大规模mimo系统中最大化最小信噪比的预编码设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及通信技术领域的预编码设计方法，具体是一种大规模MIM0(Massive Multiple Input Multiple Output, Massive M-MIM0)系统中最大化最小信噪比的预编码设 计方法。
【背景技术】
[0002] 大规模MM0技术已被第五代移动通信采纳为其核心关键技术之一，可以大幅度 降低功率，提升系统性能和覆盖范围，在大规模分布式MIM0系统中，因具有开放的结构和 更为灵活的资源配置特点，所以在移动通信中扮演着重要的角色。近年来，通信系统要求高 速的数据传输速率，使得在该系统领域开展了很多研究工作。分布式MIM0系统的特点是配 置多根天线的射频端口，分布在一个小区内各个不同的区域内，每个端口经历不同的路径 损耗和大尺度衰落（比如阴影衰落）的影响，这给理论性能分析和优化设计带来了一定困 难。
[0003] 传统技术中，如果每个端口可获得所有端口的完整信道信息，使用联合预编码技 术可大幅度提高系统性能，但会极大地增加反馈链路的系统开销，特别是当天线数增多至 大规模MIM0系统时，会给反馈链路带来沉重的负担；而完全不利用任何信道信息的空时编 码技术和等功率分配方法则难以有效提高系统性能。基于此，我们提出一种基于信道统计 信息的预编码设计方法，以较低的系统开销明显提升系统性能。
【发明内容】
[0004] (一）要解决的问题 本发明要解决的技术问题在于提供一种大规模MM0系统中最大化最小信噪比的预编 码设计方法，对同一基站所覆盖的小区内不同的分布式射频端口进行预编码设计和端口间 功率分配，以解决现有技术存在的问题。
[0005] (二）技术方案 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案： 大规模MIM0系统中最大化最小信噪比的预编码设计方法，包括以下步骤： 51 :基站端通过信道估计获得所有分布式天线端口的复合信道信息，包括小尺度衰落 H = ZRT，发射相关矩阵RT，大尺度衰落S ; 52 :每个分布式天线端口通过基站反馈链路获得所有端口的信道统计信息，包括小尺 度衰落概率密度分布，相关矩阵，大尺度衰落概率密度分布以及路损系数； 53 :根据基站端ZF接收器各个端口子信道的瞬时接收信噪比，使用多变量统计方法分 别对大尺度衰落、小尺度衰落求期望，得到平均接收信噪比，基于最大化最小平均接收信噪 比的优化准则对所述平均接收信噪比进行优化； 54 :根据分布式MM0系统中各端口的独立性，将平均接收信噪比的优化分解为在端口 内单独功率约束下预编码矩阵设计和在端口之间总功率约束功率分配优化设计； S5 :在总功率约束下，进行射频端口之间优化，根据端口内部的优化解再进行端口之间 的功率分配优化，把该端口间的优化解和端口内的优化解合并，最终得到基于最大化最小 平均接收信噪比的优化准则的最优预编码矩阵。
[0006] 在S1中，对一个单小区分布式MM0系统，基站端天线数为N，小区内不同距离的 K个端口配备M个天线，K个端口同时给基站发送数据，基站端采用ZF接收器接收信号， 其表达式戈
【主权项】
1. 大规模MMO系统中最大化最小信噪比的预编码设计方法，其特征在于包括以下步 骤： 51 :基站端通过信道估计获得所有分布式天线端口的复合信道信息，包括小尺度衰落 H=ZRT，发射相关矩阵RT，大尺度衰落S; 52 :每个分布式天线端口通过基站反馈链路获得所有端口的信道统计信息，包括小尺 度衰落概率密度分布，相关矩阵，大尺度衰落概率密度分布以及路损系数； 53 :根据基站端ZF接收器各个端口子信道的瞬时接收信噪比，使用多变量统计方法分 别对大尺度衰落、小尺度衰落求期望，得到平均接收信噪比，基于最大化最小平均接收信噪 比的优化准则对所述平均接收信噪比进行优化； 54 :根据分布式MMO系统中各端口的独立性，将平均接收信噪比的优化分解为在端口 内单独功率约束下预编码矩阵设计和在端口之间总功率约束功率分配优化设计； 55 :在总功率约束下，进行射频端口之间优化，根据端口内部的优化解再进行端口之间 的功率分配优化，把该端口间的优化解和端口内的优化解合并，最终得到基于最大化最小 平均接收信噪比的优化准则的最优预编码矩阵。
