一種多小區(qū)大規(guī)模mimo系統(tǒng)中的干擾消除和天線優(yōu)化方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)一種多小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的干擾消除和天線優(yōu)化方法，本發(fā)明提出一種結(jié)合聯(lián)合空分復(fù)用和天線選擇的干擾對(duì)齊方法，用戶(hù)端設(shè)計(jì)聯(lián)合接收濾波器矩陣，壓縮干擾空間并克服用戶(hù)終端天線數(shù)隨用戶(hù)數(shù)增加而導(dǎo)致的快速增長(zhǎng)；基站端采用低復(fù)雜度的天線選擇算法，選擇合適的信道矢量，使其信道協(xié)方差矩陣主特征值數(shù)與已選擇天線數(shù)之間滿(mǎn)足一定的關(guān)系，從而更好實(shí)現(xiàn)干擾對(duì)齊與聯(lián)合空分復(fù)用的結(jié)合。理論分析與仿真結(jié)果表明，采用本發(fā)明提出的結(jié)合聯(lián)合空分復(fù)用和天線選擇的干擾對(duì)齊方法，可以消除系統(tǒng)干擾，當(dāng)用戶(hù)數(shù)較大時(shí)，降低基站端與用戶(hù)端所需天線數(shù)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
-種多小區(qū)大規(guī)模ΜΙΜΟ系統(tǒng)中的干擾消除和天線優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及設(shè)及無(wú)線通信多小區(qū)大規(guī)模ΜΙΜΟ系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其設(shè)及多小區(qū)干擾消除 技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 大規(guī)模ΜΙΜΟ技術(shù)通過(guò)在基站部署大規(guī)模的天線陣，可W顯著提高系統(tǒng)頻譜效率 [Lu L,Li G Y,Swindlehurst A L,et al.An overview of massive ΜΙΜΟ:Benefits and ch曰llenges[J].Selected Topics in Signal Processing,IEEE Journal of,2014,8(5): 742-758.]，而在多小區(qū)大規(guī)模ΜΙΜΟ系統(tǒng)組網(wǎng)時(shí)，干擾一直是限制系統(tǒng)性能最主要的因素之 一。干擾對(duì)齊技術(shù)通過(guò)發(fā)射端預(yù)處理，將來(lái)自不同發(fā)射端的干擾信號(hào)在接收端的有限維空 間上進(jìn)行對(duì)齊，W壓縮干擾所占空間，并保證期望信號(hào)空間線性獨(dú)立于干擾信號(hào)空間，運(yùn)樣 接收端只需要簡(jiǎn)單的線性處理就能消除已經(jīng)對(duì)齊的干擾。然而，干擾對(duì)齊直接應(yīng)用于大規(guī) 模ΜΙΜΟ技術(shù)復(fù)雜度較高，且性能較差[Ε1 Ayach OJeters S W,胎ath R.The practical challenges of interference alignment[J]. IEEE Wireless Communications,2013,20 (1):35-42.]〇
[0003] 聯(lián)合空分復(fù)用技術(shù)[Adhikary A ,Nam J ,Ahn J Y , et al . Joint spatial division and multiplexing-the large-scale array regime[J]. Information Theo巧，I邸E Transactions on,2013,59( 10) :6441-6463.]利用有限的信道狀態(tài)信息，來(lái) 實(shí)現(xiàn)大規(guī)模ΜΙΜΟ的性能增益，在單蜂窩小區(qū)中，通過(guò)兩級(jí)預(yù)編碼處理，在消除系統(tǒng)干擾的同 時(shí)，可W有效降低獲取信道狀態(tài)信息的開(kāi)銷(xiāo)。
