专利名称：多用户mimo系统中的功率分配方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信技术领域，特别地，涉及一种多用户MIMO系统中的功率分配 方法和装置。
背景技术：
多天线(Multiple-Inputand Multiple-Output,ΜΙΜΟ)技术ΜΙΜ0 技术通过增加 发射天线和接收天线的数目，在收发两端之间形成多个并行传输的信道，利用这些信道进 行数据的并行传输来提高系统频谱利用率。与单天线系统相比，MIMO技术的引入同时提高 了系统的有效性和可靠性。有效性的具体体现是空间复用技术，在不增加频谱的基础上，同 时可以并行传输多个数据流，明显地提高了系统的频谱效率和容量。发送分集带来了可靠 性，将一个信号在多个不相关的信道进行传输，在接收端可以接收到经历不同衰落的该信 号的多个副本，从而大大降低了差错概率。MIMO技术还可以进一步划分为单用户MIMO和多 用户MIMO两种。单用户ΜΙΜ0，又称空分复用(Space Division Multiplexing，SDM)，一个基站(BS) 同时只和一个用户进行通信。这个系统已经研究的非常成熟了，并在3GPP系统长期演进 (LTE)RS里进行了标准化。多用户ΜΙΜ0，又称空分多址(Space Division Multiple Access, SDMA)，一个 BS 同时和多个用户进行通信，各个用户的数据在相同的资源块(RB)上进行发送，该技术可以 进一步提高空间复用增益，从而提高系统的容量，该技术已经被确认作为第四代移动通信 系统的关键技术。在多用户MIMO系统里，每个用户受到了两种干扰，一种是由其他用户的 数据造成的多用户干扰(Multiple User Interference，MUI)，还有自己多个数据流之间的 干扰(Inter-Stream Interference, ISI)。这两种干扰是实现多用户ΜΙΜΟ系统性能增益 的主要阻碍，需要我们想办法解决。在上行，各个用户的信号检测工作由BS完成，大量的多 用户检测方法已经被提出。但对于下行，由于此时，各个用户是独立分开的，彼此不能互相 协作译码，预编码技术是最理想的解决方案。预编码技术预编码(Pre-coding)技术提出的初衷是为了降低用户端的检测负 担，将用户端的检测工作移到基站端处理。当基站端获知信道状态信息的条件下，可以事先 设计预编码矩阵，抵消可能出现在用户端的干扰，这样用户端不需要或只需要简单的译码 操作就可以恢复出数据，大大降低了译码复杂度。发送功率分配(Transmit Power Allocation, TPA)技术在ΜΙΜΟ系统里，因为有 多个子信道同时进行传输，每个子信道上功率的不同会造成不同的系统性能。根据不同的 目的，在各个子信道上进行有效地功率分配，可以获取不同的性能指标。在单用户MIMO系 统里，为了最大化系统的容量，提出了经典的迭代注水功率方法，该方法为大奇异值对应的 子信道分配更多的功率。相反，为了提升系统的BER性能，最小均方误差(Minimum Mean Square Error,MMSE)逆注水功率分配方法对较小奇异值对应的子信道分配更多的功率，因 为一个用户的误码率(BER)性能是由其最小奇异值对应的子信道决定的。
迄今为止，对单用户MIMO系统的预编码方法，已经非常成熟。对多用户MIMO系统， 也有大量的预编码技术被提出，这些方法可以分为线性的和非线性的。非线性的预编码方 法有较好的性能，但由于其复杂度高，使得在实际中的应用受阻。在线性预编码方法中，基 于迫零(ZF)和最小均方误差(MMSE)准则的预编码方法被人们广泛地研究。其中具有代表 性的是块对角化(BD)和联合收发MMSE预编码方法。在基站已知所有用户的信道状态信息 的情况下，设计每个用户的预编码矩阵，每个用户的预编码矩阵取自其他用户信道矩阵的 零空间，这样经过信道后，每个用户就只能收到自己的信号，此时，多用户MIMO信道被分解 为多个独立的单用户MIMO信道。以前研究的所有单用户MIMO的预编码方法，都可以被使 用。