了最差噪聲的概念。
發(fā)明內(nèi)容
使用了實現(xiàn)用于多用戶(MU)MIMO系統(tǒng)的⑶FE預(yù)編碼器的技術(shù)，這極大地將低了 計算代價并同時不導(dǎo)致容量損失。該技術(shù)適于改善包括當(dāng)前規(guī)劃的未來“4G”蜂窩網(wǎng)絡(luò)的 各種MU-MIMO無線系統(tǒng)的性能。⑶FE預(yù)編碼器的上述實施緩解了對于與“最差噪聲”相對應(yīng)的協(xié)方差矩陣(Szz)的 了解的要求。這在GDFE預(yù)編碼器的傳統(tǒng)設(shè)計中是重要的元素并且要求很大的計算代價。也 提供了用于實現(xiàn)預(yù)編碼器的統(tǒng)一框架。與傳統(tǒng)GDFE預(yù)編碼器設(shè)計不同，當(dāng)下行信道的輸入 協(xié)方差矩陣(Sxx)是缺少秩時，所提出的方法不要求信道減少。比起傳統(tǒng)⑶FE預(yù)編碼器，⑶FE預(yù)編碼器的上述實施實現(xiàn)了在計算代價方面的重 大改進(jìn)。本發(fā)明的一個方面涉及一種配置基于廣義判決反饋均衡器⑶FE的預(yù)編碼器的方 法，所述預(yù)編碼器在具有k個用戶終端UT的多用戶多輸入多輸出MU-MIMO無線系統(tǒng)的基站 中，每個用戶終端UT具有與其相關(guān)聯(lián)的前饋過濾器。所述方法包括使用下述本發(fā)明的多個 可選公式之一來計算過濾器矩陣C并且基于過濾器矩陣C的計算來計算用于處理在GDFE 預(yù)編碼器的判決反饋均衡級之后獲得的符號矢量的發(fā)射過濾器的發(fā)射過濾器矩陣B，計算 前饋過濾器矩陣F以及計算干擾預(yù)消除矩陣G。本發(fā)明的另一個方面涉及一種基于⑶FE的預(yù)編碼器，所述預(yù)編碼器在具有k個用 戶終端UT的MU-MIMO無線系統(tǒng)的基站中，每個用戶終端UT具有與其相關(guān)聯(lián)的前饋過濾器。 GDFE預(yù)編碼器包括前饋路徑；反饋路徑；和置于反饋路徑的由I-G指示的干擾預(yù)消除塊， I是單位矩陣，G是干擾預(yù)消除矩陣；通過下述的一個新的表達(dá)式將前饋過濾器矩陣F與干 擾預(yù)消除矩陣相關(guān)。本發(fā)明的另一個方面涉及一種基于GDFE的預(yù)編碼器，所述預(yù)編碼器在具有k個用 戶終端UT的MU-MIMO無線系統(tǒng)的基站中，每個用戶終端UT具有與其相關(guān)聯(lián)的前饋過濾器。 GDFE預(yù)編碼器包括前饋路徑；反饋路徑；和置于反饋路徑中的由I-G指示的干擾預(yù)消除塊，I是單位矩陣，G是干擾預(yù)消除矩陣。通過使用下述本發(fā)明的多個可選公式之一計算過 濾器矩陣C來確定干擾預(yù)消除塊中的干擾預(yù)消除矩陣G，并且基于過濾器矩陣C的計算來計 算用于處理在GDFE預(yù)編碼器的判決反饋均衡級之后獲得的符號矢量的發(fā)射過濾器的發(fā)射 過濾器矩陣B，計算前饋過濾器矩陣F以及計算干擾預(yù)消除矩陣G。從下面的具體實施方式
、附圖以及權(quán)利要求中能夠顯而易見本發(fā)明的另外特征和 優(yōu)勢。
從下述具體實施方式
以及本發(fā)明的各種實施例的附圖能夠更加完全地理解本發(fā)明，然而，不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為將本發(fā)明限制為特定實施例，實施例僅是出于解釋和理解的目的。圖1是已知⑶FE預(yù)編碼器的框圖；圖2是使用⑶FE預(yù)編碼的通信系統(tǒng)的框圖；圖3是配置⑶FE預(yù)編碼器的前饋過濾器的框圖；以及
圖4是配置⑶FE預(yù)編碼器的流程圖。
具體實施例方式下面，首先在子部分A中描述系統(tǒng)模型和相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)，在子部分B描述GDFE預(yù) 編碼器的實施。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識到本發(fā)明的下述具體實施方式
