[發明專利]一種大規模多天線系統中多用戶信號的檢測方法

有效

• 申請號: 201510044838.5
• 申請日: 2015-01-29
• 公開（公告）號: CN104618061B
• 公開（公告）日: 2017-11-28
• 發明（設計）人: 粟欣;曾捷;肖馳洋;肖立民;趙明;王京
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H04L1/00
• 分類號: H04L1/00;H04L1/06
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙)11201
• 代理人: 羅文群

1.一種大規模多天線系統中多用戶信號的檢測方法，其特征在于該檢測方法包括以下步驟：

(1)設大規模多天線系統中的基站天線數為N，用戶數為K，每個用戶配置一根天線，則大規模多天線系統的上行信道矩陣為其中代表復數域，K個用戶在T個時隙內的用戶發射信號為其中R為用戶信號編碼的碼率，發射信號S經過信道編碼、交織和符號映射后，得到天線發射信號，記為天線發射信號的功率為天線發射信號X通過用戶的天線發射，經過信道，在基站的N根天線得到基站接收信號，記為Y＝HX+W，其中，W表示基站接收信號中的加性高斯白噪聲，矩陣W中的元素為基站接收信號的信噪比為

(2)計算上述基站接收信號的匹配濾波向量其中為T個時隙內時刻t的上行信道矩陣H_t的共軛轉置，y_t為上述基站接收信號Y中的第t列，表示基站在時刻t接收到的信號向量；

(3)計算上述大規模多天線系統的上行信道矩陣的Gram矩陣G_t，其中ρ為基站接收信號的信噪比，I_K為K階單位矩陣；

(4)用Lanczos過程，計算得到與上述G_t相關的列正交矩陣Q和對稱三對角矩陣T，具體過程如下：

(4-1)計算在時刻t上述基站接收信號y_t的最小均方誤差均衡矩陣C_t，用該最小均方誤差均衡矩陣C_t對y_t進行濾波，得到時刻t的天線發射信號x_t的估計值

(4-2)建立一個大規模多天線系統中檢測的等效線性方程組模型采用Lanczos過程，求解等效線性方程組模型，得到時刻t的天線發射信號x_t的估計值具體步驟如下；

(4-2-1)初始化：設迭代次數閾值P，設估計值的初始值為則上述模型的初始余向量為r₀，余向量r₀的模為β，β＝||r₀||₂，建立一個列正交矩陣Q，初始化時，列正交矩陣Q的第零列和第一列分別為q₀＝0和建立一個對稱三對角矩陣T，初始化時，對稱三對角矩陣T的第一個主對角元為α₁，其中表示q₁的共軛轉置，第零個次對角元為θ₀＝0，第一次迭代中的列正交矩陣Q₁＝[q₁]，第一次迭代中的對稱三對角矩陣T₁＝[α₁]，設置迭代變量p＝1；

(4-2-2)經過p次迭代后，得到上述模型的余向量r_p，r_p＝G_tq_p-α_pq_p-θ_p-1q_p-1，并根據該余向量，計算第p次迭代時得到的對稱三對角矩陣T_p+1的第p+1行上的次對角元θ_p＝||r_p||₂，對θ_p進行判斷，若θ_p＝0，則判定Lanczos過程發生良性中斷，停止迭代，并令P＝p，Q＝Q_p，T＝T_p，進行步驟(5)，若θ_p≠0，則依次進行步驟(4-2-3)-步驟(4-2-6)；

(4-2-3)根據上述p次迭代后的模型余向量r_p，計算第p次迭代時得到的列正交矩陣Q_p+1的第p+1列：

(4-2-4)根據上述列正交矩陣Q_p+1的第p+1列q_p+1，計算對稱三對角矩陣T_p+1在第p+1行上的主對角元：其中表示q_p+1的共軛轉置；

(4-2-5)根據步驟(4-2-2)、步驟(4-2-3)和步驟(4-2-4)的計算結果，分別更新上述列正交矩陣和對稱三對角矩陣為：Q_p+1＝[Q_p,q_p+1]，

(4-2-6)更新迭代變量使p＝p+1，根據上述迭代次數閾值P對迭代變量p進行判斷，若p＞P，則停止迭代，并使Q＝Q_p，T＝T_p，進行步驟(5)，若p≤P，則進行步驟(4-2-2)；

(5)對上述步驟(4)得到的對稱三對角矩陣T進行LU分解，得到對稱三對角矩陣T的下雙對角矩陣L和上雙角矩陣U，具體過程如下：

(5-1)建立對稱三對角矩陣T的下雙對角矩陣L和上雙角矩陣U，對L和U進行初始化，使得L＝I_P，U＝I_P，使U的第一行第一列的元素為U_1,1＝T_1,1，U的第一行第二列的元素為U_1,2＝T_1,2，設置迭代閾值M，使M＝P，從迭代變量為m＝2開始迭代；

(5-2)根據步驟(4)得到的對稱三對角矩陣T，以及第m-1次迭代得到的下雙對角矩陣L和上雙角矩陣U，計算第m次迭代得到的下雙對角矩陣L的第m行第m-1列的元素上雙角矩陣U的第m行第m列的元素U_m,m＝T_m,m-L_m,m-1U_m-1,m和上雙角矩陣U的第m行第m+1列的元素U_m,m+1＝T_m,m+1-L_m,m-1U_m-1,m；

