本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种基于mmse准则提高非线性多用户mimo系统性能的方法及装置。
背景技术：
为了消除射频前端功率放大器等带来的非线性失真，数字预失真作为一种广泛使用的射频功率放大器线性化技术存在复杂度较高的问题。功率放大器模型分为物理模型和行为模型，其中行为模型分为无记忆行为模型和有记忆行为模型。记忆多项式模型被广泛应用于有记忆性功率放大器的建模。为了估计出多项式中的参数，设计出准确的数字预失真多项式，复杂的矩阵求逆使得计算的复杂度成倍提高。中兴通讯股份有限公司申请号为cn200710111529.0的发明提出了一种预失真模型装置和信号的预失真处理装置、系统及方法。此发明实现的预失真模型可以只输出一个预失真参数，并且可以用复数乘法器级联，并可以同时对信号放大设备的瞬时失真和记忆失真进行校准。不用提取信号放大设备的非线性模型，直接提取预失真模型，从而降低数字预失真处理的复杂度，并可降低误差。京信通信系统(中国)有限公司申请号为cn201310665379.3的发明公开了一种预失真参数确定方法、设备及数字预失真处理系统。该方法包括：根据当前输入至功率放大器pa的第一前向信号和所述第一前向信号对应的反馈信号，确定当前的预失真系数矩阵；根据确定的所述当前的预失真系数矩阵和最近n次的预失真系数矩阵，确定平滑处理后的预失真系数矩阵；根据所述平滑处理后的预失真系数矩阵，确定预失真参数。由于对当前的预失真系数矩阵做了平滑处理，并根据平滑处理后的预失真系数矩阵确定预失真参数，可在dpd模块利用上述预失真参数对输入至dpd模块的第二前向信号进行数字预失真处理时提高系统输出信号的稳定性。作为数字预失真技术的一种，还是存在复杂度过高的问题，需要额外的计算复杂度。
在现有的通信系统中，正交频分复用(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing，ofdm)技术可以节省频率资源，克服符号间干扰(intersymbolinterference，isi)和信道间干扰(interchannelinterference，ici)，简化信道估计和均衡，从而得到了广泛的应用。
当前，在无线通信系统中，多用户mimo系统通过使用预编码技术消除多用户间干扰，将用户信号分配到多个发射天线上，但是，由于功率放大器进入饱和区等带来的非线性失真信号，在一定程度上破坏了预编码矩阵带来的信号的正交性，使得用户间干扰无法被完全消除，成为系统性能损失的来源之一。
设定多用户mimo系统中有m个用户，基站侧有l根发射天线，每个用户均有nm根接收天线。第m个用户第k个子载波上的信号sm(k),所有用户信号的数据流总和和发射天线数量可以不一样。使用预编码矩阵qm(k)消除用户间干扰。则发射信号为
在线性多用户mimo系统中，f(·)＝1，则第m个用户的接收信号为：
其中，当我们使用预编码技术寻找到预编码矩阵q(k)，存在
rm(k)＝hm(k)qm(k)sm(k)+nm(k)
接收端通过传统的mmse检测技术可恢复出发射信号,
可得
而在非线性系统中，y(n)＝f(x(n))，则第m个用户的接收信号为：
其中，由于f(·)≠1，所以
技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于mmse准则提高非线性多用户mimo系统性能的方法及装置，用于解决现有技术中由于功率放大器进入饱和区带来的非线性失真信号严重降低系统性能的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下方案：一种基于mmse准则提高非线性多用户mimo系统性能的方法，所述方法至少包括以下步骤：步骤1)、估计发送端非线性信号的统计特征，基于所述非线性信号将非线性信号分解为线性增益信号和失真信号，且线性增益信号和失真信号不相关；步骤2)、对分解后的非线性信号进行预编码，以消除多用户间线性增益信号的干扰；步骤3)、将多用户间失真信号干扰化为噪声处理；步骤4)、根据接收端的非线性信号求取mmse检测矩阵，以恢复多用户的原始发射信号。
于本发明的一实施方式中，所述方法还包括利用快速逆傅里叶变换将预编码之后的信号进行频域向时域的转换，利用快速傅里叶变换将接收端的非线性信号进行时域向频域的转换。
