CN102055563B - 一种适用于多基站协作的自适应联合线性预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于多基站协作的自适应联合线性预编码方法，属于无线通信技术领域。多个协作基站构成一个协作区域，各协作基站获取本基站至协作区域内各用户的当前信道状态信息，当前信道矩阵，对协作基站与用户在数据传输时的信号泄漏干扰噪声比进行最大化处理，得到抗多用户干扰的预编码矩阵，对用户的等效信道矩阵进行奇异值分解，得到用户对所有协作基站的抗多流干扰预编码矩阵和解码矩阵，根据信道矩阵得到用户的功率分配因子，并得到协作区域内所有协作基站对第j个用户的预编码矩阵。本方法的复杂度低，占用开销少，易于实现，并使无线通信中的误码率降低，提高了通信系统的传输性能，非常适用于多基站协作的CoMP系统。

Description

一种适用于多基站协作的自适应联合线性预编码方法

技术领域

本发明涉及一种适用于多基站协作的自适应联合线性预编码方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

在同频组网的LTE-Advance系统中，相邻小区间的干扰限制了小区边缘用户的服务质量和吞吐量。为了进一步提高系统的频谱利用率，提高小区边缘用户的服务质量和吞吐量，必须采用相关技术有效地降低小区间的干扰。无线通信领域中的协作多点(CoordinativeMultiple Point，以下简称CoMP)传输技术是目前LTE-Advanced具有广阔前景的技术，它在尽可能保持系统高频谱利用率的基础上，可以有效地避免或降低小区间干扰。CoMP模型最常用的是基于BBU+RRU的组网模式，类似于传统上熟知的分布式天线技术，1个基站通过射频光纤(以下简称RoF)连接多个天线站点，天线站点类似1个无线远端单元(以下简称RRU)，而所有的基带处理仍集中在基站，形成集中的基带单元(以下简称BBU)。

CoMP作为提高小区吞吐量尤其是小区边缘吞吐量的重要手段，目前技术主要包含两类：干扰协调调度技术(Coordinated Scheduling，以下简称CoMP-CS)和信号联合处理技术(Joint Processing，以下简称CoMP-JP)。其中信号联合处理技术通过相邻多点的协作通信，与协作小区覆盖范围内的用户共同构成虚拟的多输入多输出(以下简称MIMO)结构，进而使用现有的多用户MIMO检测技术对这些协作的用户进行信号的联合发送和联合接收，从而降低小区间的干扰，提高小区边缘用户的吞吐量和系统的平均吞吐量。

在多基站协作下，协作基站和用户数增加，天线数随之增加，共信道干扰(包括多用户干扰和数据流干扰)成为获得巨大性能增益的主要障碍，且CoMP系统相比过去复杂度增加，信令、反馈开销增大，许多性能良好但复杂度高的预编码和解码技术，如DPC、THP等复杂度太搞，不适合应用。所以，在此背景下构造低复杂度的线性预编码和解码方案能有效减少共信道干扰、提升系统性能增益。

基于最大信噪比的预编码设计使每个用户接收信号的信噪比最大，但未考虑干扰的影响，在干扰较强时系统性能很差。块对角化(以下简称BD)能消除多用户干扰，从而把多用户下行链路分解为多个独立并行的单用户信道，但发送天线数不能少于接收天线数，且只用于下行传输。有文章通过发射机和接受机联合处理，对BD法做了改进，使天线构造更灵活，且比BD性能更优，但发射机预编码和接收机译码器的设计需要多次迭代计算，复杂度较高，不适用于实际系统。MMSE\ZF联合考虑所有用户的信道而非每个用户的信道，且对天线数有限制，同时未考虑噪声的影响。最大化信号泄漏干扰噪声比(以下简称SLNR)作为LTE-A候选预编码技术，联合考虑干扰抑制和噪声的影响，能消除天线维度的限制同时更好地提升性能，且对于预编码矩阵的闭环表达不需要复杂的迭代过程，但要求每个用户有相同的发送功率，且用匹配滤波解码，会有残余的多用户干扰。原始方案中也未考虑基站端天线相关性和每个用户信道估计误差对系统性能的影响。基于此，SLNR性能有限。信道奇异值(以下简称SVD)分解考虑了每个用户信道矩阵的具体特征，当发端和收端都能获得及时的信道信息时，基于SVD分解的自适应调制技术可实现很高的平均频谱效率，且在通信的上下行都适用；运用结合SVD的预处理和后处理，复杂度低，可以有效消除多用户干扰和多流干扰的影响。

发明内容

本发明的目的是提出一种适用于多基站协作的自适应联合线性预编码方法，基于原始SLNR方案采用多流最大化SLNR传输，极大程度抑制多用户干扰和噪声影响；对每个用户，进一步采用SVD分解计算预编码和解码矩阵消除多流干扰；并根据不同用户的信道矩阵在用户间进行动态功率分配。

