大规模mimo系统中结合导频污染消除的双层预编码设计方法
【专利摘要】本发明公开了大规模MIMO系统中结合导频污染消除的双层预编码设计方法，属于无线通信技术领域。具体设计过程如下：系统工作于时分双工模式，首先，用户向基站发送导频序列来估计上行链路信道，基站根据信道互易性，得到下行链路信道估计；然后，在基站端，基于迫零预编码思想设计外层预编码矩阵，以抑制小区内用户间干扰，最后，将信道和外层预编码矩阵看成整体作为等效信道，进而基于最小均方误差准则设计内层预编码矩阵，以抑制系统中因导频污染而引发的干扰。本发明结合导频污染消除来设计预编码矩阵，解决了大规模MIMO系统中存在的固有导频污染问题。
【专利说明】
大规模MI MO系统中结合导频污染消除的双层预编码设计方法
技术领域
[0001 ]本发明主要设及未来移动通信技术领域。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着智能终端的广泛普及，移动数据量呈爆炸式增长，人们对高速率数据 传输业务的需求也越来越强烈。因此，学术界、工业界开始着手对第5代移动通信技术 (SthGeneration，5G)的研究，大规模多输入多输出（Massive-Multiple I叩Ut Multiple Output, Massive-MIMO)技术作为5G的关键传输技术，在学术界和工业界都受到了非常广泛 的关注，并成为当前的研究重点。大规模MIMO技术通过增加收发端的天线数，在不增加系统 带宽的条件下，成倍提高系统容量、有效降低系统误码率;而预编码技术作为大规模MIMO技 术中的关键技术，在抑制用户间干扰、频谱效率提升方面发挥了至关重要的作用。随着无线 通信技术的发展，而频谱资源的严重不足已经日益成为无线通信事业发展的瓶颈，如何充 分利用有限的频谱资源，提高频谱利用率，成为当前迫切需要解决的问题。因此，大规模 MIMO系统中基于时分双工(Time Division Duplex,TDD)工作模式的预编码技术成为当前 研究的热点，在TDD模式中，下行链路的信道状态信息(Channel S化te Info;rmation，CSI) 可通过信道互易性得到，但易受导频污染的影响。导频污染的存在，使得估计的CSI不够准 确，W致在传输过程中产生比较大的性能损失。因此，在新一代无线通信系统中，迫切需要 采取有效的措施对导频污染进行降低。
[0003] 如果从预编码的角度着手消除导频污染，然而，现有的诸如迫零(Zero-化rcing， ZF)预编码技术、匹配滤波(Matched-Fi Itering，MF) W及基于最小方差(；Least-Square，LS) 准则的预编码技术并未能有效地解决大规模MIMO系统中的导频污染问题。因此，一些学者 在此基础上，提出了导频调度的方法，即不同小区同导频用户的干扰较大时，采用正交的导 频，而不同小区的同导频用户间干扰较小时采用相同的导频，可有效减小导频污染，提升系 统性能。
【发明内容】
[0004] 大规模MIMO系统中存在固有的导频污染，针对传统预编码技术上的不足，本发明 给出一种适用于大规模MIMO系统中结合导频污染消除的双层预编码设计方法。本发明有效 地抑制了导频污染所带来的干扰，解决了大规模MIMO系统中的导频污染问题。
[0005] 本发明包括如下步骤：
[0006] 系统工作于时分双工TDD模式，首先，基站接收到用户发送的导频序列，估计上行 链路信道;基站根据信道互易性，得到下行链路信道估计;然后，在基站端，基于迫零ZF预 编码思想设计外层预编码矩阵，W抑制小区内用户间干扰，最后，将信道和外层预编码矩阵 作为等效信道，基于最小均方误差MMSE准则设计内层预编码矩阵，W抑制系统中因导频污 染所引发的干扰。
[0007] 具体地，用户向基站发送导频序列，基站基于最小方差Least Square,LS准则，估 计出上行链路信道矢量：
[000引
[0009] 其中紀表示小区i中第k个用户到本小区基站之间的信道估计矢量，Y康示小区i 中基站的接收信号，巧4表示小区i中第k个用户所发送的导频序列，T表示导频序列长度，Pr 表示导频序列的发送功率，上标T和H分别表示矩阵的转置和共辆转置操作符。
[0010] 具体地，基站根据信道互易性，得到下行链路信道估计矢量堯k:
[0011]
[001^ 始康示小区i的基站到本小区第k个用户之间的信道估计矢量，的k康示小区i的基 站到本小区第k个用户之间的信道矢量，k=l，2, ...，K，其H表示导频污染部分， I 二 U-击!
