CN109088659B - 一种多用户下行CoMP中的符号级预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用户下行CoMP中的符号级预编码方法，采用MPSK调制方式；通过基站与用户间的信号系数和目标发送信息，设计两个基站的天线发送预编码矢量控制多用户间及多小区间干扰服务多个用户；对于接收到的有用信号部分，采用有效信号衡量尺度得到接收信号的等效信噪比并作为接收信号的信号质量衡量指标；求解最大化最小等效信噪比问题得到两基站的天线发送预编码矢量，采用用户排除策略寻找最优天线发送信号预编码矢量并与信噪比门限进行比较，确定预编码方案。本发明符号级预编码方案考虑具体发送符号，利用了多用户间干扰的建设性，将传统视为有害的干扰转化为有益因素，降低了接收端的中断概率，提升了系统的吞吐量。

Description

一种多用户下行CoMP中的符号级预编码方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种多用户下行CoMP中的符号级预编码方法。

背景技术

流量爆炸式的增长和终端设备的大量接入对通信系统的数据传输速率和网络覆盖提出个更高的要求。多用户MIMO技术充分利用空间资源，提高了空间复用增益，通过增加天线数可以使系统信道容量成倍的提升。通过大量部署同类型的小基站可以提高频率复用增益，也能够提升整个系统的通信容量。下行多用户MIMO系统中，对于小区内多用户之间的干扰可在基站处采用预编码的方式降低多用户之间的干扰。密集的小小区部署通过复用频率提升了系统容量，同时也带来了小区间的严重干扰。采用CoMP技术，通过多个独立基站的相互协作，可以降低小区间的干扰。对于多用户多小区间的干扰，通过多个基站间相互协作，在基站处采用预编码技术可以减轻或者消除多用户多小区间的干扰。

预编码技术可以划分为线性预编码技术和非线性预编码技术。线性预编码技术由于其复杂性较低，得到了广泛应用。本发明主要讨论线性预编码技术。传统的线性预编码技术利用信道状态此案系的知识来减轻或消除干扰。在信道状态信息不变时，预编码方案不会改变。我们将信道信息保持不变的时间的发送的数据看作一个数据块，每个数据块对应一个预编码方案。这种传统的预编码方案也可以称为块级预编码方案。在预编码设计时既考虑信道状态信息，也关注当前发送的数据信息符号，这种预编码方案被称为符号级预编码。近几年，对于符号级预编码技术的研究日益增加。考虑到干扰不同于噪声不可控，对于具体的发送符号，干扰有时可以是建设性的，通过利用建设性干扰可以增加接收端的接收信号SNR。

下行CoMP预编码处理方式主要分为联合传输(JP)和协作波束成形(CB)。在联合处理模式时基站间共享CSI和发送数据。对于下行CoMP联合处理的模式，可采用联合预编码和联合调度的方式来减轻小区间的干扰。在CB模式中，不同基站CSI和发送数据信息部分共享或不共享。以往的关于CB模式式的研究是考虑基站可知本地基站与所有用户之间的CSI，但不共享发送数据。通过在发射端进行线性预编码如最大化信号泄露和噪声比来处理下行多小区间的干扰。CB模式考虑的是基站间信息交换受限时的情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种多用户下行CoMP中的符号级预编码方法，利用提出符号级预编码下接收信号的衡量尺度，极大提高了系统的吞吐量，大大降低了系统的中断概率。

本发明采用以下技术方案：

一种多用户下行CoMP中的符号级预编码方法，无线传输系统包含两个小区，每个小区的基站配备M根天线，每个基站中服务的用户数量为K，所服务的用户配备有单个天线，且M大于K；采用MPSK调制方式，通过基站与用户间的信号系数和目标发送信息，设计两个基站的天线发送预编码矢量控制多用户间及多小区间干扰服务多个用户；对于接收到的有用信号部分，采用有效信号衡量尺度得到接收信号的等效信噪比，将得到的等效信噪比作为接收信号的信号质量衡量指标；根据等效信噪比和基站p与自身小区内用户i的信道系数

