本发明公开了一种基于用户的统计信道状态信息的预编码方法及系统。该方法包括如下步骤：根据用户的信道状态，将用户分为统计用户和瞬时用户，基站获取所有统计用户的统计CSI和所有瞬时用户的瞬时CSI；对每个统计用户，计算其正交于其他用户的信道空间的正交子空间，并利用该正交子空间设计该统计用户的预编码向量；获取所有瞬时用户正交于所有统计用户的信道空间的正交子空间，并利用该正交子空间设计所有瞬时用户的预编码矩阵。该方法仅利用用户的统计CSI，不限定基站服务的用户数目，能够同时服务于仅有统计CSI的用户和有瞬时CSI的用户，并且能够有效避免两类用户之间的干扰。
1.一种基于用户的统计信道状态信息的预编码方法，其特征在于，包括如下步骤：根据用户的信道状态，将用户分为统计用户和瞬时用户，基站获取所有统计用户的统计CSI和所有瞬时用户的瞬时CSI；
其中，第n个统计用户的统计CSI gS,n,t表示第n个统计用户的第t个过去的信道测量值，T表示可用来估计统计CSI的信道测量值个数，上标H表示对向量或矩阵进行共轭转置操作；所有瞬时用户的瞬时CSI构成K×M维的矩阵GC，K为瞬时用户数，M为基站的天线数，GC的第k行为第k个瞬时用户的瞬时CSI gC,k；
对每个统计用户，获取其正交于其他用户的信道空间的正交子空间，并利用该正交子空间设计该统计用户的预编码向量，具体为：由 得到第n个统计用户正交于其他用户信道空间的正交子空间，其中，表示向B的列空间的正交投影补， 其列空间为
除第n个统计用户之外的其他用户的信道空间， 为第i个统计用户的统计CSI，N为统计用户数；
获取所有瞬时用户正交于所有统计用户的信道空间的正交子空间，并利用该正交子空间设计所有瞬时用户的预编码矩阵，具体为：其中，第n个统计用户的信道空间指矩阵 的列空间，所有瞬时用户的信道空间指矩阵 的列空间，多个用户的信道空间为各个用户的信道空间之和；
由 得到所有瞬时用户正交于所有统计用户的信道空间的正交子空间，其中， 表示向 的列空间的正交投影补， 其列空间为所有N个统计用户的信道空间的近似值， 为第n个统计用户的统计CSI的近似值；
(a)对第n个统计用户的统计CSI 进行特征值分解，得到 其中，是一个M×M维的对角矩阵，它的对角元素是矩阵 的特征值，并且按降序排列， 也是M×M的矩阵，它的第j列是 的第j个特征值对应的特征向量；
(b)选取第n个统计用户的主特征值的个数Dn，使其满足 其中，表示矩阵 的秩；
2.一种基于用户的统计信道状态信息的预编码系统，其特征在于，包括：CSI获取模块，用于根据用户的信道状态，将用户分为统计用户和瞬时用户，使基站获取所有统计用户的统计CSI和所有瞬时用户的瞬时CSI；
其中，第n个统计用户的统计CSI gS,n,t表示第n个统计用户的第t个过去的信道测量值，T表示可用来估计统计CSI的信道测量值个数，上标H表示对向量或矩阵进行共轭转置操作；所有瞬时用户的瞬时CSI构成K×M维的矩阵GC，K为瞬时用户数，M为基站的天线数，GC的第k行为第k个瞬时用户的瞬时CSI gC,k；
统计预编码模块，用于对每个统计用户，获取其正交于其他用户的信道空间的正交子空间，并利用该正交子空间设计该统计用户的预编码向量；
瞬时预编码模块，用于获取所有瞬时用户正交于所有统计用户的信道空间的正交子空间，并利用该正交子空间设计所有瞬时用户的预编码矩阵；
其中，第n个统计用户的信道空间指矩阵 的列空间，所有瞬时用户的信道空间指矩阵 的列空间，多个用户的信道空间为各个用户的信道空间之和；
其中，统计预编码模块，具体用于由 得到第n个统计用户正交于其他用户信道空间的正交子空间，其中， 表示向B的列空间的正交投影补，其列空间为除第n个统计用户之外的其他用户的信道空间， 为第i个统计用户的统计CSI，N为统计用户数；
瞬时预编码模块，具体用于由 得到所有瞬时用户正交于所有统计用户的信道空间的正交子空间，其中， 表示向 的列空间的正交投影补， 其列空间为所有N个统计用户的信道空间的近似值， 为第n个统计用户的统计CSI的近似值；
(a)对第n个统计用户的统计CSI 进行特征值分解，得到 其中，是一个M×M维的对角矩阵，它的对角元素是矩阵 的特征值，并且按降序排列， 也是M×M的矩阵，它的第j列是 的第j个特征值对应的特征向量；
(b)选取第n个统计用户的主特征值的个数Dn，使其满足(c)将 近似为 将 近似为
