[发明专利]大规模MIMOFDD系统中基于信漏噪比的两阶段预编码方法

说明书

技术领域

本发明属于多天线及无线通信技术领域，更具体地，涉及一种大规模MIMO FDD系统中基于信漏噪比的两阶段预编码方法。

背景技术

近年来，多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术被广泛应用于无线通信系统，该技术能够在不增加额外带宽和功率损耗的条件下，显著提高无线系统的频谱利用率。但是随着智能手机等无线设备的普及，人们对数据流量的需求呈指数型增长，为解决该问题，人们逐渐展开了对大规模MIMO系统的研究。大规模MIMO系统能够提供更高的频谱利用率和系统吞吐量，有效解决频谱资源紧张等问题。截至目前，关于大规模MIMO系统的研究主要集中在时分双工(Time Division Duplex，TDD)模式，在该模式下，可以利用信道互惠特性获取基站到用户的下行信道状态信息(Channel State Information,CSI)。但是，当前大部分无线系统都是采用频分双工(Frequency Division Duplex,FDD)模式，可见对大规模MIMO FDD系统的研究也至关重要。

然而，由于大规模MIMO系统的基站配置众多天线(几百根甚至上千根)，并且基站天线数量远远多于基站同时服务的用户数量(十倍甚至几十倍)，导致大规模MIMO系统很难在FDD模式下应用，主要原因有：在FDD模式下，基站为获取用户的下行CSI需要向用户发送正交的导频序列，导频序列长度正比于基站天线数量，使得下行的导频开销过大，通信效率下降；此外，基站天线数量增多，导致用户需要向基站反馈更多的CSI，反馈开销上升。针对这一问题，Junyoung Nam等人在“Joint Spatial Division and Multiplexing:Realizing Massive MIMO Gains with Limited Channel State Information”这篇文章中提出了JSDM两阶段预编码方法，该方法利用用户往往成群存在的特点将用户分组，并利用块对角原理有效地避免了小组用户间的干扰，并且降低了用户的反馈开销。但是，JSDM方法复杂度较高，并且当相邻两组用户的发送信号与基站的到达角有重叠时，系统的总速率性能下降显著。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种大规模MIMO FDD系统中基于信漏噪比(Signal to Leakage plus Noise Ratio,SLNR)的两阶段预编码方法，相比JSDM方法，该方法有效降低了预编码矩阵的计算复杂度，能提供更高的系统总速率性能，并且即使当相邻两组用户的发送信号与基站的到达角有重叠时，系统总速率性能也不会受到影响。

为实现上述目的，本发明提供了一种大规模MIMO FDD系统中基于信漏噪比的两阶段预编码方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)基站获取小区内所有用户的统计CSI，并根据用户的统计CSI将小区内的用户分为G组，求出每组用户的统计CSI的平均值；

(2)利用每组用户的统计CSI的平均值，根据每组用户的信漏噪比设计第一阶段预编码矩阵W＝[W₁ … W_G]，用于消除组间干扰；

其中，第g组用户的信漏噪比SLNR_g的期望值 Tr{·}表示求矩阵的迹，W_g为第g组用户的第一阶段预编码矩阵，上标H表示求共轭转置操作，R_g为第g组用户的统计CSI的平均值，ω为噪声权重，表示噪声对各组用户功率泄露的影响，I_M为M×M维的单位矩阵，M为基站的天线数，g＝1,…,G，W_g的设 计应使得E{SLNR_g}最大；

(3)基站向所有用户发送下行导频，并将第一阶段预编码矩阵W发送至各组用户，用户根据接收到的导频信号估计出各自的CSI，得到所有用户的下行CSI矩阵结合第一阶段预编码矩阵W，得到等效CSI矩阵H＝HW，向基站反馈等效CSI矩阵H，其中，H_g为第g组用户的下行CSI矩阵，g＝1,…,G；

(4)基站根据等效CSI矩阵H，设计第二阶段预编码矩阵P，用于消除组内用户的干扰；

(5)由第一阶段预编码矩阵W和第二阶段预编码矩阵P得到预编码矩阵V＝WP，基站利用预编码矩阵V向用户发送数据。