联合收发MMSE预编码方法，可以提供很好的性能，但该方法需要复杂的迭代，难以在实 际系统中得到应用。在BD和联合收发MMSE预编码方法里，用户接收端的译码矩阵需要基 站通过下行链路发送专用参考符号来进行估计，这样造成了系统信令额外的开销。基于奇异值分解(SVD)辅助的多用户MIMO预编码方法已被提出。当完美获知各 个用户的信道状态信息(Channel State Information, CSI)，基站可以统一设计所有用户 的预编码矩阵，每个用户可以根据自己的CSI，计算出自己的译码矩阵。通过预编码矩阵和 译码矩阵的联合处理，多用户MIMO信道被分解为多个独立的单入单出(SISO)信道。这种 方法不需要基站发送专用参考符号，减少了信令的开销，更利于在实际系统中应用。针对所分解后的SISO信道，功率分配方法可以用来进一步提升系统性能。现有技 术在下行链路中采用了最简单的等功率分配(Equal PowerAllocation, EPA)方法，虽然简 单，但性能有限；在上行链路中采用了最大化信噪比(Maximum Signal Noise Ratio,MSNR) 的功率分配方法，没有充分考虑基站端的噪声增强问题。上述所有的方法都假设基站端完美获知各个用户的CSI，但是，在实际的系统中， 用户端的信道估计会带来误差，所以，如果不考虑这个误差将导致系统性能的下降。
发明内容
本发明要解决的一个技术问题是提供一种多用户MIMO系统中的功率分配方法和 装置，能够在进行功率分配时考虑信道估计误差对系统性能的影响。根据本发明的一方面，提供了一种多用户MIMO系统中的功率分配方法，包括接收 射频信号χ ；利用译码矩阵W对接收到的射频信号X进行译码操作r = WX,在译码操作过 程中，对估计的每个用户信道矩阵进行奇异值分解，其中，X = ΗΜΑζ+η，H = E，H为理想 的用户信道矩阵， 为估计的用户信道矩阵，E为信道估计的误差矩阵，M为预编码矩阵，A 为功率分配矩阵，ζ为用户原始数据，η为噪声，r为译码后的信号；利用译码后的信号r = W[HMAz+n]计算每个用户中的每个数据流的信干噪比SINR，并基于计算出的SINR计算对应 的误码率BER ；在系统总功率的限制下，获取使系统的平均BER最小的功率分配矩阵A。根据本发明方法的一个实施例，在射频信号X来自基站时，计算每个用户中的每 个数据流的信干噪比SINR的步骤包括利用奇异值分解后的对角矩阵的对角线上的非零奇 异值和功率分配矩阵计算每个用户的信号功率；利用信道估计误差的方差、系统总功率以 及噪声的方差计算干扰和噪声功率；利用计算出的每个用户的信号功率、干扰和噪声功率 获得信干噪比SINR。根据本发明方法的另一实施例，在射频信号X来自移动终端时，计算每个用户中的每个数据流的信干噪比SINR的步骤包括利用奇异值分解后的对角矩阵的对角线上的非 零奇异值和功率分配矩阵计算每个用户的信号功率；利用信道估计误差的方差、系统总功 率、译码矩阵WWh的对角元素以及噪声的方差计算干扰和噪声功率；利用计算出的每个用户 的信号功率、干扰和噪声功率获得信干噪比SINR。根据本发明方法的又一实施例，利用下述公式基于计算出的SINR计算对应的误 码率BER :Pb(w) ^exp(-gw)，其中，w是SINR，g是调制星座参数，Pb (w)是w情况下的BER。根据本发明方法的再一实施例，通过拉格朗日法获取使系统的平均BER最小的功 率分配矩阵A。根据本发明的另一方面，还提供了一种多用户MIMO系统中的功率分配装置，包括 信号接收模块，用于接收射频信号X ；译码模块，用于利用译码矩阵W对接收到的射频信号X 进行译码操作r = WX，在译码操作过程中，对估计的每个用户信道矩阵进行奇异值分解，其 中，父=匪2+11，11 = 0+￡巾为理想的用户信道矩阵，0为估计的用户信道矩阵，^为信道 估计的误差矩阵，M为预编码矩阵，A为功率分配矩阵，ζ为用户原始数据，η为噪声，r为译 码后的信号；误码率计算模块，用于利用译码后的信号r = W[HMAz+n]计算每个用户中的每 个数据流的信干噪比SINR，并基于计算出的SINR计算对应的误码率BER ；功率获取模块，用 于在系统总功率的限制下，获取使系统的平均BER最小的功率分配矩阵A。