CN105162507B - 大规模mimo fdd系统中基于信漏噪比的两阶段预编码方法 - Google Patents

大规模mimo fdd系统中基于信漏噪比的两阶段预编码方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大规模MIMO FDD系统中基于信漏噪比(SLNR)的两阶段预编码方法。对每组用户的第一阶段预编码设计的运算复杂度低，且本发明的SLNR两阶段预编码方法的总速率性能优于Junyoung Nam等人提出的JSDM预编码方法。此外，本发明的方法基于每组用户的SLNR进行预编码设计，不会造成信道状态信息损失，即使相邻两组用户的发送信号与基站的到达角有重叠时，也不会影响SLNR两阶段预编码的性能。

Description

大规模MIMO FDD系统中基于信漏噪比的两阶段预编码方法
技术领域
本发明属于多天线及无线通信技术领域，更具体地，涉及一种大规模MIMO FDD系统中基于信漏噪比的两阶段预编码方法。
背景技术
近年来，多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术被广泛应用于无线通信系统，该技术能够在不增加额外带宽和功率损耗的条件下，显著提高无线系统的频谱利用率。但是随着智能手机等无线设备的普及，人们对数据流量的需求呈指数型增长，为解决该问题，人们逐渐展开了对大规模MIMO系统的研究。大规模MIMO系统能够提供更高的频谱利用率和系统吞吐量，有效解决频谱资源紧张等问题。截至目前，关于大规模MIMO系统的研究主要集中在时分双工(Time Division Duplex，TDD)模式，在该模式下，可以利用信道互惠特性获取基站到用户的下行信道状态信息(Channel State Information,CSI)。但是，当前大部分无线系统都是采用频分双工(Frequency Division Duplex,FDD)模式，可见对大规模MIMO FDD系统的研究也至关重要。
然而，由于大规模MIMO系统的基站配置众多天线(几百根甚至上千根)，并且基站天线数量远远多于基站同时服务的用户数量(十倍甚至几十倍)，导致大规模MIMO系统很难在FDD模式下应用，主要原因有：在FDD模式下，基站为获取用户的下行CSI需要向用户发送正交的导频序列，导频序列长度正比于基站天线数量，使得下行的导频开销过大，通信效率下降；此外，基站天线数量增多，导致用户需要向基站反馈更多的CSI，反馈开销上升。针对这一问题，Junyoung Nam等人在“Joint Spatial Division and Multiplexing:RealizingMassive MIMO Gains with Limited Channel State Information”这篇文章中提出了JSDM两阶段预编码方法，该方法利用用户往往成群存在的特点将用户分组，并利用块对角原理有效地避免了小组用户间的干扰，并且降低了用户的反馈开销。但是，JSDM方法复杂度较高，并且当相邻两组用户的发送信号与基站的到达角有重叠时，系统的总速率性能下降显著。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种大规模MIMO FDD系统中基于信漏噪比(Signal to Leakage plus Noise Ratio,SLNR)的两阶段预编码方法，相比JSDM方法，该方法有效降低了预编码矩阵的计算复杂度，能提供更高的系统总速率性能，并且即使当相邻两组用户的发送信号与基站的到达角有重叠时，系统总速率性能也不会受到影响。
为实现上述目的，本发明提供了一种大规模MIMO FDD系统中基于信漏噪比的两阶段预编码方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)基站获取小区内所有用户的统计CSI，并根据用户的统计CSI将小区内的用户分为G组，求出每组用户的统计CSI的平均值；
