CN102957502B - 用于通信***的线性预编码的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于通信***的线性预编码的方法和装置。该方法包括：根据与第i个用户设备的当前子载波相关的子载波的信道特性，设置该当前子载波的接收波束成形矩阵RBFM的初始值根据第p-1次迭代中该第i个用户设备的RBFM确定第p次迭代中该第i个用户设备的等效联合信道补矩阵其中p为自然数；获取构成该等效联合信道补矩阵的左零陷空间的右奇异向量集合并将该右奇异向量集合设置为第p次迭代中该第i个用户设备的发射波束成形矩阵TBFM根据收敛规则将该第i个用户设备的TBFM设置为该第i个用户设备的预编码矩阵F_i。本发明实施例的方法和装置能够快速且简单地获取预编码矩阵，并能够增加***的吞吐量，提升***性能。

Description

用于通信***的线性预编码的方法和装置

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及通信领域中用于通信***的线性预编码的方法和装置。

背景技术

由于多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，简称为“MIMO”)***中的空分复用接入(Space Division Multiple Access，简称为“SDMA”)带来的***增益潜力很大，因此多用户(Multiple User，简称为“MU”)MIMO成为近年来研究的热点。

MIMO技术首先被应用于单用户***中，在所有发送天线和接收天线上的联合处理带来MIMO增益。但是，当MIMO技术应用到MU场景时，用户之间无法协调是一个关键问题。对于蜂窝网络中的上下行通信而言，在上行通信中，多个用户同时同频给基站发送信息，基站可以采用类似于多用户检测(Multiple User Detection，简称为“MUD”)技术来分离不同用户的信号；在下行传输中，基站同时发送信号给用户。因此，在每个用户的接收信号中，有一部分就是其他用户信号带来的用户间干扰。尽管在理论上用户可以通过采用多用户检测MUD的多用户干扰(Multi-User Interference，简称为“MUI”)消除技术，但是考虑到用户低功耗、低复杂度、低成本的要求，通常期望在基站侧消除MUI。

在基站侧可以通过线性和非线性预编码技术来消除用户间的干扰。线性预编码技术具有低计算复杂度的特点，并且在信道状态信息(Channel StateInformation，简称为“CSI”)不完备的情况下，具有良好的稳健性；而非线性预编码技术相对于线性预编码技术，具有更高的计算复杂度，并且对CSI的准确性很敏感。然而，现有技术中的线性预编码方法通常比较复杂，并且要求发射天线的数量大于接收天线的数量。

当前的研究中提出了一种不限制接入点(Access Point，简称为“AP”)和终端用户的接收天线个数的无线通信***。在该专利中，为了打破发射天线的数量必须大于接收天线的数量的限制，采用由终端用户发送的训练序列，AP产生的接收系数矩阵(Receive Coefficient Matrix，也称为接收波束成形矩阵(Receive Beamforming Matrix，简称为“RBFM”)),并且当接收天线的数量不超过发送天线的数量时，该接收系数矩阵乘以信道矩阵以用来形成一个等效发送系数矩阵。采用这种方法可以用来消除多用户间的干扰。因此，可以计算出发送系数矩阵A。接着，在消除多用户干扰之后的等效单用户传输中，采用MIMO传输策略获取接收系数矩阵V和U。在用户侧，需要知道接收系数矩阵V和U才可以进行数据的恢复。但在发送数据之前，发射端必须将接收系数矩阵发送给接收端用户。因此，该方法虽然能够打破对天线数量的限制，但是该方法较复杂，***开销很大，并容易导致通信时间和频率资源的浪费。

因此，需要一种简单且快速地线性预编码方法，并且该线性预编码方法对发射端和接收端的天线的数量没有限制。

发明内容

本发明实施例提供了一种用于通信***的线性预编码的方法和装置，能够快速且简单地获取预编码矩阵，并且对发射端和接收端的天线的数量没有限制。

一方面，本发明实施例提供了一种用于通信***的线性预编码的方法，该通信***包括具有M_T个发射天线的基站以及K个用户设备，该K个用户设备中的第i个用户设备具有M_Ri个接收天线，i＝1、2、…、K，其中M_T、K、M_Ri为自然数，该方法包括：根据与该第i个用户设备的当前子载波相关的子载波的信道特性，设置该当前子载波的接收波束成形矩阵RBFM的初始值根据第p-1次迭代中该第i个用户设备的RBFM确定第p次迭代中该第i个用户设备的等效联合信道补矩阵其中p为自然数；通过对该第i个用户设备的等效联合信道补矩阵进行奇异值分解，获取构成该等效联合信道补矩阵的左零陷空间的右奇异向量集合并将该右奇异向量集合设置为第p次迭代中该第i个用户设备的发射波束成形矩阵TBFM F_i ^(p)；根据收敛规则将该第i个用户设备的TBFMF_i ^(p)设置为该第i个用户设备的预编码矩阵F_i。

