天波大规模MIMO多流鲁棒预编码方法及系统

本发明属于通信，尤其涉及一种天波大规模mimo多流鲁棒预编码方法及系统。

背景技术：

1、天波通信能够利用电离层反射支持长距离的无线传输，并且是一种能够实现广域覆盖的重要技术。然而，传统的点对点天波系统通常面临有限的数据速率以及较低的链路可靠性。大规模mimo通过在基站引入更大的空间自由度，可作为提升天波通信性能的可靠技术。大规模mimo可以在同一时频资源服务大量用户，并且可以通过空域信号处理实现信号增强以及干扰抑制。因此，将大规模mimo引入天波通信系统对于提升长距离无线通信的频谱效率、传输可靠性以及覆盖能力具有十分重要的意义。

2、对于天波大规模mimo系统，预编码对于提升下行传输质量具有重要作用。当基站发送端已知瞬时信道状态信息时，最大比传输（maximal ratio transmission，mrt）、正则化迫零（regularized zero-forcing，rzf）以及加权最小均方误差（weighted minimummean-squared error，wmmse）等预编码器可以达到较好的性能。然而，当经过长距离传输的信号到达用户侧时，天波大规模mimo基站侧所获取瞬时信道状态信息通常已经过时，此时可采用能够一定程度上克服信道过时效应的鲁棒预编码方法。

3、对于用户单天线场景，现有的鲁棒预编码方法都是单流预编码，无法在信道不准确情况下充分获取多径分集增益。为了克服这一问题，将空时编码和预编码结合是一种实现多流预编码并获取分集增益的有效手段。大部分将空时编码和预编码结合的工作都是面向点对点mimo系统，因此将空时编码引入多用户大规模mimo预编码具有重要意义。此外，针对大规模mimo预编码器维度过高的问题，进一步结合天波大规模mimo信道特性，探索低复杂度的多流鲁棒预编码方法同样有重要的价值。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术的不足，本发明提出天波大规模mimo多流鲁棒预编码方法及系统，利用波束域信道的稀疏性，结合空时编码，在保证低计算复杂度的同时有效获取分集增益。

2、技术方案：为解决上述技术问题，第一方面，本发明提供一种天波大规模mimo多流鲁棒预编码方法，将空时编码与鲁棒预编码结合，实现多流鲁棒预编码；所述空时编码将各用户在连续多个时间符号上的信号编码为空时码；所述多流鲁棒预编码通过对空时编码后的信号利用鲁棒预编码器实施预编码实现，生成基站发送信号；所述多流鲁棒预编码器利用波束基后验信道模型，通过最大化平均信漏噪比设计得到，其中通过对空间域后验信道相关矩阵及由所有用户空间域后验信道相关矩阵与噪声协方差矩阵之和所构成矩阵对的广义特征值分解，并选取最大的预设流数的广义特征值所对应的广义特征向量得到多流鲁棒预编码器，在广义特征值分解中利用天波大规模mimo波束域信道的稀疏性，通过求解一低维辅助矩阵的最大特征值对应的特征向量并对该特征向量进行线性变换得到原矩阵对的广义特征向量。

3、第二方面，本发明提供一种天波大规模mimo多流鲁棒预编码方法，将空时编码与鲁棒预编码结合，实现多流鲁棒预编码；所述空时编码将各用户在连续多个时间符号上的信号编码为空时码；所述多流鲁棒预编码通过对空时编码后的信号利用鲁棒预编码器实施预编码实现，生成基站发送信号；所述多流鲁棒预编码器利用波束基后验信道模型，将多流鲁棒预编码器限制为波束结构，通过最大化平均信漏噪比设计得到波束域多流鲁棒预编码器，其中多流鲁棒预编码器限制为窗函数乘以抽取的波束矩阵再乘以波束域多流鲁棒预编码器的结构，其中窗函数为一实数对角矩阵，抽取的波束矩阵由波束矩阵抽取对应用户非零波束所在列构成，波束域多流鲁棒预编码器为对应用户非零波束点数乘以该用户的数据流数维度的低维复数矩阵；所述波束域多流鲁棒预编码器用于波束结构多流鲁棒预编码；所述波束结构多流鲁棒预编码通过对各用户空时编码后的发送信号实施波束域多流预编码、波束映射、多用户信号求和以及波束变换，生成基站发送信号。

