一種大規模MIMO系統中基於去相關的預編碼方法與流程

2023-05-14 10:15:16

本發明屬於信號處理技術領域，更具體地，涉及一種大規模mimo系統中基於去相關的預編碼方法。

背景技術：

大規模mimo(multiple-inputmultiple-output，多入多出)系統因為其出色的頻譜效率和鏈路可靠性受到了大量關注。通過在基站端配備大量的天線，大規模mimo系統能夠同時在同頻段服務更多的用戶，同時大規模mimo系統可使通信更加穩健、更加安全、更加有效。因此，大規模mimo系統被視為第五代無線通信系統非常有前景的一種技術。

對大規模mimo系統而言，多用戶之間的相互幹擾相較於mimo系統會更加嚴重，對系統性能的影響也更大。通過使用預編碼技術，充分利用信道狀態信息，對發射信號進行預處理，使各用戶接收到「純淨」的不受其它用戶幹擾的信號，可以有效地消除多用戶幹擾，從而大大提高系統容量、優化系統性能。大規模mimo系統中的預編碼技術已成為近年來的研究熱點。

在大規模mimo系統中，由於天線數量巨大，信道矩陣的維度也變得非常龐大。在傳統mimo發射機中常用的zf預編碼和mmse預編碼等在大規模mimo系統中都因為預編碼矩陣計算過程中的大型矩陣求逆運算而導致計算複雜度異常大；目前已經出現的大規模mimo預編碼方法當中，基於超鬆弛迭代法的預編碼方法和基於共軛梯度法的預編碼方法大大降低了計算複雜度。然而，這些低複雜度算法的收斂速度與天線之間的空間相關性緊密相關。當平均每個用戶佔有的基站天線數量很大時，上述算法收斂速度很快。但是，由於天線之間的相關性系統的自由度大大降低，這在某種程度上等同於降低了每個用戶平均佔有的基站天線數量。此時，超鬆弛迭代預編碼方法和共軛梯度預編碼方法會出現很難收斂的情況。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種大規模mimo系統中基於去相關的預編碼方法，其目的在於通過去相關矩陣對信道進行去相關；而後通過迭代算法實現計算複雜度較低的一階段預編碼；最後再結合去相關矩陣計算二階段預編碼信號，提升了預編碼信號計算過程中求逆步驟的迭代收斂速度，由此解決大規模mimo系統中常規迭代預編碼方法難以收斂的技術問題。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種大規模mimo系統中基於去相關的預編碼方法，所述方法包括以下步驟：

(1)獲取發送端的空間相關矩陣rt；

(2)根據發送端的空間相關矩陣rt計算去相關矩陣b，並利用去相關矩陣b對信道矩陣h進行去相關，得到獨立信道矩陣hiid；

(3)利用去相關後的信道矩陣hiid和調製後的信號s計算一階段預編碼信號x1；

(4)利用去相關矩陣b和一階段預編碼信號x1計算得到二階段預編碼信號x，完成預編碼。

進一步地，所述步驟(1)具體為：所述發送端的空間相關矩陣rt是接收端根據通信信道的統計信息得出，之後再反饋給發送端。

進一步地，所述步驟(2)包括：

(21)先對發送端的空間相關矩陣rt進行開方分解，再對開方後的矩陣求廣義逆，獲得去相關矩陣其中，表示廣義逆；

(22)根據公式獲得信道矩陣h，並將信道矩陣h右乘去相關矩陣b後獲得獨立信道矩陣hiid。

進一步地，所述步驟(3)包括

(31)預設變量預設變量由推得線性方程組利用迭代算法求解該方程組得到

(32)根據zf預編碼準則，一階段預編碼信號表示為由推得結合得

進一步地，所述步驟(4)具體為：由下式計算二階段預編碼信號x，

其中，||bx1||表示矩陣bx1的二範數，用於對預編碼後的信號的功率進行歸一化。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術特徵及有益效果：

