專利名稱:多用戶mimo系統(tǒng)中的功率分配方法和裝置的制作方法
技術領域:
本發(fā)明涉及無線通信技術領域,特別地,涉及一種多用戶MIMO系統(tǒng)中的功率分配 方法和裝置。
背景技術:
多天線(Multiple-Inputand Multiple-Output,ΜΙΜΟ)技術ΜΙΜ0 技術通過增加 發(fā)射天線和接收天線的數(shù)目,在收發(fā)兩端之間形成多個并行傳輸?shù)男诺溃眠@些信道進 行數(shù)據(jù)的并行傳輸來提高系統(tǒng)頻譜利用率。與單天線系統(tǒng)相比,MIMO技術的引入同時提高 了系統(tǒng)的有效性和可靠性。有效性的具體體現(xiàn)是空間復用技術,在不增加頻譜的基礎上,同 時可以并行傳輸多個數(shù)據(jù)流,明顯地提高了系統(tǒng)的頻譜效率和容量。發(fā)送分集帶來了可靠 性,將一個信號在多個不相關的信道進行傳輸,在接收端可以接收到經(jīng)歷不同衰落的該信 號的多個副本,從而大大降低了差錯概率。MIMO技術還可以進一步劃分為單用戶MIMO和多 用戶MIMO兩種。單用戶ΜΙΜ0,又稱空分復用(Space Division Multiplexing,SDM),一個基站(BS) 同時只和一個用戶進行通信。這個系統(tǒng)已經(jīng)研究的非常成熟了,并在3GPP系統(tǒng)長期演進 (LTE)RS里進行了標準化。多用戶ΜΙΜ0,又稱空分多址(Space Division Multiple Access, SDMA),一個 BS 同時和多個用戶進行通信,各個用戶的數(shù)據(jù)在相同的資源塊(RB)上進行發(fā)送,該技術可以 進一步提高空間復用增益,從而提高系統(tǒng)的容量,該技術已經(jīng)被確認作為第四代移動通信 系統(tǒng)的關鍵技術。在多用戶MIMO系統(tǒng)里,每個用戶受到了兩種干擾,一種是由其他用戶的 數(shù)據(jù)造成的多用戶干擾(Multiple User Interference,MUI),還有自己多個數(shù)據(jù)流之間的 干擾(Inter-Stream Interference, ISI)。這兩種干擾是實現(xiàn)多用戶ΜΙΜΟ系統(tǒng)性能增益 的主要阻礙,需要我們想辦法解決。在上行,各個用戶的信號檢測工作由BS完成,大量的多 用戶檢測方法已經(jīng)被提出。但對于下行,由于此時,各個用戶是獨立分開的,彼此不能互相 協(xié)作譯碼,預編碼技術是最理想的解決方案。預編碼技術預編碼(Pre-coding)技術提出的初衷是為了降低用戶端的檢測負 擔,將用戶端的檢測工作移到基站端處理。當基站端獲知信道狀態(tài)信息的條件下,可以事先 設計預編碼矩陣,抵消可能出現(xiàn)在用戶端的干擾,這樣用戶端不需要或只需要簡單的譯碼 操作就可以恢復出數(shù)據(jù),大大降低了譯碼復雜度。發(fā)送功率分配(Transmit Power Allocation, TPA)技術在ΜΙΜΟ系統(tǒng)里,因為有 多個子信道同時進行傳輸,每個子信道上功率的不同會造成不同的系統(tǒng)性能。根據(jù)不同的 目的,在各個子信道上進行有效地功率分配,可以獲取不同的性能指標。在單用戶MIMO系 統(tǒng)里,為了最大化系統(tǒng)的容量,提出了經(jīng)典的迭代注水功率方法,該方法為大奇異值對應的 子信道分配更多的功率。相反,為了提升系統(tǒng)的BER性能,最小均方誤差(Minimum Mean Square Error,MMSE)逆注水功率分配方法對較小奇異值對應的子信道分配更多的功率,因 為一個用戶的誤碼率(BER)性能是由其最小奇異值對應的子信道決定的。