4、进一步地，所述多流鲁棒预编码器为基站天线数乘以各用户的数据流数维度的复数矩阵；所述利用多流鲁棒预编码器实施预编码的过程为将各用户的预编码器与各用户空时编码的信号相乘并对所有用户求和。

5、进一步地，所述波束基后验信道模型将各用户的信道矢量建模为波束矩阵与稀疏的波束域信道矢量相乘的形式，其中波束矩阵具有相移部分离散傅里叶变换矩阵结构，波束域信道矢量建模为服从给定均值和方差的复高斯分布矢量。

6、进一步地，各用户的平均信漏噪比定义为在基站利用该用户预编码器编码的发送给当前用户的信号能量期望与该信号泄露到其他用户处的能量加噪声能量的期望之比。

7、进一步地，第一方面所述的天波大规模mimo多流鲁棒预编码方法，所述的低维辅助矩阵以及对低维辅助矩阵特征向量的线性变换均由空间域瞬时信道和统计信道信息构成的矩阵及其共轭转置和由所有用户空间域后验信道相关矩阵与噪声协方差矩阵之和所构成矩阵的逆相乘计算得到。

8、进一步地，第二方面所述的天波大规模mimo多流鲁棒预编码方法，所述的波束域多流鲁棒预编码器的求解步骤为：在设计得到窗函数之后，首先计算各用户的扩散波束域后验信道相关矩阵，接着计算由所有用户扩散波束域后验信道相关矩阵与噪声协方差矩阵之和构成的矩阵，最后对由前两个步骤计算的矩阵抽取各用户非零波束位置构成的低维矩阵对进行广义特征值分解，选取最大的预设流数的广义特征值所对应的广义特征向量得到波束域多流鲁棒预编码器。

9、进一步地，所述的扩散波束域后验信道相关矩阵由波束扩散矩阵和波束域瞬时信道矢量以及波束域统计信道信息计算得到，该计算过程可以利用波束扩散矩阵的近似稀疏性和波束域信道的稀疏性近似简化计算，其中波束扩散矩阵由波束矩阵的共轭转置乘以窗函数矩阵再乘以波束矩阵得到。

10、进一步地，第二方面所述的所述波束域多流预编码的过程为将各用户的波束域多流鲁棒预编码器与各用户空时编码的信号相乘，所述的波束映射为将各用户预编码后的信号映射到各自的非零波束索引上，所述的波束变换为将窗函数乘以波束矩阵再乘以各用户波束域预编码信号求和后的结果，其中波束变换可以利用快速傅里叶变换有效实现。

11、第三方面，本发明提供一种计算机系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面或第二方面所述的天波大规模mimo多流鲁棒预编码方法的步骤。

12、有益效果：与现有技术相比，本发明利用了天波大规模mimo波束域信道稀疏特性以及空时编码设计多流鲁棒预编码方法，相比单流鲁棒预编码方法，本方案所提的多流鲁棒预编码器和波束域多流鲁棒预编码器具有更大的分集增益，其中波束域多流鲁棒预编码器可以显著降低预编码器的设计复杂度与预编码的实现复杂度。

1.天波大规模mimo多流鲁棒预编码方法，其特征在于，将空时编码与鲁棒预编码结合，实现多流鲁棒预编码；所述空时编码将各用户在连续多个时间符号上的信号编码为空时码；所述多流鲁棒预编码通过对空时编码后的信号利用鲁棒预编码器实施预编码实现，生成基站发送信号；所述多流鲁棒预编码器利用波束基后验信道模型，通过最大化平均信漏噪比设计得到，其中通过对空间域后验信道相关矩阵及由所有用户空间域后验信道相关矩阵与噪声协方差矩阵之和所构成矩阵对的广义特征值分解，并选取最大的预设流数的广义特征值所对应的广义特征向量得到多流鲁棒预编码器，在广义特征值分解中利用天波大规模mimo波束域信道的稀疏性，通过求解一低维辅助矩阵的最大特征值对应的特征向量并对该特征向量进行线性变换得到原矩阵对的广义特征向量。

