一种大规模多天线系统中多用户信号的检测方法

摘要

本发明涉及一种大规模多天线系统中多用户信号的检测方法，属于无线通信技术领域。该方法利用已获得的CSI在基站侧对多用户的信息进行检测。本方法复杂度低，误比特率性能好，能在几步迭代以内就逼近最优MMSE检测的误比特率性能。本方法通过Lanczos迭代算法求解线性方程组，避免了通过直接对大型矩阵求逆的方式获得MMSE均衡矩阵，能大大减少检测的计算复杂度；此外，本检测方法能在较低的复杂度内计算出各个信息比特的LLR值作为译码器的输入，能显著提升联合检测译码的性能。在用户数K与基站天线数N的比值一定时且二者数目都趋于无穷时，这种复杂度的降低尤为明显，同时误比特率性能能够渐进达到最大似然检测的(最优)性能。

主权项

一种大规模多天线系统中多用户信号的检测方法，其特征在于该检测方法包括以下步骤：(1)设大规模多天线系统中的基站天线数为N，用户数为K，每个用户配置一根天线，则大规模多天线系统的上行信道矩阵为其中代表复数域，K个用户在T个时隙内的用户发射信号为其中R为用户信号编码的码率，发射信号S经过信道编码、交织和符号映射后，得到天线发射信号，记为天线发射信号的功率为天线发射信号X通过用户的天线发射，经过信道，在基站的N根天线得到基站接收信号，记为Y＝HX+W，其中，W表示基站接收信号中的加性高斯白噪声，矩阵W中的元素为基站接收信号的信噪比为(2)计算上述基站接收信号的匹配滤波向量其中为T个时隙内时刻t的上行信道矩阵H_t的共轭转置，y_t为上述基站接收信号Y中的第t列，表示基站在时刻t接收到的信号向量；(3)计算上述大规模多天线系统的上行信道矩阵的Gram矩阵G_t，其中ρ为基站接收信号的信噪比，I_K为K阶单位矩阵；(4)用Lanczos过程，计算得到与上述G_t相关的列正交矩阵Q和对称三对角矩阵T，具体过程如下：(4‑1)计算在时刻t上述基站接收信号y_t的最小均方误差均衡矩阵C_t，用该最小均方误差均衡矩阵C_t对y_t进行滤波，得到时刻t的天线发射信号x_t的估计值(4‑2)建立一个大规模多天线系统中检测的等效线性方程组模型采用Lanczos过程，求解等效线性方程组模型，得到时刻t的天线发射信号x_t的估计值具体步骤如下；(4‑2‑1)初始化：设迭代次数阈值P，设估计值的初始值为则上述模型的初始余向量为r₀，余向量r₀的模为β，β＝||r₀||₂，建立一个列正交矩阵Q，初始化时，列正交矩阵Q的第零列和第一列分别为q₀＝0和建立一个对称三对角矩阵T，初始化时，对称三对角矩阵T的第一个主对角元为α₁，其中表示q₁的共轭转置，第零个次对角元为θ₀＝0，第一次迭代中的列正交矩阵Q₁＝[q₁]，第一次迭代中的对称三对角矩阵T₁＝[α₁]，设置迭代变量p＝1；(4‑2‑2)经过p次迭代后，得到上述模型的余向量r_p，r_p＝G_tq_p‑α_pq_p‑θ_p‑1q_p‑1，并根据该余向量，计算第p次迭代时得到的对称三对角矩阵T_p+1的第p+1行上的次对角元θ_p＝||r_p||₂，对θ_p进行判断，若θ_p＝0，则判定Lanczos过程发生良性中断，停止迭代，并令P＝p，Q＝Q_p，T＝T_p，进行步骤(5)，若θ_p≠0，则依次进行步骤(4‑2‑3)‑步骤(4‑2‑6)；(4‑2‑3)根据上述p次迭代后的模型余向量r_p，计算第p次迭代时得到的列正交矩阵Q_p+1的第p+1列：(4‑2‑4)根据上述列正交矩阵Q_p+1的第p+1列q_p+1，计算对称三对角矩阵T_p+1在第p+1行上的主对角元：其中表示q_p+1的共轭转置；(4‑2‑5)根据步骤(4‑2‑2)、步骤(4‑2‑3)和步骤(4‑2‑4)的计算结果，分别更新上述列正交矩阵和对称三对角矩阵为：Q_p+1＝[Q_p,q_p+1]，$T_{p+1}=\left[\begin{array}{cccc}& & & 0\\ & & & .