一种高速移动下基于贪婪算法改进的模代数预编码方法技术

本发明专利技术提出一种高速移动下基于贪婪算法改进的模代数预编码方法。首先，依据高速移动场景建立多入多出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)系统模型。其次，根据所建立的系统模型，构建模代数预编码(Tomlinson‑Harashima Precoding,THP)方案。然后，基于贪婪算法对用户进行选择并排序，得到选择排序后的信道矩阵。最后，在发射功率约束条件下，以最小均方误差为优化目标，推导得到加权矩阵G和最优预编码矩阵B和F。本发明专利技术提出的高速移动环境下的基于贪婪算法改进的模代数预编码方法，采用了以容量优化为目标的贪婪算法，对用户进行选择并排序，对于信道条件好的用户优先进行数据传输，将贪婪算法与THP相结合应用在高速移动下的预编码中，可以消除多用户干扰，降低误码率并提升系统容量，为高质量的高速移动通信提供设计参考。

【技术实现步骤摘要】
一种高速移动下基于贪婪算法改进的模代数预编码方法
本专利技术涉及高铁移动通信预编码方法，特别是在高铁宽带无线通信系统下的一种高速移动下基于贪婪算法改进的模代数预编码方法。
技术介绍
随着移动通信技术的不断发展，人们对无线通信质量的要求不断增加，不再仅仅局限于网页浏览等中低速率的服务，除了对数据传输可靠性提出要求，人们也希望能够有更高的数据传输速率。因此，长期演进(LongTermEvolution,LTE)与LTE-A(LTE-Advanced)技术应运而生，该技术能够在一定程度上解决速率低、处理复杂等难题。现阶段，我国铁路通信使用的铁路移动全球通信系统(GlobalSystemforMobileCommunications–Railway，GSM-R)最高能提供200kb/s的数据率，根本满足不了用户在高速移动过程中对互联网业务的需求。为了提高下一代无线通信系统的可靠性和容量，3GPP组织提出了由GSM-R向长期演进(LongTermEvolutionRailway,LTE-R)演进的概念，但是LTE-R目前还没有形成标准，尚有诸多的技术挑战。多入多出(MultipleInputMultipleOutput,MIMO)技术是LTE-A里的关键性技术。MIMO引入多天线技术，把空间域作为另一个新资源。由于天线数增加，可发送的数据流变得更独立，增强了传输的可靠性，提升了信号质量。因此，MIMO技术可以抑制信道衰落，提高频谱效率，从而提高系统的传输效率和系统容量。然而，正是由于采用了多天线，不同用户之间不可避免地会产生干扰。这就需要接收端采用更复杂的检测算法来复原数据。但在实际应用中，检测算法的设计常常受到功耗和终端尺寸限制。因此，为了简化接收端的检测算法，在发射端对信道状态信息(ChannelStateInformation,CSI)加以利用。这种在发射端对CSI加以利用，对数据进行预处理的技术叫做预编码技术。近年来，对高速移动下的预编码方法已有了大量的研究。有基于码本的预编码，例如基于天线选择的预编码、基于离散傅里叶的预编码，以及基于Householder变化的预编码。还有基于非码本的预编码，例如奇异值分解、几何均值分解和统一信道分解算法。但现有的预编码方法，大多数都是线性预编码，虽然处理简单，但性能并不理想。在高速移动场景下，信道具有快时变特性，CSI在一个符号传输周期内发生明显变化，用户的信道条件差异大，采用贪婪算法对用户进行选择并排序，对于信道条件较好的用户优先传输数据，可以提高信道容量。另一方面，模代数预编码(Tomlison-HarashimaPrecoding,THP)是一种非线性预编码，该预编码引入求模、反馈等非线性操作，通过合理地预处理，THP能够使发送数据更好地适应信道时变特性和减小用户干扰带来的影响，提高系统性能。因此，将贪婪算法与THP相结合应用在高速移动下的预编码中，可以有效提高信道容量以及预编码准确度。综上，针对现有的预编码方法，它们的处理方法简单，不适用于高速移动场景，预编码性能较差的问题，本专利技术提出一种高速移动下基于贪婪算法改进的模代数预编码方法。