于本发明的一实施方式中，所述方法还包括调制多用户的原始发射信号。
于本发明的一实施方式中，调制多用户的原始发射信号采用正交振幅调制或正交相移键控调制。
于本发明的一实施方式中，在所述步骤1)中，估计发送端非线性信号的统计特征，并将非线性信号分解为线性增益信号和失真信号的步骤包括：步骤11)、通过非线性信号y(n)＝f(x(n))，估计非线性信号的线性增益系数α和失真信号的功率
于本发明的一实施方式中，在所述步骤3)中，还包括计算多用户间的失真信号干扰的步骤：步骤31)、获得每根发射天线上发射信号的频域表达式，满足：y(k)＝αx(k)+d(k)，其中，d(k)是多重随机变量分布的叠加，看做加性高斯白噪声；步骤32)、获得发射信号矩阵：y(k)＝αx(k)+d(k)；步骤33)、计算第m个用户第k个子载波上的接收信号
于本发明的一实施方式中，在所述步骤4)中，求取mmse检测矩阵包括以下步骤：步骤41)、通过mmse准则计算恢复的线性发射信号
于本发明的一实施方式中，在所述步骤2)中，对非线性信号进行预编码的步骤包括：步骤21)、通过发射训练信号估计每个用户到基站侧的信道矩阵；步骤22)、通过预编码技术和所述信道矩阵得到对应于每个用户的预编码矩阵；步骤23)、利用预编码矩阵对非线性信号进行预编码。
于本发明的一实施方式中，所述预编码矩阵为块对角化预编码矩阵。
本发明还提供一种基于mmse准则提高非线性多用户mimo系统性能的装置，所述装置包括发送端和接收端，所述接收端至少包括：接收天线，所述接收天线用于接收所述发送端发送的非线性信号；傅里叶变换模块，所述傅里叶变换模块的输入端连接所述接收天线的输出端，适于对接收到的信号进行傅里叶变换；mmes检测机，所述mmes检测机的输入端连接所述傅里叶变换模块的输出端，适于对所述傅里叶变换模块输出的信号进行检测，以恢复多用户的原始发射信号，且所述mmes检测机的检测矩阵满足以下条件：
于本发明的一实施方式中，所述发送端至少包括：信号调制器，用于调制多用户信号；预编码模块，所述预编码模块的输入端连接所述信号调制器的输出端，适于对调制后的信号进行预编码；傅里叶逆变换模块，所述傅里叶逆变换模块的输入端连接所述预编码模块的输出端，适于对预编码模块输出的信号进行傅里叶逆变换；非线性失真模块，所述非线性失真模块的输入端连接所述傅里叶逆变换模块的输出端；发送天线，所述发送天线的输入端连接所述非线性失真模块的输出端，适于对非线性失真模块的输出信号通过无线信道进行发送。
于本发明的一实施方式中，所述非线性失真模块为功率放大器。
于本发明的一实施方式中，所述无线信道采用ieee.802.11的wlan信道。
如上所述，本发明的基于mmse准则提高非线性多用户mimo系统性能的方法及装置，具有以下有益效果：
1.通过对基站发射天线上经过功率放大器的发射信号做不相关分解，得到线性增益信号和失真信号，经过信道后，用户间干扰被消除；
2.在接收端使用基于mmse准则的新的检测矩阵，将非线性失真信号看做加性高斯白噪声，计算出失真信号能量和线性增益即可实现系统性能的提升，使得非线性失真对有用信号的影响减弱；
3.本发明的装置结构简单，几乎不增加系统的额外开销。
附图说明
图1为本发明基于mmse准则提高非线性多用户mimo系统性能的方法于实施例一中的流程图。
图2为在两组不同失真模型下传统mmse检测和改进mmse检测的信号evm曲线的对比图。
图3为本发明基于mmse准则提高非线性多用户mimo系统性能的装置中的接收端于实施例二中的结构示意图。
图4为本发明基于mmse准则提高非线性多用户mimo系统性能的装置中的发送端于实施例二中的结构示意图。
元件标号说明
11信号调制器
12预编码模块
13傅里叶逆变换模块
14非线性失真模块
15发送天线
21接收天线
22傅里叶变换模块
23mmes检测机
24信号解调器
s1～s4步骤
s11～s12步骤
s21～s23步骤
s31～s33步骤
s41～s42步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明适用场景可拓展至多用户mimo场景和massivemimo场景，系统性能与发射天线数无关，只与用户数有关。
实施例一
请参阅图1，本发明提供一种基于mmse准则提高非线性多用户mimo系统性能的方法，所述方法至少包括以下步骤：
