本發(fā)明屬于未來移動通信技術(shù)領(lǐng)域，具體屬于一種大規(guī)模mimo系統(tǒng)中的預(yù)編碼技術(shù)。

背景技術(shù)：

隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，人們對通信效率的需求愈加強烈，大規(guī)模多輸入多輸出(multipleinputmultipleoutput，mimo)技術(shù)在收發(fā)端配置大量的天線，在不增加系統(tǒng)帶寬和發(fā)送功率的情況下，大幅度提升系統(tǒng)性能，實現(xiàn)了信息在有限的頻譜資源上高質(zhì)量、高速率傳輸。一方面，大規(guī)模mimo技術(shù)給人們帶來了更滿意的用戶體驗及更可靠的語音業(yè)務(wù)，另一方面，大規(guī)模mimo系統(tǒng)中存在較為嚴重的數(shù)據(jù)流間干擾和用戶間的干擾(inter-userinterference，iui)，因接收機處理信號能力有限，一些復(fù)雜度極高的信號檢測技術(shù)難以在mimo系統(tǒng)中得到應(yīng)用；針對大規(guī)模mimo系統(tǒng)中的干擾問題，大規(guī)模mimo系統(tǒng)中的預(yù)編碼技術(shù)應(yīng)運而生。預(yù)編碼技術(shù)往往要求發(fā)送端確知當(dāng)前信道狀態(tài)信息(channelstateinformation，csi)，在實際系統(tǒng)尤其是在頻分雙工(frequencydivisionduplexing，fdd)系統(tǒng)中，下行信道估計是一個非常棘手的問題，用于下行信道估計的導(dǎo)頻序列長度受到相干時間的限制，此外，大規(guī)模mimo系統(tǒng)中通過上行信道將csi估計值反饋給基站，那么必將存在較大的反饋開銷，勢必占用系統(tǒng)中大量的頻譜資源。

為了解決上述存在的問題，一些學(xué)者提出了適應(yīng)于fdd工作模式的大規(guī)模mimo系統(tǒng)中的雙層預(yù)編碼設(shè)計方案。其核心思想：在大規(guī)模mimo系統(tǒng)中，首先根據(jù)用戶的一些特性將基站服務(wù)的用戶群體分割成多個用戶組，進而基于每個分組來設(shè)計各組外層預(yù)編碼矩陣，消除各組之間的iui；然后將實際信道和外層預(yù)編碼矩陣看成等效信道，最后基于等效信道設(shè)計內(nèi)層預(yù)編碼矩陣，以消除組內(nèi)的iui。另外一些學(xué)者提出：各用戶分組的外層預(yù)編碼矩陣采用塊對角化(blockdiagonalization，bd)預(yù)編碼技術(shù)。進行設(shè)計，使期望用戶組信道協(xié)方差矩陣的主要特征值對應(yīng)的特征矩陣映射到非期望組信道協(xié)方差矩陣的零空間，接著，內(nèi)層預(yù)編碼矩陣則采用正則化迫零(regularizedzero-forcing，rzf)技術(shù)基于等效信道進行設(shè)計?；赽d預(yù)編碼技術(shù)設(shè)計的外層預(yù)編碼矩陣雖然一定程度上消除了組間iui，但是提升系統(tǒng)性能幅度有限。

在本發(fā)明中，考慮基于fdd工作模式的大規(guī)模mimo系統(tǒng)中，首先根據(jù)用戶的一些特性將基站服務(wù)的用戶群體分割成多個用戶組，進而基于各分組用戶的信道統(tǒng)計信息來設(shè)計某個分組外層預(yù)編碼矩陣，然后將實際信道與外層預(yù)編碼矩陣結(jié)合成等效信道，實現(xiàn)了信道降維，最后基站基于等效信道運用迫零(zero-forcing，zf)技術(shù)設(shè)計某個分組的內(nèi)層預(yù)編碼矩陣，因而減小了信道估計的復(fù)雜度和反饋開銷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

