一种低复杂度的大规模MIMO低轨卫星预编码方法技术

本发明专利技术提出了一种低轨卫星通信系统中低复杂度的大规模MIMO下行预编码方法，卫星侧配置大规模均匀平面天线阵列，卫星利用各用户的空间角度信息对用户进行分组，调度在同一组的用户使用同一时频资源与卫星进行无线通信。在卫星侧利用统计信道状态信息计算每个用户的下行预编码矢量。基于短截泰勒多项式展开理论，将下行预编码矢量中复杂的大维度矩阵求逆运算用有限项矩阵多项式的和来代替，从而降低预编码矢量的计算复杂度。并且在计算中采用Horner算法迭代计算矩阵多项式，降低矩阵多项式的计算复杂度。本发明专利技术方法的最终和速率性能在较低的展开阶数时就能够有效的逼近下行最大信漏噪比预编码的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种低复杂度的大规模MIMO低轨卫星预编码方法
本专利技术属于通信领域，具体涉及一种采用大规模天线阵列的低轨卫星通信中利用统计信道状态信息，基于泰勒多项式展开理论的低复杂度预编码方法。
技术介绍
在采用大规模MIMO的低轨卫星通信系统中，卫星侧利用大规模天线阵列，在同一时频资源中服务多个用户。采用大规模MIMO技术可以有效降低用户间干扰，大幅提高无线通信系统的频谱利用率和功率效率。同时利用统计信道状态信息的最大信漏噪比预编码可以有效避免获取瞬时信道状态信息的困难。在大规模MIMO通信中，基站通常配备上百根天线，而预编码矢量中通常需要矩阵求逆运算，矩阵求逆运算的计算复杂度与矩阵维数的立方是成正比的，这导致随着大规模天线系统中基站侧天线数和用户数的增加，矩阵求逆运算的计算复杂度将显著上升。当基站侧配备的天线数目趋于无穷大时，求逆矩阵将会变的极其困难，这极大的限制了大规模天线系统的实现。因此研究低复杂度的下行预编码具有重要的实际意义。
技术实现思路
专利技术目的：针对采用大规模MIMO的低轨卫星通信系统，本专利技术提供一种利用统计信道状态信息，基于短截泰勒多项式展开理论的低复杂度下行预编码方法，降低下行预编码矢量的计算复杂度。技术方案：本专利技术中的利用统计信道信息的低复杂度预编码方法，包括以下内容：在一个基站天线数目为M，有K个单天线用户的大规模MIMO低轨卫星通信系统(大规模MIMO低轨卫星通信系统中卫星侧天线数目M通常为上百个，用户数目K通常为几十至上百个)中，卫星侧利用各单天线用户的空间角度信息对覆盖区域内待服务的用户进行分组，被调度在同一组内的用户使用同一时频资源与卫星进行无线通信，调度在不同组的用户使用不同的时频资源与卫星进行无线通信；卫星侧利用调度在同一组中用户的统计信道状态信息(包括各用户的空间角度信息以及信道平均能量)计算该组中各用户的下行预编码矢量。在计算下行预编码矢量过程中，基于短截泰勒多项式展开理论，将下行预编码中的大维度矩阵求逆运算展开为有限项矩阵多项式的和，并且在实际计算中采用Horner算法将求L次多项式的值转化为求L个一次多项式的值，从而大大降低矩阵多项式的计算复杂度。包含用户k的空间角度信息以及其平均信道能量γk在内的统计信道状态信息，是由信道上行检测或者通过各用户的反馈信息获取的。基于最大平均信漏噪比(ASLNR)准则，可以得到用户k的下行预编码矢量为其中(·)H以及(·)*分别表示共轭转置以及转置，是能量归一化系数使得γi为信道增益的能量vk为阵列响应矢量，为用户k的下行信噪比。用户k的平均信漏噪比为该用户信号的平均功率与泄露到其他用户的平均功率值以及噪声功率的比值。IM表示维度为M*M的单位阵，其中M为卫星侧天线数目，t表示时刻，f表示频率。基于短截泰勒多项式展开理论，并将其拓展到多维空间，可以将矩阵求逆运算展开并短截为有限项矩阵多项式的和，即其中L为展开阶数。经过一定的变换与整理，将上述的定理应用于(1)式中预编码矢量，得到低复杂度的预编码为其中ε为使得的约束性参数。在具体计算(2)式中的矩阵多项式时，可以利用Horner算法将求一个L次多项式的值转化为求L个一次多项式的值，从而大大降低矩阵多项式的计算复杂度。以下行预编码为例，令V＝[v1,v2,…,vK]以及Λ＝diag[γ1,γ2,…,γK]，则下行预编码矢量可以重写为计算上述的公式，Horner算法计算预编码矢量包括以下步骤：步骤1：初始化系统参数，包括统计信道状态信息，系数ωi,0≤i≤L-1，设置迭代次数指示i＝1。首先计算S1＝ωL-i-1vk+ωL-iVΛVHvk。步骤2：迭代次数i＝i+1，并计算Si＝ωL-i-1vk+VΛVHSi-1。步骤3：若i≥L-1，则预编码矢量计算完成，也即否则返回继续执行步骤2。在卫星或者用户的移动过程中，随着统计信道信息的不断变化，动态实施用户分组以及下行信号传输过程。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：1.预编码矢量的计算仅需要用户的统计信道状态信息，而不需要瞬时信道状态信息，统计信道状态信息相对更容易获取。2.基于短截泰勒级数的下行预编码在短截阶数仅有几阶时就可以达到与原预编码矢量相近的和速率性能，同时由于矩阵求逆运算的替换使得预编码矢量的计算复杂度大大降低。3.实际计算时采用了Horner算法迭代计算低复杂度预编码矢量，矩阵多项式的计算复杂度得以降低。附图说明图1为本专利技术流程图；图2为展开阶数L＝5时的仿真结果；图3为展开阶数L＝3、5、10时的仿真结果。具体实施方式为了使该
的人员更容易理解本专利技术方案，下面对本专利技术实施中的技术方案进行清楚、完整的描述。在大规模MIMO低轨卫星系统中，卫星利用各单天线用户的空间角度信息对覆盖区域内待服务的用户进行分组，被调度在同一组内的用户使用同一时频资源与卫星进行无线通信，调度在不同组的用户使用不同的时频资源与卫星进行无线通信；卫星利用调度在同一组中用户的统计信道状态信息计算该组中各用户的下行预编码矢量。在计算下行预编码矢量过程中，基于短截泰勒多项式展开理论，将下行预编码中的大维度矩阵求逆运算展开为有限项矩阵多项式的和，并且在实际计算中采用Horner算法将求L次多项式的值转化为求L个一次多项式的值，从而大大降低矩阵多项式的计算复杂度。包含用户k的空间角度信息以及其平均信道能量在内的统计信道状态信息，是由信道上行检测或者通过各用户的反馈信息获取的。用户k的下行预编码矢量是基于最大平均信漏噪比(ASLNR)准则计算得到的。基于短截泰勒多项式展开理论，并将其拓展到多维空间，可以将矩阵求逆运算展开并短截为有限项矩阵多项式的和，即其中L为展开阶数。经过一定的变换与整理，将上述的定理应用于用户k的下行预编码矢量使得预编码中矩阵求逆运算被有限阶数的多项式求和取代，从而大大降低了计算复杂度。在具体计算上述的矩阵多项式时，可以利用Horner算法将求一个L次多项式的值转化为求L个一次多项式的值，从而大大降低矩阵多项式的计算复杂度。下面以具体实施场景为例进一步介绍本专利技术的实施方法。1)信号传输模型考虑一个低轨(LowEarthOrbit，LEO)卫星通信系统，其中卫星同时服务大量单天线用户。卫星搭载含有M＝MxMy个天线的均匀平面阵列(UniformPlanarArray,UPA)，其中Mx与My分别为x轴与y轴方向上的天线个数。不失一般性，假设在x轴与y轴方向上相邻天线间距均为半波长λ/2，λ为载波波长。且Mx与My均为偶数。卫星在同一时频资源中服务K个单天线用户。集合表示服务用户的集合，在下行传输中，卫星端实施线性预编码，用户的信号为其中省略了子载波与符号下标，为分配给用户k的发送信号能量，为归一化的发送预编码矢量满足是均值为0方差为1的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低轨卫星通信系统中低复杂度的大规模MIMO预编码方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1：在卫星侧天线数目为M，有K个单天线用户的大规模MIMO低轨卫星通信系统中，卫星利用各单天线用户的空间角度信息对覆盖区域内待服务的用户进行分组，被调度在同一组内的用户使用同一时频资源与卫星进行无线通信，调度在不同组的用户使用不同的时频资源与卫星进行无线通信；/n步骤2：卫星侧检测获取各组用户的统计信道状态信息；/n步骤3：利用所获取的统计信道状态信息以及Horner方法迭代计算该组中各用户的基于短截泰勒级数的下行预编码矢量。/n

