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一种大规模多天线系统低复杂度预编码方法技术方案

技术编号:13679763 阅读:175 留言:0更新日期:2016-09-08 07:31
本发明专利技术公开了一种共轭梯度法(CG)与雅可比(Jacobi)迭代法(JC)结合的用于大规模多天线系统(Massive MIMO)的低复杂度预编码方法,属于无线通信技术领域。该方法主要包括四个步骤:首先使用对角近似初始解,提高收敛速率;然后使用两次以快速收敛为特点的CG方法,为后续的低复杂度的JC迭代提供精确的搜索方向;接下来先使用混合迭代的思想,利用CG方法的原理以及前两次CG方法的结果降低第一次JC迭代的复杂度;最后使用JC迭代完成后续迭代过程。相比于用于大规模多天线系统预编码的传统近似矩阵求逆方法,该方法具有更快的收敛速率,从而能够以更少的迭代次数、更低的复杂度获得更好的系统误码率性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线通信的
,更具体地说,是涉及一种大规模多天线系统低复杂度预编码方法
技术介绍
使用传统的简单线性预编码方法,如迫零检测(ZF)、最小均方误差检测(MMSE),进行预编码时,需要进行矩阵求逆操作。待求逆矩阵的维度随着大规模多天线(Massive MIMO)系统基站天线数和服务的用户数增长而变得很大,相应的,直接矩阵求逆的复杂度变得很高,这极大地限制了Massive MIMO预编码的系统实现。利用Massive MIMO预编码中待求逆矩阵(预编码矩阵中的待求逆部分)的复共轭对称正定性和对角占优性,研究者们提出了一些低复杂度的近似矩阵求逆方法,但是这些方法并不能兼顾低复杂度与快速收敛。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决传统的Massive MIMO系统低复杂度预编码方法收敛速率较慢,或者不能兼顾低复杂度与快速收敛的问题,提供一种大规模多天线系统低复杂度预编码方法。为实现上述目的,本专利技术提供的技术方案如下:一种大规模多天线系统低复杂度预编码方法,所述预编码方法包括下
列步骤:S 1、系统初始化参数,初始化确定基站天线数目为N,单天线用户数目为M,给定原始发送信号向量给定下行链路信道矩阵H∈CM×N,以及单根天线上的噪声功率σ2;S2、计算预编码后的发送信号向量s=HHA-1b中未知部分A-1b的迭代解的初始解x0,其中A∈CM×M为待求逆矩阵(预编码矩阵中的待求逆部分),A=(HHH+σ2IM),其中IM为M维标准矩阵;S3、使用两次共轭梯度方法,计算预编码中间向量的第一次迭代结果x1=x0+α0g0+α1p1,并设迭代次数k=1;其中,g0为初始化梯度,p1为第一次搜索方向,α0为初始搜索步长,α1为第一次迭代搜索步长;S4、判断预编码中间向量的第k次迭代结果xk是否满足迭代终止条件,若满足则跳转到步骤S6,否则,计算预编码中间向量的第二次迭代结果x2=x1+D-1(g1-α1v1),其中,D是矩阵A的对角矩阵,(·)-1表示矩阵求逆运算,g1是第一次迭代梯度,v1是第一次迭代梯度更新方向。设迭代次数k=2;S5、判断xk是否满足迭代终止条件,若满足则跳转到步骤S6,否则,计算xk+1=D-1(b-(A-D)xk),设迭代次数k=k+1,重复步骤S5;S6、计算基站实际发送信号s=HHxk。作为优选的,所述步骤S2具体包括:S21、计算待求逆矩阵A∈CM×M,A=(HHH+σ2IM),其中IM为M维标准矩阵;S22、计算矩阵2的,严格上三角矩阵S23、利用矩阵A的复共轭对称正定性,通过D=A-U-UH计算矩阵A的主对角线矩阵S24、计算矩阵D的逆矩阵S25、将D-1乘以原始发送信号b,得到对角近似初始解x0=D-1b。