[0004] 大規(guī)模ΜΙΜΟ系統(tǒng)相比傳統(tǒng)ΜΙΜΟ系統(tǒng)基站天線數(shù)高出1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，盡管系統(tǒng)容量 及能量效率得到提升，但所產(chǎn)生的射頻(Radio Frequency，RF)鏈路數(shù)也急劇增加，其帶來(lái) 的電路損耗也會(huì)不斷增加。另外，干擾對(duì)齊所需收發(fā)兩端的天線數(shù)會(huì)隨干擾用戶(hù)數(shù)量的增 加而增加，純粹的干擾對(duì)齊方案難W應(yīng)用于大規(guī)模ΜΙΜΟ系統(tǒng)，因此，需要進(jìn)一步采取措施減 少系統(tǒng)所需天線數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明旨在解決W上現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題。提出了一種W消除系統(tǒng)干擾、降低基站端 與用戶(hù)端所需天線數(shù)的多小區(qū)大規(guī)模ΜΙΜΟ系統(tǒng)中的干擾消除和天線優(yōu)化方法。本發(fā)明的技 術(shù)方案如下：
[0006] -種多小區(qū)大規(guī)模ΜΙΜΟ系統(tǒng)中的干擾消除和天線優(yōu)化方法，其包括W下步驟：
[0007] 101、用戶(hù)首先通過(guò)上行鏈路將自己的地理幾何信息發(fā)送給基站，基站轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)端 的基帶處理器，基帶處理器據(jù)此求得信道協(xié)方差矩陣，然后基站發(fā)送導(dǎo)頻序列給用戶(hù)，用戶(hù) 通過(guò)導(dǎo)頻序列檢測(cè)信道狀態(tài)信息，根據(jù)信道協(xié)方差矩陣及干擾對(duì)齊算法設(shè)計(jì)聯(lián)合接收濾波 器矩陣，并構(gòu)造聯(lián)合等效接收濾波器矩陣；
[000引102、根據(jù)所求聯(lián)合接收濾波器矩陣，通過(guò)迫零算法求得用于消除小區(qū)間干擾和分 組間干擾的聯(lián)合一階預(yù)編碼矩陣；
[0009] 103、根據(jù)所求JRF與步驟102所求聯(lián)合一階預(yù)編碼矩陣，通過(guò)最小均方誤差算法求 得用于消除用戶(hù)間干擾的二階預(yù)編碼矩陣；
[0010] 104、基站端進(jìn)行天線選擇，給出天線選擇的兩個(gè)準(zhǔn)則；
[0011] 105、根據(jù)步驟104基站端所給出的天線選擇準(zhǔn)則，求出優(yōu)選天線選擇配置。
[0012] 進(jìn)一步的，步驟101中根據(jù)信道協(xié)方差矩陣及干擾對(duì)齊算法設(shè)計(jì)聯(lián)合接收濾波器 矩陣，并構(gòu)造聯(lián)合等效接收濾波器矩陣具體為：
[0013] 為每個(gè)用戶(hù)組設(shè)計(jì)聯(lián)合接收濾波器矩陣Uk'i3,定義聯(lián)合等效接收濾波器矩陣為：
庚中，□表示等效符號(hào)，為小區(qū)j中第g個(gè)用戶(hù) 組的聯(lián)合接收濾波器矩陣，鳳gJ]為小區(qū)j中第g個(gè)用戶(hù)組的聯(lián)合等效接收濾波器矩陣，w[g 'A1為基站1到小區(qū)j中第g個(gè)用戶(hù)組的小尺度衰落矩陣，Λ k'Ai為信道協(xié)方差矩陣非零特 征值組成的對(duì)角陣，為保證聯(lián)合接收濾波器矩陣有解，Wk'Ai為方陣，滿(mǎn)足條件r = KNr/2"K表示每小區(qū)用戶(hù)數(shù)，Nr表示用戶(hù)端天線數(shù)，r表示主特征值數(shù)。
[0014] 進(jìn)一步的，步驟101中采用干擾對(duì)齊算法使基站1對(duì)用戶(hù)組[g，j]和用戶(hù)組[g/，j] 的干擾對(duì)齊在一個(gè)子空間，即：
[0015]
(1)
[0016] span表示括號(hào)內(nèi)矩陣的列向量生成的生成子空間，（F^'A1)表示主特征值對(duì)應(yīng)特 征向量組成的特征模矩陣。
[0017]式（1)可W變換為：
[001引
（巧
[0019] 其中，表示維度為化的單位陣，表示維度為Ns Xr的零矩陣，hiGU親示某站1對(duì)小 區(qū)j內(nèi)用戶(hù)組的干擾經(jīng)對(duì)齊后形成的子空間，為保證矩陣有解，需滿(mǎn)足條件
