CN104092519A - 一种基于加权和速率最大化的多用户mimo协作传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于加权和速率最大化的多用户MIMO协作传输方法，属于移动通信技术领域。该方法包括以下步骤：协作节点通过X2接口交换所有调度用户的信道状态信息、数据信息和速率权重因子；协作节点根据这些信息，基于加权和速率最大化准则进行BD-GMD-THP预编码；用户终端接收到信号后，根据协作传输方案，进行相应译码，从而检测出发射信号。本方法在MU-MIMO协作多点传输系统中，利用非线性预编码方法有效消除了多用户干扰和用户内数据流间干扰，在一定程度上保证了系统的误码性能，同时，基于加权和速率最大化准则的BD-GMD-THP协作传输方案，在保证用户每个数据流具有相同接收信噪比的同时，能够使得系统的加权和速率性能达到最优，提升了CoMP联合传输系统的整体性能。

Description

一种基于加权和速率最大化的多用户MIMO协作传输方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，涉及一种基于加权和速率最大化的多用户MIMO协作传输方法。

背景技术

为了满足未来移动通信业务增长的需求，第3代合作伙伴计划(3rdGeneration PartnershipProject,3GPP)于2008年3月正式启动长期演进(Long Time Evolution,LTE)的后续演进(LongTime Evolution-Advanced,LTE-A)项目，并于2008年6月完成了LTE-A的技术需求报告，报告显示：LTE-A系统在性能要求上相比LTE将会有更为明显的提升。

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术将频率选择性宽带信道分成若干正交窄带子信道，各子信道在频域上保持平坦衰落特性。同一小区的用户数据信息经OFDM调制后在相互正交的子载波上传送，进而使得小区内用户间的干扰得到了很好的抑制，因此被LTE系统所采用。为了充分利用频谱资源，LTE和LTE-A系统在部署网络时采用同频组网的方式，小区边缘用户会受到来自相邻小区的同频干扰，严重降低了边缘用户的信干噪比，限制了小区边缘吞吐量。OFDM技术虽然可以通过正交化子信道的方式消除小区内干扰，却无法有效抑制小区间干扰，因此系统性能受限于小区间干扰。所以如何解决小区间干扰以提高小区边缘频谱效率成为了研究热点。

3GPP提出利用CoMP来解决小区间干扰问题，CoMP技术其实是对传统单小区MIMO技术的完善和拓展。在传统的单小区传输模式中，用户的数据信息只由一个小区传输，而在CoMP中，多个小区之间共享用户信道和数据信息，通过一定的协作方式，使多个小区共同为用户服务。这在网络结构上形成了不一样的拓扑结构，把原来一个小区的边缘用户变成了多个相邻小区的中心用户。在传输方案上，CoMP系统包含了更多的小区，可以为用户提供更加灵活的服务方式，使用户能感受到更优越的链路质量，同时使得小区边缘吞吐量得到明显的提升。

BD-GMD-THP协作传输方法通过非线性预编码方法使得系统的误码性能得到一定改善，但各用户接收信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)固定，而且整个系统的加权和速率性能较差。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于加权和速率最大化的多用户MIMO协作传输方法，该方法对所有调度用户的联合信道矩阵H进行BD-GMD分解，基于加权和速率最大化准则进行BD-GMD-THP预编码，从而消除系统多用户干扰和用户内数据流间干扰，在一定程度上保证了系统误码性能，并且，在保证用户各数据流接收信噪比相等的同时，能够使得整个系统的加权和速率达到最优。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于加权和速率最大化的多用户MIMO协作传输方法，包括以下步骤：步骤一：协作节点通过X2接口交换所有调度用户的信道状态信息(Channel State Information,CSI)、数据信息和速率权重因子；步骤二：协作节点根据这些信息，基于加权和速率最大化准则进行BD-GMD-THP预编码；步骤三：用户终端接收到信号后，根据协作传输方案，进行相应译码，从而检测出发射信号。