(2)利用每组用户的统计CSI的平均值，根据每组用户的信漏噪比设计第一阶段预编码矩阵W＝[W1 … WG]，用于消除组间干扰；
其中，第g组用户的信漏噪比SLNRg的期望值 Tr{·}表示求矩阵的迹，Wg为第g组用户的第一阶段预编码矩阵，上标H表示求共轭转置操作，Rg为第g组用户的统计CSI的平均值，ω为噪声权重，表示噪声对各组用户功率泄露的影响，IM为M×M维的单位矩阵，M为基站的天线数，g＝1,…,G，Wg的设 计应使得E{SLNRg}最大；
(3)基站向所有用户发送下行导频，并将第一阶段预编码矩阵W发送至各组用户，用户根据接收到的导频信号估计出各自的CSI，得到所有用户的下行CSI矩阵结合第一阶段预编码矩阵W，得到等效CSI矩阵H＝HW，向基站反馈等效CSI矩阵H，其中，Hg为第g组用户的下行CSI矩阵，g＝1,…,G；
(4)基站根据等效CSI矩阵H，设计第二阶段预编码矩阵P，用于消除组内用户的干扰；
(5)由第一阶段预编码矩阵W和第二阶段预编码矩阵P得到预编码矩阵V＝WP，基站利用预编码矩阵V向用户发送数据。
优选地，所述步骤(2)中，通过如下方法得到第g组用户的第一阶段预编码矩阵Wg：
(A1)对矩阵进行Cholesky分解，得到矩阵C，矩阵C满足
(A2)令矩阵E＝C-1，计算EHRgE，并对其进行特征值分解，得到EHRgE＝FHΛF，其中，Λ是一个对角矩阵，对角元素为矩阵EHRgE的特征值，并按降序排列，矩阵F的列向量是矩阵EHRgE的特征值对应的特征向量；
(A3)计算T＝EF，进而得到第g组用户的第一阶段预编码矩阵 Im'为m′×m′维的单位矩阵，m'为第g组用户所分配的等效天线数。
优选地，上述方法还包括如下步骤(6)：用户接收到基站发送的数据后，估计出接收信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)，再根据接收信噪比计 算得到各自的速率，并将其反馈至基站，基站计算系统的总速率其中，K为用户总数，rk为第k个用户的速率，由第k个用户的接收信噪比SNRk和香农公式获得rk＝log2(1+SNRk)。
优选地，通过如下方法得到局部最优的噪声权重ω：
(B1)在第一个相干时间内，初始化ω＝ω1，执行所述步骤(2)～(6)，得到系统的总速率R＝R1；
(B2)在下一个相干时间内，令ω＝ω2，执行所述步骤(2)～(6)，得到系统的总速率R＝R2；
(B3)在下一个相干时间内，更新ω＝ω3＝(ω1+ω2)/2，执行所述步骤(2)～(6)，得到系统的总速率R＝R3；
(B4)若|R3-R2|＞ε,|R3-R1|＞ε，且R1＜R2＜R3，则令ω1＝ω3，R1＝R3，返回步骤(B3)；若|R3-R2|＞ε,|R3-R1|＞ε，且R2＜R1＜R3，则令ω2＝ω3，R2＝R3，返回步骤(B3)；若|R3-R2|＜ε或|R3-R1|＜ε，则确定ω＝ω3为噪声权重的局部最优解，过程结束；
其中，用户的统计CSI在相干时间内视为不变，ε是设定的阈值，步骤(B1)和(B2)中ω1和ω2为给定值，其取值应当使得噪声权重的局部最优解在(ω1,ω2)内。
优选地，基站利用噪声权重ω的局部最优解设计第一阶段预编码矩阵W，再通过所述步骤(3)～(5)向用户发送数据，直到用户的统计CSI发生显著变化，导致用户重新分组。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、原有的JSDM预编码对每组用户的第一阶段预编码矩阵的设计都需要进行两次奇异值分解(Singular Value Decomposition，SVD)，而SVD 分解的运算复杂度很高。本发明的预编码方法对每组用户的预编码矩阵设计只需要进行一次Cholesky分解和一次特征值分解，运算复杂度低，且本发明的SLNR两阶段预编码方法的总速率性能优于JSDM预编码方法。
