在多輸入多輸出通信系統中發送/接收數據的方法和設備的製作方法
2023-09-23 02:45:25
專利名稱：在多輸入多輸出通信系統中發送/接收數據的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及用於多輸入多輸出(MIMO)通信系統的數據發送/接收方法和設備，尤其涉及在MIMO通信系統中，使用奇異值分解(SVD，singularValue decomposition)和QR分解來發送/接收數據的方法和設備。
背景技術：
MIMO通信系統使用通過無線衰落信道提供高信道性能的技術中的一種。MIMO通信系統的主要目標是信道性能，尤其是，向用戶提供最佳質量的信道和使用多用戶分集來增加數據吞吐量變得日益重要。
圖1是圖示傳統的多用戶多輸入單輸出(MISO)系統的框圖。現在描述在多用戶MISO系統中發送數據的方法，如圖所示，其中發射機包括多個天線，接收機包括單個天線。
在圖1中，在接收機端接收到的信號y等於Hx+n。在此，H表示信道矩陣，x表示通過對輸入信號s進行酉變換及由在發射機端的天線輸出所得結果信號獲得的信號向量，其等於Ws，而n表示噪聲向量。W表示發射機的酉變換矩陣，並可以用QH來表示，發射機採用使用了酉變換矩陣W的波束形成。在此，Q表示正交矩陣，並且QQH＝I，其中上標H表示共軛轉置。
因此，y變為HWs+n，如果對H進行QR分解，則y變為RQQHs+n＝Rs+n，由此減少了計算量。R表示下三角矩陣。就是說，如果對信道矩陣進行QR分解，則y就轉換成包括下三角矩陣的公式，因此能減少它的計算量。
然而，和圖1的接收機不同，如果一個接收機有多個天線，則接收機必須將關於所有信道的信息用於多個天線，從而，增加了從接收機反饋到發射機的數據量，也增加了發射機端的計算量。在這種情況下，為了把信道矩陣H分解為下三角矩陣而提供最佳信道性能，接收機必須通過幾個步驟執行重複計算。
發明內容
為了充分克服現有技術的上述缺點，本發明提供了一種數據發送/接收方法和設備，用於通過在多用戶MIMO系統中分解單用戶MIMO信道對在多用戶MISO系統上的多用戶MIMO系統建模。
本發明還提供了一種數據發送方法和設備，用於對使用SVD從接收機反饋回來的信道信息執行QR分解，並且在QR分解結果上執行波束形成。
本發明還進一步提供了一種對信道信息執行SVD及將SVD分解的結果反饋到發射機的方法和設備。
根據本發明的一個方面，提供了一種多輸入多輸出(MIMO)通信系統，用於在具有多個發射天線的發射設備和具有多個接收天線的接收設備之間通信。所述接收設備對用於建立到發射設備的信道的信道信息執行奇異值分解(SVD)，並將已分解的SVD信道信息反饋到發射設備。發射設備從接收設備接收已SVD分解的信道信息，對所接收的已SVD分解的信道信息執行QR分解，並且設置要分配給信道的多個發射天線，從而進行波束形成。
最好，所述接收方法包括對於多個接收天線對信道矩陣Hk執行SVD分解，利用把信道矩陣Hk變換為有效信道矩陣Fk的矩陣，對單個天線將信道矩陣Hk分解成有效信道矩陣Fk，並且把該有效信道矩陣Fk反饋到發射設備。所述發射設備接收有效信道矩陣Fk，並且對接收到的有效信道矩陣Fk執行QR分解，從而進行波束形成。
從以下的詳細描述再結合附圖，本發明前述的和其他的目的、特徵及優點將更明顯，其中圖1是圖示傳統多用戶多輸入單輸出(MISO)系統的框圖；圖2是圖示應用本發明的優選實施例的多用戶MIMO通信系統的框圖；以及圖3和4是圖示本發明與現有技術的比較仿真結果的圖。
具體實施例方式
現在將參照附圖詳細描述本發明的優選實施例。在接下來的描述中，為了清楚和簡明，已省略在此包含的已知的功能和結構的詳細描述。
圖2是圖示應用本發明的優選實施例的多用戶MIMO通信系統的框圖。
在圖2所示的MIMO通信系統中，利用K條無線下行鏈路，具有多個例如t個發射天線的一個發射機與每個具有多個例如rk個接收天線的各接收機通信，從而接收天線的總數r為 接收機k的信道輸出yk按Hkx+zk建模，其中x表示從發射天線發送到接收機的t×1輸入信號向量，而t×1向量zk表示應用到接收機k的隨機噪聲。信道Hk是rk×t復矩陣。
在圖2的系統中，接收機通過變換，把單用戶的MIMO信道Hk分解成多用戶MISO信道Fk，並反饋所得結果值到發射機。這可用等式(1)表示。
Fk＝UkHHk………………(1)其中UkH表示將單用戶的MIMO信道Hk變換為多用戶MISO信道Fk的矩陣。也就是說，Fk是選自用於rk個接收天線的信道Hk的有效信道矩陣。
