[发明专利]降低大规模多输入多输出系统中预编码矩阵计算和用户设备分组复杂度的方法

说明书

本发明展示了使用空间FFT减小用于MIMO系统中生成预编码矩阵计算量的方法，包括通过忽略值显著小于或接近零的项来降低信道矢量的维度，并将UE选择到分配给相同时间和频率资源的组中。

本申请主张申请日为2015年7月10日的第62/190,966号美国在先申请的优先权。

技术领域

本发明一般涉及新型收发器的设计，以降低大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple Output，MIMO)通信系统中预编码矩阵计算和用户设备(User Equipment，UE)分组复杂度。

背景技术

随着移动应用的普及，对无线系统更高吞吐量的需求正以惊人的速度增长。大规模MIMO系统是处理未来应用程序更高数量级数据通信的关键技术[1]。大规模MIMO技术基于空间复用，使多个数据流能够同时到达多个UE。通过众多天线将能量集中到单个UE的带来了吞吐量和辐射能量效率的巨大改进。为了实现众多天线的增益，每个基站(BaseStation，BS)需要进行大量的计算工作，例如预编码矩阵计算。

大规模MIMO系统的概念是使来自所有天线的信号在所需的UE处建设性地相加。为了实现这个目标，BS需要首先估计每个天线和每个UE之间的信道，然后执行波束成形。对于大规模MIMO系统来说，最大的挑战之一是波束形成的计算复杂度可能太高而不能实时完成。例如，对于M个BS天线和K个单天线UE，采用迫零(Zero-Forcing，ZF)波束成形，系统需要针对频域中的每个信道相干带宽以及时域中的每个信道相干时间(例如，一个或多个毫秒)执行O(MK²)复数乘法和K×K矩阵的逆变。

由于在相同时频资源上相同数量的服务UE在共轭波束形成上具有优越的性能，所述ZF方法被认为是有前途为许多UE实现高吞吐量的方法。已经证明，所述ZF方法能够在大规模MEVIO系统中达到非常接近信道容量的性能[1]。已有发明提出降低ZF预编码的复杂度。在文献[2]中，提出了一种基于Neumann级数(Neumann Series，NS)的方法来提高矩阵求逆的速度。基于NS的方法后来由我们的专利申请PCT/US15/52386以更高的可能性进行了改进。据我们所知，没有在先方法提出来降低O(MK²)复数值乘法的复杂度。整个ZF预编码由两个阶段组成，即矩阵乘法和矩阵求逆。值得注意的是，矩阵乘法O(MK²)的复杂度比矩阵求逆O(K³)的复杂度大得多，因为在大规模MFMO系统中M的值总是比K大得多。因此，设计一种降低矩阵乘法复杂度的有效方法是非常重要的。

本发明的一个实施例是在大规模MIMO系统的预编码矩阵计算中降低矩阵乘法复杂度的创新方法。该设计由空间快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)组成，其将不同BS天线信号的各个信号矢量转换为稀疏信号矢量。所述空间FFT的输出为稀疏矢量的原因是因为到达的信号是有限空间的反射器从有限的角度反射而来。利用这些稀疏矢量，由于矢量的许多输入几乎为零，所以两个矩阵的乘法(本质上是矩阵中的矢量相乘)可以被简化。

本发明的另一个实施例是使用所述空间FFT方法执行快速UE分组。在大规模的MIMO系统中，由于许多UE需要服务，所以需要将它们调度到不同的组中，使得每个组服务在相同的时频资源上。一个通用的规则是在相同的组中调度低相关的UE，其能够构造对角占优的相关矩阵，以便更容易构建NS。采用空间FFT方法，分组的复杂度也降低了。

附图说明

图1示出了大规模MIMO系统模型。

图2示出了在通过空间FFT模块之前的大规模MIMO天线处的接收信号的实例。

图3示出了在通过空间FFT模块之后的大规模MIMO天线处的接收信号的实例。

图4示出了具有空间FFT模块的大规模MIMO BS接收机的框图。