CN108551359A - 基于泄漏的高效能多用户联合预编码方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于泄漏的高效能多用户联合预编码(EI‑SLNR)方法及装置，该方法包括：基站获取所有用户信道矩阵和先验信息；确定各用户的动态功率分配矩阵；并以此构造加权的等效信道，进而通过EI‑SLNR准则得到各个用户的预编码矩阵；对基站发送给各用户原始信号进行预编码，然后对信号相加后从基站端发射；用户利用MMSE接收机对接收信号进行接收，归一化并判决等处理，得到用户原始发送数据。本发明解决了MU‑MIMO***中多用户公平性的问题，消除多用户干扰的同时，提高了用户之间的公平性。同时发明了一种动态功率分配的方法，进一步提高了性能。用于无线通信领域的抗干扰。

Description

基于泄漏的高效能多用户联合预编码方法及装置

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种多用户多输入多输出(简称MU-MIMO)***下行链路中的预编码，具体涉及一种基于泄漏的高效能多用户联合预编码(EI-SLNR)方法与装置，用于无线通信领域的抗干扰。

背景技术

MU-MIMIO***中，一个基站(BS)可以在相同的时间和频率资源上给多个终端用户发送信号，所以MU-MIMO***可以提供很高的***吞吐量。但由于BS同时给多个用户发送信号，会引起多用户之间的干扰(MUI)，需要在BS端对发送信号进行预编码来抑制MUI。

脏纸编码(DPC)虽然可以实现最优的性能，但是复杂度高，在实际中难以应用。ZF/BD预编码实现了次优的***性能，由于具有较低的复杂度，因此被广泛使用。但ZF算法性能较差，BD算法要求基站发射天线数大于等于所有用户接收天线数之和，有着较高的约束条件。因此信号泄漏噪声比(SLNR)准则是MU-MIMO***中被广泛采用的预编码方案。由于SLNR准则对天线数没有约束，因此应用的场景更加普遍。

SLNR准则首先要通过信道状态信息(CSI)来获取所有用户的信道矩阵；之后需要构造用户的干扰矩阵，利用SLNR准则来获得预编码矩阵；基站利用获得的预编码矩阵对将要发送的原始信号进行预编码，预编码后的信号通过天线发射出去；用户对信号进行接收并使用译码矩阵对信号进行译码，从而得到发送的信号。

现有技术中的SLNR准则使用等功率分配策略，限制了性能的提高。同时，基于SLNR准则的预编码也没有考虑到多用户公平性的问题，而多用户的公平性也是多用户预编码中的一个重要问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的基于SLNR准则预编码存在的多用户公平性和***速率较低等问题，采用加权等效信道(WEC)和动态功率分配(DPA)等方法，提供一种基于泄漏的高效能多用户联合预编码(EI-SLNR)方法及装置，具有更好的***速率和更高用户公平性。

本发明提供了一种基于泄漏的高效能多用户联合预编码方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：基站获取各个用户的下行信道矩阵H_k，其中用户k＝1,2,…,K，K为***中的用户数，然后构造每个用户的干扰矩阵

步骤2：通过传统的信泄噪比(SLNR)准则获得先验的接收矩阵R_k；

步骤3：利用动态功率分配策略，将功率分配问题转化为几何规划(GP)并通过迭代运算的方法得到用户的功率分配矩阵；

步骤4：利用信道矩阵和先验的接收矩阵构造加权因子，然后初始化等效信道，并加权等效信道来提高多用户之间的公平性；

步骤5：通过本发明的一种基于泄漏的高效能联合预编码(EI-SLNR)方法来获得基站端的预编码，利用得到的预编码对各个用户的发送信号进行独立处理，然后对所有处理后的信号进行相加，最后通过基站天线发射出去；

步骤6：用户对从基站接收到的信号通过MMSE接收机进行相关处理，得到原始的发送数据；

步骤7：重复以上步骤，分别遍历所有的用户。

本发明还提供了一种基于泄漏的高效能多用户联合预编码装置，其特征在于，按照信号处理流程依次连接有：信道矩阵和先验信息获取模块、动态功率分配模块、加权等效矩阵构造模块、预编码处理模块、接收机处理模块，各模块分述如下：