进一步，在步骤一中，调度用户的速率权重因子根据调度策略获得；各协作节点通过用户终端的反馈来获取本节点到调度用户的CSI，并通过X2接口交换本节点到用户终端的CSI、各调度用户的数据信息和速率权重因子等信息。

进一步，在步骤二中，具体包括：

1)对所有调度用户的联合信道矩阵H，利用信道正交(Channel Orthogonalization)和几何均值分解方法进行BD-GMD分解，即H＝PLQ^H，其中P为块对角酉矩阵，L为下三角矩阵，Q为酉矩阵；

2)基于加权和速率最大化准则，利用Karush-Kuhn-Tucker(KKT)最优化条件计算功率分配矩阵Ω；

3)协作节点根据得到的L、Q，以及Ω，进行预编码，并计算功率约束因子β。

进一步，各用户终端接收到信号后，根据得到的P中对应块以及Ω中对应对角元素和功率约束因子β进行独立解码，从而检测出发射信号。

本发明的有益效果在于：本发明所述方法在MU-MIMO协作多点传输系统中，利用非线性预编码方法有效消除了多用户干扰和用户内数据流间干扰，在一定程度上保证了系统的误码性能，同时，基于加权和速率最大化准则的BD-GMD-THP协作传输方案，在保证用户每个数据流具有相同接收信噪比的同时，能够使得系统的加权和速率性能达到最优，提升了CoMP联合传输系统的整体性能。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为系统结构示意图；

图2为MU-MIMO联合传输系统模型；

图3为基于加权和速率最大化的MU-MIMO协作传输模型；

图4为基于加权和速率最大化的MU-MIMO协作传输算法流程图；

图5为在权重因子分别为μ＝(0.1,0.6,0.3)、μ＝(0.125,0.375,0.5)、μ＝(1/3,1/3,1/3)时本方法与BD-GMD-THP、ER-BD-GMD-THP协作传输方法的加权和速率性能对比图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于加权和速率最大化的多用户MIMO协作传输方法，在LTE-AMU-MIMO协作多点传输系统中，协作节点通过多用户调度算法同时调度K个用户，并通过X2接口共享本节点到所有用户的CSI、各调度用户的数据信息和速率权重因子等信息。在本方法中，首先对所有调度用户的联合信道矩阵H进行BD-GMD分解，基于加权和速率最大化准则进行BD-GMD-THP预编码，从而消除系统多用户干扰和用户内数据流间干扰，在一定程度上保证了系统误码性能，并且，在保证用户各数据流接收信噪比相等的同时，能够使得整个系统的加权和速率达到最优。包括如下步骤：

A、对所有调度用户的联合信道矩阵H进行BD-GMD分解，即H＝PLQ^H，具体可以通过信道正交和几何均值分解方法来实现。

B、基于加权和速率最大化准则，利用KKT最优化条件计算功率分配矩阵Ω。

C、利用步骤A和B所得L、Q及Ω进行THP预编码，并计算功率约束因子β。

D、接收端利用β、P及Ω进行相应译码。

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为系统结构示意图，如图所示，各个协作节点调度用户，用户向各节点反馈信道信息，协作节点通过X2接口交换本节点到所有调度用户的CSI、各调度用户数据信息和速率权重因子等信息。各用户的信息比特经过调制和层映射，将待传输的数据转变为一个或多个并行的数据流，每一个数据流对应一层，层数不能多于发送天线总数。对每个传输层的调制信号进行预编码，用于天线端口上的传输。将天线端口的复值调制符号映射到资源单元，对每个天线端口上的符号进行OFDM调制，生成复值OFDM符号，最后将信号发射出去。用户终端在接收到信号后，进行与发射端相反的操作，最后检测出信号信息。

