大規(guī)模mimo系統(tǒng)中結(jié)合導頻污染消除的雙層預(yù)編碼設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中結(jié)合導頻污染消除的雙層預(yù)編碼設(shè)計方法，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。具體設(shè)計過程如下：系統(tǒng)工作于時分雙工模式，首先，用戶向基站發(fā)送導頻序列來估計上行鏈路信道，基站根據(jù)信道互易性，得到下行鏈路信道估計；然后，在基站端，基于迫零預(yù)編碼思想設(shè)計外層預(yù)編碼矩陣，以抑制小區(qū)內(nèi)用戶間干擾，最后，將信道和外層預(yù)編碼矩陣看成整體作為等效信道，進而基于最小均方誤差準則設(shè)計內(nèi)層預(yù)編碼矩陣，以抑制系統(tǒng)中因?qū)ьl污染而引發(fā)的干擾。本發(fā)明結(jié)合導頻污染消除來設(shè)計預(yù)編碼矩陣，解決了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中存在的固有導頻污染問題。
【專利說明】
大規(guī)模MI MO系統(tǒng)中結(jié)合導頻污染消除的雙層預(yù)編碼設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明主要設(shè)及未來移動通信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著智能終端的廣泛普及，移動數(shù)據(jù)量呈爆炸式增長，人們對高速率數(shù)據(jù) 傳輸業(yè)務(wù)的需求也越來越強烈。因此，學術(shù)界、工業(yè)界開始著手對第5代移動通信技術(shù) (SthGeneration，5G)的研究，大規(guī)模多輸入多輸出（Massive-Multiple I叩Ut Multiple Output, Massive-MIMO)技術(shù)作為5G的關(guān)鍵傳輸技術(shù)，在學術(shù)界和工業(yè)界都受到了非常廣泛 的關(guān)注，并成為當前的研究重點。大規(guī)模MIMO技術(shù)通過增加收發(fā)端的天線數(shù)，在不增加系統(tǒng) 帶寬的條件下，成倍提高系統(tǒng)容量、有效降低系統(tǒng)誤碼率;而預(yù)編碼技術(shù)作為大規(guī)模MIMO技 術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)，在抑制用戶間干擾、頻譜效率提升方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。隨著無線 通信技術(shù)的發(fā)展，而頻譜資源的嚴重不足已經(jīng)日益成為無線通信事業(yè)發(fā)展的瓶頸，如何充 分利用有限的頻譜資源，提高頻譜利用率，成為當前迫切需要解決的問題。因此，大規(guī)模 MIMO系統(tǒng)中基于時分雙工(Time Division Duplex,TDD)工作模式的預(yù)編碼技術(shù)成為當前 研究的熱點，在TDD模式中，下行鏈路的信道狀態(tài)信息(Channel S化te Info;rmation，CSI) 可通過信道互易性得到，但易受導頻污染的影響。導頻污染的存在，使得估計的CSI不夠準 確，W致在傳輸過程中產(chǎn)生比較大的性能損失。因此，在新一代無線通信系統(tǒng)中，迫切需要 采取有效的措施對導頻污染進行降低。
[0003] 如果從預(yù)編碼的角度著手消除導頻污染，然而，現(xiàn)有的諸如迫零(Zero-化rcing， ZF)預(yù)編碼技術(shù)、匹配濾波(Matched-Fi Itering，MF) W及基于最小方差(；Least-Square，LS) 準則的預(yù)編碼技術(shù)并未能有效地解決大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的導頻污染問題。