一种基于用户的统计信道状态信息的预编码方法及系统
技术领域
[0001] 本发明属于多天线及无线通信技术领域，更具体地，涉及一种基于用户的统计信道状态信息的预编码方法及系统。
背景技术
[0002] 过去数十年，多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)被广泛应用，该技术能够在不增加额外带宽和功率损耗的条件下，显著提高无线系统的频谱利用率。然而，随着智能手机的普及，现代通信系统要求更高的数据传输率和系统吞吐量，为解决该问题，人们逐渐展开了对大规模MIMO系统的研究。大规模MIMO系统能够提供更高的频谱利用率和系统吞吐量。
[0003] 然而，基站采取的预编码策略会严重影响大规模MIMO系统的性能，现有的预编码方法大多基于准确的瞬时信道状态信息(Channel State Information,CSI)，例如迫零(Zero-forcing,ZF)预编码，最大比发送(Maximal ratio transmit,MRT)预编码等。当用户的信道状态较为固定或变化缓慢时，基站能够准确估计用户瞬时CSI的假设是合理的。但是当用户信道状态变化较快时，信道估计的准确性受反馈延迟、处理延迟等因素的影响严重时，准确估计其瞬时CSI很难实现，对于这样的用户，利用其统计CSI进行预编码显得尤为重要，因为用户的统计CSI只取决于天线参数和用户周围的环境，变化缓慢。现有的利用统计CSI进行预编码的方法中，大部分仅将统计CSI作为辅助信息，仍然需要利用用户的瞬时CSI。而只利用用户的统计CSI进行预编码的方法只讨论了基站服务两个用户的情况，并且对这两个用户的统计CSI的特征空间分布有较高要求。
发明内容
[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于用户的统计信道状态信息的预编码方法及系统，仅利用用户的统计CSI，解决了大规模MIMO系统中用户准确的瞬时CSI较难获取，以及信道估计计算量大的问题；此外，该方法不限定基站服务的用户数目，能够同时服务于仅有统计CSI的用户和有瞬时CSI的用户，并且能够有效避免两类用户之间的干扰。
[0005] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于用户的统计信道状态信息的预编码方法，其特征在于，包括如下步骤：根据用户的信道状态，将用户分为统计用户和瞬时用户，基站获取所有统计用户的统计CSI和所有瞬时用户的瞬时CSI；其中，第n个统计用户的统计CSI gS,n,t表示第n个统计用户的第t个过去的信道测量值，T表示可用来估计统计CSI的信道测量值个数，上标H表示对向量或矩阵进行共轭转置操作；所有瞬时用户的瞬时CSI构成K×M维的矩阵GC，K为瞬时用户数，M为基站的天线数，GC的第k行为第k个瞬时用户的瞬时CSI gC,k；对每个统计用户，获取其正交于其他用户的信道空间的正交子空间，并利用该正交子空间设计该统计用户的预编码向量；获取所有瞬时用户正交于所有统计用户的信道空间的正交子空间，并利用该正交子空间设计所有瞬时用户的预编码矩阵；其中，第n个统计用户的信道空间指矩阵 的列空间，所有瞬时用户的信道空间指矩阵 的列空间，多个用户的信道空间为各个用户的信道空间之和。
[0006] 优选地，第n个统计用户正交于其他用户信道空间的正交子空间 其中， 表示向B的列空间的正交投影补， 其列空间为除第n个统计用户之外的其他用户的信道空间， 为第i个统计用户的统计CSI，N为统计用户数。
[0007] 优选地，所有瞬时用户正交于所有统计用户的信道空间的正交子空间其中， 表示向 的列空间的正交投影补，其列空间为所有N个统计用户的信道空间的近似值， 为第n个统计用户的统计CSI的近似值；
[0008] 通过如下方法得到：
[0009] (a)对第n个统计用户的统计CSI 进行特征值分解，得到 其中， 是一个M×M维的对角矩阵，它的对角元素是矩阵 的特征值，并且按降序排列，也是M×M的矩阵，它的第j列是 的第j个特征值对应的特征向量；
[0010] (b)选取第n个统计用户的主特征值的个数Dn，使其满足
[0011] (c)将 近似为 将 近似为
[0012] (d)获取第n个统计用户的统计CSI的近似值
