多用戶mimo系統中下行鏈路的信號發射方法和裝置的製作方法

2023-05-22 09:34:06 1

專利名稱：多用戶mimo系統中下行鏈路的信號發射方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及無線通信技術領域，特別是涉及一種多用戶MIMO系統中下行鏈路的信號發射方法和裝置。
背景技術：
下一代無線通信系統將為用戶提供更高的數據傳輸速率和更好的服務質量，系統容量將大幅度提高。而可供無線通信使用的無線頻譜資源有限，因此下一代無線通信技術必須設法提高頻譜利用率。多輸入多輸出(MIMO)系統正適應未來無線通信技術發展的要求，近年來得到迅猛的發展。MIMO系統是指在發射端通過多個發射天線發送信號，在接收端使用多個接收天線接收信號的無線通信系統。採用MIMO系統能夠獲得空間分集和復用增益，無需耗費額外的功率和帶寬而能夠大幅增加系統容量，且能夠顯著提高傳輸鏈路質量。因此，MMO系統適用於高傳輸速率的音、視頻等多媒體業務。 目前，單用戶的MMO系統研究已經日趨成熟，研究已經從點對點的單用戶系統擴展到點對多點的多用戶MMO系統(MU-MIMO)。例如，實際的無線區域網(WLAN)以及蜂窩MIMO系統通常是一個基站與多個移動臺同時通信，移動臺有一根或多根天線，基站則具有多根天線。多用戶的多天線配置帶來許多好處多天線具有的分集增益可以提高誤比特率性能，多天線的復用增益令多用戶的信道和速率區域擴大，多天線同樣可以帶來方向性增益從空間上區分用戶從而消除用戶間的幹擾。 現有技術的一種多用戶MIMO系統如圖1所示，該系統可分解為四個部分預編碼模塊用於利用信道估計結果對在下行鏈路系統的基站發射機中對信號進行預編碼；全向發射天線模塊將對整個空間的用戶全向發射信號；接收天線陣列模塊用於不同的用戶各自利用全向天線接收基站發送的信號；解編碼模塊用於不同的用戶將接收的信號進行解調和解編碼。 在基站發射端，各個天線單元獨立地向空間全向範圍內發射信號。在實際的移動通信系統中，由於大多數基站天線架設位置較高，一般都高於附近建築物的高度，在天線附近的信道環境不存在均勻分布散射體，因此，對於特定的用戶，其到達基站的信號通常不是全向的，而是分布在有限方向範圍內的單一信號或簇信號。同樣，對於基站發射端，在某一時段內，只需要對特定方向範圍內的用戶接收端發射信號。但目前的MIMO系統並未考慮上述情況，基站發射端全向天線的使用會導致高的發射能量，用戶接收端也會接收到基站發送給其它用戶的較強的幹擾信號，降低了用戶接收機的信幹比。

發明內容
本發明要解決的問題是提供一種多用戶MMO系統中下行鏈路的信號發射方法和裝置，以克服現有技術中由於在基站發射端各個天線單元獨立地向空間全向範圍內發射信號，從而造成發射能量高、用戶接收機的信幹比低的缺陷。 為達到上述目的，本發明的技術方案提供一種多用戶MMO系統中下行鏈路的信號發射方法，所述方法包括以下步驟產生發送給各個用戶的信號sj(n)，j = 1，2，...，K，K為系統中的總用戶數目；根據信道估計結果及發射天線單元的空間響應，對信號sJ(n)進行預編碼；利用用戶發送給基站的信號波的到達方向範圍①以及用戶與基站的距離D，對所發送的信號進行空間響應控制；利用空間響應可調的發射天線單元將信號發射到信道中。
其中，一個空間響應可調的天線單元由含有多個陣元的微型天線陣來實現。
其中，在所述產生發送給各個用戶的信號sj(n)的步驟中，具體包括第i個天線由含有k個陣元的微型天線陣來實現，其中i = 1， 2， . . . ， M， M為發射天線的個數。
其中，在所述對信號sj(n)進行預編碼的步驟中，具體包括在下行鏈路系統的基站發射機中，根據信道響應及M個發射天線單元的空間響應，對信號sj(n)進行預編碼得到
信號《A(n)，其中i = 1，. . . ， M， k = 1，. . . ， Li， M為基站發射天線單元的個數，k為第i個天線單元中的微型天線陣的陣元個數。 其中，在所述對所發送的信號進行空間響應控制的步驟中，具體包括確定每個天線單元的每個陣元上信號的加權係數；用所述加權係數對發射信號進行加權。
