CN110601734A - 基于非理想csi的回程容量受限c-ran中联合预编解码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了移动通信领域内的基于非理想CSI的回程容量受限C‑RAN中联合预编解码方法，按以下步骤进行：1）系统中所有无线射频单元从各自服务的用户设备获取非理想CSI，并传送给基带处理单元；2）基带处理单元计算各无线射频单元的预编码矩阵以及各用户设备的解码矩阵，将预编码后的基带信号通过有限容量的回程链路发送给无线射频单元，并将解码矩阵反馈给用户设备；3）用户设备通过无线信道接收由无线射频单元转发来的信号，并根据反馈的解码矩阵处理接收信号，本发明提供了回程容量受限情况下基于非理想CSI的联合编解码方法，该方法能有效提高信道容量，可用于移动通信中。

Description

基于非理想CSI的回程容量受限C-RAN中联合预编解码方法

技术领域

本发明涉及一种编解码方法，具体的说是一种基于非理想CSI的回程容量受限C-RAN中联合预编解码方法，属于移动通信技术领域。

背景技术

随着无线通信技术的迅速发展，移动通信设备和用户的设备使用习惯都已经发生的巨大改变。用户数量的暴增以及用户对数据和服务质量的需求，对现有无线通信系统产生了巨大的压力，这对下一代无线通信系统提出了新的要求。云无线接入网络(C-RAN，Cloud radio access network)作为下一代无线通信系统的关键技术之一，已经受到了广泛的关注。大量的研究表明，这项技术在抑制干扰、节约能耗和分配网络资源等方面具有显著的优势。由于物联网的快速发展、用户设备的暴增，这项技术面临的挑战愈发突出，C-RAN更容易受到回程容量受限和非理想信道状态信息(CSI，Channel state information)的影响。因此，在回程容量受限和非理想CSI的情况下，将预编码与解码的联合设计作为发明的方向是有价值的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于非理想CSI的回程容量受限C-RAN中联合预编解码方法，克服回程容量受限和非理想CSI的影响，同时联合设计预编码和解码矩阵，有效提高用户的可达和速率。

本发明的目的是这样实现的：一种基于非理想CSI的回程容量受限C-RAN中联合预编解码方法，基于C-RAN，包括一个基带处理单元和M个无线射频单元，每个无线射频单元服务一个用户设备，系统中各无线射频单元的天线数为n_T，各用户设备的天线数为n_R；基带处理单元和无线射频单元之间的回程容量受到限制，无线射频单元与用户设备之间的无线信道只能获取非理想CSI；基带处理单元联合设计发送预编码矩阵和接收解码矩阵，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1)所有无线射频单元从各自服务的用户设备获取非理想CSI，并传送给基带处理单元；

步骤2)基带处理单元计算各无线射频单元的预编码矩阵以及各用户设备的解码矩阵，将预编码后的基带信号通过有限容量的回程链路发送给无线射频单元，并将解码矩阵反馈给用户设备；

步骤3)用户设备根据步骤2)中的反馈的解码矩阵接收信号。

作为本发明的进一步限定，在步骤1)中，所述非理想信道按照如下方式建模：系统中各无线射频单元的天线数为n_T，各用户设备的天线数为n_R，定义H_ij表示第i个无线射频单元与第j个用户设备之间的信道矩阵，将其建模为其中表示信道H_ij的估计值，E_ij表示信道的估计误差矩阵。基带处理单元通过发送相关矩阵R_ij和接收相关矩阵T_ij计算估计信道和信道估计误差：

其中，H_iid,ij为n_R×n_T的随机矩阵，其元素是均值为零，方差为1-δ_ij的独立同分布的复高斯随机变量，E_w,ij为n_R×n_T的随机矩阵，其元素是均值为零，方差为δ_ij的复高斯随机变量；

s_i表示基带处理单元的发送到第i个无线射频单元的发送信号，其元素均值为零，方差为1；基带处理单元预编码后的发送信号表示为x_i＝F_is_i，F_i表示预编码矩阵；由于回程容量受限，x_i需要被压缩后通过回程链路；q_i表示通过回程链路时的压缩过程中产生的量化噪声，无线射频单元的接收信号表示为n_i表示无线信道中的噪声，其元素方差为δ_n，总噪声表示为

