CN105450276A - 一种协作通信中基于历史轨迹的预编码方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种协作通信中基于历史轨迹的预编码装置，包括：回程接口、预编码器、历史轨迹记录器，利用预编码器的历史轨迹对当前的错误构造值进行校正，这样就减小协作系统里非理想回程所带来的影响，减小信道间干扰和用户间干扰，实验结果说明该方法最大可以减小一半的信道间干扰和用户间干扰。本发明的装置可以通过历史轨迹来校正错误的预编码器，改进预编码器的准确性，从而降低不完整的信道状态信息(CSI)对预编码错误的影响，减小协作通信系统中因此导致的信道间干扰和用户间干扰。

Description

一种协作通信中基于历史轨迹的预编码方法和装置

技术领域

本发明涉及无线宽带通信技术领域，特别涉及一种协作通信中基于历史轨迹的预编码方法和装置

背景技术

无线宽带通信技术的高速发展对无线网络提出更高的容量需求，2000年至2010年间，无论是蜂窝网或近距离无线通信，其容量都增加了30-50倍；第五代移动通信(5G)的提出是为了满足相对于现在1000倍的通信容量需求的增长，行业广泛预测5G将在2020年部署。协作通信可以提高系统容量和分集性能、提高信号覆盖范围，从而提高蜂窝边缘用户的数据速率和蜂窝系统的整体性能。

典型的协作通信要求各个协作节点通过一条回程(Backhaul)来共享信道状态信息(CSI)，协作节点通过共享的CSI构造发送字符的预编码器，以减小协作系统中的信道间干扰和用户间干扰，构造预编码器的最典型方法是采用迫零波束成形法，理想的迫零波束成形预编码器可以将信道间干扰和用户间干扰减小为零。然而在实际系统中，由于回程具有带宽受限性和延时性，所以各个协作节点所获得的CSI是不完整的，使用不完整的CSI构造的预编码器会存在错误，从而产生信道间干扰和用户间干扰。

2013年NEC公司P.Rost在“IEEETransactionsonWirelessCommunications”期刊发表题为“Robustandefficientmulti-cellcooperationunderimperfectCSIandlimitedbackhaul”的文章，提出一种通过不对称分配上下行链路的方法，来减小因为不完整CSI导致协作系统中存在的蜂窝间干扰。该方法基于一个非对称的小蜂窝模型和Slepian-Wolf编码。所提出方法的主要思想是非对称地向通信系统的一对发送和接收组分配上行和下行链路。通过设置某个通信对在上行链路，而设置其相邻近的通信对在下行链路。与对称模型相比，该方法可以获得非常特殊的非对称信道间干扰(ICI)。基于非对称的ICI，协作多点系统可以更大可能地针对差分干扰模型，挖掘更多有用的信道属性，并且可以动态地适应不同蜂窝的流量需求。

2015年S.Lagen，A.Agustin和J.Vidal在“IEEETransactionsonWirelessCommunications”期刊发表题为“DecentralizedCoordinatedPrecodingforDenseTDDSmallCellNetworks”的文章，针对基于TDD模式的协作小蜂窝系统提出一种分散预编码机制，虽然该机制也考虑了基站端具有不准确CSI的情况，但其只能适用于时分复用(TDD)系统和分散协作(所指的分散协作是指没有一个中心单元的协作系统，所有预编码计算在各个协作节点完成的协作系统)。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，利用预编器的历史轨迹，对当前预编器进行校正，改进提高预编码器的准确性，进而减小协作通信系统中的用户间干扰和信道间干扰，提供一种协作通信中基于历史轨迹的预编码方法和装置。

本发明的目的通过如下技术方案实现：一种协作通信中基于历史轨迹的预编码方法，假设有M个协作节点和N个用户的协作通信系统，每个基站有L根天线，令

$W_i={\[w_{1i}^H...w_{Mi}^H\]}^H,i=1,...,N$

表示所有协作节点向第i个用户发送数据时采用的全局预编码向量，式中，上标“H”表示共轭转置，w_ji,j＝1,...,M,是全局向量W_i中的元素，表示第j个基站向第i个用户发送数据时需要的局部预编码向量，并且 表示第j个基站的第k根天线向第i个用户发送数据时预编码器；