其中，在所述確定每個天線單元的每個陣元上信號的加權係數的步驟中，具體包括在下行鏈路系統的基站發射機中，利用用戶發送給基站的信號波的到達方向範圍①以及用戶與基站的距離D，確定每個天線單元每個陣元上信號的加權係數=《exp(.辨；),其中i = 1， ， M， k = 1， ， Li， j = 1， 2， ， K， M為基站發射天線單元的個數，Li為第i個天線單元中的陣元個數，K為系統中的總用戶數目，4"為幅度，^厶為相位。 其中，在所述用加權係數對發射信號進行加權的步驟中，具體包括在下行鏈路系統的基站發射機中，用係數K二對信號《"(X)進行加權得到信號x;(n)，其中i = 1， . . . ， M， k=l，...，Li， j = 1，2，...，K，M為基站發射天線單元的個數，Li為第i個天線單元中的陣元個數，K為系統中的總用戶數目，並將信號^("撥送給第i個天線單元的第k個陣元。
其中，在所述利用空間響應可調的發射天線單元將信號發射到信道中的步驟中，具體包括在下行鏈路系統的基站發射機中，M個空間響應可調的發射天線單元將信號《("撥射到信道中。 本發明的技術方案還提供一種多用戶MMO系統中下行鏈路的信號發射裝置，所述裝置包括預編碼模塊，用於在下行鏈路系統的基站發射機中，根據信道響應及發射天線單元的空間響應，對信號進行預編碼；多用戶天線空間響應控制模塊，用於在下行鏈路系統的基站發射機中，利用用戶發送給基站的信號波的到達方向範圍①以及用戶與基站的距離D，確定每個天線單元的每個陣元上信號的加權係數，並用所述加權係數對所發送的信號進行加權；空間響應可調的發射天線單元，用於在下行鏈路系統的基站發射機中，將信號發射到信道中。 與現有技術相比，本發明的技術方案具有如下優點 本發明是採用空間響應可調的天線單元以提高接收信幹比，可以通過調節天線單元中各個陣元信號的加權幅度和相位，只針對特定方向範圍內的用戶發射信號，從而降低了發射功率，降低多用戶之間的幹擾；或者在發射功率相同的情況下，最大程度地增大了系統吞吐量。同時，發射的信號具有主瓣能量譜寬而且平、旁瓣能量小的特點，從而可以最大程度地對抗用戶接收機移動帶來的多譜勒效應並減小對其它用戶接收機的幹擾。


圖1是現有技術的一種多用戶MM0系統的結構圖； 圖2是本發明的一種多用戶MIMO系統中下行鏈路的信號發射方法的流程圖；
圖3是本發明的一種多用戶MIMO系統中下行鏈路的信號發射裝置的結構圖；
圖4是本發明的一種多用戶天線空間響應控制模塊的結構圖；
圖5是本發明的基站第一組發射天線發射信號能量分布圖； 圖6是現有技術的多用戶MIMO系統和本發明的多用戶MIMO系統中的下行鏈路的 信號發射裝置在相同發射功率下的用戶接收機的接收信號信幹比仿真圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施 例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。 本發明的一種多用戶MIM0系統中下行鏈路的信號發射方法如圖2所示，包括以下 步驟 a)在下行鏈路系統的基站發射機中，基站處理模塊產生發送給各個用戶的信號 SJ'(n)， j = 1，2，... ，K，K為系統中的總用戶數目。 b)在下行鏈路系統的基站發射機中，根據信道估計結果及發射天線單元的空間響 應，對信號sj(n)進行預編碼。 c)在下行鏈路系統的基站發射機中，利用用戶發送給基站的信號波的到達方向範 圍0 =[仍,％,..，&](其中P,為第j個用戶波的到達方向範圍)以及各個用戶與基站的距離 D= [dp4，... ，dj，對所發送的信號進行空間響應控制。目前已有多種方法可以估計用戶 發送給基站的信號波的到達方向範圍以及用戶與基站的距離。採用MUSIC算法、ESPRIT算 法可用於信號波的到達方向估計，其中MUSIC算法在使用數據足夠長或者SNR適當高、並且 信號模型足夠準確的條件下可以達到很高的精度。