以及基站n与小区p内用户i的信道系数

和目标发送信息d_pi，求解最大化最小等效信噪比问题得到两基站的天线发送预编码矢量x_p，x_n，

为基站p内的用户i处加性高斯白噪声信号；采用用户排除策略寻找最优天线发送信号预编码矢量x_p，x_n并与信噪比门限γ_th进行比较，确定预编码方案。

可选的，包括以下步骤：

S1、两个小区的基站间共享信道状态信息和目标发送数据信息，同时向服务的多个用户发送信息，设置接收信噪比门限γ_th；

S2、根据信道状态信息和发送信息，确定接收信号的衡量尺度和等效信噪比的表达式；

S3、初始化信道状态信息，更新发送数据信息，确定服务用户集合；

S4、求解最优预编码矢量x_p，x_n来最大化所有服务用户中最小的等效信噪比；

S5、采用用户排除策略，将步骤S4得到的最小等效信噪比与信噪比门限γ_th进行比较，寻找最优天线发送信号预编码矢量x_p，x_n作为预编码方案。

可选的，根据所选用的MPSK中具体的调制方式，确定tanθ_Ω如下：

可选的，小区p内用户i接收有用信号的衡量尺度λ_pi如下：

其中，p＝1,2；i＝1,2；p≠n，有用信号为h_ppix_p+h_npix_n。

进一步的，根据衡量尺度λ_pi计算得到等效信噪比EQSNR如下：

其中，σ_pi为小区p内用户i处的噪声方差。

进一步的，小区p内用户i接收信号的表达式为

y_pi＝h_ppix_p+h_npix_n+n_pi

利用小区p内用户i发送的数据信息d_pj，

表示发送数据信息的共轭，其中有用信号为h_ppix_p+h_npix_n。

可选的，采用最大化所有服务用户中最小的等效信噪比方式，根据条件M大于K，利用如下表达式求解最优预编码矢量x_p，x_n：

其中，σ_pi为小区p内用户i处的噪声方差。

进一步的，对于单个基站的发射功率进行最大功率约束：

||x_p||²≤P_p，||x_n||²≤P_n

其中，p＝1,2；i＝1,2；p≠n，P_p表示基站p的最大发射功率，P_n表示基站n的最大发射功率。

进一步的，对于所有基站的发射功率进行最大功率约束：

||x_p||²+||x_n||²≤P_p+P_n

其中，p＝1,2；i＝1,2；p≠n，P_p表示基站p的最大发射功率，P_n表示基站n的最大发射功率。

可选的，采用用户排除策略，当所求最小等效信噪比小于设置的信噪比门限γ_th时，将此用户从服务用户集合中排除，若得到的最小等效信噪比大于信噪比门限γ_th，输出x_p，x_n作为预编码方案。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种多用户下行CoMP中的符号级预编码方法，考虑具体发送符号，利用了多用户间干扰的建设性，将传统视为有害的干扰转化为有益因素，降低了接收端的中断概率，提升了系统的吞吐量，系统模型简单，适用于多个小区协作通信系统。

进一步的，考虑总体设计，不再单独对每个车用户进行预编码，通过基站与用户间的信号系数和目标发送信息，仅仅设计两个基站的天线发送预编码矢量来控制多用户间及多小区间干扰服务多个用户，发送预编码矢量简单。

进一步的，创造性的提出了接收信号的有用信号部分的补充说明计算衡量尺度，确定了衡量符号级预编码接收信号质量的基础。

进一步的，等效信噪比的设置给出了符号级预编码接收信号质量的衡量指标。

进一步的，与现有的符号级预编方案相比，针对MPSK调制信号，本发明去除了目标接收信号要对其到某一相位的约束，提出了等效信噪比的作为接收信号信号质量的衡量指标，扩展了符号级预编码的适用范围。

进一步的，采用最大化所有服务用户中最小的等效信噪比方式求解最优预编码矢量可以有效提高整体所有用户的等效信噪比。

进一步的，采用用户排除策略，在最差用户无法满足信噪比门限时，排除最差用户重新进行预编码，避免了优化空间的浪费。

进一步的，单个基站的发射功率进行最大功率约束设置考虑基站各自提供能量的情况，操作简单，容易实现。

进一步的，对于所有基站的发射功率进行最大功率约束设置考虑基站间可以能量共享的情况，增大了优化空间。

综上所述，与传统的预编码方案，本发明符号级预编码方案考虑具体发送符号，利用了多用户间干扰的建设性，将传统视为有害的干扰转化为有益因素，降低了接收端的中断概率，提升了系统的吞吐量。与现有的符号级预编方案相比，针对MPSK调制信号，本发明去除了目标接收信号要对其到某一相位的约束，提出了等效信噪比的作为接收信号信号质量的衡量指标，扩展了符号级预编码的适用范围。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的系统模型；

