CN102857281A - 家庭基站网络中的信息处理方法 - Google Patents

Abstract

一种信息处理方法，宏基站和家庭基站分别向中继和家庭用户发射训练序列，中继和家庭基站分别向宏用户和家庭用户发射训练序列，通过信道估计得到宏基站到中继，家庭基站到中继，宏基站到家庭用户，家庭基站到家庭用户，以及中继到宏用户，家庭基站到宏用户，家庭基站到家庭用户，中继到家庭用户之间的估计信道；宏基站，家庭基站和中继根据估计信道，应用迭代算法计算宏基站，家庭基站和中继的发射波束成形矩阵；宏基站和家庭基站对发射信号进行线性处理并广播，家庭基站用户和中继接收信息，中继对接收到的信息进行线性处理并广播，家庭基站对新发射的信号进行线性处理并广播；宏用户和家庭用户分别接收到发射信号。本发明有效抑制了跨层干扰。

Description

家庭基站网络中的信息处理方法

技术领域

本发明涉及无线通信的家庭基站和MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）中继技术领域，具体涉及一种能有效抑制跨层干扰的家庭基站网络中的信息处理方法。

背景技术

随着社会的不断发展，人们对通信质量和速率的要求不断提高。研究表明，50%的语音业务和70%的数据业务都发生在室内环境下。语音信号数据速率较低，对信号的质量要求不高，数据信号则需要很高的信号质量来提供高速业务。为了提高室内的覆盖范围和通信质量，家庭基站应运而生。家庭基站的覆盖范围较小，能以较低的功率进行工作来达到信号质量的要求，而且家庭基站能通过数字用户线（DSL）、光纤宽带等连接到运营商的核心网中，减少了运营商的CAPEX（capital expense资本性支出）和OPEX（Operating Expense运营成本）。由于频谱资源的稀有性，则家庭基站和宏基站采用相同的频谱资源，从而提高频谱资源的利用率。但是同时，家庭基站也带来了新的挑战:干扰管理，如：家庭基站和宏基站之间产生的跨层干扰。

综上，近年来，如何有效的进行家庭基站的干扰管理成为研究的热点。波束成形技术对于干扰管理能够产生很好的作用，同时由于中继能够扩大传播范围，克服阴影衰落，把中继考虑到家庭基站网络中，为受阴影衰落干扰的宏用户提供服务。因此，本发明将波束成形技术引入到新的家庭基站网络中，进行干扰管理，目前已有的家庭基站干扰管理方法中，还没有此方面的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种家庭基站网络中的信息处理方法，以解决家庭基站中存在的跨层干扰问题。本发明在完整信道状态信息（CSI）情况下，提供一种联合设计宏基站，家庭基站和中继的波束成形的信息处理方法。在本发明的家庭基站网络中，根据最小化系统的总功率，设计了宏基站，家庭基站和中继的波束成形的联合信息处理方案，该方案能有效的抑制跨层干扰。

为达到上述目的，本发明提供一种家庭基站网络中的信息处理方法，包括以下步骤：

第一步，宏基站向中继和家庭基站用户发射信号S_m1，中继根据接收到的信号X_m1，进行信道估计，得到宏基站到中继的估计信道家庭基站用户k根据接收到的信号x_m1，k，进行信道估计处理，得到宏基站到家庭基站用户k的信道

家庭基站向中继和家庭基站用户发射信号S_f1，中继根据接收到的信号X_f1，进行信道估计，得到家庭基站到中继的估计信道家庭基站用户k根据接收到的信号x_f1，k，进行信道估计处理，得到家庭基站到家庭基站用户k的信道 $g_{f,k}^{\left(1\right),H}(g_{f,k}^{\left(1\right),H}\∈C^{1\×N_f});$

其中：N_m是宏基站的天线数，N_r是中继的天线数，N_f是家庭基站的天线数，

是宏基站训练序列，T_τ是训练序列的长度，

是中继接收到的信号，

是家庭用户k接收到的信号；

是家庭基站训练序列，

是中继接收到的信号，

是家庭用户k的接收信号；C^M×N表示M×N的复矩阵空间;

表示h_m,k的共轭转置。

第二步,中继向宏用户和家庭基站用户发射信号S_m2，宏用户l根据接收到的信号x_m2，l，进行信道估计，得到中继到宏用户l的估计信道家庭基站用户k根据接收到的信号x_m2，k，进行信道估计处理，得到中继到家庭基站用户k的信道家庭基站向宏用户和家庭基站用户发射信号S_f2，宏用户根据接收到的信号x_f2，l，进行信道估计，得到家庭基站到宏用户的估计信道

