[发明专利]基于干扰置零的任意消息拓扑MIMO系统最优天线配置方法

权利要求书

1.基于干扰置零的任意消息拓扑MIMO系统最优天线配置方法，其特征在于包含以下步骤：

S1、根据信道模型、发射机发射的单播、多播、广播消息，确定系统消息拓扑；

S2、对将每个干扰消息置于对应信道的零空间的交空间，根据交空间的维度特性分析最优天线配置问题，然后用步骤S1中消息拓扑矩阵元素及其行和、范数等表示最优天线配置；

S3、对发射机信号线性预编码，在接收机通过迫零方法得到线性解码矩阵，然后解码出期望消息；

S4、用系统消息拓扑矩阵的行和、列和、元素、范数等表示网络的最优天线配置；

S5、对系统的和速率随着系统发送信噪比的变化情况仿真，曲线斜率就是系统的复用增益；

所述步骤S1包含以下步骤：

S1.1、M×N用户MIMO系统，D₀、D₁和E_k分别表示系统的广播消息拓扑矩阵、单播消息拓扑矩阵以及第k个多播消息的拓扑矩阵，各种消息拓扑矩阵表示方法如下：

矩阵的第i行表示接收机i所接收到的消息，矩阵的第j列表示发射机j所发送的消息；d_0j表示发射机j发送的广播消息，j∈{1,2,…,M}；d_ij为发射机j发送给接收机i的单播消息数量，i∈{1,2,…,N}；表示发射机j发送给接收机i的第k个多播消息，k∈{1,2,…,K}，K为发送多播消息最多的发射机发送的多播消息的个数，令若发射机j发送了至少k个多播消息，对于接收机i，若为期望消息，则若为干扰消息，那么若发射机j发送的多播消息少于k个，那么

S1.2、系统的消息拓扑矩阵表示方法为：

所述步骤S2包含以下步骤：

S2.1、设置预编码矩阵；

S2.2、将单播消息d_ij置于对应信道的零空间的交中；

S2.3、将多播消息置于对应信道的零空间的交中；

S2.4、计算预编码矢量；

所述步骤S2.1中，设置预编码矩阵方法如下：

和分别是预编码矢量矩阵F_j的广播、多播和单播矩阵；(·)^T表示矩阵或者向量的转置；

所述步骤S2.2中，单播消息d_ij对除接收机i外的其他接收机来说都是干扰消息，用L_ij表示干扰消息d_ij对应的零空间的交：

L_ij＝[H_1j H_2j…H_(i-1)j H_(i+1)j…H_Nj]^H，

其维度为其中R_l,R_i分别表示接收端l和i至少需要配置的天线数量，由于一个天线表示一个维度，接收端i至少需要配置的天线数量为接收到的期望消息的数量，可以表示为R_i＝D_i·，D_i·为矩阵D的第i行元素之和，(·)^H表示矩阵或者向量的共轭转置，H_ij表示发射机j与接收机i之间的信道矩阵；

所述步骤S2.3中，设多播消息的合法接收机有p个，2≤p≤N-1，则消息对其余的N-p个接收机来说都是干扰消息，其对应的零空间的交就是这N-p个信道矩阵所组成的交空间，这里用L_ekj表示干扰消息对应的零空间的交：

其维度为

所述步骤S2.4可以划分为以下步骤：

S2.4-1、根据步骤S2.4的结果，可以得到：

S2.4-2、奇异值分解L_ij和L_ekj，得到：

S2.4-3、由步骤S2.4-2的结果，根据零空间的交的正交基属性得知：矩阵L_ij和L_ekj的秩分别为||D||_L1-R_i和在其右奇异向量V_l中，l∈{1,2,…,T_j}，分别与max(1,d_ij)和个零奇异值对应的右奇异向量构成零空间的交的标准正交基，因此，预编码矢量满足条件：

