降低大规模多输入多输出系统中预编码矩阵计算和用户设备分组复杂度的方法技术方案

本发明专利技术展示了使用空间FFT减小用于MIMO系统中生成预编码矩阵计算量的方法，包括通过忽略值显著小于或接近零的项来降低信道矢量的维度，并将UE选择到分配给相同时间和频率资源的组中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】降低大规模多输入多输出系统中预编码矩阵计算和用户设备分组复杂度的方法本申请主张申请日为2015年7月10日的第62/190,966号美国在先申请的优先权。
本专利技术一般涉及新型收发器的设计，以降低大规模多输入多输出(Multiple-InputMultipleOutput，MIMO)通信系统中预编码矩阵计算和用户设备(UserEquipment，UE)分组复杂度。
技术介绍
随着移动应用的普及，对无线系统更高吞吐量的需求正以惊人的速度增长。大规模MIMO系统是处理未来应用程序更高数量级数据通信的关键技术[1]。大规模MIMO技术基于空间复用，使多个数据流能够同时到达多个UE。通过众多天线将能量集中到单个UE的带来了吞吐量和辐射能量效率的巨大改进。为了实现众多天线的增益，每个基站(BaseStation，BS)需要进行大量的计算工作，例如预编码矩阵计算。大规模MIMO系统的概念是使来自所有天线的信号在所需的UE处建设性地相加。为了实现这个目标，BS需要首先估计每个天线和每个UE之间的信道，然后执行波束成形。对于大规模MIMO系统来说，最大的挑战之一是波束形成的计算复杂度可能太高而不能实时完成。例如，对于M个BS天线和K个单天线UE，采用迫零(Zero-Forcing，ZF)波束成形，系统需要针对频域中的每个信道相干带宽以及时域中的每个信道相干时间(例如，一个或多个毫秒)执行O(MK2)复数乘法和K×K矩阵的逆变。由于在相同时频资源上相同数量的服务UE在共轭波束形成上具有优越的性能，所述ZF方法被认为是有前途为许多UE实现高吞吐量的方法。已经证明，所述ZF方法能够在大规模MEVIO系统中达到非常接近信道容量的性能[1]。已有专利技术提出降低ZF预编码的复杂度。在文献[2]中，提出了一种基于Neumann级数(NeumannSeries，NS)的方法来提高矩阵求逆的速度。基于NS的方法后来由我们的专利申请PCT/US15/52386以更高的可能性进行了改进。据我们所知，没有在先方法提出来降低O(MK2)复数值乘法的复杂度。整个ZF预编码由两个阶段组成，即矩阵乘法和矩阵求逆。值得注意的是，矩阵乘法O(MK2)的复杂度比矩阵求逆O(K3)的复杂度大得多，因为在大规模MFMO系统中M的值总是比K大得多。因此，设计一种降低矩阵乘法复杂度的有效方法是非常重要的。本专利技术的一个实施例是在大规模MIMO系统的预编码矩阵计算中降低矩阵乘法复杂度的创新方法。该设计由空间快速傅里叶变换(FastFourierTransform，FFT)组成，其将不同BS天线信号的各个信号矢量转换为稀疏信号矢量。所述空间FFT的输出为稀疏矢量的原因是因为到达的信号是有限空间的反射器从有限的角度反射而来。利用这些稀疏矢量，由于矢量的许多输入几乎为零，所以两个矩阵的乘法(本质上是矩阵中的矢量相乘)可以被简化。本专利技术的另一个实施例是使用所述空间FFT方法执行快速UE分组。在大规模的MIMO系统中，由于许多UE需要服务，所以需要将它们调度到不同的组中，使得每个组服务在相同的时频资源上。一个通用的规则是在相同的组中调度低相关的UE，其能够构造对角占优的相关矩阵，以便更容易构建NS。采用空间FFT方法，分组的复杂度也降低了。附图说明图1示出了大规模MIMO系统模型。图2示出了在通过空间FFT模块之前的大规模MIMO天线处的接收信号的实例。图3示出了在通过空间FFT模块之后的大规模MIMO天线处的接收信号的实例。图4示出了具有空间FFT模块的大规模MIMOBS接收机的框图。图5示出了具有巴特勒矩阵(ButlerMatrix)块和基数空间FFT模块的大规模MIMOBS接收机的框图。图6示出了利用空间FFT模块进行预编码计算的过程。图7示出了计算两个UE之间的相关系数的过程。图8示出了利用空间FFT模块在大规模MIMOBS处传输多用户数据流的过程。图9示出了UE分组的过程。具体实施方式现在可以参考附图，其中相同的标号始终表示相同的部分。现在将要描述本专利技术的示例性实施例。提供示例性实施例是为了说明本专利技术，而不应被解释为本专利技术的有限范围。当使用参考框图或流程图描述示例性实施例时，每个框可以表示用于执行的方法步骤或设备元素。