另一方面，本发明实施例提供了一种用于通信***的线性预编码的装置，该通信***包括具有M_T个发射天线的基站以及K个用户设备，该K个用户设备中的第i个用户设备具有M_Ri个接收天线，i＝1、2、…、K，其中M_T、K、M_Ri为自然数，该装置包括：第一设置模块，用于根据与该第i个用户设备的当前子载波相关的子载波的信道特性，设置该当前子载波的接收波束成形矩阵RBFM的初始值第一确定模块，用于根据第p-1次迭代中该第i个用户设备的RBFM确定第p次迭代中该第i个用户设备的等效联合信道补矩阵其中p为自然数；第二设置模块，用于通过对该第一确定模块确定的该第i个用户设备的等效联合信道补矩阵进行奇异值分解，获取构成该等效联合信道补矩阵的左零陷空间的右奇异向量集合并将该右奇异向量集合设置为第p次迭代中该第i个用户设备的发射波束成形矩阵TBFMF_i ^(p)；第二确定模块，用于根据收敛规则将该第二设置模块设置的该第i个用户设备的TBFM F_i ^(p)确定为该第i个用户设备的预编码矩阵F_i。

基于上述技术方案，本发明实施例的用于通信***的线性预编码的方法和装置，通过根据用户设备的当前子载波相关的子载波的信道特性，设置该当前子载波的接收波束成形矩阵的初始值，能够快速且简单地获取预编码矩阵，并能够增加***的吞吐量，降低***计算复杂度，对发射端和接收端的天线的数量也没有限制，从而能够全面提升***的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的用于通信***的线性预编码的方法的示意性流程图。

图2是根据本发明实施例的用于通信***的线性预编码的方法的应用场景示意图。

图3是根据本发明实施例的方法进行仿真的示意性框图。

图4是根据本发明实施例的***吞吐量的互补累计分布函数比较曲线图。

图5是根据本发明实施例的迭代次数的互补累计分布函数比较曲线图。

图6是根据本发明实施例的有效信干噪比的互补累计分布函数比较曲线图。

图7A和7B是根据本发明实施例的调制编码机制选择的概率比较曲线图。

图8是根据本发明另一实施例的***吞吐量的互补累计分布函数比较曲线图。

图9A和9B是根据本发明另一实施例的调制编码机制选择的概率比较曲线图。

图10是根据本发明实施例的用于通信***的线性预编码的装置的示意性框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

应理解，本发明的技术方案可以应用于各种通信***，例如：全球移动通讯(Global System of Mobile communication，简称为“GSM”)***、码分多址(Code Division Multiple Access，简称为“CDMA”)***、宽带码分多址(Wideband Code Division Multiple Access，简称为“WCDMA”)***、通用分组无线业务(General Packet Radio Service，简称为“GPRS”)、长期演进(Long Term Evolution，简称为“LTE”)***、LTE频分双工(FrequencyDivision Duplex，简称为“FDD”)***、LTE时分双工(Time Division Duplex，简称为“TDD”)、通用移动通信***(Universal Mobile TelecommunicationSystem，简称为“UMTS”)、无线局域网***(Wireless Local Access Network简称为WLAN)等。

还应理解，在本发明实施例中，用户设备(User Equipment，简称为“UE”)可称之为终端(Terminal)、移动台(Mobile Station，简称为“MS”)、移动终端(Mobile Terminal)、站点(Station)等，该用户设备可以经无线接入网(Radio Access Network，简称为“RAN”)与一个或多个核心网进行通信，例如，用户设备可以是移动电话(或称为“蜂窝”电话)、具有移动终端的计算机等，例如，用户设备还可以是便携式、袖珍式、手持式、计算机内置的或者车载的移动装置，它们与无线接入网交换语言和/或数据。

在本发明实施例中，基站可以是GSM或CDMA中的基站(BaseTransceiver Station，简称为“BTS”)，也可以是WCDMA中的基站(NodeB，简称为“NB”)，还可以是LTE中的演进型基站(Evolutional Node B，简称为“ENB或e-NodeB”)，还可以是WLAN中的接入点(Access Point简称AP)本发明并不限定。但为描述方便，下述实施例将以基站NB和用户设备UE为例进行说明。

图1示出了根据本发明实施例的用于通信***的线性预编码的方法100的示意性流程图。如图1所示，该方法100应用的通信***包括具有M_T个发射天线的基站以及K个用户设备，该K个用户设备中的第i个用户设备具有M_Ri个接收天线，i＝1、2、…、K，其中M_T、K、M_Ri为自然数，该方法100包括：

S110，根据与该第i个用户设备的当前子载波相关的子载波的信道特性，设置该当前子载波的接收波束成形矩阵(Receive Beamforming Matrice，简称为“RBFM”)的初始值

S120，根据第p-1次迭代中该第i个用户设备的RBFM确定第p次迭代中该第i个用户设备的等效联合信道补矩阵其中p为自然数；

S130，通过对该第i个用户设备的等效联合信道补矩阵进行奇异值分解，获取构成该等效联合信道补矩阵的左零陷空间的右奇异向量集合并将该右奇异向量集合设置为第p次迭代中该第i个用户设备的发射波束成形矩阵(Transmit Beamforming Matrice，简称为“TBFM”)F_i ^(p)；