僅是說明性的并且不 以任何方式起到限制作用。本發(fā)明的其它實施例將具有該揭示的優(yōu)勢提供給這樣的普通技 術(shù)人員。對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說顯而易見不一定需要這些特定細(xì)節(jié)來實現(xiàn)本發(fā)明。 在其它情況下，以框圖形式示出公知電路和設(shè)備以避免使本發(fā)明變得模糊。在下述實施例 的描述中，相同的部分基本上由相同的附圖標(biāo)記指示。首先，給出了下面使用的系統(tǒng)模型和符號?；?BS)具有N個天線并且有K個用 戶終端(UT)，每個UT具有Lk個天線。UT的天線的總和被指示為Z = ZlA^Hk指示BS和 第k個UT之間的信道增益矩陣，維度是{LkxN}。BS和K個UT之間的組合的信道增益矩陣 的維度是{LxN}并且由Η = [ΗHt2 ... Η；；]7給出，其中上標(biāo)Ig示轉(zhuǎn)置矩陣。Uk指示目的地是第k個UT的輸入符號矢量，從而疊加的輸入矢量能夠被表示為 U = [u[ u'2 ...U〖]7。u的長度被假設(shè)為不超過BS的天線的數(shù)目。同時，假設(shè)額外的約束Suu =E[uuH] = I，其中E[.]指示自己的自變量的時間平均，上標(biāo)H指示共軛轉(zhuǎn)置并且I指示 單位矩陣。A. 1 定義參考圖2，示出具有基站210和用戶終端ZZO1-ZZOk的MU-MIM0系統(tǒng)的功能框圖。 每個用戶終端具有與其相關(guān)聯(lián)的前饋過濾器F1-Fp通過由信道矩陣H表示的信道231進(jìn) 行通信?；景℅DFE預(yù)編碼器，GDFE預(yù)編碼器包括前饋路徑和反饋路徑。在前饋路徑 中，模單元233產(chǎn)生過濾的矢量符號X的流，該流由發(fā)射過濾器235過濾以產(chǎn)生發(fā)射的信號 流y。在反饋路徑中，符號X被通過干擾預(yù)消除塊237反饋，由從單位矩陣I減去的干擾預(yù) 消除矩陣G表示。用戶符號u的流已經(jīng)從中減去了干擾預(yù)消除塊237的輸出信號，結(jié)果被應(yīng)用至模單元233。下面描述和本系統(tǒng)相關(guān)的其它方面/參數(shù)1).干擾預(yù)消除矩陣(G)如圖2所示，該矩陣用在GDFE預(yù)編碼器的干擾預(yù)消除級 處的發(fā)射器。該矩陣的主要目的是為了干擾預(yù)消除的目的而處理輸入符號矢量U。它的結(jié) 構(gòu)是上直角三角形(Upper Right Triangular)矩陣，其塊對角子矩陣是每個的大小為ak的 單位矩陣。2).對于下行鏈路信道的輸入?yún)f(xié)方差矩陣(Sxx)定義為Sxx = E[xxh]并且滿足發(fā) 射功率限制，即trace (Sxx)彡P(guān)t，其中Pt指示總可用發(fā)射功率，并且trace (.)指示矩陣自 變量的對角元素的和。對于下行鏈路信道的輸入?yún)f(xié)方差矩陣表示從所述N個發(fā)射天線的 不同天線發(fā)射的符號的依存性；對角矩陣元素的和表示來自N個發(fā)射天線的預(yù)期總發(fā)射功 率。在下文中，將使用其特征值分解(EVD)表示Sxx:
(1)其中V是酉矩陣并且Σ是具有非負(fù)元的對角矩陣。3).發(fā)射過濾器(B):該矩陣用于處理從圖2所示的⑶FE預(yù)編碼器的DFE級之后 獲取的符號矢量X。以下式表示
(2)其中M是酉矩陣并且矩陣{ν，Σ }和(1)中定義的相同。4).最差噪聲協(xié)方差矩陣(Szz)這可以被認(rèn)為是當(dāng)假設(shè)在所有的UT間有完全協(xié)作 時導(dǎo)致最小系統(tǒng)容量的噪聲協(xié)方差矩陣。這是正定義Hermitian矩陣，其塊對角子矩陣是 大小為ak的單位矩陣。這與參考文獻(xiàn)[4]中的Eq. (67)所示的方式相似地定義。5).對于等效上行鏈路信道的輸入?yún)f(xié)方差矩陣(D)與參考文獻(xiàn)[7]的等式(3. 6) 相似地定義作為對于具有信道矩陣Hh的等效上行鏈路/介質(zhì)訪問信道(MAC)的輸入矢量的 符號間的相關(guān)性。矩陣D的結(jié)構(gòu)是塊對角矩陣并滿足發(fā)射功率約束，即trace (D) ，其 中Pt指示總可用發(fā)射功率。D的每個塊對角子矩陣表示對于上行鏈路信道中的特定UT的 輸入?yún)f(xié)方差矩陣。使用參考文獻(xiàn)[6]中給出的方法能夠計算容量最優(yōu)D。A. 2發(fā)射器處理如圖2所示，⑶FE預(yù)編碼器包括由I-G指示的干擾預(yù)消除塊，其中G具有與參
