單小區中繼移動通信蜂窩系統的聯合下行預編碼方法
2023-06-14 22:31:31 1
專利名稱：單小區中繼移動通信蜂窩系統的聯合下行預編碼方法
技術領域：
本發明涉及一種用於單小區中繼移動通信蜂窩系統的聯合下行預編碼方法，屬於移動通信領域。
背景技術：
中繼技術可以顯著提高無線通信鏈路的性能和可靠性，擴大網絡覆蓋範圍和質量，降低基站發射功率。中繼信號轉發方案主要分為解碼轉發和放大轉發兩種。解碼轉髮型中繼收到基站傳輸的信號後，先進行解碼，然後重新編碼，最後發送給用戶。而放大轉髮型中繼只對接收信號進行放大，然後發給用戶。因為MIMO技術可以極大提高無線頻譜的利用率，所以在源節點、中繼節點以及信宿節點採用多天線發送與接收，可以極大提升中繼鏈路的頻譜效率。
目前已有的MMO中繼傳輸方案中，有些只考慮在中繼站進行預編碼，在基站不採用預編碼。如A. S. Behbahani, R. Merched, and A. M. Eltawil，「Optimization of a MIMO relaynetwork, 」 IEEE Trans. Signal Process.，vol. 56，no. 10，PP. 5062-5073，Oct. 2008.有些方案雖然考慮基站和中繼的聯合預編碼，但由於聯合預編碼的優化目標函數只是鏈路容量或其它性能指標的上下界，而且都忽略了基站到用戶的直達信號。例如Y. Zhang and J.LiZiOn precoder design for ampIify-and-forward MIMO relaysystems, Vehicular Technology Conference,PP. 1-6,5-8 Sept. 2011 為了克服現有MIMO中繼移動通信蜂窩系統的下行預編碼方案存在的以上不足，本發明提出了一種新的預編碼方案，該方案有以下特點1)將基站和中繼預編碼聯合進行；2)還考慮基站到用戶的直達信號；3)直接對MMSE函數進行優化，獲得聯合編碼矩陣，而不是對性能指標的上下界優化。由於本發明具有上述三個特點，使得聯合預編碼的效果優於前人所提出的預編碼方案。
發明內容
本發明的目的在於提供了一種用於單小區中繼移動通信蜂窩系統的聯合下行預編碼方法，解決MMO中繼移動通信蜂窩系統中基站節點與中繼節點的聯合預編碼問題，使得採用MMSE即最小均方誤差檢測作為前端檢測的移動臺的檢測信號與發送信號具有最小均方誤差。為了實現以上目的，本發明的技術方案如下單小區中繼移動通信蜂窩系統的聯合下行預編碼方法，包括以下步驟I)、基站採集基站到中繼站之間的信道信息，基站到移動臺之間的的信道信息，以及中繼站到移動臺之間的信道信息；2)、基於最小均方誤差準則建立數學模型，將問題進行分解，變為兩個關於部分變量的子問題，求解子問題答案；然後利用子問題的答案進行反覆迭代，當迭代收斂到預設精度要求時，即得聯合優化預編碼矩陣；3)、基站將中繼站的預編碼矩陣信息發給中繼站。所述步驟2)的具體實現步驟如下2. I)、用戶最終獲得的信號向量為2LX I向量，y可以表示為以下形式
.y0 H, FH1H jFn1 4 n I、y = = ;T 1 Gx + ~~(I)
Fl I H0nO I其中，MX I零均值循環對稱復高斯數據序列，滿足= Im : 為基站與用 戶間的LXM MMO信道信息矩陣及為基站與中繼間的NXM MMO信道信息矩陣;H2為中繼與用戶間的LXN MMO信道信息矩陣；％、％、^均為具有零均值，單位方差的獨立同分布加性高斯白噪聲，即E[nnf] = I iQ為MXM預編碼矩陣屮為NXN預編碼矩陣；2. 2)、用戶端採用線性接收機W對接收信號進行檢測，所得的估計信號i為
