降低大規(guī)模mimo-ofdm下行鏈路功峰均比的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線通信的信號(hào)處理領(lǐng)域，尤其設(shè)及在大規(guī)模MIM0-0抑M下行鏈路中 降低信號(hào)功峰均比（Peak-t〇-AveragePowerRatio,PAPR)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于大規(guī)模MIM0能夠滿足日益增長(zhǎng)的通信速率和容量需求，受到了業(yè)界的廣發(fā) 關(guān)注。因?yàn)?抑M技術(shù)能很容易地應(yīng)用到MIM0系統(tǒng)中，MIM0-0抑M已經(jīng)被默認(rèn)為下一代無(wú) 線通信系統(tǒng)空口方案。0抑M調(diào)制是一種把不同數(shù)據(jù)分別映射到相互正交的子載波上的技 術(shù)，能夠有效對(duì)抗頻率選擇性衰落且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)，例如；LTE與 WIFI。但是，OFDM調(diào)制信號(hào)是多個(gè)獨(dú)立載波的線性疊加，通常具有很高的PAPR，使得OFDM 系統(tǒng)的射頻電路需要一個(gè)成本很高的線性放大器。
[000引在傳統(tǒng)的SIS0-0抑M系統(tǒng)中，已有很多成熟的降低PAPR的方法，它們通常在發(fā)射 端把原始的高PAH?信號(hào)壓縮成一個(gè)低PAH?信號(hào)發(fā)射出去，同時(shí)給用戶發(fā)射一個(gè)能夠正確 解調(diào)此信號(hào)的附加信息。但是，多用戶MIM0系統(tǒng)中，接收端的用戶不可能協(xié)作解調(diào)壓縮后 的PAPR信號(hào)，因此傳統(tǒng)方法很難拓展到多用戶MIM0系統(tǒng)中。
[0004] 在大規(guī)模MIM0系統(tǒng)中，通常基站擁有的天線數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所服務(wù)的用戶數(shù)，該使得 MIM0-0FDM系統(tǒng)的多用戶預(yù)編碼約束和OFDM調(diào)制能夠聯(lián)合建立一個(gè)欠定的方程組，使得能 滿足用戶間無(wú)干擾的調(diào)制信號(hào)有無(wú)窮個(gè)。因此，大規(guī)模的發(fā)送天線就提供了額外自由度來(lái) 尋找具有低PAH?特性的OFDM調(diào)制信號(hào)。目前，一般利用凸優(yōu)化的方案來(lái)尋找最優(yōu)解，但是 復(fù)雜度高，收斂速度慢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種利用低PAH?信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性來(lái)降低信號(hào) PAPR的低復(fù)雜度算法。
[0006] 本發(fā)明的思路為：首先把預(yù)編碼約束、OFDM調(diào)制聯(lián)合表示成一個(gè)欠定 的方程組，然后建立一個(gè)能夠促進(jìn)低PAH?特征的先驗(yàn)?zāi)Ｐ?，最后利用最大期?(Expectation-Maximization,EM)和廣義近似消息傳遞(GeneralizedApproximate Message化ssing，GAMP)算法設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠求取低PAPR解的算法。
[0007] 為了方便地描述本發(fā)明的內(nèi)容，首先對(duì)本發(fā)明中使用的術(shù)語(yǔ)進(jìn)行定義。
[0008] 大規(guī)模MIM0-0FDM下行鏈路；如圖1所示，S。為N個(gè)子載波分別發(fā)送的QAM調(diào)制信 號(hào)，n= 1，...，N，w"eCAW是保證用戶間無(wú)干擾而進(jìn)行預(yù)編碼后的向量，a。,eCVX1(m= 1，...，M)為M根基站發(fā)送天線上發(fā)送的頻域信號(hào)，EC&M為M根基站發(fā)送天線上發(fā)送的 時(shí)域信號(hào)，K為大規(guī)模MIM0中的用戶數(shù)，K<<M，C表示復(fù)數(shù)域。
[000引預(yù)編碼；MIM0-0抑M系統(tǒng)中，為了保證在同一時(shí)-頻域資源中多個(gè)用戶間的接收信 號(hào)無(wú)干擾，需要對(duì)發(fā)送信號(hào)S。進(jìn)行預(yù)編碼。信道為H,,ECK&"，那么編碼后的向量w"eCMX1 應(yīng)該滿足3。=H"w。。該樣，用戶接收到的信號(hào)就不含其他用戶的干擾。
[0010] 功峰均比：第m根發(fā)送天線的PAra定義為
，即發(fā) 送信號(hào)的峰值與平均能量之比，其中，W的表示參數(shù)實(shí)部，表示參數(shù)虛部，為算子 二范數(shù)。
[0011] 正態(tài)分布；均值為y，方差為0 2的正態(tài)分布（高斯分布）的概率密度函數(shù)定義為 1 //，燈，標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的累積分布函數(shù)定義為〇 (f)，其中，f表示自變量。
[0012] 保護(hù)帶寬：在OFDM調(diào)制中為了保護(hù)所使用的頻帶不受相鄰頻帶的干擾，通常不 會(huì)使用位于頻帶兩端的子載波。因此，把N個(gè)子載波分為兩個(gè)集合；了和了。對(duì)于子載波 HeT，發(fā)送信號(hào)為QAM調(diào)制信號(hào)，X。G;對(duì)于子載波nE了。，S。為M維零向量。
[0013] 最大期望；一種求取最大似然估計(jì)的迭代算法。不斷建立似然函數(shù)的下界，并對(duì)下 界進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而最大化似然函數(shù)。
[0014] 廣義近似消息傳遞；一種求取變量近似后驗(yàn)分布函數(shù)的算法。
[0015] Digamma函數(shù)；定義為Gamma函數(shù)自然對(duì)數(shù)的導(dǎo)數(shù)，即
[0016] 降低大規(guī)模MIM0-0FDM下行鏈路功峰均比的方法，具體步驟如下；
[0017] S1、計(jì)算聯(lián)合預(yù)編碼與OFDM調(diào)制的信號(hào)模型y=Ax，具體為：
[0018] S11、將大規(guī)模MIM0-0抑M下行鏈路的預(yù)編碼約束與大規(guī)模MIM0-0抑M下行鏈路 的(FDM調(diào)制聯(lián)合表示成一個(gè)線性方程組玄二玩，其中，S=[8[，...，8;了，a=[卻，…，的了， C=円TF，豆為塊對(duì)角矩陣，所述豆由I了I個(gè)信道矩陣Hn與I了1個(gè)M維單位陣組成，ne了， T為把預(yù)編碼后的信號(hào)分配到各個(gè)發(fā)送天線的置換矩陣，F(xiàn)為塊對(duì)角矩陣，所述F由M個(gè)N維離散傅里葉反變換矩陣組成，a為未知量，[*]T表示矩陣的轉(zhuǎn)置，|*|表示集合內(nèi)元素的 個(gè)數(shù)；
[0019] S12、將S11所述復(fù)數(shù)方程組S=Ca變換到實(shí)數(shù)域；y=Ax，令X的維度為I，y的維 度為J，其中
[0020] S2、引入先驗(yàn)?zāi)Ｐ?，具體為：
[0021]S21、令S1所述X的每個(gè)元素獨(dú)立，對(duì)所述X引入截?cái)喔咚够旌夏Ｐ拖闰?yàn)
其中，i= 1，. . .，I，所述X的第i個(gè) 元素XfG[-v，v]，aU和a12為高斯逆方差，Ki為取值為0和1的離散變量，V為先驗(yàn)的 邊界，歸一化因子
[0022] S22、對(duì)SI1所述線性方程s=Ca引入一個(gè)均值為零，逆方差為e的高斯噪聲；
[002引 S3、迭代更新，輸出S= 具體如下：
[0024] S31、初始化，對(duì)所有j= 1，. ..，J;i；'(〇) = 〇 ;對(duì)所有i= 1，. ..，I;刮〇) = 〇， 曰ii(0)= a12(0)=1，Ki(0)=1/2,V(0)= I IyI Im/ I IAI Im，,r;'(0)=I;令迭代次數(shù)t=1 ;
[00巧]S32、運(yùn)用GAMP計(jì)算近似后驗(yàn)分布，具體如下；
[0026]對(duì)所有j = 1，. . .，J，
[0027]
其中，上標(biāo)*P起區(qū)分作用，表示與S12所述X相關(guān)的函數(shù)， Aw表示S12所述矩陣A的第j行第i列元素，4表示S12所述矩陣A的第j行第i列元素 的平方，
[0033]對(duì)所有i =
[0034]
其中，上標(biāo)*誰(shuí)區(qū)分作用，
[003引
其中，為中間參數(shù)；
[0036]S33、更新信號(hào)X;和參數(shù)a。，a12和K

