大規(guī)模mimo fdd系統(tǒng)中基于信漏噪比的兩階段預(yù)編碼方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于多天線及無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種大規(guī)模MMOFDD系 統(tǒng)中基于信漏噪比的兩階段預(yù)編碼方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，多輸入多輸出（MultipleInputMultipleOutput,MIM0)技術(shù)被廣泛 應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)，該技術(shù)能夠在不增加額外帶寬和功率損耗的條件下，顯著提高無(wú)線 系統(tǒng)的頻譜利用率。但是隨著智能手機(jī)等無(wú)線設(shè)備的普及，人們對(duì)數(shù)據(jù)流量的需求呈指 數(shù)型增長(zhǎng)，為解決該問(wèn)題，人們逐漸展開(kāi)了對(duì)大規(guī)模MMO系統(tǒng)的研究。大規(guī)模MMO系統(tǒng) 能夠提供更高的頻譜利用率和系統(tǒng)吞吐量，有效解決頻譜資源緊張等問(wèn)題。截至目前，關(guān) 于大規(guī)模MHTO系統(tǒng)的研究主要集中在時(shí)分雙工（TimeDivisionDuplex，TDD)模式，在 該模式下，可以利用信道互惠特性獲取基站到用戶的下行信道狀態(tài)信息（ChannelState Information,CSI)。但是，當(dāng)前大部分無(wú)線系統(tǒng)都是采用頻分雙工（FrequencyDivision Duplex,FDD)模式，可見(jiàn)對(duì)大規(guī)模MMOFDD系統(tǒng)的研究也至關(guān)重要。
[0003] 然而，由于大規(guī)模MMO系統(tǒng)的基站配置眾多天線（幾百根甚至上千根），并 且基站天線數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于基站同時(shí)服務(wù)的用戶數(shù)量（十倍甚至幾十倍），導(dǎo)致大規(guī)模 MHTO系統(tǒng)很難在FDD模式下應(yīng)用，主要原因有：在FDD模式下，基站為獲取用戶的下行 CSI需要向用戶發(fā)送正交的導(dǎo)頻序列，導(dǎo)頻序列長(zhǎng)度正比于基站天線數(shù)量，使得下行的 導(dǎo)頻開(kāi)銷(xiāo)過(guò)大，通信效率下降；此外，基站天線數(shù)量增多，導(dǎo)致用戶需要向基站反饋更多 的CSI，反饋開(kāi)銷(xiāo)上升。針對(duì)這一問(wèn)題，JunyoungNam等人在"JointSpatialDivision andMultiplexing:RealizingMassiveMIMOGainswithLimitedChannelState Information"這篇文章中提出了JSDM兩階段預(yù)編碼方法，該方法利用用戶往往成群存在 的特點(diǎn)將用戶分組，并利用塊對(duì)角原理有效地避免了小組用戶間的干擾，并且降低了用戶 的反饋開(kāi)銷(xiāo)。但是，JSDM方法復(fù)雜度較高，并且當(dāng)相鄰兩組用戶的發(fā)送信號(hào)與基站的到達(dá) 角有重疊時(shí)，系統(tǒng)的總速率性能下降顯著。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種大規(guī)模MMOFDD系統(tǒng)中 基于信漏噪比（SignaltoLeakageplusNoiseRatio,SLNR)的兩階段預(yù)編碼方法，相比 JSDM方法，該方法有效降低了預(yù)編碼矩陣的計(jì)算復(fù)雜度，能提供更高的系統(tǒng)總速率性能，并 且即使當(dāng)相鄰兩組用戶的發(fā)送信號(hào)與基站的到達(dá)角有重疊時(shí)，系統(tǒng)總速率性能也不會(huì)受到 影響。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種大規(guī)模MMOFDD系統(tǒng)中基于信漏噪比的兩階 段預(yù)編碼方法，其特征在于，包括如下步驟：
[0006] (1)基站獲取小區(qū)內(nèi)所有用戶的統(tǒng)計(jì)CSI，并根據(jù)用戶的統(tǒng)計(jì)CSI將小區(qū)內(nèi)的用戶 分為G組，求出每組用戶的統(tǒng)計(jì)CSI的平均值；
[0007] (2)利用每組用戶的統(tǒng)計(jì)CSI的平均值，根據(jù)每組用戶的信漏噪比設(shè)計(jì)第一階段 預(yù)編碼矩陣W= [W1…WJ，用于消除組間干擾；