\\ & T_p& & .\\ & & & .\\ & & & {\theta }_p\\ 0& ...& {\theta }_p& {\alpha }_{p+1}\end{array}\right];$(4‑2‑6)更新迭代变量使p＝p+1，根据上述迭代阈值P对迭代变量p进行判断，若p＞P，则停止迭代，并使Q＝Q_p，T＝T_p，进行步骤(5)，若p≤P，则进行步骤(4‑2‑2)；(5)对上述步骤(4)得到的对称三对角矩阵T进行LU分解，得到对称三对角矩阵T的下双对角矩阵L和上双角矩阵U，具体过程如下：(5‑1)建立对称三对角矩阵T的下双对角矩阵L和上双角矩阵U，对L和U进行初始化，使得L＝I_P，U＝I_P，使U的第一行第一列的元素为U_1,1＝T_1,1，U的第一行第二列的元素为U_1,2＝T_1,2，设置迭代阈值M，使M＝P，从迭代变量为m＝2开始迭代；(5‑2)根据步骤(4)得到的对称三对角矩阵T，以及第m‑1次迭代得到的下双对角矩阵L和上双角矩阵U，计算第m次迭代得到的下双对角矩阵L的第m行第m‑1列的元素上双角矩阵U的第m行第m列的元素U_m,m＝T_m,m‑L_m,m‑1U_m‑1,m和上双角矩阵U的第m行第m+1列的元素U_m,m+1＝T_m,m+1‑L_m,m‑1U_m‑1,m；(5‑3)使迭代变量m＝m+1，对迭代变量m进行判断，若m＜M，则进行步骤(5‑2)‑步骤(5‑3)，若m≥M，则停止迭代，进行步骤(5‑4)；(5‑4)根据步骤(4)得到的对称三对角矩阵T，以及上述第M‑1次迭代得到的下双对角矩阵L和上双角矩阵U，计算得到第M次迭代得到的下双对角矩阵L的第M行第M‑1列的元素和上双角矩阵U的第M行第M列的元素U_M,M＝T_M,M‑L_M,M‑1U_M‑1,M；(6)根据上述步骤(5)下双对角矩阵L和上双角矩阵U，求解上述天线发射信号x_t的估计值在步骤(4)的列正交矩阵Q的各列张成的线性子空间中的坐标向量z，具体过程如下：(6‑1)定义一个中间变量b，b＝Uz，其中U为上述步骤(5)中的上双对角矩阵，z为上述天线发射信号x_t的估计值在步骤(4)的列正交矩阵Q的各列张成的线性子空间中的坐标向量；(6‑2)利用上述步骤(5)下双对角矩阵L，通过Lb＝βe₁求解中间变量b，β为上述步骤(4‑2‑1)中的初始余向量r₀的模，e₁的第一个元素为1，其他元素均为0，求解过程为：对b的第一个元素，根据下双对角矩阵L的第一个对角元L_1,1，求解b₁＝β/L_1,1，对b的第j个元素b_j，j＝2,…,P，根据b的第j‑1个元素b_j‑1和下双对角矩阵L的j第行上的元素L_j,j‑1和L_j,j，依次求解(6‑3)根据上述b的第P个元素b_P和上述上双对角矩阵U的第P个对角元U_P,P，求解z的第P个元素为z_P＝b_P/U_P,P，对z的第i个元素z_i，i＝P‑1,…,1，根据上述b的第