基于天線選擇和干擾對齊的多小區(qū)大規(guī)模mimo干擾消除方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于天線選擇和干擾對齊的多小區(qū)大規(guī)模MIMO干擾消除方法，屬于移動無線通信技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括：基站端獲取信道矩陣并分別計算各發(fā)射天線所對應(yīng)的列向量的范數(shù)，選擇范數(shù)最大的前Ns根天線作為活躍天線，并關(guān)閉其它天線；基于活躍天線所對應(yīng)的列向量作為新的信道矩陣并計算每個基站的干擾對齊預(yù)編碼向量，根據(jù)干擾對齊預(yù)編碼向量和新的信道矩陣計算接收端的接收迫零向量并據(jù)此分配各數(shù)據(jù)流的發(fā)送功率，然后再基于發(fā)送功率對接收迫零向量進行更新，最后，當前基站基于其干擾對齊預(yù)編碼向量、當前接收迫零向量、各數(shù)據(jù)流的發(fā)送功率生成接收端對應(yīng)的發(fā)送數(shù)據(jù)并發(fā)送。本發(fā)明的實施，能降低計算復(fù)雜度，提高傳輸速率及降低誤比特率。
【專利說明】
基于天線選擇和干擾對齊的多小區(qū)大規(guī)模MIMO干擾消除方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于移動無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種基于天線選擇和干擾對齊的多 小區(qū)大規(guī)模MIMO干擾消除方法
【背景技術(shù)】
[0002] 大規(guī)模MIMO技術(shù)，通過在基站端配置大量的天線可W顯著提高系統(tǒng)的頻譜效率和 能效效率，在基站天線數(shù)目趨于無窮時不同用戶之間的信道矩陣趨于正交，從而可W消除 用戶間干擾和小區(qū)間干擾，由此受到了廣泛的研究和關(guān)注。然而，實際情況中的天線數(shù)目不 可能無窮多，不同用戶之間的信道矩陣并非是理想正交的，即用戶間干擾依舊存在，尤其是 小區(qū)邊緣用戶。
[0003] 干擾對齊技術(shù)，是在發(fā)送端利用已經(jīng)獲知的信道狀態(tài)信息設(shè)計預(yù)編碼矩陣，使得 干擾信號在接收端對齊，從而得到了無干擾的期望信號，同時壓縮了干擾信號所占的子空 間，增大了期望信號的維度，提高了系統(tǒng)的傳輸速率。目前干擾對齊算法一般分為線性干擾 對齊和迭代干擾對齊，而前者由于計算復(fù)雜度較低在實際應(yīng)用具有一定的優(yōu)勢。
[0004] 天線選擇技術(shù)是按照一定的準則，從所有的服務(wù)天線中選擇其中一部分天線進行 信號發(fā)射。天線選擇準則可W是最大化信道容量準則，最大信噪比準則和最小誤碼率則準 等等。在實際系統(tǒng)中，考慮到實際物理限制，實現(xiàn)復(fù)雜度和成本等因素，數(shù)量龐大的天線可 能會成為工程實現(xiàn)的瓶頸。通過天線選擇技術(shù)可W有效降低系統(tǒng)信號處理的復(fù)雜度和成 本，并且在一定程度上保留了大規(guī)模天線陣列帶來的絕大部分優(yōu)良性能，可W實現(xiàn)在大規(guī) 模MIMO系統(tǒng)性能和復(fù)雜度的有效折衷。
[0005] 功率分配是資源分配的內(nèi)容之一，根據(jù)實際信道情況進行功率分配可W提高通信 系統(tǒng)的性能，比如注水算法可W使得MIMO系統(tǒng)的信道容量最大化。如果不考慮功率分配，即 等功率分配，將會使得所傳輸?shù)拿總€數(shù)據(jù)流的有效信道增益嚴重失衡，很難使系統(tǒng)的性能 達到最優(yōu)。