考文獻(xiàn)[2]的THP預(yù)編碼方案相似的塊上直角三角形矩陣結(jié)構(gòu)，反饋矩陣G的三角形
結(jié)構(gòu)有助于確保在第k步驟編碼的符號矢量將僅收到來自(k-Ι)個符號矢量的干擾。
x = [xi A 的第Xk個子矢量是使用下述關(guān)系生成的 (κ、
(3)其中Gkm指示從Xk預(yù)消除由矢量符號Xm導(dǎo)致的干擾所需的子矩陣G。這些子矢量 以相反順序生成，其中Xk是第一生成的矢量并且X1是最后一個生成的矢量。下面示出了對 于3個UT情形的矩陣G的結(jié)構(gòu)的例子 在該特定例子中，首先生成X3，然后生成X2，其中使用子矩陣G23從X2預(yù)先減去由 于&導(dǎo)致的干擾。最后，在由于X2和X3導(dǎo)致的干擾的預(yù)先減去之后生成Xl。(3)中矢量 αk的每個復(fù)元素從下述集合中選擇
其中 S 是星座大小。(5)α k的元素被選擇使得結(jié)果矢量Xk的元素在寬度2的正方區(qū)域之內(nèi)。該機(jī)制在 允許干擾預(yù)消除的同時也限制總發(fā)射功率。矢量χ然后經(jīng)過發(fā)射過濾器B以產(chǎn)生由下述關(guān)系給出的矢量y :y = Bx (6)通過將矢量y的元素映射到基站的各個天線元素來發(fā)射矢量y。Α. 3接收器處理第k個UT采用的前饋過濾器由Fk指示，F(xiàn)k是維度為{akXLk}的矩陣，其中ak指示 矢量Uk的長度。現(xiàn)在，對應(yīng)于第k個UT的接收的基帶矢量由下式給出rk = FkHBx+Fknk(7)其中χ是在如圖2所示的干擾預(yù)消除步驟之后從輸入符號矢量u得到的符號矢 量。過濾器B指示發(fā)射過濾器，并且在第k個UT的噪聲由nk指示。對應(yīng)于所有的K個UT 的疊加的接收的基帶矢量能夠被表示為r = FHBx+Fn(8)其中F = diag^pFy…？》是表示前饋過濾器的塊對角矩陣，并且η表示疊加的
噪聲矢量。在下文中，給出不同的方法來計算前述定義的矩陣B，G和F。一個方法假設(shè)知道 Szz而其它方法提供不需知道Szz而計算⑶FE矩陣的方式。B.⑶FE預(yù)編碼器矩陣的計算與現(xiàn)有方法不同，在本方法中前饋過濾器F被表示為
(9)其中“最差噪聲”Szz可以被認(rèn)為是當(dāng)所有UT間完全協(xié)作時導(dǎo)致最小系統(tǒng)容量的噪 聲協(xié)方差矩陣?？梢允褂脜⒖嘉墨I(xiàn)[4]中描述的技術(shù)來計算Szz。矩陣{ν，Σ }與(1)中定 義的相同。通過首先計算對于具有信道增益矩陣Hh的等效上行鏈路/介質(zhì)訪問信道(MAC)的 輸入?yún)f(xié)方差矩陣D可以計算對于下行鏈路信道的輸入?yún)f(xié)方差矩陣Sxx。提出的GDFE方法實 現(xiàn)的容量與對于等效上行鏈路信道的選擇D實現(xiàn)的容量相等?？梢允褂脜⒖嘉墨I(xiàn)[6]中給 出的方法計算容量最優(yōu)D?？梢允褂脜⒖嘉墨I(xiàn)[7]中給出的下述等式計算對于下行鏈路信 道的輸入?yún)f(xié)方差矩陣Sxx
(10)其中對于給定總發(fā)射功率Pt，標(biāo)量變量λ能夠被計算作為y=trace{1-[HffDH + 1]-1)/Pl⑴)下面，參考圖4，將過濾器矩陣C定義作為
(j 2)(圖4中步驟403)?，F(xiàn)在，前饋過濾器F能夠被表示為
(13)能夠注意到F是塊對角并且G是具有形成自己的對角塊的單元矩陣的塊上直角三 角形。假設(shè)M是酉矩陣；具有C的預(yù)乘Mh必須導(dǎo)致塊上直角三角形矩陣R。因而，使用C的 QR分解(QRD)能夠得到M (步驟406)。應(yīng)當(dāng)注意執(zhí)行QRD的方式使得貫穿相同矢量空間的C的所有非零列 僅對矩陣M中的一個列矢量貢獻(xiàn)。然后如下執(zhí)行矩陣B、G和F的計算計算B = V Σ 172M (步驟 407)(15)設(shè)置F = BlockDiagonal (R)(步驟 408) (16)BlockDiagonal (·)函數(shù)從圖3所示的矩陣R的塊對角提取大小為{akxLk}的子矩 陣F1, F2-, FK。分派給第k個UT的符號ak的數(shù)目等于Fk的秩(rank)。計算G= FRt (步驟 409)(17)其中上標(biāo)1"指示Moore-Penrose廣義逆矩陣。B. 1計算C的可詵方法在該方法中，避免使用Szz來計算矩陣C以及GDFE預(yù)編碼器的后續(xù)其它相關(guān)矩陣。表達(dá)式(12)被重寫為
