【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无线通信，具体涉及在大规模mimo系统中，为了尽保证所有用户的服务质量，基站侧采用最大化最小用户速率的准则进行预编码的设计。
技术介绍
1、大规模mimo被认为是5g乃至6g无线通信系统中的一项关键技术。在mimo系统中，基站(bs)侧配备有大量天线。通过利用多天线带来的自由度，mimo系统能够在相同的时间和频率资源上为多个用户服务。在多用户大规模mimo系统中，为了尽保证每个用户的服务质量，可以通过设计基站侧的预编码矩阵，从而实现最大化所有用户中的最小可达速率。
2、然而，直接解决最大化最小用户可达速率这一问题具有很大的难度。这是因为该问题所对应的目标函数既不可微也不是一个凸函数。求解最大化最小用户可达速率这一问题的常用方法是二分法，它将原始优化问题转化为一系列多凸锥下寻找可行解的子问题(ccfc)。因此，求解该问题的计算效率实际上是由求解每个ccfc子问题的计算效率决定的。解决ccfc问题最具挑战性的点在于该问题不存在一个可行解。对于这种情况，本专利技术需要提供该问题不存在可行解的证明。现有的用于解决ccfc问题的方法包括经典的内点方法以及基于齐次自对偶嵌入(hsde)的交替方向乘子法(admm)。内点法的计算复杂度非常高。hsde包含一个线性方程以及许多简单的约束，当ccfc问题存在可行解时，hsde的解就是ccfc问题的解，否则，它提供ccfc问题不存在可行解的证明。采用admm算法来求解hsde，其算法的复杂度随着用户数量的增加呈现二次方增长。因此，基于hsde的admm算法的计算效率并不令人
3、在现有的技术中，存在以下主要的技术缺陷和急需解决的技术问题：
4、1.计算复杂度高：内点法是一种经典的解决ccfc问题的方法，但它的计算复杂度非常高，特别是在处理大规模问题时，这将消耗大量的计算资源和时间。
5、2.难以处理非凸和非可微函数：最大化最小用户可达速率的问题所对应的目标函数通常既不可微也不是凸函数，这使得常规的优化方法难以直接应用。
6、3.求解方法的效率问题：基于hsde的admm算法虽然可以解决ccfc问题，但其算法的复杂度随着用户数量的增加呈现二次方增长，这使得在用户数量较多的情况下，算法的计算效率较低。
7、4.可行解的存在性问题：ccfc问题不存在一个可行解，对于这种情况，现有技术需要提供该问题不存在可行解的证明，这增加了求解的难度。
技术实现思路
1、针对上述技术问题，本专利技术目的在于提出一种面向大规模mimo系统的、新型的最大化最小用户可达速率的预编码设计方案。具体而言，本专利技术主要在二分搜索框架下，通过将最大化最小用户可达速率的预编码设计问题转化为一系列两凸锥集合下寻找可行解的子问题，并利用平均交替反射法(aara)高效求解可行性检查问题。
2、本专利技术解决目前技术问题的具体技术方案为：
3、大规模mimo多用户场景下，基于平均交替反射法的最大化最小用户速率的预编码设计方案，系统中基站端配置天线数为m，单天线用户数为k，且满足m＞k，为了保障每个用户的服务质量，根据每个用户的接收信号，构建一个包含能量限制的最大化最小用户可达速率的优化问题。对于该非凸的优化问题，本专利技术利用二分搜索框架，不断改变用户可达速率的下界，同时利用矩阵合并的相关技术，将用户服务质量(qos)限制和能量限制写成两个凸锥集合的约束，于是将原始优化问题转化为一系列两凸锥集合下寻找可行解的子问题。再利用平均交替反射法(aara)求解得到每个子问题下最优的预编码矢量。主要包括以下步骤：
4、s1：令用户k应该接收到的信号为sk，且满足并且假设信道在每个相干时间内是平坦衰落的，那么在用户k处接收到的信号可以表示为：
5、
6、其中，表示基站端与用户k之间的信道，对于用户k而言的预编码矢量。是加性高斯白噪声。那么对于用户k而言，接收信干噪比可以表示为
7、
8、进一步用户k处的可达速率可以表示为
9、
10、为了保证所有用户的服务质量，最大化最小用户可达速率的预编码设计问题等效于求解以下优化问题：
11、max-min beamforming:
12、
13、其中p是基站侧的最大传输功率。
14、s2:基于二分搜素框架将上述最大化最小用户可达速率的预编码设计问题转化为一系列子问题，主要过程包括：
15、当引入一个辅助变量t后，原优化问题可以被等价转化为：
16、
17、
18、
19、在最开始二分搜索时，首先假定一个比较大的搜索范围t∈[tmin,tmax]，在这个范围下，将t更新为当t固定后，将解决如下的多凸锥下寻找可行解的子问题：
20、find{vi}1≤i≤k
21、
22、
23、若在当前参数t下，上述问题存在可行解，那么执行更新tmin＝t，不然执行tmax＝t。整个二分搜索过程持续进行直到满足tmax-tmin≤ε。
