CN112953602B - Tdd大规模mimo系统中的下行预编码方法 - Google Patents

Tdd大规模mimo系统中的下行预编码方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及TDD大规模MIMO系统中的下行预编码方法，该方法包括以下步骤：S1、对大规模MIMO系统进行导频分配和参数配置；S2、根据用户导频分配信息，进行上行信道估计；S3、根据上行信道估计结果，利用基站信道的互易性，构造新最大合并比NMRC下行预编码和新迫零NZF下行预编码；S4、根据下行预编码，进行下行链路数据传输。本发明能够在不增加运算复杂度的情况下，提高下行链路信干噪比和频谱效率。

Description

TDD大规模MIMO系统中的下行预编码方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及TDD大规模MIMO系统中的下行预编码方法。
背景技术
随着移动通信业务的大幅增长，未来无线网络将受到前所未有的挑战，而大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)系统技术能提升系统容量、频谱效率、能量效率，因此受到了广泛的关注。已有研究表明，导频污染是影响大规模MIMO系统性能的主要因素之一。针对导频污染问题，可由合适的用户分组对导频进行复用来提高信道估计的准确性。由于导频复用会带来上行信道估计的不准确，而信道估计的不准确会进一步影响下行链路的性能，而下行链路预编码可有效的减少用户间干扰、提升系统下行链路的性能，因此，下行链路预编码成为了大规模MIMO系统研究的热点。
现有的预编码方案，如传统单小区的最大比合并(Maximum Ratio Combining，MRC)预编码和破零(Zero-Forcing，ZF)预编码，大多是采用高复杂度的迭代算法来寻找最优的预编码，一般需要矩阵求逆或者基站间交互大量的信息，这样虽然可以明显提高频谱效率，但计算复杂度高。
发明内容
本发明的目的在于提供TDD大规模MIMO系统中的下行预编码方法，该方法能够在不增加运算复杂度的情况下，提高下行链路信干噪比和频谱效率。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
TDD大规模MIMO系统中的下行预编码方法，该方法包括以下步骤：
S1、对大规模MIMO系统进行导频分配和参数配置。
S2、根据用户导频分配信息，进行上行信道估计。
S3、根据上行信道估计结果，利用基站信道的互易性，构造新最大合并比NMRC下行预编码和新迫零NZF下行预编码：
采用公式
Figure BDA0002309815450000021
求得目标用户(a，b)的下行预编码gab；根据wab取值的不同，设当
Figure BDA0002309815450000022
时的gab为NMRC下行预编码，当
Figure BDA0002309815450000023
时的gab为NZF下行预编码。
采用公式gxy＝wxy求得非目标用户(x，y)的下行预编码gxy。
其中，wab为目标用户(a，b)传统的预编码，Λ(a，b)表示用户(a，b)所在的导频分组，(r，t)∈∧(a，b)表示用户(r，t)属于用户(a，b)所在的导频分组，(r，t)≠(a，b)表示用户(r，t)和用户(a，b)不是同一用户；
Figure BDA0002309815450000024
表示目标用户(a，b)到基站r的信道估计值；
Figure BDA0002309815450000025
表示目标用户(a，b)到基站a的信道估计值；wrt表示用户(r，t)的预编码；srt表示用户(r，t)的发送信号；sab表示用户(a，b)的发送信号；diag{·}表示对角矩阵，
Figure BDA0002309815450000026
为导频分配时基站间交互的信息；wxy为传统的MRC和ZF预编码，aab是矩阵
Figure BDA0002309815450000027
的第b列，Aa是第a个基站的信道矩阵，
Figure BDA0002309815450000028
Figure BDA0002309815450000029
表示第a个小区与第a个基站之间的信道，
Figure BDA00023098154500000210
中各个元素表示第a个小区里面的第Ka个用户与第a个基站之间的信道。
S4、根据下行预编码，进行下行链路数据传输。
进一步的，步骤S1中所述的“对大规模MIMO系统进行导频分配和参数配置”，其具体包括：
假设大规模MIMO系统采用时分双工通信方式，在上行链路中通过对所有用户进行分组的方式来进行导频分配，分别从每个小区中随机挑选一个用户组成一个导频分组，同一导频分组中的用户使用同一导频序列，不同导频分组的用户使用相互正交的导频序列；
设有L个相邻的小区，每个小区正中间有一个基站，每个基站配有M根天线，每个用户配置单天线；设上行链路发送数据帧总长度为Q，其中导频长度为P，则数据长度为Q-P；第i个小区中第k个用户表示为用户(i，k)，基站与小区使用同样的序号，即第l个小区中的基站记为基站l；
用户(i，k)使用的导频序列为τ×1维矢量
Figure BDA0002309815450000031
且
Figure BDA0002309815450000032
其中，
Figure BDA0002309815450000033
表示用户(i，k)的导频序列的转置，
Figure BDA0002309815450000034
表示用户(l，m)的导频序列，
Figure BDA0002309815450000035
表示用户(i，k)的导频序列与用户(l，m)的导频序列相互正交，Λ(l，m)表示用户(l，m)所在的导频分组，(i，k)∈Λ(l，m)表示用户(i，k)属于用户(l，m)所在的导频分组；用户(i，k)与基站l之间的信道hlik表示为
Figure BDA0002309815450000036
其中i，l∈{1，2，3，...L}，k∈{1，2，3，...，Ki}；
Figure BDA0002309815450000037
表示第i小区内的第k个用户到基站l的小尺度衰落矢量，其每个元素均服从均值为0方差为1的圆对称复高斯分布，即
Figure BDA0002309815450000038
βlik表示大尺度衰落系数，且
Figure BDA0002309815450000039
其中dlik表示第i小区内的第k个用户到基站l的距离，v是路径损耗指数。
进一步的，步骤S2中所述的“根据用户导频分配信息，进行上行信道估计”，其具体包括：
在TDD通信方式下，利用最小均方误差MMSE估计获得hlik的上行信道估计值
Figure BDA0002309815450000041
为
Figure BDA0002309815450000042
其中，(r，t)∈Λ(i，k)表示用户(r，t)属于用户(i，k)所在的导频分组，