信道矩阵及先验信息获取模块：用于获取所有用户的信道矩阵和先验的接收矩阵；输入为各个用户的排序集，输出为所有用户的信道矩阵和先验的接收矩阵；对于TDD***，用户信道矩阵由基站接收的上行链路的训练序列或导频序列来获得；对于FDD***，用户信道矩阵通过反馈获得；

动态功率分配模块：用于获得功率分配矩阵，来最大化***的速率；通过把优化问题转化为几何规划问题并通过内点法来进行求解；输入为各个用户的信道矩阵和先验接收矩阵，输出为所有用户的功率分配矩阵；

加权等效信道构造模块：用于获得加权后的等效信道，需要利用信道矩阵和先验的接收矩阵；输入为各个用户的信道矩阵和先验的接收矩阵，输出为所有用户的加权等效信道；

预编码处理模块：利用本发明的EI-SLNR方法得到预编码，然后把原始信号通过预编码进行处理，并将所有处理后的信号进行相加，最后通过基站天线发射出去；输入为发送给用户的原始信号，输出为预编码后的信号；

接收机处理模块按照信号处理流程连接有信号接收子模块、数据流归一化子模块和信号判决子模块，各子模块分述如下：

信号接收子模块：用于译码用户接收信号，输入为用户接收信号，输出为译码后的多路数据流，用户利用接收矩阵R_k对接收信号进行接收译码，获得译码后的信号；

数据流归一化子模块：将译码后的数据流通过一个对角化的子模块进行归一化；

信号判决子模块：对归一化后的信号进行判决，输入为用户的归一化后的信号，输出为基站发送给用户的原始信号的估计。

与现有技术相比，本发明具有的优点：

现有的SLNR预编码方法没有考虑多用户公平性问题，同时采用了原始的等功率分配策略，限制了性能的提升。本发明通过加权等效信道方法来解决多用户公平性问题，给信道条件较差的用户以保护，提升用户的公平性。同时提出了一种动态功率分配策略，更高的提高了***的性能。

附图说明

图1是MU-MIMO***下行链路结构示意图。

图2是本发明预编码方法的流程框图。

图3是本发明预编码装置的构成示意图。

图4是本发明预编码装置中接收机处理模块的构成示意图。

图5是本发明与现有SLNR预编码方法的速率性能比较曲线图。

图6是本发明与现有SLNR预编码方法的用户公平性比较曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明

实施例1

本发明是一种基于EI-SLNR的联合预编码方法，参见图1，***中一个基站同时为K个用户提供服务。基站端有N_t根发射天线，每个用户有N_r根接收天线。基站发送的信号为所有用户预编码后信号的加和，基站发送给用户的数据流数与用户的接收天线数相等。根据TDD模式下的信道互易性，基站可以获知所有用户的信道矩阵。用户k的信道矩阵记为H_k，因此用户k接收到的信号为其中s_k为基站发送给用户k的原始信号，W_k为用户k的预编码矩阵，n_k是零均值和单位方差的加性高斯白噪声。上式等号右边第一项表示用户k的有用信号，第二项表示MUI。

参见图2，本发明EI-SLNR联合预编码方法包括有如下步骤：

步骤1：确定所有用户信道矩阵，基站获取各个用户的下行信道矩阵，确定所有用户信道矩阵H_k为用户k的下行信道矩阵，k＝1,2,…K,K为***中用户数，H^T表示信道矩阵的转置；构造各用户干扰矩阵，以用户k为例，用户k的干扰矩阵为

步骤2：然后通过SLNR准则

获得先验的接收矩阵R_k；

步骤3：通过动态功率分配策略，将功率分配问题转化为几何规划(GP)问题并获得功率分配矩阵；几何规划(GP)可以通过内点迭代法可以求解：设置一个迭代次数L，做一个循环迭代的运算，初始化的功率分配系数为p^l-1＝p⁰，计算中间系数A^m,B^m，然后根据得到的优化函数进行迭代得到用户k的功率分配系数为p_k＝p^L，把所有用户的功率分配系数组成一个功率分配矩阵；

