CN107046433A - 一种大规模mimo系统上行链路低复杂度迭代检测算法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种大规模MIMO系统上行链路低复杂度迭代检测算法，首先，输入信道矩阵、基站接收信号矢量、算法迭代次数以及算法控制参数等信息；其次，迭代更新检测结果；最后，输出经过若干次迭代后的检测结果。本发明能够解决用户数目较多的大规模MIMO系统上行链路的低复杂度信号检测问题，适用于Rayleigh衰落信道下，算法具有收敛速度快、易于硬件实现以及误码率性能好等优点。

Description

一种大规模MIMO系统上行链路低复杂度迭代检测算法
技术领域
本发明涉及一种适用于大规模MIMO(Multiple-Input-Multiple-Output，多输入多输出)系统上行链路的低复杂度检测算法，属于移动通信领域。
背景技术
近年来，随着人们日益增长的数据业务需求，移动通信领域发展迅速。目前，第五代移动通信系统(5G)的相关研究正在积极展开。其中，5G物理层核心技术之一为大规模MIMO技术。通过在基站侧使用大量的收发天线，大规模MIMO系统可以利用额外的自由度，并行传输多个数据流，同时提高分集增益，从而可以极大的增加频谱利用率、提高传输可靠性并改善系统的能量效率。
由于基站使用大量的收发天线，设计低复杂度的上行链路检测算法成为大规模MIMO系统实际应用中面临的重要挑战。虽然非线性检测算法性能一般优于线性检测算法，但是其复杂度很高。对于大规模MIMO系统，参考文献“Fredrik Rusek,et al,Scaling UpMIMO:Opportunities and Challenges with Very Large Arrays,IEEE SignalProcessing Magazine,vol.30,no.1,pp.40–60,January 2013”指出当接收天线数目足够大时，使用线性检测算法可以获得接近最优的性能。常见的线性检测算法有最大比合并(MRC)、迫零(ZF)以及最小均方误差(MMSE)等。其中，ZF和MMSE检测算法的性能一般显著优于MRC，但算法涉及大维矩阵的求逆操作，不利于硬件实现。
为了简化矩阵求逆操作，参考文献“M Wu,et al,Large-Scale MIMO Detectionfor 3GPP LTE:Algorithms and FPGA Implementations,IEEE Journal of SelectedTopics in Signal Processing,vol.8,no.5,pp.916–929,2014”提出利用Neumann级数来近似矩阵求逆，以降低计算复杂度，但仿真结果表明该方法导致较大的性能损失。参考文献“X.Gao,et al,Low-complexity near-optimal signal detection for uplink large-scale MIMO systems,Electronics Letters,vol.50,no.18,pp.1326–1328,August 2014”以及参考文献“B.Yin,et al,Conjugate gradient-based soft-output detection andprecoding in massive MIMO systems,”in 2014IEEE Global CommunicationsConference,Dec 2014,pp.3696–3701”分别提出利用Richardson方法和共轭梯度方法来简化矩阵求逆，然而这两种方法均涉及大量除法运算并且收敛速度较慢。参考文献“L.Dai,etal，Low-Complexity Soft-Output Signal Detection Based on Gauss-Seidel Methodfor Uplink Multiuser Large-Scale MIMO Systems,”IEEE Transactions on VehicularTechnology,vol.64,no.10,pp.4839–4845,Oct 2015”提出的基于Gauss-Seidel方法的检测算法虽然收敛速度较快，但是包含内部循环操作，并不适用于并行计算。参考文献“X.Qin,et al,A Near-Optimal Detection Scheme Based on Joint Steepest Descentand Jacobi Method for Uplink Massive MIMO Systems,”IEEE CommunicationsLetters,vol.20,no.2,pp.276–279,Feb 2016”基于最速下降法和Jocobi方法提出一种接近最优的检测算法，收敛速度很快且适合硬件实现，然而当用户数较多时该方法性能下降明显。
本发明基于Landweber方法，提出一种适用于大规模MIMO上行链路的低复杂度检测算法，在用户数较多时性能表现良好。
发明内容
发明目的：针对大规模MIMO系统上行链路的信号检测问题，本发明提出一种基于Landweber方法的低复杂度检测算法，该方法简单可行，尤其适用于Rayleigh衰落信道下用户数目较多的大规模MIMO系统。
技术方案：一种大规模MIMO系统上行链路低复杂度迭代检测算法，设小区内用户数目为K，每个用户仅配备1根收发天线，基站侧配置M根接收天线，M＞＞K。令y＝[y1,y2,…,yM]T表示上行链路基站接收的信号矢量，其中[·]T表示矩阵的转置，ym(m＝1,2,…,M表示基站第m根天线接收的信号。y可以表示为
y＝Hs+n (1)
其中H是M×K维矩阵，H的第(i,j)个元素Hij表示第j个用户到基站第i根天线的信道增益，Hij(1≤i≤M,1≤j≤K)相互独立，服从均值为0、方差为1的循环对称复高斯分布；s＝[s1,s2,…,sK]T，其中sk(k＝1,2,…,K)表示第k个用户发送的信号，sk(k＝1,2,…,K)相互独立，均值为0，方差为1；n＝[n1,n2,…,nM]T表示基站处的接收噪声矢量，其中nm表示基站第m根天线处的接收噪声，nm(m＝1,2,…,M)相互独立，服从均值为0、方差为的循环对称复高斯分布。
该检测方案利用输入的信道矩阵H、接收信号矢量y，迭代更新发送信号s的估计值，具体包含以下三个步骤：
第一步：输入信道矩阵H(M×K维)、基站接收信号矢量y(M×1维)、算法迭代次数T以及多项式阶数L，计算迭代检测过程中使用的参数a以及b＝[b0,b1,…,bT]T；
第二步：利用第二步中得到的a以及b，迭代更新发送信号s的估计值；
第三步：输出迭代T次后发送信号s的估计值(K×1维)。
下面介绍第一步的具体操作步骤：
①按照以下方法计算a：a＝1/(M+K)；
②令Aa＝IK-aHHH，其中IK表示K维的单位矩阵，()H表示矩阵的共轭转置。令按照下式计算b＝[b0,b1,…,bT]T：