取决于实现方式，相应的设备元件可以用硬件、软件、固件或其组合来配置。图1中示出了大规模MIMO系统的模型，其中具有大量天线的BS1在相同的时频资源上服务多个UE2。为了简单起见，下面假设的是单天线UE的情况。然而，本专利技术可以容易地推广到多天线UE的情况。大规模MIMO系统能够实现高吞吐量的原因在于使得来自BS天线的信号在所需的UE处建设性地相加，这需要对UE和BS天线之间的信道准确估计。用hk,m表示第k个UE和第m个BS天线之间的信道。BS估计每个天线与每个UE之间的信道。假设BS和UE之间的信道矩阵由K×M矩阵H表示，其中第k行、第m列的项是hk,m，其中k＝1,...,K，且m＝1,...,M。ZF预编码算法是一种高效的线性预编码算法，可以达到接近大规模MIMO系统理论容量的性能。设s＝[s1,...,sK]T是来自BS的信息信号矢量，并且y＝[y1,...,yM]T是在UE处的接收信号，其中sk是用于第k个UE的数据符号，并且yk是第k个UE处的接收信号。设M×K预编码矩阵为G，则输入输出关系为y＝HGs(1)对于ZF预编码算法，G按如下公式估计：G＝HH(HHH)-1(2)可以看出，利用ZF预编码，HG的乘积是对角矩阵，表示服务的UE之间不存在干扰。所述G矩阵需要在信道相干时间内计算。值得注意的是，给定H的估计，G的计算包括三个步骤，下面列出。步骤1：计算W＝HHH，步骤2：计算W-1，步骤3：计算HHW-1。由于H是K×M矩阵，因此上述步骤1和步骤3的复杂度级别都是O(MK2)。上述步骤2的复杂度等级为O(K3)。注意到在大规模MIMO系统中，M的值总是比K大得多，例如M＝512和K＝32。因此，步骤1和步骤3的复杂度是预编码计算中的瓶颈。本专利技术的其余部分集中在用于减少步骤1和步骤3的计算的方法。本专利技术的一个实施例是使用空间FFT来减小H的行向量的维数。W在第i行和第j行的项按照评估，其中hk,m是第k个UE和第m个BS天线之间的信道。由于许多hk项接近于零，利用空间FFT，可以减少H的第k行hk的维度。然后，在计算W时，可以忽略这些接近于零的项，因此可以减少乘法次数以加速步骤1的过程。空间快速傅里叶变换的原理接收信号伴随着有限角度到达大规模MIMOBS处，并且主角度(即捕获大部分信号功率的角度)Na的数量小于天线的数量M。因此，如果已知到达信号的方向，则可以通过仅考虑主角度Na维度中的信号而不是BS天线的维度M来获得UE之间的相关系数。空间FFT可以用来将信号映射到不同的角度。与将M维信号映射到其他空间的其他选项相比，空间FFT具有以下列出的优点。1.易于实现：FFT的对称性使能复杂度为Mlog(M)的实现方式，并且空间FFT过程可以在射频(RadioFrequency，RF)域中实现设计。2.空间FFT自然匹配信号传播的性质：由于信号被有限反射器反射并以不同角度到达BS，所以空间FFT通过将信号映射到空间域来适应信号传播的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于计算MIMO预编码矩阵的方法，包括：通过忽略值明显小于或接近零的项来降低信道矢量的维度，以便降低MIMO预编码矩阵的计算复杂度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.10 US 62/190,9661.一种用于计算MIMO预编码矩阵的方法，包括：通过忽略值明显小于或接近零的项来降低信道矢量的维度，以便降低MIMO预编码矩阵的计算复杂度。2.权利要求1所述的方法，其中减少信道矢量维度进一步包括：使用空间FFT将MIMOBS处的信号映射到Na个捕获大部分信号功率的主角度，其中Na小于天线数量M；在随后的信号处理过程中，只处理落入到这些主角度范围内的信号。3.权利要求2所述的方法，其中所述空间FFT过程在数字域中实现，包括：使用带通滤波器和模数转换器处理在BS天线处的接收信号以获得数字采样样本；使用所述空间FFT模块转换数字采样样本；以及使用所述空间FFT模块的输出作为虚拟BS天线。4.权利要求3所述的方法，其进一步包括：对与所述虚拟BS天线有关联的信号执行基带信号处理。5.权利要求2所述的方法，其进一步包括：在射频(RF)域中执行所述空间FFT处理。6.权利要求5所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁平，沈君扬，朱登魁，
申请(专利权)人：梁平，
类型：发明
国别省市：美国,US