(1)與一般的超鬆弛迭代預編碼算法和共軛梯度法預編碼算法相比，本發明設計方法具有更快的預編碼迭代收斂速度；

(2)本發明提出的預編碼方法，便於操控，具有一定的可實施性及實用推廣價值，因而使得本發明方法可應用於任何具有相關性的矩陣的求逆當中。

附圖說明

圖1為本發明一種大規模mimo系統中的基於去相關的預編碼算法的流程圖；

圖2是為本發明實施例及大規模mimo系統中常規的超鬆弛迭代預編碼算法和共軛梯度法預編碼算法實現預編碼所需要的迭代次數與用戶數量的關係曲線圖；

圖3為本發明實施例及大規模mimo系統中常規的超鬆弛迭代預編碼算法和共軛梯度法預編碼算法實現預編碼所需要的迭代次數與基站天線數量的關係曲線圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。

如圖1所述為本發明一種大規模mimo系統中的基於去相關的預編碼方法的流程圖，具體包括以下步驟：

(1)獲取發送端的空間相關矩陣rt；

所述的發送端的空間相關矩陣是接收端根據通信信道的統計信息得出，之後再反饋給發送端；需要說明的是由於發送端的空間相關矩陣rt利用的是通信信道的統計信息，因此不必在每個時隙都單獨計算。

(2)根據發送端的空間相關矩陣rt計算去相關矩陣b並利用去相關矩陣b對信道矩陣h進行去相關，得到獨立信道矩陣hiid；

在大規模mimo系統中信道矩陣可表示為hiid表示獨立信道矩陣，rt表示發送端的空間相關矩陣；根據zf均衡準則可知，要計算去相關矩陣應先對發送端的空間相關矩陣進行開方分解，再對開方後的矩陣求廣義逆，即表示廣義逆；以信道矩陣h右乘去相關矩陣b即可得到獨立信道矩陣hiid。

(3)不同於其他方法直接使用信道矩陣h和調製後的信號s計算預編碼信號，我們利用的是去相關後的信道矩陣hiid和調製後的信號s計算一階段預編碼信號x1；

根據zf預編碼準則，本發明中的一階段預編碼信號可表示為不難發現一階段預編碼信號x1的計算牽涉到了去相關信道矩陣hiid的求逆；然而在大規模mimo系統中，信道矩陣的維度相對傳統mimo系統變得非常巨大，信道矩陣的求逆的複雜度也將變得非常巨大；為了降低計算複雜度，可以將一階段預編碼信號x1中矩陣求逆部分的計算轉化為線性方程組的求解再利用常規的迭代算法求解方程組即可完成一階段預編碼信號的求解；具體為：預設變量變量可得線性方程組利用迭代算法求解該方程組便能得到結合一階段預編碼信號的表達式和的表達式可知，一階段預編碼信號能以較低複雜度計算出來即在本發明中由於該一階段預編碼矩陣使用的是去相關後的信道矩陣，沒有因為天線的空間相關性造成自由度的損失，故而在使用迭代算法對該一階段預編碼矩陣進行計算時將會獲得更快的收斂速度。

(4)利用去相關矩陣b和一階段預編碼信號x1計算得到二階段預編碼信號x，完成預編碼；

二階段預編碼信號的具體的計算為其中||bx1||表示矩陣bx1的二範數，用於對預編碼後的信號的功率進行歸一化。

圖2為本發明實施例及常規的超鬆弛迭代預編碼算法和共軛梯度法預編碼算法在固定天線基站數n＝100的情況下實現預編碼所需要的迭代次數與用戶數量的關係曲線圖，如圖2所示，本發明設計方法實現預編碼的迭代收斂速度相較於其他兩種迭代預編碼算法有顯著的提升；

圖3為分別為本發明實施例及常規的超鬆弛迭代預編碼算法和共軛梯度法預編碼算法固定用戶數k＝50的情況下實現預編碼所需要的迭代次數與基站天線數量的關係曲線圖，如圖3所示，本發明設計方法實現預編碼的迭代收斂速度相較於其他兩種迭代預編碼算法有顯著的提升。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。