[發(fā)明專利]一種基于改進(jìn)的牛頓迭代法的大規(guī)模MIMO預(yù)編碼方法

有效

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• 申請日: 2016-12-30
• 公開（公告）號: CN106788644B
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李正權(quán);滿勇強(qiáng);張弛;燕鋒;夏瑋瑋;沈連豐;王兵;胡靜;宋鐵成
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: H04L25/02
• 分類號: H04L25/02;H04B7/0456;H04B7/0413
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發(fā)明公開了一種基于改進(jìn)的牛頓迭代法的大規(guī)模MIMO預(yù)編碼方法。包括步驟如下：首先估計信道矩陣，通過得到的信道矩陣計算RZF預(yù)編碼表達(dá)式。然后采用牛頓迭代法對RZF預(yù)編碼算法中的逆矩陣進(jìn)行估計，將矩陣求逆運算轉(zhuǎn)化成矩陣加法和矩陣乘法運算，最后利用得到的預(yù)編碼矩陣對發(fā)送信號進(jìn)行預(yù)編碼。改進(jìn)的牛頓迭代法是構(gòu)建高階迭代式，將位于0附近的特征值經(jīng)過變換，使其更加靠近1，1附近的特征值保持不變，從而加快牛頓迭代的收斂速度。實驗結(jié)果表明，當(dāng)?shù)螖?shù)超過4次時，傳統(tǒng)的牛頓迭代法的性能優(yōu)于基于泰勒級數(shù)展開的逆矩陣估計算法。在迭代次數(shù)為2時，改進(jìn)的牛頓迭代優(yōu)化算法就已經(jīng)能獲得大約95％的RZF預(yù)編碼平均用戶到達(dá)率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于移動通信領(lǐng)域，主要涉及基于改進(jìn)的牛頓迭代法的大規(guī)模MIMO預(yù)編碼方法。

技術(shù)背景

大規(guī)模MIMO系統(tǒng)是第五代移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過在基站和用戶端配備大量天線，顯著地提高系統(tǒng)的信道容量、數(shù)據(jù)傳輸速率、頻譜效率和通信質(zhì)量。由于隨著用戶數(shù)目的增加，用戶接收信號中存在大量的用戶間干擾，因此在發(fā)射端引入預(yù)編碼技術(shù)。在下行鏈路中，基站首先通過信道估計得到信道狀態(tài)信息(CSI，channel stateinformation)，然后基于CSI將調(diào)制后的發(fā)射信號進(jìn)行預(yù)編碼，以便消除用戶間干擾，匹配信道衰落。

傳統(tǒng)的預(yù)編碼算法可以根據(jù)運算特性分為線性預(yù)編碼和非線性預(yù)編碼兩類。線性預(yù)編碼是使用線性運算處理信息，算法實現(xiàn)簡單，計算復(fù)雜度低。主要有迫零預(yù)編碼(ZF)、匹配濾波預(yù)編碼(MF)和最小均方誤差預(yù)編碼(MMSE)等。非線性預(yù)編碼是使用非線性運算處理信息，可以獲得很好的系統(tǒng)性能，但是計算復(fù)雜度過高，不適用于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)。

在線性預(yù)編碼中，基于規(guī)則化迫零(Regularized ZF,RZF)預(yù)編碼具有很好的性能和較低的復(fù)雜度，它是在ZF預(yù)編碼和MMSE預(yù)編碼算法的基礎(chǔ)上提出來的。但是隨著天線數(shù)目的增加，RZF預(yù)編碼存在高維矩陣求逆的過程，具有很高的計算復(fù)雜度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供了一種基于改進(jìn)的牛頓迭代的大規(guī)模MIMO預(yù)編碼方法，該方法采用牛頓迭代法對高維矩陣求逆過程進(jìn)行估計，將矩陣求逆過程轉(zhuǎn)化為矩陣乘法和矩陣加法的迭代過程。并且對牛頓迭代法進(jìn)行改進(jìn)，加快收斂速度，減少迭代次數(shù)。利用改進(jìn)的牛頓迭代法對RZF預(yù)編碼進(jìn)行估計，算法收斂速度快，在迭代次數(shù)較小的情況下得到性能優(yōu)的預(yù)編碼矩陣。

本發(fā)明所述的基于改進(jìn)的牛頓迭代的大規(guī)模MIMO預(yù)編碼方法包括：

(1)估計大規(guī)模MIMO的信道矩陣，通過得到的信道矩陣計算RZF預(yù)編碼矩陣；

(2)采用改進(jìn)的牛頓迭代法對RZF預(yù)編碼矩陣中的逆矩陣進(jìn)行估計，將矩陣求逆運算轉(zhuǎn)化成矩陣加法和矩陣乘法運算，其中，改進(jìn)的牛頓迭代法是構(gòu)建高階迭代式，將位于0附近的特征值經(jīng)過變換，使其更加靠近1，1附近的特征值保持不變，從而加快牛頓迭代的收斂速度；

(3)利用得到的預(yù)編碼矩陣對發(fā)送信號進(jìn)行預(yù)編碼。

其中，步驟(1)具體包括：

(1-1)設(shè)置大規(guī)模MIMO發(fā)射天線數(shù)量為M，接收天線數(shù)量為K，信道為慢衰落信道，則信道向量為：

h_k～CN(0_M×1,Φ),k＝1,...,K

式中，h_k表示第k個信道向量，h_k～CN(0_M×1,Φ)表示h_k服從均值為0_M×1方差為Φ的分布，0_M×1表示M行1列的0矩陣，Φ是信道的相干矩陣，具有有界的譜范數(shù)；

(1-2)對信道向量進(jìn)行估計，得到信道向量的估計值為：