[0008] 其中，第g組用戶的信漏噪比SLNRg的期望值 Tr{?}表示求矩陣的跡，Wg為第g組用戶的第一階段預(yù)編碼矩陣，上標(biāo)H表示求共輒轉(zhuǎn)置操 作，Rg為第g組用戶的統(tǒng)計(jì)CSI的平均值，co為噪聲權(quán)重，表示噪聲對(duì)各組用戶功率泄露的 影響，Im為MXM維的單位矩陣，M為基站的天線數(shù)，g= 1，…，G，Wg的設(shè)計(jì)應(yīng)使得E{SLNRg} 最大；
[0009] (3)基站向所有用戶發(fā)送下行導(dǎo)頻，并將第一階段預(yù)編碼矩陣W發(fā)送至各組 用戶，用戶根據(jù)接收到的導(dǎo)頻信號(hào)估計(jì)出各自的CSI，得到所有用戶的下行CSI矩陣 H=￡Hf…,結(jié)合第一階段預(yù)編碼矩陣W，得到等效CSI矩陣H=服，向基站反饋 等效CSI矩陣H，其中，Hg為第g組用戶的下行CSI矩陣，g= 1，…，G;
[0010] (4)基站根據(jù)等效CSI矩陣H，設(shè)計(jì)第二階段預(yù)編碼矩陣P，用于消除組內(nèi)用戶的干 擾；
[0011] (5)由第一階段預(yù)編碼矩陣W和第二階段預(yù)編碼矩陣P得到預(yù)編碼矩陣V=WP， 基站利用預(yù)編碼矩陣V向用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。
[0012] 優(yōu)選地，所述步驟（2)中，通過(guò)如下方法得到第g組用戶的第一階段預(yù)編碼矩陣 Wg：
[0013] (Al)對(duì)矩陣 進(jìn)行Cholesky分解，得到矩陣C，矩陣C滿足
[0014] (A2)令矩陣E=C\計(jì)算EHRgE，并對(duì)其進(jìn)行特征值分解，得到EHRgE=FHAF，其 中，A是一個(gè)對(duì)角矩陣，對(duì)角元素為矩陣EHRgE的特征值，并按降序排列，矩陣F的列向量是 矩陣EHRgE的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量；
[0015] (A3)計(jì)算T=EF，進(jìn)而得到第g組用戶的第一階段預(yù)編碼矩陣
Ini，為m'Xm'維的單位矩陣，m'為第g組用戶所分配的等效天線數(shù)。
[0016] 優(yōu)選地，上述方法還包括如下步驟（6):用戶接收到基站發(fā)送的數(shù)據(jù)后，估計(jì)出接 收信噪比（SignaltoNoiseRatio,SNR)，再根據(jù)接收信噪比計(jì)算得到各自的速率，并將 其反饋至基站，基站計(jì)算系統(tǒng)的總速率
，其中，K為用戶總數(shù)，rk為第k個(gè)用戶的速 率，由第k個(gè)用戶的接收信噪比SNRk和香農(nóng)公式獲得rk=log2 (l+SNRk)。
[0017] 優(yōu)選地，通過(guò)如下方法得到局部最優(yōu)的噪聲權(quán)重《:
[0018] (BI)在第一個(gè)相干時(shí)間內(nèi)，初始化《 =Co1，執(zhí)行所述步驟⑵~（6)，得到系統(tǒng) 的總速率R = R1;
[0019] (B2)在下一個(gè)相干時(shí)間內(nèi)，令《= ?2，執(zhí)行所述步驟⑵~（6)，得到系統(tǒng)的總 速率R = R2;
[0020] (B3)在下一個(gè)相干時(shí)間內(nèi)，更新《 =Co3= (?Jco2)/2,執(zhí)行所述步驟⑵~ (6)，得到系統(tǒng)的總速率R=R3;
[0021](B4)若IR3-R21 >e，IR3-R11 >e，且札<R2<R3,則令 〇 := 〇3，R1=R3,返 回步驟（B3);若IR3-R2I>e，IR3-R1I>e，且私<RfR3,則令O2= ? 3，R2=R3,返回 步驟（B3);若IR3-R2I<e或IR3-R1I<e，則確定CO=CO3為噪聲權(quán)重的局部最優(yōu)解，過(guò) 程結(jié)束；
[0022] 其中，用戶的統(tǒng)計(jì)CSI在相干時(shí)間內(nèi)視為不變，e是設(shè)定的閾值，步驟（BI)和 (B2)中《JP? 2為給定值，其取值應(yīng)當(dāng)使得噪聲權(quán)重的局部最優(yōu)解在i，《2)內(nèi)。
[0023] 優(yōu)選地，基站利用噪聲權(quán)重co的局部最優(yōu)解設(shè)計(jì)第一階段預(yù)編碼矩陣W，再通過(guò) 所述步驟（3)~（5)向用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，直到用戶的統(tǒng)計(jì)CSI發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致用戶重新分 組。
[0024] 總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效 果：