Figure BDA0002309815450000043
表示用户(i，k)使用的τ×1维矢量的导频序列，βlrt表示用户(r，t)到基站l的大尺度衰落系数，hlrt表示用户(r，t)到基站l的信道值，pp表示每个用户的导频发射功率，
Figure BDA0002309815450000044
为加性高斯白噪声，其每个元素独立服从均值为0，方差为σ2的圆对称复高斯分布，即
Figure BDA0002309815450000045
进一步的，步骤S4中所述的“根据下行预编码，进行下行链路数据传输”，其具体包括：
在基站端对要发送给用户的信号，采用下行预编码对其进行处理后再进行发送，并采用以下公式求得得到目标用户(a，b)的接收信号
Figure BDA0002309815450000046
Figure BDA0002309815450000047
其中，
Figure BDA0002309815450000048
表示采用新的预编码得到目标用户(a，b)的接收信号，p表示每个基站的发射功率；
Figure BDA0002309815450000049
表示目标用户(a，b)到基站a的信道的转置；wab表示目标用户(a，b)的传统预编码；sab表示目标用户(a，b)的发送信号；
Figure BDA00023098154500000410
表示目标用户(a，b)到基站l的信道的转置；
Figure BDA00023098154500000411
表示目标用户(a，b)到基站l的信道估计值；
Figure BDA00023098154500000412
表示目标用户(a，b)到基站a的信道估计值；wlm表示用户(l，m)的预编码；slm表示用户(l，m)的发送信号，
Figure BDA00023098154500000413
表示目标用户(a，b)到基站c的信道的转置；wcd表示用户(c，d)的传统预编码；scd表示用户(c，d)的发送信号；(l，m)∈∧(c，d)表示用户(l，m)属于用户(c，d)所在的导频分组；(l，m)≠(c，d)表示用户(l，m)和用户(c，d)不是同一用户；
Figure BDA0002309815450000051
表示目标用户(c，d)到基站l的信道估计值；
Figure BDA0002309815450000052
表示目标用户(c，d)到基站c的信道估计值；
Figure BDA0002309815450000053
表示目标用户(a，b)到基站e的信道值的转置；wef表示用户(e，f)的传统预编码；sef表示用户(e，f)的发送信号；
(l，m)∈∧(e，f)表示用户(l，m)属于用户(e，f)所在的导频分组；(l，m)≠(e，f)表示用户(l，m)和用户(e，f)不是同一用户；
Figure BDA0002309815450000054
表示目标用户(e，f)到基站l的信道估计值；
Figure BDA0002309815450000055
表示目标用户(e，f)到基站e的信道估计值；wlm表示用户(l，m)的预编码；slm表示用户(l，m)的发送信号；nab表示用户(a，b)接收到的噪声；
采用以下公式求得任意非目标用户(x，y)的接收信号
Figure BDA0002309815450000056
Figure BDA0002309815450000057
其中，
Figure BDA0002309815450000058
表示采用新的预编码时任意的非目标用户(x，y)的接收信号，
Figure BDA0002309815450000059
表示任意用户(x，y)到基站x的信道的转置，wxy表示任意非目标用户(x，y)的传统预编码，sxy表示任意非目标用户(x，y)的发送信号，p表示每个基站的发射功率；
Figure BDA00023098154500000510
表示非目标用户(x，y)到基站a的信道值的转置，wab表示用户(a，b)的预编码，sab表示用户(a，b)的发送信号，
Figure BDA00023098154500000511
表示非目标用户(x，y)到基站l的信道值的转置，
Figure BDA00023098154500000512
表示非目标用户(x，y)到基站c的信道值的转置。
进一步的，所述的“利用MMSE估计获得hlik的上行信道估计值
Figure BDA00023098154500000513
为
Figure BDA0002309815450000061
”，其具体包括：
上行信道估计时，所有小区中用户同时向基站发送导频序列，则基站l接收到的导频信号为
Figure BDA0002309815450000062
当基站l接收到信号Fl，为了估计信道hlik，先采用导频
Figure BDA0002309815450000063
对信号Fl进行正交化处理
Figure BDA0002309815450000064
再用MMSE估计可得信道估计值
Figure BDA0002309815450000065
其中，
Figure BDA0002309815450000066
pp表示每个用户的导频发射功率；βlik表示大尺度衰落系数，且
Figure BDA0002309815450000067
dlik表示第i小区内的第k个用户到基站l的距离，v是路径损耗指数；
Figure BDA0002309815450000068
表示第i小区内的第k个用户到基站l的小尺度衰落矢量，其每个元素均服从均值为0方差为l的圆对称复高斯分布，即
Figure BDA0002309815450000069
Figure BDA00023098154500000610
表示用户(i，k)使用的导频序列；
Figure BDA00023098154500000611
Figure BDA00023098154500000612
为加性高斯白噪声，其每个元素独立服从均值为0，方差为σ2的圆对称复高斯分布，即
Figure BDA00023098154500000613
(r，t)∈Λ(i，k)表示用户(r，t)属于用户(i，k)所在的导频分组；βlrt表示用户(r，t)到基站l的大尺度衰落系数；hlrt表示用户(r，t)到基站l的信道值。
由以上技术方案可知，本发明在传统单小区的最大比合并(Maximum RatioCombining，MRC)预编码和迫零(Zero-Forcing，ZF)预编码的基础上，对传统预编码矩阵进行线性改进，得到两种新的预编码方案NMRC和NZF，并将这两种新的预编码方案应用在MIMO系统的数据传输过程中，从而可以在不增加运算复杂度的情况下，提高下行链路信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)和频谱效率。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是大规模MIMO多小区系统模型(用户随机分布)；
图3是目标用户(a，b)在不同预编码方案下的用户的信干噪比随导频发射功率的变化情况；