本发明提出的适用于多基站协作的自适应联合线性预编码方法，包括以下步骤：

(1)设无线通信网络中有B个协作基站，并构成一个协作区域，协作区域中有K个用户，各协作基站分别获取本协作基站至协作区域内各用户的当前信道状态信息，得到所有协作基站对第j个用户的当前信道矩阵H_j，其中j为1、2、……K，则所有协作基站对所有用户的信道矩阵为T为矩阵转置；

(2)对协作区域内所有协作基站与第j个用户在数据传输时的信号泄漏干扰噪声比SLNR进行最大化处理，得到第j个用户对所有协作基站的抗多用户干扰的预编码矩阵F_user，j，具体过程如下：根据信道矩阵H_j和设定的预编码矩阵F_user，j，得到信号泄漏干扰噪声比SLNR的表达式为

其中N_j为用户j接收端的天线数，σ²为独立复高斯噪声因子的方差，为大于零的正数，通过求解F_user，j＝argmaxSLNR_j，得到矩阵

的特征值，将特征值按降序排列结果为λ₁≥λ₂≥…≥λ_m≥…≥λ_M≥0，M为不小于零的特征值数目，则第j个用户设备抗多用户干扰的预编码矩阵F_user，j为排序结果中与前m个特征值相对应的特征向量，m＝N_j；

(3)对协作区域内所有协作基站到第j个用户的等效信道矩阵进行奇异值分解，得到第j个用户对所有协作基站的抗多流干扰预编码矩阵F_stream，j和解码矩阵G_j，具体过程如下：定义第j个用户的等效信道矩阵H′_j＝H_jF_user，j，对H′_j进行奇异值分解，得到H′_j＝U′_jΛ′_j ^1/2V′_j ^H，其中U′_j和V′_j分别为H′_j的左右奇异值矩阵，Λ′_j ^1/2＝diag[Λ′_1，j ^1/2，Λ′_2，j ^1/2，…，Λ′_s，j ^1/2]，则第j个用户设备对所有协作基站的抗多流干扰预编码矩阵F_stream，j为：F_stream，j＝[V′_j ^H]⁺，解码矩阵G_j为：G_j＝U′_j ^H；

(4)根据步骤(1)的信道矩阵H_j，所有协作基站对第j个用户的功率分配因子为

其中P为协作基站的发射总功率；

(5)根据步骤(2)、(3)和(4)中的计算结果，得到协作区域内所有协作基站对第j个用户的预编码矩阵为T_i＝F_user，jF_stream，jP_j，j＝1、2、……K

本发明提出的适用于多基站协作的自适应联合线性预编码方法，其优点是：

1、本发明提出的自适应多基站协作联合线性预编码方法，采用SVD算法和SLNR算法设计线性联合预编码，与已有的非线性设计相比，复杂度低，占用开销少，易于实现，非常适用于多基站协作的CoMP系统。

2、本发明的预编码方法，在协作基站的信号联合处理中将传统预编码设计后辅助以SVD算法，进一步减少多流干扰，并且又与每个用户的发送功率分配相结合，使无线通信中的误码率降低，提高了通信系统的传输性能。

3、本发明的预编码方法，考虑了用户间的动态功率分配，保证了各用户性能的公平性和系统的总体性能。

附图说明

图1是本发明方法中各协作基站与用户设备之间的通信关系示意图。

图2是本发明方法的流程原理图。

具体实施方式

本发明提出的适用于多基站协作的自适应联合线性预编码方法，其中各协作基站与用户设备之间的通信关系示意图如图1所示，其流程框图如图2所示，包括以下步骤：

(1)设无线通信网络中有B个协作基站，并构成一个协作区域，协作区域中有K个用户，各协作基站分别获取本协作基站至协作区域内各用户的当前精确信道状态信息，得到所有协作基站对第j个用户的当前信道矩阵H_j，其中j为1、2、……K，则所有协作基站对所有用户的信道矩阵为

T为矩阵转置；

(2)对协作区域内所有协作基站与第j个用户在数据传输时的信号泄漏干扰噪声比SLNR进行最大化处理，得到第j个用户对所有协作基站的抗多用户干扰的预编码矩阵F_user，j，具体过程如下：根据信道矩阵H_j和设定的预编码矩阵F_user，j，得到信号泄漏干扰噪声比SLNR的表达式为

其中N_j为用户j接收端的天线数，σ²为独立复高斯噪声因子的方差，||H_jF_user，j||²代表第j个用户的理想信号功率，N_jσ²代表第j个用户接收的噪声功率，||H_iF_user，j||²代表第j个用户对第i个用户的泄露功率。该式可进一步表达为

通过求解F_user，j＝argmaxSLNR_j，得到矩阵

的特征值按降序排列结果为λ₁≥λ₂≥…≥λ_m≥…≥λ_M≥0，M为不小于零的特征值数目，则第j个用户设备抗多用户干扰的预编码矩阵F_user，j为排序结果中与前m个特征值相对应的特征向量，m＝N_j；

