本發(fā)明屬于移動(dòng)通信技術(shù)及多天線技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種小區(qū)內(nèi)同頻干擾的抗干擾方法，尤其涉及一種應(yīng)用于聚集用戶場景下的大規(guī)模mimo系統(tǒng)預(yù)編碼方法。

背景技術(shù)：

目前，隨著無線通信技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，人們不斷地對(duì)移動(dòng)通信速率提出更高的要求。然而，無線通信系統(tǒng)中可用頻譜和發(fā)射功率等系統(tǒng)資源都是有限的，無法滿足日益增長的速率要求。大規(guī)模mimo(multiple-inputmultiple-output)系統(tǒng)通過在基站配置眾多天線數(shù)(幾十甚至上百根)，并且基站天線數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基站同時(shí)服務(wù)的用戶數(shù)量，使得基站到各個(gè)用戶間的信道相互正交，從而能夠獲得更高的頻譜效率、更好的功率效能，以及較低的檢測復(fù)雜度等，并已成為第五代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。但是，上訴優(yōu)點(diǎn)的獲得是假設(shè)放置在基站的大規(guī)模天線陣列的各個(gè)天線相互間獨(dú)立，即用戶到各根天線的信道相互獨(dú)立。然而，在實(shí)際場景中，這一理想條件將難以實(shí)現(xiàn)。首先，受限于基站的空間限制，當(dāng)放置如此數(shù)量的天線時(shí)，天線間的間距必然無法太大；其次，基站往往布置在建筑物頂端或者天花板上端，周圍散射體是較為稀疏的，導(dǎo)致需要較遠(yuǎn)的天線間距才能使天線間的相關(guān)性去除。因此，在大規(guī)模天線系統(tǒng)中，實(shí)際上天線間的相關(guān)性是難以避免的。由此將導(dǎo)致大規(guī)模天線系統(tǒng)信道矩陣的秩(rank)實(shí)際上是小于終端數(shù)目的，這將使得線性預(yù)編碼的效果大打折扣。

此外，對(duì)于用戶終端的行為研究表明，用戶終端在地理位置上往往具有聚集效應(yīng)，即用戶終端往往會(huì)聚集在一個(gè)較小的范圍內(nèi)。例如，校園內(nèi)的終端往往不會(huì)在整個(gè)校園內(nèi)均勻分布，而是會(huì)聚集在各個(gè)教室和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)；大型的商業(yè)中心中，終端更趨向于聚集在各個(gè)專柜或娛樂設(shè)施前。此時(shí)，考慮到聚集在一起的終端周邊環(huán)境相類似，與天線陣列的相對(duì)位置接近，基站到這些終端的下行信道矢量(假設(shè)終端配置單天線)存在較大的相關(guān)性，若采用基于迫零準(zhǔn)則的預(yù)編碼，則由基站到這些終端所組成的下行信道矩陣是準(zhǔn)病態(tài)的，即在信道矩陣的自相關(guān)矩陣的非零特征值中，最小特征值會(huì)遠(yuǎn)小于最大特征值，導(dǎo)致迫零預(yù)編碼會(huì)極大地放大發(fā)射信號(hào)功率，使性能下降。并且，在大規(guī)模mimo系統(tǒng)中，由于用戶數(shù)較大，基于迫零的預(yù)編碼算法的復(fù)雜度也是需要考慮的問題。

故，針對(duì)目前現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，實(shí)有必要進(jìn)行研究，以提供一種方案，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，確有必要提供一種應(yīng)用于聚集用戶場景下的大規(guī)模mimo系統(tǒng)預(yù)編碼方法，采用兩級(jí)預(yù)編碼方法，從而能夠有效的降低了計(jì)算復(fù)雜度，并取得較好的性能。

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種應(yīng)用于聚集用戶場景下的大規(guī)模mimo系統(tǒng)預(yù)編碼方法，包括以下步驟：