s1)、估计发送端非线性信号的统计特征，基于所述非线性信号的统计特征将非线性信号分解为线性增益信号和失真信号；
s2)、对分解后的非线性信号进行预编码，以消除多用户间线性增益信号的干扰；
s3)、将多用户间失真信号干扰化为噪声处理；
s4)、根据接收端的非线性信号求取适宜的mmse检测矩阵，以恢复多用户的原始发射信号。
在多用户mimo系统中，多个用户信号在预编码处理之后分配多个发射天线，由于失真模块例如功率放大器进入饱和区，使得天线上的发射信号产生非线性失真，严重影响了系统性能。我们对基站发射天线上经过失真的发射信号做不相关分解，得到线性增益信号和失真信号，经过信道后，用户间干扰被消除，由于接收天线上收到的失真信号为多个相同分布的随机变量的叠加，可以等效为加性高斯噪声，基于非线性多用户mimo系统模型，使用最小均方误差(minimummeansquareerror，mmse)准则得到新的mmse检测矩阵，以恢复多用户的原始发射信号，即可实现系统性能的提升，使得非线性失真对有用信号的影响减弱。
需要注意的是，时域特征也称为信号的统计特征，特征提取使用概率统计的方法，常见的有均值、方差、协方差、偏度、峰度等。
在该实施例中，发射多用户原始发射信号之前采用正交振幅调制或正交相移键控调制对原始发射信号进行调制。
在该实施例中，还包括利用快速逆傅里叶变换将预编码之后的信号进行频域向时域的转换，利用快速傅里叶变换将接收端的非线性信号进行时域向频域的转换。
在该实施例中，在所述s2)中，对非线性信号进行预编码的步骤至少包括：
s21)、通过发射训练信号估计每个用户到基站侧的信道矩阵；
s22)、通过预编码技术和所述信道矩阵得到对应于每个用户的预编码矩阵；
s23)、利用预编码矩阵对非线性信号进行预编码。
作为示例，所述预编码矩阵为块对角化预编码矩阵。
具体的，在该实施例中，假设预编码之后的发射信号经过非线性失真模块f(·)，设
s11)、通过非线性信号y(n)＝f(x(n))，估计非线性信号的线性增益系数α和失真信号的功率
s12)、将非线性信号分解为线性增益信号和失真信号，并满足：y(n)＝αx(n)+d(n)，其中，x(n)为线性增益信号，d(n)为失真信号，且x(n)和d(n)不相关。
在所述s3)中，将多用户间失真信号干扰化为噪声处理，还包括计算多用户间的失真信号干扰的步骤：
s31)、由非线性信号的时域表达式y(n)＝αx(n)+d(n)，获得每根发射天线上发射信号的频域表达式，满足：y(k)＝αx(k)+d(k)，其中，d(k)是多重随机变量分布的叠加，看做加性高斯白噪声；
s32)、获得发射信号矩阵：y(k)＝αx(k)+d(k)；(1)
s33)、计算第m个用户第k个子载波上的接收信号rm(k)，满足：
并将(1)式带入(2)式，得：
其中，sm(k)为第m个用户第k个子载波上的发射信号，hm(k)为信道矩阵，qm(k)为预编码矩阵，nm(k)为加性高斯白噪声；d(k)是各个发射天线上与发射信号无关的失真信号向量，经过上述分解之后，线性的用户间干扰被消除了，非线性的用户间干扰项hm(k)d(k)仍然被保留了下来。但是由于失真信号可以被当作加性高斯噪声，可以归为噪声一起做处理。
接下来，在所述s4)中基于mmse准则做信号检测，关键在于求取适宜的mmse检测矩阵，具体包括以下步骤：
s41)、通过mmse准则计算恢复的线性发射信号
s42)、将(3)式带入(1.2)式中，得到非线性发射信号对应的mmse检测矩阵：
作为示例，提供如下一具体场景，并针对该场景对接收端检测之后的信号进行evm测量。
设定多用户mimo系统中基站侧发射端有8根天线，服务4个用户，每个用户都有2根接收天线，每个用户数据流数都是2。使用qpsk(quadraturephaseshiftkeyin)方式调制用户信号，共有256个子载波的ofdm系统调制发射信号。所有发射天线上的非线性失真模型都相同，即f(·)相同。
y(n)＝f(x(n))＝c1x(n)+c2x(n)|x(n)2|+c3x(n)|x(n)|4，分别选取两组失真模型参数：
1：c1＝1.0513+0.0904i，c3＝-0.0813-0.4350i，c5＝-1.4486_1.0542i；
2:c1＝1.028+0，030i，c3＝-0.022-0.360i，c5＝-0.247-0.228i。