作为优选的,所述步骤S3具体包括:S31、初始化第一次共轭梯度方法,即按照如下式子计算初始梯度:g0=b-Ax0;S32、开始迭代第一次共轭梯度方法,即分别计算梯度初始更新方向v0=Ag0、初始搜索步长第一次迭代梯度g1=g0-α0v0、第一次迭代搜索方向S33、开始迭代第二次共轭梯度方法,即计算梯度第一次更新方向v1=Ap1和第一次搜索步长S34、计算预编码中间向量的第一次迭代结果x1=x0+α0g0+α1p1,设迭代次数k=1。作为优选的,所述迭代终止条件包括第一迭代终止条件和/或第二迭代终止条件,其中,上述第一迭代终止条件具体为:设定终止迭代的总迭代次数上限K,所述迭代次数k达到所述终止迭代的总迭代次数上限K;上述第二迭代终止条件具体为:设基站原始发送信号b与原始发送信号的k阶近似Axk之间的误差为e=|b-Axk|小于给定常量δ。与现有技术相比,本专利技术的有益效果在于:1、本专利技术公开的一种大规模多天线系统低复杂度预编码方法收敛速率快,其提出的2次迭代的误码率性能优于大部分传统方法3次甚至4次迭代的误码率性能。2、本专利技术公开的一种大规模多天线系统低复杂度预编码方法复杂度低,相比于大部分传统Neumann级数展开方法(NS)、共轭梯度方法(CG)、最速下降方法(SD)、Richardson迭代方法(RI)、Jacobi迭代方法(JC)、联合最速下降和雅可比迭代方法(SDJC),本专利技术的方法能够以更低的复杂度实现更好的误码率性能。附图说明图1是本专利技术提出的一种大规模多天线系统低复杂度预编码方法关于联合共轭梯度和雅可比迭代(CGJC)的流程步骤图;图2本专利技术中参数初始化、对角近似、两次共轭梯度迭代的流程步骤图;图3本专利技术中判断是否满足迭代终止条件的流程步骤图;图4是CGJC方法与其他方法在基站天线数128,用户数16,64QAM调制的复杂度对比图;图5(a)是CGJC方法与对角初始化的SD、RI、JC方法在基站天线数128,用户数16,64QAM调制的BER性能对比图;图5(b)是CGJC方法与对角初始化的CG方法在基站天线数128,用户数16,64QAM调制的BER性能对比图;图6是CGJC方法与联合SDJC方法在基站天线数128,用户数16,64QAM调制的BER性能对比图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚、明确,以下参照附图并举实施例对本专利技术进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术,并不用于限定本专利技术。实施例一本实施例设计了一种大规模多天线(Massive MIMO)系统低复杂度预编码方法。本专利技术中预编码处理流程包括:S1、系统初始化参数,基站天线数目为N,单天线用户数目为M,给定原始发送信号向量给定下行链路信道矩阵H∈CM×N,以及单根天线上的噪声功率σ2。S2、计算预编码后的发送信号向量s=HHA-1b中未知部分A-1b的迭代解的初始解x0。S21、计算待求逆矩阵A∈CM×M,A=(HHH+σ2IM),其中IM为M维标准矩阵;S22、计算矩阵2的,严格上三角矩阵S23、利用矩阵A的复共轭对称正定性,通过D=A-U-UH计算矩阵A的主对角线矩阵S24、计算矩阵D的逆矩阵S25、将D-1乘以原始发送信号b,得到对角近似初始解x0=D-1b。S3、计算预编码中间向量的第一次迭代结果x1。使用两次共轭梯度方法(CG),得到初始梯度g0=b-Ax0、梯度初始更新方向v0=Ag0、初始搜索步长梯度g1=g0-α0v0、第一次迭代搜索方向梯度第一次更新方向v1=Ap1和第一次迭代搜索步长计算本专利提出的Massive MIMO低复杂度预编码方法的预编码中间向量的第一次迭代结果x1=x0+α0g0+α1p1;设迭代次数k=1。