採用接收信號功率測量的方法可以非常 方便地測定用戶與基站的大致距離。 d)在下行鏈路系統的基站發射機中，利用空間響應可調的發射天線單元將信號發 射到信道中。 進一步，所述步驟a)中所述的基站處理模塊產生發送給各個用戶的信號具體表 述為 在下行鏈路系統的基站發射機中，基站處理模塊產生發送給各個用戶的信號 sJ'(n)，其中j = 1，2，... ，K，K為系統中的總用戶數目; 滿足上述特點的空間響應可調的天線單元的實現方法有很多種，比如可以利用含 有多個陣元的微型天線陣來實現一個空間響應可調的天線單元。但這只是一種實現方法， 並不構成對本發明的限制。具體的實現方法為第i個天線單元由含有k個陣元的微型天 線陣來實現，其中i = 1， 2， . . . ， M， M為發射天線單元的個數。 進一步，所述步驟b)中所述的基站發射機發射對信號進行預編碼的方法為在下 行鏈路系統的基站發射機中，根據信道響應及M個發射天線單元的空間響應，對信號sj (n) 6進行預編碼得到信號&"(")，其中i = 1， . . . ， M， k = 1， . . . ， Li， M為基站發射天線單元的個 數，k為第i個天線單元中的微型天線陣的陣元個數， 進一步，所述步驟c)中所述的形成空間響應可調信號的方法為
(1)確定每個天線單元每個陣元上信號的加權係數在下行鏈路系統的基站發射 機中，利用用戶發送給基站的信號波的到達方向範圍①以及用戶與基站的距離D，確定每 個天線單元每個陣元上信號的加權係數W二 =《eXp(7《)，其中i = L . . . ，M， k = 1，...， Li， j = 1，2， . . . ， K， M為基站發射天線單元的個數，b為第i個天線單元中的陣元個數，K
為系統中的總用戶數目，4;表示幅度，《卩表示相位；
加權係數確定的原則是 (i)將發射信號成形為主瓣能量寬而且平的信號，這樣的發射信號在特定用戶方 向範圍或方向簇內具有足夠大的能量，且可以與原來MMO系統中具有全向特性的發射天 線一樣，幾乎無損失地發射特定用戶的全部信號，這樣可以有效地對抗由於接收機移動帶 來的不利影響。 (ii)將發射信號成形為旁瓣能量很小的信號，這樣可以有效抑制與特定用戶不在 同一方向簇範圍內的其它用戶信號的幹擾，提高用戶接收機的信幹比，進而為接收機的後 續處理提供更多的冗餘。 (2)用係數對發射信號進行加權的方法為在下行鏈路系統的基站發射機中，用 係數^對信號《("誠行加權得到信號《(")，其中i = 1， . . . ， M， k = 1， . . . ， Li， j = 1， 2，. . . ，K，M為基站發射天線單元的個數，Li為第i個天線單元中的陣元個數，K為系統中的 總用戶數目，並將信號O)發送給第i個天線單元的第k個陣元； 進一步，所述步驟d)中所述的利用空間響應可調的發射天線單元發射信號的方 法為在下行鏈路系統的基站發射機中，M個空間響應可調的發射天線單元將信號《、(")發 射到信道中。 在所述步驟d)完成後，即信號發射出去之後，在下行鏈路系統的用戶接收機中進 行如下操作 e)在下行鏈路系統的用戶接收機中，每個用戶利用全向天線接收基站發送的信 號。 f)在下行鏈路系統的用戶接收機中，用戶處理模塊對接收的信號進行解調和解碼 處理。 本發明的一種多用戶MIM0系統中下行鏈路的信號發射裝置如圖3所示，該裝置在 現有多用戶MMO系統的基礎上做了改進，在原發射裝置中增加了 3個模塊，該3個模塊分 別為3—多用戶天線空間響應預編碼模塊，4一多用戶天線空間響應控制模塊，如圖4所 示，6-基站發射機的空間響應可調的發射天線單元，它使得MIMO發射系統中天線單元的空 間響應不再是固定的全空間響應，而是方向可調的局部空間響應。通過上述的擴展，MMO系 統的發射機就可以在信號發射過程中實現對不同用戶的適當隔離，減少發射信號能量，減 小不同用戶接收機之間的幹擾。並且，與原接收機的波束成型模塊不同，本發明的基站發射 機發射信號為主瓣能量寬而且平、旁瓣能量很小的信號，對抗由於接收機移動帶來的不利 影響，同時也可以減弱該用戶對其它用戶接收機的幹擾，提高用戶接收機的信幹比。同時本發明相應地去除了現有多用戶MIM0系統的預編碼模塊和全向發射天線模塊。
