大规模MIMO网络中基于时间反演的预编码技术制造技术

本发明专利技术涉及大规模MIMO网络抗干扰技术手段，具体涉及时间反演技术在大规模MIMO网络中与预编码技术融合改进，达到干扰抑制目的，该技术通过在时间反演技术基础上进行信道优化，利用时间反演技术的时空聚焦性实现能量聚焦；在迫零预编码技术基础上实现改进，通过多径环境下的迫零预编码以降低大规模MIMO系统中用户间干扰与共道干扰，为实现干扰抑制目的，接收端天线通过信道探测，在基站天线端可获得多径信道的信道状态信息，在基站天线进行上采样以降低符号传输速率，通过迫零预编码降低多径信道条件下的用户间干扰与共道干扰，因此基于时间反演的预编码抗干扰技术可以使平均误比特率减小，并显著提高信干噪比、大规模MIMO系统的可达速率。

Precoding Technology Based on Time Inversion in Large Scale MIMO Networks

The present invention relates to the anti-jamming technology of large-scale MIMO network, in particular to the integration and improvement of time inversion technology and precoding technology in large-scale MIMO network to achieve interference suppression. The technology optimizes the channel based on time inversion technology, realizes energy focusing by time-space focusing of time inversion technology, and realizes improvement based on zero-forcing precoding technology. Zero-forcing precoding is used to reduce inter-user interference and co-channel interference in large-scale MIMO systems. To suppress interference, the receiver antenna detects the channel and acquires the channel state information of multi-path channel at the base station antenna. Up-sampling of the base station antenna reduces the symbol transmission rate. Zero-forcing precoding is used to reduce the usage of multi-path channel. Inter-household interference and co-channel interference, so the precoding anti-jamming technology based on time inversion can reduce the average bit error rate, and significantly improve the signal-to-interference-noise ratio (SINR) and the reachable rate of large-scale MIMO systems.