家庭基站用户k根据接收到的信号x_f2，k，进行信道估计处理，得到家庭基站到家庭基站用户k的信道 $g_{f,k}^{\left(2\right),H}(g_{f,k}^{\left(2\right),H}\∈C^{1\×N_f});$

其中：N_m是宏基站的天线数，N_r是中继的天线数，N_f是家庭基站的天线数，

是宏基站训练序列，T_τ是训练序列的长度，

是宏用户l接收到的信号，

是家庭用户k接收到的信号；

是家庭基站训练序列，

是宏用户l接收到的信号，

是家庭用户k的接收信号；C^M×N表示M×N的复矩阵空间。

第三步，宏基站，家庭基站和中继根据估计得到的信道，应用迭代算法计算宏基站处理矩阵W_m，家庭基站处理矩阵W_f1，W_f2和中继处理矩阵Q。

第四步，宏基站对发射的信号s=[s_m1…s_mL]进行处理，得到x_m，并将信号广播出去，线性处理为：

家庭基站对发射信号s_f1=[s_f1，1…s_f1，K]进行处理，得到x_f1，并将信号广播出去，线性处理为

第五步，中继对接收到的信号进行线性处理，得到

然后进行广播，线性处理为：

家庭基站对发射信号s_f2=[s_f2，1…s_f2，K]进行处理，得到x_f2，并将信号广播出去，线性处理为 $x_{f2}=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{f2,k}{s}_{f2,k}=W_{f2}{s}_{f2};$

第六步，宏基站用户和家庭基站接收到发射信号，然后进行检测处理。

依照本发明较佳实施例所述的家庭基站网络中的信息处理方法，第三步中的迭代算法进一步包括以下步骤：

（1）步骤1：初始化

中继预编码

通过解式（1）的SOCP问题，可以解出和

n=0，式（1）如下：

$\underset{W_m,W_{f1},W_{f2}}{\min }\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|{\mathrm{Aw}}_{\mathrm{ml}}\left|\right|}^2+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|{\mathrm{Bw}}_{f1,k}\left|\right|}^2+\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|w_{f2,l}\left|\right|}^2$

$s.t\frac{\mathrm{Re}\left\{h_{r,l}^H{\mathrm{QH}}_{m,r}{w}_{m,l}\right\}}{\sqrt{\underset{j\≠l}{\mathrm{\Σ}}{\left|h_{r,l}^H{\mathrm{QH}}_{m,r}{w}_{m,j}\right|}^2+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{r,l}^H{\mathrm{QG}}_{f,r}{w}_{f1,k}\right|}^2+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{f,l}^H{w}_{f2,k}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_r^2{\left|h_{r,l}^{H}Q\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_m^2}}\≥\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_l}-1}l=1,...L;$

$\frac{\mathrm{Re}\left\{g_{f,k}^{\left(1\right)H}{w}_{f1,k}\right\}}{\sqrt{\underset{j\≠k}{\mathrm{\Σ}}{\left|g_{f,k}^{\left(1\right)H}{w}_{f1,j}\right|}^2+\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{m,k}^H{w}_{m,l}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_{f1}^2}}\≤\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_{1k}}-1}k=1,...K;---\left(1\right)$

$\frac{\mathrm{Re}\left\{h_{r,l}^H{\mathrm{QH}}_{m,r}{w}_{m,l}\right\}}{\sqrt{\underset{j\≠k}{\mathrm{\Σ}}{\left|g_{f,k}^{\left(2\right)H}{w}_{f2,j}\right|}^2+\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{r,k}^H{\mathrm{QH}}_{m,r}{w}_{m,l}\right|}^2+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{r,k}^H{\mathrm{QG}}_{f,r}{w}_{f1,k}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_r^2{\left|h_{r,k}^{H}Q\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_{f2}^2}}\≤\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_{2k}}-1}k=1,...K;$

式中： $A={(I+H_{m,r}^H{Q}^H{\mathrm{QH}}_{m,r})}^{1/2};$ $B={(I+G_{f,r}^H{Q}^H{\mathrm{QG}}_{f,r})}^{1/2},$ $w_{m,l}(w_{m,l}\∈C^{N_m\×1})$ 是第l个宏基站发射波束成形向量；

是第一个时隙家庭基站发射波数成型向量；

是第二个时隙家庭基站发射波数成型向量；L为宏用户数，K为家庭用户数，Re(·)表示取复数的实部。ε_l表示宏用户l的MSE的阈值，ε_k表示第一时隙家庭用户k的MSE的阈值，ε_k表示第二时隙家庭用户k的MSE的阈值。

具体的，目标函数是通过从系统的总的发射功率中提取出与W_m，W_f1和W_f2有关的项而形成，限制条件是通过用户（宏用户，家庭基站用户）的MSE小于一定的阈值变化而来。