2、JSDM预编码方法利用块对角化的思想，通过获取每组用户相对于其他用户的零空间来消除组间用户的干扰，然而求零空间的过程会导致用户CSI的损失，尤其是当相邻两组用户与基站的到达角有重叠时，CSI损失加重，导致总速率性能下降。本发明的方法基于每组用户的SLNR进行预编码设计，不会造成CSI损失，即使相邻两组用户与基站的到达角有重叠也不会影响SLNR两阶段预编码的性能。
附图说明
图1是本发明实施例的大规模MIMO FDD系统中基于SLNR的两阶段预编码方法的流程图；
图2是在每个用户的信噪比SNR变化时，四种预编码方法的性能比较；
图3是在改变所有用户分布的角度范围时，四种预编码方法的性能比较。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例的大规模MIMO FDD系统中基于SLNR的两阶段预编码方法包括如下步骤：
(1)基站获取小区内所有用户的统计CSI，并根据用户的统计CSI将小区内的用户分组，求出每组用户的统计CSI的平均值。
基站很容易获取每个用户的统计CSI，再根据聚类等方法将统计CSI 相同或相似的用户分为一组。假设小区的基站有M根天线，小区内有K个用户(M＞＞K)，用户被分为G组。为方便符号表示，假设每组的用户数目相同，为基站计算每组用户的统计CSI的平均值，其中，第g组所有用户的统计CSI的平均值g＝1,…,G，其中Rgi表示第g组的第i个用户的统计CSI。
(2)利用每组用户的统计CSI的平均值，根据每组用户的信漏噪比设计第一阶段预编码矩阵W＝[W1 … WG]，用于消除组间干扰，其中，Wg，g＝1,…,G为第g组用户的第一阶段预编码矩阵。
在最大化系统的总速率性能时，应该以最大化各个用户的信干噪比(Signal toInterference plus Noise Ratio，SINR)为优化目标，然而这类优化问题为非凸优化问题，很难解决，本发明利用SLNR简化问题的求解。
在设计第一阶段预编码时，基站只有各组用户的统计CSI信息，因此，对于第g组用户，基站通过最大化其信漏噪比的期望值来设计其第一阶段预编码矩阵Wg。具体地，第g组用户的信漏噪比SLNRg的期望值其中，E{…}表示求期望操作，Tr{·}表示求矩阵的迹，上标H表示求共轭转置操作，Hg是第g组用户的下行CSI矩阵，为K'×M维，ω为噪声权重，表示噪声对各组用户功率泄露的影响，IM为M×M维的单位矩阵。
Wg的设计应使得E{SLNRg}最大，具体为：(A1)对矩阵进行Cholesky分解，得到矩阵C，矩阵C满足(A2)令矩阵E＝C-1，计算EHRgE，并对其进行特征值分解，得到EHRgE＝FHΛF，其中， Λ是一个对角矩阵，对角元素为矩阵EHRgE的特征值，并按降序排列，矩阵F的列向量是矩阵EHRgE的特征值对应的特征向量；(A3)计算T＝EF，进而得到第g组用户的第一阶段预编码矩阵其中，Wg为M×m'维的矩阵，Im'为m′×m′维的单位矩阵，m'为第g组用户所分配的等效天线数。假设每组用户所分配的等效天线数相同，那么m＝Gm'(m＜M)则表示该大规模MIMO系统的等效天线数量。
(3)基站向所有用户发送下行导频，并将第一阶段预编码矩阵W发送至各组用户，用户估计出各自的CSI，得到所有用户的下行CSI矩阵 其中，Hg，g＝1,…,G为第g组用户的下行CSI矩阵，结合第一阶段预编码矩阵W，得到等效CSI矩阵H＝HW，向基站反馈等效CSI矩阵H。
基站向用户发送下行导频，用户根据接收到的导频信号进行信道估计，每组用户分别获取各自的下行CSI矩阵Hg,g＝1,…,G，并与第一阶段预编码矩阵W相乘，获得每组用户的等效的CSI矩阵，此时，所有用户向基站反馈的等效CSI矩阵该矩阵为K×m维，用户向基站反馈该等效CSI矩阵H与反馈全部的K×M维的CSI矩阵相比，大大降低了反馈开销。
(4)基站根据等效CSI矩阵H，并结合经典的预编码方法设计第二阶段预编码矩阵P，用于消除组内用户的干扰；
基站利用用户反馈的等效CSI矩阵H设计第二阶段预编码矩阵P，第二阶段预编码矩阵的设计可结合现有的预编码方法。当第二阶段预编码利 用ZF预编码方法时，当第二阶段预编码利用RZF预编码方法时，P＝(H H H+αIm)-1 H H，其中，α是RZF的参数，与每个符号的发射功率相关。这两种预编码方法均可以消除组内用户的干扰。