X-Wy(2)其中，公式(2)的目的是使估計信號X和發送信號X儘可能的接近；2. 3)、引入最小均方誤差準則，其目標是使均方誤差矩陣M的跡儘可能小，數學公式表達如下min tr{M}(3)其中，M = E[(x - x)(x — X)"]即均方誤差矩陣，誤差矩陣M是黑體，表示矩陣，步驟2. I)中天線數M，表示標量；使公式(3)最小的w就是維納濾波器，其形式如公式(4)所示W = (HHif 4 R) . H(4)
—[Hral [h,,FFffHJ +1 0其中，H=-1G-R= 2 2 T ；
H00I2. 4)將最佳檢測器公式(4)代入到公式(3)，可得M = (I + M1 + M',)-1(5)其中，Mi= GifHfH0G ,M2 = GffHfFffHf (I + H2FFffHf) 1H2FH1G ；此時，^{1^}只是(5和足的函數，合理選擇(5和:p,使儘可能小；同時考慮到基站和中繼的發送功率約束，最終建立了以下的優化問題模型即基於MMSE準則的優化模型min tr{M}
lx,J；s.t. tr{GGff} < Pb(6)tr{F(I + H GGjjHf )FM } < Pr其中為基站信號發射功率；MF(RH1GGflHf)Ftf)為中繼站信號發射功率；PB、Pk分別為基站和中繼站的最大發射功率；2. 5)、合理選擇G和F ,使tr{M}儘可能小的具體步驟如下2. 5. I)、假設基站預編碼矩陣G給定，原公式(6)問題就變成了以下子問題，此時tr{M}僅為F的函數mjn tr{M}(7)s.t. tr{F(I + UlGG11Bf )FR} < Pr公式(7)的解法如下首先對H1G和112分別進行奇異值分解，即H1G = UEVff(8)H2 = U2E2Vf(9)其中，!1，V, UjPV2為由奇異值分解得到的酉矩陣。€和[2為由奇異值分解得到的奇異值矩陣；由公式(8)與公式(9)，則公式(7)的解有以下結構 F = V2EnJjli(10)其中，兄和釕〃為已知是由(8)和(9)獲得，E E為對角陣，其對角線元素為n=卜晶(亡+1)—*-1|'(11)
Gfc+1)其中Tlj j為對角陣g的第i個對角線元素；-I^i為對角陣E 2的第i個對角線元素；
UrTt /n .(rf. + I)—2 — I , Aurrt .n ,(r2 + I)—2 — I—廣…^]+全 max{0, ^…^}；
7IMa + 丄)7IMa + 丄)- U F為滿足中繼功率限制的待定參數；以上，除了 1^未知以外，其餘均為已知，根據公式(10)可知F現在僅為Uf的函數；根據公式(7)中的功率約束條件，得到以下以Uf為變量的等式tr{F(I + H1GGflHf )Fa} 二 Pr (12)使用兩分法求解公式(12)，兩分法步驟如下a)初始化U L = O，U u = 10，設定迭代精度e = 10 ；b)令卜代入公式(^^，得到^再將^尤入下式tr{F(I + H1GGffHf )Fff} ^ Pr (13);c)若以上公式(13)結果〈0，則fc =否則"=^±^-,d)反覆步驟b)、步驟c),直至Ij Uu-Ul ( ee)返回 U F=0 L+li J/2。將最終得到的1^代入公式(11)得到E K，再將E 入公式(10)，最後得到公式
(7)的解；2. 5. 2)假設中繼預編碼矩陣F給定，原公式(6)問題就變成了以下子問題，此時tr{M}僅為G的函數min tr{M}
G
s.t. tr{GGH} < Pb(14)tr(FH1GGffHfFff) < Pr — tr{FF/f}公式(14)的解可以由以下算法獲得設L=I HfFwH^I i HjFFwHfj iH2FHi(15)L2 ...... H F1 FH(16)對I + L2進行Cholesky分解,得到! + L2 = CCh(17)