S140，根据收敛规则将该第i个用户设备的TBFMF_i ^(p)设置为该第i个用户设备的预编码矩阵F_i。

在本发明实施例的方法中，对于特定用户设备而言，首先设置该用户设备的当前子载波的接收波束成形矩阵RBFM的初始值，根据该RBFM的初始值，可以计算出第一次迭代过程中该用户设备的等效联合信道补矩阵，并通过对该等效联合信道补矩阵进行奇异值分解(Singular ValueDecomposition，简称为“SVD”)，可以获取第一次迭代过程中该用户设备的发射波束成形矩阵TBFM，如果第一次迭代过程后不满足收敛规则，则进行下一次迭代过程，直至收敛规则得到满足，将该迭代过程中得到的发射波束成形矩阵TBFM设置为该用户设备的预编码矩阵。应理解，在下一次迭代过程中需要使用的接收波束成形矩阵RBFM，可以在确定前一次迭代过程是否满足收敛规则之前或之后进行计算。由于该方法采用的RBFM的初始值考虑了与当前子载波相关的子载波的信道特性，即考虑了相关子载波的信道相关性，从而能够加速迭代过程，减小迭代次数，由此简化方法的复杂度。

因此，本发明实施例的用于通信***的线性预编码的方法，通过根据用户设备的当前子载波相关的子载波的信道特性，设置该当前子载波的接收波束成形矩阵的初始值，能够快速且简单地获取预编码矩阵，并能够增加***的吞吐量，降低***计算复杂度，对发射端和接收端的天线的数量也没有限制，从而能够全面提升***的性能。

下面将结合图2所示的应用场景，对根据本发明实施例的用于通信***的线性预编码的方法进行详细说明。

如图2所示，本发明实施例应用的通信***包括具有M_T个发射天线的基站，以及K个用户设备，该K个用户设备中的第i个用户设备具有M_Ri个接收天线，该K个用户设备具有的接收天线的总数为M_R，其中，i＝1、2、…、K，M_T、K、M_Ri为自然数，M_R可以由下列等式(1)确定：

$M_R=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{M}_{\mathrm{Ri}}---\left(1\right)$

应理解，该通信***可以包括一个基站，该基站具有M_T个发射天线，该通信***也可以包括两个或两个以上的基站，这些基站总共具有M_T个发射天线。

如图2所示，第i个用户设备的发送信号定义为r_i-维的向量x_i，其中r_i是发送给第i个用户设备的数据流的个数。K个向量可以由下列等式(2)表示：

其中， $r=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i.$

联合预编码矩阵F可以由下列等式(3)表示：

其中，F_i为第i个用户设备的预编码矩阵，并且满足

假设该通信***是正交频率复用(Orthogonal Frequency-DivisionMultiplexing，简称为“OFDM”)***，那么在给定频率且给定时间下，第i个用户的信道矩阵H_i满足并且K个用户设备的联合信道矩阵可以由下列等式(4)确定：

应理解，本发明实施例仅以OFDM***为例进行说明，但是本发明并不限于此，本发明实施例还可以应用于其它通信***。

在用户设备侧，联合块对角化解码矩阵(Joint Block-Diagonal DecodingMatrix)可以由下列等式(5)确定：

其中，第i个用户设备的解码矩阵D_i满足

因此，联合接收向量y可以由下列等式(6)确定：

y＝D·(H·F·x+n)   (6)

其中，第i个用户设备的接收向量y_i满足n_i为第i个用户设备的接收天线的零均值加性高斯白噪声。

下面将结合图1所示的方法，详细描述如何获取第i个用户设备的预编码矩阵F_i。

在S110中，根据与该第i个用户设备的当前子载波相关的子载波的信道特性，设置该当前子载波的接收波束成形矩阵RBFM的初始值可选地，如果该当前子载波不是该第i个用户设备的第一个子载波，则将该当前子载波的RBFM的初始值设置为用于确定与该当前子载波相邻的子载波的预编码矩阵的RBFM。如果该当前子载波是该第i个用户设备的第一个子载波，则RBFM的初始值可以设置为随机矩阵。

在本发明实施例中，如果该当前子载波不是该第i个用户设备的第一个子载波，则将该当前子载波的RBFM的初始值可以设置为用于确定与该当前子载波具有相关性的任意子载波的预编码矩阵的RBFM。例如，将当前子载波的RBFM的初始值设置为用于确定与当前子载波相隔一个或一个以上的子载波的预编码矩阵的RBFM。优选地，将该当前子载波的RBFM的初始值设置为用于确定与该当前子载波相邻的子载波的预编码矩阵的RBFM。

在本发明实施例中，应理解，如果经过p次迭代后可以确定子载波的预编码矩阵，那么用于确定与该当前子载波相邻的子载波的预编码矩阵的RBFM，包括第p次迭代计算的接收波束成形矩阵RBFM，即根据确定的预编码矩阵计算得到的RBFM，也包括第p-1次迭代计算的接收波束成形矩阵RBFM，以及前p-2次迭代计算得到的其它RBFM。优选地，在本发明实施例中，用于确定与该当前子载波相邻的子载波的预编码矩阵的RBFM为根据确定的预编码矩阵计算得到的接收波束成形矩阵RBFM，即第p次迭代计算的接收波束成形矩阵RBFM。

应理解，所谓与当前子载波相邻的子载波指的是与当前子载波在频率上处于前后位置的子载波。

尽管对于802.11ac中的信道模型D的研究表明，802.11ac***中存在很大的频率选择性衰落，但是子载波之间的信道特性还是有一定的相关性。因此，在本发明实施例的方法中，接收波束成形矩阵RBFM的初始值的设置考虑了相邻载波之间信道的相关性，从而大大减小了收敛规则得到满足之前进行的迭代次数，降低了方法的复杂度，并且还能够全面提升***的性能。