(5-3)使迭代變量m＝m+1，對迭代變量m進行判斷，若m＜M，則進行步驟(5-2)-步驟(5-3)，若m≥M，則停止迭代，進行步驟(5-4)；

(5-4)根據步驟(4)得到的對稱三對角矩陣T，以及上述第M-1次迭代得到的下雙對角矩陣L和上雙角矩陣U，計算得到第M次迭代得到的下雙對角矩陣L的第M行第M-1列的元素和上雙角矩陣U的第M行第M列的元素U_M,M＝T_M,M-L_M,M-1U_M-1,M；

(6)根據上述步驟(5)下雙對角矩陣L和上雙角矩陣U，求解上述天線發射信號x_t的估計值在步驟(4)的列正交矩陣Q的各列張成的線性子空間中的坐標向量z，具體過程如下：

(6-1)定義一個中間變量b，b＝Uz，其中U為上述步驟(5)中的上雙對角矩陣，z為上述天線發射信號x_t的估計值在步驟(4)的列正交矩陣Q的各列張成的線性子空間中的坐標向量；

(6-2)利用上述步驟(5)下雙對角矩陣L，通過Lb＝βe₁求解中間變量b，β為上述步驟(4-2-1)中的初始余向量r₀的模，e₁的第一個元素為1，其他元素均為0，求解過程為：對b的第一個元素，根據下雙對角矩陣L的第一個對角元L_1,1，求解b₁＝β/L_1,1，對b的第j個元素b_j，j＝2,…,P，根據b的第j-1個元素b_j-1和下雙對角矩陣L的j第行上的元素L_j,j-1和L_j,j，依次求解

(6-3)根據上述b的第P個元素b_P和上述上雙對角矩陣U的第P個對角元U_P,P，求解z的第P個元素為z_P＝b_P/U_P,P，對z的第i個元素z_i，i＝P-1,…,1，根據上述b的第i個元素b_i，z的第i+1個元素z_i+1和上雙對角矩陣U的第i行上的元素對角元U_i,i和U_i,i+1依次求解z的第i個元素其中P為上述步驟(4)中的迭代閾值；

(7)將上述列正交矩陣Q的各列按照z的各個元素進行線性組合，得到上述天線發射信號x_t的估計值

(8)根據對數似然比的定義，分別計算與中每一個用戶信號的每個比特相對應的對數似然比，具體過程如下：

(8-1)利用步驟(5)中對稱三對角矩陣T的下雙對角矩陣L和上雙角矩陣U，得到對稱三對角矩陣T的逆T^-1：T^-1＝[a₁ … a_P]，其中，對T^-1的第c列a_c，1≤c≤P，通過求解LUa_c＝e_c得到，且除第c個元素為1外，其余元素都為0，具體過程如下：

(8-1-1)定義一個中間變量g，g＝Ua_c，其中U為上述步驟(5)中的上雙對角矩陣，a_c為對稱三對角矩陣T的逆T^-1中的第c列；

(8-1-2)利用上述步驟(5)的下雙對角矩陣L，通過Lg＝e_c求解中間變量g，其中e_c的值除第c個元素為1外，其余元素都為0，求解過程為：對g的第一個元素，根據下雙對角矩陣L的第一個對角元L_1,1和e_c的第一個元素e_c,1，g的第一個元素為：g₁＝e_c,1/L_1,1，對g的第l個元素g_l，l＝2,…,P，根據g的第l-1個元素g_l-1、e_c的第l個元素e_c,l和下雙對角矩陣L的l第行上的元素L_l,l-1和L_l,l，依次求解

(8-1-3)根據上述g的第P個元素g_P和上述上雙對角矩陣U的第P個對角元U_P,P，求解a_c的第P個元素為a_c,P＝g_P/U_P,P，對a_c的第n個元素a_c,n，n＝P-1,…,1，根據上述g的第n個元素g_n，a_c的第n+1個元素a_c,n+1和上雙對角矩陣U的第n行上的元素對角元U_n,n和U_n,n+1，依次求解a_c的第n個元素其中P為上述步驟(4)中的迭代閾值；

(8-2)根據上述步驟(4)的列正交矩陣Q、對稱三對角T和上述步驟(2)的時刻t的上行信道矩陣H_t，計算大規模多天線系統中各用戶發射信號x_t與發射信號估計值之間的等效信道增益矩陣B，并計算大規模多天線系統中多用戶信號的等效接收噪聲計算的協方差矩陣Θ，其中T^-1是T的逆；

(8-3)根據上述等效信道增益矩陣B和等效噪聲的協方差矩陣Θ，得到大規模多天線系統中第k個用戶的等效信道增益μ_k，μ_k為上述等效信道增益矩陣B的第k個對角元B_k,k，計算第k個用戶的發射信號受到其他用戶發射信號的干擾強度In_k，In_k＝∑_u,u≠k|B_k,u|²E_s，計算第k個用戶的發射信號在被基站接收時基站接收到的噪聲的強度N_k，N_k＝Θ_k,kN₀，并得到上述干擾強度與噪聲強度之和其中1≤k≤K，u代表除第k個用戶外的其他用戶；

(8-4)根據對數似然比的定義，計算每個用戶信號中每個比特的對數似然比L_k,b，其中，L_k,b表示第k個用戶的天線發射信號x_t,k中第b個比特的對數似然比，和分別表示第b個比特為0和1的所有可用符號的集合，a和a'分別表示和中的符號；

(9)對步驟(8)中得到的對數似然比進行解交織和信道譯碼，得到t時刻各用戶發射的比特序列的檢測結果實現對大規模多天線系統中多用戶信號的檢測。