图2为MU-MIMO联合传输系统模型，假定有B个基站参与协作传输，每个基站配备N_t根发射天线；参与协作的基站在同一时频资源服务K个用户/移动台，每个用户配备N_r根接收天线，且每个用户的数据流数等于其接收天线数目。则基站总发射天线数为M_t＝BN_t，用户总接收天线数为M_r＝KN_r，且限制M_t≥M_r。这样便形成一个虚拟MU-MIMO系统。

图3为基于加权和速率最大化的MU-MIMO协作传输模型，s为所有调度用户的数据信息，为方便描述，定义其中表示第一个用户的数据信息，表示第二个用户的数据信息，依次直到第K个用户的数据信息。MOD_τ(·)表示取模操作，用来约束v中元素的值，假如MOD_τ(·)的输入信号是 其中τ是一个正实数，代表取模宽度，表示小于等于指定表达式的最大整数，是τ的整数倍的一个值，因此MOD_τ(·)将信号实部和虚部都限定在[-τ/2,τ/2]。本发明中取其中M为调制阶数。

B为一个对角元素均为1，维度是M_r×M_r的单位下三角矩阵，I是维度为M_r×M_r的单位矩阵。因此，对于s中的元素s_i(i＝1,2,…KN_r)，经过THP处理后得到的信号v_i，分别用和表示s_i的实部和虚部，用和表示v_i的实部和虚部，则：

$v_i^I={\mathrm{MOD}}_{2\sqrt{M}}(s_i^I-\mathrm{Re}\{\underset{k=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i,k}{v}_i\left\}\right)=s_i^I+d_i^I-\mathrm{Re}\left\{\underset{k=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i,k}{v}_i\right\}$

$v_i^Q={\mathrm{MOD}}_{2\sqrt{M}}(s_i^Q-\mathrm{Im}\{\underset{k=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i,k}{v}_i\left\}\right)=s_i^Q+d_i^Q-\mathrm{Im}\left\{\underset{k=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i,k}{v}_i\right\}$

其中：

则THP预编码器的输出为：

v＝B^-1s′＝B^-1(s+d)

其中且因此，THP预编码等效于在B^-1前产生一个等效数据矢量s′＝s+d。

T是维数为M_t×M_r的预处理矩阵，在每基站功率约束下，β为功率约束因子，其中P_{BS_b}表示基站b的最大发射功率，||·||_F表示Frobenius范数，T^[b]包含基站b发射天线对应的T的行，H为所有用户的联合信道矩阵。

接收端的均衡矩阵A可以表示为：

$A=\left[\begin{array}{cccc}{A}_1& 0& L& 0\\ 0& A_2& L& 0\\ M& M& O& M\\ 0& 0& L& A_K\end{array}\right]$

其中A_k(k＝1,2,…,K)表示用户k维数为N_r×N_r的均衡矩阵。A_k的每一行要求具有单位范数，这样便不会放大噪声。当用户具有单天线时，A＝I。对角矩阵G_k(k＝1,2,…,K)为用户k的接收滤波矩阵，用于均衡等效信道的增益。n_k(k＝1,2,…,K)表示用户k接收到的服从分布的循环对称复高斯噪声， $E(n_k,n_k^H)={\mathrm{\σ}}^{2}I.$ 本文中假设 $P_{\mathrm{BS}\_b}=\frac{1}{B}(b=\mathrm{1,2},...,B),$ 则B个基站总的最大发射功率为P_max＝1，因此，信噪比(signal-noiseratio，SNR)定义为 $\mathrm{SNR}=\frac{P_{\max }}{{\mathrm{\σ}}^2}.$

因此，接收信号可以表示为：

r＝βHTv+n

接收端取模操作前的信号可以表示为：

$y=\frac{1}{\mathrm{\β}}\mathrm{GAr}={\mathrm{GAHTB}}^{-1}{s}^{\′}+\frac{1}{\mathrm{\β}}\mathrm{GAn}$