24、s3:多凸锥下寻找可行解的问题解决起来相对复杂，于是将多凸锥下寻找可行解的问题转化为两凸锥集合下寻找可行解的问题。
25、首先重新表述用户服务质量(qos)的约束限制，根据用户可达速率rk的表达式，qos限制可以重新表述为：
26、
27、由于存在相位模糊，左边的绝对值可以安全地打开，于是上式可以重新表示为：
28、
29、
30、其中有在继续深入问题之前，先对符号进行一个说明：
31、
32、
33、
34、
35、
36、其中有
37、注意到σk是位于bk中的第(2k+1)行。并且的实数部分和虚数部分可以分开表示为
38、
39、有了上述的相关符号说明，于是原子问题中的第一个qos约束限制可以表示为：
40、
41、其中表示一个二阶锥的集合
42、
43、其中x-2(k+1)通过去掉x中的第(2k+1)个元素后形成的子向量。qos约束中的等式可以等效表示为：
44、
45、于是通过联合上述式子，可以得到一个更紧凑的表达式：
46、
47、其中
48、其中×表示笛卡尔乘积。
49、其次，本专利技术重新表述能量的约束限制，本专利技术首先定义其中i2m是尺寸为2m×2m的单位阵。于是能量约束限制可以重新表示为：
50、
51本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种在大规模MIMO多用户场景下的预编码设计方法，其特征在于，该方案包括以下步骤：
2.根据权利要求1的预编码设计方案，其特征在于，在大规模MIMO多用户场景下，基站端配置天线数为N，单天线用户数为K，且满足N>K；在该方案中，预编码设计的目标是最大化最小用户速率，以保障每个用户的服务质量。
3.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，基站天线数明确定义，单天线用户数也有明确规定，系统优化用户接收信号，使得信号质量满足指定的阈值，并确保在指定的相干时间内信道表现为平坦衰落。
4.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，用户的接收信号是由基站到用户之间的信道和用户的预编码矢量决定的，并且加入了代表实际环境中的高斯白噪声进行模拟；用户接收信号的质量，包括信干噪比和可达速率的计算方法。
5.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，采用二分搜索策略来将复杂的最大化最小用户速率的预编码设计问题分解成一系列子问题，并利用辅助变量进一步简化这些问题的求解。
6.如权利要求5所述的设计方法，其特征在于，求解采用多凸锥下的求解问
7.如权利要求6所述的设计方法，其特征在于，利用新的约束表示来简化原本的多凸锥问题，从而得到一个更直观、更容易处理的问题形式。
8.如权利要求7所述的设计方法，其特征在于，为求解原问题提供了新的视角，并且提出了一种通过已知变量间接求解预编码矢量的方法；采用了平均交替反射法，为两凸锥集合下的问题设计，并明确定义了投影和反射算子的功能和使用方法。
9.如权利要求8所述的设计方法，其特征在于，在特定的集合上进行投影操作，为此提供了明确的优化问题和求解方法，以及如何从这些投影中得到实际需要的预编码矢量。
10.一种大规模MIMO多用户场景下的预编码系统，其特征在于，所述系统包含：
...【技术特征摘要】
1.一种在大规模mimo多用户场景下的预编码设计方法，其特征在于，该方案包括以下步骤：
2.根据权利要求1的预编码设计方案，其特征在于，在大规模mimo多用户场景下，基站端配置天线数为n，单天线用户数为k，且满足n>k；在该方案中，预编码设计的目标是最大化最小用户速率，以保障每个用户的服务质量。
3.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，基站天线数明确定义，单天线用户数也有明确规定，系统优化用户接收信号，使得信号质量满足指定的阈值，并确保在指定的相干时间内信道表现为平坦衰落。
4.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，用户的接收信号是由基站到用户之间的信道和用户的预编码矢量决定的，并且加入了代表实际环境中的高斯白噪声进行模拟；用户接收信号的质量，包括信干噪比和可达速率的计算方法。
5.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，采用二分搜索策略来将复杂的最大化最小用户速率的预编码设计问题分解成一系列子问题，并利...
【专利技术属性】
技术研发人员：蔡孟宏，方俊，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州，
类型：发明
国别省市：
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