文南犬('Interference Alignment Based On Antenna Selection For Massive MIMO System"(Zhiyuan Shi,Xiaopeng Zhu,Yifeng Zhao,Lianfen Huang,Computer SciencefeEducation(ICCSE),2015 10th International Conference on,22-24July 2015，pp.606-610)在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中聯(lián)合采用了天線選擇和干擾對齊技術(shù)來消除干擾， 但是并沒有考慮功率分配的問題，而且天線選擇算法的復(fù)雜度較高，系統(tǒng)性能仍有較大的 提升空間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的發(fā)明目的在于:針對上述存在的問題，提出了一種基于天線選擇，干擾對 齊和動態(tài)功率分配的大規(guī)模MIMO干擾消除方法，其利用干擾對齊技術(shù)大幅度提高了用戶的 傳輸速率和誤比特率性能，同時通過天線選擇技術(shù)降低了信道矩陣維度，從而降低了運算 復(fù)雜度，有利于工程實現(xiàn)。
[0007] 本發(fā)明的基于天線選擇和干擾對齊的多小區(qū)大規(guī)模MIMO干擾消除方法，包括下列 步驟：
[0008] 步驟I:基站端通過上行導(dǎo)頻獲取所有用戶的信道狀態(tài)信息CSI，即獲取信道矩陣 出jEcWxm(cWxm表示NXM矩陣），其中出徒示用戶j至蠟站i的信道矩陣，M表示基站端的天線 數(shù)目，N為用戶端的天線數(shù)目。
[0009] 步驟2:在每個基站，根據(jù)信道容量最大化準則和基站各自所服務(wù)的用戶的信道矩 陣進行天線選擇。所述天線選擇依據(jù)的準則為：
I其中4表示基 站端所選擇的天線子集，hi表示發(fā)射天線i所對應(yīng)的列向量。即分別計算信道矩陣出1的所有 列向量的范數(shù)，選擇范數(shù)最大的前化根天線作為活躍天線，Ns為所需選擇天線數(shù)目，并關(guān)閉 剩余M-化根天線。
[0010] 步驟3:基站端根據(jù)步驟2天線選擇的結(jié)果重新確定實際采用的信道矩陣，對于每 一個信道矩陣出j，選擇其中的化列列向量作為新的信道矩陣山曰3山即山曰3^=比^山刮， 其中，比1北]表示信道矩陣出J的第k列。
[0011] 步驟4:基站端根據(jù)天線選擇后的信道矩陣H_asu計算干擾對齊預(yù)編碼向量。
[0012] 本發(fā)明所采用的干擾對齊方法為步驟401-403所述：
[OOU] 401:對聯(lián)合矩陣進行特征值分解，選取特征值最大 的D(D為發(fā)送的數(shù)據(jù)流數(shù)目）列特征向量作為基站1的干擾對齊預(yù)編碼向量Vi并進行向量歸 一化處理；即 vi(:，;r) = vi(: ,rVl |vi(:，!) I I，r = l,. . .，D，符號（：，!)表示取第 r 列運算
[0014] 402:根據(jù)公式V';=八;.;| * V;計算基站2的干擾對齊預(yù)編碼向量V2并進行向量歸 一化處理；
[0015] 40 3:根據(jù)公式1? =總*巧1。*巧i十算基站3的干擾對齊預(yù)編碼向量V. 3并進行向量 歸一化處理。
[0016] 步驟5:計算接收端的接收迫零向量。
[0017] 所述迫零處理采用的迫零矩陣根據(jù)下列公式得到：
[001 引
[0019]
[0020]
[0021] 其中，Wj為DXN的用戶j的接收迫零矩陣(D為用戶j發(fā)送的數(shù)據(jù)流數(shù)目，N為用戶j 的天線數(shù)目），即Wj由其中對應(yīng)的d行行向量組成，.曰為等效聯(lián)合發(fā)送信道矩陣，U_&為等效 聯(lián)合矩陣的偽逆矩陣，（?）H表示矩陣的共輛轉(zhuǎn)置，下同。
[0022] 步驟6:分別計算每個用戶的接收迫零矩陣的列向量的模值，并根據(jù)模值的大小進 行動態(tài)功率分配：
[0023] 先計算用戶j的迫零向量的模值向量
'其中符號diag(A) 表示取矩陣A的對角元素。
[0024] 再根據(jù)模值進行數(shù)據(jù)流的發(fā)送功率分配