(18)接下來，參考文獻(xiàn)[7]中給出的表達(dá)式Hh[HSxxH1^SzzF1H = λ I可選地被表示為[HSxxHh+SzJ = X-1HHh(19)其中λ是使用(11)計算得到的接下來，將表達(dá)式(19)帶入(18)以獲得下述等式CHHh = λ (V Σ 1/2)ηΗη (20)現(xiàn)在，對于秩大于或等于其行數(shù)的信道矩陣H，可以將矩陣C唯一地確認(rèn)為
(21)(圖4中步驟404)其中上標(biāo)1·指示Moore-Penrose廣義逆矩陣。另外，在上述表達(dá) 式中省略標(biāo)量運(yùn)算λ并不改變GDFE預(yù)編碼器的性能。因而，在H的秩大于或等于H的行 數(shù)的任何時候，下述表達(dá)式能夠用于信道 對于秩小于自己的行數(shù)的信道矩陣H，通過求解下述極限能夠確定矩陣C 其中X是具有與H相同行數(shù)的任意矩陣。X中的列數(shù)被選擇使得結(jié)果矩陣[H X] 的秩大于或等于H中的行數(shù)。這里，矩陣Sxx指示對于有效下行鏈路信道矩陣[H X]的輸入?yún)f(xié)方差矩陣。使用(10)以及一些矩陣操作能夠?qū)?23)中的表達(dá)式簡化為 使用矩陣逆變換單元能夠?qū)⒃摫磉_(dá)式進(jìn)一步簡化為 這里(25)中的矩陣乘積(HV)tHV等于對角矩陣，領(lǐng)先對角元為1并且其它尾隨的元為0。等于1的對角元的數(shù)目與H的秩相同。觀察到矩陣乘積HV的秩總是大于或等于Σ 中的數(shù)目，能夠確保矩陣乘積(HV)+ HV中的尾隨零的數(shù)目總是小于或等于Σ中的數(shù)目。因而(25)中的上述表達(dá)式能夠被進(jìn)一步簡化為 (圖4中的步驟405)。這里應(yīng)當(dāng)注意表達(dá)式(24)，(25)和(26)能夠用于任何任 意信道矩陣H。然而，當(dāng)信道矩陣的秩大于或等于其行數(shù)時，由于可能的計算效率，可以使用 (21)或(22)中的表達(dá)式。B. 2數(shù)字例子例-1 使用等式(12)來計算C下述數(shù)字例子示出了對于當(dāng)預(yù)先知道Szz的情況下在GDFE預(yù)編碼器的設(shè)計中涉及 的各種矩陣的計算，即使用等式(12)計算C?？紤]具有4個天線的BS以及每個都具有2個天線的2個用戶，從而與兩個用戶都 關(guān)聯(lián)的信道矩陣的維度是2x4。整個信道矩陣如下 對于固定的發(fā)射功率20，通過首先計算[6]中描述的對于等效上行鏈路/MAC信道 的最優(yōu)輸入?yún)f(xié)方差矩陣D并且然后使用等式(10)能夠計算對于下行鏈路的最優(yōu)輸入?yún)f(xié)方
差矩陣Sxx。
Sxx的特征值分解(EVD)能夠被計算為 以及 同時，可以使用參考文獻(xiàn)[4]中描述的技術(shù)來將“最差噪聲”協(xié)方差矩陣Szz計算 為 在方法I中給出的細(xì)節(jié)之后，首先計算下述QR分解 接下來，方法將發(fā)射過濾器矩陣B計算作為 有效前饋過濾器能夠被計算為 因而，兩個用戶能夠?qū)τ诘仁?7)中所示的基帶信號處理采用下述前饋過濾器 同時，干擾預(yù)消除矩陣G能夠被計算為
(36)例-2 使用等式(22)來計算C下述數(shù)字例子示出了當(dāng)不知道Szz時在GDFE預(yù)編碼器的設(shè)計中涉及的各種矩陣的 計算。假設(shè)與例-1中的系統(tǒng)相同，具有固定為20的發(fā)射功率，從而矩陣H、SXX、V和E分別 由等式(27)-(30)給出。在B. 1中給出細(xì)節(jié)之后，計算矩陣C以及其QR分解C =(V∑1/2)HH-1 接下來，該方法將發(fā)射過濾器矩陣B計算為
同時，有效前饋過濾器被計算作為
(39) 因而，兩個用戶對于等式(7)中所示的基帶信號處理采用下述前饋過濾器 同時，干擾預(yù)消除矩陣G被計算為