因此，一些學者 在此基礎(chǔ)上，提出了導頻調(diào)度的方法，即不同小區(qū)同導頻用戶的干擾較大時，采用正交的導 頻，而不同小區(qū)的同導頻用戶間干擾較小時采用相同的導頻，可有效減小導頻污染，提升系 統(tǒng)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中存在固有的導頻污染，針對傳統(tǒng)預(yù)編碼技術(shù)上的不足，本發(fā)明 給出一種適用于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中結(jié)合導頻污染消除的雙層預(yù)編碼設(shè)計方法。本發(fā)明有效 地抑制了導頻污染所帶來的干擾，解決了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的導頻污染問題。
[0005] 本發(fā)明包括如下步驟：
[0006] 系統(tǒng)工作于時分雙工TDD模式，首先，基站接收到用戶發(fā)送的導頻序列，估計上行 鏈路信道;基站根據(jù)信道互易性，得到下行鏈路信道估計;然后，在基站端，基于迫零ZF預(yù) 編碼思想設(shè)計外層預(yù)編碼矩陣，W抑制小區(qū)內(nèi)用戶間干擾，最后，將信道和外層預(yù)編碼矩陣 作為等效信道，基于最小均方誤差MMSE準則設(shè)計內(nèi)層預(yù)編碼矩陣，W抑制系統(tǒng)中因?qū)ьl污 染所引發(fā)的干擾。
[0007] 具體地，用戶向基站發(fā)送導頻序列，基站基于最小方差Least Square,LS準則，估 計出上行鏈路信道矢量：
[000引
[0009] 其中紀表示小區(qū)i中第k個用戶到本小區(qū)基站之間的信道估計矢量，Y康示小區(qū)i 中基站的接收信號，巧4表示小區(qū)i中第k個用戶所發(fā)送的導頻序列，T表示導頻序列長度，Pr 表示導頻序列的發(fā)送功率，上標T和H分別表示矩陣的轉(zhuǎn)置和共輛轉(zhuǎn)置操作符。
[0010] 具體地，基站根據(jù)信道互易性，得到下行鏈路信道估計矢量堯k:
[0011]
[001^ 始康示小區(qū)i的基站到本小區(qū)第k個用戶之間的信道估計矢量，的k康示小區(qū)i的基 站到本小區(qū)第k個用戶之間的信道矢量，k=l，2, ...，K，其H表示導頻污染部分， I 二 U-擊!
表示均值為0，協(xié)方差矩陣為的噪聲矢量，其中Im表示M XM維單位矩陣，M表 取， 示基站天線數(shù)，mGCMXT表示小區(qū)沖基站的接收噪聲矩陣，化中的每個元素相互獨立，服從 均值為0,單位方差的復高斯隨機分布。
[0013] 具體地，基于ZF預(yù)編碼思想，進而通過歸一化處理，得到小區(qū)i的外層預(yù)編碼矩陣：
[0014]
[001引其中i = l，2, . . .，L，i表示小區(qū)i的序號，L表示小區(qū)總數(shù)，堯H表示小區(qū)i的基站到 本小區(qū)第k個用戶之間的信道矢量，k=l，2,...，K，K表示每個小區(qū)內(nèi)的用戶總數(shù)。
[0016] 具體地，將信道與外層預(yù)編碼矩陣的結(jié)合作為等效信道，即小區(qū)i的基站到本小區(qū) 用戶之間的等效信道出I = GiiWii, Gi康示小區(qū)i的基站到本小區(qū)用戶之間的信道，Wi康示 小區(qū)i的外層預(yù)編碼矩陣；小區(qū)i的基站到小區(qū)1中用戶之間的等效信道出I = GiiWii, Gi康示 小區(qū)i的基站到小區(qū)1中用戶之間的信道，其中1 = 1，2,...，M1表示小區(qū)1的序號。
[0017] 具體地，基于MMSE準則設(shè)計小區(qū)i的內(nèi)層預(yù)編碼矩陣化i:
[001 引
[0019]其中min{ ?}表示最小化運算，Tr(?讀示矩陣的跡，a表示功率限制因子，W使小 區(qū)i的內(nèi)層預(yù)編碼矩陣化1滿足功率約束條件;Zi表示附加背景噪聲，且Zi中的每個元素相互 獨立、服從均值為0,單位方差的復高斯分布;Ik表示KXK維單位矩陣;qi表示小區(qū)i的基站向 本小區(qū)用戶發(fā)送的信號，滿足6姑}=0,6沾91"} = 1。結(jié)合拉格朗日乘子法，小區(qū)1的內(nèi)層預(yù) 編碼矩陣化1表示為：
[0020]
[0021] 其中i、l = l，2, . . .，L。
