[发明专利]多用户大规模MIMO系统的非线性混合预编码设计方法

权利要求书

1.一种多用户大规模MIMO系统下的非线性混合预编码设计方法，其特征在于，包括基站端的数字预编码器和模拟预编码器设计，基站端的非线性汤姆林森-哈拉希玛预编码THP，以及每个用户端的模拟合成器和数字合成器的设计；该方法具体包括：

步骤一、基于格拉姆-施密特正交化思想，串行地设计每一个用户k对应的基站端的模拟预编码器F_RF,k与用户端的模拟合成器W_RF,k，消除已完成模拟预编码器设计的用户对未完成模拟预编码器设计的用户造成的干扰；

步骤二、对基站端的模拟预编码器F_RF＝[F_RF,1,…,F_RF,K]和每个用户端的模拟合成器W_RF,k进行QR分解，构造出低维的下行等效基带信道H_eq；K为用户总数；

步骤三、考虑基于最小均方误差-判决反馈均衡MMSE-DFE的多用户MIMO系统的上行链路，采用和功率迭代注水算法推导出最优的上行等效数字预编码器F_U，其能够达到上行等效基带信道的容量；同时根据最优的上行等效数字预编码器得到上行等效数字合成器W_U和上行判决反馈矩阵B_U；

步骤四、利用时分双工系统的上行链路-下行链路的对偶性，通过脏纸编码实现的下行等效基带信道H_eq的容量准确地等于通过MMSE-DFE实现的其对偶的上行等效基带信道的容量，设计能够达到下行等效基带信道容量的下行等效数字预编码器F_D、下行等效数字合成器W_D和下行干扰反馈矩阵B_D，以提高系统的总频谱效率；

所述步骤四包括：

步骤4.1：计算基于MMSE-DFE的上行多用户MIMO系统的每个子信道的SINR；上行多用户MIMO系统第i个子信道的SINR表示为：

其中，对上行等效数字预编码器F_U的每一列进行归一化处理使其满足其中表示第i个列向量f_i的l₂范数，p_i表示分配给第i个数据流的功率，N_s为每个用户支持的数据流个数；对上行等效数字合成器W_U的每一列进行归一化处理使得其中c_i被认为是用于信道均衡的MMSE加权系数；η为噪声功率与每个数据流的发射功率之比；

步骤4.2：推导基于脏纸编码的下行多用户MIMO系统的每个子信道的SINR；下行多用户MIMO系统第i个子信道的SINR表示为：

其中，定义下行等效数字预编码器其中q_i表示分配给第i个数据流的未知的功率；定义全部K个用户的下行等效数字合成器其中d_i表示用于信道均衡的未知的MMSE加权系数；

步骤4.3：利用时分双工系统的上行链路-下行链路的对偶性，计算未知的下行功率分配系数和均衡器系数从而推导出能够达到下行等效基带信道H_eq容量的下行等效数字预编码器F_D、下行等效数字合成器W_D以及用于非线性预处理的干扰反馈矩阵B_D：

其中，D_p，D_c和D_d为对角线元素是和的对角矩阵；F_U、W_U和B_U分别是是步骤三中已求出的上行等效数字预编码器，上行等效数字合成器和上行判决反馈矩阵；

步骤五、基于BD-UCD的信道分解方式，以改善误码率性能为目标，优化下行等效数字预编码器F_D、下行等效数字合成器W_D和下行干扰反馈矩阵B_D；

优化的下行等效数字预编码器F_D、下行等效数字合成器W_D、下行干扰反馈矩阵B_D分别为：

其中，是半酉矩阵，Q_u是Q的前行，是对角矩阵，blkdiag{Λ₁,…,Λ_K}表示将若干个矩阵合并为一个具有块对角化结构的矩阵，其每个对角矩阵Λ_k具有相等的对角线元素，即diag(Λ_k)＝λ_k1，λ_k表示矩阵Λ_k的对角线元素，表示一个维数为N_s×1的列向量；是一个块对角化的酉矩阵，对于k＝1,…,K，P_k是酉矩阵；是一个下三角矩阵，其中每个对角块具有相等的对角线元素；表示基站配备条射频链路；

步骤六、在基站端采用THP对全部用户的数据流进行非线性预处理，以消除用户间干扰和同一用户的不同数据流之间的干扰。

2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：

步骤1.1：定义初始用户索引的集合

步骤1.2：对于集合中的每一个用户k，从其L_k条路径中找出波束成形增益的绝对值最大的条路径，将条路径的波束成形增益相加；其中，为每个用户的射频链路数，L_k为第k个用户的路径数；

步骤1.3：从集合选出波束成形增益绝对值之和最大的用户记为k^*，将用户k^*的条路径对应的个发射端阵列响应向量与个接收端阵列响应向量作为模拟预编码器和模拟合成器分配给用户k^*；

步骤1.4：通过从集合中移除用户k^*，更新用户索引集合；

步骤1.5：对用户k^*的模拟预编码器进行优化：将除k^*之外的、已经完成分配的用户记为k'，对用户k^*的模拟预编码器进行格拉姆-施密特正交化处理，使其与每个用户k'的模拟预编码器正交，以消除已经完成分配的用户的模拟预编码器对分配给用户k^*的模拟预编码器的影响，得到用户k^*的优化后的模拟预编码器；对于第一个被确认为k^*的用户，不执行本步骤；

步骤1.6：以正交匹配追踪的方式对当前集合中所有用户的信道进行处理，以消除用户k^*的优化后模拟预编码器对未分配用户的影响；

重复执行步骤1.2～1.6直到当前集合为空。