2.天波大规模mimo多流鲁棒预编码方法，其特征在于，将空时编码与鲁棒预编码结合，实现多流鲁棒预编码；所述空时编码将各用户在连续多个时间符号上的信号编码为空时码；所述多流鲁棒预编码通过对空时编码后的信号利用鲁棒预编码器实施预编码实现，生成基站发送信号；所述多流鲁棒预编码器利用波束基后验信道模型，将多流鲁棒预编码器限制为波束结构，通过最大化平均信漏噪比设计得到波束域多流鲁棒预编码器，其中多流鲁棒预编码器限制为窗函数乘以抽取的波束矩阵再乘以波束域多流鲁棒预编码器的结构，其中窗函数为一实数对角矩阵，抽取的波束矩阵由波束矩阵抽取对应用户非零波束所在列构成，波束域多流鲁棒预编码器为对应用户非零波束点数乘以该用户的数据流数维度的低维复数矩阵；所述波束域多流鲁棒预编码器用于波束结构多流鲁棒预编码；所述波束结构多流鲁棒预编码通过对各用户空时编码后的发送信号实施波束域多流预编码、波束映射、多用户信号求和以及波束变换，生成基站发送信号。

3.根据权利要求1或2所述的天波大规模mimo多流鲁棒预编码方法，其特征在于，所述多流鲁棒预编码器为基站天线数乘以各用户的数据流数维度的复数矩阵；所述利用多流鲁棒预编码器实施预编码的过程为将各用户的预编码器与各用户空时编码的信号相乘并对所有用户求和。

4.根据权利要求1或2所述的天波大规模mimo多流鲁棒预编码方法，其特征在于，所述波束基后验信道模型将各用户的信道矢量建模为波束矩阵与稀疏的波束域信道矢量相乘的形式，其中波束矩阵具有相移部分离散傅里叶变换矩阵结构，波束域信道矢量建模为服从给定均值和方差的复高斯分布矢量。

5.根据权利要求1或2所述的天波大规模mimo多流鲁棒预编码方法，其特征在于，各用户的平均信漏噪比定义为在基站利用该用户预编码器编码的发送给当前用户的信号能量期望与该信号泄露到其他用户处的能量加噪声能量的期望之比。

6.根据权利要求1所述的天波大规模mimo多流鲁棒预编码方法，其特征在于，所述的低维辅助矩阵以及对低维辅助矩阵特征向量的线性变换均由空间域瞬时信道和统计信道信息构成的矩阵及其共轭转置和由所有用户空间域后验信道相关矩阵与噪声协方差矩阵之和所构成矩阵的逆相乘计算得到。

7.根据权利要求2所述的天波大规模mimo多流鲁棒预编码方法，其特征在于，所述的波束域多流鲁棒预编码器的求解步骤为：在设计得到窗函数之后，首先计算各用户的扩散波束域后验信道相关矩阵，接着计算由所有用户扩散波束域后验信道相关矩阵与噪声协方差矩阵之和构成的矩阵，最后对由前两个步骤计算的矩阵抽取各用户非零波束位置构成的低维矩阵对进行广义特征值分解，选取最大的预设流数的广义特征值所对应的广义特征向量得到波束域多流鲁棒预编码器。

8.根据权利要求7所述的天波大规模mimo多流鲁棒预编码方法，其特征在于，所述的扩散波束域后验信道相关矩阵由波束扩散矩阵和波束域瞬时信道矢量以及波束域统计信道信息计算得到，该计算过程可以利用波束扩散矩阵的近似稀疏性和波束域信道的稀疏性近似简化计算，其中波束扩散矩阵由波束矩阵的共轭转置乘以窗函数矩阵再乘以波束矩阵得到。

9.根据权利要求2所述的天波大规模mimo多流鲁棒预编码方法，其特征在于，所述波束域多流预编码的过程为将各用户的波束域多流鲁棒预编码器与各用户空时编码的信号相乘，所述的波束映射为将各用户预编码后的信号映射到各自的非零波束索引上，所述的波束变换为将窗函数乘以波束矩阵再乘以各用户波束域预编码信号求和后的结果，其中波束变换可以利用快速傅里叶变换有效实现。

10.一种计算机系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现根据权利要求1-9任一项所述的天波大规模mimo多流鲁棒预编码方法的步骤。