【技术实现步骤摘要】
大规模MIMO网络中基于时间反演的预编码技术
本专利技术涉及MIMO网络中干扰抑制领域，具体涉及大规模MIMO网络中基于时间反演的预编码技术。
技术介绍
随着无线技术的不断进步，人们对于信息传输速率和数据准确性的要求也不断提高，同时，移动终端数量的快速增长导致了原本就有限的频率资源变得更加紧缺，因此传统的多用户多输入多输出系统已经不能满足上述的需求，为了满足此要求，大规模MIMO技术被提出，大规模MIMO技术是指基站侧装有数百根天线，在同一时频点服务众多用户终端的通信方式，相对于传统的MIMO技术，具有较高的频谱利用率和能量效率，在未来的小区网络中，大规模MIMO能获得很高的能量效率，而且随着基站天线数量的不断增加，一些无关的噪声和快衰落逐渐消失，对用户造成影响的只有慢衰落和用户间的干扰。正是因为大规模MIMO系统的天线数量庞大，且服务用户数量多，所以存在着用户间干扰和导频污染问题，研究表明，随着天线数量的增加，导频污染引起的干扰成为制约多小区多用户MassiveMIMO系统的重要原因。目前研究中预编码技术分为线性和非线性两种。在基站侧对信号进行线性处理的方法称为线性预编码，主要包括：迫零线性预编码、最小均方误差线性预编码、匹配滤波预编码等，非线性预编码是在发送信号上添加设计好的预编码矢量来达到抑制用户间干扰的预编码方法，其主要包括：脏纸编码、THP等，一般情况下，非线性预编码的性能优于线性预编码，目前预编码技术虽然可以一定程度上减轻用户间干扰与共道干扰，但因其预编码矩阵导致复杂度较高，未来及现今的研究也在减少复杂度方面。时间反演技术是在时域上对所接收到的信号进行一种逆序操作，它将信号按照到达接收端的顺序进行前后倒转，这种技术能够实现信号在时间与空间上的聚焦，所谓的时间反演的时间聚焦是指在复杂媒质中经过多径传输的各时间反演信号的最大能量会在同一时间到达目标接收点，以实现时间上的能量聚焦，而空间聚焦是指,在没有任何关于目标接收点先验知识的情况下，时间反演信号会自适应地聚焦到目标接收点所在位置，以实现空间上的能量聚集，时间反演技术的这种时空聚焦特性能有效补偿非均匀复杂环境或媒质引起的信号多径延迟衰减，因此它在通信和探测等应用领域存在巨大的潜力，由于空时聚焦性，时间反演技术可以方便的应用到超宽带无线通信系统中，在多天线的配合下，不仅可以获得非常高的阵列增益，提高信噪比，抑制用户间干扰，简化接收机的设计，还可以实现有效的保密通信。在丰富的多径散射环境中时间反演视多径信道为分布式天线，这种高分辨率的空时聚焦特性通过卷积时间反演信道脉冲响应体现，因此时间反演能有效地消除码间干扰、用户间干扰等，然而时间反演技术并不能从根本上消除共道干扰及用户间干扰，由已有研究可知，多用户时间反演系统中IUI是主要的系统性能限制因素，基于此种情况，提出大规模MIMO的时间反演预编码技术来消除MIMO中的用户间干扰与共道干扰，大规模MIMO中的预编码技术是指在下行链路上，基站对将要发送给用户的信号进行处理的过程，通过线性预编码或非线性预编码达到抑制用户间干扰的目的。
技术实现思路
为解决以上技术问题，本专利技术针对现有预编码技术，提出了基于时间反演技术的迫零预编码方法，基于时间反演的预编码技术能够比较好地抑制干扰并提高系统容量。本专利技术大规模MIMO网络中基于时间反演的预编码技术，包括：101、确定大规模MIMO网络的系统模型与终端天线的信道探测信号；102、基站天线通过信道探测信号对多径信道进行信道建模并进行时间反演，确定基站天线端时间反演信号；103、通过信道建模矩阵推导对应的单一用户信道干扰矩阵；104、针对该干扰矩阵进行信道奇异值分解，通过迫零预编码技术，在基站天线端设计用户终端的MIMO信道预编码矩阵；105、负载信号与终端用户的时间反演信号经由信道预编码矩阵，可在用户终端得出相应的负载信号，由此可通过比较判定该方案在减轻用户间干扰与提高信干扰比方面的性能。本专利技术先后历经信道探测、多径信道建模、干扰信道分析以及信道预编码矩阵设计与时间反演预编码信号传输推导，一方面，利用时间反演技术独特的时空聚焦性，不仅可以获得非常高的天线阵列增益，提高信干噪比，抑制用户间干扰，实现有效的保密通信；另一方面，利用时间反演探测信号获得的信道矩阵，采用迫零预编码技术，通过奇异值分解对多用户MIMO信道进行预编码，由于基站天线可以准确获取各用户的信道状态信息，所以基站天线采用反馈干扰抵消的方法，可实现用户间干扰抑制，并显著提高信干噪比，降低误码率，提升系统性能。附图说明图1大规模MIMO网络系统多径信道模型图；图2是本专利技术大规模MIMO网络中基于时间反演的预编码技术的时间反演预编码矩阵推导流程示意图；图3是本专利技术大规模MIMO网络中基于时间反演的预编码技术步骤102时间反演传输模型；图4是系统对于基站天线数目M与接收端单天线用户数目N条件下基于时间反演的预编码技术的仿真模拟。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图与具体的仿真实例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。时间反演技术是在时域上对所接收到的信号进行一种逆序操作，它将信号按照到达接收端的顺序进行前后倒转，在频域上，它等同于相位共轭，这种技术能够实现信号在时间与空间上的聚焦，所谓的时间反演的时间聚焦是指在复杂媒质中经过多径传输的各时间反演信号的最大能量会在同一时间到达目标接收点，以实现时间上的能量聚焦，而空间聚焦是指,在没有任何关于目标接收点先验知识的情况下，时间反演信号会自适应地聚焦到目标接收点所在位置，以实现空间上的能量聚集，时间反演技术的这种时空聚焦特性能有效补偿非均匀复杂环境或媒质引起的信号多径延迟衰减，因此它在通信和探测等应用领域存在巨大的潜力。时间反演技术可以分为三个过程，如图3所示：首先，假设空间某处有一信号源，向外发射脉冲信号，经过具有多径效应的传输信道，并由一个无线收发器阵列记录并保存下来，其次，对这些接收信号做时间反演处理，最后，将这些经过时间反演的信号分别从各个收发器的位置上反向发射到与第一步相同的信道中去，那么它们将会聚焦于原信号源处，脉冲信号源的特征会被近似地恢复。时间反演技术的时-空聚焦特性决定了只有在很小的空间范围和很窄的时间范围内,信号达到最强,而超出其空间聚焦范围和时间聚焦范围,信号极其微弱，所以，时间反演技术的这种时-空聚焦特性具有好的安全保密传输特性，时间反演的空间聚焦特性以及这些时间反演信号所包含着的不同信道，使得这些时间反演信号的截获位置(信号在空间中的最大值点)不同，利用时间反演技术的时-空聚焦性，从针对物理层密钥方案、人工干扰噪声、基于能量聚焦的反窃听等方面进行研究探索，在典型的传输模型基础上建立安全有效的信息传输机制，同时时间反演能有效的消除码间干扰(ISI)、用户间干扰(IUI)等。因其独特的特性，能有效捕获多径传播信号的能量，所以系统信噪比可以得到有效的提高。针对大规模多输入多输出网络中随基站天线数目与用户终端数目增多而引发的用户间干扰问题，提出一种大本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.大规模MIMO网络中基于时间反演的预编码技术，其特征在于：包括：101、确定大规模MIMO网络的系统模型与终端天线的信道探测信号；102、基站天线通过信道探测信号对多径信道进行信道建模并进行时间反演，确定基站天线端时间反演信号；103、通过信道建模矩阵推导对应的单一用户信道干扰矩阵；104、针对该干扰矩阵进行信道奇异值分解，通过迫零预编码技术，在基站天线端设计用户终端的MIMO信道预编码矩阵；105、负载信号与终端用户的时间反演信号经由信道预编码矩阵，可在用户终端得出相应的负载信号，由此可通过比较判定该方案在减轻用户间干扰与提高信干扰比方面的性能。