i个元素b_i，z的第i+1个元素z_i+1和上双对角矩阵U的第i行上的元素对角元U_i,i和U_i,i+1依次求解z的第i个元素其中P为上述步骤(4)中的迭代阈值；(7)将上述列正交矩阵Q的各列按照z的各个元素进行线性组合，得到上述天线发射信号x_t的估计值(8)根据对数似然比的定义，分别计算与中每一个用户信号的每个比特相对应的对数似然比，具体过程如下：(8‑1)利用步骤(5)中对称三对角矩阵T的下双对角矩阵L和上双角矩阵U，得到对称三对角矩阵T的逆T^‑1：T^‑1＝[a₁ … a_P]，其中，对T^‑1的第c列a_c，1≤c≤P，通过求解LUa_c＝e_c得到，且除第c个元素为1外，其余元素都为0，具体过程如下：(8‑1‑1)定义一个中间变量g，g＝Ua_c，其中U为上述步骤(5)中的上双对角矩阵，a_c为对称三对角矩阵T的逆T^‑1中的第c列；(8‑1‑2)利用上述步骤(5)的下双对角矩阵L，通过Lg＝e_c求解中间变量g，其中e_c的值除第c个元素为1外，其余元素都为0，求解过程为：对g的第一个元素，根据下双对角矩阵L的第一个对角元L_1,1和e_c的第一个元素e_c,1，g的第一个元素为：g₁＝e_c,1/L_1,1，对g的第l个元素g_l，l＝2,…,P，根据g的第l‑1个元素g_l‑1、e_c的第l个元素e_c,l和下双对角矩阵L的l第行上的元素L_l,l‑1和L_l,l，依次求解(8‑1‑3)根据上述g的第P个元素g_P和上述上双对角矩阵U的第P个对角元U_P,P，求解a_c的第P个元素为a_c,P＝g_P/U_P,P，对a_c的第n个元素a_c,n，n＝P‑1,…,1，根据上述g的第n个元素g_n，a_c的第n+1个元素a_c,n+1和上双对角矩阵U的第n行上的元素对角元U_n,n和U_n,n+1，依次求解a_c的第n个元素其中P为上述步骤(4)中的迭代阈值；(8‑2)根据上述步骤(4)的列正交矩阵Q、对称三对角T和上述步骤(2)的时刻t的上行信道矩阵H_t，计算大规模多天线系统中各用户发射信号x_t与发射信号估计值之间的等效信道增益矩阵B，并计算大规模多天线系统中多用户信号的等效接收噪声计算的协方差矩阵Θ，$\Theta ={\mathrm{QT}}^{-1}{Q}^H{H}_t^H{H}_{t}Q{\left(T^{-1}\right)}^H{Q}^H,$其中T^‑1是T的逆；(8‑3)根据上述等效信道增益矩阵B和等效噪声的协方差矩阵Θ，得到大规模多天线系统中第k个用户的等效信道增益μ_k，μ_k为上述等效信道增益矩阵B的第k个对角元B_k,k，计算第k个用户的发射信号受到其他用户发射信号的干扰强度In_k，In_k＝Σ_u,u≠k|B_k,u|²E_s，计算第k个用户的发射信号在被基站接收时基站接收到的噪声的强度N_k，N_k＝Θ_k,kN₀，并得到上述干扰强度与噪声强度之和其中1≤k≤K，u代表除第k个用户外的其他用户；(8‑4)根据对数似然比的定义，计算每个用户信号中每个比特的对数似然比L_k,b，其中，L_k,b表示第k个用户的天线发射信号x_t,k中第b个比特的对数似然比，和分别表示第b个比特为0和1的所有可用符号的集合，a和a'分别表示和中的符号；(9)对步骤(8)中得到的对数似然比进行解交织和信道译码，得到t时刻各用户发射的比特序列的检测结果实现对大规模多天线系统中多用户信号的检测。