图4所示为本发明实现流程图，具体包括以下步骤：

步骤401：对所有调度用户的联合信道矩阵进行BD-GMD分解

对于联合传输系统调度的K个用户的联合信道矩阵采用信道正交和几何均值分解对其进行BD-GMD分解。具体算法为：

初始化： $H_1^{\mathrm{ortho}}=H_1$

for k＝1:K

$\mathrm{GMD}:H_k^{\mathrm{ortho}}=P_k{L}_k{Q}_k^H$

更新 $H_{k+1}^{\mathrm{ortho}}=H_{k+1}-H_{k+1}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i{Q}_i^H$

end

P＝blkdiag[P₁P₂…P_K]

Q＝[Q₁Q₂…Q_K]

L＝P^HHQ

通过以上利用信道正交和GMD可以将所有调度用户的联合信道矩阵进行BD-GMD分解，即H＝PLQ^H，其中P是一个块对角矩阵，Q为酉矩阵，L为下三角矩阵，且在每一个块中的对角元素分别相等，用l_k来表示第k个块中的对角元素的值。

步骤402：基于加权和速率最大化准则，计算功率分配矩阵Ω

由步骤401可得H＝PLQ^H，即：(P^HH)^H＝QL^H。对于任意矩阵Z，定义QL分解为：Z＝QL^H。由图3可知，发射信号可以表示为x＝βTB^-1s′，令W＝TB^-1，则W是一个大小为M_t×M_r且存在伪逆的矩阵，对W^-H＝W(W^HW)^-1进行QL分解，即亦即把接收端滤波矩阵A和信道矩阵H合并起来当作等效信道矩阵，即H_eff＝AH。假设W等效于一个具有自由功率分配的ZF线性预编码矩阵，即：

W＝H_eff ^H(H_effH_eff ^H)^-1Ω＝(AH)^H((AH)(AH)^H)^-1Ω

其中 $\mathrm{\Ω}=\mathrm{diag}({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{1,1}},...,{\mathrm{\ω}}_{1,N_r},{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{2,1}},...,{\mathrm{\ω}}_{2,N_r},......,{\mathrm{\ω}}_{K,1},...,{\mathrm{\ω}}_{K,N_r})$ 为功率分配矩阵，其对角元素ω_k,i(k＝1,2,…,K；i＝1,2,…,N_r)表示分配给用户k的第i个数据子流的功率。

在BD-GMD-THP模式下，要求每个用户内的子信道增益是相等的，这就要求(k＝1,2,…,K)，这里ω_k表示分配给用户k的每一个数据流的功率，则Ω可以表示为其对角元素均是实数，所以Ω＝Ω^H。容易得到：

W^-H＝W(W^HW)^-1＝(AH)^HΩ^-1

对(AH)^H进行QL分解，即(AH)^H＝QL^H，因为Ω是一个对角矩阵，因此可以得到：Q₁＝Q，L₁＝Ω^-1L。由(AH)^H＝QL^H可以得到H＝A^HLQ^H，又由于H经BD-GMD分解有H＝PLQ^H，比较可得A＝P^H。由于且W＝TB^-1，则可选择：

B＝L₁(diag(L₁))^-1＝Ω^-1L(diag(Ω^-1L))^-1

T＝Q₁(diag(L₁))^-1＝Q(diag(Ω^-1L))^-1

下面计算在加权和速率最大化准则下的功率分配矩阵Ω。发射信号可以表示为x＝βTv＝βQ(diag(Ω^-1L))^-1v。在用THP进行预编码时，虽然通过取模操作将信号限制在特定的范围，但是由于这些信号值不是从星座点上取的，仍然会导致发射功率的增加。然而由此导致的发射功率的增加相对较小，而且对于中高阶调制可以忽略，因此，在本发明中不考虑由于THP预编码而导致的发射功率增加。则平均发射功率为：

