本發(fā)明涉及無線通信領域，尤其涉及一種下行多用戶多天線數(shù)據(jù)傳輸方法、裝置及系統(tǒng)。

背景技術：

在r13之前的lte版本中，多用戶傳輸均通過正交傳輸?shù)姆绞絹斫档陀脩糸g的干擾。但是從信息論的角度分析，正交傳輸是有損信道容量的，因此是一種次優(yōu)的傳輸方式。若能從發(fā)射機和接收機聯(lián)合進行考慮，即使發(fā)射機采用非正交傳輸方式，在接收機側通過一些額外的處理也可以獲得優(yōu)于正交傳輸?shù)男阅?，甚至可以達到理論上的多用戶容量界，進而大大提升系統(tǒng)性能。

其中一種非正交傳輸方式是采用疊加編碼傳輸(superpositioncodingtransmission)。其基本思想是，系統(tǒng)根據(jù)不同的目標傳輸速率，將信道狀態(tài)量化為不同的信道質量的等級，每一個信道量化等級對應一個確定的目標傳輸速率。將兩組信號分別按照不同的目標速率獨立地進行信道編碼和調制映射，然后將兩者的輸出星座按照一定的功率分配比例進行疊加傳輸。對應的接收機采用基于最小均方誤差準則(minimummeansquareerror，mmse)的干擾抵消(interferencecancellation，ic)接收機就可以獲得逼近多用戶信道容量的性能。3gpp目前完成的多用戶疊加傳輸(multi-usersuperpositiontransmission，must)課題采用的就是該種非正交傳輸方式，分別選取一個距離基站較近的用戶(稱為近用戶)和一個位于小區(qū)邊緣的用戶(稱為遠用戶)進行多用戶的疊加傳輸。遠用戶接收到信號之后將近用戶的信號當成噪聲處理，因此會有一定的信噪比損失，尤其是當近用戶分配的功率比較大時。當近用戶接收到信號之后，先對遠用戶的信號進行解碼用來進行干擾消除，之后再進行近用戶信號的解碼?？梢?，該方案雖然具有簡單的發(fā)射機結構，但是近用戶卻需要采用復雜的干擾消除接收機。而且當近用戶解碼遠用戶的信號出現(xiàn)誤碼時，會出現(xiàn)較為嚴重的誤碼傳播問題。

另一種非正交傳輸方式是采用臟紙編碼(dirtypapercoding，dpc)的思想。對于下行鏈路來說，enb知道每個用戶的傳輸數(shù)據(jù)，因此對于某一個用戶 來說，可以在發(fā)送其信號之前，將其他用戶的信號當成已知干擾采用合適的預編碼進行預消除，從而達到無干擾傳輸?shù)哪康?，其好處在于在消除用戶間干擾的同時還能夠簡化接收機結構。

本發(fā)明將提出一種采用dpc思想的下行多用戶多天線數(shù)據(jù)傳輸方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種下行多用戶多天線數(shù)據(jù)傳輸方法，基站側共有n根天線，共有k個用戶，每個用戶的天線數(shù)為mi，每個用戶的傳輸層數(shù)為li，i＝1,2，…，k，li≤mi,該方法包括：

所述k個用戶的數(shù)據(jù)按照預先設置的用戶順序排列得到l層數(shù)據(jù)，依次對每層數(shù)據(jù)先進行反饋干擾消除再進行功率約束，然后將所有完成功率約束的l層數(shù)據(jù)組成一個多用戶信號列向量，與一個維度為l×l的酉矩陣f相乘，最后對相乘得到的信號進行資源映射和調制并發(fā)射給用戶；

其中，所述反饋干擾消除是指：當前層數(shù)據(jù)減去已完成功率約束的所有層數(shù)據(jù)組成的行向量與反饋矩陣(b-i)中對應當前層數(shù)據(jù)的行向量的所有非零元素組成的列向量的乘積，b是一個維度為l×l的對角線為1的下三角矩陣，i是一個維度為l×l的單位矩陣，b和f根據(jù)矩陣計算得出，hp是每個用戶的預編碼矩陣的轉置按照所述用戶順序作為對角子矩陣所構造的預處理矩陣，h是信道信息矩陣。