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种高速移动下基于贪婪算法改进的模代数预编码方法。为了实现本专利技术的上述目的，本专利技术提供了一种高速移动下基于贪婪算法改进的模代数预编码方法，具体过程如下：考虑一个宽带MIMO系统中的一个单小区多用户网络下行链路，在这个网络中，BS部署了NT根传输天线。假定总共有N个用户，每个用户配备一个天线接收器，用户侧所有接收用户对应的天线数之和为NR，N个用户数据用N维向量s＝[s1,s2,...,sN]T(符号[·]T表示转置操作)表示，采用贪婪算法对用户进行选择并排序，得到选择排序后的K个用户的用户数据a＝[a1,a2,...,aK]T，取自M-QAM星座(M表示调制进制数)，功率为σ2＝2(M-1)/3，这相当于说ak的实部和虚部取于集合所考虑的THP方案的框图如图1所示。该方案由一个贪婪算法模块，一个反馈方阵B，K个非线性取模操作和NT×K维的前馈矩阵F组成。贪婪算法模块以最大化系统容量为目标选择用户并改变用户数据的预编码顺序。本专利技术中贪婪算法的主要思想是：首先，从所有用户K中选出一个具有最大容量的用户，然后选择下一个用户，每一次新选择的用户和之前选择好的用户一起组合得到的信道容量最大，当选择的用户数达到我们设定的上限时，停止选择，算法结束。基于贪婪算法进行用户选择并排序后的信道矩阵H会产生相应的反馈矩阵B、加权矩阵G和前馈矩阵F。为了系统物理可实现，基于MMSE的多用户THP中反馈矩阵B设置为严格下三角矩阵，允许数据以递归方式预编码，而取模操作对其输入的实部和虚部是独立的，按照下列规则进行取模操作其中，符号表示最小的整数大于或等于c。在实际中,取模操作将x的实数部分周期映射到间隔内。通过这种方式,预编码处理的符号能被约束到正方形区域并且随着线性预滤波，传输功率相应地减小。根据式(1)，我们看到预编码的符号可以进行迭代地计算，如下其中，表示封闭矩阵的第k行列元素，pk是实部和虚部都是合适的整数的复数,可以降低的值，使其落入到正方形区域(显然,一个独特的p存在这样一个属性)。式(2)表示图1中的取模运算符等价于输入数据符号添加向量d＝[d1,d2,...,dK]T。由于反馈矩阵Β被设置为严格下三角矩阵，我们定义已经修改了数据的向量v＝a+d。因此，预编码操作式(2)可以以矩阵形式重写为预编码符号传递到前馈矩阵F。最终NT维向量通过基站BS的NT根天线在信道上传输。信道可通过K×NT维的H矩阵来数学表示。然后，在第k个移动终端的离散信号可以写为其中，hk表示H的第k行，nk表示热噪声，是一个均为零值、方差为的随机变量。将接收到的所有用户信号叠加到一个向量r＝[r1,r2,...,rK]T，结合式(3)，我们可以写成其中n＝[n1,n2,...,nK]T是一个零均值，方差为的高斯向量。由于在发射端做了取模操作及反馈操作，相当于添加向量d，为了消除dk的影响，在接收端，每个抽样信号rk被传递到自动增益控制(AutomaticGainControl,AGC)单元，然后到和发送端相同的取模操作，最终对输出信号做判决，加权以后的接收向量r′可以写为由式(6)可知，接收信号依赖于预编码矩阵F和B，所以求解前馈矩阵F和反馈矩阵B是后续处理的关键。考虑图1所示的THP预编码的原理图，根据式(3)和式(6)，接收端求模操作之前的数据向量r′与发射端等效的传输数据向量v的误差e表示为根据最小均方误差的思想，构建MMSE的目标函数和约束条件其中，P表示发射端的总发射功率。