(5)由第一阶段预编码矩阵W和第二阶段预编码矩阵P得到预编码矩阵V＝WP，基站利用预编码矩阵V向用户发送数据。
当基站已知第一阶段预编码矩阵W和第二阶段预编码矩阵P时，基站的预编码矩阵可表示为V＝WP，利用矩阵V对向用户发送的数据进行预编码。
(6)用户接收到基站发送的数据后，估计出接收信噪比，再根据接收信噪比计算得到各自的速率rk,k＝1,…,K并将其反馈至基站，基站计算系统的总速率
上述步骤(2)中，噪声权重ω的选择会影响第一阶段预编码矩阵W的设计，进而影响系统的总速率性能。由于最优的噪声权重ω的选取没有一个闭式表达式，本发明通过二分法，并利用用户反馈的速率信息找到噪声权重ω的局部最优解。
优化的噪声权重ω通过如下方法得到：
(B1)在第一个相干时间内(在相干时间内，用户的统计CSI视为不变)，初始化ω＝ω1，执行步骤(2)～(6)，得到系统的总速率R＝R1；
(B2)在下一个相干时间内，令ω＝ω2，执行步骤(2)～(6)，得到系统的总速率R＝R2；
(B3)在下一个相干时间内，更新ω＝ω3＝(ω1+ω2)/2，执行步骤(2)～(6)，得到系统的总速率R＝R3；
(B4)若|R3-R2|＞ε,|R3-R1|＞ε，且R1＜R2＜R3，则令ω1＝ω3，R1＝R3， 返回步骤(B3)；若|R3-R2|＞ε,|R3-R1|＞ε，且R2＜R1＜R3，则令ω2＝ω3，R2＝R3，返回步骤(B3)；若|R3-R2|＜ε或|R3-R1|＜ε，则确定ω＝ω3为噪声权重的局部最优解，过程结束。
其中，ε是设定的阈值，用于结束二分法的循环过程；步骤(B1)和(B2)中ω1和ω2为给定值，其取值应当使得噪声权重的局部最优解在(ω1,ω2)内。优选地，ω1＝0.01，ω2＝2G。
上述两阶段预编码方法中，基站利用噪声权重ω的局部最优解设计第一阶段预编码矩阵W，再通过步骤(3)～(5)向用户发送数据，直到用户的统计CSI发生显著变化，导致用户重新分组。
由于用户的统计CSI为慢变信息，在较长时间内保持不变，因此噪声权重ω的局部最优解能在较长时间内使用。而且，当噪声权重ω不变且用户的统计CSI不变或变化较小时，第一阶段预编码矩阵保持不变，在不同的相干时间内，只需要重复步骤(3)和步骤(4)更新用户的等效CSI矩阵H和第二阶段预编码矩阵P。但是，当用户的统计CSI变化明显，导致用户重新分组时，需要重新获取噪声权重ω的局部最优解并设计第一阶段预编码矩阵W。
根据经验，一般在5个相干时间内基站便可以确定噪声权重ω的局部最优解，并且用户的统计CSI是慢变信息，在较长时间段内不会发生变化，所以确定的噪声权重ω在较长时间段内均有效。
下面通过具体实例对本发明的基于信漏噪比的两阶段预编码方法进行详细说明。
设置基站天线数目为M＝100，基站等效天线数目为m＝60，用户数目为K＝30，用户分为G＝6组，每组有K'＝5个用户，局部最优的参数ω＝6，假设每组用户的统计CSI相同，每组用户的角度拓展为15°，相邻两组的平均到达角相差时，采用四种预编码方法得到的系统总数据传输率 仿真性能如图2所示，其中，“ZF”表示基站已知所有用户的下行CSI矩阵H，并采用ZF预编码时的仿真性能；“SLNR”表示本发明提出的SLNR两阶段预编码方法；“JSDM Joint”与“JSDM Per-group”是Junyoung Nam等人提出的两种JSDM方法，在该预编码方法中，第一阶段预编码矩阵的设计与本发明不同，主要采用基于块对角化的方法消除小组用户之间的干扰。从图2可以观察到，在反馈的信道状态信息相同的情况下，SLNR两阶段预编码方法在计算复杂度低的情况下仍然具有比JSDM预编码方法好的性能。