步骤4：通过已知的信道矩阵和先验的接收矩阵，构造加权因子然后初始化等效信道，并对等效信道进行加权得到加权等效信道H_ej，来提高用户的公平性，改善信道条件较差的用户体验；

步骤5：利用本发明的EI-SLNR方法来获得优化后的基站端预编码，

基站预编码表示为然后利用构造的预编码对各个用户的发送信号进行独立的处理，对所有处理后的信号进行相加，最后通过基站天线发射出去；

步骤6：用户对接收信号进行译码和相关处理：用户对从基站接收到的信号通过MMSE接收机进行处理，接收矩阵为其中d_k＝A_kH_kW_k。最后得到原始的发送数据；

重复以上步骤，分别遍历所有的用户。

本发明的基于EI-SLNR的联合预编码方法和现有的SLNR预编码方法相比，通过加权等效信道的方法来解决多用户公平性问题，给信道条件较差的用户予以保护，提高了多用户的公平性。本发明同时采用了动态的用户功率分配策略，进一步的提升了***的性能。

实施例2

高效能的EI-SLNR预编码装置的构成同实施例3，参见图4，其中动态功率分配策略具体描述如下：

2.1将优化目标转化为最大化***的和速率，可以得到如下公式

其中SINR_down为下行链路的信噪比。

2.2将上面的优化目标进行等价转换，可以得到

我们定义了一个辅助函数

2.3定义函数将非凸的目标函数转换成一个几何规划(GP)可解的问题

得到的上式是一个标准的GP问题。

2.4对优化函数进行一个压缩近似处理

其中

2.5最终的优化目标转变为

通过内点迭代法可以求解。设置一个迭代次数L，做一个循环迭代的运算。初始化的功率分配系数为p^l-1＝p⁰，计算中间系数A^m,B^m，然后根据前面的优化函数通过迭代得到用户k的功率分配系数为p_k＝p^L。

实施例3

基于EI-SLNR准则联合预编码方法同实施例1，其中步骤4中利用信道信息和先验信息，构造加权等效信道矩阵具体包括以下步骤：

3.1：先假设同一个用户的多路数据流具有相同的功率，因此初始化的功率分配矩阵可以

3.2：构造加权因子

其中H_g代表平均信道增益，p_k,l代表用户k的第j路数据流分配的功率值。

3.3构造加权等效信道H_ej＝D_jQ_jR_jH_j，其中是加权对角矩阵，里面的每一项代表一个加权因子。

3.4最后通过EI-SLNR准则

获取预编码W_k

3.5更新接收矩阵R_k

其中d_k＝A_kH_kW_k。

3.6：重复以上步骤，进行内部迭代，直到性能得到较优水平。然后再遍历所有用户，求得各个用户的预编码矩阵。

实施例4

本发明还提供一种基于EI-SLNR准则的高效能联合预编码装置，参见图3，按照信号处理流程依次连接有：信道矩阵及先验信息获取模块、动态功率分配模块、加权等效信道构造模块、预编码处理模块、接收机处理模块，各模块分述如下：

信道矩阵及先验信息获取模块：用于获取所有用户的信道矩阵和先验的接收矩阵；输入为各个用户的排序集，输出为所有用户的信道矩阵和先验的接收矩阵；对于TDD***，用户信道矩阵由基站接收的上行链路的训练序列或导频序列来获得；对于FDD***，用户信道矩阵通过反馈获得；

动态功率分配模块：用于获得功率分配矩阵，来最大化***的速率；通过把优化问题转化为几何规划(GP)问题并通过内点法来进行求解；输入为各个用户的信道矩阵和先验接收矩阵，输出为所有用户的功率分配矩阵；

加权等效信道构造模块：用于获得加权后的等效信道，需要利用信道矩阵和先验的接收矩阵；输入为各个用户的信道矩阵和先验的接收矩阵，输出为所有用户的加权等效信道；

预编码处理模块：利用本发明的EI-SLNR方法得到预编码，然后把原始信号通过预编码进行处理，并将所有处理后的信号进行相加，最后通过基站天线发射出去；输入为发送给用户的原始信号，输出为预编码后的信号。

