MU-MIMO系统中联合抑制干扰和功率损失的THP优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种MU‑MIMO系统中联合抑制干扰和功率损失的THP优化方法。本方法为：1)对调制信号s进行格基约减预处理，得到等效初始信号u；然后对该等效初始信号u依次进行取模和反馈滤波操作，并进行功率损失抑制；2)将得到的信号x的发射功率进行归一化；3)将功率归一化后的信号与加权矩阵G和前馈矩阵F相乘，得到发射信号S′；其中，反馈矩阵B、前馈矩阵F和加权矩阵G均由格基约减后的等效信道矩阵H

【技术实现步骤摘要】
MU-MIMO系统中联合抑制干扰和功率损失的THP优化方法
本专利技术涉及一种MU-MIMO系统中联合抑制干扰和功率损失的THP优化方法，属于无线通信

技术介绍
5G下行MU-MIMO系统中，在发端采用预编码技术可解决接收端用户间干扰问题，从原理上分为线性预编码和非线性预编码。ZF(ZeroForcing)预编码是最简单的线性预编码，通过在发端乘CSI(ChannelStateInformation)矩阵的伪逆将干扰置零，算法简单，但系统容量与理论信道容量上限仍有一定差距。DPC(DirtyPaperCode)是性能最优的非线性预编码，在发端已知干扰的前提下，可达到容量上限，但算法过于复杂。而汤姆林森-哈拉希玛预编码(Tomlinson-HarashimaPrecoding，THP)是一种能够兼顾性能和复杂度的非线性预编码算法，但由于引入了取模和反馈滤波操作，THP预编码存在干扰噪声放大和功率损失的问题。采用减格辅助的THP预编码可抑制干扰噪声放大，提升了误码率性能，但未考虑功率损失。由于采用经典的LLL(Lenstra-Lenstra-Lovasz)格基约减算法，该算法只能对实数操作，用于复数域时算法复杂度会倍增。C.Masouros等人应用调整第一个编码用户信号的方法(参考：C.Masouros,M.SellathuraiandT.Ratnarajah,"InterferenceOptimizationforTransmitPowerReductioninTomlinson-HarashimaPrecodedMIMODownlinks,"inIEEETransactionsonSignalProcessing,vol.60,no.5,pp.2470-2481,May2012)，从而调整连续干扰消除过程中的干扰信号，实现降低功率损失的目的。在该算法基础上，A.Garcia-Rodriguez等人通过动态调整多个用户的信号(参考：A.Garcia-RodriguezandC.Masouros,"Optimizinginterferenceasasourceofsignalenergywithnon-linearprecoding,"2014InternationalWirelessCommunicationsandMobileComputingConference(IWCMC),Nicosia,2014,pp.809-814.)，降低功率损失，但两种算法对整体的误码率性能提升不明显。总之，现有算法均未同时有效解决干扰噪声放大和功率损失的问题。系统模型和问题建模1.1下行MU-MIMO预编码系统模型本算法基于MU-MIMO下行信道，假设发端基站有M个天线，收端有N个单天线用户，本文假设M＝N。预编码系统如图1所示。发射信号s为M×1的复矩阵，预编码矩阵W和信道矩阵H均为N×N的方阵，H中的元素hn,m代表第m个发端天线到第n个用户收端天线之间的信道。加性高斯白噪声z和接收信号y均为N×1的复矩阵。本文假设发端已知全部信道状态信息。接收信号可以表示为：y＝HWs+z(1)1.2传统THP预编码传统的THP系统框图如图2所示。s为经L-QAM调制后的信号,对s进行取模和反馈操作后，第k个预编码信号xk可以表示为：sk表示第k个调制后的信号，bk,l表示反馈矩阵B中第k行第l列元素B(k,l)，B为对角线为1的下三角矩阵，表示前k-1个用户对第k个用户产生的干扰。取模将发射信号限定在一个区间内，表达式为因此取模操作可以等价为加法运算，s取模后的等效信号为:其中，Z表示整数集，d表示取模前后信号的变化范围。图2可以等效为图3。其中，S′为发射信号，反馈矩阵B、前馈矩阵F、加权矩阵G均可通过对HH进行QR分解得到：HH＝QR。加权矩阵G是由R对角线元素的倒数构成的对角阵。反馈矩阵B由G与RH相乘得到。前馈矩阵F＝Q为酉矩阵，不影响信号功率。接收信号可表示为：由上文推导可得，GHFB-1＝I，系统干扰置零。等效噪声在接收端再次进行取模操作即可得到只受高斯白噪声影响的判决信号。由于THP算法引入了取模和反馈操作，存在一些限制条件：(1)干扰噪声放大：发端已知全部CSI的条件下，用户间干扰可完全消除，因此系统性能主要取决于等效加性噪声功率。经THP预编码后的等效加性噪声功率为：可见加权矩阵G会对噪声产生一定的放大作用，由前面的分析可知，G的大小由R决定，而R是由CSI矩阵H进行QR分解得到的，因此在接收端造成噪声放大的根本原因是H的非正交性。(2)功率损失：预编码后的信号在取模边界范围内是均匀分布的，整体平均功率高于调制后的信号功率(参考H.Yan,T.Tian,L.ChenandJ.Qiu,"AphysicallayersolutionforTomlinson-HarashimaprecodingintheframeworkofLTE-Advanced,"2012IEEEGlobecomWorkshops,Anaheim,CA,2012,pp.291-296.)。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种联合抑制干扰噪声和功率损失的THP优化方法。针对干扰噪声放大的问题，采用改善CSI矩阵正交性的格基约减技术，提升误码率性能。使用针对复数域的CLLL(ComplexLenstra-Lenstra-Lovasz)格基约减算法，降低复杂度。针对功率损失问题，对复数域干扰进行优化，在总功率约束下，将较大比例的功率用于发射有用信号，较少比例的功率用于消除干扰，从而提升功率效率。仿真结果表明，相比于传统THP，本算法在误码率性能和功率效率方面均有更好的性能。本专利技术的技术方案为：一种MU-MIMO系统中联合抑制干扰和功率损失的THP优化方法，其步骤为：1)对经L-QAM调制得到的调制信号s进行格基约减预处理，得到等效初始信号u；然后对该等效初始信号u依次进行取模和反馈滤波操作；其中，该反馈滤波操作中的反馈矩阵B由格基约减后的等效信道矩阵He经QR分解得到；2)对取模处理后得到的信号x进行功率抑制，得到优化后的第k个用户的编码信号然后对信号的发射功率进行归一化处理；其中，u1为无干扰的用户1的信号，u1的调整因子为α＝αr+iαi，ar表示α的实部，ai表示α的虚部，i表示虚数单位，是u1的实部，是u1的虚部，是优化后的第k个用户的编码信号，M表示发端基站天线数，uk为用户k的信号，bk,l表示反馈矩阵B中第k行第l列元素B(k,l)，为优化后的第l个用户的编码信号；3)将功率归一化后的信号与加权矩阵G和前馈矩阵F相乘，得到发射信号S′；其中，前馈矩阵F和加权矩阵G均由格基约减后的等效信道矩阵He经QR分解得到；4)发射信号S′经过瑞利信道H和加性高斯白噪声z处理后得到信号y；接收端进行功率归一化的逆过程，再进行取模操作，得到初始信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MU-MIMO系统中联合抑制干扰和功率损失的THP优化方法，其步骤为：/n1)对经L-QAM调制得到的调制信号s进行格基约减预处理，得到等效初始信号u；然后对该等效初始信号u依次进行取模和反馈滤波操作；其中，该反馈滤波操作中的反馈矩阵B由格基约减后的等效信道矩阵H