图4是任意非目标用户(x，y)在不同预编码方案下用户的信干噪比随导频发射功率的变化情况。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示的TDD大规模MIMO系统中的下行预编码方法，该方法包括以下步骤：
S1、对大规模MIMO系统进行导频分配和参数配置。
S2、根据用户导频分配信息，进行上行信道估计。
S3、根据上行信道估计结果，利用基站信道的互易性，构造新最大合并比NMRC下行预编码和新迫零NZF下行预编码。以三个目标用户(a，b)、(c，d)和(e，f)为例，说明NMRC下行预编码和NZF下行预编码的构造过程：
采用公式
Figure BDA0002309815450000071
求得目标用户(a，b)的下行预编码gab；根据wab取值的不同，设当
Figure BDA0002309815450000072
时的gab为NMRC下行预编码，当
Figure BDA0002309815450000073
时的gab为NZF下行预编码。
同理，采用公式
Figure BDA0002309815450000074
求得目标用户(c，d)的下行预编码gcd；根据wcd取值的不同，设当
Figure BDA0002309815450000075
时的gcd为NMRC下行预编码，当
Figure BDA0002309815450000081
时的gcd为NZF下行预编码。
采用公式
Figure BDA0002309815450000082
求得目标用户(e，f)的下行预编码gef；根据wef取值的不同，设当
Figure BDA0002309815450000083
时的gef为NMRC下行预编码，当
Figure BDA0002309815450000084
时的gef为NZF下行预编码。
采用公式gxy＝wxy求得非目标用户(x，y)的下行预编码gxy。
其中，wab为目标用户(a，b)传统的预编码，Λ(a，b)表示用户(a，b)所在的导频分组，(r，t)∈∧(a，b)表示用户(r，t)属于用户(a，b)所在的导频分组，(r，t)≠(a，b)表示用户(r，t)和用户(a，b)不是同一用户；
Figure BDA0002309815450000085
表示目标用户(a，b)到基站r的信道估计值；
Figure BDA0002309815450000086
表示目标用户(a，b)到基站a的信道估计值。
wcd为目标用户(c，d)传统的预编码，Λ(c，d)表示用户(c，d)所在的导频分组，(r，t)∈∧(c，d)表示用户(r，t)属于用户(c，d)所在的导频分组，(r，t)≠(c，d)表示用户(r，t)和用户(c，d)不是同一用户；
Figure BDA0002309815450000087
表示目标用户(c，d)到基站r的信道估计值；
Figure BDA0002309815450000088
表示目标用户(c，d)到基站c的信道估计值。
wef为目标用户(e，f)传统的预编码，Λ(e，f)表示用户(e，f)所在的导频分组，(r，t)∈∧(e，f)表示用户(r，t)属于用户(e，f)所在的导频分组，(r，t)≠(e，f)表示用户(r，t)和用户(e，f)不是同一用户；
Figure BDA0002309815450000089
表示目标用户(e，f)到基站r的信道估计值；
Figure BDA00023098154500000810
表示目标用户(e，f)到基站e的信道估计值。
wrt表示用户(r，t)的预编码；srt表示用户(r，t)的发送信号；sab表示用户(a，b)的发送信号；diag{·}表示对角矩阵，
Figure BDA00023098154500000811
为导频分配时基站间交互的信息；wxy为传统的MRC和ZF预编码，aab是矩阵
Figure BDA00023098154500000812
Figure BDA00023098154500000813
的第b列，Aa是第a个基站的信道矩阵，
Figure BDA00023098154500000814
Figure BDA00023098154500000815
表示第a个小区与第a个基站之间的信道，
Figure BDA0002309815450000091
中各个元素表示第a个小区里面的第Ka个用户与第a个基站之间的信道。
在目标用户(a，b)的下行接收信号中，对于传统MRC预编码，当
Figure BDA00023098154500000910
用户(l，m)不属于用户(i，k)所在的分组，所以hlik与wlm相互独立，
Figure BDA0002309815450000092
当(l，m)∈∧(i，k)，由于
Figure BDA0002309815450000093
而
Figure BDA0002309815450000094
中包含有hlik这一项，因此
Figure BDA0002309815450000095
因此，本发明通过设计NMRC和NZF两种下行预编码，能够在目标用户的预编码中预先减去上述干扰。
S4、根据下行预编码，进行下行链路数据传输。
进一步的，步骤S1中所述的“对大规模MIMO系统进行导频分配和参数配置”，其具体包括：
假设大规模MIMO系统采用时分双工通信方式，在上行链路中通过对所有用户进行分组的方式来进行导频分配，分别从每个小区中随机挑选一个用户组成一个导频分组，同一导频分组中的用户使用同一导频序列，不同导频分组的用户使用相互正交的导频序列。
设有L个相邻的小区，每个小区正中间有一个基站，每个基站配有M根天线，每个用户配置单天线；设上行链路发送数据帧总长度为Q，其中导频长度为P，则数据长度为Q-P；第i个小区中第k个用户表示为用户(i，k)，基站与小区使用同样的序号，即第l个小区中的基站记为基站l。
用户(i，k)使用的导频序列为τ×1维矢量
Figure BDA0002309815450000096
且
Figure BDA0002309815450000097
其中，Λ(l，m)表示用户(l，m)所在的导频分组，(i，k)∈Λ(l，m)表示用户(i，k)属于用户(l，m)所在的导频分组；用户(i，k)与基站l之间的信道hlik表示为
Figure BDA0002309815450000098
其中i，l∈{1，2，3，...L}，k∈{1，2，3，...，Ki}；
Figure BDA0002309815450000099
表示第i小区内的第k个用户到基站l的小尺度衰落矢量，其每个元素均服从均值为0方差为1的圆对称复高斯分布，即
Figure BDA0002309815450000101
βlik表示大尺度衰落系数，且
Figure BDA0002309815450000102
其中dlik表示第i小区内的第k个用户到基站l的距离，v是路径损耗指数。
进一步的，步骤S2中所述的“根据用户导频分配信息，进行上行信道估计”，其具体包括：
在TDD通信方式下，利用MMSE估计获得hlik的上行信道估计值