令表示在t时刻发送给第i个用户的字符，协作节点发送所需要的全局预编码向量，由于回程具有带宽受限性和延时性，导致回程接口传递给预编码器的信道状态信息(CSI)不完整，导致在t时刻预编码器构造错误的全局预编码向量标记此错误构造的为令表示在t时刻，对发送字符进行预编码器构造时，对应于第j个基站到第i个用户信道向量的错误反馈值，则的构造方法为：令 ${\tilde{A}}_{ji}^t=\[{\tilde{h}}_{1i}^t...{\tilde{h}}_{(j-1)i}^t{\tilde{h}}_{(j+1)i}^t...{\tilde{h}}_{Mi}^t\];$ 计算 ${\tilde{A}}_{ji}^{t\⊥}=\[I-{\tilde{A}}_{ji}^t{\tilde{A}}_{ji}^{t+}\],$ 式中 ${\tilde{A}}_{ji}^{i+}={\left({\tilde{A}}_{ji}^i{\left({\tilde{A}}_{ji}^i\right)}^H\right)}^{-1}{\left({\tilde{A}}_{ji}^t\right)}^H;$ 令 ${\tilde{W}}_i^t=\[{\tilde{A}}_{1i}^{t\⊥}...{\tilde{A}}_{Mi}^{t\⊥}\],$ 构造后，与历史轨迹比较，并利用算法进行计算，获得校正后的波束成形向量所述的历史轨迹是指t-1和t-2时刻获得校正后的波束成形向量和

所述的获得校正后的波束成形向量的算法步骤如下：

步骤S1、初始化：

S11、当t＝1,2时，循环运算；

S12、通过回程接口要求协作网络初始化，此时所有协作节点的通信带宽仅用于传输回程的CSI数据(称之为独享回程带宽)。协作节点利用训练序列和所述独享回程带宽获得准确的

S13、释放独享回程带宽：由于使用独享回程带宽，所以初始化的两个预编码器假设是准确的；

步骤S2、计算：

S21、当t≥3时，循环运算；

S22、计算获得t时刻所构造的错误预编码向量和在t-1时刻最终所使用的预编码向量的差：

${\tilde{D}}_i^t={\tilde{W}}_i^t-{\hat{W}}_i^{t-1},$

的值实际上包括了到的实际改变量和错误量；

S23、计算获得和在t-2时刻最终所使用的预编码向量的差： 的方向是历史t-1时刻到t-2时刻预编码向量改变的历史轨迹；

S24、将投射到预编码向量改变的历史轨迹，即投射到的方向。投射的操作通过内积运算来获得，即

$\mathrm{\Δ}{\hat{W}}_i^t=\frac{{\tilde{D}}_i^t\⊗\left({\mathrm{\ΔW}}_i^{t-1}\right)}{\left|\right|{\mathrm{\ΔW}}_i^{t-1}|{|}_F},$

式中表示内积运算符，“||||_F”表示Frobenius范数，将投射到历史轨迹后，所得到的保留了中到的实际改变量，但消除了中所包含的错误量；

S25、由于保留了中到的实际改变量，所以将加上作为最终的值，即

${\hat{W}}_i^t={\hat{W}}_i^{t-1}+\mathrm{\Δ}{\hat{W}}_i^t;$

步骤S3、记录作为下一时刻的历史轨迹，并将作为最终发送字符的预编码向量。

本发明的另一目的通过如下技术方案实现：一种协作通信中基于历史轨迹的预编码装置，包括：回程接口、预编码器、历史轨迹记录器，图中箭头表示数据流方向，部件的功能叙述如下：