[0013] 按照本发明的另一方面，提供了一种基于用户的统计信道状态信息的预编码系统，其特征在于，包括：
[0014] CSI获取模块，用于根据用户的信道状态，将用户分为统计用户和瞬时用户，使基站获取所有统计用户的统计CSI和所有瞬时用户的瞬时CSI；
[0015] 其中，第n个统计用户的统计CSI gS,n,t表示第n个统计用户的第t个过去的信道测量值，T表示可用来估计统计CSI的信道测量值个数，上标H表示对向量或矩阵进行共轭转置操作；所有瞬时用户的瞬时CSI构成K×M维的矩阵GC，K为瞬时用户数，M为基站的天线数，GC的第k行为第k个瞬时用户的瞬时CSI gC,k；
[0016] 统计预编码模块，用于对每个统计用户，获取其正交于其他用户的信道空间的正交子空间，并利用该正交子空间设计该统计用户的预编码向量；
[0017] 瞬时预编码模块，用于获取所有瞬时用户正交于所有统计用户的信道空间的正交子空间，并利用该正交子空间设计所有瞬时用户的预编码矩阵；
[0018] 其中，第n个统计用户的信道空间指矩阵 的列空间，所有瞬时用户的信道空间指矩阵 的列空间，多个用户的信道空间为各个用户的信道空间之和。
[0019] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0020] (1)在本发明中，考虑到用户瞬时CSI获取的难易程度不同，将信道变化缓慢，准确的瞬时CSI容易获取的用户称为瞬时用户，将信道变化较快，准确的瞬时CSI不易获取的用户称为统计用户。以往的预编码方法只讨论了同时对瞬时用户进行预编码，或只讨论了同时对统计用户进行预编码，而本发明的预编码方法能够同时对瞬时用户和统计用户进行预编码。并且，本发明利用大规模MIMO系统空间自由度大的特点和正交投影的方法，通过获取每个统计用户正交于其他所有用户信道空间的正交子空间，以及所有瞬时用户正交于所有统计用户信道空间的正交子空间，并利用正交子空间信息对两类用户分别进行预编码，以此来完全消除用户间干扰，使基站可以同时服务于统计用户和瞬时用户，并且能够给两类用户都提供较好的数据传输率。
[0021] (2)基站对统计用户的预编码向量的设计只利用统计用户的统计CSI，其中利用了特征值分解的方法获得特征空间，再基于该特征空间对统计用户进行预编码。因此，本发明的预编码方法不需要统计用户发送上行的导频信息，能有效降低导频开销，提高有效数据的发送效率。此外，基站不需要对统计用户的瞬时CSI进行估计，能有效降低基站进行信道估计的计算量。
附图说明
[0022] 图1是本发明实施例的基于用户的统计信道状态信息的预编码方法的流程图；
[0023] 图2是利用本发明的预编码方法，在天线数M＝100，统计用户数N＝1，瞬时用户数K＝10时，平均每个用户的数据传输率的仿真图。
具体实施方式
[0024] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0025] 如图1所示，本发明实施例的基于用户的统计信道状态信息的预编码方法包括如下步骤：
[0026] (1)根据用户的信道状态，将用户分为统计用户和瞬时用户，基站获取所有统计用户的统计CSI和所有瞬时用户的瞬时CSI；
[0027] 根据用户的信道状态，将用户划分为瞬时用户和统计用户，基站可以同时向瞬时用户和统计用户发送信号，在该实施方法中假设基站有M根天线，K个瞬时用户，N个统计用户。
[0028] 在向统计用户发送数据前，不需要估计统计用户的瞬时CSI，只需要获取他们的统计CSI。对于第n个统计用户，其统计CSI的理论值可表示为： 其中gS,n表示第n个统计用户的瞬时CSI测量值，为1×M的向量，上标H表示对向量或矩阵进行共轭转置操作，E{·}表示求期望操作。在本发明的实施例中，统计用户的统计CSI由基站根据过去的信道测量值估计得到，对于第n个统计用户(n＝1～N，且为整数)，其统计CSI的估计值为其中，gS,n,t表示第n个统计用户的第t个过去的信道测量值，T表示可用来估计统计CSI的信道测量值个数。
[0029] 假设基站已知瞬时用户的瞬时CSI。设第k个瞬时用户的瞬时CSI为1×M维的向量gC,k(k＝1～K，且为整数)，所有瞬时用户的瞬时CSI构成K×M维的矩阵GC，其中，第k行为第k个瞬时用户的瞬时CSI。