iui問題已成為制約大規(guī)模mimo系統(tǒng)性能的主要因素，為解決大規(guī)模mimo系統(tǒng)中的iui問題，提出了一種實現(xiàn)了干擾的消除，而且降低了信道估計的復(fù)雜度以及csi信息的反饋量，提升了系統(tǒng)性能的同時，節(jié)約了頻譜資源的mimo系統(tǒng)中融合迫零與泰勒級數(shù)展開的雙層預(yù)編碼設(shè)計方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種mimo系統(tǒng)融合迫零與泰勒級數(shù)展開的雙層預(yù)編碼設(shè)計方法，其包括以下步驟：

首先用戶通過接收的導(dǎo)頻序列得到下行信道狀態(tài)信息csi估計值，并通過反饋鏈路將下行信道狀態(tài)信息csi估計值反饋給基站；基站將接收的csi估計值運用泰勒級數(shù)展開的方式得到最優(yōu)外層預(yù)編碼矩陣來消除各組間的用戶的干擾iui，然后將實際信道hg與最優(yōu)外層預(yù)編碼矩陣結(jié)合形成等效信道其中g(shù)表示分組后的小組序號，g＝1,2,…,g，g表示小區(qū)內(nèi)用戶分組總數(shù)，上標(biāo)^equ表示英文equivalence等效值的前三個首字母，上標(biāo)^opt表示英文optimization最優(yōu)化的前三個字母。

最后基站基于等效信道并運用迫零技術(shù)實現(xiàn)內(nèi)層預(yù)編碼矩陣的設(shè)計，來消除組內(nèi)iui。

進一步的，所述下行信道狀態(tài)信息csi估計值可表示為

其中hgk∈c^m×1表示基站到g組第k個用戶之間的信道估計矢量，表示基站到g組第k個用戶之間的小尺度衰落矢量，中的每個元素相互獨立且服從均值為0，方差為1的復(fù)高斯分布，m表示基站天線總數(shù)，表示第g組的信道協(xié)方差矩陣，且g＝1,2,…,g，g表示用戶分組總數(shù)，第g組用戶信道協(xié)方差矩陣的第k行、第l列元素可表示為

其中∫(·)表示求積分運算，θ表示各分組的中心角，δ表示角度擴展，λc表示載波波長，d表示天線間距，k、l分別表示第g組信道協(xié)方差矩陣rg的第k行、第l列，的上標(biāo)^c表示信道的英文單詞channel的首字母。

進一步的，所述基站將接收的csi估計值運用泰勒級數(shù)展開的方式得到外層預(yù)編碼矩陣具體包括：

通過求解優(yōu)化函數(shù)f(α)來設(shè)計第g組的外層預(yù)編碼矩陣

其中α表示跡比值，tr{·}表示矩陣的跡運算，max(·)表示最大化運算，表示第g組的外層預(yù)編碼矩陣，維度為m×mg，mg表示跡比值為α?xí)r矩陣主要特征值的個數(shù)，表示維度為mg×mg的單位矩陣，rf表示第f組用戶的信道協(xié)方差矩陣，f＝1,2,…,g，且f≠g，表示背景噪聲功率，im表示維度為m×m的單位矩陣，上標(biāo)^h表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置；通過求解優(yōu)化函數(shù)

第g組最優(yōu)的外層預(yù)編碼矩陣

其中argmax(·)表示使函數(shù)取最大值時自變量的取值，第g組用戶的外層預(yù)編碼矩陣vg需滿足表示維度mg×mg的單位矩陣。

進一步的，將實際信道hg與最優(yōu)的外層預(yù)編碼矩陣結(jié)合形成等效信道的公式為：其中表示基站到第g小組用戶之間的信道矩陣，kg為第g組用戶總數(shù)，為第g組最優(yōu)的預(yù)編碼矩陣。