步驟s1：基站根據(jù)用戶終端的信道狀態(tài)信息(csi)獲取各個(gè)終端信號(hào)的到達(dá)角；

步驟s2：基站根據(jù)到達(dá)角，對(duì)用戶終端進(jìn)行分簇；其中，對(duì)第l簇的按到達(dá)角順序排列第l簇的用戶信道為為第l簇的最大用戶終端數(shù)

步驟s3：利用每簇的信道狀態(tài)信息(csi)設(shè)計(jì)各簇用戶終端的外層預(yù)編碼矩陣w＝[w1,…,wl]，具體設(shè)計(jì)步驟如下：

令表示每個(gè)簇中的第i個(gè)用戶組成的信道矩陣，hli表示第l簇中的第i個(gè)用戶的信道狀態(tài)信息；

基于迫零預(yù)編碼(zf)設(shè)計(jì)外層預(yù)編碼矩陣第l簇的預(yù)編碼矩陣為表示第l簇中的最大用戶數(shù)；

得到外層預(yù)編碼矩陣w＝[w1,…,wl]；

步驟s4：根據(jù)每簇的信道狀態(tài)信息(csi)并結(jié)合外層的預(yù)編碼w獲取等效的信道狀態(tài)信息(csi)矩陣其中，為第l簇用戶的下行csi矩陣；

步驟s5：基站根據(jù)等效的csi矩陣并基于zf-gmd-thp(zeroforcing-geometricmeandecomposition-tomlinson-harashimaprecoding)設(shè)計(jì)內(nèi)層的預(yù)編碼矩陣ql，其中，則取預(yù)編碼矩陣為ql，接收矩陣反饋矩陣bl，增益矩陣為gl，其中bl是對(duì)角化元素為l的下三角矩陣，是個(gè)對(duì)角矩陣，并且滿足由此，得到內(nèi)層預(yù)編碼矩陣

步驟s6：由外層預(yù)編碼矩陣w和內(nèi)層預(yù)編碼矩陣q得到預(yù)編碼矩陣f＝wq，基站利用預(yù)編碼矩陣f向用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，在步驟s1中進(jìn)一步包括以下步驟：

基站發(fā)送下行導(dǎo)頻訓(xùn)練；

用戶終端根據(jù)接收到的導(dǎo)頻序列計(jì)算出各自的信道狀態(tài)信息(csi)；

用戶終端通過反饋鏈路將信道狀態(tài)信息(csi)反饋給基站；

基站根據(jù)反饋鏈路信號(hào)計(jì)算各個(gè)終端信號(hào)的到達(dá)角θk。

優(yōu)選地，在步驟s2中，

如果第l簇第i個(gè)用戶不存在，即時(shí)，取第l簇的第或者的用戶替代第i個(gè)用戶。

優(yōu)選地，在步驟s2中，

通過設(shè)定到達(dá)角閾值對(duì)用戶終端進(jìn)行分簇，當(dāng)不同終端的到達(dá)角小于該閾值，則將這些終端劃分為一個(gè)簇。

優(yōu)選地，在步驟s6中，

對(duì)于第l簇的用戶數(shù)據(jù)為經(jīng)過取模后，第l簇?cái)?shù)據(jù)修正為xl＝sl+pl，經(jīng)過反饋bl處理，發(fā)射的信號(hào)為基站發(fā)送信號(hào)為基站利用預(yù)編碼矩陣f向用戶終端發(fā)送數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，還包括以下步驟：

用戶終端接收基站發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼的步驟。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明采用兩級(jí)預(yù)編碼方法，從而能夠有效的降低了計(jì)算復(fù)雜度，并取得較好的性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明應(yīng)用場景的示意圖。

圖2為本發(fā)明中用戶終端信號(hào)到達(dá)基站的到達(dá)角示意圖。

圖3為本發(fā)明應(yīng)用于聚集用戶場景下的大規(guī)模mimo系統(tǒng)預(yù)編碼方法的流程框圖。

圖4為本發(fā)明方法中基于gmd-thp預(yù)編碼系統(tǒng)框圖。

圖5為本發(fā)明方法中基于zf和gmd-thp級(jí)聯(lián)的兩級(jí)預(yù)編碼系統(tǒng)框圖。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例1中三種預(yù)編碼方法的性能比較。