直接求解上式很困难，基于正交原理，有将式(7)代入式(9)，得其中，表示传输信号的功率，表示噪声的功率，令式(10)写为FH＝B-1G[HHH+ξI]H-H(11)又假设前馈矩阵F是一个酉矩阵，满足FHF＝I，即FHF＝B-1G[HHH+ξI]H-HH-1[HHH+ξI]HGHB-H＝I(12)为了方便处理，我们将式(12)重写为G-1BBHG-H＝[HHH+ξI]H-HH-1[HHH+ξI]H(13)令L＝G-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速移动下基于贪婪算法改进的模代数预编码方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，开始；S2，建立系统模型；考虑一个宽带多入多出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)系统中的一个单小区多用户网络下行链路，在这个网络中，基站(Base Station,BS)部署了NT根传输天线；假定总共有N个用户，每个用户配备一个天线接收器，用户侧所有接收用户对应的天线数之和为NR，N个用户数据用N维向量s＝[s1,s2,...,sN]T(符号[·]T表示转置操作)表示，取自M‑QAM星座(M表示调制进制数)，功率为σ2＝2(M‑1)/3；S3，根据所建立的系统模型以及从接收端反馈回发送端的信道信息，采用贪婪算法对用户进行选择并排序，得到选择排序后的K个用户的用户数据a＝[a1,a2,...,aK]T和信道矩阵H；S4，根据贪婪算法得到的K个用户的用户数据a＝[a1,a2,...,aK]T和信道矩阵H，建立模代数预编码(Tomlinson‑Harashima Precoding,THP)模型；S5，基于构建THP的预编码模型，在发射功率约束条件下，以最小均方误差(Minimum Mean Square Error，MMSE)为优化目标，推导得到加权矩阵G和最优预编码矩阵B和F；S6，结束。...

【技术特征摘要】
1.一种高速移动下基于贪婪算法改进的模代数预编码方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，开始；S2，建立系统模型；考虑一个宽带多入多出(MultipleInputMultipleOutput,MIMO)系统中的一个单小区多用户网络下行链路，在这个网络中，基站(BaseStation,BS)部署了NT根传输天线；假定总共有N个用户，每个用户配备一个天线接收器，用户侧所有接收用户对应的天线数之和为NR，N个用户数据用N维向量s＝[s1,s2,...,sN]T(符号[·]T表示转置操作)表示，取自M-QAM星座(M表示调制进制数)，功率为σ2＝2(M-1)/3；S3，根据所建立的系统模型以及从接收端反馈回发送端的信道信息，采用贪婪算法对用户进行选择并排序，得到选择排序后的K个用户的用户数据a＝[a1,a2,...,aK]T和信道矩阵H；S4，根据贪婪算法得到的K个用户的用户数据a＝[a1,a2,...,aK]T和信道矩阵H，建立模代数预编码(Tomlinson-HarashimaPrecoding,THP)模型；S5，基于构建THP的预编码模型，在发射功率约束条件下，以最小均方误差(MinimumMeanSquareError，MMSE)为优化目标，推导得到加权矩阵G和最优预编码矩阵B和F；S6，结束。2.根据权利要求1所述的高速移动下基于贪婪算法改进的模代数预编码方法，其特征在于，所述S3包括：根据所建立的系统模型以及从接收端反馈回发送端的信道信息，采用贪婪算法对用户进行选择并排序，得到选择排序后的K个用户的用户数据a＝[a1,a2,...,aK]T和信道矩阵H；以容量优化为目标的贪婪算法的主要思想是：首先，从所有用户N中选出一个具有最大容量的用户，然后选择下一个用户，每一次新选择的用户和之前选择好的用户一起组合得到的信道容量最大，当选择的用户数达到我们设定的上限时，停止选择，算法结束。贪婪算法的具体过程如下根据上述算法，得到信道矩阵H，将上述算法选择出的用户的发送数据按照被选的顺序排序，得到发送信...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖勇，杨馨怡，胡异，花远肖，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50