即
[0020] 進(jìn)一步的，所述步驟102的聯(lián)合一階預(yù)編碼矩陣具體為:小區(qū)j內(nèi)第g個(gè)用戶(hù)組的一 階預(yù)編碼矩陣為：
[0021]
巧)
[0022] 為了使括號(hào)內(nèi)矩陣具有零空間，需要滿(mǎn)足條件化-2Kd>b。
[0023] 進(jìn)一步的，所述步驟104的天線選擇的兩個(gè)準(zhǔn)則第一個(gè)準(zhǔn)則為:基站天線數(shù)化與主 特征值數(shù)^之間需要滿(mǎn)足一定的關(guān)系，但化X化維信道協(xié)方差矩陣Rk'"'i'的主特征值個(gè)數(shù) 未必恰好是在基站部署Nt根天線的基礎(chǔ)上選擇化根天線，使其滿(mǎn)足如下關(guān)系，即天線選 擇的第一個(gè)準(zhǔn)則為：
[0024]
(4)
[0025] 其中，ξ為誤差控制參數(shù)，Z表示誤差矩陣，其元素大小為10-2~10^1數(shù)量級(jí)；
[0026] 從Nt根天線中選擇其中的化根共有€^種可能，并且滿(mǎn)足不等式(8)的天線子集可 能有多個(gè)，因此，W最大化信道容量為準(zhǔn)則，從滿(mǎn)足不等式(8)的天線選擇方案中選擇最優(yōu) 的一個(gè)。
[0027] 進(jìn)一步的，所述步驟104的天線選擇的兩個(gè)準(zhǔn)則第二個(gè)準(zhǔn)則為：
[0028] 選擇合適的天線子集，使信道協(xié)方差的最大特征值與最小特征值之差最小，即天 線選擇的第二個(gè)準(zhǔn)則為：
[0029]
(5)
[0030] 式中，?！悝北硎咀顑?yōu)的天線子集，Vmax與λ\3χ表示第i個(gè)天線子集信道協(xié)方差矩陣 的最大特征值和最小特征值。
[0031] 進(jìn)一步的，天線選擇算法步驟為：1)基站部署Nt根天線，天線集合表示為 巧=}，下標(biāo)表示天線的編號(hào)，要選擇的天線數(shù)目為化，主特征值數(shù)目為F，控 制參數(shù)為ξ，誤差矩陣為Z;
[003^ 2)固定前化-1根天線分別為Φl，Φ2，…，Φγ-ι，第化根天線從第ΦΛ：根天線開(kāi)始遍歷 到第。W,根天線，共需遍歷Nt-Ns+1次；
[003；3] 3)固定前化-2根天線分別為蟲(chóng)1為2，...，蟲(chóng)^^2鴻化-1根天線固定為<%。:，第化根天線 從第Φ心2根天線開(kāi)始遍歷到第根天線，共需遍歷Nt-Ns-1次，W此類(lèi)推，確定所有可能 的天線選擇方案；
[0034] 4)定義矩陣變量
系統(tǒng)每遍歷完一個(gè)天線選擇 子集后進(jìn)行判斷，若Ε《ξΖ，則將矩陣變量E和對(duì)應(yīng)天線子集保存，用于步驟5)中進(jìn)一步的選 擇，W此類(lèi)推，確定滿(mǎn)足不等式(8)，即
的天線選擇方案 的集合為Γ = { Γ 1，Γ 2，. . . Γ η}，n為經(jīng)過(guò)步驟3)、步驟4)之后選取的天線子集數(shù)目；
[0035] 5 )針對(duì)步驟3 )、步驟4 )中選擇的所有天線子集，根據(jù)式（9 )，即
選出最優(yōu)的天線子集Γ°Ρ。
[0036] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下：
[0037] 1.利用信道統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行信號(hào)處理，避免獲取精確信道狀態(tài)信息導(dǎo)致的巨大開(kāi) 銷(xiāo)。
[0038] 2.壓縮干擾空間，減少用戶(hù)端所需天線數(shù)。
[0039] 3.采用最小均方誤差算法，減弱病態(tài)信道對(duì)系統(tǒng)性能的影響。
[0040] 4.采用天線選擇，減少射頻鏈路數(shù)，為聯(lián)合空分復(fù)用與干擾對(duì)齊的結(jié)合創(chuàng)造有利 條件。
[0041] 5. W最大化系統(tǒng)容量為準(zhǔn)則，提升系統(tǒng)容量。
【附圖說(shuō)明】
[0042] 圖1是本發(fā)明提供優(yōu)選實(shí)施例多小區(qū)蜂窩系統(tǒng)模型；
[0043] 圖2小區(qū)間干擾與組間干擾信道模型；
[0044] 圖3用戶(hù)與云型無(wú)線接入網(wǎng)架構(gòu)通信鏈路及算法原理圖；
[0045] 圖4不同到達(dá)角時(shí)特征值的累積分布函數(shù)；