（2）步骤2：迭代

（21）把

和代入式（2），通过中继迭代算法，解出Q⁽ⁿ⁺¹⁾，其式（2）为：

$\underset{W_m,W_{f1},W_{f2}}{\min }{\left|\right|C_{r}q\left|\right|}^2$

式中： $C_r=\left[\begin{array}{c}{C}_1\\ C_2\\ I_{N_r^2}\end{array}\right]$ ${\mathrm{\Φ}}_{m,l}=\left[\begin{array}{c}{A}_{m,l}\\ B_{m,l}\\ {\mathrm{\σ}}_r^2{G}_{m,l}\\ 0_{1\×N_r^2}\end{array}\right]$ ${\mathrm{\Φ}}_{f2,l}=\left[\begin{array}{c}{A}_{f2,k}\\ B_{f2,k}\\ {\mathrm{\σ}}_r^2{G}_{f2,k}\\ 0_{1\×N_r^2}\end{array}\right]$ $c_{m,l}=\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_1}-1}\left[\begin{array}{c}{0}_{(L-1)+K+N_r}\\ {\mathrm{\σ}}_{m,l}^2\end{array}\right]$ $c_{f2,k}=\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_{2k}}-1}\left[\begin{array}{c}{0}_{L+K+N_r}\\ {\mathrm{\σ}}_{f2,k}^2\end{array}\right];$

$C_1={\left(H_{m,r}{W}_m\right)}^T\⊗I_{N_r},$ $C_2={\left(G_{m,r}{W}_{f1}\right)}^T\⊗I_{N_r};$

$A_{m,l}={\left(H_{m,r}\widetilde{W_{m,l}}\right)}^T\⊗h_{r,l}^H,$ $B_{m,l}={\left(G_{f,r}{W}_{f1}\right)}^T\⊗h_{r,l}^H,$ $G_{m,l}=I_{N_r}\⊗h_{r,l}^H;$

${\mathrm{\σ}}_{m,l}^2={\left|g_{f,l}^H{W}_{f2}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_m^2,$ $b_l^H={\left(H_{m,r}{w}_{m,l}\right)}^T\⊗h_{r,l}^H;$

$A_{f2,k}={\left(H_{m,r}{W}_m\right)}^T\⊗h_{r,k}^H,$ $B_{f2,k}={\left(G_{f,r}{W}_{f1}\right)}^T\⊗h_{r,k}^H,$ $G_{f2,k}=I_{N_r}\⊗h_{r,k}^H;$

${\mathrm{\σ}}_{f2,k}^2={\left|g_{f,k}^{\left(2\right)}\widetilde{W_{f2}}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_{f2}^2;$

${\mathrm{\θ}}_l=\arg \left\{b_l^{H}q\right\}.$

具体的，目标函数是中继的发射功率经过向量化处理后的形式，限制条件是宏用户和家庭基站用户的MSE小于一定的阈值经过一定的形式变化得到。

（22）把Q⁽ⁿ⁺¹⁾代入式（1）计算出和

（23）n=n+1，为下一次迭代做准备；

（3）步骤3：终止

当算法收敛即

或者迭代次数N≥N_max时，算法终止，其中λ是预先设置的收敛精度，N_max为最大迭代次数，否则继续执行步骤2。

依照本发明较佳实施例所述的家庭基站网络中的信息处理方法，步骤（21）中的中继迭代算法具体包括以下步骤：

(21.1)初始化

·随机产生一系列其范围为[0,2π]；

·通过解决式（2）中的SOCP问题，求解出q(m)，其中m=1；

（21.2）迭代

· ${\mathrm{\θ}}_l(m+1)=\arg \left\{b_l^{H}q\left(m\right)\right\},$ l=1,…L；

·通过解决式（2）中的SOCP问题，解出q(m+1)；

·m=m+1，为下一次迭代做准备；

（21.3）停止

当满足

l=1,…L时，继续执行（21.2），不满足时停止。

其中η是预先设定好的阈值。

依照本发明较佳实施例所述的家庭基站网络中的信息处理方法，该宏基站为多天线宏基站，该家庭基站为多天线家庭基站，该中继为多天线中继。

依照本发明较佳实施例所述的家庭基站网络中的信息处理方法，该家庭基站用户和该宏用户均为单天线用户。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在家庭基站网络中，通过联合宏基站，家庭基站和中继的波束成形设计，有效的抑制网络中跨层干扰。由于采用的目标函数是和系统的总的发射功率有关的，在满足用户(宏用户，家庭用户)的QoS（MSE）前提下，通过解决SOCP问题的变量，得到波束成形的设计。通过设计宏基站，家庭基站和中继的波束成形，最小化了系统的总的发射功率，而系统的发射功率的降低以及天线波束的调整，即覆盖的范围在缩小，对受到干扰的用户来说它受到的干扰也会减少，从而减小了系统中的跨层干扰，使干扰得到了有效的抑制。