圖7為本發(fā)明實(shí)施例2中三種預(yù)編碼方法的性能比較。

圖8為本發(fā)明實(shí)施例3中三種預(yù)編碼方法的性能比較。。

如下具體實(shí)施例將結(jié)合上述附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。

在描述本發(fā)明的具體技術(shù)方案前，先對(duì)部分縮寫及符號(hào)進(jìn)行定義和系統(tǒng)模型介紹。上標(biāo)h表示求共軛轉(zhuǎn)置操作，上標(biāo)t表示求轉(zhuǎn)置操作，上標(biāo)-1表示取逆操作。分別表示向下取整和向上取整。

參見圖1，所示為本發(fā)明應(yīng)用場景的示意圖?？紤]一個(gè)下行的多用戶系統(tǒng)，基站配置nt根發(fā)射天線，同時(shí)服務(wù)于k個(gè)單天線用戶。本發(fā)明表示f＝[f1,…fk]∈c^nt×k為發(fā)射波束，表示為發(fā)送的數(shù)據(jù)。thp的取模操作等同于在原始數(shù)據(jù)矢量上加上一個(gè)矢量x＝s+p，其中為修正后的數(shù)據(jù)，p∈c^k×1為擾動(dòng)矢量，反饋矩陣為一個(gè)對(duì)角線元素為1的下三角矩陣b∈c^k×k，發(fā)射的信號(hào)為u＝b^-1x。所以，用戶接收到的信號(hào)可以表示為：

y＝hfu+n

其中，h表示基站到用戶的信道矩陣，信道矢量hk表示為基站到用戶k的信道矢量，n表示為服從的均值為零方差矩陣為獨(dú)立同分布的復(fù)高斯噪聲。

為了便于說明本發(fā)明的技術(shù)方案，參見圖2，所示為大規(guī)模陣列天線用戶到達(dá)角示意圖，采用簡單的lee信道模型，假設(shè)有j個(gè)散射體均勻的放置在以移動(dòng)臺(tái)為中心的半徑為r的圓環(huán)上，每個(gè)一個(gè)散射體都代表了實(shí)際傳播環(huán)境中很多散射體所起的作用。第i個(gè)有效散射體與基站天線陣列的到達(dá)角可以表示為其中d為移動(dòng)臺(tái)到基站之間的距離，則基站陣列天線中任意兩陣元接收到的用戶信號(hào)的相關(guān)系數(shù)為d為陣列間距。n表示為服從的均值為零方差矩陣為獨(dú)立同分布的復(fù)高斯噪聲。

參見圖3至圖5，所示為本發(fā)明用用于聚集用戶場景下的大規(guī)模mimo系統(tǒng)預(yù)編碼方法的流程框圖，具體包括如下步驟：

步驟s1：基站發(fā)送下行導(dǎo)頻訓(xùn)練，用戶根據(jù)接收到的導(dǎo)頻序列估計(jì)出各自的信道狀態(tài)信息(csi)并通過反饋鏈路進(jìn)行反饋，基站根據(jù)反饋鏈路信號(hào)估計(jì)各個(gè)終端信號(hào)的到達(dá)角θk，不失一般性，假設(shè)θk≥…≥θk≥θk-1≥…θ1。

步驟s2：基站根據(jù)所有終端的到達(dá)角，將小區(qū)內(nèi)的所有用戶分成l簇。第l簇的用戶信道為為第l簇的最大用戶數(shù)其中，設(shè)定到達(dá)角閾值，當(dāng)不同終端的到達(dá)角小于該閾值，則將這些終端劃分為一個(gè)簇。該閾值的設(shè)定可根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)定，閾值較大，則性能較好，但所增加的復(fù)雜度較多；反之則相反。