[0046] 圖5不同角度擴(kuò)展時(shí)特征值的累積分布函數(shù)；
[0047] 圖6不同天線歸一化距離時(shí)特征值的累積分布函數(shù)；
[0048] 圖7不同天線選擇方案下ΜΙΜΟ系統(tǒng)的頻譜效率；
[0049] 圖8不同算法下單用戶(hù)頻譜效率。
【具體實(shí)施方式】
[0050] 多小區(qū)大規(guī)模ΜΙΜΟ系統(tǒng)模型如圖1所示，3個(gè)小區(qū)的基站通過(guò)光傳輸網(wǎng)與基帶池連 接，基帶處理器集中處理各個(gè)基站傳輸?shù)男盘?hào)，從而實(shí)現(xiàn)基站間信道邊信息的獲取。每個(gè)小 區(qū)邊緣用戶(hù)平均分成兩個(gè)用戶(hù)組，每個(gè)用戶(hù)將受到小區(qū)間干擾、分組間干擾和用戶(hù)間干擾。 考慮克羅內(nèi)克半相關(guān)信道模型估=及。對(duì)小區(qū)內(nèi)用戶(hù)進(jìn)行分組，忽略小組內(nèi)的用戶(hù)間 干擾，將圖1下行鏈路模型轉(zhuǎn)化為圖2所示模型。在消除小區(qū)間干擾及分組間干擾之后，系統(tǒng) 模型轉(zhuǎn)換為廣播信道模型，此時(shí)，通過(guò)最小均方誤差算法消除用戶(hù)間干擾。
[0051] 圖3W單用戶(hù)為例，給出用戶(hù)與云型無(wú)線接入網(wǎng)架構(gòu)之間的通信鏈路及算法原理 圖[Chih-Lin I,Huang J,Duan R,et al.Recent progress on C-RAN centralization and cloudification[J].Access, IE 邸，2014,2:1030-1039.]，其中實(shí)線代表實(shí)際鏈路，虛 線代表虛擬鏈路。用戶(hù)通過(guò)F孤上下行鏈路與基站通信，基站通過(guò)光傳輸鏈路將數(shù)據(jù)傳送到 遠(yuǎn)端基帶處理器，基帶處理器處理所有基站發(fā)送的信息，從而實(shí)現(xiàn)小區(qū)間的協(xié)作。具體過(guò)程 為：用戶(hù)首先通過(guò)上行鏈路將自己的地理幾何信息發(fā)送給基站，基站遠(yuǎn)端的基帶處理器據(jù) 此設(shè)計(jì)天線選擇方案，使用部分發(fā)射天線與用戶(hù)通信，減少能量損耗;然后基站發(fā)送導(dǎo)頻序 列，用戶(hù)通過(guò)導(dǎo)頻序列檢測(cè)信道狀態(tài)信息，根據(jù)信道協(xié)方差矩陣及干擾對(duì)齊算法設(shè)計(jì)聯(lián)合 接收濾波器矩陣，并將維度降低的信道狀態(tài)信息反饋給基站;最后基帶處理器根據(jù)信道轉(zhuǎn) 換矩陣設(shè)計(jì)兩級(jí)預(yù)編碼消除干擾。
[0化2] 1.接收端為每個(gè)用戶(hù)組設(shè)計(jì)聯(lián)合接收濾波器(Joint Receiver Filter JRF)矩陣 U[g'i]，定義聯(lián)合等效接收濾波器（Joint Equivalent Receiver Filter，JERF)矩陣為：
其中，U[g'j]為小區(qū)忡第g個(gè)用戶(hù)組的JRF,療[sj]為 小區(qū)j中第g個(gè)用戶(hù)組的化RF，Wk'jLi為基站巧^小區(qū)j中第g個(gè)用戶(hù)組的小尺度衰落矩陣， 八k'Ai為信道協(xié)方差矩陣非零特征值組成的對(duì)角陣。為保證聯(lián)合接收濾波器矩陣1]^'^]有 解，W[g'j] ' 1應(yīng)為方陣，滿(mǎn)足條件r = KNr/2。
[0053] 2.從基站1的角度考慮，其發(fā)送的期望信號(hào)會(huì)對(duì)小區(qū)j，j聲1中的用戶(hù)組產(chǎn)生干擾， 將干擾壓縮，使基站1對(duì)用戶(hù)組[g，j]和用戶(hù)組[g/，j]的干擾對(duì)齊在一個(gè)子空間，即：
[0057] 其中，表示基站1對(duì)小區(qū)j內(nèi)用戶(hù)組的干擾經(jīng)對(duì)齊后形成的子空間。為保證矩 陣有解，需滿(mǎn)足條件+ 2,-2W, ，即r>^ + ^。
[0058] 3.基站采用迫零方法設(shè)計(jì)聯(lián)合一階預(yù)編碼矩陣將壓縮的小區(qū)間干擾和小區(qū)內(nèi)組 間干擾一起消除，小區(qū)j內(nèi)第g個(gè)用戶(hù)組的一階預(yù)編碼矩陣為：