其中，第一项表示由于估计误差产生的无用信号，第二项表示相邻无线射频单元的干扰，第三、四项表示量化噪声产生的影响；

总噪声的协方差矩阵记为预编码矩阵F_i满足发送功率限制tr{F_iF_i ^H}≤P_i，P_i表示第i个无线射频单元的发送功率；q_i的协方差矩阵表示为x_i的协方差矩阵表示为D_i＝E{x_ix_i ^H}；回程容量限制表示为：

其中，C_i表示第i个无线射频单元的回程容量约束，表示n_R×n_R的单位阵。

作为本发明的进一步限定，在步骤2)中，所述基带处理单元计算发送预编码矩阵和接收解码矩阵按如下步骤进行：

(2-1)计算信道估计矩阵设定收敛判决门限ε，迭代n次的预编码矩阵表示为F_i ⁽ⁿ⁾，令n＝0，初始化发送预编码矩阵F_i＝F_i ⁽⁰⁾，初始预编码矩阵满足功率限制和回程容量限制，其中i＝1,2,…,M；

(2-2)计算量化噪声的协方差矩阵Q_i，并根据相关矩阵R_ij和T_ij计算总噪声协方差矩阵其中i＝1,2,…,M；

(2-3)根据上述信道估计矩阵、发送预编码矩阵、量化噪声的协方差矩阵和总噪声的协方差矩阵计算接收解码矩阵G_i和过渡系数d_i，其中i＝1,2,…,M；

(2-4)计算系数α_i和拉格朗日乘数μ_i，μ_i为功率的倒数与过渡系数d_i的乘积，其中，i＝1,2,…,M；

(2-5)根据总噪声协方差矩阵系数α_i、接收解码矩阵G_i和拉格朗日乘数μ_i，计算n+1次的预编码矩阵F_i，其中i＝1,2,…,M；

(2-6)判断||F_i ⁽ⁿ⁺¹⁾-F_i ⁽ⁿ⁾||_F≤ε是否成立，若成立，则程序终止，输出符合条件的迭代次数对应的F_i和G_i，若不成立则令F_i ⁽ⁿ⁺¹⁾＝F_i ⁽ⁿ⁾返回步骤(c)，其中||·||_F表示弗罗贝尼乌斯范数。

作为本发明的进一步限定，步骤(2-2)中计算量化噪声和总噪声的协方差矩阵按如下方法进行：表示n_T×n_T的单位阵。令其中λ_i表示量化噪声系数它的取值在[0，1]之间。由回程容量限制通过二分法计算得到λ_i。总噪声的协方差矩阵由信道估计误差的方差δ_ij、相关矩阵T_ij和R_ij、量化噪声的协方差矩阵Q_i以及发送信号的协方差矩阵D_i通过矩阵的相乘、矩阵的迹以及求和运算得到。

作为本发明的进一步限定，步骤(2-4)中计算接收解码矩阵G_i和过渡系数d_i按如下方法进行：其中r_i表示的秩；过渡系数表示为：

作为本发明的进一步限定，步骤(2-4)中计算系数α_i和拉格朗日乘数μ_i按以下步骤进行：首先计算系数α_i，α_i通过解码矩阵G_i、接收端相关矩阵R_ii、总噪声的协方差矩阵的逆、信道估计矩阵和预编码矩阵F_i相乘并求迹得到，最后计算拉格朗日乘数μ_i，μ_i通过过渡系数除以第i个无线射频单元的功率得到。

作为本发明的进一步限定，步骤(2-5)中计算预编码矩阵F_i按如下方法：首先计算过渡矩阵A_i，A_i根据相关矩阵T_ij、信道估计误差的方差、来自其他无线射频单元的干扰信道的估计其他用户设备的解码矩阵G_j、发送信号的协方差矩阵通过矩阵的转置、相乘和求和运算得到，接着对过渡矩阵求逆运算，再左乘信道估计矩阵的转置和解码矩阵G_i得到预编码矩阵F_i。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本方法在现有技术的基础上，揭示了回程容量和发送接收端的天线相关性带来的影响；本方法联合设计预编码矩阵和解码矩阵，达到了在回程容量受限的条件下提高系统信道容量的效果。