在接收機端，如果對Hk進行SVD分解，則它可用Hk＝UkDkVkH表示，其中Dk是指示大小的對角矩陣，而VkH是指示方向的矩陣。
因此，Fk可用等式(2)表示。
Fk＝UkHUkDkVkH＝DkVkH………………(2)接著，發射機對等式(2)的有效信道矩陣Fk通過對每個接收機的集合F＝[F1T，…，FkT]T應用QR分解，來進行波束形成。即，F表示有效廣播信道，並可以被作為多用戶MISO信道處理。換言之，發射機按照信道具有最大Dk的順序把天線分配給各個信道，並因此確定天線的波束。
有效的廣播信道F，如果它經過QR分解，則表示為F＝RW，其中R表示r×t下三角矩陣，W表示具有正交行的t×t矩陣。
假設用于波束形成的酉矩陣用WH表示，輸入到發射機的發送信號用s表示，則接收機的信道輸出y可用等式(3)來表示。
y＝Fx+z＝RWWHs+z ……………………(3)＝Rs+z其中y＝[y1T，…，ykT]T，z＝[z1T，…，zkT]T。即，本發明的特徵在於，通過將單用戶MIMO信道Hk分解為多用戶MIMO系統中的Fk，在多用戶MISO系統上對多用戶MIMO系統建模來發送/接收數據。
圖3和4是圖示在按照根據用戶數量即接收機數量來確定的下行鏈路信道的總速率性能方面在本發明和現有技術間比較的圖。
在此，假定信噪比(SNR)為10dB。另外，SU-MIMO表示，通過基於SVD的最佳濾水法(water filtering solution)，並考慮點對點鏈路通信而獲得的單用戶速率。SU-MIMO等同於有一個用戶的TDMA-MIMO。就用戶數量的增加而言，TDMA-MIMO顯示出較低增益。PU2RC(每用戶酉反饋/波束形成和速率控制，Per-user Unitary Feedback/Beamforming and Rate Control)對應本發明的實施例，加括號的數目指示有效信道向量的數量。如圖，就單用戶而言，PU2RC在性能方面與SU-MIMO和TDMA-MIMO等同。然而，當用戶數量足夠大時，PU2RC在性能方面類似於實現最佳性能的迭代濾水(iterativewater filtering)。
在圖3中，假設該系統有4個發射天線和2個接收天線，並且在圖4中，假設該系統有4個發射天線和4個接收天線。
因此，在圖3中，有效信道向量的數量是2，並且，當用戶數為5時，1個有效信道向量的反饋性能非常近似於2個有效信道向量的反饋性能。
因此，在圖4中能使用3種不同的反饋信息。即，可使用基於1個有效信道向量的反饋信息、基於2個有效信道向量的反饋信息及基於4個有效信道向量的反饋信息。將在下面描述基於有效信道向量數量的性能。為了1個或2個有效信道向量的性能等同於4個有效信道向量的性能，應該增加用戶的數量。即，當用戶數量足夠大時，即使減少有效信道向量的數量，即減少從發射機反饋到接收機的信息量，本發明也能獲得同樣的性能。
如從前面的描述中可以了解到，本發明在多用戶MISO信道上對多用戶MIMO信道建模，從而減少在發射機端和接收機端的計算量，同時減少數據吞吐量。
另外，發射機利用通過SVD自接收機反饋來的信道信息執行QR分解和天線設置，因此提高了多信道選擇分集的容量增益。
儘管參照某些優選的實施例已示出和描述了本發明，但是，本領域技術人員將會懂得，在不偏離由權利要求所定義的本發明的精神和範圍情況下，可以對其在形式和細節上作出各種不同的變化。
權利要求
1.一種多輸入多輸出(MIMO)通信系統，用於在具有多個發射天線的發射設備和具有多個接收天線的接收設備之間通信，該系統包括接收設備，對用於建立到發射設備的信道的信道信息執行奇異值分解(SVD)，把已SVD分解的信道信息反饋到發射設備；以及發射設備，用於從接收設備接收已SVD分解的信道信息，對接收到的已SVD分解的信道信息執行QR分解，並設置要分配給信道的多個發射天線，由此進行波束形成。
2.如權利要求1所述的MIMO通信系統，其中所述接收設備還用於對用於多個接收天線的信道矩陣Hk執行SVD分解；利用用於將信道矩陣Hk變換為有效信道矩陣Fk的矩陣，對單天線將信道矩陣Hk分解為有效信道矩陣Fk；以及將有效信道矩陣Fk反饋到發射設備。
3.如權利要求2所述的MIMO通信系統，其中所述發射設備接收有效信道矩陣Fk，對接收到的有效信道矩陣Fk執行QR分解，由此進行波束形成。