【技术特征摘要】
1.大规模MIMO网络中基于时间反演的预编码技术，其特征在于：包括：101、确定大规模MIMO网络的系统模型与终端天线的信道探测信号；102、基站天线通过信道探测信号对多径信道进行信道建模并进行时间反演，确定基站天线端时间反演信号；103、通过信道建模矩阵推导对应的单一用户信道干扰矩阵；104、针对该干扰矩阵进行信道奇异值分解，通过迫零预编码技术，在基站天线端设计用户终端的MIMO信道预编码矩阵；105、负载信号与终端用户的时间反演信号经由信道预编码矩阵，可在用户终端得出相应的负载信号，由此可通过比较判定该方案在减轻用户间干扰与提高信干扰比方面的性能。2.根据权利要求1所述大规模MIMO网络中基于时间反演的预编码技术，其特征在于：时间反演经过探测阶段与再发射阶段后，接收端接收到带有负载信息的时间反演信号，其表示形式为：由于时间反演具有时空聚焦性，因此在理想信道条件下负载信号通过时间反演技术在MIMO系统可以实现完美的信息传输。3.根据权利要求1所述大规模MIMO网络中基于时间反演的预编码技术，其特征在于：在大规模MIMO系统中，基站天线需要同时与多个用户端通信，具体地说对负载信号的上采样表示形式，要发送给第j个用户端信息(其表示为X(j)，首先由抽样因子D进行上采样以降低符号间干扰，然后通过信道矩阵进行预编码。4.根据权利要求1所述大规模MIMO网络中基于时间反演的预编码技术，信号形式经上采样后，其表示形式为：对于单天线用户端，假设信号由基站天线到用户终端经L条多径信道传输，因此接收到的系统信号未经预编码矩阵的时间反演传输表示为：在上式中包含4个部分：用户期望信号部分，用户j接收到的来自其他用户的用户间干扰、符号间干扰以及信道中均值为0，方差为σ2的加性高斯白噪声。5.根据权利要求3所述通过信道建模矩阵推导对应的单一用户信道干扰矩阵，定义用户j的干扰信道：通过块对角化方法设计预编码矩阵Mj，使预编码矩阵处于用户j的干扰信道的零空间中，因此单天...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙晓健，李方伟，张海波，聂益芳，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50