大规模mimofdd系统中基于信漏噪比的两阶段预编码方法

文档序号:8945489阅读:867来源:国知局
大规模mimo fdd系统中基于信漏噪比的两阶段预编码方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于多天线及无线通信技术领域,更具体地,涉及一种大规模MMOFDD系 统中基于信漏噪比的两阶段预编码方法。
【背景技术】
[0002] 近年来,多输入多输出(MultipleInputMultipleOutput,MIM0)技术被广泛 应用于无线通信系统,该技术能够在不增加额外带宽和功率损耗的条件下,显著提高无线 系统的频谱利用率。但是随着智能手机等无线设备的普及,人们对数据流量的需求呈指 数型增长,为解决该问题,人们逐渐展开了对大规模MMO系统的研究。大规模MMO系统 能够提供更高的频谱利用率和系统吞吐量,有效解决频谱资源紧张等问题。截至目前,关 于大规模MHTO系统的研究主要集中在时分双工(TimeDivisionDuplex,TDD)模式,在 该模式下,可以利用信道互惠特性获取基站到用户的下行信道状态信息(ChannelState Information,CSI)。但是,当前大部分无线系统都是采用频分双工(FrequencyDivision Duplex,FDD)模式,可见对大规模MMOFDD系统的研究也至关重要。
[0003] 然而,由于大规模MMO系统的基站配置众多天线(几百根甚至上千根),并 且基站天线数量远远多于基站同时服务的用户数量(十倍甚至几十倍),导致大规模 MHTO系统很难在FDD模式下应用,主要原因有:在FDD模式下,基站为获取用户的下行 CSI需要向用户发送正交的导频序列,导频序列长度正比于基站天线数量,使得下行的 导频开销过大,通信效率下降;此外,基站天线数量增多,导致用户需要向基站反馈更多 的CSI,反馈开销上升。针对这一问题,JunyoungNam等人在"JointSpatialDivision andMultiplexing:RealizingMassiveMIMOGainswithLimitedChannelState Information"这篇文章中提出了JSDM两阶段预编码方法,该方法利用用户往往成群存在 的特点将用户分组,并利用块对角原理有效地避免了小组用户间的干扰,并且降低了用户 的反馈开销。但是,JSDM方法复杂度较高,并且当相邻两组用户的发送信号与基站的到达 角有重叠时,系统的总速率性能下降显著。