進一步的，所述外層預(yù)編矩陣的設(shè)計步驟包括：

開始輸入：初始化rg，

第一步：t表示迭代次數(shù)，λt表示通過迭代計算得到的第t次迭代計算后的跡比值，令t＝0，并初始化跡比值；

其中是一個被初始化的矩陣，滿足λ0表示算法迭代次數(shù)為0時的跡比值；

第二步：對矩陣進行特征值分解，將其mg個最大特征值所對應(yīng)的特征向量構(gòu)成矩陣vg(λt)；

第三步：更新跡比值λt+1；

第四步：如果|λt+1-λt|＜ε，執(zhí)行第五步，其中ε表示算法結(jié)束門限值；否則t＝t+1，并執(zhí)行第二步；

第五步：最優(yōu)跡比值α^opt＝λt+1，通過上述方式，最終設(shè)計出了第g組最優(yōu)的外層預(yù)編碼矩陣

進一步的，基于等效信道并運用zf技術(shù)對第g組用戶的內(nèi)層預(yù)編碼矩陣進行設(shè)計為：

其中表示基站給第g組中各用戶發(fā)送信息時的發(fā)送功率，pgk表示基站給第g組中第k個用戶發(fā)送信息時的發(fā)送功率，并且內(nèi)層預(yù)編碼矢量wgk需滿足條件：||wgk||²＝1，因為第g組內(nèi)層預(yù)編碼矩陣wg基于等效信道進行設(shè)計。

本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果如下：

本發(fā)明將zf技術(shù)與泰勒級數(shù)展開相結(jié)合，給出了一種大規(guī)模mimo系統(tǒng)中融合迫零與泰勒級數(shù)展開的雙層預(yù)編碼設(shè)計方法。該發(fā)明通過用戶分組的方式消除iui的同時，將信道降維，可降低下行信道估計的復(fù)雜度以及csi信息的反饋量，提升了系統(tǒng)性能的同時，節(jié)約了頻譜資源。因為最優(yōu)外層預(yù)編碼矩陣僅基于各組用戶的信道協(xié)方差矩陣來進行設(shè)計，而不是各組用戶實際信道hg的csi，將實際信道hg與最優(yōu)外層預(yù)編碼矩陣結(jié)合作為等效信道實現(xiàn)信道降維；進而運用zf技術(shù)基于等效信道設(shè)計內(nèi)層預(yù)編碼矩陣wg，因而，其實際上所需的csi極大地減少，因為其只需等效信道的csi，因此，可減小下行信道估計的復(fù)雜度以及用戶向基站反饋csi的信息量，其中g(shù)表示分組后的小組序號，g＝1,2,…,g，g表示小區(qū)內(nèi)用戶分組總數(shù)，上標(biāo)^opt表示英文optimization(最優(yōu)化)的前三個字母，上標(biāo)^equ表示equivalence(等效值)的前三個首字母。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供優(yōu)選實施例基于用戶分組的大規(guī)模mimo下行鏈路系統(tǒng)中的雙層預(yù)編碼設(shè)計模型；

圖2為大規(guī)模mimo系統(tǒng)中融合迫零與泰勒級數(shù)展開的雙層預(yù)編碼設(shè)計方法的流程框圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、詳細地描述。所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是：

下面將結(jié)合附圖1、附圖2對本發(fā)明的具體實施方式作詳細說明。

本發(fā)明的大規(guī)模mimo下行鏈路系統(tǒng)是工作于fdd模式，首先基站向用戶發(fā)送導(dǎo)頻序列來進行下行信道估計，用戶通過接收的導(dǎo)頻序列得到下行csi估計值，并通過反饋鏈路將csi估計值反饋給基站，基站只需基于各組的信道統(tǒng)計信息并運用泰勒級數(shù)展開的方式實現(xiàn)了外層預(yù)編碼矩陣的設(shè)計，來消除各組間iui；然后將實際信道與外層預(yù)編碼矩陣看成等效信道，實現(xiàn)了信道的降維，減小了信道估計的復(fù)雜度，同時降低了上行信道中csi的信息反饋量，節(jié)約了頻譜資源；最后基站基于等效信道并運用zf技術(shù)實現(xiàn)了內(nèi)層預(yù)編碼矩陣的設(shè)計，來消除組內(nèi)iui。本發(fā)明基于用戶分組的形式不但實現(xiàn)了用戶間干擾的消除，而且降低了信道估計的復(fù)雜度，改善系統(tǒng)性能的同時，降低了csi的信息反饋量，節(jié)約了頻譜資源。