迄今為止,對單用戶MIMO系統(tǒng)的預編碼方法,已經(jīng)非常成熟。對多用戶MIMO系統(tǒng), 也有大量的預編碼技術被提出,這些方法可以分為線性的和非線性的。非線性的預編碼方 法有較好的性能,但由于其復雜度高,使得在實際中的應用受阻。在線性預編碼方法中,基 于迫零(ZF)和最小均方誤差(MMSE)準則的預編碼方法被人們廣泛地研究。其中具有代表 性的是塊對角化(BD)和聯(lián)合收發(fā)MMSE預編碼方法。在基站已知所有用戶的信道狀態(tài)信息 的情況下,設計每個用戶的預編碼矩陣,每個用戶的預編碼矩陣取自其他用戶信道矩陣的 零空間,這樣經(jīng)過信道后,每個用戶就只能收到自己的信號,此時,多用戶MIMO信道被分解 為多個獨立的單用戶MIMO信道。以前研究的所有單用戶MIMO的預編碼方法,都可以被使 用。聯(lián)合收發(fā)MMSE預編碼方法,可以提供很好的性能,但該方法需要復雜的迭代,難以在實 際系統(tǒng)中得到應用。在BD和聯(lián)合收發(fā)MMSE預編碼方法里,用戶接收端的譯碼矩陣需要基 站通過下行鏈路發(fā)送專用參考符號來進行估計,這樣造成了系統(tǒng)信令額外的開銷?;谄娈愔捣纸?SVD)輔助的多用戶MIMO預編碼方法已被提出。當完美獲知各 個用戶的信道狀態(tài)信息(Channel State Information, CSI),基站可以統(tǒng)一設計所有用戶 的預編碼矩陣,每個用戶可以根據(jù)自己的CSI,計算出自己的譯碼矩陣。通過預編碼矩陣和 譯碼矩陣的聯(lián)合處理,多用戶MIMO信道被分解為多個獨立的單入單出(SISO)信道。這種 方法不需要基站發(fā)送專用參考符號,減少了信令的開銷,更利于在實際系統(tǒng)中應用。針對所分解后的SISO信道,功率分配方法可以用來進一步提升系統(tǒng)性能。現(xiàn)有技 術在下行鏈路中采用了最簡單的等功率分配(Equal PowerAllocation, EPA)方法,雖然簡 單,但性能有限;在上行鏈路中采用了最大化信噪比(Maximum Signal Noise Ratio,MSNR) 的功率分配方法,沒有充分考慮基站端的噪聲增強問題。上述所有的方法都假設基站端完美獲知各個用戶的CSI,但是,在實際的系統(tǒng)中, 用戶端的信道估計會帶來誤差,所以,如果不考慮這個誤差將導致系統(tǒng)性能的下降。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的一個技術問題是提供一種多用戶MIMO系統(tǒng)中的功率分配方法和 裝置,能夠在進行功率分配時考慮信道估計誤差對系統(tǒng)性能的影響。根據(jù)本發(fā)明的一方面,提供了一種多用戶MIMO系統(tǒng)中的功率分配方法,包括接收 射頻信號χ ;利用譯碼矩陣W對接收到的射頻信號X進行譯碼操作r = WX,在譯碼操作過 程中,對估計的每個用戶信道矩陣進行奇異值分解,其中,X = ΗΜΑζ+η,H = E,H為理想 的用戶信道矩陣, 為估計的用戶信道矩陣,E為信道估計的誤差矩陣,M為預編碼矩陣,A 為功率分配矩陣,ζ為用戶原始數(shù)據(jù),η為噪聲,r為譯碼后的信號;利用譯碼后的信號r = W[HMAz+n]計算每個用戶中的每個數(shù)據(jù)流的信干噪比SINR,并基于計算出的SINR計算對應 的誤碼率BER ;在系統(tǒng)總功率的限制下,獲取使系統(tǒng)的平均BER最小的功率分配矩陣A。根據(jù)本發(fā)明方法的一個實施例,在射頻信號X來自基站時,計算每個用戶中的每 個數(shù)據(jù)流的信干噪比SINR的步驟包括利用奇異值分解后的對角矩陣的對角線上的非零奇 異值和功率分配矩陣計算每個用戶的信號功率;利用信道估計誤差的方差、系統(tǒng)總功率以 及噪聲的方差計算干擾和噪聲功率;利用計算出的每個用戶的信號功率、干擾和噪聲功率 獲得信干噪比SINR。