【发明内容】

[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种大规模MMOFDD系统中 基于信漏噪比(SignaltoLeakageplusNoiseRatio,SLNR)的两阶段预编码方法,相比 JSDM方法,该方法有效降低了预编码矩阵的计算复杂度,能提供更高的系统总速率性能,并 且即使当相邻两组用户的发送信号与基站的到达角有重叠时,系统总速率性能也不会受到 影响。
[0005] 为实现上述目的,本发明提供了一种大规模MMOFDD系统中基于信漏噪比的两阶 段预编码方法,其特征在于,包括如下步骤:
[0006] (1)基站获取小区内所有用户的统计CSI,并根据用户的统计CSI将小区内的用户 分为G组,求出每组用户的统计CSI的平均值;
[0007] (2)利用每组用户的统计CSI的平均值,根据每组用户的信漏噪比设计第一阶段 预编码矩阵W= [W1…WJ,用于消除组间干扰;
[0008] 其中,第g组用户的信漏噪比SLNRg的期望值 Tr{?}表示求矩阵的迹,Wg为第g组用户的第一阶段预编码矩阵,上标H表示求共辄转置操 作,Rg为第g组用户的统计CSI的平均值,co为噪声权重,表示噪声对各组用户功率泄露的 影响,Im为MXM维的单位矩阵,M为基站的天线数,g= 1,…,G,Wg的设计应使得E{SLNRg} 最大;
[0009] (3)基站向所有用户发送下行导频,并将第一阶段预编码矩阵W发送至各组 用户,用户根据接收到的导频信号估计出各自的CSI,得到所有用户的下行CSI矩阵 H=£Hf…,结合第一阶段预编码矩阵W,得到等效CSI矩阵H=服,向基站反馈 等效CSI矩阵H,其中,Hg为第g组用户的下行CSI矩阵,g= 1,…,G;
[0010] (4)基站根据等效CSI矩阵H,设计第二阶段预编码矩阵P,用于消除组内用户的干 扰;
[0011] (5)由第一阶段预编码矩阵W和第二阶段预编码矩阵P得到预编码矩阵V=WP, 基站利用预编码矩阵V向用户发送数据。
[0012] 优选地,所述步骤(2)中,通过如下方法得到第g组用户的第一阶段预编码矩阵 Wg:
[0013] (Al)对矩阵 进行Cholesky分解,得到矩阵C,矩阵C满足
[0014] (A2)令矩阵E=C\计算EHRgE,并对其进行特征值分解,得到EHRgE=FHAF,其 中,A是一个对角矩阵,对角元素为矩阵EHRgE的特征值,并按降序排列,矩阵F的列向量是 矩阵EHRgE的特征值对应的特征向量;
[0015] (A3)计算T=EF,进而得到第g组用户的第一阶段预编码矩阵
Ini,为m'Xm'维的单位矩阵,m'为第g组用户所分配的等效天线数。
[0016] 优选地,上述方法还包括如下步骤(6):用户接收到基站发送的数据后,估计出接 收信噪比(SignaltoNoiseRatio,SNR),再根据接收信噪比计算得到各自的速率,并将 其反馈至基站,基站计算系统的总速率
,其中,K为用户总数,rk为第k个用户的速 率,由第k个用户的接收信噪比SNRk和香农公式获得rk=log2 (l+SNRk)。
[0017] 优选地,通过如下方法得到局部最优的噪声权重《:
[0018] (BI)在第一个相干时间内,初始化《 =Co1,执行所述步骤⑵~(6),得到系统 的总速率R = R1;
[0019] (B2)在下一个相干时间内,令《= ?2,执行所述步骤⑵~(6),得到系统的总 速率R = R2;
[0020] (B3)在下一个相干时间内,更新《 =Co3= (?Jco2)/2,执行所述步骤⑵~ (6),得到系统的总速率R=R3;
[0021](B4)若IR3-R21 >e,IR3-R11 >e,且札<R2<R3,则令 〇 := 〇3,R1=R3,返 回步骤(B3);若IR3-R2I>e,IR3-R1I>e,且私<RfR3,则令O2= ? 3,R2=R3,返回 步骤(B3);若IR3-R2I<e或IR3-R1I<e,则确定CO=CO3为噪声权重的局部最优解,过 程结束;
[0022] 其中,用户的统计CSI在相干时间内视为不变,e是设定的阈值,步骤(BI)和 (B2)中《JP? 2为给定值,其取值应当使得噪声权重的局部最优解在i,《2)内。
[0023] 优选地,基站利用噪声权重co的局部最优解设计第一阶段预编码矩阵W,再通过 所述步骤(3)~(5)向用户发送数据,直到用户的统计CSI发生显著变化,导致用户重新分 组。
[0024] 总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,具有以下有益效 果:
[0025] 1、原有的JSDM预编码对每组用户的第一阶段预编码矩阵的设计都需要进行两次 奇异值分解(SingularValueDecomposition,SVD),而SVD分解的运算复杂度很高。本发 明的预编码方法对每组用户的预编码矩阵设计只需要进行一次Cholesky分解和一次特征 值分解,运算复杂度低,且本发明的SLNR两阶段预编码方法的总速率性能优于JSDM预编码 方法。
[0026] 2、JSDM预编码方法利用块对角化的思想,通过获取每组用户相对于其他用户的零 空间来消除组间用户的干扰,然而求零空间的过程会导致用户CSI的损失,尤其是当相邻 两组用户与基站的到达角有重叠时,CSI损失加重,导致总速率性能下降。本发明的方法基 于每组用户的SLNR进行预编码设计,不会造成CSI损失,即使相邻两组用户与基站的到达 角有重叠也不会影响SLNR两阶段预编码的性能。
【附图说明】
[0027] 图1是本发明实施例的大规模M頂0 FDD系统中基于SLNR的两阶段预编码方法的 流程图;
[0028] 图2是在每个用户的信噪比SNR变化时,四种预编码方法的性能比较;
[0029] 图3是在改变所有用户分布的角度范围时,四种预编码方法的性能比较。
【具体实施方式】
[0030] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对 本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并 不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0031]如图1所示,本发明实施例的大规模MM) FDD系统中基于SLNR的两阶段预编码 方法包括如下步骤:
[0032] (1)基站获取小区内所有用户的统计CSI,并根据用户的统计CSI将小区内的用户 分组,求出每组用户的统计CSI的平均值。
[0033] 基站很容易获取每个用户的统计CSI,再根据聚类等方法将统计CSI相同或相似 的用户分为一组。假设小区的基站有M根天线,小区内有K个用户(M>>K),用户被分为G 组。为方便符号表示,假设每组的用户数目相同,
,基站计算每组用户的统计CSI 的平均值,其中,第g组所有用户的统计CSI的平均值,g= 1,…,G,其中Rgl 表示第g组的第i个用户的统计CSI。
[0034] (2)利用每组用户的统计CSI的平均值,根据每组用户的信漏噪比设计第一阶段 预编码矩阵W= [W1…We],用于消除组间干扰,其中,Wg,g= 1,…,G为第g组用户的第一 阶段预编码矩阵。
[0035] 在最大化系统的总速率性能时,应该以最大化各个用户的信干噪比(Signalto InterferenceplusNoiseRatio,SINR)为优化目标,然而这类优化问题为非凸优化问题, 很难解决,本发明利用SLNR简化问题的求解。
[0036] 在设计第一阶段预编码时,基站只有各组用户的统计CSI信息, 因此,对于第g组用户,基站通过最大化其信漏噪比的期望值来设计其第 一阶段预编码矩阵Wg。具体地,第g组用户的信漏噪比SLNRj^期望值
其中,E{>"}表不求
期望操作,Tr{ ?}表示求矩阵的迹,上标H表示求共辄转置操作,Hg是第g组用户的下行CSI矩阵,为K'XM维,《为噪声权重,表示噪声对各组用户功率泄露的影响,Im为MXM维 的单位矩阵。
[0037]Wg的设计应使得E{SLNRg}最大,具体为:(Al)对矩阵 进行Cholesky 分解,得到矩阵C,矩阵C满足
;(A2)令矩阵E=C\计算EHRgE,并对 其进行特征值分解,得到EHRgE=FhAF,其中,A是一个对角矩阵,对角元素为矩阵EHRgE的 特征值,并按降序排列,矩阵F的列向量是矩阵EhRsE的特征值对应的特征向量;(A3)计算 T=EF,进而得到第g组用户的第一阶段预编码矩阵
,其中,WgSMXm' 维的矩阵,Ini,为m'Xm'维的单位矩阵,m'为第g组用户所分配的等效天线数。假设每 组用户所分配的等
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