根据本发明装置的一个实施例，误码率计算模块包括下行信号功率计算单元，用 于利用奇异值分解后的对角矩阵的对角线上的非零奇异值和功率分配矩阵计算每个用户 的信号功率；下行干扰噪声功率计算单元，用于利用信道估计误差的方差、系统总功率以及 噪声的方差计算干扰和噪声功率；下行信干噪比计算单元，用于利用计算出的每个用户的 信号功率、干扰和噪声功率获得信干噪比SINR。根据本发明装置的另一实施例，误码率计算模块包括上行信号功率计算单元，用 于利用奇异值分解后的对角矩阵的对角线上的非零奇异值和功率分配矩阵计算每个用户 的信号功率；上行干扰噪声功率计算单元，用于利用信道估计误差的方差、系统总功率、译 码矩阵WWh的对角元素以及噪声的方差计算干扰和噪声功率；上行信干噪比计算单元，用于 利用计算出的每个用户的信号功率、干扰和噪声功率获得信干噪比SINR。根据本发明装置的又一实施例，误码率计算模块利用下述公式计算误码率BER:
PbM jexp(-gw)，其中，w是SINR，g是调制星座参数，Pb(W)是w情况下的BER。根据本发明装置的再一实施例，功率获取模块通过拉格朗日法获取使系统的平均 BER最小的功率分配矩阵A。本发明多用户MIMO系统中的功率分配方法和装置，在译码操作和误码率的计算 过程中均考虑了信道估计误差对系统性能的影响，从而使得本发明能够更适合于在实际系 统中应用。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分。在附 图中
图1是本发明方法的一个实施例的流程示意图。图2是本发明多用户MIMO系统下行传输的模型示意图。图3是本发明多用户MIMO系统上行传输的模型示意图。图4是在多用户MIMO系统的下行方向上本发明方法与EPA方法在完美CSI下最 大奇异值与最小奇异值的BER性能比较示意图。图5是在多用户MIMO系统的下行方向上本发明方法与EPA方法在各种信道估计 误差情况下的系统平均BER性能比较示意图。图6是在多用户MIMO系统的上行方向上本发明方法与EPA、MSNR方法在完美CSI 下的系统平均BER性能比较示意图。图7是在多用户MIMO系统的上行方向上本发明方法与MSNR方法在各种信道估计 误差情况下的系统平均BER性能比较示意图。图8是本发明装置的一个实施例的结构示意图。
具体实施例方式下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。本 发明的示例性实施例及其说明用于解释本发明，但并不构成对本发明的不当限定。本发明的目的是最小化系统的BER，基于BD预编码方法的MMSE逆注水功率分配方 法可以直接被采用，但由于BD方法自身的设计限制和其复杂度使得该功率分配方法难以 实施。针对SVD辅助的多用户MIMO上下行传输，已有两种功率分配方法。下行采用EPA功 率分配方法，忽略了各个子信道的BER的性能差距，没有充分利用发送功率；上行采用MSNR 功率分配方法，忽略了基站端可能造成噪声功率放大，假设噪声仍然是白高斯的，这会造成 性能的损失。这两种功率分配方法，都是基于完美CSI假设得出的结论，不利于实际系统的 应用。在实际系统中，信道估计误差是肯定存在的。这要求在设计预编码和功率分配方法 的同时要考虑信道估计误差。因此，本发明在有信道估计误差的情况下，提出了一种统一的针对多用户MIMO系 统上下行的功率分配方法和装置。本发明考虑了信道估计误差对系统性能的影响，并将最 小奇异值的BER性能和上行出现的噪声增强统一考虑进去，借助近似的BER表达式，在总发 送功率限制下，得到了统一的功率分配方案，最后，通过简单的求解推导，得到了上下行功 率分配矩阵的闭式解。与MMSE逆注水功率分配方法所采用的迭代运算相比，本发明的复杂 度更低，同时考虑了信道估计误差所带来的影响，可以有效地抵抗由信道估计误差引起的 残留多用户干扰，更适合在实际系统情况下使用。