[0化9]
[0060] 為了使括號(hào)內(nèi)矩陣具有零空間，需要滿(mǎn)足條件化-2Kd>b。
[0061] 4.基站j與用戶(hù)組[g，j]組成的廣播信道表示為
[0062]
(9)
[0063]采用最小均方誤差算法設(shè)計(jì)二階預(yù)編碼矩陣消除組內(nèi)用戶(hù)間干擾，二階預(yù) 編碼矩陣表示為：
[0067] 為保證P[g'。有解，需滿(mǎn)足/，>4(/。
[0068] 5.基站天線數(shù)化與主特征值數(shù)r之間需要滿(mǎn)足一定的關(guān)系，但化X化維信道協(xié)方 差矩陣Rk'iLi'的主特征值個(gè)數(shù)未必恰好是F。在基站部署Nt根天線的基礎(chǔ)上選擇化根天線， 使其滿(mǎn)足如下關(guān)系，即天線選擇的第一個(gè)準(zhǔn)則為：
[0069]
(13)
[0070] 其中，ξ為誤差控制參數(shù)，Z表示誤差矩陣，其元素大小為10-2~10^1數(shù)量級(jí)。
[0071] 從Nt根天線中選擇其中的化根共有種可能，并且滿(mǎn)足不等式(8)的天線子集可 能有多個(gè)，因此，W最大化信道容量為準(zhǔn)則，從滿(mǎn)足不等式(8)的天線選擇方案中選擇最優(yōu) 的一個(gè)。天線相關(guān)性越強(qiáng)，相關(guān)矩陣最大特征值與最小特征值之差越大，導(dǎo)致容量損失越 大。因此，選擇合適的天線子集，使信道協(xié)方差的最大特征值與最小特征值之差最小，即天 線選擇的第二個(gè)準(zhǔn)則為：
[0072]
(14)
[0073] 式中，?！悝北硎咀顑?yōu)的天線子集，Vmax與λ\3χ表示第i個(gè)天線子集信道協(xié)方差矩陣 的最大特征值和最小特征值。
[0074] 6.天線選擇算法步驟為：
[0075] 1)基站部署Nt根天線，天線集合表示為飯=<[(!),. (1)2，..,，(1^1，下標(biāo)表示天線的編 號(hào)。要選擇的天線數(shù)目為化，主特征值數(shù)目為戶(hù)，控制參數(shù)為ξ，誤差矩陣為Z。
[0076] 2)固定前化-1根天線分別為Φι,Φ]，..，Φγ,-ι，第化根天線從第Φν根天線開(kāi)始遍歷 到第Φα很天線，共需遍歷Nt-Ns+1次。
[0077] 3)固定前化-2根天線分別為和&2，".，&;^2，第化-1根天線固定為&乂、嘴化根天線 從第Φ^+2根天線開(kāi)始遍歷到第根天線，共需遍歷Nt-Ns-1次。W此類(lèi)推，確定所有可能 的天線選擇方案。
[0078] 4)定義矩陣變量
系統(tǒng)每遍歷完一個(gè)天線選擇 子集后進(jìn)行判斷，若Ε《ξΖ，則將矩陣變量E和對(duì)應(yīng)天線子集保存，用于步驟5)中進(jìn)一步的選 擇，W此類(lèi)推，確定滿(mǎn)足不等式(8)，目[
'的天線選擇方案 的集合為r={ri，r2，...rn}，n為經(jīng)過(guò)步驟3)、步驟4)之后選取的天線子集數(shù)目。
[0079] 5 )針對(duì)步驟3 )、步驟4 )中選擇的所有天線子集，根據(jù)式（9 )，即
，選出最優(yōu)的天線子集Γ°ρ。
[0080] 圖4~圖6分別給出了不同到達(dá)角、不同角度擴(kuò)展和不同天線歸一化距離時(shí)特征值 的累積分布函數(shù)。假設(shè)基站天線數(shù)均為100,圖4和圖5中天線歸一化距離均為1，圖4和圖6中 角度擴(kuò)展分別為V10和V9,圖5和圖6中到達(dá)角均為V4。可W看出，到達(dá)角的增大W及角度 擴(kuò)展和天線歸一化距離的減小都會(huì)使信道協(xié)方差矩陣對(duì)應(yīng)特征值的分布更廣并且趨近于0 的特征值更多，說(shuō)明此時(shí)天線間相關(guān)性增強(qiáng)，雖然天線相關(guān)性增強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)性能有所損失， 但卻可W有效利用主特征值數(shù)的減少實(shí)現(xiàn)信道矩陣維度的有效降低。