实施例5

基于EI-SLNR准则联合预编码装置的构成同实施例4，参见图4，其中接收机处理模块按照信号处理流程依次连接有信号接收子模块、归一化子模块和信号判决子模块，各子模块分述如下：

信号接收子模块，用于译码用户的接收信号，输入为用户的接收信号，输出为译码后的多路数据流，通过接收矩阵R_k对接收信号的进行译码，获得译码后的信号。

数据流归一化子模块，将译码后的数据流通过一个对角化的子模块进行归一化。

信号判决子模块，对归一化后的信号进行判决，输入为用户的归一化后的信号，输出为基站发送给用户的原始信号的估计。

实施例6

基于EI-SLNR的联合预编码装置方法和装置同实施例1-5，下面对本发明EI-SLNR联合预编码方法与现有技术中的基于SLNR准则预编码方法的性能进行仿真比较。

图5为本发明的高效能EI-SLNR联合预编码方法与现有技术中的SLNR预编码方法的***速率性能的比较仿真图。横轴表示用户的接收信噪比，纵轴表示用户的和速率。图6是多用户之间的公平性的仿真。分别比较了传统技术的SLNR方案和本发明的EI-SLNR方案。

仿真条件为：MU-MIMO***，***中有一个基站，基站天线数为4，每个用户的接收天线数为2，用户数为3，信道模型建模为瑞利衰落信道，采用蒙特卡罗仿真方法，发送信号采用BPSK调制。

如图5所示，本发明的基于EI-SLNR准则的联合预编码方法与传统SLNR预编码方法相比，在速率性能上有明显的优势。随着迭代次数的增加，***的速率得到提升。当迭代次数达到5次左右，基本得到收敛。

如图6所示，本发明提出的基于EI-SLNR准则的联合预编码方法，提升了信道质量较差用户的误码率性能，从而提高了多用户之间的公平性。

综上所述，本发明基于EI-SLNR准则的联合预编码方法及装置，解决了MU-MIMO***中接收端天线间多用户干扰的技术问题。同时有效的增强多用户之间的公平性，提高了***的速率性能，有较强的实际应用价值。

以上所述，仅是本发明的较佳实例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于泄漏的高效能多用户联合预编码方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：基站获取各个用户的下行信道矩阵H_k，其中用户k＝1,2,…,K，K为***中的用户数，然后构造每个用户的干扰矩阵

步骤2：通过传统的信泄噪比准则获得先验的接收矩阵R_k；

步骤3：利用动态功率分配策略，将功率分配问题转化为几何规划并通过迭代运算的方法得到用户的功率分配矩阵；

步骤4：利用信道矩阵和先验的接收矩阵构造加权因子，然后初始化等效信道，并加权等效信道来提高多用户之间的公平性；

步骤5：通过本发明的一种基于泄漏的高效能联合预编码方法来获得基站端的预编码，利用得到的预编码对各个用户的发送信号进行独立处理，然后对所有处理后的信号进行相加，最后通过基站天线发射出去；

步骤6：用户对从基站接收到的信号通过MMSE接收机进行相关处理，得到原始的发送数据；

步骤7：重复以上步骤，分别遍历所有的用户。

2.如权利要求1所述的一种基于泄漏的高效能多用户联合预编码方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：确定所有用户信道矩阵，基站获取各个用户的下行信道矩阵，确定所有用户信道矩阵H_k为用户k的下行信道矩阵，k＝1,2,…K,K为***中用户数，H^T表示信道矩阵的转置；构造各用户干扰矩阵，以用户k为例，用户k的干扰矩阵为

步骤2：然后通过SLNR准则

获得先验的接收矩阵R_k；

步骤3：通过动态功率分配策略，将功率分配问题转化为几何规划问题并获得功率分配矩阵；几何规划可以通过内点迭代法可以求解：设置一个迭代次数L，做一个循环迭代的运算，初始化的功率分配系数为p^l-1＝p⁰，计算中间系数A^m,B^m，然后根据得到的优化函数进行迭代得到用户k的功率分配系数为p_k＝p^L，把所有用户的功率分配系数组成一个功率分配矩阵；