附图说明

图1为应用本发明家庭基站网络中的信息处理方法的家庭基站系统结构示意图；

图2为本发明实施例的系统总的发射功率性能图。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，该实施例以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了具体的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实例。

实施例中，宏基站，家庭基站和中继的天线数均为2。待传输的符号为随机生成的QPSK调制符号。系统中的信道都为瑞利（Rayleigh）平坦衰落信道，所有的接收噪声，均为零均值复高斯加性白噪声。

一种家庭基站网络中的信息处理方法，包括以下步骤：

第一步，宏基站向中继和家庭基站用户发射信号S_m1，中继根据接收到的信号X_m1，进行信道估计，得到宏基站到中继的估计信道

家庭基站用户k根据接收到的信号x_m1，k，进行信道估计处理，得到宏基站到家庭基站用户k的信道

家庭基站向中继和家庭基站用户发射信号S_f1，中继根据接收到的信号X_f1，进行信道估计，得到家庭基站到中继的估计信道

家庭基站用户k根据接收到的信号x_f1，k，进行信道估计处理，得到家庭基站到家庭基站用户k的信道 $g_{f,k}^{\left(1\right),H}(g_{f,k}^{\left(1\right),H}\∈C^{1\×N_f});$

其中：N_m是宏基站的天线数，N_r是中继的天线数，N_f是家庭基站的天线数，

是宏基站训练序列，T_τ是训练序列的长度，

是中继接收到的信号，是家庭用户k接收到的信号；

是家庭基站训练序列，

是中继接收到的信号，

是家庭用户k的接收信号；C^M×N表示M×N的复矩阵空间;表示h_m,k的共轭转置。

第二步,中继向宏用户和家庭基站用户发射信号S_m2，宏用户l根据接收到的信号x_m2，l，进行信道估计，得到中继到宏用户l的估计信道

家庭基站用户k根据接收到的信号x_m2，k，进行信道估计处理，得到中继到家庭基站用户k的信道

家庭基站向宏用户和家庭基站用户发射信号S_f2，宏用户根据接收到的信号x_f2，l，进行信道估计，得到家庭基站到宏用户的估计信道家庭基站用户k根据接收到的信号x_f2，k，进行信道估计处理，得到家庭基站到家庭基站用户k的信道 $g_{f,k}^{\left(2\right),H}(g_{f,k}^{\left(2\right),H}\∈C^{1\×N_f});$

其中：N_m是宏基站的天线数，N_r是中继的天线数，N_f是家庭基站的天线数，是宏基站训练序列，T_τ是训练序列的长度，

是宏用户l接收到的信号，

是家庭用户k接收到的信号；是家庭基站训练序列，是宏用户l接收到的信号，

是家庭用户k的接收信号；C^M×N表示M×N的复矩阵空间。

第三步，宏基站，家庭基站和中继根据估计得到的信道，应用迭代算法计算宏基站处理矩阵W_m，家庭基站处理矩阵W_f1，W_f2和中继处理矩阵Q。具体包括以下步骤：

（1）步骤1：初始化

中继预编码

通过解式（1）的SOCP问题，可以解出

和

n=0，式（1）如下：

$\underset{W_m,W_{f1},W_{f2}}{\min }\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|{\mathrm{Aw}}_{\mathrm{ml}}\left|\right|}^2+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|{\mathrm{Bw}}_{f1,k}\left|\right|}^2+\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|w_{f2,l}\left|\right|}^2$

$s.t\frac{\mathrm{Re}\left\{h_{r,l}^H{\mathrm{QH}}_{m,r}{w}_{m,l}\right\}}{\sqrt{\underset{j\≠l}{\mathrm{\Σ}}{\left|h_{r,l}^H{\mathrm{QH}}_{m,r}{w}_{m,j}\right|}^2+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{r,l}^H{\mathrm{QG}}_{f,r}{w}_{f1,k}\right|}^2+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{f,l}^H{w}_{f2,k}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_r^2{\left|h_{r,l}^{H}Q\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_m^2}}\≥\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_l}-1}l=1,...L;$

$\frac{\mathrm{Re}\left\{g_{f,k}^{\left(1\right)H}{w}_{f1,k}\right\}}{\sqrt{\underset{j\≠k}{\mathrm{\Σ}}{\left|g_{f,k}^{\left(1\right)H}{w}_{f1,j}\right|}^2+\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{m,k}^H{w}_{m,l}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_{f1}^2}}\≤\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_{1k}}-1}k=1,...K;---\left(1\right)$

