一種基于SVD 矩陣分解的MU MIMO 設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)*

游 佳

（移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)多媒體技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518055）

0 引言

奇異值分解（Singular Value Decomposition，SVD）[1]是一種基于任意矩陣的奇異值分解方法。在奇異值分解矩陣中，奇異值按照從大到小的順序排列。很多情況下，前10%甚至1%奇異值的和占全部奇異值的99%以上。因此，可以使用前面幾個(gè)大的奇異值近似描述矩陣。

多用戶多輸入多輸出（Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，MU-MIMO）[2-4]是一種利用發(fā)射端與接收端的多天線獲取分集增益、提升頻譜利用率的技術(shù)，也是5G 中的一項(xiàng)關(guān)鍵性可行技術(shù)。

Massive MIMO 技術(shù)通過(guò)增大天線陣列來(lái)增加系統(tǒng)容量。基于大規(guī)模天線MIMO 的無(wú)線傳輸技術(shù)能夠深度利用空間維度的無(wú)線資源，顯著提升系統(tǒng)頻譜效率和功率效率，具有提高信道容量和改善系統(tǒng)性能等優(yōu)點(diǎn)[5-6]。

本文將SVD 矩陣分解算法應(yīng)用于MU-MIMO技術(shù)，通過(guò)將信道矩陣H進(jìn)行SVD 分解，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)以分解得到的右酉矩陣V作為配對(duì)用戶設(shè)備（User Equipment，UE）的權(quán)值[1-2]，從而降低配對(duì)UE 間干擾，提高信道容量，改善系統(tǒng)性能。

1 方案設(shè)計(jì)原理

本文通過(guò)計(jì)算配對(duì)UE 間相關(guān)性，選擇多個(gè)空間隔離度最好的UE 進(jìn)行空間配對(duì)，并對(duì)配對(duì)UE的信道矩陣進(jìn)行SVD 分解，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)以分解得到的V作為配對(duì)UE 的權(quán)值，從而降低配對(duì)UE 間干擾，提升高信道容量，改善系統(tǒng)性能。

本方案的基本流程描述如下。

（1）基站媒體接入控制（Medium Access Control，MAC）[7]處理模塊，將待調(diào)度的UE 按照服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）優(yōu)先級(jí)排序。各UE 內(nèi)Port（UE 發(fā)射端口）按照上行探測(cè)參考信號(hào)（Sounding Reference Signal，SRS）[8-9]的信號(hào)與干擾加噪聲比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）[10]進(jìn)行排序。

（2）基站MAC 處理模塊按照QoS 優(yōu)先級(jí)、SRS SINR 從高到低的順序，根據(jù)UE 間、UE 內(nèi)相關(guān)性，挑選空間隔離度滿足一定門限的Port 進(jìn)行配對(duì)，并組成空分組。

（3）基站側(cè)物理層（Physical Layer，PHY）[8-9]處理模塊根據(jù)配對(duì)UE 的H進(jìn)行SVD 分解，得到右酉矩陣V。

（4）基站PHY 處理模塊根據(jù)MAC 處理模塊確認(rèn)的配對(duì)UE 流數(shù)秩（Rank Indicator，RI）[7]以及RI 個(gè)最大的奇異值對(duì)應(yīng)的向量V，確定配對(duì)UE的波束權(quán)值。

本方案的基本處理流程如圖1 所示。

圖1 技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)流程

2 方案實(shí)施用例

本方案具體實(shí)施提供的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。UE 根據(jù)自己的能力級(jí)，周期性輪詢發(fā)送每接收端口的SRS 信號(hào)。本文采用支持5G 獨(dú)立組網(wǎng)（Standalone，SA）終端的2T4R 方式[10]；基站的SRS 處理模塊根據(jù)接收的UE 每接收端口的SRS 信號(hào)，進(jìn)行上行信道H估計(jì)和UE 間、UE 內(nèi)端口相關(guān)性計(jì)算；基站MAC 處理模塊根據(jù)UE 間、UE 內(nèi)相關(guān)性，挑選空間隔離度滿足一定門限的Port 進(jìn)行配對(duì)組成空分組，并將結(jié)果傳給基站PHY處理模塊；基站側(cè)PHY 處理模塊根據(jù)配對(duì)UE 的H進(jìn)行SVD分解得到右酉矩陣V，并根據(jù)MAC 處理模塊確認(rèn)的配對(duì)UE 流數(shù)RI以及RI個(gè)最大的奇異值對(duì)應(yīng)的向量V，確定配對(duì)UE 的波束權(quán)值。