在S120中，根据第p-1次迭代中该第i个用户设备的RBFM确定第p次迭代中该第i个用户设备的等效联合信道补矩阵该等效联合信道补矩阵由下列等式(7)确定：

${\tilde{H}}_{\mathrm{ei}}^{\left(p\right)}={\left[\begin{array}{cccccc}{H}_{e1}^{{\left(p\right)}^T}& ...& H_{e(i-1)}^{{\left(p\right)}^T}& H_{e(i+1)}^{{\left(p\right)}^T}& ...& H_{\mathrm{eK}}^{{\left(p\right)}^T}\end{array}\right]}^T---\left(7\right)$

其中，第p次迭代中所述第i个用户设备的等效信道矩阵H_i为所述第i个用户设备的信道矩阵，p为自然数。即对于第i个用户设备而言，从第p次迭代中的等效联合信道矩阵中去除第i个用户设备的等效信道矩阵，就可以获取第p次迭代中该用户设备的等效联合信道补矩阵该等效联合信道矩阵由下列等式(8)确定：

$H_e^{\left(p\right)}=\left[\begin{array}{c}{H}_{e1}^{\left(p\right)}\\ .\\ .\\ .\\ H_{\mathrm{ei}}^{\left(p\right)}\\ .\\ .\\ .\\ H_{\mathrm{eK}}^{\left(p\right)}\end{array}\right]---\left(8\right)$

应理解，第i个用户设备的信道矩阵H_i可以根据标准协议，通过用户设备反馈给基站而获取，或者在用户设备的发送端上直接进行估计得到，例如在TDD***中，用户设备直接根据信道状态估算得到该用户设备的信道矩阵。

在本发明实施例中，可选地，如果该第i个用户设备采用最小均方误差(Minimum Mean-Square-Error，简称为“MMSE”)接收器，则该第i个用户设备的接收波束成形矩阵RBFM由下列等式(9)确定：

$D_i^{(p-1)}={(H_i{F_i}^{(p-1)}{F_i}^{{(p-1)}^H}{H}_i^H+{{\mathrm{\σ}}_n}^2{I}_{M_{\mathrm{Ri}}})}^{-1}{H}_i{F_i}^{(p-1)}---\left(9\right)$

其中，F_i ^(p-1)为第p-1次迭代中该第i个用户设备的发射波束成形矩阵TBFM，σ_n ²为接收天线的噪声功率，为M_Ri×M_Ri维单位矩阵；

可选地，如果该第i个用户设备采用最大比合并MRC接收器，则该第i个用户设备的RBFM由下列等式(10)确定：

$D_i^{(p-1)}=H_i{F_i}^{(p-1)}---\left(10\right)$

应理解，第p-1次迭代中该第i个用户设备的RBFM可以在第p-1次迭代过程中，在确定第p-1次迭代是否满足收敛条件之前或之后进行计算，当然也可以在第p次迭代过程中，根据第p-1次迭代过程的结果进行计算，本发明实施例对此并不限定。

在S130中，对该第i个用户设备的等效联合信道补矩阵进行奇异值分解，即该等效联合信道补矩阵可以由下列等式(11)确定：

${\tilde{H}}_{\mathrm{ei}}^{\left(p\right)}={\tilde{U}}_{\mathrm{ei}}^{\left(p\right)}{\widetilde{\mathrm{\Σ}}}_{\mathrm{ei}}^{\left(p\right)}{\left[\begin{array}{cc}{\tilde{V}}_{\mathrm{ei}}^{(p,1)}& {\tilde{V}}_{\mathrm{ei}}^{(p,0)}\end{array}\right]}^H---\left(11\right)$

其中，对进行奇异值分解后得到的U矩阵的列称为左奇异向量，得到的V矩阵列称为右奇异向量，其中，表示的是前个右奇异向量，表示的是后个右奇异向量，这个右奇异向量构成等效联合信道补矩阵的左零陷空间。

通过对进行奇异值分解，可以获取构成该等效联合信道补矩阵的左零陷空间的右奇异向量集合并将该右奇异向量集合设置为第p次迭代中该第i个用户设备的发射波束成形矩阵TBFM F_i ^(p)，即该发射波束成形矩阵TBFM F_i ^(p)可以由下列等式(12)确定：

${F_i}^{\left(p\right)}={\tilde{V}}_{\mathrm{ei}}^{(p,0)}---\left(12\right)$

在S140中，如果收敛规则得到满足，则将该第i个用户设备的TBFMF_i ^(p)设置为该第i个用户设备的预编码矩阵F_i；如果收敛规则仍没有得到满足，则进行下一次迭代。

在本发明实施例中，收敛规则包括用户干扰、TBFM变化、迭代次数等是否满足相应的阈值。具体而言，如果用户干扰小于或等于第一阈值ε1，则可以确定收敛规则得到满足。例如，如果用户干扰则可以确定收敛规则得到满足，该用户干扰可以由下列等式(13)确定：

$\mathrm{MUI}\left(H_e^{\left(p\right)}{F}^{\left(p\right)}\right)={\left|\right|\mathrm{off}\left(H_e^{\left(p\right)}{F}^{\left(p\right)}\right)\left|\right|}_F^2---\left(13\right)$