優(yōu)選的，所述b和f根據(jù)矩陣計算得出，具體為：對矩陣的共軛轉置進行三角分解獲得一個下三角矩陣s和一個酉矩陣f，將矩陣s的每一行的所有元素除以所在行的對角元素，得到一個對角線元素均為1的矩陣，記為b矩陣。

優(yōu)選的，所述方法還包括：每個用戶接收到信號后進行解調和資源解映射，然后利用自身的預編碼矩陣進行匹配濾波，匹配濾波后輸出的每一層數(shù)據(jù)再除以矩陣s中對應當前層數(shù)據(jù)的對角元素，之后進行解層映射，解層映射之后的信號先進行功率約束，再計算每個符號的對數(shù)似然比信息用于信道譯碼。進一步優(yōu)選的，所述方法還包括：在計算對數(shù)似然比信息時對原始星座進行擴展， 所述擴展是將原始星座在每個維度的兩個方向上都進行平移，每次平移與原始星座無縫銜接并且僅保留與原始星座相鄰的一半星座點。

優(yōu)選的，采用以下三種方式之一來構造每個用戶的預編碼矩陣：方式一，按照用戶i反饋的pmi從碼本中選取對應的預編碼向量或預編碼矩陣；方式二，對用戶i的信道矩陣進行特征值分解：hi＝ui∑ivi^h，直接選取矩陣vi^h的前l(fā)i列作為用戶i的預編碼矩陣；方式三，計算用戶i的信道矩陣hi每一個列向量的2范數(shù)，選取前l(fā)i個具有最大值的2范數(shù)的列向量組成用戶i的預處理矩陣。

優(yōu)選的，按照如下規(guī)則預先設置所述用戶順序：所述k個用戶的數(shù)據(jù)首先按照各用戶的傳輸層數(shù)由小到大進行排序，若其中某些用戶的傳輸層數(shù)相同，則這些用戶按照各用戶預編碼矩陣的frobenius范數(shù)由小到大進行排序。進一步優(yōu)選的，各用戶預處理矩陣內(nèi)部按照預處理向量的2范數(shù)由小到大進行排序。

優(yōu)選的，通過取模操作實現(xiàn)所述功率約束。進一步優(yōu)選的，根據(jù)如下公式進行取模操作：其中，x為取模對象，re(x)和im(x)分別表示取復數(shù)x的實部和虛部，為一個與調制方式有關的參數(shù)。更進一步優(yōu)選的，對應于bpsk、qpsk、16qam、64qam的調制方式，的取值分別為2、

本發(fā)明還提出一種用于權利要求1的下行數(shù)據(jù)發(fā)送裝置，所述裝置包含多用戶信號收集模塊、反饋干擾消除模塊、反饋矩陣模塊、功率約束模塊、酉矩陣模塊、資源映射模塊和調制模塊，其中，

多用戶信號收集模塊用于將k個用戶的數(shù)據(jù)按照預先設置的用戶順序排列得到l層數(shù)據(jù)；

反饋干擾消除模塊用于對多用戶信號收集模塊輸出的每層數(shù)據(jù)進行反饋干擾消除，所述反饋干擾消除是指，當前層數(shù)據(jù)減去反饋矩陣模塊的輸出結果；

反饋矩陣模塊用于將功率約束模塊已經(jīng)輸出的所有層數(shù)據(jù)組成的行向量與反饋矩陣(b-i)中對應當前層數(shù)據(jù)的行向量的所有非零元素組成的列向量進行相乘；