回程接口：负责接收其它协作节点发送过来的CSI数据，并要求协作网络初始化，其接收到所有协作节点发送过来的CSI数据后，传递给预编码器；

预编码器：接收回程接口收到的到所有协作节点发送过来的CSI数据后，传递给预编码器，预编码器的功能是基于所获得的CSI构造预编码向量，并发送给历史轨迹记录器，然后等待并接收历史轨迹记录器返回的经过校正后的预编码向量，并将该校正后的向量作为最终的预编码向量；

历史轨迹记录器：获得预编码器传送过来的迫零波束成形向量后，与历史轨迹比较，并利用协作通信中基于历史轨迹的预编码方法进行计算，获得校正后的波束成形向量，并返回给预编码器。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明的方法和装置可以通过历史轨迹来校正错误的预编码器，改进预编码器的准确性，从而降低不完整的信道状态信息(CSI)对预编码错误的影响，减小协作通信系统中因此导致的信道间干扰和用户间干扰。

2、本发明利用预编码器的历史轨迹对当前的错误构造值进行校正，这样就减小协作系统里非理想回程所带来的影响，减小信道间干扰和用户间干扰，实验结果说明该方法最大可以减小一半的信道间干扰和用户间干扰。

附图说明

图1为本发明所述的协作通信中基于历史轨迹的预编码装置示意图。

图2为角度随时间变化情况：假设时变平坦衰落信道，回程SINR＝0dB，R_s＝3000字符/秒，f_d＝50Hz。

图3为单个信道向量幅值随时间变化情况：假设时变平坦衰落信道，回程信干比(SINR)＝0dB，字符率R_s＝3000字符/秒，多普勒频移f_d＝50Hz。

图4信道实际变化方向与历史轨迹相同的校正投影。

图5信道实际变化方向与历史轨迹相反的校正投影。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

一种协作通信中基于历史轨迹的预编码装置，如图1所示，包括：回程接口、预编码器、历史轨迹记录器，图中箭头表示数据流方向，部件的功能叙述如下：

回程接口：负责接收其它协作节点发送过来的CSI数据，并要求协作网络初始化，其接收到所有协作节点发送过来的CSI数据后，传递给预编码器；

预编码器：接收回程接口收到的到所有协作节点发送过来的CSI数据后，传递给预编码器，预编码器的功能是基于所获得的CSI构造预编码向量，并发送给历史轨迹记录器，然后等待并接收历史轨迹记录器返回的经过校正后的预编码向量，并将该校正后的向量作为最终的预编码向量；

历史轨迹记录器：获得预编码器传送过来的迫零波束成形向量后，与历史轨迹比较，并利用协作通信中基于历史轨迹的预编码方法进行计算，获得校正后的波束成形向量，并返回给预编码器。

具体实施设计中，所发明装置包含的三个部件可以独立或整体部署，而部件的部署方案则根据协作系统的拓扑结构，及协作节点的运算和存储能力，回程物理链路的带宽和延时所决定。

在基站和基站控制器组成的无线接入协作系统中，基站控制器相对基站具有较高的运算和存储能力，并且与所有跨蜂窝协作节点有直接连接的物理链路，所以预编码器和历史轨迹记录器一般部署在基站控制器，这样有利于减小回程传输延时，并且提高计算速度；而回程接口则需要部署在每个协作节点。

如果各个基站也具有一定的计算能力和存储能力，且基站相互之间相对于基站到基站控制器之间的物理链路的带宽和延时差别不大，此时也可考虑将三个部件作为一个整体装置部署在各个协作节点，这样可以分散基站控制器所承担的计算和存储负荷。这种情况下所发明的装置相对的配置可以降低。

在5G网络的小蜂窝协作系统中，所发明装置的预编码器和历史轨迹记录器一般装备在宏蜂窝基站，同理，回程接口分散装备在宏蜂窝和各个协作小蜂窝节点。然而，如果小蜂窝之间相对于小蜂窝到宏蜂窝之间的物理链路的带宽和延时差别不大，并且小蜂窝具有一定的运算存储能力，则可以将所发明装置作为一个整体装备在各个协作节点(即包括宏蜂窝和所有参与协作的小蜂窝)。