(41)例-3 使用等式(22)來計算C考慮系統(tǒng)與前面例子中的系統(tǒng)相同，但是將發(fā)射功率固定為10而不是如前兩個 例子中的20。在這種情況下，與GDFE預(yù)編碼器相關(guān)聯(lián)的矩陣能夠被示為 從等式(42)顯而易見B的第2列為零，表示\中的第二元素被分配了 0的發(fā)射功 率。因而暗示僅向UT-I發(fā)射1個符號并且僅向UT-2發(fā)射2個符號，即設(shè)置U1 = [un 0]τ， U2 = [u21 u22]T從而u = [uf Μ]7'。與⑶FE預(yù)編碼器相關(guān)聯(lián)的其它矩陣能夠被示為 例4 使用等式(26)來計算C下述數(shù)字例子示出了當(dāng)信道矩陣H是矩形時在GDFE預(yù)編碼器的設(shè)計中涉及的各 種矩陣的計算。考慮具有4個天線的BS以及每個都具有3個天線，從而與兩個用戶都關(guān)聯(lián) 的信道矩陣的維度是3x4。整個信道矩陣是非正方形的，例如
“ 現(xiàn)在，對于固定的發(fā)射功率20，通過使用參考文獻(xiàn)[6]的MAC/BC雙重性能夠計算 對于下行鏈路信道的最優(yōu)輸入?yún)f(xié)方差矩陣Sxx并且如下表示 Sxx的特征值分解(EVD)能夠被計算為
接下來，該方法將發(fā)射過濾器矩陣B計算為
有效前饋過濾器能夠被計算為
(51)
(52)因而，兩個用戶對于等式(7)中所示的基帶信號處理采用下述前饋過濾器 從等式52和53顯而易見第一用戶僅被分配1個符號而第二用戶被分配3個符號< 即屮=[un] , U2 = [u21 U22 1!23]\從而11 = [11丨U〗 ]7'。干擾預(yù)消除矩陣G因而能夠被計算為
使用參考文獻(xiàn)[6]中描述的方法能夠?qū)τ诘刃闲墟溌?MAC信道的最優(yōu)輸入 協(xié)方差矩陣計算為 D =現(xiàn)
(49) 上述方法提供了以合理范圍內(nèi)的計算代價改善MU-MIMO系統(tǒng)的頻譜效率的方式。 性能改善與更加計算復(fù)雜的GDFE預(yù)編碼器提供的性能改善相同。因而，該方法非常適用于 高速數(shù)字蜂窩電話，包括例如IMT-Advanced的開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)以及其其它形式的高速數(shù)字通信， 包括有線通信。上述方法可以多種形式體現(xiàn)并且可以實施作為方法、處理、系統(tǒng)和例如集成電路 的部件。在一個典型的實施中，該方法由數(shù)字信號處理器執(zhí)行的軟件來執(zhí)行。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的特定實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說基于 這里的教示在不偏離本發(fā)明的范圍和更廣的方面的前提下能夠進(jìn)行改變和變型。因而，所 附的權(quán)利要求意欲將所有這樣的變化和變型包括在它們的范圍內(nèi)，如同包括在本發(fā)明的真 實精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種配置基于廣義判決反饋均衡器GDFE的預(yù)編碼器的方法，所述預(yù)編碼器在具有k個用戶終端UT的多用戶多輸入多輸出MU-MIMO無線系統(tǒng)的基站中，每個用戶終端UT具有與其相關(guān)聯(lián)的前饋過濾器，所述前饋過濾器由F1，F(xiàn)2…，F(xiàn)k表示，所述方法包括使用下述表達(dá)式之一來計算過濾器矩陣C，下述表達(dá)式包括(i)C＝(HV∑1/2)H[HSxxHH+Szz]-1其中V是酉矩陣，∑是具有非負(fù)元的對角矩陣，并且Szz是最差噪聲協(xié)方差矩陣，其中Szz是對于下行鏈路信道的輸入?yún)f(xié)方差矩陣， <mrow><msub> <mi>S</mi> <mi>xx</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>I</mi><mo>-</mo><msup> <mrow><mo>[</mo><msup> <mi>H</mi> <mi>H</mi></msup><mi>DH</mi><mo>+</mo><mi>I</mi><mo>]</mo> </mrow> <mrow><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msup> </mrow> <mi>λ</mi></mfrac><mo>,</mo> </mrow>其中I是單位矩陣，H是表示用于在無線系統(tǒng)中進(jìn)行通信的信道的信道矩陣，D是對于被選擇作為容量最優(yōu)的無線系統(tǒng)中的等效上行鏈路/介質(zhì)訪問信道MAC的輸入?yún)f(xié)方差矩陣，并且λ是對于給定總發(fā)射功率Pt的標(biāo)量變量，λ＝trace(I-[HHDH+I]-1)/Pt，(ii)對于秩大于或等于自己的行數(shù)的信道矩陣H，其中上標(biāo)指示Moore-Penrose廣義逆矩陣，(iii)對于秩大于或等于自己的行數(shù)的信道矩陣H，以及(iv)其中前饋過濾器矩陣F由F＝GMHC表示，M是酉矩陣，G是在GDFE預(yù)編碼器的干擾預(yù)消除級處的發(fā)射器中使用的干擾預(yù)消除矩陣；使用C的QR分解QRD將矩陣M計算為C＝MR；計算用于處理在GDFE預(yù)編碼器的判決反饋均衡級之后獲得的符號矢量的發(fā)射過濾器的發(fā)射過濾器矩陣BB＝V∑1/2M；將前饋過濾器矩陣F計算為F＝BlockDiagonal(R)其中BlockDiagonal(.)函數(shù)從矩陣R的塊對角線提取大小為{ak x Lk}的子矩陣F1，F(xiàn)2…，F(xiàn)k，并且ak是分派給第k個用戶終端UT的符號數(shù)目并且等于Fk的秩；以及將干擾預(yù)消除矩陣G計算為其中上標(biāo)指示Moore-Penrose廣義逆矩陣。FSA00000047290000012.tif,FSA00000047290000013.tif,FSA00000047290000014.tif,FSA00000047290000015.tif,FSA00000047290000021.tif,FSA00000047290000022.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括從單位矩陣I中減去干擾預(yù)消除矩陣G以獲取干擾預(yù)消除塊； 其中GDFE預(yù)編碼器包括前饋路徑和反饋路徑，通過置于前饋路徑中的模單元產(chǎn)生過 濾后的矢量符號X的流，并且通過置于反饋路徑中的干擾預(yù)消除塊反饋過濾后的矢量符號Xo
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，還包括從用戶符號流中減去干擾預(yù)消除塊的輸出信號并且將減去后的結(jié)果應(yīng)用到前饋路徑 中的模單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，還包括通過由發(fā)射過濾器矩陣B代表的發(fā)射過濾器來過濾由置于前饋路徑中的模單元產(chǎn)生 的過濾后的矢量符號X的流。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，還包括將發(fā)射過濾器的輸出引導(dǎo)至由信道矩陣H代表的信道，通過所述信道進(jìn)行無線系統(tǒng)中 與用戶終端的通信。
6.一種基于廣義判決反饋均衡器GDFE的預(yù)編碼器，所述預(yù)編碼器在具有k個用戶終 端UT的多用戶多輸入多輸出MU-MIMO無線系統(tǒng)的基站中，每個用戶終端UT具有與其相關(guān) 聯(lián)的前饋過濾器，所述前饋過濾器由F1, F2…，F(xiàn)k表示，⑶FE預(yù)編碼器包括前饋路徑； 反饋路徑；和置于反饋路徑中由I-G指示的干擾預(yù)消除塊，I是單位矩陣，G是干擾預(yù)消除矩陣； 其中前饋過濾器矩陣F是 F = BlockDiagonal(R)其中BlockDiagonal (.)函數(shù)從矩陣R的塊對角線提取大小為Iak χ Lk}的子矩陣F1, F2…，F(xiàn)k,并且ak是分派給第k個用戶終端UT的符號數(shù)目并且等于Fk的秩；以及 其中 其中M是酉矩陣，V是酉矩陣，Σ是具有非負(fù)元的對角矩陣，并且Szz是最差噪聲協(xié)方差 矩陣，其中Szz是對于下行鏈路信道的輸入?yún)f(xié)方差矩陣， 其中I是單位矩陣，H是表示用于在無線系統(tǒng)中進(jìn)行通信的信道的信道矩陣，D是對于 被選擇作為容量最優(yōu)的無線系統(tǒng)中的等效上行鏈路/介質(zhì)訪問信道MAC的輸入?yún)f(xié)方差矩 陣，并且λ是對于給定總發(fā)射功率Pt的標(biāo)量變量，