I其中，P表示所有 基站的發(fā)射總功率，Pk表示當前基站向用戶j發(fā)射第r流數(shù)據(jù)的功率，山r表示用戶j的第r個 迫零向量的模值，即矩陣dj的第j列所對應(yīng)的模值 J
[00巧]步驟7:根據(jù)當前功率分配情況更新迫零矩陣
，其中pj = diag (Pj1，PW，...，PW)。步驟8:結(jié)合上述天線選擇、干擾對齊W及功率分配的計算結(jié)果生成發(fā)送 數(shù)據(jù):Xj = Vi*pj*Sj，其中Xj表示當前基站對用戶j的N X 1發(fā)送數(shù)據(jù)向量，Pj為當前基站關(guān)于 用戶j的功率分配對角矩陣，對角元素為每個數(shù)據(jù)流分配的功率Wr, Sj為發(fā)送給用戶j的原 始發(fā)送數(shù)據(jù)。
[0026] 綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本 發(fā)明通過天線選擇方法降低了信道矩陣維度，從而使得可用相對較低的復(fù)雜度實現(xiàn)了大規(guī) 模MIMO系統(tǒng)干擾消除，提高了用戶的傳輸速率，同時通過動態(tài)功率分配降低了系統(tǒng)的誤比 特率性能，提高了系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃浴?br>【附圖說明】
[0027] 圖1為本發(fā)明的實施例場景示意圖。
[0028] 圖2為本發(fā)明實施例的實施結(jié)構(gòu)框圖。
[0029] 圖3為本發(fā)明所采取天線選擇算法與性能最佳的漸消算法的可達率對比曲線。
[0030] 圖4為本發(fā)明實施案例4天線情況下的誤比特率性能對比曲線。
[0031] 圖5為本發(fā)明實施案例8天線情況下的誤比特率性能對比曲線。
[0032] 圖6為本發(fā)明實施案例4天線情況下的可達率對比曲線。
[0033] 圖7為本發(fā)明實施案例8天線情況下的可達率對比曲線。
【具體實施方式】
[0034] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合實施方式和附圖，對本發(fā) 明作進一步地詳細描述。
[00對實施例
[0036] 參見圖1，本實例的系統(tǒng)場景為基于C-RAN架構(gòu)的大規(guī)模MIMO多小區(qū)系統(tǒng)，系統(tǒng)采 用TDD制式。在C-RAN架構(gòu)下可W輕易的無延時的共享所有小區(qū)的信道信息，大大提高了聯(lián) 合處理的可實施性。在本案例中考慮3個小區(qū)，每個小區(qū)一個基站，每個基站服務(wù)一個小區(qū) 邊緣用戶，基站端的天線數(shù)目為128,用戶端的天線數(shù)目為N，本實例中對N取4和8進行仿真 分析。本實施例中的信道狀態(tài)信息為零均值，方差為1的復(fù)高斯變量。所有基站的發(fā)射總功 率均為P。
[0037] 針對上述實施例，本發(fā)明提供的基于天線選擇和干擾對齊W及功率分配的大規(guī)模 MIMO干擾消除方法的具體實現(xiàn)步驟為：
[0038] 步驟SI:基站端通過上行導(dǎo)頻獲取所有用戶的信道狀態(tài)信息CSI，即獲取信道矩陣 出j G CWXi28，i，j = 1，2，3，其中出j表示用戶j到基站i的信道矩陣。
[0039] 步驟S2:在每個基站，根據(jù)信噪比最大化準則和基站各自所服務(wù)的用戶的信道矩 陣出i，i = 1，2，3進行天線選擇。
[0040] 即根據(jù)公J
分別計算信道矩陣出1，此沸曲3 的所有列向量的模值，選擇其中模值最大的咐良天線作為活躍天線，關(guān)閉剩余128-咐良天線。
[0041] 步驟S3:基站端根據(jù)步驟S2天線選擇的結(jié)果重新確定實際采用的信道矩陣，對于 每一個信道矩陣，選擇其中的N列列向量作為新的信道矩陣H_asij。
[0042] 山曰34 =比1化]1^￡*其中，比1化]表示信道矩陣出撕第巧!]。