其中，该表示所有非对角线上的元素。应理解，用户干扰还可以取值为对取其它范数，而不限于取F范数。

如果TBFM变化小于或等于第二阈值ε2，则可以确定收敛规则得到满足。例如，如果TBFM变化则可以确定收敛规则得到满足。同样地，也可以对F^(p)-F^(p-1)取其它范数，并用于收敛的判断。

如果迭代次数小于或等于第三阈值ε3，则可以确定收敛规则得到满足。例如，如果迭代次数p≤ε3，则可以确定收敛规则得到满足。

在本发明实施例中，可选地，该收敛规则包括多用户干扰TBFM变化和迭代次数p≤ε3中的至少一个。即可以根据多个收敛规则确定迭代过程是否终止。

在本发明实施例中，可选地，该通信***的发射天线的数量M_T小于或等于该K个用户设备的接收天线的总数M_R。应理解，根据本发明实施例的方法也可以应用于发射天线的数量M_T大于该K个用户设备的接收天线的总数M_R的场景。在本发明实施例中，可选地，该通信***包括多用户MU多输入多输出MIMO多载波***。

应理解，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

因此，本发明实施例的用于通信***的线性预编码的方法，通过根据用户设备的当前子载波相关的子载波的信道特性，设置该当前子载波的接收波束成形矩阵的初始值，能够快速且简单地获取预编码矩阵，并能够增加***的吞吐量，降低***计算复杂度，对发射端和接收端的天线的数量也没有限制，从而能够全面提升***的性能。

下面将结合图3至图9B，详细说明本发明实施例带来的有益效果。

为了进一步说明本发明实施例中的方法的性能，下面给出了采用MATLAB进行的仿真结果。仿真配置及参数设置按照IEEE 802.11ac中的场景2的规范进行。下面，首先给出场景2的描述：

场景#2：点到多点链路测试

(a)5GHz频段，不高于80MHz的信道带宽；

(b)一个任务组ac(TGac)接入点(Access Point，简称为“AP”)作为源，至少2个TGac终端(STAs)作为目的接收器(sinks)；

(c)物理层(Physical layer，简称为“PHY”)信道模型：模型D；

(d)AP的位置固定在：(0,0),两个终端STA的位置可以是(0,10)和(10,0)。

因为链路仿真复杂度高，运行时间长，因此采用***吞吐量来描述所提方法的性能，另外，为了考虑仿真的灵活性，采用链路至***(Link-to-System，简称为“L2S”)的接口进行***级仿真。

图3示出了根据本发明实施例的方法进行***级仿真的框图，其中虚线框部分表示的是实际的仿真流程，虚线框上面的部分给出的是仿真的准备阶段。首先，设置OFDM相关的参数、与场景强相关的信道参数、用户设备和天线、协议相关的参数以及仿真的参数等。根据相应的参数设置用于链路至***映射(Mapping)的数据被加载处理。对于每个独立的仿真，都会对应一个与信道和天线参数相关的新的信道实现。调度方法确定了同时同频被服务的用户组和。然后参数设置阶段也会初始化真正的仿真流程，预编码和解码矩阵在通过应用不同的预编码算法在具有完全信道信息(CSI)假设前提下计算出来。接下来，获取等效信道矩阵和等效噪声方差矩阵，在所有的空间流上的每个子载波上计算信干噪比(Signal-to-Interference-plus-NoiseRatio，简称为“SINR”)。这里链路至***映射的方法采用的是指数有效信噪比映射(Exponential Effective SNR(Signal-to-Noise Ratio)Mapping，简称为“EESM”)。通过链路至***映射，不同预编码方法下的用户设备的吞吐量和***的吞吐量可以计算出来。

对于场景2的***级仿真，假设使用的是80MHz发射信道带宽，并且仿真选择了5GHz频带，5170MHz–5270MHz，中心频率为5.21GHz；采用IEEE 802.11ac产生信道模型D；假设可以获取良好的发射端信道状态信息(Channel State Information at the Transmitter，简称为“CSIT”)和接收端信道状态信息(Channel State Information at the Receiver，简称为“CSIR”)。因为当前的仿真中只评估PHY性能，考虑发送物理层协议数据单元(PhysicalLayer Protocol Date Unit，简称为“PPDU”)时所带来的开销部分,仿真中物理层服务数据单元(Physical Layer Service Date Unit，简称为“PSDU”)大小设置成5000B(字节)。基站和用户之间的距离在信道矩阵产生的时候已经体现了。在仿真参数设置阶段，已经考虑了在多用户传输过程中多个用户设备上的空间流之和最大数是8。另外，考虑到研究中每个链路都需要支持MIMO，因此最大发送和接收天线数应该是8。发送功率设置成30dBm，并假设室温为290K的情况下，计算得到噪声功率密度。在链路自适应中每个调制编码机制(Modulation and Coding Scheme，简称为“MCS”)切换的误包率(Packet Error Rate，简称为“PER”)阈值设置成0.01。

对于具有8个发射天线的基站以及4个用户设备的通信***，每个用户设备具有4个接收天线，发送给每个用户设备的数据流的数量为2，即K＝4，M_T＝8，M_Ri＝4，r_i＝2，i＝1、2、…、K，并且空间流的总数为8，图4示出了根据本发明实施例的***吞吐量的互补累计分布函数(ComplementaryCumulative Distribution Function，简称为“CCDF”)比较曲线图。在图4中，曲线A为根据本发明实施例的方法获得的***吞吐量的CCDF曲线图，曲线B为根据现有技术的方法获得的***吞吐量的CCDF曲线图，由图4可以得知本发明实施例的方法可以获得更大的***吞吐量，性能更好。

