一种适用于上行多用户MIMO系统的分布式预编码方法技术方案

本发明专利技术公开了一种适用于上行多用户MIMO系统的分布式预编码方法，采用去中心化架构，每个用户配置独立的预编码器，根据当前各用户自身的信道信息独立求解线性预编码矩阵。本发明专利技术以最小化均方误差为预编码准则，并约束编码后每个用户或每根天线的发送信号功率，以此得到一个全局优化问题。本发明专利技术通过采用一种“盲信息”策略，可以获得上述问题的一组独立子问题，在子问题上使用拉格朗日乘数法和迭代法获得全局的优化解。本发明专利技术将问题的求解分解至每一个用户终端独立计算，在降低系统整体求解复杂度，缓解基站计算和通信压力的同时，保证该分布式计算方法在性能上也可以非常接近全局优化计算方法。优化计算方法。优化计算方法。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于上行多用户MIMO系统的分布式预编码方法


[0001]本专利技术涉及一种基于最小化均方误差的上行多用户MIMO系统分布式预编码方法，属于无线移动通信


技术介绍

[0002]MIMO是一种通过在收发两端均配备多根天线，在收发之间构成多径信道的通信系统，可以大幅提升系统的信道容量。为了满足对于峰值速率和频谱利用率不断提升的要求，MIMO技术作为4G LTE和5G的关键技术而受到重视。MIMO技术的最新演进大规模MIMO适用于5G的eMBB，mMTC，uRLLC等多种应用场景，在5G的R16等标准中被定义为物理层关键技术，也是下一代无线通信技术研究关注的焦点。
[0003]因为MIMO系统的接收和发送端均配备了多根天线，在接收侧需要使用检测技术将来自目标发射天线的期望信息流当作有用信息，同时最小化或消除来自其他天线的干扰。而在发送端，采用某种准则为依据可以设计出对应的预编码方案，将原始信号流编码为可以提高通信系统传输可靠性的天线发送信号。
[0004]随着5G技术标准的演进迭代，多用户上行MIMO场景逐渐获得关注。该场景中因为用户之间相互隔离，下行预编码中依赖信号流消除的方法例如THP预编码和VP预编码等无法实现。现有研究采用的预编码方案主要有两种：一种是基于矩阵分解如SVD分解、QR分解搭配功率注水算法实现的，这种方案无法应对发送流数量同发送天线数量不匹配的情况；另一种依据最小化均方误差准则，使用最优化方法最小化系统的总均方误差。此外，还有使用5G标准提供的预编码码本：一组对应信号流数量和发送天线数量的预编码矩阵集合，通过码本选择算法获取预编码的方案。在目前的研究中采用的基本都是中心化的预编码体系，即由基站端(接收侧)获取其同每个用户(发送侧)之间的上行信道信息并为每个用户求解预编码矩阵，之后通过下行链路将其传达给每个用户。这种方案会导致下行信道资源的大量消耗，同时造成基站端的计算负载。之前所提的基于预编码码本的方案可以通过只传输选择的预编码矩阵的编号大幅压缩通信消耗，然而由于这种方案只能从有限的码本集合中选取预编码矩阵，算法的性能比起直接传输计算得到的预编码矩阵要差许多。
[0005]综上所述，在上行多用户MIMO系统中，现有的预编码算法无法取得性能和通信损耗之间平衡。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种适用于上行多用户MIMO系统的分布式预编码方法，以解决现有技术中存在的在上行多用户MIMO系统中，预编码的性能和通信损耗无法兼顾的技术问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种适用于上行多用户MIMO系统的分布式预编码方法，在上行多用户MIMO系统中，单个基站服务多个用户，设在上行多用户MIMO系统中共有K个用户，第k个用户配备有
N
k,t
根发送天线，用来传输预编码之后的发射信号流；在预编码之前，设用户k的调制信号流数量为N
k,s
,N
k,s
≤N
k,t
，矢量表示为采用线性预编码方案需要使用的预编码矩阵将调制信号流转变为发射信号流第k个用户的传输信道矩阵设基站配置N
r
根天线，用于接收所有K个用户的数据；使用线性检测器等价于基站为每个用户准备了一个检测矩阵，其中第k个用户对应的检测矩阵表示为接收信号经过对应用户的检测器处理后即还原出用户的调制信号流；
[0009]通过以下步骤求解每个用户预编码矩阵：
[0010]步骤A，对用户k初始化其预编码矩阵F
k,0
，对于单天线功率约束的情况，需满足如下形式：
[0011][0012]式中，Φ
sk
表示用户k未经编码的调制数据流功率，有在QAM调制下认为Φ
sk
是一个单位矩阵；P
k,j
表示编码后用户k第j号天线上的发射功率；e
j
是除了第j号下标的元素为1，其余元素均为0的列向量，用于取出这个矩阵的对角元素；