[0043] 步驟S4:基站端根據(jù)天線選擇后的信道矩陣H_asu計算干擾對齊預(yù)編碼向量VI。首 先對聯(lián)合矩陣W,;| *//,, * W,,1 * W，, */"/,:1 * W。進行特征值分解，選取特征值最大的N/2(本實 施例中，發(fā)送的數(shù)據(jù)流數(shù)目D為N/2)列特征向量作為基站1的干擾對齊預(yù)編碼向量VI，并根 據(jù)公式vi(:，r) = vi(:，r)/ M vi(:，r) I I，r= 1，. . .，N/2進行向量歸一化處理;然后根據(jù)公式 V3==パ:>パl.;*，，l計算基站2的干擾對齊預(yù)編碼向量V2并進行向量歸一化處理;最后根據(jù)公 式V'; = /7。| *//|: *巧計算基站3的干擾對齊預(yù)編碼向量V3并進行向量歸一化處理。
[0044] 步驟S5:計算接收端的接收迫零向量。
[0045] 首先根據(jù)
計算U_Hj，再根據(jù)Wj = U_Hj((j-1 )蝴+1: j*D，：），j = 1，2，3得到用戶j的接收迫零矩陣Wj，即Wj 由U_Hj中對應(yīng)的N/2行行向量組成。
[0046] 步驟S6:分別計算每個用戶的接收迫零矩陣的列向量的模值，并根據(jù)模值進行數(shù) 據(jù)流的發(fā)送功率分配，目[
庚中Cl^為用戶j的迫零向量的模值向量dj
的第r列的模值，T為所有用戶迫零向量的模值之和。
[0047] 步驟S7:根據(jù)功率分配情況更新迫零矩陣。目H ，其中
[0048] 步驟S8:當前基站端結(jié)合上述天線選擇、干擾對齊W及功率分配的計算結(jié)果生成 關(guān)于原始發(fā)送數(shù)據(jù)Sj的發(fā)送數(shù)據(jù)Xj : Xj = Vi*p片Sj。
[0049] 步驟S9:接收端對接收信號yj進行迫零處理即可獲取到對應(yīng)的發(fā)送數(shù)據(jù)，即yj = Wi*：Tj，其中rj為NX 1的接收向量。
[0050] 為了評估本發(fā)明的性能，采用蒙特卡洛仿真方法對信道容量和誤比特率進行了仿 真。
[0051] 圖3為本發(fā)明采用的天線選擇算法與性能最優(yōu)的漸消算法的可達率對比曲線，其 中QPSK表示正交頻移鍵控，AS表示天線選擇，IA表示干擾對齊，ZF表示迫零預(yù)編碼，MF表示 匹配濾波預(yù)編碼?？蒞看到，在本實例所假設(shè)的信道系數(shù)為零均值，方差為1的復(fù)高斯變量 場景下，本發(fā)明所采取的簡單的天線選擇算法相對于漸消算法的信道容量，在低信噪比時 性能幾乎一致，而高信噪比下在4天線時僅有約1-化ps/Hz的性能損失，在8天線時僅有約2- SbpsAlz的性能損失。而本發(fā)明所采取的天線選擇算法復(fù)雜度則要低的多，有利于工程實 現(xiàn)。本發(fā)明所采取的天線選擇算法僅需計算每根發(fā)射天線所對應(yīng)的傳輸向量的模值并取其 中模值最大的Ns根，而信道容量最大化漸消算法需要進行N-Ns次迭代，每次迭代需要計算 去除每根天線所產(chǎn)生的信道容量性能損失，復(fù)雜度明顯要高于本發(fā)明所采取的天線選擇算 法。
[0052] 圖4和圖5為不同算法的誤比特率性能對比，可W看到本發(fā)明發(fā)明提出的基于干擾 對齊和動態(tài)功率分配的干擾消除方法，在誤比特率性能方面幾乎接近于理想環(huán)境下的QPSK 調(diào)制系統(tǒng)，多點協(xié)作迫零預(yù)編碼和未進行功率分配(等功率分配）的干擾對齊性能接近，在 高信噪比時本發(fā)明所提出的方法要明顯好于多點協(xié)作迫零預(yù)編碼，在相同的誤比特率下有 3-4地的性能提升。