对于下行方向，在维持最大奇异值的BER 性能的基础上，本发明可以有效地提高最小奇异值的BER性能，减少由于奇异值带来的各 个子信道BER性能的差距。对于上行方向，本发明考虑了基站出现的噪声增强问题，与现有 技术相比，进一步提高了系统的BER性能。图1是本发明方法的一个实施例的流程示意图。如图1所示，该实施例可以包括以下步骤S102，接收射频信号X ；S104，利用译码矩阵W对接收到的射频信号X进行译码操作r = WX,在译码操作 过程中，对估计的每个用户信道矩阵进行奇异值分解，其中，X = ΗΜΑζ+η，Η = +E , H为理想的用户信道矩阵， 为估计的用户信道矩阵，E为信道估计的误差矩阵，M为预编码矩阵， A为功率分配矩阵，ζ为用户原始数据，η为噪声，r为译码后的信号；S106，利用译码后的信号r = ff[HMAz+n]计算每个用户中的每个数据流的信干噪 比SINR，并基于计算出的SINR计算对应的误码率BER ；可选地，当射频信号X来自基站时，可以利用奇异值分解后的对角矩阵的对角线 上的非零奇异值和功率分配矩阵计算每个用户的信号功率；利用信道估计误差的方差、系 统总功率以及噪声的方差计算干扰和噪声功率；利用计算出的每个用户的信号功率、干扰 和噪声功率获得信干噪比SINR ；可选地，在射频信号X来自移动终端时，可以利用奇异值分解后的对角矩阵的对 角线上的非零奇异值和功率分配矩阵计算每个用户的信号功率；利用信道估计误差的方 差、系统总功率、译码矩阵WWh的对角元素以及噪声的方差计算干扰和噪声功率；利用计算 出的每个用户的信号功率、干扰和噪声功率获得信干噪比SINR ；另外，可选地，为了避免直接计算误码率所带来的复杂度，可以利用 Phiw) |exp(-gw)基于计算出的SINR计算对应的误码率BER，其中，w是SINR，g是调制星 座参数，Pb (w)是w情况下的BER ；S108，在系统总功率的限制下，获取使系统的平均BER最小的功率分配矩阵A，例 如，可以通过拉格朗日法计算功率分配矩阵A。图2是本发明多用户MIMO系统下行传输的模型示意图。图3是本发明多用户MIMO系统上行传输的模型示意图。如图2和图3所示，在一个多用户MIMO系统场景中，假设有一个基站，K个地理位 置分隔的用户。对于下行，BS端有Nt根发送天线，第j个用户有 根接收天线。对于上行， 第j个用户有N' ^ = 根发送天线，基站有N' r = Nt根接收天线。记下行的第j个用户
的信道矩阵是乂 e Cn一丨，相应的上行信道矩阵为
权利要求
一种多用户MIMO系统中的功率分配方法，其特征在于，包括接收射频信号X；利用译码矩阵W对接收到的射频信号X进行译码操作r＝WX，在所述译码操作过程中，对估计的每个用户信道矩阵进行奇异值分解，其中，X＝HMAz+n，H为理想的用户信道矩阵，为估计的用户信道矩阵，E为信道估计的误差矩阵，M为预编码矩阵，A为功率分配矩阵，z为用户原始数据，n为噪声，r为译码后的信号；利用译码后的信号r＝W[HMAz+n]计算每个用户中的每个数据流的信干噪比SINR，并基于计算出的SINR计算对应的误码率BER；在系统总功率的限制下，获取使系统的平均BER最小的功率分配矩阵A。FSA00000293370500011.tif,FSA00000293370500012.tif
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述射频信号X来自基站时，所述计算 每个用户中的每个数据流的信干噪比SINR的步骤包括利用奇异值分解后的对角矩阵的对角线上的非零奇异值和功率分配矩阵计算每个用 户的信号功率；利用信道估计误差的方差、系统总功率以及噪声的方差计算干扰和噪声功率； 利用计算出的每个用户的信号功率、干扰和噪声功率获得信干噪比SINR。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述射频信号X来自移动终端时，所述 计算每个用户中的每个数据流的信干噪比SINR的步骤包括利用奇异值分解后的对角矩阵的对角线上的非零奇异值和功率分配矩阵计算每个用 户的信号功率；利用信道估计误差的方差、系统总功率、译码矩阵WWH的对角元素以及噪声的方差计 算干扰和噪声功率；利用计算出的每个用户的信号功率、干扰和噪声功率获得信干噪比SINR。