圖2 本技術(shù)方案提供的一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 上行信道信道估計(jì)

基站側(cè)根據(jù)SRS 處理模塊接收的信號(hào)進(jìn)行信道估計(jì)[2]，得到信道估計(jì)值h(i)。其中，i為對(duì)應(yīng)的UE 發(fā)射端口，如UE 類型為2T4R，則i取值為0、1、2、3，即：

2.2 計(jì)算UE 內(nèi)、UE 間Port 相關(guān)性

UE 內(nèi)相關(guān)性計(jì)算[2]：

UE 間相關(guān)性計(jì)算：

式中，i、j表示不同UE。

本方案UE 內(nèi)、UE 間Port 相關(guān)性計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。

圖3 UE 內(nèi)、UE 間Port 相關(guān)性計(jì)算

2.3 MAC 利用相關(guān)性等信息進(jìn)行空分配對(duì)

基站MAC 處理模塊將待調(diào)度的UE 按照QoS優(yōu)先級(jí)排序，各UE內(nèi)Port按照SRS的SINR進(jìn)行排序，根據(jù)UE 間、UE 內(nèi)相關(guān)性，挑選空間隔離度滿足一定門限的Port 進(jìn)行空分配對(duì)[2-4]組成空分組。本文采用UE 內(nèi)相關(guān)性門限0.8，UE 間相關(guān)性門限0.4。

2.4 PHY 進(jìn)行SVD 矩陣分解

基站處理模塊根據(jù)空分配對(duì)UE 的信道估計(jì)H進(jìn)行SVD 分解[1]，得到右酉矩陣V：

本文采用基站射頻單元64根接收天線，其中U、D、V的維度分別為4×4、4×64、64×64。

2.5 PHY 確定空分配對(duì)UE 權(quán)值

根據(jù)MAC 確定UE 調(diào)度流數(shù)RI，權(quán)值W取RI個(gè)最大的奇異值對(duì)應(yīng)的向量V[1-2]，即：

式中，ri=1,2,…,RI。

空分配對(duì)UE 權(quán)值：

式中，i為空分配對(duì)UE。

為了降低空分配對(duì)UE 的流間干擾，對(duì)式（6）中的W求偽逆，得到最終權(quán)值：

3 方案實(shí)施效果

本方案是基于空分配對(duì)UE 的信道估計(jì)H進(jìn)行SVD 矩陣分解后，根據(jù)RI個(gè)最大的奇異值對(duì)應(yīng)的V向量，確定配對(duì)UE 的波束權(quán)值。該方案相對(duì)傳統(tǒng)的迫零（Zero-Forcing，ZF）零陷方案，能夠更有效地降低配對(duì)UE 的流間干擾，提高信道容量，改善系統(tǒng)性能。

本方案的實(shí)施效果如圖4 所示，為某商用外場(chǎng)MU MIMO 下行8UE 16 流小區(qū)吞吐率測(cè)試結(jié)果。參數(shù)配置為100 MHz 帶寬，2.5 ms 雙周期幀格式。從測(cè)試結(jié)果看，采用本方案后，相對(duì)傳統(tǒng)的ZF 零陷方案，小區(qū)吞吐率提升約300 Mb/s 容量。

圖4 技術(shù)方案的實(shí)施效果

4 結(jié)語(yǔ)

本文是一種基于SVD 矩陣分解的MU MIMO 設(shè)計(jì)方案，核心部分是基站PHY 處理模塊基于信道估計(jì)H的SVD 矩陣分解和配對(duì)UE 的權(quán)值生成。相比傳統(tǒng)的ZF 零陷方案，UE 觀測(cè)到的信道是數(shù)個(gè)平行正交的子信道，能夠更有效地降低配對(duì)UE 的流間干擾，提高信道容量，改善系統(tǒng)性能。