图2为本发明所提方案的系统平均吞吐量随发射功率变化图；

图3为用户平均中断概率随发射天线数变化图。

具体实施方式

本发明提供了一种提高多用户下行CoMP传输系统中接收端接收信号质量的符号级预编码方法，所应用的无线传输系统包含两个小区，每个小区的基站配备了M根天线，每个基站中服务的用户数量为K，所服务的用户配备有单个天线，其中，M要大于K；

表示来自基站p与自身小区内的用户i的信道系数，

表示基站n与小区p内的用户i信道系数；

代表基站p内的用户i处加性高斯白噪声信号；两基站的天线发送信号预编码矢量x_p，x_n，其中，p＝1,2；i＝1,2；p≠n。

请参阅图1，本发明一种多用户下行CoMP中的符号级预编码方法，包括以下步骤：

步骤1：两基站共享信道状态信息和数据信息，同时向服务的多个用户发送信息，设置接收信噪比门限γ_th,发送信息符号采用MPSK调制方式；

步骤2：采用符号级预编码的方式，考虑具体发送符号，根据信道状态信息和发送数据信息，确定小区p内用户i接收信号的表达式为

y_pi＝h_ppix_p+h_npix_n+n_pi

利用小区p内用户i发送的数据信息d_pj，

表示发送数据信息的共轭，其中有用信号为h_ppix_p+h_npix_n。

根据所选用的MPSK中具体的调制方式，确定tanθ_Ω如下：

对于小区p内用户i接收有用信号的衡量尺度λ_pi的表达式可以表示为：

其中，p＝1,2；i＝1,2；p≠n，有用信号为h_ppix_p+h_npix_n。

根据所求接收信号的衡量尺度，得到接收信号信号质量的衡量指标为等效信噪比：

其中，σ_pi为小区p内用户i处的噪声方差。

步骤3：初始化信道状态信息，更新发送数据信息，确定服务用户集合；

步骤4：求解最优预编码矢量x_p，x_n来最大化所有服务用户中最小的等效信噪比；

方法一，对于单个基站的发射功率进行最大功率约束：

||x_p ²≤P_p，||x_n ²≤P_n

方法二，对于所有基站的发射功率进行最大功率约束：

||x_p ²+x_n ²≤P_p+P_n

采用最大化所有服务用户中最小的等效信噪比方式，求解最优预编码矢量x_p，x_n，通过提高所有用户中最差用户性能来提高整体性能：

根据条件M大于K，可以将上述表达式等价为如下表达式：

其中，σ_pi为小区p内用户i处的噪声方差。上式目标函数是可以使用凸优化工具CVX进行求解，得到预编码矢量x_p，x_n；

步骤5：若所求最小等效信噪比小于信噪比门限γ_th，意味着将系统无法使所有用户满足信噪比门限要求，此时优化方案中若依旧考虑最差性能用户，将会浪费优化空间，影响其他用户的接收性能，将此最差用户从服务用户集合中排除，重复步骤4；

步骤6：若所求最小等效信噪比大于信噪比门限γ_th，表明现在服务的用户都可以满足信噪比约束，将求解的预编码方案x_p，x_n，作为预编码方案。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的优点可通过以下仿真实验结果进一步说明：

使用蒙特卡罗仿真方法对方法进行10000次以上的独立仿真

测试条件为：所有节点的噪声方差相等且为1，两基站的发射功率相同为P,发射信噪比为P/σ²，结果如图2、图3所示。

图2给出了当M＝8，K＝8时，采用所设计预编码方案和传统的迫零预编码的系统平均吞吐量。对于两个基站的发射功率，我们统一设置为P＝P₁＝P₂。

采用QPSK调制方式。从图中可以看出，平均吞吐量随着发射功率的增加而增加。将设计的预编码方案与传统的迫零预编码方案进行比较，无论是单基站功率约束的方案还是总功率约束的方案，在相同功率下获得的平均吞吐量远大于总功率约束的迫零预编码方案。所设计的总共功率约束方案的平均吞吐量大于单个基站功率约束时的平均吞吐量。

在图2中，比较不同SNR门限约束的性能。从图中可以看出，三种方案中SNR门限为10dB时的平均吞吐量小于SNR门限为5dB时的平均吞吐量。随着发射功率的增加，我们可以看到单基站约束方案和总功率约束方案越来越近。在高SNR的情况下，两者的中断概率相近。综上所示，两种功率约束下的设计方案均优于迫零预编码方案。

