本發(fā)明涉及一種適用于大規(guī)模mimo(multiple-input-multiple-output，多輸入多輸出)系統(tǒng)下行鏈路低復(fù)雜度的預(yù)編碼方法，屬于移動通信領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，隨著人們?nèi)找嬖鲩L的移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，越來越多的研究人員提出使用大規(guī)模mimo作為未來的第五代移動通信系統(tǒng)(5g)的核心技術(shù)之一。大規(guī)模mimo技術(shù)通過在基站側(cè)使用大量的收發(fā)天線，可以成倍的提高數(shù)據(jù)傳輸速率和可靠性。然而，由于使用了大規(guī)模天線陣列，大規(guī)模mimo技術(shù)下行信號處理方案的硬件實現(xiàn)復(fù)雜度也大為增加。

盡管對于mimo系統(tǒng)，非線性下行預(yù)編碼方案性能往往優(yōu)于線性預(yù)編碼，但是其復(fù)雜度太好，不利于硬件實現(xiàn)。文獻“f.rusek,etal，scalingupmimo:opportunitiesandchallengeswithverylargearrays,ieeesignalprocessingmagazine,vol.30,no.1,pp.40–60,january2013.”指出，在大規(guī)模mimo系統(tǒng)中，線性預(yù)編碼方案——如迫零(zf)預(yù)編碼、匹配濾波(mf)、最小均方誤差(mmse)預(yù)編碼等，能夠以較低的實現(xiàn)復(fù)雜度獲得與非線性預(yù)編碼相當?shù)男阅?。與mf相比，大規(guī)模mimo系統(tǒng)中zf、mmse預(yù)編碼的性能優(yōu)勢明顯，但是需要對大維矩陣求逆，實現(xiàn)復(fù)雜度較高。

為了降低大規(guī)模mimo系統(tǒng)中zf、mmse預(yù)編碼方案的實現(xiàn)復(fù)雜度，文獻“w.zhang,etal,reduced-rankwidelylinearprecodinginmassivemimosystemswithi/qimbalance,inproc.ofeuropeansignalprocessingconference,2014”提出一種基于krylov子空間的低復(fù)雜度預(yù)編碼方案，但是該方案僅適用于快衰落信道場景。文獻“a.kammoun,etal,linearprecodingbasedonpolynomialexpansion:large-scalemulti-cellmimosystems,ieeejournalofselectedtopicsinsignalprocessing,vol.8,no.5,pp.861–875,2014.”設(shè)計了一種利用矩陣多項式代替矩陣求逆操作的預(yù)編碼方案，但是多項式的參數(shù)計算方式復(fù)雜。文獻“h.prabhu,o.edfors,j.rodrigues,l.liu,andf.rusek,hardwareefficientapproximativematrixinversionforlinearpre-codinginmassivemimo,in2014ieeeinternationalsymposiumoncircuitsandsystems(iscas),no.2,june2014,pp.1700–1703.”、文獻“y.ren,g.xu,y.wang,x.su,andc.li,low-complexityzfprecodingmethodfordownlinkofmassivemimosystem,electronicsletters,vol.51,no.5,pp.421–423,march2015.”提出利用neumann級數(shù)近似矩陣求逆，從而降低大規(guī)模mimmo系統(tǒng)下行預(yù)編碼的硬件實現(xiàn)復(fù)雜度，但是文獻中假設(shè)每個用戶的信道不相關(guān)，并不適用于相關(guān)信道的場景，因此適用范圍有限。

本發(fā)明通過優(yōu)化多項式的系數(shù)來改善矩陣多項式對矩陣求逆的近似，提出一種適用于大規(guī)模mimo下行鏈路的低復(fù)雜度檢測算法。該方案簡單易行，同時適用于用戶信道相關(guān)或不相關(guān)的場景，適用范圍廣泛。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對大規(guī)模mimo系統(tǒng)下行鏈路預(yù)編碼問題，本發(fā)明提出一種基于矩陣多項式的低復(fù)雜度下行預(yù)編碼方法，該方案簡單可行，適用于用戶信道相關(guān)或不相關(guān)的場景。

技術(shù)方案：一種基于矩陣多項式的大規(guī)模mimo下行預(yù)編碼方案，設(shè)小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)目為k，每個用戶僅配備1根收發(fā)天線，基站側(cè)配置n根接收天線，n＞＞k。令y＝[y1,y2,…,yk]^t表示下行鏈路k個用戶接收信號構(gòu)成的矢量，其中[·]^t表示矩陣的轉(zhuǎn)置，yk(k＝1,2,…,k)表示第k個用戶接收的信號。y可以表示為

y＝hpx+n(2)

其中x＝[x1,x2,…,xk]^t，其中xk(k＝1,2,…,k表示基站發(fā)送給第k個用戶的信號，xk(k＝1,2,…,k相互獨立，均值為0，方差為1；p是n×k維預(yù)編碼矩陣；n＝[n1,n2,…,nk]^t表示用戶接收噪聲構(gòu)成的矢量，其中nk表示第k個用戶的接收噪聲，nk(k＝1,2,…,k)相互獨立，服從均值為0、方差為的循環(huán)對稱復(fù)高斯分布；h是k×n維矩陣，h的第(i,j)個元素hij表示第j根基站天線到第i個用戶接收天線的信道增益，h可以表示為