[0022] 本發(fā)明結(jié)合導頻污染減輕的策略，從預(yù)編碼的角度給出了一種適用于大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)中的雙層預(yù)編碼設(shè)計方法。首先，基于ZF預(yù)編碼思想設(shè)計外層預(yù)編碼矩陣，W抑制小區(qū) 內(nèi)用戶間干擾;然后，將信道和外層預(yù)編碼矩陣作為等效信道，基于最小均方誤差(Minimum Mean Square化roriMMSE)準則設(shè)計內(nèi)層預(yù)編碼矩陣，從而使得因?qū)ьl污染而引發(fā)的系統(tǒng) 干擾得到有效地降低，進而解決了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的導頻污染問題。
【附圖說明】
[0023] 圖1為大規(guī)模MIMO上行鏈路系統(tǒng)模型；
[0024] 圖2為大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中結(jié)合導頻污染消除的雙層預(yù)編碼設(shè)計方法的流程框圖。
【具體實施方式】
[0025] 下面將結(jié)合圖1，圖2對本發(fā)明的【具體實施方式】作詳細說明。
[00%] 本發(fā)明的大規(guī)模MIMO上行鏈路系統(tǒng)是工作于時分雙工(Time Division Duplex, TDD)模式，首先，用戶向基站發(fā)送導頻序列來估計上行鏈路信道，基站根據(jù)信道互易性，得 到下行鏈路信道估計;然后，在基站端，基于迫零(Zero-Forcing, ZF)預(yù)編碼思想設(shè)計外層 預(yù)編碼矩陣，W抑制小區(qū)內(nèi)用戶間干擾，最后，將信道和外層預(yù)編碼矩陣作為等效信道，基 于最小均方誤差(Minimum Mean Square化;ro;r，MMSE)準則設(shè)計內(nèi)層預(yù)編碼矩陣，W抑制系 統(tǒng)中因?qū)ьl污染所引發(fā)的干擾。
[0027]首先，如圖1所示，考慮L個導頻完全復用的小區(qū)，每個小區(qū)包括一個配置M根天線 的基站和K個單天線的用戶，用戶向基站發(fā)送導頻序列W估計上行信道，而用戶向本小區(qū)基 站發(fā)送導頻序列時，將受到來自其它小區(qū)用戶發(fā)送的非正交導頻帶來的干擾，即形成導頻 污染問題。在上行鏈路中，小區(qū)i的基站接收信號如：
[002引
[00巧]其中i表示小區(qū)i的序號，i = l，2,. . .，L，k=l，2, . . .，K，L表示小區(qū)總數(shù)，K表示每 個小區(qū)內(nèi)的用戶總數(shù)，Pr表示用戶導頻序列發(fā)送功率
表示小區(qū)i的基站到小 區(qū)1中第k個用戶之間的信道矢量，Pik讀示小區(qū)i的基站到小區(qū)1中第k個用戶之間的大尺度 衰落系數(shù)，hiki表示小區(qū)i的基站到小區(qū)1中第k個用戶之間的小尺度衰落矢量，通常假設(shè)hiki 服從0均值，協(xié)方差為MXM維的單位矩陣Im，1表示小區(qū)1的序號，1 = 1，2, . . .，L，上標T表示 矩陣的轉(zhuǎn)置操作符，^^表示各小區(qū)中第4個用戶向小區(qū)1的基站同步發(fā)送的導頻序列， 砍eCixf ,T(T^K)表示導頻序列長度，0沖每個元素服從0均值，方差為^的復高斯分布，且 巧如''=?，其中8〇 = 1，2，..^，...1(，1(表示每個小區(qū)內(nèi)的用戶總數(shù);111￡(：?><了表示小區(qū)王中 基站的接收噪聲矩陣，M表示基站天線數(shù)，m中的每個元素相互獨立，服從均值為0,單位方 差的復高斯隨機分布。
[0030] 。根據(jù)最小方差(Xeast Square,LS)準則，則 ,上標H表示矩陣的共 輛轉(zhuǎn)置操作符。由信道互易性，基站得到下行鏈路的信道估計：
[0031]
[0032] 復，康示小區(qū)i的基站到本小區(qū)第k個用戶之間的信道估計矢量，giki表示小區(qū)i的基 站到本小區(qū)第4個用戶之間的信道矢量，4=1，2，...，1(，1；各,《表示小區(qū)1的基站到小區(qū)1 中第k個用戶之間的導頻污染部分，n^i表示噪聲部分
表示均值為0,協(xié)方差矩陣 為一^/、/的噪聲矢量。 取，