在协作通信系统中，协作节需要一条回程来共享CSI数据，进而根据所共享的CSI数据来构造预编码向量。由于非理想回程所具有的带宽受限性和延时性，从协作网络中通过回程传递给协作节点的CSI数据是不完整的，由于预编码向量基于不完整的CSI构造，所以所构造的预编码向量是错误的，使用错误的预编码向量对发送信号进行预编码后，信道间和用户间的信号互相产生干扰。本发明旨在解决该问题，利用预编码器的历史轨迹对当前的错误构造值进行校正，这样就减小协作系统里非理想回程所带来的影响，减小信道间干扰和用户间干扰，实验结果说明该方法最大可以减小一半的信道间干扰和用户间干扰。

设计原理陈述如下：

基于全局预编码向量W_i的构造方法，W_i实际上可以理解为各个w_ji,j＝1,...,M，的并集。换句话说，可以将W_i表示为

$W_i=w_{1i}^H\∪w_{2i}^H...\∪w_{Mi}^H---\left(1.2\right)$

其中表示第j个基站的第j根天线发送数据到第i个用户的预编码向量；并且w_ji由构造而成。所以，可以进一步将W_i表达为

$W_i=A(h_{1i}^1...h_{1i}^L...h_{Mi}^1...h_{Mi}^L)---\left(1.3\right)$

式中矩阵A对应于一个线性变换。上式表示W_i的值取决于并且W_i可以表示为变量为的一个函数。从而，可以使用单个时变信号的属性来描述W_i的属性。令表示的错误反馈，图2和图3针对单个时变信道，并不失一般性，考虑一个抽头(即平坦衰落)，分别解释信道向量的幅值和角度随着时间变化的情况。

如图3所示，即使信道实际变化方向与历史轨迹相反，两者之间的夹角仍然接近180度，即实际变化方向与历史轨迹仍然在同一直线上。所以，如图4，图5所示，无论信道实际变化方向与历史轨迹相同或相反，如果字符率足够高(即采样时间足够小)，则在的切线方向指向通过参考图2和图3，可知单个信道是平滑变化的，所以可以将的切线方向近似为如此，通过将向量投射到可以获得信道在t-1至t时刻优化后的一个变化量且

${\left({\hat{h}}_{ji}^k\right)}^t={\left({\hat{h}}_{ji}^k\right)}^{t-1}+\mathrm{\Δ}{\left({\hat{h}}_{ji}^k\right)}^t---\left(1.4\right)$

基于式(1.2)和(1.3)，显然可以将的切线方向近似为其中由来构造。同理基于式(1.2)和(1.3)，可以将和之间的错误变化量投射到的方向，以此作为和之间的实际变化量的近似计算，的方向可用单位向量来表示，而投射可通过内积运算来完成。基于该方法可以得到

$\mathrm{\Δ}{\hat{W}}_i^t=\frac{{\tilde{D}}_i^t\⊗\left({\mathrm{\ΔW}}_i^{t-1}\right)}{\left|\right|{\mathrm{\ΔW}}_i^{t-1}|{|}_F},{\hat{W}}_i^t={\hat{W}}_i^{t-1}+\mathrm{\Δ}{\hat{W}}_i^t---\left(1.5\right)$

式(1.5)即为历史轨迹记录器利用历史轨迹来校正当前预编码器错误的理论依据(参见发明内容中步骤S24、S25)。

本发明的效果：可以将因非理想回程导致的预编码器错误、信道间和用户间干扰分别减小至原值的一半。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种协作通信中基于历史轨迹的预编码方法，其特征在于：

假设有M个协作节点和N个用户的协作通信系统，每个基站有L根天线，令

$W_i={\[w_{1i}^H...w_{Mi}^H\]}^H,i=1,...,N$

表示所有协作节点向第i个用户发送数据时采用的全局预编码向量，式中，上标“H”表示共轭转置，w_ji,j＝1,...,M,是全局向量W_i中的元素，表示第j个基站向第i个用户发送数据时需要的局部预编码向量，并且 表示第j个基站的第k根天线向第i个用户发送数据时预编码器；