在图3中显示了系统的平均中断概率随基站天线数的变化。固定每个小区内服务用户K＝8，P/σ²＝10dB,我们将所提出的单基站功率约束方案和迫零预编码方案相比较。从图中可以看出平均中断概率随着天线数量的增加而减小。所设计方案的平均中断概率的曲线总是在迫零预编码方案下，所设计方案的中断概率要小于传统的迫零预编码方案。随着基站天线数量的增加，所设计符号级预编码方案和迫零预编码方案中断概率曲线越来越接近。这是由两个原因造成的。

首先，天线数量的增加使得接收端的信噪比增加，中断的概率均会降低，两者之间的差值减小。

其次，随着天线数量的增加，通过符号级预编码优化的空间远小于天线数增加带来的信道增益。

综上所述，天线数的增加会影响使所设计预编码方案与迫零预编码方案性能差距减少，但所设计方案依旧优于迫零预编码方案。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多用户下行CoMP中的符号级预编码方法，其特征在于，无线传输系统包含两个小区，每个小区的基站配备M根天线，每个基站中服务的用户数量为K，所服务的用户配备有单个天线，且M大于K；采用MPSK调制方式，通过基站与用户间的信号系数和目标发送信息，设计两个基站的天线发送预编码矢量控制多用户间及多小区间干扰服务多个用户；对于接收到的有用信号部分，采用有效信号衡量尺度得到接收信号的等效信噪比，将得到的等效信噪比作为接收信号的信号质量衡量指标；根据等效信噪比和基站p与自身小区内用户i的信道系数

以及基站n与小区p内用户i的信道系数

和目标发送信息d_pi，求解最大化最小等效信噪比问题得到两基站的天线发送预编码矢量x_p，x_n，

为基站p内的用户i处加性高斯白噪声信号；采用用户排除策略寻找最优天线发送信号预编码矢量x_p，x_n并与信噪比门限γ_th进行比较，确定预编码方案，包括以下步骤：

S1、两个小区的基站间共享信道状态信息和目标发送数据信息，同时向服务的多个用户发送信息，设置接收信噪比门限γ_th；

S2、根据信道状态信息和发送信息，确定接收信号的衡量尺度和等效信噪比的表达式，小区p内用户i接收有用信号的衡量尺度λ_pi如下：

其中，p＝1,2；i＝1,2；p≠n，有用信号为h_ppix_p+h_npix_n；

S3、初始化信道状态信息，更新发送数据信息，确定服务用户集合；

S4、求解最优预编码矢量x_p，x_n来最大化所有服务用户中最小的等效信噪比；

S5、采用用户排除策略，将步骤S4得到的最小等效信噪比与信噪比门限γ_th进行比较，寻找最优天线发送信号预编码矢量x_p，x_n作为预编码方案；具体为：采用用户排除策略，当所求最小等效信噪比小于设置的信噪比门限γ_th时，将此用户从服务用户集合中排除，若得到的最小等效信噪比大于信噪比门限γ_th，输出x_p，x_n作为预编码方案。

2.根据权利要求1所述的多用户下行CoMP中的符号级预编码方法，其特征在于，根据所选用的MPSK中具体的调制方式，确定tanθ_Ω如下：

3.根据权利要求1所述的多用户下行CoMP中的符号级预编码方法，其特征在于，根据衡量尺度λ_pi计算得到等效信噪比EQSNR如下：

其中，σ_pi为小区p内用户i处的噪声方差。

4.根据权利要求1所述的多用户下行CoMP中的符号级预编码方法，其特征在于，小区p内用户i接收信号的表达式为

y_pi＝h_ppix_p+h_npix_n+n_pi

。

5.根据权利要求1所述的多用户下行CoMP中的符号级预编码方法，其特征在于，采用最大化所有服务用户中最小的等效信噪比方式，根据条件M大于K，利用如下表达式求解最优预编码矢量x_p，x_n：

其中，σ_pi为小区p内用户i处的噪声方差。

6.根据权利要求5所述的多用户下行CoMP中的符号级预编码方法，其特征在于，对于单个基站的发射功率进行最大功率约束：

||x_p||²≤P_p，||x_n||²≤P_n

其中，p＝1,2；i＝1,2；p≠n，P_p表示基站p的最大发射功率，P_n表示基站n的最大发射功率。

7.根据权利要求5所述的多用户下行CoMP中的符号级预编码方法，其特征在于，对于所有基站的发射功率进行最大功率约束：

||x_p||²+||x_n||²≤P_p+P_n

其中，p＝1,2；i＝1,2；p≠n，P_p表示基站p的最大发射功率，P_n表示基站n的最大发射功率。

Images