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用下述公式基于计算出的SINR计算对应的误码率BER -.Pb{w) iexp(-gw)，其中，w是SINR，g是调制星座参数，Pb (w)是w情况下 的 BER。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过拉格朗日法获取使系统的平均BER最 小的功率分配矩阵A。
6.一种多用户MIMO系统中的功率分配装置，其特征在于，包括 信号接收模块，用于接收射频信号X ；译码模块，用于利用译码矩阵W对接收到的射频信号X进行译码操作r = WX，在所述译 码操作过程中，对估计的每个用户信道矩阵进行奇异值分解，其中，X = ΗΜΑζ+η,π = Η+Ε, H为理想的用户信道矩阵， 为估计的用户信道矩阵，E为信道估计的误差矩阵，M为预编码 矩阵，A为功率分配矩阵，ζ为用户原始数据，η为噪声，r为译码后的信号；误码率计算模块，用于利用译码后的信号r = ff[HMAz+n]计算每个用户中的每个数据 流的信干噪比SINR，并基于计算出的SINR计算对应的误码率BER ；功率获取模块，用于在系统总功率的限制下，获取使系统的平均BER最小的功率分配 矩阵A。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述误码率计算模块包括下行信号功率计算单元，用于利用奇异值分解后的对角矩阵的对角线上的非零奇异值 和功率分配矩阵计算每个用户的信号功率；下行干扰噪声功率计算单元，用于利用信道估计误差的方差、系统总功率以及噪声的 方差计算干扰和噪声功率；下行信干噪比计算单元，用于利用计算出的每个用户的信号功率、干扰和噪声功率获 得信干噪比SINR。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述误码率计算模块包括上行信号功率计算单元，用于利用奇异值分解后的对角矩阵的对角线上的非零奇异值 和功率分配矩阵计算每个用户的信号功率；上行干扰噪声功率计算单元，用于利用信道估计误差的方差、系统总功率、译码矩阵 mf的对角元素以及噪声的方差计算干扰和噪声功率；上行信干噪比计算单元，用于利用计算出的每个用户的信号功率、干扰和噪声功率获 得信干噪比SINR。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述误码率计算模块利用下述公式计算 误码率BER -.Pb(W) ^exp(-gw)，其中，w是SINR，g是调制星座参数，Pb(W)是w情况下的 BER。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述功率获取模块通过拉格朗日法获取 使系统的平均BER最小的功率分配矩阵A。
全文摘要
本发明公开了一种多用户MIMO系统中的功率分配方法和装置，其中，该方法包括接收射频信号X；利用译码矩阵W对接收到的射频信号X进行译码操作r＝WX，在译码操作过程中，对估计的每个用户信道矩阵进行奇异值分解；利用译码后的信号r＝W[HMAz+n]计算每个用户中的每个数据流的信干噪比SINR，并基于计算出的SINR计算对应的误码率BER；在系统总功率的限制下，获取使系统的平均BER最小的功率分配矩阵A。本发明在译码操作和误码率的计算过程中均考虑了信道估计误差对系统性能的影响，从而使得本发明能够更适合于在实际系统中应用。
文档编号H04W52/34GK101951678SQ201010298509
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月29日 优先权日2010年9月29日
发明者吕铁军, 常鹏飞 申请人:北京星河亮点通信软件有限责任公司