图5示出了在如图4所示的通信***中，根据本发明实施例的迭代次数的互补累计分布函数比较曲线图。其中，曲线A为根据本发明实施例的方法获得的迭代次数的CCDF曲线图，曲线B为根据现有技术的方法获得的迭代次数的CCDF曲线图，由图5可以得知本发明实施例的方法的迭代次数更少，计算的复杂度更低。

图6示出了每个用户设备根据本发明实施例的有效信干噪比的互补累计分布函数比较曲线图，其中曲线A为根据本发明实施例获取的曲线，曲线B为根据现有技术的方法获取的曲线。图7A示出了每个用户设备根据本发明实施例的调制编码机制选择的概率曲线图，而图7B示出了每个用户设备根据现有技术的调制编码机制选择的概率曲线图。由图可以得知采用本发明实施例的方法总是会选择最高的MCS进行通信。

图8示出了根据本发明另一实施例的***吞吐量的互补累计分布函数比较曲线图。其中曲线A1和A2分别为根据本发明实施例的***吞吐量在PSDU大小为50000B和5000B时的互补累计分布函数曲线图；曲线B1和B2分别为根据现有技术的***吞吐量在PSDU大小为50000B和5000B时的互补累计分布函数曲线图。由图8可以得知，通过增加PSDU的大小，可以进一步的增加***吞吐量，当PDSU大小为50000B时，根据本发明实施例甚至可以获得2.7GHz的***吞吐量，***性能更好。

图9A和9B分别示出了每个用户设备在PDSU大小为50000B时，根据本发明实施例以及现有技术的调制编码机制选择的概率曲线图，由图可以得知即使将PSDU增加到50000B时，采用本发明实施例的方法选择MCS 9的概率仍然很高，大约为90％，并且能够进一步降低复杂度。

因此，本发明实施例的用于通信***的线性预编码的方法，通过根据用户设备的当前子载波相关的子载波的信道特性，设置该当前子载波的接收波束成形矩阵的初始值，能够快速且简单地获取预编码矩阵，并能够增加***的吞吐量，降低***计算复杂度，对发射端和接收端的天线的数量也没有限制，从而能够全面提升***的性能。

上文中结合图1至图9B，详细描述了根据本发明实施例的用于通信***的线性预编码的方法，下面将结合图10，详细描述根据本发明实施例的用于通信***的线性预编码的装置。

图10示出了根据本发明实施例的用于通信***的线性预编码的装置500的示意性框图。该通信***包括具有M_T个发射天线的基站以及K个用户设备，该K个用户设备中的第i个用户设备具有M_Ri个接收天线，i＝1、2、…、K，其中M_T、K、M_Ri为自然数，如图10所示，该装置500包括：

第一设置模块510，用于根据与该第i个用户设备的当前子载波相关的子载波的信道特性，设置该当前子载波的接收波束成形矩阵RBFM的初始值

第一确定模块520，用于根据第p-1次迭代中该第i个用户设备的RBFM确定第p次迭代中该第i个用户设备的等效联合信道补矩阵其中p为自然数；

第二设置模块530，用于通过对该第一确定模块确定的该第i个用户设备的等效联合信道补矩阵进行奇异值分解，获取构成该等效联合信道补矩阵的左零陷空间的右奇异向量集合并将该右奇异向量集合设置为第p次迭代中该第i个用户设备的发射波束成形矩阵TBFMF_i ^(p)；

第二确定模块540，用于根据收敛规则将该第二设置模块设置的该第i个用户设备的TBFM F_i ^(p)确定为该第i个用户设备的预编码矩阵F_i。

本发明实施例的用于通信***的线性预编码的装置，通过根据用户设备的当前子载波相关的子载波的信道特性，设置该当前子载波的接收波束成形矩阵的初始值，能够快速且简单地获取预编码矩阵，并能够增加***的吞吐量，降低***计算复杂度，对发射端和接收端的天线的数量也没有限制，从而能够全面提升***的性能。

在本发明实施例中，可选地，如果该第i个用户设备采用最小均方误差MMSE接收器，则该第i个用户设备的RBFM由下列等式确定：

$D_i^{(p-1)}={(H_i{F_i}^{(p-1)}{F_i}^{{(p-1)}^H}{H}_i^H+{{\mathrm{\σ}}_n}^2{I}_{M_{\mathrm{Ri}}})}^{-1}{H}_i{F_i}^{(p-1)},$

其中，F_i ^(p-1)为第p-1次迭代中该第i个用户设备的TBFM，σ_n ²为接收天线的噪声功率，为M_Ri×M_Ri维单位矩阵；

如果该第i个用户设备采用最大比合并MRC接收器，则该第i个用户设备的RBFM由下列等式确定：

$D_i^{(p-1)}=H_i{F_i}^{(p-1)}.$

在本发明实施例中，可选地，该第一设置模块具体用于：如果该当前子载波不是该第i个用户设备的第一个子载波，则将该当前子载波的RBFM的初始值设置为用于确定与该当前子载波相邻的子载波的预编码矩阵的RBFM。