下面分別列舉本發明的具體實施例 下行鏈路系統中存在K = 2個用戶用戶1和用戶2，兩個用戶信號間的相關係數 等於0. 2。基站發射機端使用M = 2個空間響應可調的天線單元，每個線天線陣由一個4陣 元的等距線陣構成，即= L2 = 4。 基站的2個天線單元向用戶端發射數據，2個發送天線分別以某一個方向為中心、 以一定的角度擴展為半逕到達用戶端及其周圍物體，信號經周圍物體散射後形成的多徑信 號到達用戶端接收天線。 利用信號波的到達方向估計算法可知各個用戶相對於基站的方向範圍①用戶1 及其散射體相對於基站天線單元1來說，所在的角度範圍W為[30° ，35° ]，用戶l及其散 射體相對於基站天線單元2來說，所在的角度範圍"為[25° ，30° ];用戶2及其散射體 相對於基站天線單元1來說，所在的角度範圍^為[60° ，65° ]，用戶l及其散射體相對於 基站天線單元2來說，所在的角度範圍^為[58° ，63° ]。 基站處的多用戶天線空間響應控制模塊根據用戶1所在方向範圍 ^ 、 ^以及與基站的距離d工求得發送天線單元1中4個陣元的加權係數分別
為^1 = 1 , ^2 = 1 ,《3 = 1 , )^4 = 1 ,即對發送信號進行波束成形後得到
^(")^^^^w(")，同樣的步驟可以求得發送天線單元2中4個陣元的加權係數
分別為=1 ,『2:2 =1 ,《3 = 1 ，『2'，4 =1 ，並對相應的發送信號進行波束成形 得到X;如)-^《一2,^),針對用戶1的發送信號，和，、經過信道後到達用戶
、 、"J 義2 、"J
端，經處理模塊進行後續處理。類似地，根據指向用戶2所在的方向範圍^、《以 及與基站的距離d2可以求得發送天線單元1和2中4個陣元的相應加權係數分別
為 ^2,= 0.001 , ^22= 0.001 , W23= 0.001 , w:4= 0.001 ， 1^:,=
0.001 ,『222= 0.001 ,環？3=0.001 ，『224= 0.001 ，進一步得到波束成形後的
信號x，(M)和x"w)送給基站發送天線。如圖4所示為含有4陣元的線天線陣、陣元間距為1/2
波長、期望的用戶信號方向為30度的基站接收天線單元的空間響應圖。通過對仿真結果的比較證明使用本發明技術方案的發送系統後，多用戶MM0系
統中下行鏈路系統的誤碼率性能優於原有基站接收系統，尤其在信噪比較高的情況下，性
能優勢會更加突出。如圖5所示，其中1為原有發送系統，2為本發明技術方案實施例的發
送系統。 本發明通過控制基站發射端的天線方向控制，只針對特定方向範圍內的用戶發射 信號，從而降低了發射功率，降低多用戶之間的幹擾；或者在發射功率相同的情況下，最大 程度地增大了系統吞吐量。同時，發射的信號具有主瓣能量譜寬而且平、旁瓣能量小的特 點，從而可以最大程度地降低對其它用戶接收機的幹擾。 以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人
8員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾 也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
一種多用戶MIMO系統中下行鏈路的信號發射方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟產生發送給各個用戶的信號sj(n)，j＝1，2，...，K，K為系統中的總用戶數目；根據信道估計結果及發射天線單元的空間響應，對信號sj(n)進行預編碼；利用用戶發送給基站的信號波的到達方向範圍Φ以及用戶與基站的距離D，對所發送的信號進行空間響應控制；利用空間響應可調的發射天線單元將信號發射到信道中。