$\begin{array}{c}{P}_t=\mathrm{tr}\left(E\right[{\mathrm{xx}}^H\left]\right)=\mathrm{tr}\left({\mathrm{\β}}^{2}Q{\left(\mathrm{diag}\left({\mathrm{\Ω}}^{-1}L\right)\right)}^{-2}{Q}^H\right)\\ =\mathrm{tr}\left({\mathrm{\β}}^2{Q}^H{Q}_1{\left(\mathrm{diag}\left({\mathrm{\Ω}}^{-1}L\right)\right)}^{-2}\right)=\mathrm{tr}\left({\mathrm{\β}}^2{\left(\mathrm{diag}\left({\mathrm{\Ω}}^{-1}L\right)\right)}^{-2}\right)\\ =\mathrm{tr}\left({\mathrm{\β}}^2{\mathrm{\Ω}}^2{\left(\mathrm{diag}\left(L\right)\right)}^{-2}\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}^2{N}_r{\mathrm{\ω}}_k^2{l}_k^{-2}\end{array}$

接收端经过矩阵A处理后的信号可以表示为：

$\begin{array}{c}r=\mathrm{\β}{\mathrm{AHTB}}^{-1}{s}^{\′}+\mathrm{An}\\ =\mathrm{\β}{P}^H{\mathrm{PLQ}}^{H}Q{\left(\mathrm{diag}\left({\mathrm{\Ω}}^{-1}L\right)\right)}^{-1}{\left(\left({\mathrm{\Ω}}^{-1}L\right){\left(\mathrm{diag}\left({\mathrm{\Ω}}^{-1}L\right)\right)}^{-1}\right)}^{-1}{s}^{\′}+P^{H}n\\ =\mathrm{\β\Ω}{s}^{\′}+{\tilde{n}}^{\′}\end{array}$

其中且则用户k的每一个数据流的接收信噪比为：

${\mathrm{\γ}}_k=\frac{{\mathrm{\β}}^2{\mathrm{\ω}}_k^2}{{\mathrm{\σ}}^2}$

如果用μ_k(k＝1,2,…,K)表示用户k的速率权重因子，则联合传输系统的加权和速率可以表示为：

则在单位平均发射功率下，最大化加权和速率准则下的功率分配问题就转化成最大化上式中的目标函数，即：

$\underset{\mathrm{\Ω}}{\max }\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\left({\mathrm{\μ}}_k{N}_r\log (1+\frac{{\mathrm{\β}}^2{\mathrm{\ω}}_k^2}{{\mathrm{\σ}}^2})\right),\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}^2{N}_r{\mathrm{\ω}}_k^2{l}_k^{-2}\≤1$

上面为一凸优化问题，能够采用对偶分解法来计算。

在高SNR下，log(1+SNR)≈log(SNR)，则上述优化问题可以简化到：

$\underset{\mathrm{\Ω}}{\max }\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\left({\mathrm{\μ}}_k{N}_r\log \left({\mathrm{\ω}}_k^2\right)\right),\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}^2{N}_r{\mathrm{\ω}}_k^2{l}_k^{-2}\≤1$

运用KKT最优化条件，可以得到：

${\mathrm{\ω}}_k=\frac{l_k}{\mathrm{\β}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_k}{N_r\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\μ}}_j}},(k=\mathrm{1,2},...,K)$

因此，在加权和速率最大化准则下的功率分配矩阵

可以得出。同时，本发明的等效线性预编码可以表示为：

$W={\left(\mathrm{AH}\right)}^H{\left(\left(\mathrm{AH}\right){\left(\mathrm{AH}\right)}^H\right)}^{-1}\mathrm{\Ω}={\left(\mathrm{AH}\right)}^H{\left(\left(\mathrm{AH}\right){\left(\mathrm{AH}\right)}^H\right)}^{-1}\frac{1}{\mathrm{\β}}\mathrm{diag}\left(L\right)D$