在本发明实施例中，可选地，等效联合信道补矩阵由下列等式确定：

${\tilde{H}}_{\mathrm{ei}}^{\left(p\right)}={\left[\begin{array}{cccccc}{H}_{e1}^{{\left(p\right)}^T}& ...& H_{e(i-1)}^{{\left(p\right)}^T}& H_{e(i+1)}^{{\left(p\right)}^T}& ...& H_{\mathrm{eK}}^{{\left(p\right)}^T}\end{array}\right]}^T,$

其中，第p次迭代中该第i个用户设备的等效信道矩阵H_i为该第i个用户设备的信道矩阵。

在本发明实施例中，可选地，该收敛规则包括多用户干扰TBFM变化和迭代次数p≤ε3中的至少一个，该多用户干扰由下列等式确定：

$\mathrm{MUI}\left(H_e^{\left(p\right)}{F}^{\left(p\right)}\right)={\left|\right|\mathrm{off}\left(H_e^{\left(p\right)}{F}^{\left(p\right)}\right)\left|\right|}_F^2$

$H_e^{\left(p\right)}={\left[\begin{array}{ccccc}{H}_{e1}^{{\left(p\right)}^T}& ...& H_{\mathrm{ei}}^{{\left(p\right)}^T}& ...& H_{\mathrm{eK}}^{{\left(p\right)}^T}\end{array}\right]}^T,$

其中，该表示所有非对角线上的元素，ε1、ε2、ε3分别为第一阈值、第二阈值和第三阈值。

在本发明实施例中，可选地，该通信***的发射天线的数量M_T小于或等于该K个用户设备的接收天线的总数M_R，其中该接收天线的总数M_R由下列等式确定：

$M_R=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{M}_{\mathrm{Ri}}.$

在本发明实施例中，可选地，该通信***包括MU MIMO多载波***。

根据本发明实施例的装置500中的各个模块的上述和其它操作和/或功能分别为了实现图1至图9中的各个方法的相应流程，为了简洁，在此不再赘述。

本发明实施例的用于通信***的线性预编码的装置，通过根据用户设备的当前子载波相关的子载波的信道特性，设置该当前子载波的接收波束成形矩阵的初始值，能够快速且简单地获取预编码矩阵，并能够增加***的吞吐量，降低***计算复杂度，对发射端和接收端的天线的数量也没有限制，从而能够全面提升***的性能。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的***、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的***、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种用于通信***的线性预编码的方法，其特征在于，所述通信***包括具有M_T个发射天线的基站以及K个用户设备，所述K个用户设备中的第i个用户设备具有M_Ri个接收天线，i＝1、2、…、K，其中M_T、K、M_Ri为正整数，所述方法包括：

根据与所述第i个用户设备的当前子载波相关的子载波的信道特性，设置所述当前子载波的接收波束成形矩阵RBFM的初始值

根据第p-1次迭代中所述第i个用户设备的RBFM确定第p次迭代中所述第i个用户设备的等效联合信道补矩阵其中p为自然数；

通过对所述第i个用户设备的等效联合信道补矩阵进行奇异值分解，获取构成所述等效联合信道补矩阵的左零陷空间的右奇异向量集合并将所述右奇异向量集合设置为第p次迭代中所述第i个用户设备的发射波束成形矩阵TBFM

根据收敛规则将所述第i个用户设备的TBFM设置为所述第i个用户设备的预编码矩阵F_i。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果所述第i个用户设备采用最小均方误差MMSE接收器，则所述第i个用户设备的RBFM由下列等式确定：

$D_i^{(p-1)}={(H_i{F}_i^{(p-1)}{F}_i^{{(p-1)}^H}{H}_i^H+{\mathrm{\σ}}_n^2{I}_{M_{\mathrm{Ri}}})}^{-1}{H}_i{F}_i^{(p-1)}\text{,}$

其中，为第p-1次迭代中所述第i个用户设备的TBFM，为接收天线的噪声功率，为M_Ri×M_Ri维单位矩阵；

如果所述第i个用户设备采用最大比合并MRC接收器，则所述第i个用户设备的RBFM由下列等式确定：

$D_i^{(p-1)}=H_i{F}_i^{(p-1)}.$

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据与当前子载波相关的子载波的信道特性，设置所述当前子载波的接收波束成形矩阵RBFM的初始值包括：

如果所述当前子载波不是所述第i个用户设备的第一个子载波，则将所述当前子载波的RBFM的初始值设置为用于确定与所述当前子载波相邻的子载波的预编码矩阵的RBFM。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述等效联合信道补矩阵由下列等式确定：

${\tilde{H}}_{\mathrm{ei}}^{\left(p\right)}={\left[\begin{array}{cccccc}{H}_{e1}^{{\left(p\right)}^T}& ...& H_{e(i-1)}^{{\left(p\right)}^T}& H_{e(i+1)}^{{\left(p\right)}^T}& ...& H_{\mathrm{eK}}^{{\left(p\right)}^T}\end{array}\right]}^T,$

其中，第p次迭代中所述第i个用户设备的等效信道矩阵H_i为所述第i个用户设备的信道矩阵。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述收敛规则包括多用户干扰 $\mathrm{MUI}\left(H_e^{\left(p\right)}{F}^{\left(p\right)}\right)\≤\mathrm{\ϵ}1,$ TBFM变化 ${\left|\right|F^{\left(p\right)}-F^{(p-1)}\left|\right|}_F^2\≤\mathrm{\ϵ}2$ 和迭代次数p≤ε3中的至少一个，所述多用户干扰由下列等式确定：