信道模型采用ieee.802.11的wlan信道，首先通过发射训练信号估计信道矩阵h(k),包括每个用户到基站侧的信道矩阵hm(k)；其次，使用块对角化预编码方案，利用信道矩阵hm(k)得到对应于每个用户的预编码矩阵qm(k)；然后，计算出参数值α和失真信号的能量
请参阅图2，是针对上述场景对接收端检测之后的信号进行evm测量。
首先是由线性多用户mimo系统性能作对比。然后按照信噪比(signal-to-noiseratio,snr)的增长，画出传统mmse检测和改进mmse检测之后的信号evm曲线的对比。正方形标记的虚线是线性多用户mimo系统evm性能。圆形标记虚线是非线性多用户mimo在第1组非线性失真参数下使用传统mmse检测的evm性能，星形标记虚线是是非线性多用户mimo在第2组非线性失真参数下使用传统mmse检测的evm性能。相对于的是，圆形标记实线是非线性多用户mimo在第1组非线性失真参数下使用改进mmse检测的evm性能，星形标记实线是非线性多用户mimo在第2组非线性失真参数下使用改进mmse检测的evm性能。可以看到随着snr的增长，系统性能逐渐被非线性失真限制住。相较于传统mmse检测，在几乎没有额外开销的情况下，获得了接近2db的性能增益。
实施例二
本发明还提供了一种基于mmse准则提高非线性多用户mimo系统性能的装置，所述装置包括发送端和接收端，在该实施例中，设定多用户mimo系统中有m个用户。
请参阅图3，所述接收端至少包括：
接收天线21，每个用户均有nm根接收天线21，所述接收天线21用于接收所述发送端发送的非线性信号。
傅里叶变换模块22，所述傅里叶变换模块22的输入端连接所述接收天线21的输出端，适于对接收到的信号进行傅里叶变换。
mmes检测机23，所述mmes检测机23的输入端连接所述傅里叶变换模块22的输出端，适于对所述傅里叶变换模块22输出的信号进行检测，以恢复多用户的原始发射信号，且所述mmes检测机23的检测矩阵满足以下条件：
信号解调器24，所述信号解调器24的输入端连接所述mmes检测机23的输出端，适于对所述mmes检测机23输出的信号进行载波的解调。
需要说明的是，r1,1……r1,n1为接收端接收到的信号，r1,1……r1,n1为经过傅里叶变换后的信号，s’1……s’m为通过mmes检测机23后恢复的用户信号，再通过解调器恢复调制信号。
请参阅图4，所述发送端至少包括：
信号调制器11，用于调制多用户信号，所述调制方式采用正交振幅调制或正交相移键控调制。
预编码模块12，所述预编码模块12的输入端连接所述信号调制器11的输出端，适于对调制后的信号进行预编码；通过使用预编码技术消除多用户间干扰，预编码矩阵采取但不限于块对角化预编码矩阵。
傅里叶逆变换模块13，所述傅里叶逆变换模块13的输入端连接所述预编码模块12的输出端，适于对预编码模块12输出的信号进行傅里叶逆变换。
非线性失真模块14，所述非线性失真模块14的输入端连接所述傅里叶逆变换模块13的输出端，在一实施例中，所述非线性失真模块14为功率放大器，适于对所述傅里叶逆变换模块13的输出信号进行功率放大，在其它实施例中，也可为其它失真模块。
发射天线，所述发送天线15设有l根，所述发送天线15的输入端连接所述非线性失真模块14的输出端，适于对所述非线性失真模块14的输出信号通过无线信道进行发送。作为示例，所述无线信道采用但不限于ieee.802.11的wlan信道。
需要说明的是，s1……sm为m个用户的发送信号；x1……xl为经过预编码后的发送信号；x1……xl为经过傅里叶逆变换后的发送信号；y1……yl为经过非线性失真模块14后待发送的非线性失真信号。
综上所述，本发明的基于mmse准则提高非线性多用户mimo系统性能的方法及装置，通过对基站发射天线上经过功率放大器的发射信号做不相关分解，得到线性增益信号和失真信号，经过信道后，用户间干扰被消除；在接收端使用基于mmse准则的新的检测矩阵，将非线性失真信号看做加性高斯白噪声，计算出失真信号能量和线性增益即可实现系统性能的提升，使得非线性失真对有用信号的影响减弱；本发明的装置结构简单，几乎不增加系统的额外开销。本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。