CN108366035B - 一种降低adma系统信号峰均功率比的预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种降低ADMA系统信号峰均功率比的预编码方法，包括：假设系统基站天线，基站已获得下行链路角度域信道矩阵，发送给用户的原始数据符号矢量；假设获得具有期望的低峰均功率比的发送信号需要执行T次迭代，获得发送功率因子需要执行T2次迭代，满足低峰均功率比的发送符号集合；初始化；计算MMSE估计的修正矩阵，计算发送信号的修正的MMSE估计，并将估计结果映射到发送符号集合，若t+1为T2的整数倍，则计算新的发送功率因子，否则继续迭代；计算引入阻尼因子得到的发送信号矢量；更新当前迭代次数，确定所得到的发送信号矢量为所需具有期望的低峰均功率比的发送信号。本发明具有较低的复杂度，较好的系统差错性能，可以大幅降低系统成本。

Description

一种降低ADMA系统信号峰均功率比的预编码方法

技术领域

本发明涉及一种降低ADMA系统信号峰均功率比的预编码方法，属于移动通信的技术领域。

背景技术

大规模MIMO多址传输技术是实现5G关键性能指标的重要环节。由于基站部署大规模天线阵列，信道状态信息(CSI)的获取成为瓶颈问题，传统的传输方案，如时分多址、频分多址、码分多址，不再适用于大规模MIMO系统。为此，利用大规模MIMO空间维度资源的多用户传输方案获得广泛关注，ADMA技术就是其中之一。

ADMA是基于角度域信道特征的多用户传输技术。ADMA技术将用户的空间CSI映射到角度域，以获得角度域CSI，再利用用户角度域信道分布的稀疏性降低信道矩阵维度。通过在角度域引入一个额外的角度旋转因子，ADMA技术可以进一步降低信道矩阵维度，同时获得更准确的用户到达角或波束方向估计。

ADMA系统具有诸多优势，可以充分挖掘空间维度资源，提高空间分辨率和空间资源利用率，显著降低训练开销。然而，ADMA系统也存在高峰均功率比的问题，尤其在下行链路数据传输过程，各个波束方向上的角度域信号相互叠加，可能得到幅度值变化范围非常大的发送信号，这给RF器件设计带来了巨大的挑战，将大幅降低系统能量效率并增加系统硬件成本。因此，设计具有低峰均功率比的发送信号有利于实现低成本ADMA系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种降低ADMA系统信号峰均功率比的预编码方法，解决ADMA系统中发送信号具有高峰均功率比的问题。本发明以较低的复杂度实现显著的峰均功率比抑制效果和较好的系统差错性能，大幅降低系统成本。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种降低ADMA系统信号峰均功率比的预编码方法，包括以下步骤：

步骤(1)假设ADMA系统基站天线为M，基站已获得下行链路角度域信道矩阵H，发送给用户的原始数据符号矢量为s；

步骤(2)假设待获得具有期望的低峰均功率比的发送信号矢量x需要执行T次迭代，获得发送功率因子β需要执行T₂次迭代，满足低峰均功率比的发送符号集合为χ^M；

步骤(3)初始化当前迭代次数t，及发送信号矢量x^t、发送功率因子β^t、阻尼因子α；

步骤(4)计算MMSE估计的修正矩阵

其中，

表示引入发送功率因子的角度域信道矩阵，diag(·)表示求矩阵对角线元素构成的对角阵；

步骤(5)计算发送信号矢量x的修正的MMSE估计，并将估计结果映射到发送符号集合χ^M，即发送信号矢量

其中，

表示求矢量在指定集合上的映射；

步骤(6)判断若t+1为T₂的整数倍，则根据优化表达式

计算新的发送功率因子，其中K为用户数，σ²为系统的噪声方差；否则，β^t+1＝β^t；

步骤(7)根据步骤(5)得到的发送信号矢量，计算引入阻尼因子α得到的发送信号矢量x^t+1＝αx^t+(1-α)x^t+1；

步骤(8)更新当前迭代次数t＝t+1，并判断若t＜T，则执行步骤(4)；否则，确定步骤(7)所得到的发送信号矢量为所得具有期望的低峰均功率比的发送信号矢量x。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤(1)中下行链路角度域信道利用角度互易性方法获得。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤(2)中发送符号集合χ^M为由各个元素构成的恒包络发送符号集合，且各元素均匀分布在单位圆上。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤(6)中还包括计算新的发送功率因子后，更新角度域信道矩阵