根據(jù)本發(fā)明方法的另一實施例,在射頻信號X來自移動終端時,計算每個用戶中的每個數(shù)據(jù)流的信干噪比SINR的步驟包括利用奇異值分解后的對角矩陣的對角線上的非 零奇異值和功率分配矩陣計算每個用戶的信號功率;利用信道估計誤差的方差、系統(tǒng)總功 率、譯碼矩陣WWh的對角元素以及噪聲的方差計算干擾和噪聲功率;利用計算出的每個用戶 的信號功率、干擾和噪聲功率獲得信干噪比SINR。根據(jù)本發(fā)明方法的又一實施例,利用下述公式基于計算出的SINR計算對應的誤 碼率BER :Pb(w) ^exp(-gw),其中,w是SINR,g是調(diào)制星座參數(shù),Pb (w)是w情況下的BER。根據(jù)本發(fā)明方法的再一實施例,通過拉格朗日法獲取使系統(tǒng)的平均BER最小的功 率分配矩陣A。根據(jù)本發(fā)明的另一方面,還提供了一種多用戶MIMO系統(tǒng)中的功率分配裝置,包括 信號接收模塊,用于接收射頻信號X ;譯碼模塊,用于利用譯碼矩陣W對接收到的射頻信號X 進行譯碼操作r = WX,在譯碼操作過程中,對估計的每個用戶信道矩陣進行奇異值分解,其 中,父=匪2+11,11 = 0+£巾為理想的用戶信道矩陣,0為估計的用戶信道矩陣,^為信道 估計的誤差矩陣,M為預編碼矩陣,A為功率分配矩陣,ζ為用戶原始數(shù)據(jù),η為噪聲,r為譯 碼后的信號;誤碼率計算模塊,用于利用譯碼后的信號r = W[HMAz+n]計算每個用戶中的每 個數(shù)據(jù)流的信干噪比SINR,并基于計算出的SINR計算對應的誤碼率BER ;功率獲取模塊,用 于在系統(tǒng)總功率的限制下,獲取使系統(tǒng)的平均BER最小的功率分配矩陣A。根據(jù)本發(fā)明裝置的一個實施例,誤碼率計算模塊包括下行信號功率計算單元,用 于利用奇異值分解后的對角矩陣的對角線上的非零奇異值和功率分配矩陣計算每個用戶 的信號功率;下行干擾噪聲功率計算單元,用于利用信道估計誤差的方差、系統(tǒng)總功率以及 噪聲的方差計算干擾和噪聲功率;下行信干噪比計算單元,用于利用計算出的每個用戶的 信號功率、干擾和噪聲功率獲得信干噪比SINR。根據(jù)本發(fā)明裝置的另一實施例,誤碼率計算模塊包括上行信號功率計算單元,用 于利用奇異值分解后的對角矩陣的對角線上的非零奇異值和功率分配矩陣計算每個用戶 的信號功率;上行干擾噪聲功率計算單元,用于利用信道估計誤差的方差、系統(tǒng)總功率、譯 碼矩陣WWh的對角元素以及噪聲的方差計算干擾和噪聲功率;上行信干噪比計算單元,用于 利用計算出的每個用戶的信號功率、干擾和噪聲功率獲得信干噪比SINR。根據(jù)本發(fā)明裝置的又一實施例,誤碼率計算模塊利用下述公式計算誤碼率BER:
PbM jexp(-gw),其中,w是SINR,g是調(diào)制星座參數(shù),Pb(W)是w情況下的BER。根據(jù)本發(fā)明裝置的再一實施例,功率獲取模塊通過拉格朗日法獲取使系統(tǒng)的平均 BER最小的功率分配矩陣A。本發(fā)明多用戶MIMO系統(tǒng)中的功率分配方法和裝置,在譯碼操作和誤碼率的計算 過程中均考慮了信道估計誤差對系統(tǒng)性能的影響,從而使得本發(fā)明能夠更適合于在實際系 統(tǒng)中應用。
此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解,構成本申請的一部分。在附 圖中