其中，表示矩阵的Moore-Penrose广义逆。G和r的表达式如下：
其中，Tr[·]表示矩阵的迹，表示数学期望。上式中的数学期望计算方法如下：
上式中
其中，δ(z)为狄拉克函数，
下面介绍第二步的具体操作步骤：
①令t＝0，计算C＝HHH，
②计算
③如果t＜T，令t←t+1并且重新执行第②步。
有益效果：与现有技术相比，本发明所提供的大规模MIMO系统上行链路信号检测方案，具有如下优点：
(1)应用范围广泛。本发明所提出方案既可以应用于用户数较少的场景，也可以应用于用户数较多的场景；
(2)收敛速度快。本发明所提出方案简单易行，复杂度低；
(3)误码率性能好。本发明所提出的方案以较低的实现复杂度，获得良好的误码率性能。
附图说明
图1为本发明实施例的基于Landweber方法的大规模MIMO系统上行链路检测算法的实施流程图；
图2为本发明实施例的误码率仿真结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明的具体实施步骤主要包含以下七个步骤：
第一步：输入算法所需要的各种参数和信息。这一步需要输入信道矩阵H，基站接收到的信号矢量y，多项式阶数L以及迭代次数T；
第二步：根据基站数目和用户数目，计算a＝1/(M+K)；
第三步：计算b＝[b0,b1,…,bT]T。这一步需要利用Aa＝IK-aHHH以及有其中G和r的计算方法如下：
上式中涉及到对矩阵的迹求取数学期望，可以利用下述方式计算：
上式中
其中，δ(z)为狄拉克函数，
第四步：计算t＝0，C＝HHH，
第五步：计算
第六步：如果t＜T，令t←t+1并且重新执行第五步；
第七步：输出T次迭代后的检测结果
图2为本发明实施例的误码率仿真结果图。仿真参数中，M＝100，K＝40，L＝20，调制方案为64-QAM，信噪比定义为对比方案来自于参考文献“X.Qin,Z.Yan,and G.He,“A Near-Optimal Detection Scheme Based on Joint Steepest Descent and JacobiMethod for Uplink Massive MIMO Systems,”IEEE Communications Letters,vol.20,no.2,pp.276–279,Feb 2016”。
综上，本发明的一种大规模MIMO系统上行链路低复杂度迭代检测算法，首先，输入信道矩阵、基站接收信号矢量、算法迭代次数以及算法控制参数等信息；其次，迭代更新检测结果；最后，输出经过若干次迭代后的检测结果。本发明能够解决用户数目较多的大规模MIMO系统上行链路的低复杂度信号检测问题，适用于Rayleigh衰落信道下，算法具有收敛速度快、易于硬件实现以及误码率性能好等优点。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种大规模MIMO系统上行链路低复杂度迭代检测算法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1：设小区内用户数目为K，每个用户仅配备1根收发天线，基站侧配置M根接收天线，M＞＞K，令y＝[y1,y2,...,yM]T表示上行链路基站接收的信号矢量，其中[·]T表示矩阵的转置，ym(m＝1,2,...,M)表示基站第m根天线接收的信号，y可以表示为
y＝Hs+n
其中H是M×K维矩阵，H的第(i,j)个元素Hij表示第j个用户到基站第i根天线的信道增益，Hij(1≤i≤M,1≤j≤K)相互独立，服从均值为0、方差为1的循环对称复高斯分布；s＝[s1,s2,...,sK]T，其中sk(k＝1,2,...,K)表示第k个用户发送的信号，sk(k＝1,2,...,K)相互独立，均值为0，方差为1；n＝[n1,n2,...,nM]T表示基站处的接收噪声矢量，其中nm表示基站第m根天线处的接收噪声，nm(m＝1,2,...，M)相互独立，服从均值为0、方差为的循环对称复高斯分布；
步骤2：输入信道矩阵H(M×K维)、基站接收信号矢量y(M×1维)、算法迭代次数T以及多项式阶数L，计算迭代检测过程中使用的参数a以及b＝[b0,b1,...,bT]T；
步骤3：利用步骤2中得到的a以及b，迭代更新发送信号s的估计值；
步骤4：输出迭代T次后发送信号s的估计值(K×1维)。
2.根据权利要求1所述的一种大规模MIMO系统上行链路低复杂度迭代检测算法，其特征在于，步骤2中a、b的计算方法如下：
a＝1/(M+K)，
其中，表示矩阵的Moore-Penrose广义逆，G和r的表达式如下：
其中，Aa＝IK-aHHH，Tr[·]表未矩阵的迹，表示数学期望；上式中的数学期望计算方法如下：
上式中
<mrow> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>N</mi> </mfrac> <msup> <mi>H</mi> <mi>H</mi> </msup> <mi>H</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>&amp;eta;</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> </msup> <mi>&amp;delta;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mfrac> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>z</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> </msup> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>z</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>-</mo> <mi>z</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> </msup> </mrow> </msqrt> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mi>&amp;eta;</mi> <mi>z</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，δ(z)为狄拉克函数，
3.根据权利要求1所述的一种大规模MIMO系统上行链路低复杂度迭代检测算法，其特征在于，步骤3中具体的迭代步骤如下：
步骤301：令t＝0，计算C＝HHH以及
步骤302：计算
步骤303：如果t＜T，令t←t+1并且重新执行步骤202。
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