[0030] (2)对每个统计用户，获取其正交于其他用户的信道空间的正交子空间，并利用该正交子空间设计该统计用户的预编码向量；其中，其他用户是指除该统计用户之外的所有统计用户和所有瞬时用户，其他用户的信道空间指除该统计用户之外的其他用户所在的子空间之和。
[0031] 具体地，第n个统计用户的信道空间指矩阵 的列空间，所有瞬时用户的信道空间指矩阵 的列空间，多个用户的信道空间为各个用户的信道空间之和。利用正交投影的方法，第n个统计用户正交于其他用户信道空间的正交子空间 其中，表示向B的列空间的正交投影补， 其列空间为
除第n个统计用户之外的其他用户的信道空间。
[0032] 第n个统计用户的预编码向量为 的最大特征值对应的特征向量。由于 正交于其他用户的信道空间，所以利用该预编码向量向第n个统计用户发送的信息不会对其他用户造成干扰。此外，当天线数很大，并且两个统计用户的信道到达基站的到达角不重叠时，这两个统计用户的特征空间近似正交，因此，在同一时隙中，基站可以尽量调度到达角不重叠的统计用户，这样也可以避免正交投影操作过程中，统计用户对彼此造成的信道信息损失。
[0033] 获取所有瞬时用户正交于所有统计用户的信道空间的正交子空间，并利用该正交子空间设计所有瞬时用户的预编码矩阵。
[0034] 具体地，将所有瞬时用户的信道空间向所有统计用户的信道空间做正交投影操作。在大规模MIMO系统中，由于信道之间的相关性，用户的统计CSI往往是一个低秩矩阵，即该矩阵非零的特征值个数有限，并且在这些非零的特征值中，只有部分特征值的数值比较大，能够体现出用户信道的空间分布特性，称为主特征值。因此，基站可以根据统计CSI的估计值以及主特征值的个数，得到用户统计CSI的近似值，以此来降低统计用户的空间维度。
[0035] 为了降低正交投影过程对瞬时用户的信道信息造成的损失，首先获取统计用户低维度的等效信道空间，获取方法如下：
[0036] a.对 进行特征值分解： 其中， 是一个M×M维的对角矩阵，它的对角元素是矩阵 的特征值，并且按降序排列， 也是M×M的矩阵，它的第j列是的第j个特征值对应的特征向量；
[0037] b.选取参数Dn，Dn表示第n个统计用户的主特征值的个数，且满足[0038] Dn的值越大，矩阵 越能够近似表示 那么，在对瞬时用户的预编码设计过程中，能够更加有效的避免瞬时用户对统计用户的干扰，提高统计用户的速率性能，但是同时也会在正交投影操作过程中使瞬时用户损失较多的信道信息，导致瞬时用户的速率性能下降。因此，统计用户和瞬时用户的速率性能之间有一个折中关系，可通过对Dn大小的选取进行调整。
[0039] c.矩阵 和 可分别表示为： 和 矩阵中的元素近似为零，因此，矩阵 和 可近似表示为： 和
[0040] d.获取第n个统计用户的统计CSI的近似值 为： 并且该矩阵的秩为Dn。
[0041] 计算 其列空间为所有N个统计用户的信道空间的近似值，所有瞬时用户正交于所有统计用户的信道空间的正交子空间 其中，表示向 的列空间的正交投影补， 的列空间近似表示第n个统计用户所在的子空间。
[0042] 瞬时用户的预编码矩阵由正交子空间 确定，由于 正交于统计用户的近似信道空间，所以利用矩阵 对瞬时用户进行预编码可以有效避免瞬时用户对统计用户的干扰，并且可以和传统的线性预编码结合，只需要将所有瞬时用户的瞬时CSI矩阵GC替换为例如，若基于MRT预编码方法，最大化每个用户的接受信号功率，瞬时用户的预编码矩阵为： 若基于ZF预编码方法，消除任意两个瞬时用户之间的干扰，瞬时用户的预编码矩阵为： 其中上标 表示对矩阵进行伪逆操作，同理，亦可基于MMSE预编码，RZF预编码等传统的预编码方法设计本发明中的瞬时用户的预编码矩阵。
[0043] 设置基站有天线数M＝100，统计用户数N＝1，瞬时用户数K＝10，可用来估计统计CSI的过去的信道测量值个数T＝50，Dn＝20时，利用上述预编码方法得到小区中平均每个用户的数据传输率如图2所示。图2分别仿真了基于ZF和MRT预编码的瞬时用户的速率性能以及统计用户的速率性能，从图中可以观察到，虽然基站只拥有统计用户的统计CSI，但基站仍然能够给统计用户提供较好的速率，同时瞬时用户也有较好的速率性能，以此验证了本发明中的预编码方法的有效性。
[0044] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