$\mathrm{MUI}\left(H_e^{\left(p\right)}{F}^{\left(p\right)}\right)={\left|\right|\mathrm{off}\left(H_e^{\left(p\right)}{F}^{\left(p\right)}\right)\left|\right|}_F^2$

$H_e^{\left(p\right)}={\left[\begin{array}{ccccc}{H}_e^{{\left(p\right)}^T}& ...& H_{\mathrm{ei}}^{{\left(p\right)}^T}& ...& H_{\mathrm{eK}}^{{\left(p\right)}^T}\end{array}\right]}^T,$

其中，所述表示所有非对角线上的元素，ε1、ε2、ε3分别为第一阈值、第二阈值和第三阈值。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述通信***的发射天线的数量M_T小于或等于所述K个用户设备的接收天线的总数M_R，其中所述接收天线的总数M_R由下列等式确定：

$M_R=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{M}_{\mathrm{Ri}}.$

7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述通信***包括多用户MU多输入多输出MIMO多载波***。

8.一种用于通信***的线性预编码的装置，其特征在于，所述通信***包括具有M_T个发射天线的基站以及K个用户设备，所述K个用户设备中的第i个用户设备具有M_Ri个接收天线，i＝1、2、…、K，其中M_T、K、M_Ri为正整数，所述装置包括：

第一设置模块，用于根据与所述第i个用户设备的当前子载波相关的子载波的信道特性，设置所述当前子载波的接收波束成形矩阵RBFM的初始值

第一确定模块，用于根据第p-1次迭代中所述第i个用户设备的RBFM确定第p次迭代中所述第i个用户设备的等效联合信道补矩阵其中p为自然数；

第二设置模块，用于通过对所述第一确定模块确定的所述第i个用户设备的等效联合信道补矩阵进行奇异值分解，获取构成所述等效联合信道补矩阵的左零陷空间的右奇异向量集合并将所述右奇异向量集合设置为第p次迭代中所述第i个用户设备的发射波束成形矩阵TBFM

第二确定模块，用于根据收敛规则将所述第二设置模块设置的所述第i个用户设备的TBFM确定为所述第i个用户设备的预编码矩阵F_i。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，如果所述第i个用户设备采用最小均方误差MMSE接收器，则所述第i个用户设备的RBFM由下列等式确定：

$D_i^{(p-1)}={(H_i{F}_i^{(p-1)}{F}_i^{{(p-1)}^H}{H}_i^H+{\mathrm{\σ}}_n^2{I}_{M_{\mathrm{Ri}}})}^{-1}{H}_i{F}_i^{(p-1)}\text{,}$

其中，为第p-1次迭代中所述第i个用户设备的TBFM，为接收天线的噪声功率，为M_Ri×M_Ri维单位矩阵；

如果所述第i个用户设备采用最大比合并MRC接收器，则所述第i个用户设备的RBFM由下列等式确定：

$D_i^{(p-1)}=H_i{F}_i^{(p-1)}.$

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一设置模块具体用于：

如果所述当前子载波不是所述第i个用户设备的第一个子载波，则将所述当前子载波的RBFM的初始值设置为用于确定与所述当前子载波相邻的子载波的预编码矩阵的RBFM。

11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述等效联合信道补矩阵由下列等式确定：

${\tilde{H}}_{\mathrm{ei}}^{\left(p\right)}={\left[\begin{array}{cccccc}{H}_{e1}^{{\left(p\right)}^T}& ...& H_{e(i-1)}^{{\left(p\right)}^T}& H_{e(i+1)}^{{\left(p\right)}^T}& ...& H_{\mathrm{eK}}^{{\left(p\right)}^T}\end{array}\right]}^T,$

其中，第p次迭代中所述第i个用户设备的等效信道矩阵H_i为所述第i个用户设备的信道矩阵。

12.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述收敛规则包括多用户干扰 $\mathrm{MUI}\left(H_e^{\left(p\right)}{F}^{\left(p\right)}\right)\≤\mathrm{\ϵ}1,$ TBFM变化 ${\left|\right|F^{\left(p\right)}-F^{(p-1)}\left|\right|}_F^2\≤\mathrm{\ϵ}2$ 和迭代次数p≤ε3中的至少一个，所述多用户干扰由下列等式确定：

$\mathrm{MUI}\left(H_e^{\left(p\right)}{F}^{\left(p\right)}\right)={\left|\right|\mathrm{off}\left(H_e^{\left(p\right)}{F}^{\left(p\right)}\right)\left|\right|}_F^2$

$H_e^{\left(p\right)}={\left[\begin{array}{ccccc}{H}_e^{{\left(p\right)}^T}& ...& H_{\mathrm{ei}}^{{\left(p\right)}^T}& ...& H_{\mathrm{eK}}^{{\left(p\right)}^T}\end{array}\right]}^T,$

其中，所述表示所有非对角线上的元素，ε1、ε2、ε3分别为第一阈值、第二阈值和第三阈值。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的装置，其特征在于，所述通信***的发射天线的数量M_T小于或等于所述K个用户设备的接收天线的总数M_R，其中所述接收天线的总数M_R由下列等式确定：

$M_R=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{M}_{\mathrm{Ri}}.$

14.根据权利要求8至12中任一项所述的装置，其特征在于，所述通信***包括MU MIMO多载波***。