步驟s3：基站利用反饋獲得的所有終端的csi，設(shè)計(jì)外層的預(yù)編碼矩陣w＝[w1,…,wl]，用于消除部分簇間干擾。

其中，令表示每個(gè)簇中的第i個(gè)用戶組成的信道矩陣，hli表示第l簇中的第i個(gè)用戶的信道狀態(tài)信息。如果第l簇第i個(gè)用戶不存在，即時(shí)，本發(fā)明取第l簇的第或者的用戶替代第i個(gè)用戶。基于迫零預(yù)編碼(zf)設(shè)計(jì)外層預(yù)編碼矩陣第l簇的預(yù)編碼矩陣為表示第l簇中的最大用戶數(shù)。所以，外層預(yù)編碼矩陣w＝[w1,…,wl]。雖然本發(fā)明只對(duì)每個(gè)簇的第i個(gè)用戶組成的信道做zf預(yù)編碼，導(dǎo)致不同用戶組間的干擾其實(shí)沒有消除。但是，由于每個(gè)簇內(nèi)的用戶是聚集在一起，用戶間的信道具有較強(qiáng)的相關(guān)性，本發(fā)明對(duì)第l簇的第i個(gè)用戶做zf預(yù)編碼時(shí)，也能很好的消除其他簇的非第i個(gè)用戶對(duì)其造成的干擾，從而在犧牲部分性能下，較大地降低了算法復(fù)雜度。

步驟s4：根據(jù)步驟2得到的信道狀態(tài)信息，并結(jié)合外層的預(yù)編碼w得到等效的csi矩陣為第l簇用戶的下行csi矩陣.

步驟s5：基站根據(jù)等效的csi矩陣基站執(zhí)行基于簇內(nèi)的thp非線性預(yù)編碼設(shè)計(jì)內(nèi)層的預(yù)編碼矩陣ql，用于消除簇內(nèi)用戶的干擾。

基于zf-gmd-thp的設(shè)計(jì)，則取預(yù)編碼矩陣為ql，接收矩陣反饋矩陣bl，增益矩陣為gl，其中bl是對(duì)角化元素為1的下三角矩陣，是個(gè)對(duì)角矩陣，并且滿足

步驟s6：由外層預(yù)編碼矩陣w和內(nèi)層預(yù)編碼矩陣q得到預(yù)編碼矩陣f＝wq。

對(duì)于第l簇的用戶數(shù)據(jù)為經(jīng)過取模后，第l簇?cái)?shù)據(jù)修正為xl＝sl+pl，經(jīng)過反饋bl處理，發(fā)射的信號(hào)為基站發(fā)送信號(hào)為基站利用預(yù)編碼矩陣f向用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。

在一種優(yōu)選實(shí)施方式中，還包括以下步驟：

用戶終端接收基站發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼的步驟。其為編碼過程的逆過程，這里簡單介紹些具體的解碼過程：

對(duì)于第l簇用戶接收到的信號(hào)為yl，通過接收矩陣和gl進(jìn)行接收處理后，進(jìn)行取模運(yùn)算，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行譯碼處理。

下面通過具體實(shí)例對(duì)聚集用戶場景下的大規(guī)模mimo系統(tǒng)預(yù)編碼方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

設(shè)置基站天線數(shù)目m＝50，用戶天線數(shù)為k＝4，用戶分為l＝2簇，每組有個(gè)用戶，假設(shè)用戶的到達(dá)角分別為：和用戶兩兩聚集在一起，如圖2所示。本發(fā)明取第一簇的用戶的角度為和第二簇的用戶的角度為和對(duì)應(yīng)的信道分別為h1,h2,h3,h4本發(fā)明可以得到第1簇和第2簇的信道矩陣為所以本發(fā)明可以得到每個(gè)簇的第i個(gè)用戶的組成的信道矩陣為和對(duì)和分別做zf預(yù)編碼，得到預(yù)編碼矩陣和因此第一個(gè)簇和第二簇的預(yù)編碼矩陣為和從而得到等效信道矩陣和分別進(jìn)行基于zf-gmd-thp預(yù)編碼設(shè)計(jì)，得到第一簇預(yù)編碼矩陣q1，接收矩陣p1^h，反饋矩陣b1，增益矩陣為g1，和第二個(gè)簇預(yù)編碼矩陣q2，接收矩陣反饋矩陣b2，增益矩陣為g2。由外層預(yù)編碼矩陣w和內(nèi)層預(yù)編碼矩陣q得到預(yù)編碼矩陣f＝wq，基站利用預(yù)編碼矩陣f向用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。