表示取矩阵V_ij的第l列，对于广播消息的预编码矢量矩阵S_0j可设为任意的维度T_j×d_0j的矩阵；

优选地，所述步骤S3包含以下步骤：

S3.1、列出系统的输入输出关系；

S3.2、对发射机信号线性预编码；

S3.3、在接收机线性解码消息；

所述步骤S3.1中，输出的消息为：

式中：y_i表示第i(i＝1,2,…,N)个接收机的输出信号；x_j表示第j(j＝1,2,…,M)个发射机的发送信号；H_ij是发射机j到接收机i的信道矩阵，其中每个独立的矩阵元素都服从概率分布以确保所有信道矩阵是满秩的；z_i是均值为0、方差为δ²的加性高斯白噪声；信道衰落系数都是随机的，连续且随时间变化而变化的；每个发射机具备局部信道状态信息，每个接收机具备完整的信道状态信息；

所述步骤S3.2中，对发射机信号线性预编码的结果为：

其中是由波束成形向量组成的预编码矩阵，s_j是要发送的消息；

所述步骤S3.3中，在接收机线性解码出的消息为：

其中，G_i是解码矩阵；通过设置最简单的迫零方法可以得到：

是矩阵的伪逆；其中只叠加发射机m与接收机i之间存在消息的；

所述步骤S4包含以下步骤：

S4.1、定义一些用来表示天线数的变量；

S4.2、用步骤S1、S2、S4.1中的符号表示最优天线配置；

所述步骤S4.1中，定义O_xj为：

其中x表示矩阵，本发明用1代表D₁，用e代表定义

比如y＝3,

所述步骤S4.2中，用步骤S1、S2、S4.1中的符号表示最优天线配置，有可以分为以下步骤：

S4.2-1、对于任意MIMO信道模型，接收机i至少配置天线数可以表示为：

R_i＝D_i·，

即接收机i配置天线数为矩阵D的第i行元素之和；

S4.2-2、发射机天线总数至少为：

其中加粗字母表示矩阵，A_i·表示矩阵A的第i行元素之和；||A||_L1表示矩阵A的L1范数，即矩阵A的所有元素之和；R_i表示接收机i的天线数，T表示发射机所需要的总天线数；

S4.2-3、该天线配置适用于任意消息拓扑系统，包括：

系统只有单播消息，即D＝D₁，O_j＝1，O_ej＝0，发射机天线总数为：

系统只有多播消息，即O_j＝0，O_ej＝1，发射机天线总数为：

系统只有广播消息，即D＝D₀，O_j＝0，O_ej＝0，发射机天线总数为：

系统包含单播和多播消息，即发射机天线总数为：

系统包含单播和广播消息，即D＝D₀+D₁，发射机天线总数为：

系统包含多播和广播消息，即发射机天线总数为：

系统包含单播、多播和广播消息，即发射机天线总数为：

所述步骤S5进一步包含以下步骤：

S5.1、设置仿真前提条件；

S5.2、计算接收信噪比和系统的总和速率；

S5.3、基于步骤S5.1、S5.2对和速率的分析，对系统的和速率随着系统发送信噪比的变化情况进行仿真，仿真曲线斜率即为系统空间复用增益；

所述步骤S5.1中、所有的仿真都需要满足以下条件：假设每个信道为不相关的瑞利衰落信道；发射机和发送功率为P，发射机在满足总功率的限制下，对每个用户的发送功率平均分配；每个接收机的噪声方差都相同并设为σ²；所有信道的状态信息都可知；

所述步骤S5.2中、假设发送功率P＝1，若系统共发送了w个消息，那么每个消息乘以系数来归一化所有消息的功率之和；用户i的单播数据流经过发送干扰抑制矢量、信道和接收干扰抑制矢量作用后，接收信噪比为：

其中，F是预编码矢量矩阵F_j的集合，即F＝[F₁…F_M]^T，Q表示发送端发送的信号；

故用户i的单播、多播和广播信号获得的和速率可以用同样的表达式：

系统的总和速率为：