设置每个用户的SNR＝10dB，其余参数设置同图2，改变所有用户分布的角度范围Ω时，四种预编码方法的仿真性能如图3所示。从图中可以看出，当组间用户与基站的到达角有重叠时(Ω≤180)，JSDM预编码的仿真性能下降，并且重叠程度越大，JSDM预编码的仿真性能偏离ZF预编码方法越多，而本发明中提出的两阶段预编码方法的仿真性能始终与ZF预编码相当，不受到达角是否重叠的影响。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种大规模MIMO FDD系统中基于信漏噪比的两阶段预编码方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)基站获取小区内所有用户的统计CSI，并根据用户的统计CSI将小区内的用户分为G组，求出每组用户的统计CSI的平均值；
(2)利用每组用户的统计CSI的平均值，根据每组用户的信漏噪比设计第一阶段预编码矩阵W＝[W1 … WG]，用于消除组间干扰；
其中，第g组用户的信漏噪比SLNRg的期望值Tr{·}表示求矩阵的迹，Wg为第g组用户的第一阶段预编码矩阵，上标H表示求共轭转置操作，Rg为第g组用户的统计CSI的平均值，ω为噪声权重，表示噪声对各组用户功率泄露的影响，IM为M×M维的单位矩阵，M为基站的天线数，g＝1,...,G，Wg的设计应使得E{SLNRg}最大；
其中，在步骤(2)中，通过如下方法得到第g组用户的第一阶段预编码矩阵Wg：
(A1)对矩阵进行Cholesky分解，得到矩阵C，矩阵C满足
(A2)令矩阵E＝C-1，计算EHRgE，并对其进行特征值分解，得到EHRgE＝FHΛF，其中，Λ是一个对角矩阵，对角元素为矩阵EHRgE的特征值，并按降序排列，矩阵F的列向量是矩阵EHRgE的特征值对应的特征向量；
(A3)计算T＝EF，进而得到第g组用户的第一阶段预编码矩阵Im'为m′×m′维的单位矩阵，m'为第g组用户所分配的等效天线数；
(3)基站向所有用户发送下行导频，并将第一阶段预编码矩阵W发送至各组用户，用户根据接收到的导频信号估计出各自的CSI，得到所有用户的下行CSI矩阵结合第一阶段预编码矩阵W，得到等效CSI矩阵H＝HW，向基站反馈等效CSI矩阵H，其中，Hg为第g组用户的下行CSI矩阵，g＝1,...,G；
(4)基站根据等效CSI矩阵H，设计第二阶段预编码矩阵P，用于消除组内用户的干扰；
(5)由第一阶段预编码矩阵W和第二阶段预编码矩阵P得到预编码矩阵V＝WP，基站利用预编码矩阵V向用户发送数据；
其中，通过如下方法得到局部最优的噪声权重ω：
(B1)在第一个相干时间内，初始化ω＝ω1，执行所述步骤(2)～(6)，得到系统的总速率R＝R1；
(B2)在下一个相干时间内，令ω＝ω2，执行所述步骤(2)～(6)，得到系统的总速率R＝R2；
(B3)在下一个相干时间内，更新ω＝ω3＝(ω1+ω2)/2，执行所述步骤(2)～(6)，得到系统的总速率R＝R3；
(B4)若|R3-R2|＞ε,|R3-R1|＞ε，且R1＜R2＜R3，则令ω1＝ω3，R1＝R3，返回步骤(B3)；若|R3-R2|＞ε,|R3-R1|＞ε，且R2＜R1＜R3，则令ω2＝ω3，R2＝R3，返回步骤(B3)；若|R3-R2|＜ε或|R3-R1|＜ε，则确定ω＝ω3为噪声权重的局部最优解，过程结束；
其中，用户的统计CSI在相干时间内视为不变，ε是设定的阈值，步骤(B1)和(B2)中ω1和ω2为给定值，其取值应当使得噪声权重的局部最优解在(ω1,ω2)内。
2.如权利要求1所述的大规模MIMO FDD系统中基于信漏噪比的两阶段预编码方法，其特征在于，还包括如下步骤(6)：用户接收到基站发送的数据后，估计出接收信噪比，再根据接收信噪比计算得到各自的速率并将其反馈至基站，基站计算系统的总速率其中，rk为第k个用户的速率，K为用户数。
3.如权利要求2所述的大规模MIMO FDD系统中基于信漏噪比的两阶段预编码方法，其特征在于，基站利用噪声权重ω的局部最优解设计第一阶段预编码矩阵W，再通过所述步骤(3)～(5)向用户发送数据，直到用户的统计CSI发生显著变化，导致用户重新分组。
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