$\frac{\mathrm{Re}\left\{h_{r,l}^H{\mathrm{QH}}_{m,r}{w}_{m,l}\right\}}{\sqrt{\underset{j\≠k}{\mathrm{\Σ}}{\left|g_{f,k}^{\left(2\right)H}{w}_{f2,j}\right|}^2+\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{r,k}^H{\mathrm{QH}}_{m,r}{w}_{m,l}\right|}^2+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{r,k}^H{\mathrm{QG}}_{f,r}{w}_{f1,k}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_r^2{\left|h_{r,k}^{H}Q\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_{f2}^2}}\≤\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_{2k}}-1}k=1,...K;$

式中： $A={(I+H_{m,r}^H{Q}^H{\mathrm{QH}}_{m,r})}^{1/2};$ $B={(I+G_{f,r}^H{Q}^H{\mathrm{QG}}_{f,r})}^{1/2},$ $w_{m,l}(w_{m,l}\∈C^{N_m\×1})$ 是第l个宏基站发射波束成形向量；是第一个时隙家庭基站发射波数成型向量；

是第二个时隙家庭基站发射波数成型向量；L为宏用户数，K为家庭用户数，Re(·)表示取复数的实部。ε_l表示宏用户l的MSE的阈值，ε_k表示第一时隙家庭用户k的MSE的阈值，ε_k表示第二时隙家庭用户k的MSE的阈值。

具体的，目标函数是通过从系统的总的发射功率中提取出与W_m，W_f1和W_f2有关的项而形成，限制条件是通过用户（宏用户，家庭基站用户）的MSE小于一定的阈值变化而来。

（2）步骤2：迭代

（21）把

和

代入式（2），通过中继迭代算法，解出Q⁽ⁿ⁺¹⁾，其式（2）为：

$\underset{W_m,W_{f1},W_{f2}}{\min }{\left|\right|C_{r}q\left|\right|}^2$

式中： $C_r=\left[\begin{array}{c}{C}_1\\ C_2\\ I_{N_r^2}\end{array}\right]$ ${\mathrm{\Φ}}_{m,l}=\left[\begin{array}{c}{A}_{m,l}\\ B_{m,l}\\ {\mathrm{\σ}}_r^2{G}_{m,l}\\ 0_{1\×N_r^2}\end{array}\right]$ ${\mathrm{\Φ}}_{f2,l}=\left[\begin{array}{c}{A}_{f2,k}\\ B_{f2,k}\\ {\mathrm{\σ}}_r^2{G}_{f2,k}\\ 0_{1\×N_r^2}\end{array}\right]$ $c_{m,l}=\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_1}-1}\left[\begin{array}{c}{0}_{(L-1)+K+N_r}\\ {\mathrm{\σ}}_{m,l}^2\end{array}\right]$ $c_{f2,k}=\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_{2k}}-1}\left[\begin{array}{c}{0}_{L+K+N_r}\\ {\mathrm{\σ}}_{f2,k}^2\end{array}\right];$

$C_1={\left(H_{m,r}{W}_m\right)}^T\⊗I_{N_r},$ $C_2={\left(G_{m,r}{W}_{f1}\right)}^T\⊗I_{N_r};$

$A_{m,l}={\left(H_{m,r}\widetilde{W_{m,l}}\right)}^T\⊗h_{r,l}^H,$ $B_{m,l}={\left(G_{f,r}{W}_{f1}\right)}^T\⊗h_{r,l}^H,$ $G_{m,l}=I_{N_r}\⊗h_{r,l}^H;$

${\mathrm{\σ}}_{m,l}^2={\left|g_{f,l}^H{W}_{f2}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_m^2,$ $b_l^H={\left(H_{m,r}{w}_{m,l}\right)}^T\⊗h_{r,l}^H;$

$A_{f2,k}={\left(H_{m,r}{W}_m\right)}^T\⊗h_{r,k}^H,$ $B_{f2,k}={\left(G_{f,r}{W}_{f1}\right)}^T\⊗h_{r,k}^H,$ $G_{f2,k}=I_{N_r}\⊗h_{r,k}^H;$

${\mathrm{\σ}}_{f2,k}^2={\left|g_{f,k}^{\left(2\right)}\widetilde{W_{f2}}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_{f2}^2;$

