一种基于矩阵多项式的大规模MIMO系统下行预编码方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于矩阵多项式的大规模MIMO系统下行预编码方法，首先，输入信道矩阵、辅助矩阵非零元素个数、多项式阶数等参数；其次，生成辅助矩阵；再次，判断是否更新多项式系数；最后，计算预编码矩阵并输出结果。本发明专利技术能够解决用户信道相关场景下的低复杂度预编码问题，算法收敛速度快，性能优良且易于硬件实现。

A matrix polynomial based downlink precoding method for large scale MIMO systems

The invention discloses a large-scale MIMO system downlink pre encoding method based on polynomial matrix first, input channel matrix, matrix assisted non parameter zero element number and polynomial order; secondly, generating auxiliary matrix; thirdly, determine whether to update the polynomial coefficients; finally, calculating the pre encoding matrix and output. The method can solve the problem of low complexity precoding in the user channel related scene, and has fast convergence speed, good performance and easy hardware implementation.

【技术实现步骤摘要】
一种基于矩阵多项式的大规模MIMO系统下行预编码方法
本专利技术涉及一种适用于大规模MIMO(Multiple-Input-Multiple-Output，多输入多输出)系统下行链路低复杂度的预编码方法，属于移动通信领域。
技术介绍
近年来，随着人们日益增长的移动数据业务需求，越来越多的研究人员提出使用大规模MIMO作为未来的第五代移动通信系统(5G)的核心技术之一。大规模MIMO技术通过在基站侧使用大量的收发天线，可以成倍的提高数据传输速率和可靠性。然而，由于使用了大规模天线阵列，大规模MIMO技术下行信号处理方案的硬件实现复杂度也大为增加。尽管对于MIMO系统，非线性下行预编码方案性能往往优于线性预编码，但是其复杂度太好，不利于硬件实现。文献“F.Rusek,etal，ScalingUpMIMO:OpportunitiesandChallengeswithVeryLargeArrays,IEEESignalProcessingMagazine,vol.30,no.1,pp.40–60,January2013.”指出，在大规模MIMO系统中，线性预编码方案——如迫零(ZF)预编码、匹配滤波(MF)、最小均方误差(MMSE)预编码等，能够以较低的实现复杂度获得与非线性预编码相当的性能。与MF相比，大规模MIMO系统中ZF、MMSE预编码的性能优势明显，但是需要对大维矩阵求逆，实现复杂度较高。为了降低大规模MIMO系统中ZF、MMSE预编码方案的实现复杂度，文献“W.Zhang,etal,Reduced-RankWidelyLinearPrecodinginMassiveMIMOSystemswithI/QImbalance,inProc.ofEuropeanSignalProcessingConference,2014”提出一种基于Krylov子空间的低复杂度预编码方案，但是该方案仅适用于快衰落信道场景。文献“A.Kammoun,etal,LinearPrecodingBasedonPolynomialExpansion:Large-ScaleMulti-CellMIMOSystems,IEEEJournalofSelectedTopicsinSignalProcessing,vol.8,no.5,pp.861–875,2014.”设计了一种利用矩阵多项式代替矩阵求逆操作的预编码方案，但是多项式的参数计算方式复杂。文献“H.Prabhu,O.Edfors,J.Rodrigues,L.Liu,andF.Rusek,Hardwareefficientapproximativematrixinversionforlinearpre-codinginmassiveMIMO,in2014IEEEInternationalSymposiumonCircuitsandSystems(ISCAS),no.2,June2014,pp.1700–1703.”、文献“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级数近似矩阵求逆，从而降低大规模MIMMO系统下行预编码的硬件实现复杂度，但是文献中假设每个用户的信道不相关，并不适用于相关信道的场景，因此适用范围有限。本专利技术通过优化多项式的系数来改善矩阵多项式对矩阵求逆的近似，提出一种适用于大规模MIMO下行链路的低复杂度检测算法。该方案简单易行，同时适用于用户信道相关或不相关的场景，适用范围广泛。
技术实现思路
专利技术目的：针对大规模MIMO系统下行链路预编码问题，本专利技术提出一种基于矩阵多项式的低复杂度下行预编码方法，该方案简单可行，适用于用户信道相关或不相关的场景。技术方案：一种基于矩阵多项式的大规模MIMO下行预编码方案，设小区内用户数目为K，每个用户仅配备1根收发天线，基站侧配置N根接收天线，N＞＞K。令y＝[y1,y2,…,yK]T表示下行链路K个用户接收信号构成的矢量，其中[·]T表示矩阵的转置，yk(k＝1,2,…,K)表示第k个用户接收的信号。y可以表示为y＝HPx+n(2)其中x＝[x1,x2,…,xK]T，其中xk(k＝1,2,…,K表示基站发送给第k个用户的信号，xk(k＝1,2,…,K相互独立，均值为0，方差为1；P是N×K维预编码矩阵；n＝[n1,n2,…,nK]T表示用户接收噪声构成的矢量，其中nk表示第k个用户的接收噪声，nk(k＝1,2,…,K)相互独立，服从均值为0、方差为的循环对称复高斯分布；H是K×N维矩阵，H的第(i,j)个元素Hij表示第j根基站天线到第i个用户接收天线的信道增益，H可以表示为其中(·)1/2表示(·)1/2(·)1/2＝(·)；ΦR表示K×K维接收信道相关矩阵；ΦT表示N×N维发送信道相关矩阵，其第(i,j)个元素可以表示为ΦT,ij＝τ|i-j|，此处0＜τ＜1表示信道相关系数；V为K×N维矩阵，其元素Vij(1≤i≤K,1≤j≤N)相互独立，服从均值为0、方差为1的循环对称复高斯分布。该方案，利用输入的信道矩阵H、辅助矩阵非零元素个数J以及多项式阶数L等参数，计算预编码矩阵P。具体步骤如下：第一步：输入信道矩阵H、辅助矩阵非零元素个数J(J＝K+2l，l＝0,1,…,[N-K]/2)、多项式阶数L、多项式系数更新标识F(F∈{0,1})；第二步：设基站总发送功率为PT，令R＝HHH+ρIK，其中(·)表示矩阵的共轭转置，IK表示K维单位矩阵。令Π表示R中绝对值最大的J个元素构成的集合。按下式生成辅助矩阵Z，其第(i,j)个元素为计算B＝R-Z、A＝-Z-1B；第三步：如果F＝0，当前矩阵多项式系数α＝[α0,α1,…,αL]T不需要更新，执行第四步；否则，按照下式更新多项式系数α＝[α0,α1,…,αL]T：其中表示矩阵的Moore-Penrose广义逆，G和d的表达式如下其中Tr(·)表示矩阵的迹；第四步：计算其中λ＝PT/Tr{HHWWHH}；第五步：输出预编码矩阵P。有益效果：与现有的预编码方案比，本专利技术所提供的大规模MIMO系统下行链路预编码方案，具有如下优点：(1)易于硬件实现。本专利技术所提方案利用矩阵多项式代替了ZF、MMSE预编码方案中涉及的大维矩阵求逆问题，易于硬件实现；(2)计算复杂度低。本专利技术所提方案，仅需使用较少阶数的多项式即可以获得良好性能。(3)应用范围广泛。本专利技术所提方案适用于多种不同信道环境，也可以应用于用户数目较多的场景。附图说明图1为本专利技术实施例的基于矩阵多项式的大规模MIMO系统下行预编码方案实施流程图；图2为本专利技术实施例的和速率仿真结果图；图3为本专利技术实施例的误码率仿真结果图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。如图1所示，本专利技术的具体实施步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于矩阵多项式的大规模MIMO系统下行预编码方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1：设小区内用户数目为K，每个用户仅配备1根收发天线，基站侧配置N根接收天线，N＞＞K，令y＝[y1,y2,...,yK]

