CN104363036B - 一种用于多用户双向中继***的信号对齐方法 - Google Patents

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Abstract

多用户双向中继场景下的机会信号对齐方法，用于下述场景：包括一个中继和多个用户的双向通信***，中继和用户均配置多天线，且中继的天线数目和用户天线数目满足一定条件，即，中继的天线数大于等于用户多天线数目，而用户的天线数有限不足以支持经典信号空间对齐传输方法，此时完美的信号空间对齐不再适用。本专利所述方法包括下列两个操作步骤：(1)用户波束成形向量设计阶段：联合设计每对进行信息交互的用户的波束成形向量，使其在有限条件下尽可能的对齐到一个方向上。从而达到将信号最大程度对齐的目的。(2)用户调度阶段：在完成用户的波束成形设计后，利用波束成形设计过程中得到的每对用户对应的奇异值进行用户调度，并完成中继处理矩阵的设计。接收端的波束成形设计可以参照上行设计。所述方法较单天线用户的机会对齐的和速率有较大提升，且当备选用户足够大时，该方案可达自由度可以接近***最大可达自由度。

Description

一种用于多用户双向中继***的信号对齐方法
技术领域
本发明涉及一种用于多用户双向中继***的传输方案，确切地说，是多天线用户的波束成形向量设计以及用户调度方案设计，属于无线通信技术领域。
背景技术
近年来，双向无线通信技术因其有效提高频谱效率引起人们的关注，并应用于自适应网络和蜂窝移动通信***等多种领域。一般情况下，对于双向中继通信，信息传输主要由两个阶段构成：多路接入(MAC)阶段和广播(BC)阶段。在第一个阶段，也就是MAC阶段，用户同时将信息发送给中继。在BC阶段，中继将接收到的所有用户信息进行处理并发送给所有用户。用户接收到信息后消除自信息的干扰并解码得到所需的信息。
由于能够在多用户干扰信道中获得更高的自由度(DoF)，干扰对齐(IA)技术被引入双向中继***中。在MIMO Y信道的场景中，有人提出一种称作信号空间对齐(SSA)的技术，该技术将信号对齐技术和双向中继网络相结合，以求达到更高的DoF。该方案下，在MAC阶段，三个用户将信号同时传送给中继，进行信息交互的一对用户的信息在中继端对齐到一个方向。在BC阶段，中继将对齐的信号发送给接收端。可以证明，当用户配置M根天线，中继配置N根天线，且天线数目满足时，***达到最优的DoF为3M。此后，SSA技术又被应用于多种场景。
为了在低复杂度的条件下实现更实际的应用，人们在K小区的单入多出***中提出了更为实际的机会干扰对齐(OIA)技术。可以证明，在三个用户的干扰信道中，只要备选用户足够多，即使用户使用随机波束成形，当接收用户足够多，提供干扰能够对齐的机会时，***可以达到最优的DoF。有人考虑在多用户双向中继***中的多用户增益，提出了信道对齐方案(CAPS)和半正交信道对齐方案(SCAPS)，通过引入多用户分集，对齐每对用户的信道减少了用户对内的干扰。
针对现有方法只在单天线用户适用的问题，本发明提出了一种用户多天线***下联合波束成形设计和用户调度的方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种多用户双向中继***中的联合波束成形设计和用户调度的方法。在该***中，用户和中继均配置多天线。本发明将引入多用户增益，并与信号空间对齐相结合，提出一种联合波束成形设计和用户调度的方案。在用户不能满足完美信号空间对齐时，通过波束成形设计使其尽量对齐，然后在多用户中选出相对而言对齐程度较好的用户，完成波束成形设计和用户调度。所述方法较单天线用户的机会对齐和速率有较大提升，且当备选用户足够大时，自由度可以接近最大可达自由度。
为了达到上述目的，本发明提供了一种多用户双向中继场景下的机会信号对齐方法，用于下述场景：包括一个中继和多个用户的双向通信***，中继和用户均配置多天线，且中继的天线数和用户天线数量满足一定条件，此时完美的信号空间对齐不再适用。所述方法包括下列两个操作步骤：
(1)波束成形向量设计阶段：联合设计每对进行信息交互的用户的波束成形向量，使其在有限条件下尽可能的对齐到一个方向上。从而尽可能达到将每对信号对齐的目的。
所述波束成形向量设计的具体步骤如下：首先所有用户同时向中继发射信号，中继获得CSI Hi，将每对用户的信道矩阵组成一个新的矩阵，定义为成对信道矩阵Ai＝[Hi,-Hi+K]，为尽量达到对齐的目的，对矩阵Ai进行奇异值分解(SVD)，即有经过SVD分解后，选出正交矩阵中最小奇异值对应的那一列，即Bi＝(Qi)2M，作为该用户的波束成形向量。
(2)用户调度阶段：在完成用户的波束成形设计后，利用波束成形设计的SVD算法得到的奇异值进行用户调度，并完成中继处理矩阵的设计。接收端的波束成形设计可以参照上行设计。