${\mathrm{\θ}}_l=\arg \left\{b_l^{H}q\right\}.$

具体的，目标函数是中继的发射功率经过向量化处理后的形式，限制条件是宏用户和家庭基站用户的MSE小于一定的阈值经过一定的形式变化得到。

该中的中继迭代算法具体包括以下步骤：

(21.1)初始化

·随机产生一系列

其范围为[0,2π]；

·通过解决式（2）中的SOCP问题，求解出q(m)，其中m=1；

（21.2）迭代

· ${\mathrm{\θ}}_l(m+1)=\arg \left\{b_l^{H}q\left(m\right)\right\},$ l=1,…L；

·通过解决式（2）中的SOCP问题，解出q(m+1)；

·m=m+1，为下一次迭代做准备。

（21.3）停止

当满足

l＝1,…L时，继续执行（21.2），不满足时停止。

其中η是预先设定好的阈值。

（22）把Q⁽ⁿ⁺¹⁾代入式（1）计算出

和

（23）n=n+1；为下一次迭代做准备；

（3）步骤3：终止

当算法收敛即

或者迭代次数N≥N_max时，算法终止，其中λ是预先设置的收敛精度，N_max为最大迭代次数。

第四步，宏基站对发射的信号s=[s_m1…s_mL]进行处理，得到x_m，并将信号广播出去，线性处理为：家庭基站对发射信号s_f1=[s_f1，1…s_f1，K]进行处理，得到x_f1，并将信号广播出去，线性处理为

第五步，中继对接收到的信号进行线性处理，得到然后进行广播，线性处理为：家庭基站对发射信号s_f2=[s_f2，1…s_f2，K]进行处理，得到x_f2，并将信号广播出去，线性处理为 $x_{f2}=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{f2,k}{s}_{f2,k}=W_{f2}{s}_{f2};$

第六步，宏基站用户和家庭基站接收到发射信号，然后进行检测处理。

请参阅图1，基于上述的方法，在本发明的实施例中，考虑含跨层干扰的家庭基站网络系统包括多天线的宏基站，家庭基站和中继，以及多个单天线用户。其中，宏基站的天线数为N_m=2，家庭基站的天线数为N_f=2，中继天线数为N_r=2。

如图2所示，其为本发明的总的发射功率性能图，宏基站，家庭基站和中继的天线数均为2，2个宏用户和2个家庭用户。设家庭基站位于二维坐标系的原点，即坐标为（0,0），家庭基站用户位于坐标（5,0）处，宏基站位于坐标（0,20）处，中继位于坐标（5,20），而宏基站用户位于坐标（x,0）其中x∈(6□26)。采用路径损耗的指数模型，因此系统中的瑞丽衰落信道表示如下：

户外的链路损耗因子设为3，如H_m,r中的元素是满足零均值复高斯分布，即H_m,r∈CN(0,1/5³)；

户内的链路损耗因子设为2.5，如

中的元素是满足零均值复高斯分布，即 $g_{f,k}^{\left(1\right)}\∈\mathrm{CN}(\mathrm{0,1}/5^{2.5});$

户内到户外的链路损耗因子设为2.7，如g_f，l中的元素是满足零均值复高斯分布，即 $g_{f,l}\∈\mathrm{CN}(\mathrm{0,1}/{\sqrt{{(x-5)}^2+{20}^2}}^{2.7});$

所有噪声的平均功率都设置为1，即

为了仿真方便，所有宏用户和家庭基站的SINR阈值分别相等，即ε_l=ε_k=ε。一共随机生成了1000次信道，把本发明提出的方案和作为对比方案的现有中继预编码采用单位矩阵的方案分别针对不同的ε值进行仿真，其中ε={0.6,0.9}：

从图中可以看到，本发明方案和对比的方案相比，在满足用户的QoS的情况下，通过联合设计宏基站，家庭基站和中继的波束成形，由于系统的总的发射功率的降低，以及发射天线波束的调整，那么基站的覆盖范围会进一步缩小，那么相对于受干扰的用户来说他们受到的干扰也会随之降低，从而有效的抑制了跨层干扰。并且随着宏基站和宏用户距离的增大，这种性能优势也更加明显。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种家庭基站网络中的信息处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，宏基站向中继和家庭基站用户发射信号S_m1，中继根据接收到的信号X_m1，进行信道估计，得到宏基站到中继的估计信道家庭基站用户k根据接收到的信号x_m1，k，进行信道估计处理，得到宏基站到家庭基站用户k的信道

家庭基站向中继和家庭基站用户发射信号S_f1，中继根据接收到的信号X_f1，进行信道估计，得到家庭基站到中继的估计信道

家庭基站用户k根据接收到的信号x_f1，k，进行信道估计处理，得到家庭基站到家庭基站用户k的信道 $g_{f,k}^{\left(1\right),H}(g_{f,k}^{\left(1\right),H}\∈C^{1\×N_f});$

其中：N_m是宏基站的天线数，N_r是中继的天线数，N_f是家庭基站的天线数，是宏基站训练序列，T_τ是训练序列的长度，

是中继接收到的信号，

是家庭用户k接收到的信号；是家庭基站训练序列，

是中继接收到的信号，

是家庭用户k的接收信号；C^M×N表示M×N的复矩阵空间;