首先，如圖1所示，考慮一個單小區(qū)大規(guī)模mimo下行鏈路系統(tǒng)，小區(qū)包括一個配置m根天線的均勻線性陣列(uniformlineararrays，ula)基站和k個單天線用戶。k個用戶平均劃分為g組，且g表示小區(qū)內(nèi)的分組總數(shù)，g表示分組后的小組序號，kg表示第g組的用戶數(shù)。信道模型表示為

其中表示基站到g組第k個用戶之間的信道矢量，表示基站到g組第k個用戶之間的小尺度衰落矢量，中的每個元素相互獨立且服從均值為0，方差為1的復(fù)高斯分布，表示第g組的信道協(xié)方差矩陣，且g＝1,2…,g，其中第g組用戶信道協(xié)方差矩陣的第k行、第l列元素可表示為

其中∫(·)表示求積分運算，θ表示各分組的中心角，δ表示角度擴展，λc表示載波波長，d表示天線間距，k、l分別表示第g組信道協(xié)方差矩陣rg的第k行、第l列。

故小區(qū)中所有用戶接收信號矢量可表示為

y＝hvws+n

其中表示小區(qū)內(nèi)所有用戶接收信號矢量，表示基站到所有用戶之間的信道矩陣，而且上標(biāo)h表示矩陣的轉(zhuǎn)置共軛操作符，表示基站到第g組所有用戶之間的信道矩陣，小區(qū)的外層預(yù)編碼矩陣v被分割為g個子矩陣如v＝[v1v2…vg]，其中第g組的外層預(yù)編碼矩陣vg滿足表示維度為mg×mg的單位矩陣。mg表示vg的列的維度，其中小區(qū)的內(nèi)層預(yù)編碼矩陣可表示為w＝diag([w1w2…wg])，為第g組的內(nèi)層預(yù)編碼矩陣，wgk表示第g組第k個用戶的內(nèi)層預(yù)編碼矢量，且k＝1,2,…,kg，且||wgk||²＝1，diag(·)表示對角矩陣。表示發(fā)送信號矢量，sg表示基站發(fā)送給小區(qū)中第g組所有用戶的信號矢量，滿足e{sg}＝0，e{·}表示求期望操作，表示背景噪聲矢量，ng表示第g組用戶的背景噪聲，n中每個元素相互獨立且服從均值為0，方差為1的復(fù)高斯分布。此外，基站的平均發(fā)送信號功率需滿足：tr{vww^hv^h}≤pt，pt表示基站的總發(fā)送信號功率，其中tr{·}表示矩陣的跡運算。

在基于fdd工作模式的大規(guī)模mimo系統(tǒng)中，采用雙層預(yù)編碼的設(shè)計方式，降低了下行信道估計的復(fù)雜度和上行信道的csi反饋量。其中，外層預(yù)編碼矩陣用來消除各組間的iui，內(nèi)層預(yù)編碼矩陣用來消除組內(nèi)iui。

為了更進一步分析，第g組所有用戶的接收信號矢量可表示為

其中表示發(fā)送信號矢量，上標(biāo)t表示矩陣的轉(zhuǎn)置操作符，表示基站給第g組中第kg個用戶發(fā)送的信號，表示背景噪聲矢量，且第g組中第k個用戶接收信號可表示為

倘若每組用戶的內(nèi)層預(yù)編碼矩陣基于zf技術(shù)設(shè)計，于是第g組中第k個用戶的slnr可表示為

其中|·|表示取模運算，表示噪聲功率，最大化第g組第k個用戶slnr的方式來設(shè)計第g組的外層預(yù)編碼矩陣如

其中argmax(·)表示使函數(shù)取最大值時自變量的取值，第g組用戶的外層預(yù)編碼矩陣vg需滿足表示維度mg×mg的單位矩陣。通過求解上式，并將解出的最優(yōu)化矩陣作為第g組的外層預(yù)編碼矩陣，的上標(biāo)^opt表示英文optimization的前三個字母。因為

