基于壓縮感知的多發(fā)多收系統(tǒng)增強(qiáng)信號(hào)復(fù)用技術(shù)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及移動(dòng)通訊領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于壓縮感知的多發(fā)多收MMO系統(tǒng)的 信號(hào)復(fù)用矩陣設(shè)計(jì)及信號(hào)檢測(cè)技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 多發(fā)多收MIMO(Multiple_Input Multiple-Output)技術(shù)通過(guò)采用多根發(fā)射天線 和多根接收天線，充分利用空間資源，能夠有效改善無(wú)線通信系統(tǒng)的頻帶利用率，增加無(wú)線 系統(tǒng)的覆蓋范圍。MIMO技術(shù)是獲取空間增益的有效方法，其中空間增益包括空間復(fù)用增益 (Spatial-multiplexing Gain)和空間分集增益（Spatial-diversity Gain)?？臻g復(fù)用增 益是指在豐富的空間衰落散射信道環(huán)境中，各個(gè)發(fā)射天線與接收天線對(duì)之間的衰落鏈路增 益是相互獨(dú)立的，這種收發(fā)天線之間的衰落鏈路獨(dú)立性提高了MMO通信系統(tǒng)中可以利用的 自由度，這就等價(jià)于構(gòu)建出多個(gè)獨(dú)立并行的空間信道鏈路，并且可以在不同的空間信道鏈 路中同時(shí)傳輸不同的信息流，從而達(dá)到提高數(shù)據(jù)傳輸速率的目的?？臻g分集(包括發(fā)射分集 和接收分集)增益是指在豐富的衰落散射信道環(huán)境中，利用發(fā)射端或接收端的多根天線所 提供的多重傳輸信道鏈路發(fā)送或接收相同的信息符號(hào)，從而使得所有信號(hào)成分同時(shí)經(jīng)歷深 度衰落的概率變小，進(jìn)而提高無(wú)線鏈路的可靠性。
[0003] 國(guó)內(nèi)外圍繞MIMO技術(shù)展開(kāi)了大量的研究工作，取得了豐富的成果，為提升和改進(jìn) 無(wú)線通信系統(tǒng)容量、降低系統(tǒng)開(kāi)銷和復(fù)雜度、消除多用戶干擾提供了重要保障。1995年， Telatar和Foschini分別在文南犬"Capacity of Multi-antenna Gaussian ChannelsAT& T-Bell Labs Technical Report，1995和"Layered Space-Time Architecture for Wireless Communication in a Fading Environment When Using Multiple Antennas," Bell Labs Tech. Journal，pp.41-59,1996中在基于瑞利衰落模型、信道有大量散射體、信 道系數(shù)無(wú)關(guān)、最優(yōu)編譯碼和接收端已知準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息等假設(shè)條件下，從理論角度證 明了在無(wú)線通信的接收端和發(fā)射端使用MIMO技術(shù)，可以使得無(wú)線通信系統(tǒng)的容量成倍增 加，即在M個(gè)發(fā)射天線和N個(gè)接收天線的MHTO系統(tǒng)中，信道容量隨min(M，N)線性增長(zhǎng)。以上研 究成果奠定了 MIMO技術(shù)在無(wú)線通信系統(tǒng)中的地位，從此，國(guó)內(nèi)外無(wú)線通信領(lǐng)域展開(kāi)了針對(duì) M頂0系統(tǒng)的廣泛研究。
[0004] 復(fù)雜的無(wú)線信道可以提供信道分集階數(shù)，但是也會(huì)使MMO系統(tǒng)也存在多個(gè)用戶間 相互干擾的問(wèn)題。同時(shí)，為了對(duì)抗多用戶接入帶來(lái)的多址干擾以及惡劣的無(wú)線信道環(huán)境帶 來(lái)的符號(hào)間干擾ISI(Inter Symbol Interference)，出現(xiàn)了各種各樣的技術(shù)，如文獻(xiàn)〃 Practical RAKE receiver architecture for the downlink communications in a DS-CDMA mobile system,〃IEEE Proceedings Communications,vol.145,no.4,pp.277-282, 1998中提出的Rake接收機(jī)技術(shù)，文獻(xiàn)"On the relation between V-BLAST and the GDFE，"IEEE Communications Letters，vol ·5，ηο·9，ρρ41-59,1996提出在MIMO檢測(cè)中的串 行干擾消除方法等等。但這里有一個(gè)共同特點(diǎn)，就是這些干擾消除技術(shù)都是在接收端實(shí)現(xiàn) 的方法，因而在接收端具有很高的復(fù)雜度，相對(duì)而言發(fā)送端的算法就比較簡(jiǎn)單。而在下行鏈 路中，接收端是終端用戶，終端設(shè)備由于尺寸大小、功耗限制以及價(jià)格等各方面的因素，使 用高復(fù)雜度的接收機(jī)算法就顯得不太適合，能否把復(fù)雜的接收機(jī)算法平行的放在發(fā)射端， 比如在基站側(cè)實(shí)現(xiàn)，從而減輕接收機(jī)信號(hào)處理的壓力和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，成了人們密切關(guān)注 的問(wèn)題。