S31、初始化第一次共轭梯度方法,即按照如下式子计算初始梯度(或残差):g0=b-Ax0;S32、开始迭代第一次共轭梯度方法,即分别计算梯度初始更新方向v0=Ag0、初始搜索步长第一次迭代梯度g1=g0-α0v0、第一次迭代搜索方向S33、开始迭代第二次共轭梯度方法,即只计算梯度第一次更新方向v1=Ap1和第一次搜索步长S34、计算本专利提出的Massive MIMO低复杂度预编码方法的预编码中间向量的第一次迭代结果x1=x0+α0g0+α1p1;设迭代次数k=1。S4、判断预编码中间向量的第k次迭代结果xk是否满足迭代终止条件。若迭代次数达到上限K,则满足迭代终止条件。跳转到结束步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大规模多天线系统低复杂度预编码方法,其特征在于,所述预编码方法包括下列步骤:S1、系统初始化参数,初始化确定基站天线数目为N,单天线用户数目为M,给定原始发送信号向量给定下行链路信道矩阵H∈CM×N,以及单根天线上的噪声功率σ2;S2、计算预编码后的发送信号向量s=HHA‑1b中未知部分A‑1b的迭代解的初始解x0,其中A∈CM×M为待求逆矩阵,A=(HHH+σ2IM),其中IM为M维标准矩阵;S3、使用两次共轭梯度方法,计算预编码中间向量的第一次迭代结果x1=x0+α0g0+α1p1,并设迭代次数k=1;其中,g0为初始化梯度,p1为第一次搜索方向,α0为初始搜索步长,α1为第一次迭代搜索步长;S4、判断预编码中间向量的第k次迭代结果xk是否满足迭代终止条件,若满足则跳转到步骤S6,否则,计算预编码中间向量的第二次迭代结果x2=x1+D‑1(g1‑α1v1),其中,D是矩阵A的对角矩阵,(·)‑1表示矩阵求逆运算,g1是第一次迭代梯度,v1是梯度第一次更新方向,设迭代次数k=2;S5、判断xk是否满足迭代终止条件,若满足则跳转到步骤S6,否则,计算xk+1=D‑1(b‑(A‑D)xk),设迭代次数k=k+1,重复步骤S5;S6、计算基站实际发送信号s=HHxk。...

【技术特征摘要】
1.一种大规模多天线系统低复杂度预编码方法,其特征在于,所述预编码方法包括下列步骤:S1、系统初始化参数,初始化确定基站天线数目为N,单天线用户数目为M,给定原始发送信号向量给定下行链路信道矩阵H∈CM×N,以及单根天线上的噪声功率σ2;S2、计算预编码后的发送信号向量s=HHA-1b中未知部分A-1b的迭代解的初始解x0,其中A∈CM×M为待求逆矩阵,A=(HHH+σ2IM),其中IM为M维标准矩阵;S3、使用两次共轭梯度方法,计算预编码中间向量的第一次迭代结果x1=x0+α0g0+α1p1,并设迭代次数k=1;其中,g0为初始化梯度,p1为第一次搜索方向,α0为初始搜索步长,α1为第一次迭代搜索步长;S4、判断预编码中间向量的第k次迭代结果xk是否满足迭代终止条件,若满足则跳转到步骤S6,否则,计算预编码中间向量的第二次迭代结果x2=x1+D-1(g1-α1v1),其中,D是矩阵A的对角矩阵,(·)-1表示矩阵求逆运算,g1是第一次迭代梯度,v1是梯度第一次更新方向,设迭代次数k=2;S5、判断xk是否满足迭代终止条件,若满足则跳转到步骤S6,否则,计算xk+1=D-1(b-(A-D)xk),设迭代次数k=k+1,重复步骤S5;S6、计算基站实际发送信号s=HHxk。2.根据权利要求1所述的一种大规模多天线系统低复杂度预编码方法,其特征在于,所述步骤S2具体...

【专利技术属性】
技术研发人员:陈翔宋威王亮亮
申请(专利权)人:中山大学中国电子科技集团公司第五十四研究所
类型:发明
国别省市:广东;44

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