Figure BDA0002309815450000103
为
Figure BDA0002309815450000104
其中，(r，t)∈Λ(i，k)表示用户(r，t)属于用户(i，k)所在的导频分组，
Figure BDA0002309815450000105
表示用户(i，k)使用的τ×1维矢量的导频序列，pp表示每个用户的导频发射功率，
Figure BDA0002309815450000106
为加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise，AWGN)，其每个元素独立服从均值为0，方差为σ2的圆对称复高斯分布，即
Figure BDA0002309815450000107
且在本发明中所有出现的噪声均为AWGN，服从分布
Figure BDA0002309815450000108
进一步的，步骤S4中所述的“根据下行预编码，进行下行链路数据传输”，其具体包括：
由传统预编码可以得出，第i个小区的第k个用户的下行接收信号为
Figure BDA0002309815450000109
其中，p是每个基站的发射功率，
Figure BDA00023098154500001010
Figure BDA00023098154500001011
为第l个基站发送给本小区Kl个用户的信号，Wl表示第l个基站内所有用户的预编码，sl表示第l个基站发送给本小区所有用户的信号，
Figure BDA00023098154500001012
表示用户(i，k)到基站l的信道值的转置，nik表示用户(i，k)接收到的噪声。
因此代入本发明中提出的预编码，就可以得到目标用户和非目标用户的接收信号。具体地说，
在基站端对要发送给用户的信号，采用下行预编码对其进行处理后再进行发送(先乘以下行预编码(NMRC或者NZF)再进行发送)，并采用以下公式求得得到目标用户(a，b)的接收信号
Figure BDA0002309815450000111
(其它目标用户可以依此类推)：
Figure BDA0002309815450000112
其中，
Figure BDA0002309815450000113
表示采用新的预编码得到目标用户(a，b)的接收信号，p表示每个基站的发射功率；
Figure BDA0002309815450000114
表示目标用户(a，b)到基站a的信道的转置；wab表示目标用户(a，b)的传统预编码；sab表示目标用户(a，b)的发送信号；
Figure BDA0002309815450000115
表示目标用户(a，b)到基站l的信道的转置；
Figure BDA0002309815450000116
定示目标用户(a，b)到基站l的信道估计值；
Figure BDA0002309815450000117
表示目标用户(a，b)到基站a的信道估计值；wlm表示用户(l，m)的预编码；slm表示用户(l，m)的发送信号，
Figure BDA0002309815450000118
表示目标用户(a，b)到基站c的信道的转置；wcd表示用户(c，d)的传统预编码；scd表示用户(c，d)的发送信号；(l，m)∈∧(c，d)表示用户(l，m)属于用户(c，d)所在的导频分组；(l，m)≠(c，d)表示用户(l，m)和用户(c，d)不是同一用户；
Figure BDA0002309815450000119
表示目标用户(c，d)到基站l的信道估计值；
Figure BDA00023098154500001110
表示目标用户(c，d)到基站c的信道估计值；
Figure BDA00023098154500001111
表示目标用户(a，b)到基站e的信道值的转置；wef表示用户(e，f)的传统预编码；sef表示用户(e，f)的发送信号；
(l，m)∈∧(e，f)表示用户(l，m)属于用户(e，f)所在的导频分组；(l，m)≠(e，f)表示用户(l，m)和用户(e，f)不是同一用户；
Figure BDA00023098154500001112
表示目标用户(e，f)到基站l的信道估计值；
Figure BDA00023098154500001113
表示目标用户(e，f)到基站e的信道估计值；wlm表示用户(l，m)的预编码；slm表示用户(l，m)的发送信号；nab表示用户(a，b)接收到的噪声；
采用以下公式求得任意非目标用户(x，y)的接收信号
Figure BDA0002309815450000121
Figure BDA0002309815450000122
其中，
Figure BDA0002309815450000123
表示采用新的预编码得到目标用户(a，b)的接收信号，p表示每个基站的发射功率；
Figure BDA0002309815450000124
表示目标用户(a，b)到基站a的信道的转置；wab表示
目标用户(a，b)的传统预编码；sab表示目标用户(a，b)的发送信号；
Figure BDA0002309815450000125
表示目标用户(a，b)到基站l的信道的转置；
Figure BDA0002309815450000126
表示目标用户(a，b)到基站l的信道估计值；
Figure BDA0002309815450000127
表示目标用户(a，b)到基站a的信道估计值；wlm表示用户(l，m)的预编码；slm表示用户(l，m)的发送信号；
Figure BDA0002309815450000128
表示目标用户(a，b)到基站c的信道的转置；wcd表示用户(c，d)的预编码；scd表示用户(c，d)的发送信号；(l，m)∈∧(c，d)表示用户(l，m)属于用户(c，d)所在的导频分组；(l，m)≠(c，d)表示用户(l，m)和用户(c，d)不是同一用户；
Figure BDA0002309815450000129
表示目标用户(c，d)到基站l的信道估计值；
Figure BDA00023098154500001210
表示目标用户(c，d)到基站c的信道估计值；
Figure BDA00023098154500001211
表示目标用户(a，b)到基站e的信道值的转置；wef表示用户(e，f)的预编码；sef表示用户(e，f)的发送信号；
(l，m)∧(e，f)表示用户(l，m)属于用户(e，f)所在的导频分组；(l，m)≠(e，f)表示用户(l，m)和用户(e，f)不是同一用户；
Figure BDA00023098154500001212
表示目标用户(e，f)到基站l的信道估计值；
Figure BDA00023098154500001213
表示目标用户(e，f)到基站e的信道估计值；wlm表示用户(l，m)的预编码；slm表示用户(l，m)的发送信号；nab表示用户(a，b)接收到的噪声。
进一步的，所述的“利用MMSE估计获得hlik的上行信道估计值
Figure BDA0002309815450000131
为