【技术特征摘要】
1.一种低轨卫星通信系统中低复杂度的大规模MIMO预编码方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在卫星侧天线数目为M，有K个单天线用户的大规模MIMO低轨卫星通信系统中，卫星利用各单天线用户的空间角度信息对覆盖区域内待服务的用户进行分组，被调度在同一组内的用户使用同一时频资源与卫星进行无线通信，调度在不同组的用户使用不同的时频资源与卫星进行无线通信；
步骤2：卫星侧检测获取各组用户的统计信道状态信息；
步骤3：利用所获取的统计信道状态信息以及Horner方法迭代计算该组中各用户的基于短截泰勒级数的下行预编码矢量。


2.根据权利要求1所述的一种低轨卫星通信系统中低复杂度的大规模MIMO预编码方法，其特征在于，所述统计信道状态信息包含用户k的空间角度信息以及其平均信道能量γk，是由信道上行检测或者通过各用户的反馈信息获取的。


3.根据权利要求1所述的一种低轨卫星通信系统中低复杂度的大规模MIMO预编码方法，其特征在于，步骤3中基于短截泰勒级数的下行预编码矢量表示为：



其中，ε为使得的约束性参数，(·)H以及(·)*分别表示共轭转置以及转...

【专利技术属性】
技术研发人员：高西奇，乔治，尤力，李科新，强晓宇，汤金科，石雪远，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32