功率約束模塊用于對反饋干擾消除模塊輸出的層數(shù)據(jù)進行功率約束；

酉矩陣模塊用于將功率約束模塊輸出的所有l(wèi)層數(shù)據(jù)組成一個多用戶信 號列向量，與酉矩陣f相乘；

資源映射模塊用于對酉矩陣模塊輸出的信號進行資源映射；

調制模塊用于對資源映射模塊輸出的信號進行調制。

本發(fā)明還提出一種下行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括上述的下行數(shù)據(jù)發(fā)送裝置。優(yōu)選的，該系統(tǒng)還包括下行數(shù)據(jù)接收裝置，所述下行數(shù)據(jù)接收裝置包含解調模塊、資源解映射模塊、匹配濾波模塊、層數(shù)據(jù)處理模塊、解層映射模塊、功率約束模塊、llr計算模塊和信道譯碼模塊，其中，

解調模塊用于對接收到信號進行解調；

資源解映射模塊用于對解調模塊輸出的信號進行資源解映射；

配濾波模塊用于利用用戶自身的預編碼矩陣對資源映射模塊輸出的信號進行匹配濾波；

層數(shù)據(jù)處理模塊用于將匹配濾波模塊輸出的每一層數(shù)據(jù)除以矩陣s中對應當前層數(shù)據(jù)的對角元素，矩陣s是對矩陣的共軛轉置進行三角分解獲得的一個下三角矩陣；

解層映射模塊用于對層數(shù)據(jù)處理模塊輸出的信號進行解層映射；

功率約束模塊用于對解層映射模塊輸出的信號進行功率約束；

llr計算模塊用于計算功率約束模塊輸出的信號的每個符號的對數(shù)似然比信息用于信道譯碼；

信道譯碼模塊用于對llr計算模塊輸出的信號進行信道譯碼。

本發(fā)明通過發(fā)射端的預干擾消除，在消除用戶間干擾的同時，還能夠簡化接收機結構。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明實施例的下行數(shù)據(jù)發(fā)送裝置結構圖；

圖2是本發(fā)明實施例的下行數(shù)據(jù)接收裝置結構圖；

圖3是本發(fā)明實施例的采用qpsk調制計算llr時的擴展星座圖；

圖4是本發(fā)明實施例的采用16qam調制計算llr時的擴展星座圖；

圖5是本發(fā)明實施例的采用64qam調制計算llr時的擴展星座圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例；需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本實施例假設基站側配備n根天線，n的取值可以為1/2/4/8/16/32/64。同時允許k個用戶同時通信，每個用戶的天線數(shù)分別為mi，(i＝1,2，…，k)，mi的取值可以為1/2/4。每個用戶的傳輸層數(shù)為li，(i＝1,2，…，k)。要求li≤mi,

本實施例的數(shù)據(jù)傳輸方法在發(fā)送端進行如下操作：

k個用戶的數(shù)據(jù)按照預先設置的用戶順序排列得到l層數(shù)據(jù)，依次對每層數(shù)據(jù)先進行反饋干擾消除再進行功率約束，然后將所有完成功率約束的l層數(shù)據(jù)組成一個多用戶信號列向量，與一個維度為l×l的酉矩陣f相乘，最后對相乘得到的信號進行資源映射和調制并發(fā)射給用戶。

其中，所述反饋干擾消除是指：當前層數(shù)據(jù)減去已完成功率約束的所有層數(shù)據(jù)組成的行向量與反饋矩陣(b-i)中對應當前層數(shù)據(jù)的行向量的所有非零元素組成的列向量的乘積，b是一個維度為l×l的對角線為1的下三角矩陣，i是一個維度為l×l的單位矩陣，b和f根據(jù)矩陣計算得出，hp是每個用戶的預編碼矩陣的轉置按照所述用戶順序作為對角子矩陣所構造的預處理矩陣，h是信道信息矩陣。

本實施例采用圖1所示的下行數(shù)據(jù)發(fā)送裝置來實現(xiàn)上述發(fā)送端操作。圖1的發(fā)送裝置包含多用戶信號收集模塊、反饋干擾消除模塊、反饋矩陣模塊、功率約束模塊、酉矩陣模塊、資源映射模塊和調制模塊。