表示h_m,k的共轭转置；

第二步,中继向宏用户和家庭基站用户发射信号S_m2，宏用户l根据接收到的信号x_m2，l，进行信道估计，得到中继到宏用户l的估计信道

家庭基站用户k根据接收到的信号x_m2，k，进行信道估计处理，得到中继到家庭基站用户k的信道

家庭基站向宏用户和家庭基站用户发射信号S_f2，宏用户根据接收到的信号x_f2，l，进行信道估计，得到家庭基站到宏用户的估计信道

家庭基站用户k根据接收到的信号x_f2，k，进行信道估计处理，得到家庭基站到家庭基站用户k的信道 $g_{f,k}^{\left(2\right),H}(g_{f,k}^{\left(2\right),H}\∈C^{1\×N_f});$

其中：N_m是宏基站的天线数，N_r是中继的天线数，N_f是家庭基站的天线数，

是宏基站训练序列，T_τ是训练序列的长度，

是宏用户l接收到的信号，

是家庭用户k接收到的信号；

是家庭基站训练序列，

是宏用户l接收到的信号，

是家庭用户k的接收信号；C^M×N表示M×N的复矩阵空间；

第三步，宏基站，家庭基站和中继根据估计得到的信道，应用迭代算法计算宏基站处理矩阵W_m，家庭基站处理矩阵W_f1，W_f2和中继处理矩阵Q；

第四步，宏基站对发射的信号s=[s_m1…s_mL]进行处理，得到x_m，并将信号广播出去，线性处理为：家庭基站对发射信号s_f1=[s_f1，1…s_f1，K]进行处理，得到x_f1，并将信号广播出去，线性处理为

第五步，中继对接收到的信号进行线性处理，得到

然后进行广播，线性处理为：家庭基站对发射信号s_f2=[s_f2，1…s_f2，K]进行处理，得到x_f2，并将信号广播出去，线性处理为 $x_{f2}=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{f2,k}{s}_{f2,k}=W_{f2}{s}_{f2};$

第六步，宏基站用户和家庭基站接收到发射信号，然后进行检测处理。

2.根据权利要求1所述的家庭基站网络中的信息处理方法，其特征在于，第三步中所述的迭代算法进一步包括以下步骤：

（1）步骤1：初始化

中继预编码

通过解式（1）的SOCP问题，可以解出

和

n=0，式（1）如下：

$\underset{W_m,W_{f1},W_{f2}}{\min }\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|{\mathrm{Aw}}_{\mathrm{ml}}\left|\right|}^2+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|{\mathrm{Bw}}_{f1,k}\left|\right|}^2+\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|w_{f2,l}\left|\right|}^2$

$s.t\frac{\mathrm{Re}\left\{h_{r,l}^H{\mathrm{QH}}_{m,r}{w}_{m,l}\right\}}{\sqrt{\underset{j\≠l}{\mathrm{\Σ}}{\left|h_{r,l}^H{\mathrm{QH}}_{m,r}{w}_{m,j}\right|}^2+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{r,l}^H{\mathrm{QG}}_{f,r}{w}_{f1,k}\right|}^2+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{f,l}^H{w}_{f2,k}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_r^2{\left|h_{r,l}^{H}Q\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_m^2}}\≥\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_l}-1}l=1,...L;$

$\frac{\mathrm{Re}\left\{g_{f,k}^{\left(1\right)H}{w}_{f1,k}\right\}}{\sqrt{\underset{j\≠k}{\mathrm{\Σ}}{\left|g_{f,k}^{\left(1\right)H}{w}_{f1,j}\right|}^2+\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{m,k}^H{w}_{m,l}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_{f1}^2}}\≤\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_{1k}}-1}k=1,...K;---\left(1\right)$

$\frac{\mathrm{Re}\left\{h_{r,l}^H{\mathrm{QH}}_{m,r}{w}_{m,l}\right\}}{\sqrt{\underset{j\≠k}{\mathrm{\Σ}}{\left|g_{f,k}^{\left(2\right)H}{w}_{f2,j}\right|}^2+\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{r,k}^H{\mathrm{QH}}_{m,r}{w}_{m,l}\right|}^2+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{r,k}^H{\mathrm{QG}}_{f,r}{w}_{f1,k}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_r^2{\left|h_{r,k}^{H}Q\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_{f2}^2}}\≤\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_{2k}}-1}k=1,...K;$