[0025] 1、原有的JSDM預(yù)編碼對(duì)每組用戶的第一階段預(yù)編碼矩陣的設(shè)計(jì)都需要進(jìn)行兩次 奇異值分解（SingularValueDecomposition，SVD)，而SVD分解的運(yùn)算復(fù)雜度很高。本發(fā) 明的預(yù)編碼方法對(duì)每組用戶的預(yù)編碼矩陣設(shè)計(jì)只需要進(jìn)行一次Cholesky分解和一次特征 值分解，運(yùn)算復(fù)雜度低，且本發(fā)明的SLNR兩階段預(yù)編碼方法的總速率性能優(yōu)于JSDM預(yù)編碼 方法。
[0026] 2、JSDM預(yù)編碼方法利用塊對(duì)角化的思想，通過(guò)獲取每組用戶相對(duì)于其他用戶的零 空間來(lái)消除組間用戶的干擾，然而求零空間的過(guò)程會(huì)導(dǎo)致用戶CSI的損失，尤其是當(dāng)相鄰 兩組用戶與基站的到達(dá)角有重疊時(shí)，CSI損失加重，導(dǎo)致總速率性能下降。本發(fā)明的方法基 于每組用戶的SLNR進(jìn)行預(yù)編碼設(shè)計(jì)，不會(huì)造成CSI損失，即使相鄰兩組用戶與基站的到達(dá) 角有重疊也不會(huì)影響SLNR兩階段預(yù)編碼的性能。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例的大規(guī)模M頂0 FDD系統(tǒng)中基于SLNR的兩階段預(yù)編碼方法的 流程圖；
[0028] 圖2是在每個(gè)用戶的信噪比SNR變化時(shí)，四種預(yù)編碼方法的性能比較；
[0029] 圖3是在改變所有用戶分布的角度范圍時(shí)，四種預(yù)編碼方法的性能比較。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0031]如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的大規(guī)模MM) FDD系統(tǒng)中基于SLNR的兩階段預(yù)編碼 方法包括如下步驟：
[0032] (1)基站獲取小區(qū)內(nèi)所有用戶的統(tǒng)計(jì)CSI，并根據(jù)用戶的統(tǒng)計(jì)CSI將小區(qū)內(nèi)的用戶 分組，求出每組用戶的統(tǒng)計(jì)CSI的平均值。
[0033] 基站很容易獲取每個(gè)用戶的統(tǒng)計(jì)CSI，再根據(jù)聚類等方法將統(tǒng)計(jì)CSI相同或相似 的用戶分為一組。假設(shè)小區(qū)的基站有M根天線，小區(qū)內(nèi)有K個(gè)用戶（M>>K)，用戶被分為G 組。為方便符號(hào)表示，假設(shè)每組的用戶數(shù)目相同，
，基站計(jì)算每組用戶的統(tǒng)計(jì)CSI 的平均值，其中，第g組所有用戶的統(tǒng)計(jì)CSI的平均值，g= 1，…，G，其中Rgl 表示第g組的第i個(gè)用戶的統(tǒng)計(jì)CSI。
[0034] (2)利用每組用戶的統(tǒng)計(jì)CSI的平均值，根據(jù)每組用戶的信漏噪比設(shè)計(jì)第一階段 預(yù)編碼矩陣W= [W1…We]，用于消除組間干擾，其中，Wg，g= 1，…，G為第g組用戶的第一 階段預(yù)編碼矩陣。
[0035] 在最大化系統(tǒng)的總速率性能時(shí)，應(yīng)該以最大化各個(gè)用戶的信干噪比（Signalto InterferenceplusNoiseRatio,SINR)為優(yōu)化目標(biāo)，然而這類優(yōu)化問(wèn)題為非凸優(yōu)化問(wèn)題， 很難解決，本發(fā)明利用SLNR簡(jiǎn)化問(wèn)題的求解。
[0036] 在設(shè)計(jì)第一階段預(yù)編碼時(shí)，基站只有各組用戶的統(tǒng)計(jì)CSI信息， 因此，對(duì)于第g組用戶，基站通過(guò)最大化其信漏噪比的期望值來(lái)設(shè)計(jì)其第 一階段預(yù)編碼矩陣Wg。具體地，第g組用戶的信漏噪比SLNRj^期望值
其中，E{>"}表不求
期望操作，Tr{ ?}表示求矩陣的跡，上標(biāo)H表示求共輒轉(zhuǎn)置操作，Hg是第g組用戶的下行CSI矩陣，為K'XM維，《為噪聲權(quán)重，表示噪聲對(duì)各組用戶功率泄露的影響，Im為MXM維 的單位矩陣。
[0037]Wg的設(shè)計(jì)應(yīng)使得E{SLNRg}最大，具體為：(Al)對(duì)矩陣 進(jìn)行Cholesky 分解，得到矩陣C，矩陣C滿足
；（A2)令矩陣E=C\計(jì)算EHRgE，并對(duì) 其進(jìn)行特征值分解，得到EHRgE=FhAF，其中，A是一個(gè)對(duì)角矩陣，對(duì)角元素為矩陣EHRgE的 特征值，并按降序排列，矩陣F的列向量是矩陣EhRsE的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量；(A3)計(jì)算 T=EF，進(jìn)而得到第g組用戶的第一階段預(yù)編碼矩陣
，其中，WgSMXm' 維的矩陣，Ini，為m'Xm'維的單位矩陣，m'為第g組用戶所分配的等效天線數(shù)。假設(shè)每 組用戶所分配的等