表示均值为0，协方差矩阵为的噪声矢量，其中Im表示M XM维单位矩阵，M表 取， 示基站天线数，mGCMXT表示小区冲基站的接收噪声矩阵，化中的每个元素相互独立，服从 均值为0,单位方差的复高斯随机分布。
[0013] 具体地，基于ZF预编码思想，进而通过归一化处理，得到小区i的外层预编码矩阵：
[0014]
[001引其中i = l，2, . . .，L，i表示小区i的序号，L表示小区总数，堯H表示小区i的基站到 本小区第k个用户之间的信道矢量，k=l，2,...，K，K表示每个小区内的用户总数。
[0016] 具体地，将信道与外层预编码矩阵的结合作为等效信道，即小区i的基站到本小区 用户之间的等效信道出I = GiiWii, Gi康示小区i的基站到本小区用户之间的信道，Wi康示 小区i的外层预编码矩阵；小区i的基站到小区1中用户之间的等效信道出I = GiiWii, Gi康示 小区i的基站到小区1中用户之间的信道，其中1 = 1，2,...，M1表示小区1的序号。
[0017] 具体地，基于MMSE准则设计小区i的内层预编码矩阵化i:
[001 引
[0019]其中min{ ?}表示最小化运算，Tr(?读示矩阵的迹，a表示功率限制因子，W使小 区i的内层预编码矩阵化1满足功率约束条件;Zi表示附加背景噪声，且Zi中的每个元素相互 独立、服从均值为0,单位方差的复高斯分布;Ik表示KXK维单位矩阵;qi表示小区i的基站向 本小区用户发送的信号，满足6姑}=0,6沾91"} = 1。结合拉格朗日乘子法，小区1的内层预 编码矩阵化1表示为：
[0020]
[0021] 其中i、l = l，2, . . .，L。
[0022] 本发明结合导频污染减轻的策略，从预编码的角度给出了一种适用于大规模MIMO 系统中的双层预编码设计方法。首先，基于ZF预编码思想设计外层预编码矩阵，W抑制小区 内用户间干扰;然后，将信道和外层预编码矩阵作为等效信道，基于最小均方误差(Minimum Mean Square化roriMMSE)准则设计内层预编码矩阵，从而使得因导频污染而引发的系统 干扰得到有效地降低，进而解决了大规模MIMO系统中的导频污染问题。
【附图说明】
[0023] 图1为大规模MIMO上行链路系统模型；
[0024] 图2为大规模MIMO系统中结合导频污染消除的双层预编码设计方法的流程框图。
【具体实施方式】
[0025] 下面将结合图1，图2对本发明的【具体实施方式】作详细说明。
[00%] 本发明的大规模MIMO上行链路系统是工作于时分双工(Time Division Duplex, TDD)模式，首先，用户向基站发送导频序列来估计上行链路信道，基站根据信道互易性，得 到下行链路信道估计;然后，在基站端，基于迫零(Zero-Forcing, ZF)预编码思想设计外层 预编码矩阵，W抑制小区内用户间干扰，最后，将信道和外层预编码矩阵作为等效信道，基 于最小均方误差(Minimum Mean Square化;ro;r，MMSE)准则设计内层预编码矩阵，W抑制系 统中因导频污染所引发的干扰。
[0027]首先，如图1所示，考虑L个导频完全复用的小区，每个小区包括一个配置M根天线 的基站和K个单天线的用户，用户向基站发送导频序列W估计上行信道，而用户向本小区基 站发送导频序列时，将受到来自其它小区用户发送的非正交导频带来的干扰，即形成导频 污染问题。在上行链路中，小区i的基站接收信号如：
[002引
[00巧]其中i表示小区i的序号，i = l，2,. . .，L，k=l，2, . . .，K，L表示小区总数，K表示每 个小区内的用户总数，Pr表示用户导频序列发送功率
表示小区i的基站到小 区1中第k个用户之间的信道矢量，Pik读示小区i的基站到小区1中第k个用户之间的大尺度 衰落系数，hiki表示小区i的基站到小区1中第k个用户之间的小尺度衰落矢量，通常假设hiki 服从0均值，协方差为MXM维的单位矩阵Im，1表示小区1的序号，1 = 1，2, . . .，L，上标T表示 矩阵的转置操作符，^^表示各小区中第4个用户向小区1的基站同步发送的导频序列， 砍eCixf ,T(T^K)表示导频序列长度，0冲每个元素服从0均值，方差为^的复高斯分布，且 巧如''=?，其中8〇 = 1，2，..^，...1(，1(表示每个小区内的用户总数;111￡(：?><了表示小区王中 基站的接收噪声矩阵，M表示基站天线数，m中的每个元素相互独立，服从均值为0,单位方 差的复高斯随机分布。
