[发明专利]平流层大规模MIMO用户分组和预编码方法、系统

说明书

本发明提供了一种平流层大规模MIMO用户分组和预编码方法、系统，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。在本发明中，用于设计内层预编码矩阵的有效信道的CSI也得到了有效的降低，因此该分组方案和预编码方案可以有效的探索平流层大规模MIMO通信系统的关键技术。

技术领域

本发明涉及的是一种平流层无线通信方法，具体地，涉及一种平流层大规模MIMO用户分组和预编码方法、系统。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的飞速发展，无线通信大业务量、高速率和高频谱效率的要求日益迫切，频谱资源已变得日益紧缺。在下一代无线通信技术中，高空平台被考虑为可以一种新的替代技术，已引起世界范围内的关注。在不增加发射功率和发送带宽的情况下，大规模多输入多输出技术(Multiple-input Multiple-output,MIMO)可以明显的增加无线通信系统的性能。由于有限的信道相干时间，对于频分复用(Frequency DivisionDuplexing,FDD)大规模MIMO通信系统来说，信道估计是一个很难处理的问题。进一步地，反馈开销、信道估计误差和量化误差又引起非理想的信道状态信息(Channel StateInformation,CSI)，导致了信道容量的恶化。

现有的技术中公开了Z.Lin,M.Lin,J.-B.Wang,Y.Huang,and W.-P.Zhu的文献“Robust secure beamforming for 5G cellular networks coexisting with satellitenetworks,”IEEE J.Sel.Areas Commun.,vol.36,no.4,pp.932-945,Apr.2018,采用实时的CSI研究卫星通信系统的预编码算法，但是对于大规模MIMO通信系统来说，实时反馈CSI的反馈开销是难以接受的。A.Adhikary,J.Nam,J.Ahn,and G.Caire的文献“Joint spatialdivision and multiplexing-the large-scale array regime,”IEEETrans.Inf.Theory,vol.59,no.10,pp.6441-6463,Oct.2013，提出了一种基于统计信道信息的双层预编码算法，该文献采用块对角化算法把期望用户组相关性矩阵的主特征向量投影到干扰用户组相关性矩阵的零空间上，从而得到外层预编码矩阵。在该文献中，并提出了一种基于用户地理位置的用户分组方案。J.Nam,A.Adhikary,J.Ahn,and G.Caire的文献“Joint spatial division and multiplexing:opportunistic beamforming,usergrouping and simplified downlink scheduling,”IEEE J.Sel.Topics SignalProcess.,vol.8,no.5,pp.876-890,Oct.2014,该文献提出了一种基于相关性矩阵的机会波束成形算法，并研究了一种基于酉空间的用户分组方案。Y.Xu,X.Xia,K.Xu,and Y.Wang的文献“Three-dimension massive MIMO for air-to-ground transmission:location-assisted precoding and impact of AoD uncertainty,”IEEE Access,vol.5,pp.15582-15596,Oct.2017,采用相关性矩阵探索无人机通信系统的双层预编码算法。该文献并提出了一种简单的基于常包络矩阵的外层预编码算法，但是该方法在性能增益方面有所损失。D.Kim,G.Lee,and Y.Sung的文献“Two-stage beamformer design for massive MIMOdownlink by trace quotient formulation,”IEEE Trans.Commun.,vol.63,no.6,pp.2200-2211,Jun.2015，提出了一种基于信漏噪比(Signal-to-Leakage-Plus-Noise-Ratio,SLNR)的双层预编码算法，该方法将外层预编码的设计问题化简成为一个迹商问题(Trace Quotient Problem,TQP)，但是该方案仅仅适合于Rayleigh信道。S.Jin,W.Tan,M.Matthaiou,J.Wang,and K.K.Wang的文献“Statistical eigenmode transmission forthe MU-MIMO downlink in Ricean fading,”IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.14,no.12,pp.6650-6663,Dec.2015,提出了一种基于SLNR的统计本征空分多接入方案，但是该方案仅仅适合于用户信道相互正交的情况。Q.Zhang,Q.Xi,C.He,and L.Jiang的文献“Userclustered opportunistic beamforming for stratospheric communications,”IEEECommun.Lett.,vol.20,no.9,pp.1832-1835,Sep.2016,采用直射分量探索平流层通信系统的预编码方案，但是该方案完全忽略了用户间干扰。在该文献中，并提出了一种简单的用户分组方案，该分组方案以用户直射分量之间的相关性为分组依据。