圖1是本發(fā)明方法的一個實施例的流程示意圖。圖2是本發(fā)明多用戶MIMO系統(tǒng)下行傳輸?shù)哪P褪疽鈭D。圖3是本發(fā)明多用戶MIMO系統(tǒng)上行傳輸?shù)哪P褪疽鈭D。圖4是在多用戶MIMO系統(tǒng)的下行方向上本發(fā)明方法與EPA方法在完美CSI下最 大奇異值與最小奇異值的BER性能比較示意圖。圖5是在多用戶MIMO系統(tǒng)的下行方向上本發(fā)明方法與EPA方法在各種信道估計 誤差情況下的系統(tǒng)平均BER性能比較示意圖。圖6是在多用戶MIMO系統(tǒng)的上行方向上本發(fā)明方法與EPA、MSNR方法在完美CSI 下的系統(tǒng)平均BER性能比較示意圖。圖7是在多用戶MIMO系統(tǒng)的上行方向上本發(fā)明方法與MSNR方法在各種信道估計 誤差情況下的系統(tǒng)平均BER性能比較示意圖。圖8是本發(fā)明裝置的一個實施例的結構示意圖。
具體實施例方式下面參照附圖對本發(fā)明進行更全面的描述,其中說明本發(fā)明的示例性實施例。本 發(fā)明的示例性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明,但并不構成對本發(fā)明的不當限定。本發(fā)明的目的是最小化系統(tǒng)的BER,基于BD預編碼方法的MMSE逆注水功率分配方 法可以直接被采用,但由于BD方法自身的設計限制和其復雜度使得該功率分配方法難以 實施。針對SVD輔助的多用戶MIMO上下行傳輸,已有兩種功率分配方法。下行采用EPA功 率分配方法,忽略了各個子信道的BER的性能差距,沒有充分利用發(fā)送功率;上行采用MSNR 功率分配方法,忽略了基站端可能造成噪聲功率放大,假設噪聲仍然是白高斯的,這會造成 性能的損失。這兩種功率分配方法,都是基于完美CSI假設得出的結論,不利于實際系統(tǒng)的 應用。在實際系統(tǒng)中,信道估計誤差是肯定存在的。這要求在設計預編碼和功率分配方法 的同時要考慮信道估計誤差。因此,本發(fā)明在有信道估計誤差的情況下,提出了一種統(tǒng)一的針對多用戶MIMO系 統(tǒng)上下行的功率分配方法和裝置。本發(fā)明考慮了信道估計誤差對系統(tǒng)性能的影響,并將最 小奇異值的BER性能和上行出現(xiàn)的噪聲增強統(tǒng)一考慮進去,借助近似的BER表達式,在總發(fā) 送功率限制下,得到了統(tǒng)一的功率分配方案,最后,通過簡單的求解推導,得到了上下行功 率分配矩陣的閉式解。與MMSE逆注水功率分配方法所采用的迭代運算相比,本發(fā)明的復雜 度更低,同時考慮了信道估計誤差所帶來的影響,可以有效地抵抗由信道估計誤差引起的 殘留多用戶干擾,更適合在實際系統(tǒng)情況下使用。對于下行方向,在維持最大奇異值的BER 性能的基礎上,本發(fā)明可以有效地提高最小奇異值的BER性能,減少由于奇異值帶來的各 個子信道BER性能的差距。對于上行方向,本發(fā)明考慮了基站出現(xiàn)的噪聲增強問題,與現(xiàn)有 技術相比,進一步提高了系統(tǒng)的BER性能。圖1是本發(fā)明方法的一個實施例的流程示意圖。如圖1所示,該實施例可以包括以下步驟S102,接收射頻信號X ;S104,利用譯碼矩陣W對接收到的射頻信號X進行譯碼操作r = WX,在譯碼操作 過程中,對估計的每個用戶信道矩陣進行奇異值分解,其中,X = ΗΜΑζ+η,Η = +E , H為理想的用戶信道矩陣, 為估計的用戶信道矩陣,E為信道估計的誤差矩陣,M為預編碼矩陣, A為功率分配矩陣,ζ為用戶原始數(shù)據(jù),η為噪聲,r為譯碼后的信號;S106,利用譯碼后的信號r = ff[HMAz+n]計算每個用戶中的每個數(shù)據(jù)流的信干噪 比SINR,并基于計算出的SINR計算對應的誤碼率BER ;可選地,當射頻信號X來自基站時,可以利用奇異值分解后的對角矩陣的對角線 上的非零奇異值和功率分配矩陣計算每個用戶的信號功率;利用信道估計誤差的方差、系 統(tǒng)總功率以及噪聲的方差計算干擾和噪聲功率;利用計算出的每個用戶的信號功率、干擾 和噪聲功率獲得信干噪比SINR ;可選地,在射頻信號X來自移動終端時,可以利用奇異值分解后的對角矩陣的對 角線上的非零奇異值和功率分配矩陣計算每個用戶的信號功率;利用信道估計誤差的方 差、系統(tǒng)總功率、譯碼矩陣WWh的對角元素以及噪聲的方差計算干擾和噪聲功率;利用計算 出的每個用戶的信號功率、干擾和噪聲功率獲得信干噪比SINR ;另外,可選地,為了避免直接計算誤碼率所帶來的復雜度,可以利用 Phiw) |exp(-gw)基于計算出的SINR計算對應的誤碼率BER,其中,w是SINR,g是調(diào)制星 座參數(shù),Pb (w)是w情況下的BER ;S108,在系統(tǒng)總功率的限制下,獲取使系統(tǒng)的平均BER最小的功率分配矩陣A,例 如,可以通過拉格朗日法計算功率分配矩陣A。圖2是本發(fā)明多用戶MIMO系統(tǒng)下行傳輸?shù)哪P褪疽鈭D。圖3是本發(fā)明多用戶MIMO系統(tǒng)上行傳輸?shù)哪P褪疽鈭D。如圖2和圖3所示,在一個多用戶MIMO系統(tǒng)場景中,假設有一個基站,K個地理位 置分隔的用戶。對于下行,BS端有Nt根發(fā)送天線,第j個用戶有 根接收天線。對于上行, 第j個用戶有N' ^ = 根發(fā)送天線,基站有N' r = Nt根接收天線。記下行的第j個用戶
的信道矩陣是乂 e Cn一丨,相應的上行信道矩陣為
權利要求
一種多用戶MIMO系統(tǒng)中的功率分配方法,其特征在于,包括接收射頻信號X;利用譯碼矩陣W對接收到的射頻信號X進行譯碼操作r=WX,在所述譯碼操作過程中,對估計的每個用戶信道矩陣進行奇異值分解,其中,X=HMAz+n,H為理想的用戶信道矩陣,為估計的用戶信道矩陣,E為信道估計的誤差矩陣,M為預編碼矩陣,A為功率分配矩陣,z為用戶原始數(shù)據(jù),n為噪聲,r為譯碼后的信號;利用譯碼后的信號r=W[HMAz+n]計算每個用戶中的每個數(shù)據(jù)流的信干噪比SINR,并基于計算出的SINR計算對應的誤碼率BER;在系統(tǒng)總功率的限制下,獲取使系統(tǒng)的平均BER最小的功率分配矩陣A。FSA00000293370500011.tif,FSA00000293370500012.tif
2.根據(jù)權利要求1所述的方法,其特征在于,在所述射頻信號X來自基站時,所述計算 每個用戶中的每個數(shù)據(jù)流的信干噪比SINR的步驟包括利用奇異值分解后的對角矩陣的對角線上的非零奇異值和功率分配矩陣計算每個用 戶的信號功率;利用信道估計誤差的方差、系統(tǒng)總功率以及噪聲的方差計算干擾和噪聲功率; 利用計算出的每個用戶的信號功率、干擾和噪聲功率獲得信干噪比SINR。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法,其特征在于,在所述射頻信號X來自移動終端時,所述 計算每個用戶中的每個數(shù)據(jù)流的信干噪比SINR的步驟包括利用奇異值分解后的對角矩陣的對角線上的非零奇異值和功率分配矩陣計算每個用 戶的信號功率;利用信道估計誤差的方差、系統(tǒng)總功率、譯碼矩陣WWH的對角元素以及噪聲的方差計 算干擾和噪聲功率;利用計算出的每個用戶的信號功率、干擾和噪聲功率獲得信干噪比SINR。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法,其特征在于,利用下述公式基于計算出的SINR計算對應的誤碼率BER -.Pb{w) iexp(-gw),其中,w是SINR,g是調(diào)制星座參數(shù),Pb (w)是w情況下 的 BER。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法,其特征在于,通過拉格朗日法獲取使系統(tǒng)的平均BER最 小的功率分配矩陣A。