[0081] 若天線振子之間的距離為λ，即歸一化距離為1。圖7給出了3種不同天線方案下的 相關(guān)系統(tǒng)容量，其中"λ,3λ"表示選擇的第1根天線與2個(gè)根天線之間的距離為λ，第2根天線 與第3根天線之間的距離為3λ，Κ此類(lèi)推。由于天線距離越大，信道相關(guān)性越弱，導(dǎo)致信道容 量損失越少，因此帶?"曲線性能最差。帶曲線、帶"□"和帶曲線的天線陣長(zhǎng)度相 同，即第1根天線到第3根天線的距離相同，其中帶曲線代表天線振子之間是均勻分布 的，帶"□"曲線和帶"Δ"曲線代表不均勻分布，由曲線關(guān)系可知，天線振子之間均勻分布相 對(duì)不均勻分布性能更好。另外，圖中帶"□"曲線與帶"Δ"曲線幾乎重疊，說(shuō)明運(yùn)兩種方案下 信道協(xié)方差矩陣是相同的。因此本發(fā)明所提的天線選擇算法要求第i+1根天線編號(hào)與第i根 天線編號(hào)的差不小于第i根天線編號(hào)與第i-1根天線編號(hào)的差。
[0082]為驗(yàn)證本發(fā)明所提方案的優(yōu)越性，首先分析[Tang J，Lambo tharan S.Interference 曰lignment techniques for ΜΙΜΟ multi-cell interfering bro曰dc曰st channels [J] .Communications , IEEE Transactions on,2013,61(1): 164-175.]中的基于 擴(kuò)展用戶(hù)分組化xtended User Gro叩ing,EUG)算法、文獻(xiàn)[Jin J,Gao X,Li L,et al.Antenna Resources Assignment for Multi-Cell Multi-User Interfering Networks Based on Interference Alignment[C]//Vehicular Technology Conference (VTC Spring) ,20141 趾 E 79th.IEEE, 2014: 1-5.]中的基于天線資源分配（Antenna Resources Assig皿ent，ARA)算法和本文提出的基于聯(lián)合空分復(fù)用的干擾對(duì)齊算法的天線 配置;接著通過(guò)MATLAB仿真分析巧中算法的性能。仿真結(jié)果表明本發(fā)明所提算法在使系統(tǒng)獲 得相同自由度的條件下，天線配置更加合理。
[0083] 理論分析表明，基于EUG算法與基于ARA算法中，用戶(hù)端天線數(shù)隨用戶(hù)數(shù)K的增加而 增加，當(dāng)用戶(hù)數(shù)很大時(shí)，用戶(hù)端天線數(shù)將難W接受。本發(fā)明所提算法所需用戶(hù)端天線數(shù)與小 區(qū)內(nèi)用戶(hù)數(shù)無(wú)關(guān)，它將隨小區(qū)內(nèi)用戶(hù)組數(shù)目的增加而增加，若用戶(hù)組數(shù)目不變，則用戶(hù)端天 線數(shù)目將不會(huì)改變。
[0084] 考慮對(duì)稱(chēng)模型，基站到本小區(qū)用戶(hù)組的到達(dá)角分別為V4、-V4,角度擴(kuò)展為V10， 基站到其他小區(qū)用戶(hù)組的到達(dá)角分別為^/3、^6、-31/6、31/3，角度擴(kuò)展均為31/20。為保證公 平，假設(shè)算法所用天線總數(shù)均為16，Ξ種算法可W實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)總自由度是DoF=12。基于EUG 算法中，基站天線數(shù)比用戶(hù)天線數(shù)多2根，系統(tǒng)配置為(化+斯，化，斯，1〇 = (16,9,7,4);基于 ARA算法中，λ值越大，表示未對(duì)齊的干擾越多，用戶(hù)端所需天線數(shù)越少，取λ的最大值，即λ = Κ-3，則系統(tǒng)配置為(Ns+Nr，Ns，Nr，Κ) = (16，10，6，4);本發(fā)明所提算法中，與值越大，表示天線 空間復(fù)用增益越小，用戶(hù)端所需天線數(shù)越多，取巧的最小值，即?^ = 0,則系統(tǒng)配置為(Ns+Nr, 化，Nr，K) = (16，12,4,4)。