[0033] 根據(jù)上述模型，小區(qū)i中用戶的接收信號Xi可表示為：
[0034]
[00對其中X康示小區(qū)沖用戶的接收信號，維度為KX l，i表示小區(qū)i的序號;化表示基站 發(fā)送功率，Gi康示小區(qū)1的基站到小區(qū)沖用戶之間的信道，維度為KXMJ表示小區(qū)1的序 號;Wi讀示小區(qū)1的外層預(yù)編碼矩陣，維度為M XK;化讀示小區(qū)1的內(nèi)層預(yù)編碼矩陣，維度為 KXK;qi表示小區(qū)1的基站向本小區(qū)用戶發(fā)送的信號，滿足6山}=0,6山91"} = 11(，11(表示1( X K維單位矩陣;Zi表示附加背景噪聲，且Zi中的每個元素相互獨立、服從均值為0，單位方差 的復高斯分布。具體地，其表現(xiàn)形式如下：
[0036]
[0037] 其中g(shù)化康示小區(qū)1中基站到小區(qū)沖第k個用戶之間的信道矢量，Qk讀示小區(qū)1中 基站給本小區(qū)第k個用戶將發(fā)送的信號，Xkl表示小區(qū)1中第k個用戶接收到的信號，k=l， 2 > ? ? ? >O
[0038] 然后，外層預(yù)編碼矩陣Wii的設(shè)計過程：
[0039] 基于ZF預(yù)編碼思想，并利用估計到的CSI，小區(qū)i的外層預(yù)編碼矩陣Wii可設(shè)計如下：
癢中
[0040]
[0041] 4表示小區(qū)i的基站到本小區(qū)用戶之間的信道估計。
[0042] 根據(jù)強大數(shù)定理，對于x，yGCMxi為兩個滿足CN(0，cIm)(c為常數(shù)）的獨立矢量，貝U 存在如下引理：
[0043]
[0044] 根據(jù)上述結(jié)論，由^
,
巧此 _ 、一1
[004引 其中i = l，2, . . .，1-1，1，1+1，..丄。[0049]將Wii代入系統(tǒng)模型，再次運用上述引理，可得：[(K)加 ]
[0045]
[0046]
[0047]
[0化1 ]
[0054] 其中出I = GiiWi讀示小區(qū)1的基站到小區(qū)沖用戶之間的等效信道，1 = 1，2,..丄。 此時小區(qū)沖第k個用戶的信號干擾比SIRki:
[0化2]
[0化3]
[0化5]
[0056] 從SI化1的表達式看出：小區(qū)i的外層預(yù)編碼矩陣Wii有效地抑制了小區(qū)i中用戶間 干擾，然而系統(tǒng)中仍存在因?qū)ьl污染所引起的干擾項，其中k=l，2,. . .K;i = l，2,. . .，L。
[0057] 然后，內(nèi)層預(yù)編碼矩陣Dii的設(shè)計過程具體如下：
[0化引基于MMSE準則設(shè)計小區(qū)i的內(nèi)層預(yù)編碼矩陣化i:
[0化9]
[0060] 其中min{ ? }表示最小化運算，Tr( ?)表示矩陣的跡，a表示功率限制因子，W使化I 滿足功率約束條件，HiI = GiiWii表示小區(qū)i的基站到小區(qū)1中用戶之間的等效信道，Hii = GiiWii表示小區(qū)i的基站到本小區(qū)用戶之間的等效信道，且i、l = l，2,...，L。此時，運用拉格 朗日乘子法如下：
[0061]
[0062] 然后，拉格朗日函數(shù)L(化i，a，A)分別對變量化i、a、A求偏導數(shù)如下：
[0063]
[0064]
[00 化]
[0066] 而&忍山 TV'。、目/^7lr^4^咎44?呂fI^了-r+t'1、：;：^ST化-
[0067]
[006引
[0069]
[0070]
[0071]
[0072] 將(4)式代入(5)式中可得：
[0073]
[
[
[0076] 此時，將(4)式代入(7)式，可得：
[0077]
代入(9)式可得：
[0081 ]
UO)
[0082] 然后，將(10)式代入(6)可得：
[0083]
(11) LUUBA」 敢舊，將UU八UU巧代八巧，W恃小匹1護」內(nèi)后頂編媽巧胖化。
[0085]
[0086] 其中i表示小區(qū)i的序號，1表示小區(qū)1的序號，i、l = l，2, . . .，L。結(jié)合各小區(qū)設(shè)計出 的內(nèi)層預(yù)編碼矩陣，并基于小區(qū)間的協(xié)作，此時，系統(tǒng)中對小區(qū)i中用戶的干擾項 ^巧,.A麻被最小化，即有效地抑制了系統(tǒng)因?qū)ьl污染所引發(fā)的干擾。 !婦.1-二 I