6.一種多用戶MIMO系統(tǒng)中的功率分配裝置,其特征在于,包括 信號接收模塊,用于接收射頻信號X ;譯碼模塊,用于利用譯碼矩陣W對接收到的射頻信號X進行譯碼操作r = WX,在所述譯 碼操作過程中,對估計的每個用戶信道矩陣進行奇異值分解,其中,X = ΗΜΑζ+η,π = Η+Ε, H為理想的用戶信道矩陣, 為估計的用戶信道矩陣,E為信道估計的誤差矩陣,M為預編碼 矩陣,A為功率分配矩陣,ζ為用戶原始數(shù)據(jù),η為噪聲,r為譯碼后的信號;誤碼率計算模塊,用于利用譯碼后的信號r = ff[HMAz+n]計算每個用戶中的每個數(shù)據(jù) 流的信干噪比SINR,并基于計算出的SINR計算對應的誤碼率BER ;功率獲取模塊,用于在系統(tǒng)總功率的限制下,獲取使系統(tǒng)的平均BER最小的功率分配 矩陣A。
7.根據(jù)權利要求6所述的裝置,其特征在于,所述誤碼率計算模塊包括下行信號功率計算單元,用于利用奇異值分解后的對角矩陣的對角線上的非零奇異值 和功率分配矩陣計算每個用戶的信號功率;下行干擾噪聲功率計算單元,用于利用信道估計誤差的方差、系統(tǒng)總功率以及噪聲的 方差計算干擾和噪聲功率;下行信干噪比計算單元,用于利用計算出的每個用戶的信號功率、干擾和噪聲功率獲 得信干噪比SINR。
8.根據(jù)權利要求6所述的裝置,其特征在于,所述誤碼率計算模塊包括上行信號功率計算單元,用于利用奇異值分解后的對角矩陣的對角線上的非零奇異值 和功率分配矩陣計算每個用戶的信號功率;上行干擾噪聲功率計算單元,用于利用信道估計誤差的方差、系統(tǒng)總功率、譯碼矩陣 mf的對角元素以及噪聲的方差計算干擾和噪聲功率;上行信干噪比計算單元,用于利用計算出的每個用戶的信號功率、干擾和噪聲功率獲 得信干噪比SINR。
9.根據(jù)權利要求6所述的裝置,其特征在于,所述誤碼率計算模塊利用下述公式計算 誤碼率BER -.Pb(W) ^exp(-gw),其中,w是SINR,g是調(diào)制星座參數(shù),Pb(W)是w情況下的 BER。
10.根據(jù)權利要求6所述的裝置,其特征在于,所述功率獲取模塊通過拉格朗日法獲取 使系統(tǒng)的平均BER最小的功率分配矩陣A。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多用戶MIMO系統(tǒng)中的功率分配方法和裝置,其中,該方法包括接收射頻信號X;利用譯碼矩陣W對接收到的射頻信號X進行譯碼操作r=WX,在譯碼操作過程中,對估計的每個用戶信道矩陣進行奇異值分解;利用譯碼后的信號r=W[HMAz+n]計算每個用戶中的每個數(shù)據(jù)流的信干噪比SINR,并基于計算出的SINR計算對應的誤碼率BER;在系統(tǒng)總功率的限制下,獲取使系統(tǒng)的平均BER最小的功率分配矩陣A。本發(fā)明在譯碼操作和誤碼率的計算過程中均考慮了信道估計誤差對系統(tǒng)性能的影響,從而使得本發(fā)明能夠更適合于在實際系統(tǒng)中應用。
文檔編號H04W52/34GK101951678SQ201010298509
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月29日 優(yōu)先權日2010年9月29日
發(fā)明者呂鐵軍, 常鵬飛 申請人:北京星河亮點通信軟件有限責任公司