步骤4：通过已知的信道矩阵和先验的接收矩阵，构造加权因子然后初始化等效信道，并对等效信道进行加权得到加权等效信道H_ej，来提高用户的公平性，改善信道条件较差的用户体验；

步骤5：利用本发明的EI-SLNR方法来获得优化后的基站端预编码，

基站预编码表示为然后利用构造的预编码对各个用户的发送信号进行独立的处理，对所有处理后的信号进行相加，最后通过基站天线发射出去；

步骤6：用户对接收信号进行译码和相关处理：用户对从基站接收到的信号通过MMSE接收机进行处理，接收矩阵为其中d_k＝A_kH_kW_k，最后得到原始的发送数据；

步骤7：重复以上步骤，分别遍历所有的用户。

3.如权利要求1所述的基于泄漏的高效能多用户联合预编码方法，其特征在于，步骤3所述的动态功率分配策略，具体包括：

3.1将优化目标设定为最大化***的和速率，可以得到如下公式

其中SINR_down为下行链路的信噪比；

3.2将上面的优化目标进行等价转换，可以得到

定义一个辅助函数

3.3定义函数将非凸的目标函数转换成一个几何规划可解的问题

得到的上式是一个标准的GP问题；

3.4对优化函数进行一个压缩近似处理

其中

3.5最终的优化目标转变为

通过内点迭代法可以求解：设置一个迭代次数L，做一个循环迭代的运算，初始化的功率分配系数为p^l-1＝p⁰，计算中间系数A^m,B^m，然后根据前面的优化函数通过迭代得到用户k的功率分配系数为p_k＝p^L。

4.如权利要求1所述的基于泄漏的高效能多用户联合预编码方法，其特征在于，步骤4所述的加权等效信道，具体包括：

4.1：先假设同一个用户的多路数据流具有相同的功率，因此初始化的功率分配矩阵

4.2：构造加权因子

其中H_g代表平均信道增益，p_k,l代表用户k的第j路数据流分配的功率值；

4.3：构造加权等效信道H_ej＝D_jQ_jR_jH_j，其中是加权对角矩阵，里面的每一项代表一个加权因子。

5.如权利要求1所述的一种基于泄漏的高效能多用户联合预编码方法，其特征在于，预编码方法所使用的预编码装置，按照信号处理流程依次连接有：信道矩阵及先验信息获取模块、动态功率分配模块、加权等效信道构造模块、预编码处理模块、接收机处理模块，各模块分述如下：

信道矩阵及先验信息获取模块：用于获取所有用户的信道矩阵和先验的接收矩阵；输入为各个用户的排序集，输出为所有用户的信道矩阵和先验的接收矩阵；对于TDD***，用户信道矩阵由基站接收的上行链路的训练序列或导频序列来获得；对于FDD***，用户信道矩阵通过反馈获得；

动态功率分配模块：用于获得功率分配矩阵，来最大化***的速率；通过把优化问题转化为几何规划问题并通过内点法来进行求解；输入为各个用户的信道矩阵和先验接收矩阵，输出为所有用户的功率分配矩阵；

加权等效信道构造模块：用于获得加权后的等效信道，需要利用信道矩阵和先验的接收矩阵；输入为各个用户的信道矩阵和先验的接收矩阵，输出为所有用户的加权等效信道；

预编码处理模块：利用本发明的EI-SLNR方法得到预编码，然后把原始信号通过预编码进行处理，并将所有处理后的信号进行相加，最后通过基站天线发射出去；输入为发送给用户的原始信号，输出为预编码后的信号；

接收机处理模块按照信号处理流程连接有信号接收子模块、数据流归一化子模块和信号判决子模块，各子模块分述如下：

信号接收子模块：用于译码用户接收信号，输入为用户接收信号，输出为译码后的多路数据流，用户利用接收矩阵R_k对接收信号进行接收译码，获得译码后的信号；

数据流归一化子模块：将译码后的数据流通过一个对角化的子模块进行归一化；

信号判决子模块：对归一化后的信号进行判决，输入为用户的归一化后的信号，输出为基站发送给用户的原始信号的估计。