其中 $\mathrm{\Ω}=\frac{1}{\mathrm{\β}}\mathrm{diag}\left(L\right)D,$ D为一对角矩阵：

在本发明中，由于限定基站发射功率β为定值，因而，无论如何选取Ω，都不会增大或减小发射功率。因此，本发明中功率分配问题就转化为如何对Ω中各元素ω₁,ω₂,L,ω_K的优化取值问题。根据上述分析，可选取：

Ω＝diag(L)D

步骤403：计算预编码相关矩阵、功率约束因子及接收矩阵

在步骤402中，推导出了编码及解码相关矩阵B和T，同时通过分析给出本发明的功率分配矩阵Ω。本发明基于加权和速率最大化的MU-MIMO协作传输中，编码和解码所需相关矩阵、功率约束因子可通过下列各式获得：

B＝Ω^-1L(diag(Ω^-1L))^-1

T＝Q(diag(Ω^-1L))^-1

$\mathrm{\β}=\underset{b=\mathrm{1,2},...,B}{\min }\sqrt{\frac{P_{\mathrm{BS}\_b}}{{\left|\right|T^{\left[b\right]}\left|\right|}_F^2}}$

A＝P^H

$G={\mathrm{\Ω}}^{-1}=\mathrm{diag}({\mathrm{\ω}}_1^{-1},L,{\mathrm{\ω}}_1^{-1},{\mathrm{\ω}}_2^{-1},L,{\mathrm{\ω}}_2^{-1},L,L,{\mathrm{\ω}}_K^{-1},L,{\mathrm{\ω}}_K^{-1})$

图5给出SNR＝20(dB)，系统调度3个用户的速率权重因子分别为μ＝(0.1,0.6,0.3)、μ＝(0.125,0.375,0.5)、μ＝(1/3,1/3,1/3)时的加权和速率性能仿真结果。与BD-GMD-THP、ER-BD-GMD-THP(Equal RateBD-GMD-THP,ER-BD-GMD-THP)协作传输方法相比，无论各调度用户的速率权重因子为多少，本发明都能够获得最佳的加权和速率性能；当各用户速率权重因子相等时，本发明获得与BD-GMD-THP相等的加权和速率性能。仿真结果表明本发明能够使基于BD-GMD-THP的协作传输方法的加权和速率性能得到进一步优化。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种基于加权和速率最大化的多用户MIMO协作传输方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：协作节点通过X2接口交换所有调度用户的信道状态信息(Channel StateInformation,CSI)、数据信息和速率权重因子；

步骤二：协作节点根据这些信息，基于加权和速率最大化准则进行BD-GMD-THP预编码；

步骤三：用户终端接收到信号后，根据协作传输方案，进行相应译码，从而检测出发射信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于加权和速率最大化的多用户MIMO协作传输方法，其特征在于：在步骤一中，调度用户的速率权重因子根据调度策略获得；各协作节点通过用户终端的反馈来获取本节点到调度用户的CSI，并通过X2接口交换本节点到用户终端的CSI、各调度用户的数据信息和速率权重因子等信息。

3.根据权利要求2所述的一种基于加权和速率最大化的多用户MIMO协作传输方法，其特征在于：在步骤二中，具体包括：

1)对所有调度用户的联合信道矩阵H，利用信道正交(Channel Orthogonalization)和几何均值分解方法进行BD-GMD分解，即H＝PLQ^H，其中P为块对角酉矩阵，L为下三角矩阵，Q为酉矩阵；

2)基于加权和速率最大化准则，利用Karush-Kuhn-Tucker(KKT)最优化条件计算功率分配矩阵Ω；

3)协作节点根据得到的L、Q，以及Ω，进行预编码，并计算功率约束因子β。

4.根据权利要求3所述的一种基于加权和速率最大化的多用户MIMO协作传输方法，其特征在于：各用户终端接收到信号后，根据得到的P中对应块以及Ω中对应对角元素和功率约束因子β进行独立解码，从而检测出发射信号。