式中： $A={(I+H_{m,r}^H{Q}^H{\mathrm{QH}}_{m,r})}^{1/2};$ $B={(I+G_{f,r}^H{Q}^H{\mathrm{QG}}_{f,r})}^{1/2},$ $w_{m,l}(w_{m,l}\∈C^{N_m\×1})$ 是第l个宏基站发射波束成形向量；

是第一个时隙家庭基站发射波数成型向量；

是第二个时隙家庭基站发射波数成型向量；L为宏用户数，K为家庭用户数，Re(·)表示取复数的实部。ε_l表示宏用户l的MSE的阈值，ε_k表示第一时隙家庭用户k的MSE的阈值，ε_k表示第二时隙家庭用户k的MSE的阈值；

（2）步骤2：迭代

（21）把和

代入式（2），通过中继迭代算法，解出Q⁽ⁿ⁺¹⁾，其式（2）为：

$\underset{W_m,W_{f1},W_{f2}}{\min }{\left|\right|C_{r}q\left|\right|}^2$

式中： $C_r=\left[\begin{array}{c}{C}_1\\ C_2\\ I_{N_r^2}\end{array}\right]$ ${\mathrm{\Φ}}_{m,l}=\left[\begin{array}{c}{A}_{m,l}\\ B_{m,l}\\ {\mathrm{\σ}}_r^2{G}_{m,l}\\ 0_{1\×N_r^2}\end{array}\right]$ ${\mathrm{\Φ}}_{f2,l}=\left[\begin{array}{c}{A}_{f2,k}\\ B_{f2,k}\\ {\mathrm{\σ}}_r^2{G}_{f2,k}\\ 0_{1\×N_r^2}\end{array}\right]$ $c_{m,l}=\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_1}-1}\left[\begin{array}{c}{0}_{(L-1)+K+N_r}\\ {\mathrm{\σ}}_{m,l}^2\end{array}\right]$ $c_{f2,k}=\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_{2k}}-1}\left[\begin{array}{c}{0}_{L+K+N_r}\\ {\mathrm{\σ}}_{f2,k}^2\end{array}\right];$

$C_1={\left(H_{m,r}{W}_m\right)}^T\⊗I_{N_r},$ $C_2={\left(G_{m,r}{W}_{f1}\right)}^T\⊗I_{N_r};$

$A_{m,l}={\left(H_{m,r}\widetilde{W_{m,l}}\right)}^T\⊗h_{r,l}^H,$ $B_{m,l}={\left(G_{f,r}{W}_{f1}\right)}^T\⊗h_{r,l}^H,$ $G_{m,l}=I_{N_r}\⊗h_{r,l}^H;$

${\mathrm{\σ}}_{m,l}^2={\left|g_{f,l}^H{W}_{f2}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_m^2,$ $b_l^H={\left(H_{m,r}{w}_{m,l}\right)}^T\⊗h_{r,l}^H;$

$A_{f2,k}={\left(H_{m,r}{W}_m\right)}^T\⊗h_{r,k}^H,$ $B_{f2,k}={\left(G_{f,r}{W}_{f1}\right)}^T\⊗h_{r,k}^H,$ $G_{f2,k}=I_{N_r}\⊗h_{r,k}^H;$

${\mathrm{\σ}}_{f2,k}^2={\left|g_{f,k}^{\left(2\right)}\widetilde{W_{f2}}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_{f2}^2;$

${\mathrm{\θ}}_l=\arg \left\{b_l^{H}q\right\}.$

（22）把Q⁽ⁿ⁺¹⁾代入式（1）计算出

和

（23）n=n+1，为下一次迭代做准备；

（3）步骤3：终止

当算法收敛即

或者迭代次数N≥N_max时，算法终止，其中λ是预先设置的收敛精度，N_max为最大迭代次数，否则继续执行步骤2。

3.根据权利要求2所述的家庭基站网络中的信息处理方法，其特征在于，步骤（21）中所述的中继迭代算法具体包括以下步骤：

(21.1)初始化

·随机产生一系列其范围为[0,2π]；

·通过解决式（2）中的SOCP问题，求解出q(m)，其中m=1；

（21.2）迭代

· ${\mathrm{\θ}}_l(m+1)=\arg \left\{b_l^{H}q\left(m\right)\right\},$ l=1，…L；

·通过解决式（2）中的SOCP问题，解出q(m+1)；

·m=m+1，为下一次迭代做准备；

（21.3）停止

当满足

l＝1,…L时，继续执行（21.2），不满足时停止；

其中，η是预先设定好的阈值。

4.根据权利要求1所述的家庭基站网络中的信息处理方法，其特征在于，所述宏基站为多天线宏基站，所述家庭基站为多天线家庭基站，所述中继为多天线中继。

5.根据权利要求1所述的家庭基站网络中的信息处理方法，其特征在于，所述家庭基站用户和宏用户均为单天线用户。

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