接著，對c-1XiCTlf進行特徵值分解，得到C 1L1C a = UEUfl(18)最後G = CT 〃Uf ' -E-1)"(19)公式(19)就是公式(14)的解；2. 5. 3)先給定一個基站預編碼矩陣G的初始值，然後通過公式(7)的解計算新中繼站預編碼矩陣F ,得到F後再利用公式(14)的解計算新的G ,反覆迭代，直到(G，F)收斂為止，具體步驟如下A)、選擇Nmax即最大迭代次數，Tlh即判別迭代是否收斂的門限；B)、初始化^，選擇Gt = 通過以上步驟2. 5. I)計算得到！^0、設11=0;D)、使用以上步驟2. 5. 2)由I；計算Gn+1;E)、使用以上步驟2. 5. I)計算Fn+1;F)、令 X +1 =H):G)、如果||Xm+1 — Xn|| < Tn，則中的G 一和F丨即為所求的兩個預編碼矩陣，不再進行步驟H);H)、當n彡Nmax-I時，n=n+l,繼續從步驟C)開始，當超過最大迭代次數Nmax時， = (G^ 即為所求的兩個預編碼矩陣。有益效果與已有的方案相比，本方案通過在基站、中繼站、用戶都安裝多天線大大提高了系統的頻譜效率；通過同時在基站和中繼站進行聯合預編碼，充分發揮了預編碼在提高MIMO系統性能方面的巨大作用；本方案不僅考慮了中繼協作，也考慮了如何充分利用固有基站到用戶的直達信號，在提高基站覆蓋範圍，改善小區邊緣用戶體驗，降低發射功率方面都取得了令人滿意的效果；其中的算法具有易於操作，複雜度低的特點。
圖I為本發明針對問題場景所建立的數學模型。其中，S=Gx ; s是一個中間變量。圖2為本發明應用場景示意圖。圖3為本發明系統框圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的描述。I.方案實施典型場景舉例本發明可用於單小區MMO中繼移動通信蜂窩系統中的基站與中繼的聯合預編碼，其中基站、中繼、移動臺均配置多天線，此外要求基站可以知道系統中各個信道信息。應用場景不意圖如圖2所不。如圖所不，在一個具有一個基站和多個中繼的小區中，處於小區邊緣的用戶由於距離基站距離較遠，信號的傳輸質量不能達到要求。此時，可以通過選擇一個中繼，產生另外一條中繼協作鏈路的方法改善用戶體驗。通過基站和中繼聯合預編碼，針對處於小區邊緣的用戶的信號傳輸質量得到大大改善。當移動臺所接收的 基站信號強度低於一定門限時，即通過離它最近的一個中繼站來接收轉發信號。此時，移動臺可以接收到基站發來的直達信號與中繼轉發信號。2.本技術方案所應用設備本發明所提出的方案，可以用於該系統的基站發送機模塊中。本發明系統框圖如圖3所示。3.實施步驟a)基站設備的電路設計對基站設備進行電路設計，提供專用晶片的運行環境。b)專用晶片中的算法電路設計在這一步中，將本發明所對應的算法與基站的其它算法一起，用該專用晶片所對應的硬體描述語言(如VHDL語言)描述。c)將硬體描述語言所描述的專用晶片的結構固化到專用晶片之上。d)將晶片安裝到相應的基站設備電路板上，即可運行。本發明的單小區中繼移動通信蜂窩系統的聯合下行預編碼方法，包括以下步驟I)、基站採集基站到中繼站之間的信道信息，基站到移動臺之間的的信道信息，以及中繼站到移動臺之間的信道信息；2)、基於最小均方誤差準則建立數學模型，將問題進行分解，變為兩個關於部分變量的子問題，求解子問題答案；然後利用子問題的答案進行反覆迭代，當迭代收斂到預設精度要求時，即得聯合優化預編碼矩陣；3)、基站將中繼站的預編碼矩陣信息發給中繼站。所述步驟2)的具體實現步驟如下2. I)、用戶最終獲得的信號向量為2LX I向量，y可以表示為以下形式
Y H FHH Fn + n= C1 Gx + 21 十 2(20)