4.一種用於具有多個發射天線的設備的數據發送方法，該具有多個發射天線的設備用於在多輸入多輸出(MIMO)通信系統中與具有多個接收天線的接收設備通信，該方法包括從接收設備對建立到接收設備的信道接收已經過奇異值分解(SVD)分解的信道信息；對所接收的已經過SVD分解的信道信息執行QR分解；根據QR分解的結果，設置要分配給信道的多個發射天線，由此進行波束形成；以及發送數據。
5.如權利要求4所述的數據發送方法，其中所述接收設備對用於多個接收天線的信道矩陣Hk執行SVD分解；利用用於將信道矩陣Hk變換為有效信道矩陣Fk的矩陣，對單個天線將信道矩陣Hk分解為有效信道矩陣Fk；以及將有效信道矩陣Fk反饋到發射設備。
6.如權利要求5所述的數據發送方法，其中所述發射設備接收有效信道矩陣Fk，並對接收到的有效信道矩陣Fk執行QR分解，由此進行波束形成。
7.一種用於具有多個接收天線的設備的數據接收方法，該具有多個接收天線的設備用於在多輸入多輸出(MIMO)通信系統中與具有多個發射天線的發射設備通信，該方法包括對用於建立到發射設備的信道的信道信息執行奇異值分解(SVD)；以及將已經過SVD分解的信道信息反饋到發射設備。
8.如權利要求7所述的數據接收方法，其中所述接收設備為多個接收天線對信道矩陣Hk執行SVD分解；利用用於將信道矩陣Hk變換為有效信道矩陣Fk的矩陣，為單個天線將信道矩陣Hk分解為有效信道矩陣Fk；以及將有效信道矩陣Fk反饋到發射設備。
9.一種在具有多個發射天線的發射設備和具有多個接收天線的接收設備之間發送和接收數據的方法，包括以下步驟由接收設備對用於建立到發射設備的信道的信道信息執行奇異值分解(SVD)，並將已SVD分解的信道信息反饋到發射設備；以及由發射設備從接收設備接收已SVD分解的信道信息，對所接收的已經過SVD分解的信道信息執行QR分解，根據QR分解的結果設置要分配給信道的多個發射天線，由此進行波束形成；以及發送數據。
10.如權利要求9所述的方法，其中對信道信息執行SVD的步驟包括以下步驟為多個接收天線對信道矩陣Hk執行SVD；利用用於將信道矩陣Hk變換為有效信道矩陣Fk的矩陣，為單個天線將信道矩陣Hk分解為有效信道矩陣Fk；以及將有效信道矩陣Fk反饋到發射設備。
11.如權利要求10所述的方法，其中所述發射設備接收有效信道矩陣Fk，並對接收到的有效信道矩陣Fk執行QR分解，由此進行波束形成。
12.一種在具有多個發射天線的發射設備中的數據發送和接收方法，該發射設備用於在多輸入多輸出(MIMO)通信系統中與具有多個接收天線的接收設備通信，該方法包括從接收設備對建立到接收設備的信道接收已經過奇異值分解(SVD)分解的信道信息，對接收到的信道信息執行QR分解，根據QR分解的結果，設置要分配給信道的多個發射天線，由此進行波束形成，以及發送數據。
13.如權利要求12所述的數據發送和接收方法，其中所述接收設備為多個接收天線對信道矩陣Hk執行SVD分解；利用用於將信道矩陣Hk變換為有效信道矩陣Fk的矩陣，為單個天線將信道矩陣Hk分解為有效信道矩陣Fk；以及將有效信道矩陣Fk反饋到發射設備。
14.如權利要求13所述的數據發送和接收方法，其中所述發射設備接收有效信道矩陣Fk，並對接收到的有效信道矩陣Fk執行QR分解，由此進行波束形成。
15.一種用於在具有多個接收天線的接收設備中發送和接收數據的方法，該具有多個接收天線的接收設備用於在多輸入多輸出(MIMO)通信系統中與具有多個發射天線的發射設備通信，該方法包括對用於建立到發射設備的信道的信道信息執行奇異值分解(SVD)，並將已SVD分解的信道信息反饋到發射設備。
16.如權利要求15所述的方法，其中所述接收設備為多個接收天線對信道矩陣Hk執行SVD分解；利用用於將信道矩陣Hk變換為有效信道矩陣Fk的矩陣，為單個天線將信道矩陣Hk分解為有效信道矩陣Fk；以及將有效信道矩陣Fk反饋到發射設備。
全文摘要
提供了一種多輸入多輸出(MIMO)通信系統，用於在具有多個發射天線的發射設備和具有多個接收天線的接收設備之間通信。接收設備對用於建立到發射設備的信道的信道信息執行奇異值分解(SVD)，並將已SVD分解的信道信息反饋給發射設備。發射設備從接收設備接收已SVD分解的信道信息，對接收到的已SVD分解的信道信息執行QR分解，並設置要分配給信道的多個發射天線，由此進行波束形成。
文檔編號H04B7/08GK1838554SQ200510136370
公開日2006年9月27日 申請日期2005年11月15日 優先權日2004年11月15日
發明者金成珍, 金虎辰, 李光馥, 金基鎬, 樸亨運, 鄭在學, 蔡贊秉, 盧元一 申請人:三星電子株式會社, 財團法人索爾大學校產學協力財團