令表示在t时刻发送给第i个用户的字符，是协作节点发送所需要的全局预编码向量，由于回程具有带宽受限性和延时性，导致回程接口传递给预编码器的信道状态信息不完整，导致在t时刻预编码器构造错误的全局预编码向量标记此错误构造的为令表示在t时刻，对发送字符进行预编码器构造时，对应于第j个基站到第i个用户信道向量的错误反馈值，则的构造方法为：

令 ${\tilde{A}}_{ji}^t=\[{\tilde{h}}_{1i}^t...{\tilde{h}}_{(j-1)i}^t{\tilde{h}}_{(j+1)i}^t...{\tilde{h}}_{Mi}^t\];$ 计算 ${\tilde{A}}_{ji}^{t\⊥}=\[I-{\tilde{A}}_{ji}^t{\tilde{A}}_{ji}^{t+}\],$ 式中 ${\tilde{A}}_{ji}^{t+}={\left({\tilde{A}}_{ji}^t{\left({\tilde{A}}_{ji}^t\right)}^H\right)}^{-1}{\left({\tilde{A}}_{ji}^t\right)}^H;$ 令构造后，与历史轨迹比较，并利用算法进行计算，获得校正后的波束成形向量所述的历史轨迹是指t-1和t-2时刻获得校正后的波束成形向量和

所述的获得校正后的波束成形向量的算法步骤如下：

S1、初始化，包括以下分步骤：

S11、当t＝1,2时，循环运算；

S12、通过回程接口要求协作网络初始化，此时所有协作节点的通信带宽仅用于传输回程的信道状态信息数据，称之为独享回程带宽，协作节点利用训练序列和所述独享回程带宽获得准确的

S13、释放独享回程带宽：由于使用独享回程带宽，所以初始化的两个预编码器假设是准确的；

步骤S2、计算，包括以下分步骤：

S21、当t≥3时，循环运算；

S22、计算获得t时刻所构造的错误预编码向量和在t-1时刻最终所使用的预编码向量的差：

${\tilde{D}}_i^t={\tilde{W}}_i^t-{\hat{W}}_i^{t-1},$

的值实际上包括了到的实际改变量和错误量；

S23、计算获得和在t-2时刻最终所使用的预编码向量的差： 的方向是历史t-1时刻到t-2时刻预编码向量改变的历史轨迹；

S24、将投射到预编码向量改变的历史轨迹，即投射到的方向，投射的操作通过内积运算来获得，即

$\mathrm{\Δ}{\hat{W}}_i^t=\frac{{\tilde{D}}_i^t\⊗\left({\mathrm{\ΔW}}_i^{t-1}\right)}{\left|\right|{\mathrm{\ΔW}}_i^{t-1}|{|}_F},$

式中表示内积运算符，“||||_F”表示Frobenius范数，将投射到历史轨迹后，所得到的保留了中到的实际改变量，但消除了中所包含的错误量；

S25、由于保留了中到的实际改变量，所以将加上作为最终的值，即

${\hat{W}}_i^t={\hat{W}}_i^{t-1}+\mathrm{\Δ}{\hat{W}}_i^t;$

步骤S3、记录作为下一时刻的历史轨迹，并将作为最终发送字符的预编码向量。

2.一种协作通信中基于历史轨迹的预编码装置，其特征在于包括：

回程接口：负责接收其它协作节点发送过来的信道状态信息数据，并要求协作网络初始化，其接收到所有协作节点发送过来的信道状态信息数据后，传递给预编码器；

预编码器：接收回程接口收到的到所有协作节点发送过来的信道状态信息数据后，传递给预编码器，预编码器的功能是基于所获得的信道状态信息构造预编码向量，并发送给历史轨迹记录器，然后等待并接收历史轨迹记录器返回的经过校正后的预编码向量，并将该校正后的向量作为最终的预编码向量；

历史轨迹记录器：获得预编码器传送过来的迫零波束成形向量后，与历史轨迹比较，并利用协作通信中基于历史轨迹的预编码方法进行计算，获得校正后的波束成形向量，并返回给预编码器。