[发明专利]平流层大规模MIMO用户分组和预编码方法、系统

权利要求书

1.一种平流层大规模MIMO用户分组和预编码方法，其特征在于，包括：

优化问题设计步骤：在假定平流层大规模MIMO通信系统的多用户已经分组的基础上，根据外层预编码矩阵和内层预编码矩阵设计优化问题；

优化问题化简步骤：采用矩阵范数不等式和零空间准则，对获得的优化问题进行化简，探索到信号的功率主要集中在信道的统计本征模StatisticalEigenmodes上，获得统计本征模StatisticalEigenmodes；

分组方案设计步骤：根据获得的统计本征模StatisticalEigenmodes，利用用户统计本征模StatisticalEigenmodes之间的平均弦距离准则，设计多用户分组方案；

外层预编码矩阵计算步骤：根据获得的多用户分组方案，对统计本征模StatisticalEigenmodes采用块对角化算法，计算获得外层预编码矩阵；

内层预编码矩阵计算步骤：根据获得的外层预编码矩阵，并采用规则化迫零RZF，计算获得内层预编码矩阵；

性能评估步骤：根据获得的外层预编码矩阵及内层预编码矩阵，对平流层大规模MIMO通信系统下的用户进行信道容量性能的评估；

所述优化问题表示如下：

其中，

表示统计性均值运算；

表示在矩阵B_g条件下的最大值运算；

||||表示范数运算；

s.t.表示subject to的缩写，表示受限制于；

H表示共轭转置；

g和g′均表示用户组；

H_g表示第g组用户的信道矩阵，

H_g′表示第g′组用户的信道矩阵，

B_g表示第g组用户的外层预编码矩阵，

V_g表示第g组用户的内层预编码矩阵，

x_g表示第g组用户的数据向量，

n_g表示第g组用户的噪声向量，

表示单位矩阵；

∈表示属于；

C表示复数；

表示任意的；

M和N分别表示均匀平面天线阵列每行和每列的天线个数；

L_g表示第g个用户组内的用户个数；

所述优化问题化简步骤：

根据矩阵范数不等式‖AB‖≤‖A‖‖B‖，优化问题化简如下：

其中，

A表示矩阵；

B表示矩阵；

表示第g组内第l个用户的大尺度衰落因子；

tr表示迹运算；

H表示共轭转置；

表示第g组内第l个用户的相关性矩阵，

表示第g组内第l′个用户的大尺度衰落因子；

L_g′表示第g′个用户组内的用户个数；

表示第g′组内第l个用户的相关性矩阵，

M和N分别表示均匀平面天线阵列每行和每列的天线个数；

根据零空间准则，相关性矩阵表示如下：

其中，

表示相关性矩阵；

表示第g组内第l个用户直射分量的脉冲响应；

K_l表示第l用户的莱斯因子；

H表示共轭转置；

表示为向量的零空间向量；

表示统计本征模StatisticalEigenmodes；

MNK_l表示M、N和K_l三者的乘积；

表示第g组内第l个用户散射分量的相关性矩阵；

Λ_i是相关性矩阵的特征值；

所述分组方案设计步骤：

根据获得的相关性矩阵得出相关性矩阵的特征向量由本征向量和零空间向量组成，即信号的功率主要集中在信道的统计本征模StatisticalEigenmodes上，因此设计波束成形向量矩阵w_l如下所示：

其中，

w_l表示用户l波束成形向量；

表示第l个用户直射分量的脉冲响应；

M和N分别表示均匀平面天线阵列每行和每列的天线个数；

根据w_l设计多用户分组方案，其分组准则如下：

其中，

d_g表示第g组内用户的弦距离；

d_g(w_l,W_g)表示用户l和用户组g之间的平均弦距离；

H表示共轭转置；

w_l表示用户l波束成形向量；

w_k表示用户k波束成形向量；

下标F表示Frobenius范数运算；

W_g表示分组后第g组的预编码矩阵；

所述外层预编码矩阵计算步骤：

根据获得的多用户分组方案，设计干扰用户组的预编码矩阵Ξ_g如下：

Ξ_g＝[W₁…W_g-1 W_g+1…W_G]

其中，

W_G表示第G组用户的波束成形向量矩阵；

G表示用户组数；

Ξ_g的维度为MN×∑_g′≠gL_g′；

W_g和Ξ_g相互正交，采用奇异值分解SVD，Ξ_g可以表示为：

其中，

表示矩阵Ξ_g经过SVD分解的主空间矩阵；

表示矩阵Ξ_g经过SVD分解的零空间矩阵；

表示矩阵Ξ_g经过SVD分解的特征值矩阵；

表示矩阵Ξ_g经过SVD分解的特征向量矩阵；

H表示共轭转置；

∑_g′≠g表示排除g组内的用户数量之和；

L_g′表示第g′个用户组内的用户个数；

M和N分别表示均匀平面天线阵列每行和每列的天线个数；

利用得到的设计外层预编码矩阵B_g，首先利用和W_g相乘，如下所示：

进一步得到外层预编码矩阵B_g，如下所示：

其中，

H表示共轭转置；

表示矩阵Ξ_g经过SVD分解的零空间矩阵；

W_g表示第g组用户的波束成形向量矩阵；

表示矩阵W_g经过SVD分解的主空间矩阵；

表示矩阵W_g经过SVD分解的零空间矩阵；

表示矩阵W_g经过SVD分解的特征值矩阵；

表示矩阵W_g经过SVD分解的特征向量矩阵；

所述内层预编码矩阵计算步骤：

内层预编码矩阵的计算方式如下：

所述性能评估步骤：

在外层预编码矩阵和内层预编码矩阵的基础上，求解用户g_l的信道容量性能，计算方式如下：

其中，

ζ_g表示第g组用户的功率标准化因子；

H表示共轭转置；

表示辅助变量矩阵；

表示第g组的有效信道矩阵；

B_g表示第g组的外层预编码矩阵；

表示用户的信道容量；

log表示对数运算；

表示用户g_l的信干噪比；

表示组内用户的用户间干扰；

表示组与组之间的用户间干扰；

P表示全部的发射功率；

L表示全部的用户数目；

表示第g组第l个用户的信道向量；

表示第g组第l′个用户的信道向量；

V_g表示第g组的内层预编码矩阵；

ζ_g′表示第g′组用户的功率标准化因子；

表示辅助变量矩阵；

B_g′表示第g′组的外层预编码矩阵；

表示第g′组第l′个用户的信道向量；

H_g表示第g组用户的信道矩阵；

I表示单位矩阵。