圖1中tbi,1表示用戶i經(jīng)過信道編碼和速率匹配之后形成的傳輸塊。當某一個用戶為多層傳輸時，其在每個tti可以有兩個傳輸塊。多用戶信號收集模塊將k個用戶的調制數(shù)據(jù)按照預先設置的用戶順序，合并為多用戶傳輸信號向量a＝[a1,a2,…,ak]^t。信號向量a先通過圖1中的反饋干擾消除模塊、反饋矩陣模塊、功率約束模塊和酉矩陣模塊進行預編碼處理，之后通過資源映射模塊映射到不同天線對應的資源上，再通過調制模塊進行調制之后通過對應的天線發(fā)射出去。詳細步驟如下：

步驟一、計算得到反饋矩陣(b-i)和酉矩陣f

假設enb可以獲取到每個用戶的下行信道響應，分別表示為h1，h2，……，hk。

enb首先根據(jù)某一準則為每一個用戶i選擇一個預編碼矩陣，其維度為mi×li，再將每個用戶的預編碼矩陣的轉置按照預先設置的用戶順序作為對角子矩陣構造預處理矩陣hp：

其中，0表示全零向量。為用戶i的預編碼矩陣的轉置。每個用戶的預編碼矩陣可以采用以下幾種構造方式：

(1)若用戶i能夠反饋pmi(precodingmatrixindex，pmi)，則按照用戶反饋的pmi，從其碼本中選取對應的預編碼向量或矩陣即可。

(2)用戶i的傳輸層數(shù)為li，先對用戶i的信道矩陣進行特征值分解：hi＝ui∑ivi^h，直接選取最大li個奇異值對應的右奇異值向量作為預處理矩陣，即取矩陣vi^h的前l(fā)i列即可。

(3)計算矩陣hi每一個列向量的2范數(shù)，并選取前l(fā)i個具有最大值的2 范數(shù)的列向量作為預處理矩陣。

enb構造預處理矩陣hp后，將hp和完整的信道信息矩陣h相乘得到另個一矩陣其中。最后根據(jù)矩陣計算得出一個維度為l×l的對角線為1的矩陣b和一個維度為l×l的酉矩陣f，將矩陣b減去一個同維度的單位矩陣i，即b-i作為反饋矩陣。

本實施例是對矩陣的共軛轉置進行qr分解(也可以是其它三角分解)，得到其中f＝[f1,f2,…,fk]為一個酉矩陣，即f中的各個列向量相互正交，s為一下三角矩陣。將矩陣s的每一行除以該行的對角元素使其對角線元素均為1，從而得到b矩陣，即b＝gs，其中，g＝diag{1/s1,11/s2,2…1/sl,l}，sj,j表示矩陣s的第j個主對角線元素，j＝1,2，…，l。反饋矩陣(b-i)如下：

實際實現(xiàn)時也可以采用其它方式根據(jù)矩陣得到b和f。

步驟二、設置用戶順序，合并多個用戶的傳輸信號

本實施例中，獲取各用戶的預處理向量之后，用戶數(shù)據(jù)按照下面的優(yōu)先級原則進行排序：

(1)各用戶首先按照傳輸層數(shù)進行排序，即要求：l1≤l2≤…≤lk，若某幾個用戶的傳輸層數(shù)相同，則按照各用戶預處理矩陣的frobenius范數(shù)進行排序，例如：若lm＝lm+1＝lm+2，且則按照m、m+1、m+2的順序進行排列。

(2)用戶預處理矩陣內(nèi)部按照預處理向量的2范數(shù)進行排序，即要求：

依照上述用戶順序，多用戶信號收集模塊將k個用戶的調制數(shù)據(jù)合并為多用戶傳輸信號向量a＝[a1,a2,…,ak]^t，共得到l層數(shù)據(jù)。