(21)在波束成形向量设计阶段，通过SVD算法进行了用户波束成形的设计，此时每对用户都对应着一个奇异值基于此，该方法联合波束成形向量设计进行用户调度。由于每对用户此时都对应着一个信道矩阵SVD分解后的奇异值λi，在这里，利用该奇异值完成用户的选择。从K个奇异值λi中选出最小的N个。也就是在所有备选用户中，选出最小的N个奇异值所对应的N对用户作为通信用户。
(22)完成用户调度后，选出允许通信的用户，在这里允许通信的用户对数与中继配备的天线数相等。由于没有完美对齐，每对用户信息向量此时并非对齐到一个方向上，定义作为机会信号空间对齐后每对信号的等效信号。出一个比较好的方向作为该对用户的等效方向。并以此设计中继处理矩阵，在这里选用迫零(ZF)处理，即其中G＝[G1,...,GN]。
这样就完成了上行部分，下行中的接收端的波束成形向量设计与上行是相似的原理。
本发明是一种适用于多用户双向中继***的机会信号空间对齐方法，联合设计波束成形向量和用户调度方案。其优点是：在用户多天线条件下，提升了***的容量，在备选用户足够多的条件下***能达到最大可达DoF。本发明方法的创新关键是：在多用户双向中继***中，当用户天线数不能完成信号空间对齐时，引入多用户分集，弥补不能完美对齐的缺陷，当备选用户足够多时，尽可能达到信号空间对齐下的***DoF，即通信最大可能达到的DoF。通过SVD方案，完成联合波束成形向量和用户调度方案的设计，达到机会信号空间对齐的目的。从而，提升了***的容量，并且当备选用户足够多时，用户达到***可达的最大DoF。
附图说明
图1是本发明应用场景：多用户的双向中继***。
图2是本发明机会信号空间对齐方法的流程图。
图3是本发明实施例中，备选用户不同，信道容量随着信噪比变化的仿真图。
图4是本发明实施例中，用户配置不同数量的天线，信道容量随着信噪比变化的仿真图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。`
参见图1，先介绍本发明方法的应用场景：包括一个中继和多个用户的双向中继***，其中中继配置N根天线，用户配置M根天线，一共有K对备选用户，完成N对用户的信息交互。在这里主要考虑完美信号空间对齐不能实现的场景，也就是说，此时的用户与中继的天线数量满足的条件。用Hi表示第i个用户到中继的信道矩阵，1≤i≤K。vi表示第i个用户的波束成形向量。通信分两阶段完成，即多路接入(MAC)阶段和广播(BC)阶段。在MAC阶段，所有的K对用户同时发送信息到中继端，中继知道全局的CSI；在BC阶段，中继选出将会进行信息传输的N对用户，并设计中继处理矩阵，在中继端选用ZF方案。
参见图2，介绍本发明方法的下列两个操作步骤：
(1)波束成形向量设计阶段：联合设计每对进行信息交互的用户的波束成形向量，使其在有限条件下尽可能的对齐到一个方向上。从而达到尽可能将信号对齐的目的。
由于此时信号空间对齐的条件不能满足，为了尽可能的完成信号空间对齐，所以尽可能令趋近于0，即尽可能的接近信号空间对齐的条件，得到利用SVD求得满足该条件的波束成形向量。为了方便，令Ai＝[Hi,-Hi+K]，在这里对Ai进行奇异值分解，即然后选择Bi＝(Qi)2N，此时的Bi对应的是SVD后最小的奇异值。该奇异值也将用于用户调度中。
(2)估计阶段：在完成用户的波束成形设计后，利用波束成形设计的SVD算法得到的奇异值进行用户调度，并完成中继处理矩阵的设计。接收端的波束成形设计可以参照上行设计。具体步骤如下：
(21)在波束成形向量设计阶段，通过SVD算法进行了用户波束成形的设计，此时每对用户都对应着一个奇异值基于此，该方法联合波束成形向量设计进行用户调度。由于每对用户此时都对应着一个信道矩阵SVD分解后的奇异值λi，在这里，利用该奇异值完成用户的选择。从K个奇异值λi中选出最小的N个。也就是在所有备选用户中，选出最小的N个奇异值所对应的N对用户作为通信用户。
(22)完成用户调度后，选出允许通信的用户，在这里允许通信的用户对数与中继配备的天线数相等。由于没有完美对齐，每对用户信息向量此时并非对齐到一个方向上，定义作为机会信号空间对齐后每对信号的等效信号。；设计中继处理矩阵，在这里选用迫零(ZF)处理，即其中G＝[G1,...,GN]。
为了展示本发明方法的实用性能，申请人进行了多次仿真实施试验。试验***中的网络配置模型为图1所示的应用场景。仿真试验的结果如图3和图4所示，在不同两个方面进行了仿真。
由图3可以看出，本发明方法获得的容量随着SNR的变化，且当备选用户增大时，***的性能有明显的提升。图4表明，本发明方法获得的信道容量比CAPS和SCAPS以及随机的ZF方案有明显提升。
以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (1)