和修正矩阵W_u。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤(7)中阻尼因子α＝0.95。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明的降低ADMA系统信号峰均功率比的预编码方法，首先对发送信号进行修正的MMSE估计，然后将估计结果映射到具有低峰均功率比特性的发送符号集合，再利用阻尼因子减小前两项操作带来的发送信号的变化程度，迭代执行上述步骤直至迭代次数达到预定值，得到的发送信号就是预编码输出。通过迭代执行修正的MMSE估计和符号集映射，可以获得具有低峰均功率比特性的发送信号。并且，本发明基于峰均功率比抑制的预编码方法具有较低的复杂度，可以获得显著的峰均功率比抑制效果和较好的系统差错性能，大幅降低系统成本。

附图说明

图1为基于本发明方法的ADMA系统发送链路框图。

图2为本发明使用的恒包络发送符号集合示意图。

图3为本发明方法的峰均功率比特性图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

本发明提出了一种降低ADMA系统信号峰均功率比的预编码方法，该方法采用的的ADMA系统发送链路框图如图1所示，该系统下本发明方法具体包括以下步骤：

步骤(1)假设ADMA系统基站天线为M，基站已获得下行链路角度域信道矩阵H，发送给用户的原始数据符号矢量为s；

其中，基站已获得下行链路角度域信道矩阵是实现预编码的前提，ADMA系统下行链路角度域信道利用角度互易性方法获得。即在TDD模式下，由于上下行链路具有互易性，下行链路信道可以直接由上行链路信道估计结果得到，然而，在FDD模式下，上述信道互易性不再满足。考虑到电磁波的传播路径具有互易性，在下行链路传输过程中，只有那些沿用户与基站之间的上行路径反向传播的信号波才能到达用户，因此，期望发送给用户的信号波束的AOD必须与上行链路来自用户的信号波束的AOA相同，这种特性称为角度互易性，本发明ADMA系统下行链路角度域信道利用角度互易性原理获得。

步骤(2)假设待获得具有期望的低峰均功率比的发送信号矢量x需要执行T次迭代，获得发送功率因子β需要执行T₂次迭代，满足低峰均功率比的发送符号集合为χ^M；

由于发送信号的峰均功率比特性取决于发送符号集合χ^M，优选发送符号集合χ^M为由各个元素构成的恒包络发送符号集合，且各元素均匀分布在单位圆上，若χ中元素分布在圆上，则可以实现恒包络预编码，此时，发送信号峰均功率比近似为0dB。

步骤(3)初始化当前迭代次数t＝0，及发送信号矢量x^t＝0、发送功率因子β^t＝0、阻尼因子α＝0.95；其中，阻尼因子α的设计可以有效地避免发送信号在迭代过程中因变化过大而产生振荡。

步骤(4)由于修正矩阵W_u的设计可以实现无偏的MMSE估计，因此计算MMSE估计的修正矩阵

其中，

表示引入发送功率因子的角度域信道矩阵，diag(·)表示求矩阵对角线元素构成的对角阵；上标H表示求矩阵的共轭转置，上标-1表示求矩阵的逆。

步骤(5)将修正的MMSE估计结果映射到指定发送信号集合是实现低峰均功率比发送信号的关键。因此计算发送信号矢量x的修正的MMSE估计，并将估计结果映射到发送符号集合χ^M，即发送信号矢量

其中，

表示求矢量在指定集合上的映射。

步骤(6)判断若t+1为T₂的整数倍，则根据优化表达式

计算新的发送功率因子，其中K为用户数，σ²为系统的噪声方差；否则，β^t+1＝β^t；

并且，若当前迭代过程更新了发送功率因子β，则下一次迭代过程需要相应地更新角度域信道矩阵

和修正矩阵

步骤(7)根据步骤(5)所得的发送信号矢量，计算引入阻尼因子α得到的发送信号矢量x^t+1＝αx^t+(1-α)x^t+1；使得本次迭代得到的发送信号是前一次迭代得到的发送信号与步骤(5)得到的发送信号矢量的加权和。

步骤(8)更新当前迭代次数t＝t+1，并判断若t＜T，则执行步骤(4)；否则，确定步骤(7)所得到的发送信号矢量为所得具有期望的低峰均功率比的发送信号矢量x。即当迭代次数足够多时，可以得到具有低峰均功率比、低用户间干扰的发送信号。

下面结合大规模MIMO-ADMA系统实例描述本发明。

考虑大规模MIMO-ADMA下行链路数据传输场景，基站配置具有128个天线单元的ULA天线阵列，同时服务8个在基站覆盖范围内随机均匀分布且在角度域互不交叠的单天线用户，采用由16个元素构成的恒包络发送符号集合，各元素均匀分布在单位圆上，如图2所示，即：