Figure BDA0002309815450000132
”，其具体包括：
上行信道估计时，所有小区中用户同时向基站发送导频序列，则基站l接收到的导频信号为
Figure BDA0002309815450000133
当基站l接收到信号Fl，为了估计信道hlik，先采用导频
Figure BDA0002309815450000134
对信号Fl进行正交化处理
Figure BDA0002309815450000135
再用MMSE估计可得信道估计值
Figure BDA0002309815450000136
Figure BDA0002309815450000137
为了验证本发明提出的NMRC和NZF下行预编码的性能，本发明对采用这两种预编码方式的目标用户和任意非目标下行链路的信干噪比和频谱效率进行了计算分析：
(1)对于NMRC预编码，目标用户(a，b)的SINR和频谱效率分别为：
Figure BDA0002309815450000138
Figure BDA0002309815450000139
其中，
Figure BDA00023098154500001310
Figure BDA00023098154500001311
I3＝βeabr，t∈Λe，fβert+δ2pβeef2，
Figure BDA00023098154500001312
Figure BDA00023098154500001313
表示对于NMRC预编码，目标用户(a，b)的SINR；βart表示用户(r，t)到基站a的大尺度衰落系数；βaab表示用户(a，b)到基站a的大尺度衰落系数；δ2表示加性高斯白噪声n的方差，p表示每个基站的发射功率；
Figure BDA0002309815450000141
表示对于NMRC预编码，目标用户(a，b)的频谱效率；Q表示上行链路发送数据帧总长度；P表示导频长度；βcab表示用户(a，b)到基站c的大尺度衰落系数，βcrt表示用户(r，t)到基站c的大尺度衰落系数，βlab表示用户(a，b)到基站l的大尺度衰落系数，βlrt表示用户(r，t)到基站l的大尺度衰落系数，βcab表示用户(a，b)到基站c的大尺度衰落系数，βlcd表示用户(c，d)到基站l的大尺度衰落系数，βllm表示用户(l，m)到基站l的大尺度衰落系数，βccd表示用户(c，d)到基站c的大尺度衰落系数，βert表示用户(r，t)到基站e的大尺度衰落系数，
Figure BDA0002309815450000142
是βeef的平方，βeef表示用户(e，f)到基站e的大尺度衰落系数，βeab表示用户(a，b)到基站e的大尺度衰落系数，βlef表示用户(e，f)到基站l的大尺度衰落系数。(2)对于NZF预编码，目标用户(a，b)的SINR和频谱效率分别为：
Figure BDA0002309815450000143
Figure BDA0002309815450000144
其中，
Figure BDA0002309815450000145
Figure BDA0002309815450000146
Figure BDA0002309815450000147
Figure BDA0002309815450000151
Figure BDA0002309815450000152
其中，
Figure BDA0002309815450000153
表示对于NZF预编码，目标用户(a，b)的SINR；M表示天线总数；K表示用户总数；βaab表示目标用户(a，b)到基站a的大尺度衰落系数；
Figure BDA0002309815450000154
表示对于NZF预编码，目标用户(a，b)的频谱效率；βart表示用户(r，t)到基站a的大尺度衰落系数；δ2表示加性高斯白噪声n的方差，p表示每个基站的发射功率；Q表示上行链路发送数据帧总长度；P表示导频长度；βlab表示用户(a，b)到基站l的大尺度衰落系数；βlrt表示用户(r，t)到基站l的大尺度衰落系数；βcrt表示用户(r，t)到基站c的大尺度衰落系数；βert表示用户(r，t)到基站e的大尺度衰落系数；
(r，t)∈Λ(a，b)表示用户(r，t)属于用户(a，b)所在的导频分组，(l，m)≠(a，b)表示用户(l，m)和用户(a，b)不是同一用户，
(r，t)∈Λ(c，d)表示用户(r，t)属于用户(c，d)所在的导频分组，(r，t)≠(c，d)表示用户(r，t)和用户(c，d)不是同一用户，(r，t)∈Λ(e，f)表示用户(r，t)属于用户(e，f)所在的导频分组，(r，t)≠(e，f)表示用户(r，t)和用户(e，f)不是同一用户，(r，t)∈Λ(l，m)表示用户(r，t)属于用户(l，m)所在的导频分组，(r，t)≠(l，m)表示用户(r，t)和用户(l，m)不是同一用户。
(3)对于NMRC预编码，非目标用户(x，y)的SINR和频谱效率分别为：
Figure BDA0002309815450000161
Figure BDA0002309815450000162
其中
Figure BDA0002309815450000163
Figure BDA0002309815450000164
Figure BDA0002309815450000165
Figure BDA0002309815450000166
Figure BDA0002309815450000167
Figure BDA0002309815450000168
其中，
Figure BDA0002309815450000169
表示NMRC预编码，非目标用户(x，y)的SINR；
(r，t)∈Λ(x，y)表示用户(r，t)属于用户(x，y)所在的导频分组；(r，t)≠(x，y)表示用户(r，t)和用户(x，y)不是同一用户；
(r，t)∈Λ(a，b)表示用户(r，t)属于用户(a，b)所在的导频分组；(r，t)∈Λ(c，d)表示用户(r，t)属于用户(c，d)所在的导频分组；
(r，t)∈Λ(e，f)表示用户(r，t)属于用户(e，f)所在的导频分组；(r，t)∈Λ(l，m)表示用户(r，t)属于用户(l，m)所在的导频分组；(l，m)∈Λ(a，b)表示用户(l，m)属于用户(a，b)所在的导频分组；
(l，m)≠(a，b)表示用户(l，m)和用户(a，b)不是同一用户；(l，m)≠(c，d)表示用户(l，m)和用户(a，b)不是同一用户；
(l，m)≠(x，y)表示用户(l，m)和用户(x，y)不是同一用户；(l，m)≠(e，f)表示用户(l，m)和用户(e，f)不是同一用户；βxrt表示用户(r，t)到基站x的大尺度衰落系数；
Figure BDA0002309815450000171