1.多用户双向中继场景下的机会信号对齐方法，用于下述场景：包括一个中继和多个用户的双向通信***，中继和用户均配置多天线，其中中继配置N根天线，用户配置M根天线，且中继的天线数和用户天线数量满足一定条件，即，中继的天线数大于等于用户多天线数目，而用户的天线数有限不足以支持经典信号空间对齐传输方法，此时完美的信号空间对齐不再适用；所述多用户双向中继场景下的机会信号对齐方法包括下列两个操作步骤：
(1)用户波束成形向量设计阶段：联合设计每对进行信息交互的用户的波束成形向量，使其在有限条件下尽可能的对齐到一个方向上，从而达到将信号最大程度对齐的目的，所述波束成形向量设计的具体步骤如下：
首先所有用户同时向中继发射信号，中继获得***全局的信道信息(CSI){Hi}，i＝1,2,...,2K，其中，Hi为第i个用户到中继的信道矩阵，全网络共有；将每对用户的信道矩阵组成一个新的矩阵，定义为成对信道矩阵Ai＝[Hi,-Hi+K]，为尽量达到对齐的目的，对成对信道矩阵Ai进行奇异值分解(SVD)，即有经过SVD分解后，选出正交矩阵中最小奇异值对应的那一列，即Bi＝(Qi)2M，作为该用户的波束成形向量；
(2)用户调度阶段：在完成用户的波束成形设计后，利用用户波束成形设计过程中得到的奇异值进行用户调度，并完成中继处理矩阵的设计，其特征在于：
在波束成形向量设计阶段，通过SVD算法进行了用户波束成形的设计，此时每对用户都对应着一个奇异值为枚举用户对的下标，Ai＝[Hi,-Hi+K]为成对信道矩阵，基于此，该方法联合波束成形向量设计进行用户调度，由于每对用户此时都对应着一个信道矩阵SVD分解后的奇异值λi，在这里，利用该奇异值完成用户的选择，从K个奇异值{λi}中选出最小的N个，也就是在所有备选用户中，选出最小的N个奇异值所对应的N对用户作为通信用户；完成用户调度后，选出允许通信的用户，在这里允许通信的用户对数与中继配备的天线数相等，由于没有完美对齐，每对用户信息向量此时并非对齐到一个方向上，定义作为机会信号空间对齐后每对信号的等效信号，其中i为枚举用户对的下标，vi为第i用户的传输波束成形向量；设计中继处理矩阵，在这里选用迫零(ZF)处理，即其中G＝[G1,...,GN]，β为中继端功率控制系数。
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