令

表示基站已获得的下行链路角度域信道估计矩阵，

表示基站发送给各用户的数据符号矢量。为获得具有恒包络特性的发送信号矢量x，需要执行50次迭代，即T＝50。为防止发送信号矢量在迭代过程中出现振荡，同时保证较好的系统差错性能，需要每执行10次发送信号的迭代时，执行1次发送功率因子β的迭代，即T₂＝10。

初始化当前迭代次数t＝0，发送信号矢量x⁰＝0，发送功率因子β⁰＝1，阻尼因子α＝0.95。首先，计算MMSE估计的修正矩阵：

其中，

表示引入发送功率因子的角度域信道矩阵，diag(·)表示求矩阵对角线元素构成的对角阵，上标H表示求矩阵的共轭转置，上标-1表示求矩阵的逆。接着，计算发送信号矢量x的修正的MMSE估计，并将估计结果映射到发送符号集合χ^M，即发送信号矢量：

其中，

表示求矢量在指定集合上的映射。若t+1为T₂的整数倍，则根据优化表达式：

计算新的发送功率因子，其中K为用户数，σ²为系统的噪声方差；否则，β^t+1＝β^t；然后，计算引入阻尼因子得到的发送信号矢量：

x^t+1＝αx^t+(1-α)x^t+1

最后，更新当前迭代次数：

t＝t+1

进而，判断若t＜T，则转向步骤(4)；否则，确定步骤(7)得到的发送信号矢量就是具有恒包络特性的发送信号，即发送信号的峰均功率比近似为0dB。

本发明通过迭代执行修正的MMSE估计和符号集映射，可以获得具有低峰均功率比特性的发送信号，其结果如图3所示。由所示图3可知，通过本发明的预编码方法，发送信号的PAPR以98％的概率小于0.1dB，以99％的概率小于0.2dB，实现了预编码的效果。因此，本发明基于峰均功率比抑制的预编码方法具有较低的复杂度，较好的系统差错性能，可以大幅降低系统成本。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (4)

1.一种降低ADMA系统信号峰均功率比的预编码方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)假设ADMA系统基站天线为M，基站已获得下行链路角度域信道矩阵H，发送给用户的原始数据符号矢量为s；

步骤(2)假设待获得具有期望的低峰均功率比的发送信号矢量x需要执行T次迭代，获得发送功率因子β^t需要执行T₂次迭代，满足低峰均功率比的发送符号集合为χ^M；

步骤(3)初始化当前迭代次数t＝0，及发送信号矢量x^t＝0、发送功率因子β^t＝0、阻尼因子α＝0.95；

步骤(4)计算MMSE估计的修正矩阵

其中，

表示引入发送功率因子的角度域信道矩阵，diag(·)表示求矩阵对角线元素构成的对角阵；

步骤(5)计算发送信号矢量x的修正的MMSE估计，并将估计结果映射到发送符号集合χ^M，即发送信号矢量

其中，

表示求矢量在指定集合上的映射；

步骤(6)判断若迭代次数t+1为T₂的整数倍，则根据优化表达式

计算新的发送功率因子，其中K为用户数，σ²为系统的噪声方差；否则，β^t+1＝β^t；若当前迭代过程更新了发送功率因子β^t，则下一次迭代过程需要相应地更新角度域信道矩阵

和修正矩阵

步骤(7)根据步骤(5)得到的发送信号矢量，计算引入阻尼因子α得到的发送信号矢量x^{t +1}＝αx^t+(1-α)x^t+1；

步骤(8)更新当前迭代次数t＝t+1，并判断若t＜T，则执行步骤(4)；否则，确定步骤(7)所得到的发送信号矢量为所得具有期望的低峰均功率比的发送信号矢量x。

2.根据权利要求1所述降低ADMA系统信号峰均功率比的预编码方法，其特征在于：所述步骤(1)中下行链路角度域信道利用角度互易性方法获得。

3.根据权利要求1所述降低ADMA系统信号峰均功率比的预编码方法，其特征在于：所述步骤(2)中发送符号集合χ^M为由各个元素构成的恒包络发送符号集合，且各元素均匀分布在单位圆上。

4.根据权利要求1所述降低ADMA系统信号峰均功率比的预编码方法，其特征在于：所述步骤(6)中还包括计算新的发送功率因子后，更新角度域信道矩阵

和修正矩阵W_u。

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