參見圖6，所示為實(shí)施例1的性能仿真圖，分別采用三種預(yù)編碼方法得到的系統(tǒng)的誤比特率，其中‘zf’表示基站已知對(duì)所有的下行csi矩陣h，采用zf預(yù)編碼的仿真性能?！畓f-gmd-thp’表示基站已知對(duì)所有的下行csi矩陣h，采用zf-gmd-thp預(yù)編碼的仿真性能；‘zf-gmd-thpclusters’表示基站已知對(duì)所有的下行csi矩陣h，采用zf預(yù)編碼和zf-gmd-thp預(yù)編碼的級(jí)聯(lián)預(yù)編碼的仿真性能；可以看出，本發(fā)明提出的方法大約有1.5db的性能損耗，但是zf預(yù)編碼的復(fù)雜度為k³，本發(fā)明提出的方法的計(jì)算復(fù)雜度為在k＝2,l＝2時(shí)本發(fā)明提出的方法比zf預(yù)編碼復(fù)雜度降低了50％。

實(shí)施例2

設(shè)置基站天線數(shù)目m＝100，用戶天線數(shù)為k＝12，假設(shè)用戶的到達(dá)角分別是：和用戶三個(gè)三個(gè)聚集在一起。所以，本發(fā)明可以吧用戶分為l＝4簇，每組有個(gè)用戶，本發(fā)明取第一簇的用戶的角度為和第二簇的用戶的角度為和第三簇的用戶的角度為和第四簇的用戶的角度為和參見圖7，所示為實(shí)施例2的性能仿真圖，分別采用三種預(yù)編碼方法得到的系統(tǒng)的誤比特率，其中‘zf’表示基站已知對(duì)所有的下行csi矩陣h，采用zf預(yù)編碼的仿真性能：‘zf-gmd-thp’表示基站已知對(duì)所有的下行csi矩陣h，采用zf-gmd-thp預(yù)編碼的仿真性能；‘zf-gmd-thpclusters’表示基站已知對(duì)所有的下行csi矩陣h，采用zf預(yù)編碼和zf-gmd-thp預(yù)編碼的級(jí)聯(lián)預(yù)編碼的仿真性能；可以看出，本發(fā)明提出的方法有2db左右的性能損耗，但是在這種場景下，計(jì)算復(fù)雜度比原來降低了87.5％，相對(duì)于計(jì)算復(fù)雜度的極大降低，較小的性能損耗完全是值得的。

實(shí)施例3

設(shè)置基站天線數(shù)目m＝100，用戶天線數(shù)為k＝12。假設(shè)用戶的到達(dá)角分別是：和用戶四個(gè)四個(gè)聚集在一起，用戶分為l＝3簇，每組有個(gè)用戶，本發(fā)明取第一簇的用戶的角度為和第二簇的用戶的角度為和第三簇的用戶的角度為和參見圖8，所示為實(shí)施例3的性能仿真圖，分別采用三種預(yù)編碼方法得到的系統(tǒng)的誤比特率，其中‘zf’表示基站已知對(duì)所有的下行csi矩陣h，采用zf預(yù)編碼的仿真性能：‘zf-gmd-thp’表示基站已知對(duì)所有的下行csi矩陣h，采用zf-gmd-thp預(yù)編碼的仿真性能；‘zf-gmd-thpclusters’表示基站已知對(duì)所有的下行csi矩陣h，采用zf預(yù)編碼和zf-gmd-thp預(yù)編碼的級(jí)聯(lián)預(yù)編碼的仿真性能；可以看出，本發(fā)明提出的方法有1.5db左右的性能損耗，但是計(jì)算復(fù)雜度比原來降低了77.78％。

以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。

對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。