[發(fā)明專利]多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的非線性混合預(yù)編碼設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010845429.6
• 申請日: 2020-08-20
• 公開（公告）號: CN112118033B
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王華;袁明浩;孫藝瑋;何東軒
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: H04B7/0456
• 分類號: H04B7/0456
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專利中心 11120
• 代理人: 溫子云

1.一種多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)下的非線性混合預(yù)編碼設(shè)計方法，其特征在于，包括基站端的數(shù)字預(yù)編碼器和模擬預(yù)編碼器設(shè)計，基站端的非線性湯姆林森-哈拉希瑪預(yù)編碼THP，以及每個用戶端的模擬合成器和數(shù)字合成器的設(shè)計；該方法具體包括：

步驟一、基于格拉姆-施密特正交化思想，串行地設(shè)計每一個用戶k對應(yīng)的基站端的模擬預(yù)編碼器F_RF,k與用戶端的模擬合成器W_RF,k，消除已完成模擬預(yù)編碼器設(shè)計的用戶對未完成模擬預(yù)編碼器設(shè)計的用戶造成的干擾；

步驟二、對基站端的模擬預(yù)編碼器F_RF＝[F_RF,1,…,F_RF,K]和每個用戶端的模擬合成器W_RF,k進行QR分解，構(gòu)造出低維的下行等效基帶信道H_eq；K為用戶總數(shù)；

步驟三、考慮基于最小均方誤差-判決反饋均衡MMSE-DFE的多用戶MIMO系統(tǒng)的上行鏈路，采用和功率迭代注水算法推導(dǎo)出最優(yōu)的上行等效數(shù)字預(yù)編碼器F_U，其能夠達到上行等效基帶信道的容量；同時根據(jù)最優(yōu)的上行等效數(shù)字預(yù)編碼器得到上行等效數(shù)字合成器W_U和上行判決反饋矩陣B_U；

步驟四、利用時分雙工系統(tǒng)的上行鏈路-下行鏈路的對偶性，通過臟紙編碼實現(xiàn)的下行等效基帶信道H_eq的容量準確地等于通過MMSE-DFE實現(xiàn)的其對偶的上行等效基帶信道的容量，設(shè)計能夠達到下行等效基帶信道容量的下行等效數(shù)字預(yù)編碼器F_D、下行等效數(shù)字合成器W_D和下行干擾反饋矩陣B_D，以提高系統(tǒng)的總頻譜效率；

所述步驟四包括：

步驟4.1：計算基于MMSE-DFE的上行多用戶MIMO系統(tǒng)的每個子信道的SINR；上行多用戶MIMO系統(tǒng)第i個子信道的SINR表示為：

其中，對上行等效數(shù)字預(yù)編碼器F_U的每一列進行歸一化處理使其滿足其中表示第i個列向量f_i的l₂范數(shù)，p_i表示分配給第i個數(shù)據(jù)流的功率，N_s為每個用戶支持的數(shù)據(jù)流個數(shù)；對上行等效數(shù)字合成器W_U的每一列進行歸一化處理使得其中c_i被認為是用于信道均衡的MMSE加權(quán)系數(shù)；η為噪聲功率與每個數(shù)據(jù)流的發(fā)射功率之比；

步驟4.2：推導(dǎo)基于臟紙編碼的下行多用戶MIMO系統(tǒng)的每個子信道的SINR；下行多用戶MIMO系統(tǒng)第i個子信道的SINR表示為：

其中，定義下行等效數(shù)字預(yù)編碼器其中q_i表示分配給第i個數(shù)據(jù)流的未知的功率；定義全部K個用戶的下行等效數(shù)字合成器其中d_i表示用于信道均衡的未知的MMSE加權(quán)系數(shù)；

步驟4.3：利用時分雙工系統(tǒng)的上行鏈路-下行鏈路的對偶性，計算未知的下行功率分配系數(shù)和均衡器系數(shù)從而推導(dǎo)出能夠達到下行等效基帶信道H_eq容量的下行等效數(shù)字預(yù)編碼器F_D、下行等效數(shù)字合成器W_D以及用于非線性預(yù)處理的干擾反饋矩陣B_D：

其中，D_p，D_c和D_d為對角線元素是和的對角矩陣；F_U、W_U和B_U分別是是步驟三中已求出的上行等效數(shù)字預(yù)編碼器，上行等效數(shù)字合成器和上行判決反饋矩陣；

步驟五、基于BD-UCD的信道分解方式，以改善誤碼率性能為目標，優(yōu)化下行等效數(shù)字預(yù)編碼器F_D、下行等效數(shù)字合成器W_D和下行干擾反饋矩陣B_D；

優(yōu)化的下行等效數(shù)字預(yù)編碼器F_D、下行等效數(shù)字合成器W_D、下行干擾反饋矩陣B_D分別為：

其中，是半酉矩陣，Q_u是Q的前行，是對角矩陣，blkdiag{Λ₁,…,Λ_K}表示將若干個矩陣合并為一個具有塊對角化結(jié)構(gòu)的矩陣，其每個對角矩陣Λ_k具有相等的對角線元素，即diag(Λ_k)＝λ_k1，λ_k表示矩陣Λ_k的對角線元素，表示一個維數(shù)為N_s×1的列向量；是一個塊對角化的酉矩陣，對于k＝1,…,K，P_k是酉矩陣；是一個下三角矩陣，其中每個對角塊具有相等的對角線元素；表示基站配備條射頻鏈路；

步驟六、在基站端采用THP對全部用戶的數(shù)據(jù)流進行非線性預(yù)處理，以消除用戶間干擾和同一用戶的不同數(shù)據(jù)流之間的干擾。

2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟一具體包括：

步驟1.1：定義初始用戶索引的集合

步驟1.2：對于集合中的每一個用戶k，從其L_k條路徑中找出波束成形增益的絕對值最大的條路徑，將條路徑的波束成形增益相加；其中，為每個用戶的射頻鏈路數(shù)，L_k為第k個用戶的路徑數(shù)；

步驟1.3：從集合選出波束成形增益絕對值之和最大的用戶記為k^*，將用戶k^*的條路徑對應(yīng)的個發(fā)射端陣列響應(yīng)向量與個接收端陣列響應(yīng)向量作為模擬預(yù)編碼器和模擬合成器分配給用戶k^*；

步驟1.4：通過從集合中移除用戶k^*，更新用戶索引集合；

步驟1.5：對用戶k^*的模擬預(yù)編碼器進行優(yōu)化：將除k^*之外的、已經(jīng)完成分配的用戶記為k'，對用戶k^*的模擬預(yù)編碼器進行格拉姆-施密特正交化處理，使其與每個用戶k'的模擬預(yù)編碼器正交，以消除已經(jīng)完成分配的用戶的模擬預(yù)編碼器對分配給用戶k^*的模擬預(yù)編碼器的影響，得到用戶k^*的優(yōu)化后的模擬預(yù)編碼器；對于第一個被確認為k^*的用戶，不執(zhí)行本步驟；

步驟1.6：以正交匹配追蹤的方式對當前集合中所有用戶的信道進行處理，以消除用戶k^*的優(yōu)化后模擬預(yù)編碼器對未分配用戶的影響；

重復(fù)執(zhí)行步驟1.2～1.6直到當前集合為空。