表示对于NMRC预编码，非目标用户(x，y)的频谱效率；βaxy表示用户(x，y)到基站a的大尺度衰落系数，βart表示用户(r，t)到基站a的大尺度衰落系数，βcxy表示用户(x，y)到基站c的大尺度衰落系数，βcrt表示用户(r，t)到基站c的大尺度衰落系数，βexy表示用户(x，y)到基站e的大尺度衰落系数，βert表示用户(r，t)到基站e的大尺度衰落系数，βaab表示目标用户(a，b)到基站a的大尺度衰落系数；βccd表示目标用户(c，d)到基站c的大尺度衰落系数，βeef表示目标用户(e，f)到基站e的大尺度衰落系数，βlxy表示非目标用户(x，y)到基站l的大尺度衰落系数，βlrt表示用户(r，t)到基站l的大尺度衰落系数，βllm表示用户(l，m)到基站l的大尺度衰落系数，βlab表示目标用户(a，b)到基站l的大尺度衰落系数；βlcd表示目标用户(c，d)到基站l的大尺度衰落系数；βlef表示目标用户(e，f)到基站l的大尺度衰落系数，δ2表示加性高斯白噪声n的方差，p表示每个基站的发射功率，Q表示上行链路发送数据帧总长度；P表示导频长度。
(4)对于NZF预编码，非目标用户(x，y)的SINR和频谱效率分别为：
Figure BDA0002309815450000172
Figure BDA0002309815450000174
其中，
Figure BDA0002309815450000173
Figure BDA0002309815450000181
其中，
Figure BDA0002309815450000182
表示对于NZF预编码，非目标用户(x，y)的SINR；M表示天线总数；K表示用户总数；δ2表示加性高斯白噪声n的方差，p表示每个基站的发射功率，βxxy表示非目标用户(x，y)到基站x的大尺度衰落系数，βxrt表示用户(r，t)到基站x的大尺度衰落系数，βlik表示用户(i，k)到基站l的大尺度衰落系数，βaxy表示用户(x，y)到基站a的大尺度衰落系数，βart表示用户(r，t)到基站a的大尺度衰落系数，βcxy表示用户(x，y)到基站c的大尺度衰落系数，βcrt表示用户(r，t)到基站c的大尺度衰落系数，βert表示用户(r，t)到基站e的大尺度衰落系数，βlxy表示用户(x，y)到基站l的大尺度衰落系数，βlcd表示用户(c，d)到基站l的大尺度衰落系数，βccd表示用户(c，d)到基站c的大尺度衰落系数，(r，t)∈Λ(x，y)表示用户(r，t)属于用户(x，y)所在的导频分组；(r，t)∈Λ(l，m)表示用户(r，t)属于用户(l，m)所在的导频分组；(r，t)∈Λ(a，b)表示用户(r，t)属于用户(a，b)所在的导频分组；
(r，t)∈Λ(c，d)表示用户(r，t)属于用户(c，d)所在的导频分组；(r，t)∈Λ(e，f)表示用户(r，t)属于用户(e，f)所在的导频分组；(l，m)∈Λ(a，b)表示用户(l，m)属于用户(a，b)所在的导频分组；
(l，m)≠(a，b)表示用户(l，m)和用户(a，b)不是同一用户；(l，m)≠(c，d)表示用户(l，m)和用户(a，b)不是同一用户；
(l，m)∈Λ(e，f)表示用户(l，m)属于用户(e，f)所在的导频分组；(l，m)≠(e，f)表示用户(l，m)和用户(e，f)不是同一用户；(r，t)≠(e，f)表示用户(r，t)和用户(e，f)不是同一用户；(r，t)≠(l，m)表示用户(r，t)和用户(l，m)不是同一用户。
为了验证NMRC和NZF两种下行预编码的性能，需要与传统的预编码方案作对比，所以本发明通过理论分析分别得到了上述的系统模型下的MRC和ZF预编码方案的目标用户(a，b)的SINR和频谱效率。
(1)对于传统的MRC预编码方案，目标用户(a，b)的SINR和频谱效率是：
其中，
Figure BDA0002309815450000191
在上述公式中，
Figure BDA0002309815450000192
表示传统的MRC预编码方案，目标用户(a，b)的SINR。(r，t)∈Λ(a，b)表示用户(r，t)属于用户(a，b)所在的导频分组；(r，t)≠(a，b)表示用户(r，t)和用户(a，b)不是同一用户。δ2表示加性高斯白噪声n的方差，p表示每个基站的发射功率，βlab表示用户(a，b)到基站l的大尺度衰落系数，βlrt表示用户(r，t)到基站l的大尺度衰落系数，βllm表示用户(l，m)到基站l的大尺度衰落系数，βlab表示用户(a，b)到基站l的大尺度衰落系数，βlrt表示用户(r，t)到基站l的大尺度衰落系数，
Figure BDA0002309815450000193
表示传统的MRC预编码方案，目标用户(a，b)的频谱效率；Q表示上行链路发送数据帧总长度；P表示导频长度；(l，m)∈Λ(a，b)表示用户(l，m)属于用户(a，b)所在的导频分组；(l，m)≠(a，b)表示用户(l，m)和用户(a，b)不是同一用户；(r，t)∈Λ(l，m)表示用户(r，t)属于用户(l，m)所在的导频分组；
(l，m)∈Λ(c，d)表示用户(l，m)属于用户(c，d)所在的导频分组；(l，m)∈Λ(e，f)表示用户(l，m)属于用户(e，f)所在的导频分组。
(2)对于传统的ZF预编码方案，目标用户(a，b)的SINR和频谱效率是：
Figure BDA0002309815450000201
Figure BDA0002309815450000202
其中，
Figure BDA0002309815450000203
Figure BDA0002309815450000204
Figure BDA0002309815450000205
在上述公式中，
Figure BDA0002309815450000206
表示传统的ZF预编码方案，目标用户(a，b)的SINR。(r，t)∈Λ(a，b)表示用户(r，t)属于用户(a，b)所在的导频分组；(r，t)≠(a，b)表示用户(r，t)和用户(a，b)不是同一用户。M表示天线总数；K表示用户总数；βxxy表示用户(x，y)到基站x的大尺度衰落系数，βxrt表示用户(r，t)到基站x的大尺度衰落系数，βlik表示用户(i，k)到基站l的大尺度衰落系数，βaxy表示用户(x，y)到基站a的大尺度衰落系数，βart表示用户(r，t)到基站a的大尺度衰落系数，βcxy表示用户(x，y)到基站c的大尺度衰落系数，βcrt表示用户(r，t)到基站c的大尺度衰落系数，βert表示用户(r，t)到基站e的大尺度衰落系数，βexy表示用户(x，y)到基站e的大尺度衰落系数，βlxy表示用户(x，y)到基站l的大尺度衰落系数，βlcd表示用户(c，d)到基站l的大尺度衰落系数，βccd表示用户(c，d)到基站c的大尺度衰落系数，(r，t)∈Λ(a，b)表示用户(r，t)属于用户(a，b)所在的导频分组；
(r，t)∈Λ(c，d)表示用户(r，t)属于用户(c，d)所在的导频分组；(r，t)∈Λ(e，f)表示用户(r，t)属于用户(e，f)所在的导频分组；(l，m)∈Λ(a，b)表示用户(l，m)属于用户(a，b)所在的导频分组；
(l，m)≠(a，b)表示用户(l，m)和用户(a，b)不是同一用户；(l，m)≠(c，d)表示用户(l，m)和用户(a，b)不是同一用户；