步驟三、對每層數(shù)據(jù)進行串行反饋層間干擾預消除和功率約束

首先反饋矩陣模塊將功率約束模塊已經(jīng)輸出的所有層數(shù)據(jù)組成的行向量與反饋矩陣(b-i)中對應當前層數(shù)據(jù)的行向量的所有非零元素組成的列向量進行相乘；然后反饋干擾消除模塊用當前層數(shù)據(jù)減去反饋矩陣模塊輸出的相乘結果；最后功率約束模塊對干擾預消除后的每一層數(shù)據(jù)進行功率約束，本實施例利用取模運算限制發(fā)射信號功率。具體算法可以表示為：

其中，x為取模對象，re(x)和im(x)分別表示取復數(shù)x的實部和虛部。為一個與調制方式有關的參數(shù)，對應于bpsk、qpsk、16qam、64qam的調制方式，的取值可以分別為2、

圖1中取模運算后得到的每層數(shù)據(jù)如下所示：

其中，與對應用戶對應層信號的調制方式有關。

步驟五、對所有用戶數(shù)據(jù)進行酉變換

經(jīng)過反饋干擾預消除之后，對獲得的所有用戶的信號進行線性預編碼，即其中，

步驟六、通過資源映射模塊將映射到不同天線對應的資源上，再通過調制模塊進行調制之后通過對應的天線發(fā)射出去。

相應的，本實施例方法在接收端進行如下操作：

每個用戶接收到信號后進行解調和資源解映射，然后利用自身的預編碼矩陣進行匹配濾波，匹配濾波后輸出的每一層數(shù)據(jù)再除以矩陣s中對應當前層數(shù)據(jù)的對角元素，之后進行解層映射，解層映射之后的信號先進行功率約束，再計算每個符號的對數(shù)似然比信息用于信道譯碼。

本實施例采用圖2所示的下行數(shù)據(jù)接收裝置來實現(xiàn)上述接收端操作。圖2的數(shù)據(jù)接收裝置包含解調模塊、資源解映射模塊、匹配濾波模塊、層數(shù)據(jù)處理模塊、解層映射模塊、功率約束模塊、llr計算模塊和信道譯碼模塊。

如圖2所示，每一個用戶的數(shù)據(jù)接收裝置接收到信號之后，先通過解調模塊對接收到的信號進行解調，再通過資源解映射模塊進行資源解映射得到信號yi，之后再通過匹配濾波模塊利用enb選用的預編碼矩陣進行如下匹配濾波：

匹配濾波后，層數(shù)據(jù)處理模塊對每一層的傳輸信號進行如下的處理：

其中，為矩陣s主對角線元素中與用戶i對應的元素。本發(fā)明的enb能夠獲取完整的下行信道信息，因此尤其適用于滿足信道互易性的場景，而且當用戶采用非qpsk調制時，enb需要通知用戶參數(shù)sj,j用于信號檢測。

之后再通過解層映射模塊進行解層映射，并通過功率約束模塊進行功率約束。本實施例在接收端同樣利用取模運算限制每一層信號的功率，之后通過llr計算模塊計算每一個符號的對數(shù)似然比(llr)信息用于信道譯碼，最后通過信道譯碼模塊進行信道譯碼。

為了補償由于取模運算引起的性能損失，在計算llr時需要對原始星座進行擴展。所謂的擴展是將原始星座在每個維度的兩個方向上都進行平移，每次平移與原始星座無縫銜接并且僅保留與原始星座相鄰的一半星座點。例如，enb對用戶k采用qpsk調制，計算llr時采用的擴展星座如圖3所示，對圖中央的原4個星座點進行了擴展；enb對用戶k采用16qam調制，計算llr時采用的擴展星座如圖4所示，對圖中央的原16個星座點進行了擴展；當enb對用戶k采用64qam調制，計算llr時采用的擴展星座如圖5所示，對圖中央的原16個星座點進行了擴展。

本領域普通技術人員可以理解：實現(xiàn)上述方法實施例的全部或部分步驟可以通過程序指令相關的硬件來完成，前述的程序可以存儲于一計算機可讀取存儲介質中，該程序在執(zhí)行時，執(zhí)行包括上述方法實施例的步驟；而前述的存儲介質包括：rom、ram、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質。

最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其 中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明各實施例技術方案的精神和范圍。