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的GDFE預(yù)編碼器，其中干擾預(yù)消除塊中的干擾預(yù)消除矩陣G如 下確定使用下述表達(dá)式之一來計算過濾器矩陣C，下述表達(dá)式包括 ⑴ C = (HV Σ “2)H [HSxxH1^Szz]-1 對于秩大于或等于自己的行數(shù)的信道矩陣H，其中上標(biāo)指示M00re-Penr0se廣義逆矩 陣，以及 其中前饋過濾器矩陣FfiF = GMhC代表； 使用C的QR分解QRD將矩陣M計算為 C = MR ；計算用于處理在GDFE預(yù)編碼器的判決反饋均衡級之后獲得的符號矢量的發(fā)射過濾器 的發(fā)射過濾器矩陣B B = VE 172M ；將前饋過濾器矩陣F計算為 F = BlockDiagonal(R)其中BlockDiagonal (.)函數(shù)從矩陣R的塊對角線提取大小為Iak χ Lk}的子矩陣F1, F2…，F(xiàn)k,并且ak是分派給第k個用戶終端UT的符號數(shù)目并且等于Fk的秩；以及 將干擾預(yù)消除矩陣G計算為G =FR+其中上標(biāo)1"指示Moore-Penrose廣義逆矩陣。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的⑶FE預(yù)編碼器，還包括模單元，置于前饋路徑中，用于產(chǎn)生過濾后的矢量符號X的流，所述過濾后的矢量符號 X通過置于反饋路徑中的干擾預(yù)消除塊反饋。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的⑶FE預(yù)編碼器，其中從用戶符號流中減去干擾預(yù)消除塊的輸出信號并且將減去后的結(jié)果應(yīng)用到前饋 路徑中的模單元。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的⑶FE預(yù)編碼器，還包括由發(fā)射過濾器矩陣B代表的發(fā)射過濾器，用于過濾由置于前饋路徑中的模單元產(chǎn)生的 過濾后的矢量符號X的流。
11.一種MU-MIMO無線系統(tǒng)，包括包括權(quán)利要求10所述的GDFE預(yù)編碼器的基站； k個用戶終端；以及用于接收發(fā)射過濾器的輸出的信道，所述信道由信道矩陣H代表，通過所述信道進(jìn)行 無線系統(tǒng)中與用戶終端的通信。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的MU-MIMO無線系統(tǒng)，其中所述無線系統(tǒng)包括N個天線和k個用戶終端UT，每個用戶終端UT都具有Lk個天線，其中UT的天線的和被表示為: ,其中Hk指示基站和第k個UT之間的維度為{Lk χ N}的信道增益矩陣， 其中基站和k個UT之間的組合的信道增益矩陣的維度是{L χ N}并且由信道矩陣 給出，其中上標(biāo)^皆示矩陣轉(zhuǎn)置。
13.一種基于廣義判決反饋均衡器GDFE的預(yù)編碼器，所述預(yù)編碼器在具有k個用戶終 端UT的多用戶多輸入多輸出MU-MIMO無線系統(tǒng)的基站中，每個用戶終端UT具有與其相關(guān) 聯(lián)的前饋過濾器，所述前饋過濾器由F1, F2…，F(xiàn)k表示，⑶FE預(yù)編碼器包括前饋路徑；反饋路徑；和置于反饋路徑中由I-G指示的干擾預(yù)消除塊，I是單位矩陣，G是干擾預(yù)消除矩陣； 其中干擾預(yù)消除塊中的干擾預(yù)消除矩陣G如下確定使用下述表達(dá)式之一來計算過濾器矩陣C，下述表達(dá)式包括 其中V是酉矩陣，Σ是具有非負(fù)元的對角矩陣，并且Szz是最差噪聲協(xié)方差矩陣， 其中Szz是對于下行鏈路信道的輸入?yún)f(xié)方差矩陣， i-[hwdh+i]"' 其中I是單位矩陣，H是表示用于在無線系統(tǒng)中進(jìn)行通信的信道的信道矩陣，D是對于 