[0005] 由信息論的知識(shí)得知，要想避免信道間的干擾，如果在發(fā)送端已知信道狀態(tài)信息 CSKChannel State Information)時(shí)，可以通過(guò)改變待發(fā)送數(shù)據(jù)的發(fā)送功率、調(diào)整待發(fā)送 數(shù)據(jù)發(fā)送方向，或者對(duì)待發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)見(jiàn)性的調(diào)制，使此系統(tǒng)主動(dòng)匹配發(fā)送時(shí)的通信環(huán) 境，從而獲得更好的系統(tǒng)性能。預(yù)編碼就是這樣一種在發(fā)送端實(shí)現(xiàn)的信號(hào)預(yù)處理技術(shù)，在發(fā) 送端獲得信道狀態(tài)信息的前提下，對(duì)發(fā)射信號(hào)在發(fā)送端進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)先消除發(fā)送端多天 線/或多用戶帶來(lái)的干擾，從而提高通信系統(tǒng)的性能。
[0006] MIMO預(yù)編碼技術(shù)的原理是，在發(fā)送端預(yù)先獲得CSI的前提下，通過(guò)預(yù)處理技術(shù)，消 除由無(wú)線衰落信道傳輸以及多用戶/多天線造成的干擾，從而達(dá)到發(fā)送端干擾抑制，保證通 信可靠性的目的。根據(jù)接收處理器的運(yùn)算方式，MIMO預(yù)編碼技術(shù)分為線性預(yù)編碼技術(shù)和非 線性預(yù)編碼技術(shù)。線性預(yù)編碼具有實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，盡管相對(duì)于 非線性預(yù)編碼在性能上存在一定的劣勢(shì)，但在計(jì)算復(fù)雜度和工程可實(shí)現(xiàn)性方面優(yōu)勢(shì)明顯， 因此發(fā)展迅速。文獻(xiàn)〃High SNR analysis for MIMO broadcast channels:dirty paper coding versus linear precoding"，IEEE Transactions on Information Theory, vol. 12, pp .4787-4 792 ,2007提出通過(guò)簡(jiǎn)單的奇異值分解（Singular Value Decomposition，SVD)即可完成單用戶MMO線性預(yù)編碼操作，并且能夠逼近線性預(yù)編碼的信 道容量上限。線性預(yù)編碼技術(shù)又分為基于碼本的預(yù)編碼技術(shù)和基于非碼本的預(yù)編碼技術(shù)。 基于非碼本的預(yù)編碼性能優(yōu)于基于碼本的預(yù)編碼方案，但是該技術(shù)要求有較高的反饋開(kāi) 銷?；诖a本的預(yù)編碼技術(shù)因其較小的反饋開(kāi)銷而被LTE采納，得到了較好的發(fā)展。
[0007] 在面向新一代無(wú)線通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中，多用戶MMO模式已被IEEE802.16m和 3GPP LTE-Advanced兩大標(biāo)準(zhǔn)所采用，多用戶MMO系統(tǒng)預(yù)編碼技術(shù)也已經(jīng)成為其中一個(gè)重 要組成部分。在3GPP LTE-Advanced標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中，各大公司關(guān)于多用戶MHTO系統(tǒng)預(yù)編碼技 術(shù)的提案，大多集中在基于信干噪比SINR準(zhǔn)則和信號(hào)泄漏噪聲比（Signal to Leakage pulse Noise Ratio，SLNR)的多用戶預(yù)編碼技術(shù)。Sadek等在文獻(xiàn) "A leakage-based precoding scheme for downlink multi-user MIMO channels,IEEE Transactions on Wireless Communications , vol · 6 ,no · pp ·: 1711-1721,2007中提出了信號(hào)泄漏噪聲比 (SLNR)準(zhǔn)則，期望所服務(wù)的每個(gè)用戶的接收信號(hào)功率盡可能大，同時(shí)其接收端的噪聲功率 與泄漏給其他用戶的干擾功率之和盡可能小。