其中(·)^1/2表示(·)^1/2(·)^1/2＝(·)；φr表示k×k維接收信道相關(guān)矩陣；φt表示n×n維發(fā)送信道相關(guān)矩陣，其第(i,j)個元素可以表示為φt,ij＝τ^|i-j|，此處0＜τ＜1表示信道相關(guān)系數(shù)；v為k×n維矩陣，其元素vij(1≤i≤k,1≤j≤n)相互獨立，服從均值為0、方差為1的循環(huán)對稱復(fù)高斯分布。

該方案，利用輸入的信道矩陣h、輔助矩陣非零元素個數(shù)j以及多項式階數(shù)l等參數(shù)，計算預(yù)編碼矩陣p。具體步驟如下：

第一步：輸入信道矩陣h、輔助矩陣非零元素個數(shù)j(j＝k+2l，l＝0,1,…,[n-k]/2)、多項式階數(shù)l、多項式系數(shù)更新標識f(f∈{0,1})；

第二步：設(shè)基站總發(fā)送功率為pt，令r＝hh^h+ρik，其中(·)表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置，ik表示k維單位矩陣。令π表示r中絕對值最大的j個元素構(gòu)成的集合。按下式生成輔助矩陣z，其第(i,j)個元素為

計算b＝r-z、a＝-z^-1b；

第三步：如果f＝0，當前矩陣多項式系數(shù)α＝[α0,α1,…,αl]^t不需要更新，執(zhí)行第四步；否則，按照下式更新多項式系數(shù)α＝[α0,α1,…,αl]^t：

其中表示矩陣的moore-penrose廣義逆，g和d的表達式如下

其中tr(·)表示矩陣的跡；

第四步：計算

其中λ＝pt/tr{h^hww^hh}；

第五步：輸出預(yù)編碼矩陣p。

有益效果：與現(xiàn)有的預(yù)編碼方案比，本發(fā)明所提供的大規(guī)模mimo系統(tǒng)下行鏈路預(yù)編碼方案，具有如下優(yōu)點：

(1)易于硬件實現(xiàn)。本發(fā)明所提方案利用矩陣多項式代替了zf、mmse預(yù)編碼方案中涉及的大維矩陣求逆問題，易于硬件實現(xiàn)；

(2)計算復(fù)雜度低。本發(fā)明所提方案，僅需使用較少階數(shù)的多項式即可以獲得良好性能。

(3)應(yīng)用范圍廣泛。本發(fā)明所提方案適用于多種不同信道環(huán)境，也可以應(yīng)用于用戶數(shù)目較多的場景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的基于矩陣多項式的大規(guī)模mimo系統(tǒng)下行預(yù)編碼方案實施流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例的和速率仿真結(jié)果圖；

圖3為本發(fā)明實施例的誤碼率仿真結(jié)果圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。

如圖1所示，本發(fā)明的具體實施步驟主要包含以下五個步驟：

第一步：輸入信道矩陣h、輔助矩陣非零元素個數(shù)j(j＝k+2l，l＝0,1,…,[n-k]/2)、多項式階數(shù)l、多項式系數(shù)更新標識f(f∈{0,1})；此處，f用于指示算法是否更新多項式系數(shù)α。算法第一次運行時要更新α(f＝1)，此后只需要周期性的更新其取值，以減小算法復(fù)雜度；信道矩陣h參數(shù)一般來自于上行鏈路的信道估計，j、l的參數(shù)選擇需要兼顧算法性能和復(fù)雜度；

第二步：設(shè)基站總發(fā)送功率為pt，令r＝hh^h+ρik，其中(·)^h表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置，ik表示k維單位矩陣。令π表示r中絕對值最大的j個元素構(gòu)成的集合。按下式生成輔助矩陣z，其第(i,j)個元素為

計算b＝r-z、a＝-z^-1b；

第三步：如果f＝0，當前矩陣多項式系數(shù)α＝[α0,α1,…,αl]^t不需要更新，執(zhí)行第四步；否則，按照下式更新多項式系數(shù)α＝[α0,α1,…,αl]^t：

其中表示矩陣的moore-penrose廣義逆，g和d的表達式如下

其中tr(·)表示矩陣的跡；

第四步：計算

其中λ＝pt/tr{h^hww^hh}；

第五步：輸出預(yù)編碼矩陣p。

圖2和圖3分別為本發(fā)明實施例的和速率、誤碼率仿真結(jié)果圖。圖中，仿真參數(shù)為基站天線數(shù)目n＝500，k＝100，調(diào)制方式為qpsk，信道實現(xiàn)次數(shù)為20000次。仿真中假設(shè)兩個用戶信道相關(guān)的概率為0.001，信道相關(guān)系數(shù)服從0到0.5的均勻分布。對比方案1來自于文獻h.prabhu,o.edfors,j.rodrigues,l.liu,andf.rusek,“hardwareefficientapproximativematrixinversionforlinearpre-codinginmassivemimo,”in2014ieeeinternationalsymposiumoncircuitsandsystems(iscas),no.2,june2014,pp.1700–1703；對比方案2來自于文獻y.ren,g.xu,y.wang,x.su,andc.li,“l(fā)ow-complexityzfprecodingmethodfordownlinkofmassivemimosystem,”electronicsletters,vol.51,no.5,pp.421–423,march2015。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示意性實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。