[发明专利]低复杂度的预编码调制矩阵生成方法及其预编码调制方法

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，可以应用于具有电磁环境认知能力的宽带无线通信系统，特别涉及一种低复杂度的预编码调制矩阵生成方法及其预编码调制方法。 

背景技术

信息论的巨大贡献，在于其建立了通信信道中以任意低差错概率进行信息传输的速率极限，该极限被称为信道容量。对于一般的多输入多输出(MIMO)系统而言，其信道容量是在发射信号为高斯分布的条件下获得的。受到信息理论研究成果的影响，假设发射信号为高斯分布，研究如何利用预编码技术提升通信系统的传输速率成为一直以来的热点问题。 

尽管如此，实际系统中却难以实现基于高斯分布的发射信号，而更多的采用由各种形状的星座点组成的发射信号，例如，脉冲幅度调制(PAM)、相移键控调制(PSK)以及正交幅度调制(QAM)等。这些实际系统中用到的发射信号与高斯发射信号有很大的区别。首先，受限于通信系统的器件约束，实际发射信号都是幅度受限的，而高斯信号的幅度却可以从负无穷取到正无穷。其次，实际发射信号是取自于离散的星座点，而高斯信号是连续变化的。采用连续信号作为发射信号，受到噪声的影响后，在接收端恢复该发射信号的难度非常大。 

由于实际发射信号与高斯信号的显著差异，将已有研究中基于高斯发射信号的预编码技术应用到实际系统中，会导致性能的急剧恶化。沿用信息论中的概念，我们称实际调制约束下，系统最大的传输 速率为调制约束的互信息。设计能够提升调制约束下互信息的预编码调制方法对实际系统意义重大。 

然而，以预编码矩阵为变量优化调制约束的互信息难度很大。首先，优化过程需要多个迭代步骤，而每一个迭代步骤需要多次计算目标函数及其梯度(最小均方误差MMSE)矩阵。调制约束的互信息及其相对于预编码的梯度矩阵包含多重积分且没有闭合表达式，计算复杂。到目前为止，没有较好的方法能提供低复杂度，可供实用的最大化调制约束互信息的预编码调制方法。 

本发明给出一种低复杂度的预编码调制矩阵生成方法。它利用一个新的度量标准：调制约束互信息的下界。这个下界可以用来替代原度量标准，成为预编码设计的准则。它具有以下优点：1)新的设计准则不包含多重积分，计算复杂度低；2)新的准则在高信噪比和低信噪比下具有渐进最优性，即采用新的准则与原准则(调制约束下互信息)在高信噪比和低信噪比下设计出来的预编码是一样的；3)新的准则加上一个确定的常数后，能够在不同信道条件和调制信号下近似原准则，即在任意信噪比下，新准则都能够保证性能。经过大量实验验证，采用本发明生成的预编码调制矩阵在不降低系统性能的前提下，极大的降低了设计的计算复杂度。 

发明内容

(一)要解决的技术问题 

本发明的目的是提出一种低复杂度的预编码调制矩阵生成方法及其预编码调制方法，为具有电磁环境认知能力的宽带无线通信系统提供高数据传输的能力，同时满足低计算复杂度的需求。 

(二)技术方案 

为了解决上述技术问题，本发明提供一种低复杂度的预编码调制矩阵生成方法，包括步骤：a.将调制约束互信息的下界I_L(P)替代难以计算的调制约束互信息I(P)；b.生成基于最大化I_L(P)的最优预编 码调制矩阵 

优选地，所述基于最大化I_L(P)的最优预编码调制矩阵 的生成方法包括步骤： 

S0：将预编码调制矩阵P用奇异值分解表示， 其中U_P和V_P为酉矩阵，分别称为P的左奇异矩阵和右奇异矩阵， 为矩阵共轭转置，∑_P为对角矩阵，其平方称为功率分配矩阵； 为列向量，由 的对角元素组成，称为功率分配向量；同理，对N_r×N_t信道矩阵H亦进行奇异值分解 

S1：初始化；给定初始功率分配向量λ⁽⁰⁾，满足1^Tλ⁽⁰⁾＝N_t，其中1为全1的列向量， 为转置运算；给定初始右奇异矩阵 满足 其中I为单位矩阵， 为矩阵共轭转置；并令迭代次数n：＝1，给定最大迭代次数n_M； 

S2：确定预编码调制矩阵P的左奇异矩阵U_P；令U_P等于信道H的右奇异矩阵V_H； 

S3：更新功率分配向量；即求解如下以λ为变量，V_P等于常量 的优化问题：