【技术特征摘要】
1.一种基于矩阵多项式的大规模MIMO系统下行预编码方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1：设小区内用户数目为K，每个用户仅配备1根收发天线，基站侧配置N根接收天线，N＞＞K，令y＝[y1,y2,...,yK]T表示下行链路K个用户接收信号构成的矢量，其中[·]T表示矩阵的转置，yk(k＝1,2,...,K)表示第k个用户接收的信号，y可以表示为y＝HPx+n其中x＝[x1,x2,...,xK]T，其中xk(k＝1,2,...,K)表示基站发送给第k个用户的信号，P是N×K维预编码矩阵；n＝[n1,n2,...,nK]T表示用户接收噪声构成的矢量，其中nk表示第k个用户的接收噪声，H是K×N维信道矩阵，H的第(i,j)个元素Hij表示第j根基站天线到第i个用户接收天线的信道增益；步骤2：输入信道矩阵H、辅助矩阵非零元素个数J(J＝K+2l，l＝0,1,...,[N-K]/2)、多项式阶数L、多项式系数更新标识F(F∈{0,1})；步骤3：设基站总发送功率为PT，令R＝HHH+ρIK，其中()H表示矩阵的共轭转置，IK表示K维单位矩阵，令Π表示R中绝对值最大的J个元素构成的集合，生成辅助矩阵Z并计算B＝R-Z、A＝-Z-1B；步骤4：如果F＝0，执行步骤5；否则，更新多项式系数α＝[α0,α1,...,αL]T；步骤5：计算预编码矩阵P；步骤6：输出预编码矩阵P。2.根据权利要求1所述的一种基于矩阵多项式的大规模MIMO系统下行预编码方法，其特征在于，步骤3中辅助矩阵Z的第(i,j)个元素为3.根据权利要求1所述的一种基于矩阵多项式的大规模MIMO系统下行预编...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文策，鲍煦，戴继生，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32