經(jīng)過公式推導(dǎo)、運算化簡后，所以

進而，第g組的外層預(yù)編碼矩陣具體設(shè)計過程如下

rg為一個半正定hermitian矩陣，為一個正定hermitian矩陣。令e{slnrgk}＝α。而跡比值的優(yōu)化問題可等效為求優(yōu)化函數(shù)f(α)的零點問題。于是

而函數(shù)f(α)是關(guān)于α的單調(diào)遞減函數(shù)，易知f(0)≥0，f(+∞)≤0，所以f(α)存在零點。

而表示矩陣按從大到小排序后第k個特征值。

而v(α)為矩陣的特征值β(α)對應(yīng)的歸一化特征向量，即||v(α)||＝1，||·||表示求矢量-2范數(shù)操作。于是β'(α)表示β(α)關(guān)于α的一階導(dǎo)數(shù)，上標(biāo)'表示求導(dǎo)運算。

基于上述分析，將本發(fā)明外層預(yù)編矩陣的算法設(shè)計步驟總結(jié)如下：

開始輸入：初始化rg，

第一步：t表示迭代次數(shù)，λt表示通過迭代計算得到的第t次迭代計算后的跡比值，令t＝0，并初始化跡比值

其中是一個被初始化的矩陣，滿足λ0表示算法迭代次數(shù)為0時的跡比值。

第二步：對矩陣進行特征值分解，將其mg個最大特征值所對應(yīng)的特征向量構(gòu)成矩陣vg(λt)。βk(λt)表示跡比值為λt時矩陣的第k個最大特征值。

第三步：更新跡比值λt+1。

表示βk(α)在α＝λt處的泰勒級數(shù)展開近似估計，可表示為

而特征值βk(λt)關(guān)于λt的一階導(dǎo)數(shù)βk'(λt)可表示為

其中vk(λt)表示跡比值為λt時矩陣的第k個最大特征值對應(yīng)的特征向量，為的上標(biāo)^est表示英文estimation的前三個字母。

而優(yōu)化函數(shù)f(α)的近似估計f^est(α)可表示為

mg表示跡比值為α?xí)r矩陣的主要特征值的個數(shù)。

令f^est(α)＝0，則

λt+1表示λt經(jīng)過1次迭代更新后的值，令λt+1＝α。

第四步：如果|λt+1-λt|＜ε，執(zhí)行第五步，其中ε表示算法結(jié)束門限值；否則t＝t+1，并執(zhí)行第二步。

第五步：最優(yōu)跡比值α^opt＝λt+1，通過上述方式，最終設(shè)計出了第g組最優(yōu)的外層預(yù)編碼矩陣

然后，將實際信道hg與第g組用戶的最優(yōu)外層預(yù)編碼矩陣看成等效信道如

其中表示第g組用戶的等效信道，的上標(biāo)^equ表示英文equivalence的前三個字母。

最后，第g組用戶的內(nèi)層預(yù)編碼矩陣具體設(shè)計過程如下：

基于等效信道并運用zf技術(shù)對第g組用戶的內(nèi)層預(yù)編碼矩陣進行設(shè)計如

其中表示基站給第g組中各用戶發(fā)送信息時的發(fā)送功率，表示基站給第g組中第k個用戶發(fā)送信息時的發(fā)送功率。并且內(nèi)層預(yù)編碼矢量需滿足條件：因為第g組內(nèi)層預(yù)編碼矩陣wg基于等效信道進行設(shè)計，由此可見，第g組下行信道估計的復(fù)雜度以及信道反饋信息量都極大降低。

以上這些實施例應(yīng)理解為僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護范圍。在閱讀了本發(fā)明的記載的內(nèi)容之后，技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。