[0085] 圖8給出了 W上Ξ種算法的性能比較?？蒞看出，相比基于抓G的算法，基于ARA的 算法在獲得相同頻譜效率的同時(shí)，基站天線數(shù)增加，而用戶(hù)天線數(shù)減少。相比前兩種算法， 本發(fā)明所提基于JSDM-IA算法在b = 2時(shí)性能較差，但在b = 3時(shí)性能較好，雖然基站天線數(shù)有 所增加，但用戶(hù)端天線數(shù)進(jìn)一步減少。隨著小區(qū)用戶(hù)的增加，基于EUG算法和基于ARA算法在 收發(fā)兩端需要更多的天線，而本發(fā)明所提算法中只有基站端天線數(shù)會(huì)相應(yīng)增加，用戶(hù)端天 線數(shù)將保持不變。運(yùn)是因?yàn)樗惴╓用戶(hù)組為單位進(jìn)行干擾對(duì)齊，用戶(hù)端天線數(shù)只會(huì)隨用戶(hù) 組的增加而增加。另外，基于EUG算法與基于ARA算法均假設(shè)發(fā)射端信道狀態(tài)信息是已知的， 而本發(fā)明所提算法巧妙地避開(kāi)了獲取精確信道狀態(tài)信息的難題，而是合理地利用更易獲得 的信道統(tǒng)計(jì)信息，從而獲得已知發(fā)射端信道狀態(tài)信息時(shí)的系統(tǒng)性能。
[0086] W上運(yùn)些實(shí)施例應(yīng)理解為僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。在 閱讀了本發(fā)明的記載的內(nèi)容之后，技術(shù)人員可W對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，運(yùn)些等效變 化和修飾同樣落入本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多小區(qū)大規(guī)模MMO系統(tǒng)中的干擾消除和天線優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下 步驟： 101、 用戶(hù)首先通過(guò)上行鏈路將自己的地理幾何信息發(fā)送給基站，基站轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)端的基 帶處理器，基帶處理器據(jù)此求得信道協(xié)方差矩陣，然后基站發(fā)送導(dǎo)頻序列給用戶(hù)，用戶(hù)通過(guò) 導(dǎo)頻序列檢測(cè)信道狀態(tài)信息，根據(jù)信道協(xié)方差矩陣及干擾對(duì)齊算法設(shè)計(jì)聯(lián)合接收濾波器矩 陣JRF，并構(gòu)造聯(lián)合等效接收濾波器矩陣； 102、 根據(jù)所求聯(lián)合接收濾波器矩陣，通過(guò)迫零算法求得用于消除小區(qū)間干擾和分組間 干擾的聯(lián)合一階預(yù)編碼矩陣； 103、 根據(jù)所求JRF與步驟102所求聯(lián)合一階預(yù)編碼矩陣，通過(guò)最小均方誤差算法求得用 于消除用戶(hù)間干擾的二階預(yù)編碼矩陣； 104、 基站端進(jìn)行天線選擇，給出天線選擇的兩個(gè)準(zhǔn)則； 105、 根據(jù)步驟104基站端所給出的天線選擇準(zhǔn)則，求出優(yōu)選天線選擇配置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多小區(qū)大規(guī)模MM0系統(tǒng)中的干擾消除和天線優(yōu)化方法，其特 征在于，步驟101中根據(jù)信道協(xié)方差矩陣及干擾對(duì)齊算法設(shè)計(jì)聯(lián)合接收濾波器矩陣，并構(gòu)造 聯(lián)合等效接收濾波器矩陣具體為： 為每個(gè)用戶(hù)組設(shè)計(jì)聯(lián)合接收濾波器矩陣U[g，1]，定義聯(lián)合等效接收濾波器矩陣為：，其中，□表示等效符號(hào)，U[gd為小區(qū)j中第g個(gè)用戶(hù) 組的聯(lián)合接收濾波器矩陣，為小區(qū)j中第g個(gè)用戶(hù)組的聯(lián)合等效接收濾波器矩陣，W[g d，1為基站1到小區(qū)j中第g個(gè)用戶(hù)組的小尺度衰落矩陣，Λ 為信道協(xié)方差矩陣非零特 征值組成的對(duì)角陣，為保證聯(lián)合接收濾波器矩陣U[gd有解，Wkd，1為方陣，滿(mǎn)足條件r = KNr/2，K表示每小區(qū)用戶(hù)數(shù)，Nr表示用戶(hù)端天線數(shù)，r表示主特征值數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多小區(qū)大規(guī)模MM0系統(tǒng)中的干擾消除和天線優(yōu)化方法，其特 征在于，步驟101中采用干擾對(duì)齊算法使基站1對(duì)用戶(hù)組[g，j]和用戶(hù)組[g 7，j]的干擾對(duì)齊 