被選擇作為容量最優(yōu)的無線系統(tǒng)中的等效上行鏈路/介質(zhì)訪問信道MAC的輸入?yún)f(xié)方差矩 陣，并且λ是對于給定總發(fā)射功率Pt的標(biāo)量變量， λ = trace(I-[HHDH+I]_1)/Pt, 對于秩大于或等于自己的行數(shù)的信道矩陣H，其中上標(biāo)t指示M00re-Penr0se廣義逆矩陣， 對于秩大于或等于自己的行數(shù)的信道矩陣H，以及 其中前饋過濾器矩陣F由F = GMhC表示，M是酉矩陣，G是在⑶FE預(yù)編碼器的干擾預(yù) 消除級處的發(fā)射器中使用的干擾預(yù)消除矩陣； 使用C的QR分解QRD將矩陣M計算為 C = MR ；計算用于處理在GDFE預(yù)編碼器的判決反饋均衡級之后獲得的符號矢量的發(fā)射過濾器 的發(fā)射過濾器矩陣B B = VE 172M ；將前饋過濾器矩陣F計算為 F = BlockDiagonal(R)其中BlockDiagonal (.)函數(shù)從矩陣R的塊對角線提取大小為Iak χ Lk}的子矩陣F1, F2…，F(xiàn)k,并且ak是分派給第k個用戶終端UT的符號數(shù)目并且等于Fk的秩；以及 將干擾預(yù)消除矩陣G計算為G =FR+其中上標(biāo)1"指示Moore-Penrose廣義逆矩陣。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的⑶FE預(yù)編碼器，還包括模單元，置于前饋路徑中，用于產(chǎn)生過濾后的矢量符號X的流，所述過濾后的矢量符號 X通過置于反饋路徑中的干擾預(yù)消除塊反饋。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的⑶FE預(yù)編碼器，其中從用戶符號流中減去干擾預(yù)消除塊的輸出信號并且將減去后的結(jié)果應(yīng)用到前饋 路徑中的模單元。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的⑶FE預(yù)編碼器，還包括由發(fā)射過濾器矩陣B代表的發(fā)射過濾器，用于過濾由置于前饋路徑中的模單元產(chǎn)生的 過濾后的矢量符號X的流。
17.一種MU-MIMO無線系統(tǒng)，包括包括權(quán)利要求16所述的GDFE預(yù)編碼器的基站； k個用戶終端；以及用于接收發(fā)射過濾器的輸出的信道，所述信道由信道矩陣H代表，通過所述信道進(jìn)行 無線系統(tǒng)中與用戶終端的通信。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的MU-MIMO無線系統(tǒng)，其中所述無線系統(tǒng)包括N個天線和k個用戶終端UT，每個用戶終端都具有Lk個天線， 其中UT的天線的和被表示為:L = Dk ,其中Hk指示基站和第k個UT之間的維度為{Lk χ N}的信道增益矩陣， 其中基站和k個UT之間的組合的信道增益矩陣的維度是{L χ N}并且由信道矩陣 H = [H「H丨...H^f給出，其中上標(biāo)1指示矩陣轉(zhuǎn)置。
全文摘要
本發(fā)明公開了用于多用戶多輸入多輸出無線傳輸系統(tǒng)的快速廣義判決反饋均衡器預(yù)編碼器實施。使用了一種技術(shù)來實現(xiàn)用于多用戶多輸入多輸出(MU-MIMO)系統(tǒng)的廣義判決反饋均衡器GDFE預(yù)編碼器，其極大地降低了計算代價并同時不導(dǎo)致容量損失。提出了一種配置GDFE預(yù)編碼器的方法，所述預(yù)編碼器在具有k個用戶終端UT的MU-MIMO無線系統(tǒng)的基站中，每個用戶終端UT具有與其相關(guān)聯(lián)的前饋過濾器。該方法包括使用本發(fā)明的多個可選公式之一來計算過濾器矩陣C，并且基于過濾器矩陣C的計算來計算用于處理在GDFE預(yù)編碼器的判決反饋均衡級之后獲得的符號矢量的發(fā)射過濾器的發(fā)射過濾器矩陣B、前饋過濾器矩陣F以及干擾預(yù)消除矩陣G。
文檔編號H04B7/04GK101841396SQ201010136250
公開日2010年9月22日 申請日期2010年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月11日
發(fā)明者蘇當(dāng)舒·高爾 申請人:株式會社日立制作所