(l，m)∈Λ(e，f)表示用户(l，m)属于用户(e，f)所在的导频分组；(l，m)∈Λ(c，d)表示用户(l，m)属于用户(c，d)所在的导频分组；(l，m)≠(e，f)表示用户(l，m)和用户(e，f)不是同一用户；
(r，t)≠(e，f)表示用户(r，t)和用户(e，f)不是同一用户；(r，t)≠(l，m)表示用户(r，t)和用户(l，m)不是同一用户；
(r，t)≠(a，b)表示用户(r，t)和用户(a，b)不是同一用户；(r，t)≠(c，d)表示用户(r，t)和用户(c，d)不是同一用户；
(l，m)≠(x，y)表示用户(l，m)和用户(x，y)不是同一用户。
同样为了了解新的预编码对任意非目标用户(x，y)性能的影响，需要推导出使用传统预编码时非目标用户(x，y)表达式与之对比。因为传统的MRC和ZF预编码对目标用户(a，b)和非目标用户(x，y)的分析是一样的，所以非目标用户(x，y)的SINR和频谱效率的分析在本发明中将不再赘述。
本发明通过理论分析得到两种新预编码方案(NMRC和NZF下行预编码)下目标用户和非目标用户的下行链路信干噪比和频谱效率的表达式，并与传统的ZF和MRC预编码的下行链路信干噪比和频谱效率性能进行比较。为了说明本发明中两种预编码的有益效果，基于上述各种情况下的下行链路信干噪比和频谱效率的推导公式，本发明进行了仿真实验。
本发明中所有仿真条件是发送天线数M＝100，用户数L＝12，发送数据总长度Q＝30，导频数P＝3，假设导频发射功率为pp与下行链路数据发射功率p相等，即pp＝p＝10W，噪声方差δ2＝1。
图3所示的是目标用户(a，b)在不同预编码方案下用户的和信干噪比随导频发射功率的变化情况，由图3可知，随着发射功率的增加，用户的和信干噪比也随之增加，并可以看出，在导频发射功率一定的情况下，NZF的性能优于ZF，NMRC的性能优于MRC，所以新提出的预编码可以有效提高下行链路性能。用户的和信干噪比表示所有用户的信干噪比之和。
图4所示的是非目标用户(x，y)在不同预编码方案下用户的信干噪比随导频发射功率的变化情况。由图4可知，随着导频发射功率的增加，用户的和信干噪比也随之增加，且在导频发射功率一定的情况下，NZF的性能优于ZF，NMRC的性能优于MRC。与图3相比，虽然没有目标用户的SINR提高那么明显，但是与传统MRC，ZF预编码相比SINR还是有一定的提高。由此可以看出，本发明新提出的NMRC和NZF预编码方法在提升目标用户的SINR同时对其他用户的SINR也有一定的提高。
综上所述，本发明利用上行信道的估计信息来设计下行预编码，具有较低的运算复杂度，同时相对于传统的最大比合并和迫零预编码，本发明提出的两种下行预编码，可以明显提高系统的信干噪比和频谱效率。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.TDD大规模MIMO系统中的下行预编码方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1、对大规模MIMO系统进行导频分配和参数配置；
假设大规模MIMO系统采用时分双工通信方式，在上行链路中通过对所有用户进行分组的方式来进行导频分配，分别从每个小区中随机挑选一个用户组成一个导频分组，同一导频分组中的用户使用同一导频序列，不同导频分组的用户使用相互正交的导频序列；
设有L个相邻的小区，每个小区正中间有一个基站，每个基站配有M根天线，每个用户配置单天线；设上行链路发送数据帧总长度为Q，其中导频长度为P，则数据长度为Q-P；第i个小区中第k个用户表示为用户(i,k)，基站与小区使用同样的序号，即第l个小区中的基站记为基站l；
用户(i,k)使用的导频序列为τ×1维矢量
Figure FDA0003514780890000011
且
Figure FDA0003514780890000012
其中，
Figure FDA0003514780890000013
表示用户(i,k)的导频序列的转置，
Figure FDA0003514780890000014
表示用户(l,m)的导频序列，
Figure FDA0003514780890000015
表示用户(i,k)的导频序列与用户(l,m)的导频序列相互正交，Λ(l,m)表示用户(l,m)所在的导频分组，(i,k)∈Λ(l,m)表示用户(i,k)属于用户(l,m)所在的导频分组；用户(i,k)与基站l之间的信道hlik表示为
Figure FDA0003514780890000016
其中i,l∈{1,2,3,…L},k∈{1,2,3,…,Ki}；
Figure FDA0003514780890000017
表示第i小区内的第k个用户到基站l的小尺度衰落矢量，其每个元素均服从均值为0方差为1的圆对称复高斯分布，即
Figure FDA0003514780890000018
βlik表示大尺度衰落系数，且
Figure FDA0003514780890000019
其中dlik表示第i小区内的第k个用户到基站l的距离，v是路径损耗指数；
S2、根据用户导频分配信息，进行上行信道估计；
S3、根据上行信道估计结果，利用基站信道的互易性，构造新最大合并比NMRC下行预编码和新迫零NZF下行预编码：
采用公式
Figure FDA0003514780890000021
求得目标用户(a,b)的下行预编码gab；根据wab取值的不同，设当
Figure FDA0003514780890000022
时的gab为NMRC下行预编码，当
Figure FDA0003514780890000023
时的gab为NZF下行预编码；
采用公式gxy＝wxy求得非目标用户(x,y)的下行预编码gxy；
其中，wab为目标用户(a,b)传统的预编码，Λ(a,b)表示用户(a,b)所在的导频分组，(r,t)∈Λ(a,b)表示用户(r,t)属于用户(a,b)所在的导频分组，(r,t)≠(a,b)表示用户(r,t)和用户(a,b)不是同一用户；
Figure FDA0003514780890000024
表示目标用户(a,b)到基站r的信道估计值；
Figure FDA0003514780890000025
表示目标用户(a,b)到基站a的信道估计值；wrt表示用户(r,t)的预编码；srt表示用户(r,t)的发送信号；sab表示用户(a,b)的发送信号；diag{·}表示对角矩阵，
Figure FDA0003514780890000026
为导频分配时基站间交互的信息；wxy为传统的MRC和ZF预编码，aab是矩阵
Figure FDA0003514780890000027
的第b列，Aa是第a个基站的信道矩阵，
Figure FDA0003514780890000028
Figure FDA0003514780890000029
表示第a个小区与第a个基站之间的信道，
Figure FDA00035147808900000210
中各个元素表示第a个小区里面的第Ka个用户与第a个基站之间的信道；
S4、根据下行预编码，进行下行链路数据传输。