【技术特征摘要】
1.一种MU-MIMO系统中联合抑制干扰和功率损失的THP优化方法，其步骤为：
1)对经L-QAM调制得到的调制信号s进行格基约减预处理，得到等效初始信号u；然后对该等效初始信号u依次进行取模和反馈滤波操作；其中，该反馈滤波操作中的反馈矩阵B由格基约减后的等效信道矩阵He经QR分解得到；
2)对取模处理后得到的信号x进行功率抑制，得到优化后的第k个用户的编码信号然后对信号的发射功率进行归一化处理；其中，u1为无干扰的用户1的信号，u1的调整因子为α＝αr+iαi，αr表示α的实部，αi表示α的虚部，i表示虚数单位，是u1的实部，是u1的虚部，是优化后的第k个用户的编码信号，M表示发端基站天线数，uk为用户k的信号，bk,l表示反馈矩阵B中第k行第l列元素B(k,l)，为优化后的第l个用户的编码信号；
3)将功率归一化后的信号与加权矩阵G和前馈矩阵F相乘，得到发射信号S′；其中，前馈矩阵F和加权矩阵G均由格基约减后的等效信道矩阵He经QR分解得到；
4)发射信号S′经过瑞利信道H和加性高斯白...

【专利技术属性】
技术研发人员：郜红叶，赵玉萍，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11