[0013]通过构造一个对任意天线标号j均满足的对角矩阵Γ
k
，再对其施以Cholesky分解即获得满足单天线功率约束的初始化预编码矩阵F
k，0
，其中对于单用户功率约束的情况，假设每个用户被分配的功率为P
k
，初始化时设所有天线功率均等分配，即对有那么功率约束的表达式就变为：
[0014][0015]在此条件下，因为采用QAM调制后Φ
sk
变为单位矩阵，则构造一个对任意天线标号j均满足对角矩阵Γ
k
，再对其施以Cholesky分解即获得满足单天线功率约束的初始化预编码矩阵F
k，0
，其中
[0016]步骤B，通过迭代法更新用户k的预编码矩阵；
[0017]系统中的每个用户，都按照步骤A和步骤B独立求解自身采用的发送预编码矩阵，最终为上行多用户MIMO系统在单用户功率约束和单天线功率约束条件下完成预编码优化设计。
[0018]所述步骤B中，迭代法包括以下步骤：
[0019]对于用户k的第i次迭代，i＝1,2,
…
Max，标记这次迭代更新得到的检测矩阵为G
k,i
，预编码矩阵为F
k,i
，使用拉格朗日乘数法迭代更新的拉格朗日乘子矩阵为Λ
k,i
；在一次迭代中需要完成如下的三个步骤：
[0020](1)首先使用以下公式更新第i次迭代的检测矩阵G
k,i
:
[0021][0022]其中，σ为接收天线上热噪声的功率，I表示单位矩阵，F
k,i
‑1为第k用户的第i
‑
1次迭代的预编码矩阵；
[0023](2)更新拉格朗日乘子，如果是单用户功率约束，则：
[0024][0025]其中，P
k
为第k个用户的功率分配；
[0026]如果采用单天线功率约束，则：
[0027][0028](3)通过以下公式更新第i次迭代的预编码矩阵F
k,i
：
[0029][0030]依次完成上述的三步即完成了第i次迭代；在迭代开始前设定迭代阈值ε和最大迭代次数Max，当第i次迭代更新得到的预编码矩阵F
k,i
与第i
‑
1次迭代得到的预编码矩阵F
k,i
‑1之差的2范数小于阈值，即||F
k,i
‑
F
k,i
‑1||2<ε时，认为算法收敛，停止迭代并输出F
k,i
；如果在达到最大迭代次数Max后仍大于阈值，也停止算法迭代，并输出最后一次迭代结果F
k,Max
；最后将输出的预编码矩阵F
k,i
作为用户k的发送预编码矩阵。
[0031]所述步骤B中，功率约束的表示为：对于单本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于上行多用户MIMO系统的分布式预编码方法，其特征在于：在上行多用户MIMO系统中，单个基站服务多个用户，设在上行多用户MIMO系统中共有K个用户，第k个用户配备有N
k,t
根发送天线，用来传输预编码之后的发射信号流；在预编码之前，设用户k的调制信号流数量为N
k,s
,N
k,s
≤N
k,t
，矢量表示为采用线性预编码方案需要使用的预编码矩阵将调制信号流转变为发射信号流第k个用户的传输信道矩阵设基站配置N
r
根天线，用于接收所有K个用户的数据；使用线性检测器等价于基站为每个用户准备了一个检测矩阵，其中第k个用户对应的检测矩阵表示为接收信号经过对应用户的检测器处理后即还原出用户的调制信号流；通过以下步骤求解每个用户预编码矩阵：步骤A，对用户k初始化其预编码矩阵F
k,0
，对于单天线功率约束的情况，需满足如下形式：式中，Φ
sk
表示用户k未经编码的调制数据流功率，有在QAM调制下认为Φ
sk
是一个单位矩阵；P
k,j
表示编码后用户k第j号天线上的发射功率；e
j
是除了第j号下标的元素为1，其余元素均为0的列向量，用于取出这个矩阵的对角元素；通过构造一个对任意天线标号j均满足的对角矩阵Γ
k
，再对其施以Cholesky分解即获得满足单天线功率约束的初始化预编码矩阵F
k，0
，其中对于单用户功率约束的情况，假设每个用户被分配的功率为P
k
，初始化时设所有天线功率均等分配，即对有那么功率约束的表达式就变为：在此条件下，因为采用QAM调制后Φ
sk
变为单位矩阵，则构造一个对任意天线标号j均满足对角矩阵Γ
k
，再对其施以Cholesky分解即获得满足单天线功率约束的初始化预编码矩阵F
k，0
，其中步骤B，通过迭代法更新用户k的预编码矩阵；系统中的每个用户，都按照步骤A和步骤B独立求解自身采用的发送预编码矩阵，最终为上行多用户MIMO系统在单用户功率约束和单天线功率约束条件下...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵春明，董季宇，姜明，符蓉，包秀文，曹博，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：