文獻(xiàn)"Enhanced leakage-based precoding schemes for multiuser MIMO downlink，IEEE Consumer Communications and Networking Conference (CCNC)，Las Vegas，NV，USA，pp:757-760，2013和"Improved leakage-based precoding with vector perturbation for MU-MIMO systems,IEEE Communications Letters ,vol · 16 ,no .pp: 1868-1871,2012 結(jié)合 SLNR 預(yù)編碼設(shè)計(jì)方法，討論 了系統(tǒng)功率分配方案，以提高系統(tǒng)性能。
[0008] 文南犬〃Zero-forcing methods for downlink spatial multiplexing in multiuser MIMO channels"，IEEE Transactions on Signal Processing,vol.52, pp. 461-471,2004提出迫零波束賦形預(yù)編碼，在滿足多用戶MMO系統(tǒng)中用戶數(shù)不大于總的 發(fā)射天線數(shù)情況下，可以選取系統(tǒng)內(nèi)多根發(fā)射天線與多用戶接收天線之間信道矩陣的 Moore-Penrose逆作為預(yù)編碼矩陣，理論上可以完全消除用戶間干擾。針對(duì)多用戶多天線場(chǎng) 景，Q.H.Spencer和M.Haardt在文南犬〃Capacity and downlink transmission algorithms for a multi-user MIMO channel"，The Thirty-Sixth Asillomar Conference on Signals Systems and Computers,Pacific Groove,CA,United states，pp·1384-1388， 2002中提出的塊對(duì)角化(BIock DiagonaI，BD)方法可完全消除用戶間干擾。塊對(duì)角化方法 中，通過(guò)在設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣時(shí)滿足每個(gè)用戶對(duì)應(yīng)的預(yù)編碼矩陣位于其他用戶與發(fā)送端之間 信道矩陣的零空間，將多用戶MMO系統(tǒng)的信道等效地分解為多個(gè)獨(dú)立的單用戶MMO信道， 從而消除用戶間干擾，可以看作迫零波束賦形預(yù)編碼方法的擴(kuò)展。但BD多用戶預(yù)編碼方法 僅考慮干擾而忽略了噪聲的影響，且沒(méi)有考慮不同用戶信道之間重疊的情況。另一方面，塊 對(duì)角化方法對(duì)發(fā)射天線和接收天線的數(shù)目有嚴(yán)格限制，要求多個(gè)用戶的接收天線總數(shù)必須 小于基站的發(fā)身才天線數(shù)。文南犬"Solution of the multiuser downlink beamforming problem with individual SINR constraints"，IEEE Transactions on Vehicular Technology，vol · 53，pp · 18-28，2004、''Iterative multiuser uplink and downlink beamforming under SINR constraints"，IEEE Transactions on Signal Processing, vol·53,pp·2324-2334,2005和"A unifying theory for uplink and downlink multiuser beamforming",International Zurich Seminar on Broadband Communications ,Access ,Transmission ,Networking,pp · 271-276,2002中都提出了基于信 干噪比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)的預(yù)編碼方案，允許用戶間存 在一定的干擾，主要解決在給定發(fā)射功率的前提下，各個(gè)用戶的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS)達(dá)到最佳或在給定各個(gè)用戶服務(wù)質(zhì)量要求的前提下，使發(fā)射功率達(dá)到最小的 預(yù)編碼問(wèn)題。該方案中用戶間的干擾會(huì)隨著任意一個(gè)用戶預(yù)編碼矩陣的些微變化發(fā)生不可 控的改變，可能影響其它用戶的服務(wù)質(zhì)量。因此該方案中預(yù)編碼矩陣需要聯(lián)合優(yōu)化，這將帶 來(lái)很高的計(jì)算復(fù)雜度，一般需借助上/下行信道之間的對(duì)耦性完成對(duì)預(yù)編碼矩陣的求