2.根据权利要求1所述的TDD大规模MIMO系统中的下行预编码方法，其特征在于：步骤S2中所述的“根据用户导频分配信息，进行上行信道估计”，其具体包括：
在TDD通信方式下，利用最小均方误差MMSE估计获得hlik的上行信道估计值
Figure FDA00035147808900000211
为
Figure FDA00035147808900000212
其中，(r,t)∈Λ(i,k)表示用户(r,t)属于用户(i,k)所在的导频分组，
Figure FDA00035147808900000213
表示用户(i,k)使用的τ×1维矢量的导频序列，βlrt表示用户(r,t)到基站l的大尺度衰落系数，hlrt表示用户(r,t)到基站l的信道值，pp表示每个用户的导频发射功率，
Figure FDA0003514780890000031
为加性高斯白噪声，其每个元素独立服从均值为0，方差为σ2的圆对称复高斯分布,即
Figure FDA0003514780890000032
3.根据权利要求1所述的TDD大规模MIMO系统中的下行预编码方法，其特征在于：步骤S4中所述的“根据下行预编码，进行下行链路数据传输”，其具体包括：
在基站端对要发送给用户的信号，采用下行预编码对其进行处理后再进行发送，并采用以下公式求得得到目标用户(a,b)的接收信号
Figure FDA0003514780890000033
Figure FDA0003514780890000034
其中，
Figure FDA0003514780890000035
表示采用新的预编码得到目标用户(a,b)的接收信号，p表示每个基站的发射功率；
Figure FDA0003514780890000036
表示目标用户(a,b)到基站a的信道的转置；wab表示目标用户(a,b)的传统预编码，sab表示目标用户(a,b)的发送信号；
Figure FDA0003514780890000037
表示用户(a,b)到基站l的信道的转置；
Figure FDA0003514780890000038
表示目标用户(a,b)到基站l的信道估计值；
Figure FDA0003514780890000039
表示目标用户(a,b)到基站a的信道估计值；wlm表示用户(l,m)的预编码；slm表示用户(l,m)的发送信号；
Figure FDA00035147808900000310
表示目标用户(a,b)到基站c的信道的转置；wcd表示用户(c,d)的传统预编码；scd表示用户(c,d)的发送信号；(l,m)∈∧(c,d)表示用户(l,m)属于用户(c,d)所在的导频分组；(l,m)≠(c,d)表示用户(l,m)和用户(c,d)不是同一用户；
Figure FDA0003514780890000041
表示目标用户(c,d)到基站l的信道估计值；
Figure FDA0003514780890000042
表示目标用户(c,d)到基站c的信道估计值；
Figure FDA0003514780890000043
表示目标用户(a,b)到基站e的信道值的转置；wef表示用户(e,f)的传统预编码；sef表示用户(e,f)的发送信号；
(l,m)∈∧(e,f)表示用户(l,m)属于用户(e,f)所在的导频分组；(l,m)≠(e,f)表示用户(l,m)和用户(e,f)不是同一用户；
Figure FDA0003514780890000044
表示目标用户(e,f)到基站l的信道估计值；
Figure FDA0003514780890000045
表示目标用户(e,f)到基站e的信道估计值；wlm表示用户(l,m)的预编码；slm表示用户(l,m)的发送信号；nab表示用户(a,b)接收到的噪声；
采用以下公式求得任意非目标用户(x,y)的接收信号
Figure FDA0003514780890000046
Figure FDA0003514780890000047
其中，
Figure FDA0003514780890000048
表示采用新的预编码时任意的非目标用户(x,y)的接收信号，
Figure FDA0003514780890000049
表示任意用户(x,y)到基站x的信道的转置，wxy表示任意非目标用户(x,y)的传统预编码，sxy表示任意非目标用户(x,y)的发送信号，p表示每个基站的发射功率；
Figure FDA00035147808900000410
表示非目标用户(x,y)到基站a的信道值的转置，wab表示用户(a,b)的预编码，sab表示用户(a,b)的发送信号，
Figure FDA00035147808900000411
表示非目标用户(x,y)到基站l的信道值的转置，
Figure FDA00035147808900000412
表示非目标用户(x,y)到基站c的信道值的转置。
4.根据权利要求2所述的TDD大规模MIMO系统中的下行预编码方法，其特征在于：所述的“利用MMSE估计获得hlik的上行信道估计值
Figure FDA00035147808900000413
为
Figure FDA0003514780890000051
其具体包括：
上行信道估计时，所有小区中用户同时向基站发送导频序列，则基站l接收到的导频信号为
Figure FDA0003514780890000052
当基站l接收到信号Fl，为了估计信道hlik，先采用导频
Figure FDA0003514780890000053
对信号Fl进行正交化处理
Figure FDA0003514780890000054
再用MMSE估计可得信道估计值
Figure FDA0003514780890000055
其中，
Figure FDA0003514780890000056
pp表示每个用户的导频发射功率；βlik表示大尺度衰落系数，且
Figure FDA0003514780890000057
Figure FDA0003514780890000058
dlik表示第i小区内的第k个用户到基站l的距离，v是路径损耗指数；
Figure FDA0003514780890000059
表示第i小区内的第k个用户到基站l的小尺度衰落矢量，其每个元素均服从均值为0方差为1的圆对称复高斯分布，即
Figure FDA00035147808900000510
Figure FDA00035147808900000511
表示用户(i,k)使用的导频序列；
Figure FDA00035147808900000512
为加性高斯白噪声，其每个元素独立服从均值为0，方差为σ2的圆对称复高斯分布,即
Figure FDA00035147808900000513
(r,t)∈Λ(i,k)表示用户(r,t)属于用户(i,k)所在的导频分组；βlrt表示用户(r,t)到基站l的大尺度衰落系数；hlrt表示用户(r,t)到基站l的信道值。
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