【主權(quán)項】
1. 大規(guī)模ΜΙΜΟ系統(tǒng)中結(jié)合導頻污染消除的雙層預(yù)編碼設(shè)計方法，其特征在于，系統(tǒng)工 作于時分雙工TDD模式，首先，基站接收到用戶發(fā)送的導頻序列，估計上行鏈路信道;根據(jù)信 道互易性，得到下行鏈路信道估計;然后，在基站端，基于迫零ZF預(yù)編碼思想設(shè)計外層預(yù)編 碼矩陣，W抑制小區(qū)內(nèi)用戶間干擾;最后，將信道和外層預(yù)編碼矩陣作為等效信道，基于最 小均方誤差MMSE準則設(shè)計內(nèi)層預(yù)編碼矩陣，W抑制系統(tǒng)中因?qū)ьl污染所引發(fā)的干擾。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，用戶向基站發(fā)送導頻序列，基站基于最小方 差Least Square準則，估計出上行鏈路信道矢量：其中急；，表示小區(qū)i中第k個用戶到本小區(qū)基站之間的信道估計矢量，Yi表示小區(qū)i中基 站的接收信號，％表示小區(qū)i中第k個用戶所發(fā)送的導頻序列，τ表示導頻序列長度，Pr表示 導頻序列的發(fā)送功率，上標T和Η分別表示矩陣的轉(zhuǎn)置和共輛轉(zhuǎn)置操作符。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，基站根據(jù)信道互易性，得到下行鏈路信道估 計矢量知,：知表示小區(qū)i的基站到本小區(qū)第k個用戶之間的信道估計矢量，giki表示小區(qū)i的基站到 本小區(qū)第k個用戶之間的信道矢量,k=l ,2, ... ,Κ示均值為0，協(xié)方差矩陣為Λ/的噪聲矢量，其中Ιμ表示ΜXΜ維單位矩陣，Μ表示基站天線 科 數(shù)，mecMXT表示小區(qū)i中基站的接收噪聲矩陣，化中的每個元素相互獨立，服從均值為0,單 位方差的復高斯隨機分布。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于:基于ZF預(yù)編碼思想，進而通過歸一化處理，得 到小區(qū)i的外層預(yù)編碼矩陣：其中i = l，2,.. .，L，i表示小區(qū)i的序號，L表示小區(qū)總數(shù)，知表示小區(qū)i的基站到本小區(qū) 第k個用戶之間的信道矢量，k=l，2,...，Κ，Κ表示每個小區(qū)內(nèi)的用戶總數(shù)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，將信道與外層預(yù)編碼矩陣的結(jié)合作為等效信 道，即小區(qū)i的基站到本小區(qū)用戶之間的等效信道出l=GiiWii，Gi康示小區(qū)i的基站到本小區(qū) 用戶之間的信道，Wii表示小區(qū)i的外層預(yù)編碼矩陣;小區(qū)i的基站到小區(qū)1中用戶之間的等效 信道出i = GiiWii，Gi康示小區(qū)i的基站到小區(qū)1中用戶之間的信道，其中1 = 1，2,. . .，L;1表示 小區(qū)1的序號。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，基于MMSE準則設(shè)計小區(qū)i的內(nèi)層預(yù)編碼矩陣 Dii：其中min{ · }表示最小化運算，Tr( ·)表示矩陣的跡，α表示功率限制因子，W使小區(qū)i 的內(nèi)層預(yù)編碼矩陣化1滿足功率約束條件;Zi表示附加背景噪聲，且Zi中的每個元素相互獨 立、服從均值為0,單位方差的復高斯分布;Ik表示KXK維單位矩陣;qi表示小區(qū)i的基站向本 小區(qū)用戶發(fā)送的信號，滿足6姑}=0店山巧1"} = 1。結(jié)合拉格朗日乘子法，小區(qū)1的內(nèi)層預(yù)編 碼矩陣化i表示為：其中i、l = l ,2,. . . ,L。
【文檔編號】H04L5/00GK105978612SQ201610405867
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月7日
【發(fā)明人】景小榮, 李敏
【申請人】重慶郵電大學