2. 根据权利要求1所述的大规模MMO系统中最大化最小信噪比的预编码设计方法， 其特征在于：在S1中，对一个单小区分布式MIMO系统，基站端天线数为N，小区内不同距 离的K个端口配备M个天线，K个端口同时给基站发送数据，基站端采用ZF接收器接收信
号，其表达式为 其中，y为基站端的接收信号，信道T为 复合衰落信道，包皮茨洛H，服从发效J而利分布i.i.dCN(0,1);信道发射相关矩阵为RT=diag(RT1，RT2，…，RTK)，Ae[〇,1);大尺度衰落S，服从对数正态分布：
，其中，D;表示第k个端口的路 损，v为路损系数，随机变量Sk服从对数正态分布：
￡1;>〇，其中，111;，31;为其均值和方差，预编码矩阵为？ = (^§$1，&，...上）。
3. 根据权利要求2所述的大规模MMO系统中最大化最小信噪比的预编码设计方法，其 特征在于：在S3中，ZF接收器的瞬时接收信噪比戈
其中，队为系统噪声；小尺度衰g
i从卡方分布：
大尺度衰落项的期望：
闵此平抝捽收信嚙比为：
其中Ck=Bk(N-KM+l)/N0; 预编码矩阵设计的优化准则为所述最大化最小平均接收信噪比准则：
l<k<K:l<m<M 同时满足总发射功率约束：tr(FHF) =PT。
4. 根据权利要求3所述的大规模MMO系统中最大化最小信噪比的预编码设计方法，其 特征在于：在S4中，端口单独功率约束情况下，第k个发射端口的功率Pk被暂时给定，使预 编码Fk满足最大化最小平均接收信噪比准则：
在单独功率约束下优化平均接收信噪比基础上，使总的功率配置矩阵P=diag^P2，…，PK)满足最大化最小平均接收信噪比准则：
其中?^为端口内优化后的平均接收信噪比。
5. 根据权利要求4所述的大规模MIMO系统中最大化最小信噪 比的预编码设计方法，其特征在于：在S5中，端口之间功率优化系数
端口内预编码矩阵形式；
其中RTk=VkAkVk=Vkdiag(入 kl，入 k2，…，入H)Vk，Pk=diag(Pkl，Pk2, ? ? ?，PkM)，U为MXM的归一化离散傅里叶变换矩阵，功率优化系I
合并结果后最终的功率优化 系数：
最优的预编码矩阵为F=diag坑，F2,. . .，FK)。
【专利摘要】本发明涉及一种大规模MIMO系统中最大化最小信噪比的预编码设计方法。首先根据上行链路中基站端使用ZF接收器的每个射频端口中子信道的瞬时接收信噪比，使用多变量统计方法得到平均接收信噪比，基于最大化最小平均接收信噪比准则对子信道进行优化；根据分布式MIMO端口之间的独立性，将平均接收信噪比的优化分解为在端口内单独功率约束下预编码矩阵设计和在端口之间总功率约束功率分配优化设计；最终得到最优预编码矩阵。本发明仅利用信道的统计信息来获取最优预编码矩阵，具有较低的系统反馈开销，同时相对于传统的功率分配方法，该方法可明显提高系统的平均误符号率性能，从而提升了此方法在实际应用中的可行性。
【IPC分类】H04B7-06, H04B7-04
【公开号】CN104617996
【申请号】CN201510004658
【发明人】高向川, 张建康, 王忠勇, 靳进, 王树坤
【申请人】郑州大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月6日