Pl I hOnO其中，$為MX I零均值循環對稱復高斯數據序列，滿足E[XX1 = Im 為基站與用戶間的LXM MMO信道信息矩陣及為基站與中繼間的NXM MMO信道信息矩陣；H2為中繼與用戶間的LXN MMO信道信息矩陣；》。、、^均為具有零均值，單位方差的獨立同分布加性高斯白噪聲，即Ehnff] = I5g^jMXM預編碼矩陣$為NXN預編碼矩陣；2. 2)、用戶端採用線性接收機W對接收信號進行檢測，所得的估計信號￡為x = WHy(21)其中，公式(2)的目的是使估計信號i和發送信號x儘可能的接近；2. 3)、引入最小均方誤差準則，其目標是使均方誤差矩陣M的跡儘可能小，數學公式表達如下mill tr{M}(22)
(i.r W其中，M = E[(X-i)(X-xf ]即均方誤差矩陣，誤差矩陣M是黑體，表示矩陣，步驟2. I)中天線數M，表示標量；使公式(3)最小的w就是維納濾波器，其形式如公式(4)所示W = (HHff + E) 1H(23)
鬥丄-H0FH1] FF/fH: +I 0其中，H二 2tt 1G^= nT;
H00I2. 4)將最佳檢測器公式(4)代入到公式(3)，可得M = (I+ Mi+M2)-1(24)
_]其中，M1 = GffHfH0GM2 =GflHfmfC^H2FFflHfr1H2FH1G;此時，fr{M}只是G^pf的函數，合理選擇(3和1',使tr{M}儘可能小；同時考慮到基站和中繼的發送功率約束，最終建立了以下的優化問題模型即基於MMSE準則的優化模型trWS.t. tr{GG/7} < Pb(25)tr{F(I + H1GGffHf )Fff} < Pr其中，tr{GGa}為基站信號發射功率；MF(^H1GGflHf)FiO為中繼站信號發射功率；PB、Pk分別為基站和中繼站的最大發射功率；2. 5)、合理選擇G和F，使tr{M}儘可能小的具體步驟如下2. 5. I)、假設基站預編碼矩陣G給定，原公式(6)問題就變成了以下子問題，此時tr{M}僅為F的函數nun tr{M}(26)s.t. tr{F(I + H1GGifHf )Fff} < Pr公式(7)的解法如下首先對H1G和112分別進行奇異值分解，即HG = UEVff(27)H2 = U2E2Vf(28)其中，ti，V, U#pv2為由奇異值分解得到的酉矩陣。^PE2為由奇異值分解得到的奇異值矩陣；由公式(8)與公式(9)，則公式(7)的解有以下結構F = V2Si7CF(29)其中，％和妒為已知是由⑶和(9)獲得，E 對角陣，其對角線元素為
權利要求
1.單小區中繼移動通信蜂窩系統的聯合下行預編碼方法，其特徵在於，包括以下步驟 1)、基站採集基站到中繼站之間的信道信息，基站到移動臺之間的的信道信息，以及中繼站到移動臺之間的信道信息； 2)、基於最小均方誤差準則建立數學模型，將問題進行分解，變為兩個關於部分變量的子問題，求解子問題答案；然後利用子問題的答案進行反覆迭代，當迭代收斂到預設精度要求時，即得聯合優化預編碼矩陣； ·3 )、基站將中繼站的預編碼矩陣信息發給中繼站。
2.根據權利要求I所述的聯合下行預編碼方法，其特徵在於，所述步驟2)的具體實現步驟如下 ·2. I)、用戶最終獲得的信號向量為2LX1向量，y可以表示為以下形式
全文摘要
本發明公開了一種用於單小區中繼移動通信蜂窩系統的聯合下行預編碼方法，包括以下步驟基於最小均方誤差(MMSE)準則建立數學模型，然後將問題進行分解，變為兩個關於部分變量的子問題，通過求解子問題，並結合迭代的方法，最後求出最優預編碼方案。本發明適用於使用了多天線中繼站的小區，考慮了利用從基站到用戶間直達信號，並且考慮了在基站和中繼站功率受限的情況下，通過基站和中繼的聯合預編碼提高系統下行中繼傳輸性能；本方案在提高基站覆蓋範圍，改善小區邊緣用戶體驗，降低發射功率方面都取得了令人滿意的效果；其中的算法具有易於操作，複雜度低的特點。
文檔編號H04B7/06GK102801456SQ20121031231
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月29日 優先權日2012年8月29日
發明者陳明, 杜博, 王楠 申請人:東南大學