[0030] 。根据最小方差(Xeast Square,LS)准则，则 ,上标H表示矩阵的共 辆转置操作符。由信道互易性，基站得到下行链路的信道估计：
[0031]
[0032] 复，康示小区i的基站到本小区第k个用户之间的信道估计矢量，giki表示小区i的基 站到本小区第4个用户之间的信道矢量，4=1，2，...，1(，1；各,《表示小区1的基站到小区1 中第k个用户之间的导频污染部分，n^i表示噪声部分
表示均值为0,协方差矩阵 为一^/、/的噪声矢量。 取，
[0033] 根据上述模型，小区i中用户的接收信号Xi可表示为：
[0034]
[00对其中X康示小区冲用户的接收信号，维度为KX l，i表示小区i的序号;化表示基站 发送功率，Gi康示小区1的基站到小区冲用户之间的信道，维度为KXMJ表示小区1的序 号;Wi读示小区1的外层预编码矩阵，维度为M XK;化读示小区1的内层预编码矩阵，维度为 KXK;qi表示小区1的基站向本小区用户发送的信号，满足6山}=0,6山91"} = 11(，11(表示1( X K维单位矩阵;Zi表示附加背景噪声，且Zi中的每个元素相互独立、服从均值为0，单位方差 的复高斯分布。具体地，其表现形式如下：
[0036]
[0037] 其中g化康示小区1中基站到小区冲第k个用户之间的信道矢量，Qk读示小区1中 基站给本小区第k个用户将发送的信号，Xkl表示小区1中第k个用户接收到的信号，k=l， 2 > ? ? ? >O
[0038] 然后，外层预编码矩阵Wii的设计过程：
[0039] 基于ZF预编码思想，并利用估计到的CSI，小区i的外层预编码矩阵Wii可设计如下：
痒中
[0040]
[0041] 4表示小区i的基站到本小区用户之间的信道估计。
[0042] 根据强大数定理，对于x，yGCMxi为两个满足CN(0，cIm)(c为常数）的独立矢量，贝U 存在如下引理：
[0043]
[0044] 根据上述结论，由^
,
巧此 _ 、一1
[004引 其中i = l，2, . . .，1-1，1，1+1，..丄。[0049]将Wii代入系统模型，再次运用上述引理，可得：[(K)加 ]
[0045]
[0046]
[0047]
[0化1 ]
[0054] 其中出I = GiiWi读示小区1的基站到小区冲用户之间的等效信道，1 = 1，2,..丄。 此时小区冲第k个用户的信号干扰比SIRki:
[0化2]
[0化3]
[0化5]
[0056] 从SI化1的表达式看出：小区i的外层预编码矩阵Wii有效地抑制了小区i中用户间 干扰，然而系统中仍存在因导频污染所引起的干扰项，其中k=l，2,. . .K;i = l，2,. . .，L。
[0057] 然后，内层预编码矩阵Dii的设计过程具体如下：
[0化引基于MMSE准则设计小区i的内层预编码矩阵化i:
[0化9]
[0060] 其中min{ ? }表示最小化运算，Tr( ?)表示矩阵的迹，a表示功率限制因子，W使化I 满足功率约束条件，HiI = GiiWii表示小区i的基站到小区1中用户之间的等效信道，Hii = GiiWii表示小区i的基站到本小区用户之间的等效信道，且i、l = l，2,...，L。此时，运用拉格 朗日乘子法如下：
[0061]
[0062] 然后，拉格朗日函数L(化i，a，A)分别对变量化i、a、A求偏导数如下：
[0063]
[0064]
[00 化]
[0066] 而&忍山 TV'。、目/^7lr^4^咎44?呂fI^了-r+t'1、：;：^ST化-
[0067]
[006引
[0069]
[0070]
[0071]
[0072] 将(4)式代入(5)式中可得：
[0073]
[
[