(3)对协作区域内所有协作基站到第j个用户的等效信道矩阵进行奇异值分解，得到第j个用户对所有协作基站的抗多流干扰预编码矩阵F_stream，j和解码矩阵G_j，具体过程如下：定义第j个用户的等效信道矩阵H′_j＝H_jF_user，j，对H′_j进行奇异值分解，得到H′_j＝U′_jΛ′_j ^1/2V′_j ^H，其中U′_j和V′_j分别为H′_j的左右奇异值矩阵，Λ′_j ^1/2＝diag[Λ′_1，j ^1/2，Λ′_2，j ^1/2，…，Λ′_s，j ^1/2]，则第j个用户设备对所有协作基站的抗多流干扰预编码矩阵F_stream，j为：F_stream，j＝[V′_j ^H]⁺，解码矩阵G_j为：G_j＝U′_j ^H；

第j个用户从所有协作基站接收到的信号为：

$y_j=G_j(H_{j}d+n_j)=G_j(H_j{d}_j+H_j\underset{i\≠j}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i+n_j),$

其中，d_j为所有协作基站对第j个用户发送的经过预编码的信号，d_j＝T_jx_j，x_j为第j个用户所需要的数据，T_j为第j个用户的预编码矩阵，T_j＝F_user，jF_stream，jP_j由三个矩阵构成，F_user，j为第j个用户抗多用户干扰的预编码矩阵，F_stream，j为第j个用户抗多流干扰的预编码矩阵，P_j为预设的对第j个用户的功率分配矩阵，n_j为噪声矢量，为一个独立同分布的复高斯随机变量，服从CN(0，σ²)，G_j为第j个用户的解码矩阵。则根据步骤(2)中求得的预编码矩阵F_user，j，第j个用户从所有协作基站接收到的信号转变为：

y_j＝G_jH′_jF_stream，jP_jx_j+G_j(M_j+n_j)，其中

为第j个用户接收的来自协作区域其他用户的干扰数据，

根据上述步骤(3)中求得的联合预编码矩阵F_stream，j＝[V′_j ^H]⁺和解码矩阵G_j＝U′_j ^H，第j个用户从所有协作基站接收到的信号的表达式为：

y_j＝U′_j ^HH′_j[V′_j ^H]+P_jx_j+U′_j ^H(M_j+n_j)＝Λ′_j ^1/2P_jx_j+U′_j ^H(M_j+n_j)

(4)根据步骤(1)的信道矩阵H_j，所有协作基站对第j个用户的功率分配因子为

其中P为协作基站的发射总功率；

(5)根据步骤(2)、(3)和(4)中的计算结果，得到协作区域内所有协作基站对第j个用户的预编码矩阵为T_j＝F_user，jF_steam，jP_j，j＝1、2、……K。

Claims (1)

1.一种适用于多基站协作的自适应联合线性预编码方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

（1）假设无线通信网络中有B个协作基站，并构成一个协作区域，协作区域中有K个用户，各协作基站分别获取本协作基站至协作区域内各用户的当前信道状态信息，得到所有协作基站对第j个用户的当前信道矩阵H_j，其中j为1、2、……K，则所有协作基站对所有用户的信道矩阵为T为矩阵转置；

（2）对协作区域内所有协作基站与第j个用户在数据传输时的信号泄漏干扰噪声比SLNR进行最大化处理，得到第j个用户对所有协作基站的抗多用户干扰的预编码矩阵F_user，j，具体过程如下：根据信道矩阵H_j和设定的预编码矩阵F_user，j，得到信号泄漏干扰噪声比SLNR的表达式为

其中N_j为用户j接收端的天线数，σ²为独立复高斯噪声因子的方差，为大于零的正数，通过求解F_user，j=argmaxSLNR_j，得到矩阵

的特征值，将特征值按降序排列结果为λ₁≥λ₂≥…≥λ_m≥…≥λ_M≥0，M为不小于零的特征值数目，则第j个用户设备抗多用户干扰的预编码矩阵F_user，j为排序结果中与前m个特征值相对应的特征向量，m=N_j；

（3）对协作区域内所有协作基站到第j个用户的等效信道矩阵进行奇异值分解，得到第j个用户对所有协作基站的抗多流干扰预编码矩阵F_stream，j和解码矩阵G_j，具体过程如下：定义第j个用户的等效信道矩阵

对

进行奇异值分解，得到

其中

和

分别为

的左右奇异值矩阵，

则第j个用户设备对所有协作基站的抗多流干扰预编码矩阵F_stream,j为：

解码矩阵G_j为：

（4）根据步骤（1）的信道矩阵H_j，所有协作基站对第j个用户的功率分配因子为

其中P为协作基站的发射总功率；

（5）根据步骤（2）、（3）和（4）中的计算结果，得到协作区域内所有协作基站对第j个用户的预编码矩阵为T_j＝F_user，jF_stream，jP_j，j＝1、2、……K。

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