2. 如權利要求1所述的多用戶MIMO系統中下行鏈路的信號發射方法，其特徵在於，一個空間響應可調的天線單元由含有多個陣元的微型天線陣來實現。
3. 如權利要求2所述的多用戶MIMO系統中下行鏈路的信號發射方法，其特徵在於，在所述產生發送給各個用戶的信號sj(n)的步驟中，具體包括第i個天線由含有Li個陣元的微型天線陣來實現，其中i = 1，2，. . . ，M，M為發射天線的個數。
4. 如權利要求3所述的多用戶MIMO系統中下行鏈路的信號發射方法，其特徵在於，在所述對信號sj(n)進行預編碼的步驟中，具體包括在下行鏈路系統的基站發射機中，根據信道響應及M個發射天線單元的空間響應，對信號sj(n)進行預編碼得到信號</￡(")，其中i = 1， . . . ， M， k = 1， . . . ， Li， M為基站發射天線單元的個數，b為第i個天線單元中的微型天線陣的陣元個數。
5. 如權利要求4所述的多用戶MIMO系統中下行鏈路的信號發射方法，其特徵在於，在所述對所發送的信號進行空間響應控制的步驟中，具體包括確定每個天線單元的每個陣元上信號的加權係數；用所述加權係數對發射信號進行加權。
6. 如權利要求5所述的多用戶MIMO系統中下行鏈路的信號發射方法，其特徵在於，在所述確定每個天線單元的每個陣元上信號的加權係數的步驟中，具體包括在下行鏈路系統的基站發射機中，利用用戶發送給基站的信號波的到達方向範圍①以及用戶與基站的距離D，確定每個天線單元每個陣元上信號的加權係數W二 = 4" exp(y^)，其中i = 1， ， M， k = 1， ， Li， j = 1， 2， ， K， M為基站發射天線單元的個數，b為第i個天線單元中4:4為幅度，《;為相位。
7. 如權利要求6所述的多用戶MIMO系統中下行鏈路的信號發射方法，其特徵在於，在所述用加權係數對發射信號進行加權的步驟中，具體包括在下行鏈路系統的基站發射機中，用係數W二對信號Si,kj(n)進行加權得到信號《J")，其中i = l，...，M，k= l，...，Li， j = 1，2，... ，K，M為基站發射天線單元的個數，Li為第i個天線單元中的陣元個數，K為系統中的總用戶數目，並將信號x" (n)發送給第i個天線單元的第k個陣元。
8. 如權利要求7所述的多用戶MIMO系統中下行鏈路的信號發射方法，其特徵在於，在所述利用空間響應可調的發射天線單元將信號發射到信道中的步驟中，具體包括在下行鏈路系統的基站發射機中，M個空間響應可調的發射天線單元將信號《J")發射到信道中。
9. 一種多用戶MIM0系統中下行鏈路的信號發射裝置，其特徵在於，所述裝置包括預編碼模塊，用於在下行鏈路系統的基站發射機中，根據信道響應及發射天線單元的空間響應，對信號進行預編碼；多用戶天線空間響應控制模塊，用於在下行鏈路系統的基站發射機中，利用用戶發送給基站的信號波的到達方向範圍①以及用戶與基站的距離D，確定每個天線單元的每個陣元上信號的加權係數，並用所述加權係數對所發送的信號進行加權；空間響應可調的發射天線單元，用於在下行鏈路系統的基站發射機中，將信號發射到信道中。
全文摘要
本發明公開了一種多用戶MIMO系統中下行鏈路的信號發射方法，包括產生發送給各個用戶的信號sj(n)；根據信道估計結果及發射天線單元的空間響應，對信號sj(n)進行預編碼；利用用戶發送給基站的信號波的到達方向範圍Φ以及用戶與基站的距離D，對所發送的信號進行空間響應控制；利用空間響應可調的發射天線單元將信號發射到信道中。本發明還公開了一種多用戶MIMO系統中下行鏈路的信號發射裝置。本發明採用空間響應可調的天線單元以提高接收信幹比，可以通過調節天線單元中各個陣元信號的加權幅度和相位，只針對特定方向範圍內的用戶發射信號，從而降低了發射功率，降低多用戶之間的幹擾。
文檔編號H04L25/03GK101783699SQ20091007674
公開日2010年7月21日 申請日期2009年1月16日 優先權日2009年1月16日
發明者史雙寧, 尚勇, 張小欣, 楊贊, 趙玉萍 申請人:北京大學