[0053] 圖6和圖7為不同算法的可達率對比曲線，比較對象為本發(fā)明所提出的基于天線選 擇，干擾對齊和動態(tài)功率分配的干擾消除方法，和基于天線選擇，干擾對齊的干擾消除方 法，基于天線選擇的多點協(xié)作迫零預(yù)編碼算法，W及不進行天線選擇的非協(xié)作迫零預(yù)編碼 算法。仿真結(jié)果顯示，不進行天線選擇的非協(xié)作迫零預(yù)編碼系統(tǒng)是干擾受限的，基于天線選 擇的協(xié)作迫零預(yù)編碼是最優(yōu)的，基于等功率分配的干擾對齊方法與之接近。本發(fā)明的方法 相對非協(xié)作迫零預(yù)編碼方法有非常明顯的優(yōu)勢，而在加入動態(tài)分配算法后在可達率性能上 有一定的損失，但損失較小，相對于多點協(xié)作迫零預(yù)編碼方法在4天線時性能損失約為 3bits/sec/Hz，在8天線時性能損失約為加 its/sec/化，運仍屬于可接受范圍。因為本發(fā)明 所提方法的復(fù)雜度相對多點協(xié)作預(yù)編碼方法要低得多，本發(fā)明所提方法中最為復(fù)雜的部分 為矩陣規(guī)模為NX N的特征值分解和矩陣求逆運算，復(fù)雜度均為0(妒），而多點協(xié)作迫零預(yù)編 碼需要進行全局信道矩陣的求逆運算，計算復(fù)雜度為〇(化N)3)，其中K為總用戶數(shù)。
[0054] W上所述，僅為本發(fā)明的【具體實施方式】，本說明書中所公開的任一特征，除非特別 敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加 W替換;所公開的所有特征、或所有方 法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟W外，均可W任何方式組合。
【主權(quán)項】
1.基于天線選擇和干擾對齊的多小區(qū)大規(guī)模ΜΙΜΟ干擾消除方法，其特征在于，包括下 列步驟： 步驟1:基站端獲取信道矩陣出j，其中用戶標識符j = 1，2，3，基站標識符i = 1，2，3，且出j 為NXM矩陣，其中N為用戶端的天線數(shù)目，Μ為基站端的天線數(shù)目； 步驟2:基于信道矩陣出J，基站端分別計算各發(fā)射天線所對應(yīng)的列向量的范數(shù)，選擇范 數(shù)最大的前化根天線作為活躍天線，并關(guān)閉剩余Μ-化根天線； 步驟3:基站端根據(jù)從信道矩陣出J中選擇化根活躍天線所對應(yīng)的列向量作為新的信道 矩陣 H_asij; 步驟4:基站端根據(jù)信道矩陣H_asu計算每個基站的干擾對齊預(yù)編碼向量vi: 401:對聯(lián)合矩陣i * //,, a //2,1 * //;| * //。| * //。進行特征值分解，選取特征值最大的D列 特征向量作為基站1的干擾對齊預(yù)編碼向量VI并進行向量歸一化處理，其中D為發(fā)送的數(shù)據(jù) 流數(shù)目；即 V1(:，;r) = vi(:，;r)/| |vi(:，!) I I，r = l,. . .，D，符號（：，!)表示取第 r 列運算； 402:根據(jù)公式V。= *//|; *崎:計算基站2的干擾對齊預(yù)編碼向量V2并進行向量歸一化 處理； 403:根據(jù)公式Vg = *//|, *，'i計算基站3的干擾對齊預(yù)編碼向量V.3并進行向量歸一化 處理； 步驟5:基站端根據(jù)公式W戸11_&(〇-1州+1。'*0，：）計算用戶前接收迫零向量巧^，其 中。_//, =(/7,"/7,) '/7," '且馬二巧 _化、*v'2 巧-化ν;,.*ν'3)，符號（·）H表 示矩陣的共輛轉(zhuǎn)置； 步驟6:基站端基于接收迫零向量W汾配各數(shù)據(jù)流的發(fā)送功率化，即P,,. = 戶，Γ = 1，...，D， 其4>表示所有基站的發(fā)射總功率，山r表示矩陣山的第r 列的非零元素的值，符號diag( ·)表示求取對角線； 步驟7 :根據(jù)步驟6分配的發(fā)送功率wr更新接收迫零向量，即令= 1.2,3，其 中pj = diag(pji，pi2,. . .，p扣）； 步驟8:當前基站端i生成發(fā)送給用戶j發(fā)送數(shù)據(jù)Xj并發(fā)送，其中Xj = Vi*Pj*Sj，所述S徒 示發(fā)送給用戶j的原始發(fā)送數(shù)據(jù)。
【文檔編號】H04B7/06GK105978615SQ201610325499
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月17日
【發(fā)明人】楊全校, 楊海芬, 林水生, 周亮, 袁強, 尹騰飛
【申請人】電子科技大學