[0076] 此时，将(4)式代入(7)式，可得：
[0077]
代入(9)式可得：
[0081 ]
UO)
[0082] 然后，将(10)式代入(6)可得：
[0083]
(11) LUUBA」 敢旧，将UU八UU巧代八巧，W恃小匹1护」内后顶编妈巧胖化。
[0085]
[0086] 其中i表示小区i的序号，1表示小区1的序号，i、l = l，2, . . .，L。结合各小区设计出 的内层预编码矩阵，并基于小区间的协作，此时，系统中对小区i中用户的干扰项 ^巧,.A麻被最小化，即有效地抑制了系统因导频污染所引发的干扰。 !妇.1-二 I
【主权项】
1. 大规模ΜΙΜΟ系统中结合导频污染消除的双层预编码设计方法，其特征在于，系统工 作于时分双工TDD模式，首先，基站接收到用户发送的导频序列，估计上行链路信道;根据信 道互易性，得到下行链路信道估计;然后，在基站端，基于迫零ZF预编码思想设计外层预编 码矩阵，W抑制小区内用户间干扰;最后，将信道和外层预编码矩阵作为等效信道，基于最 小均方误差MMSE准则设计内层预编码矩阵，W抑制系统中因导频污染所引发的干扰。2. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，用户向基站发送导频序列，基站基于最小方 差Least Square准则，估计出上行链路信道矢量：其中急；，表示小区i中第k个用户到本小区基站之间的信道估计矢量，Yi表示小区i中基 站的接收信号，％表示小区i中第k个用户所发送的导频序列，τ表示导频序列长度，Pr表示 导频序列的发送功率，上标T和Η分别表示矩阵的转置和共辆转置操作符。3. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，基站根据信道互易性，得到下行链路信道估 计矢量知,：知表示小区i的基站到本小区第k个用户之间的信道估计矢量，giki表示小区i的基站到 本小区第k个用户之间的信道矢量,k=l ,2, ... ,Κ示均值为0，协方差矩阵为Λ/的噪声矢量，其中Ιμ表示ΜXΜ维单位矩阵，Μ表示基站天线 科 数，mecMXT表示小区i中基站的接收噪声矩阵，化中的每个元素相互独立，服从均值为0,单 位方差的复高斯随机分布。4. 根据权利要求1所述方法，其特征在于:基于ZF预编码思想，进而通过归一化处理，得 到小区i的外层预编码矩阵：其中i = l，2,.. .，L，i表示小区i的序号，L表示小区总数，知表示小区i的基站到本小区 第k个用户之间的信道矢量，k=l，2,...，Κ，Κ表示每个小区内的用户总数。5. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，将信道与外层预编码矩阵的结合作为等效信 道，即小区i的基站到本小区用户之间的等效信道出l=GiiWii，Gi康示小区i的基站到本小区 用户之间的信道，Wii表示小区i的外层预编码矩阵;小区i的基站到小区1中用户之间的等效 信道出i = GiiWii，Gi康示小区i的基站到小区1中用户之间的信道，其中1 = 1，2,. . .，L;1表示 小区1的序号。6. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，基于MMSE准则设计小区i的内层预编码矩阵 Dii：其中min{ · }表示最小化运算，Tr( ·)表示矩阵的迹，α表示功率限制因子，W使小区i 的内层预编码矩阵化1满足功率约束条件;Zi表示附加背景噪声，且Zi中的每个元素相互独 立、服从均值为0,单位方差的复高斯分布;Ik表示KXK维单位矩阵;qi表示小区i的基站向本 小区用户发送的信号，满足6姑}=0店山巧1"} = 1。结合拉格朗日乘子法，小区1的内层预编 码矩阵化i表示为：其中i、l = l ,2,. . . ,L。
【文档编号】H04L5/00GK105978612SQ201610405867
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月7日
【发明人】景小荣, 李敏
【申请人】重庆邮电大学