在一個(gè)子空間，即：span表示括號(hào)內(nèi)矩陣的列向量生成的生成子空間，（F[g，H)表示主特征值對(duì)應(yīng)特征向 量組成的特征模矩陣； 式(1)可以變換為：其中，％表示維度為隊(duì)的單位陣，表示維度為Ns Xr的零矩陣，hIGIj表示基站1對(duì)小區(qū) j內(nèi)用戶(hù)組的干擾經(jīng)對(duì)齊后形成的子空間，為保證矩陣有解，需滿(mǎn)足條件4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的多小區(qū)大規(guī)模ΜΙΜΟ系統(tǒng)中的干擾消除和天線優(yōu)化方 法，其特征在于，所述步驟102的聯(lián)合一階預(yù)編碼矩陣具體為:小區(qū)j內(nèi)第g個(gè)用戶(hù)組的一階 預(yù)編碼矩陣為：為了使括號(hào)內(nèi)矩陣具有零空間，需要滿(mǎn)足條件Ns_2Kd多b。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多小區(qū)大規(guī)模MM0系統(tǒng)中的干擾消除和天線優(yōu)化方法，其特 征在于，所述步驟104的天線選擇的兩個(gè)準(zhǔn)則第一個(gè)準(zhǔn)則為:基站天線數(shù)N s與主特征值數(shù)F 之間需要滿(mǎn)足一定的關(guān)系，但NSXNS維信道協(xié)方差矩陣R[g' 1]Y的主特征值個(gè)數(shù)未必恰好是 F，在基站部署Nt根天線的基礎(chǔ)上選擇Ns根天線，使其滿(mǎn)足如下關(guān)系，即天線選擇的第一個(gè) 準(zhǔn)則為：其中，ξ為誤差控制參數(shù)，z表示誤差矩陣，其元素大小為10-2~ΚΓ1數(shù)量級(jí);從Nt根天線 中選擇其中的Ns根共有種可能，并且滿(mǎn)足不等式(8)的天線子集可能有多個(gè)，因此，以最 大化信道容量為準(zhǔn)則，從滿(mǎn)足不等式(8)的天線選擇方案中選擇最優(yōu)的一個(gè)。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的多小區(qū)大規(guī)模MM0系統(tǒng)中的干擾消除和天線優(yōu)化方法，其特 征在于，所述步驟104的天線選擇的兩個(gè)準(zhǔn)則第二個(gè)準(zhǔn)則為： 選擇合適的天線子集，使信道協(xié)方差的最大特征值與最小特征值之差最小，即天線選 擇的第二個(gè)準(zhǔn)則為：式中，Γ °p表示最優(yōu)的天線子集，Ymax與λ^χ表示第i個(gè)天線子集信道協(xié)方差矩陣的最大 特征值和最小特征值。7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的多小區(qū)大規(guī)模ΜΙΜΟ系統(tǒng)中的干擾消除和天線優(yōu)化方法，其特 征在于，天線的選擇算法步驟為:1)基站部署Nt根天線，天線集合表示為Φ = }， 下標(biāo)表示天線的編號(hào)，要選擇的天線數(shù)目為Ns，主特征值數(shù)目為F，控制參數(shù)為ξ，誤差矩陣 為Ζ; 2)固定前Ns-1根天線分別為~Φ2,…，，第Ns根天線從第根天線開(kāi)始遍歷到第 根天線，共需遍歷Nt-Ns+1次； 3)固定前Ns-2根天線分別為014^_，(\-」，第隊(duì)-1根天線固定為 (^;，第隊(duì)根天線從第 根天線開(kāi)始遍歷到第Φμ根天線，共需遍歷Nt-Ns-1次，以此類(lèi)推，確定所有可能的天 線選擇方案；，系統(tǒng)每遍歷完一個(gè)天線選擇子集 后進(jìn)行判斷，若ξΖ，則將矩陣變量E和對(duì)應(yīng)天線子集保存，用于步驟 5)中進(jìn)一步的選擇，以此類(lèi)推，確定滿(mǎn)足不等式(8)，的天線選擇方案的集合為Γζ?Γ^Γ2，...！-}，η為經(jīng)過(guò)步驟3)、步驟4)之后選取的天線 子集數(shù)目； 5)針對(duì)步驟3)、步驟4)中選擇的所有天線子集，根據(jù)式(9)， 選出最優(yōu)的天線子集Γ°ρ。
【文檔編號(hào)】H04B7/06GK106059638SQ201610451539
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月21日
【發(fā)明人】謝顯中, 葛振濤, 雷維嘉
【申請(qǐng)人】重慶郵電大學(xué)