[0037]其中，

[0047]對(duì)Ki的后驗(yàn)概率q(Ki)有
[0050] S34、更新S22所述逆方差e
[005US35、更新S21 所述邊界V;v(t+l) =v(t)+AV，其中，

[00閲 S36、進(jìn)行判定，若t=T，則跳出迭代并輸出i;=[與是f，若t<T，則令t=t+1 轉(zhuǎn)入S31，其中，T為最大迭代次數(shù)，所述T為經(jīng)驗(yàn)闊值。
[0053] 本發(fā)明的有益效果是：
[0054] 本發(fā)明利用大規(guī)模MIM0-0抑M系統(tǒng)中基站端大量天線所提供的自由度，降低下行 鏈路發(fā)送信號(hào)的PAPR。所得到的發(fā)送信號(hào)的能量非常集中，在發(fā)送天線足夠多的情況下信 號(hào)趨于恒包絡(luò)狀態(tài)，使得射頻電路并不需要昂貴的線性功率放大器，該樣能夠有效降低未 來(lái)基站的建設(shè)成本。
【附圖說(shuō)明】
[00巧]圖1為MIM0-0抑M系統(tǒng)下行鏈路框圖。
[0056] 圖2為發(fā)送的時(shí)域信號(hào)和對(duì)應(yīng)的頻域信號(hào)，（a)時(shí)域信號(hào)，化）頻域信號(hào)，其中， EM-TGM-GAMP表示便發(fā)明的方法，ZF為未進(jìn)行PAPR處理的傳統(tǒng)預(yù)編碼方法。
[0057] 圖3為PAPR的補(bǔ)累計(jì)分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[005引下面結(jié)合實(shí)施例和附圖，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0059] 基站端有M= 100根發(fā)送天線；服務(wù)用戶數(shù)為K= 10;0FDM子載波個(gè)數(shù)為N= 128,其中有效子載波數(shù)為I了HI14。
[00