附图说明

图1为本发明所使用的回程容量受限的C-RAN系统示意图。

图2为基于非理想CSI的回程容量受限C-RAN中联合预编解码方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，具有M个无线射频单元和一个基带处理单元以及与无线射频单元一一对应的M个用户设备的C-RAN系统。其中无线射频单元与基带处理单元间的回程链路容量受限，到第i个无线射频单元的回程链路的回程容量为C_i。第i无线射频单元与第j个用户设备之间的无线信道表示为H_ij。图中有用信号表示为实线，无用信号为虚线。基带信号在基带处理单元预编码，被压缩后通过有限容量的回程链路发送给无线射频单元。无线射频单元收到信号后通过无线信道转发给所服务的用户终端；用户终端根据基带处理单元反馈的解码矩阵进行解码。

如图2所示，本发明实施例提供的一种基于非理想CSI的回程容量受限C-RAN中联合预编解码方法，包括以下步骤。

步骤101：所有无线射频单元从各自服务的用户设备获取非理想CSI，并传递给基带处理单元。

步骤102：计算信道估计矩阵设定收敛判决门限ε，令n＝0，迭代n次的预编码矩阵为F_i ⁽ⁿ⁾，初始化发送预编码向量F_i＝F_i ⁽⁰⁾，并满足功率限制tr(F_iF_i ^H)≤P_i，和回程容量限制其中，C_i表示第i个无线射频单元的回程容量约束，i＝1,2,…,M。

步骤103：根据容量限制通过二分法和回程容量限制计算Q_i，并根据相关矩阵R_ij和T_ij计算总噪声协方差矩阵其中i＝1,2,…,M，表示n_R×n_R的单位阵，其中λ_i表示量化噪声系数，它的取值在[0，1]之间，由通过二分法计算得到λ_i；

步骤104：计算接收解码矩阵和过渡系数d_i，

其中，i＝1,2,…,M。

步骤105：计算系数α_i和拉格朗日乘数μ_i，其中i＝1,2,…,M，

步骤106：根据总噪声协方差矩阵系数α_i和拉格朗日乘数μ_i，计算第n+1次的预编码矩阵F_i，其中i＝1,2,…,M；

步骤107：判断||F_i ⁽ⁿ⁺¹⁾-F_i ⁽ⁿ⁾||_F≤ε是否成立，若判断结果为是则程序终止；若为否则令F_i ⁽ⁿ⁺¹⁾＝F_i ⁽ⁿ⁾返回步骤103。

步骤108：输出迭代得出的F_i和G_i。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于非理想CSI的回程容量受限C-RAN中联合预编解码方法，基于C-RAN，包括一个基带处理单元和M个无线射频单元，每个无线射频单元服务一个用户设备，系统中各无线射频单元的天线数为n_T，各用户设备的天线数为n_R；基带处理单元和无线射频单元之间的回程容量受到限制，无线射频单元与用户设备之间的无线信道只能获取非理想CSI；基带处理单元联合设计发送预编码矩阵和接收解码矩阵，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1)所有无线射频单元从各自服务的用户设备获取非理想CSI，并传送给基带处理单元；

步骤2)基带处理单元计算各无线射频单元的预编码矩阵以及各用户设备的解码矩阵，将预编码后的基带信号通过有限容量的回程链路发送给无线射频单元，并将解码矩阵反馈给用户设备；

步骤3)用户设备根据步骤2)中的反馈的解码矩阵接收信号。

2.根据权利要求1所述的基于非理想CSI的回程容量受限C-RAN中联合预编解码方法，其特征在于，在步骤1)中，所述非理想信道按照如下方式建模：系统中各无线射频单元的天线数为n_T，各用户设备的天线数为n_R，定义H_ij表示第i个无线射频单元与第j个用户设备之间的信道矩阵，将其建模为其中表示信道H_ij的估计值，E_ij表示信道的估计误差矩阵。基带处理单元通过发送相关矩阵R_ij和接收相关矩阵T_ij计算估计信道和信道估计误差：

其中，H_iid,ij为n_R×n_T的随机矩阵，其元素是均值为零，方差为1-δ_ij的独立同分布的复高斯随机变量，E_w,ij为n_R×n_T的随机矩阵，其元素是均值为零，方差为δ_ij的复高斯随机变量；

s_i表示基带处理单元的发送到第i个无线射频单元的发送信号，其元素均值为零，方差为1；基带处理单元预编码后的发送信号表示为x_i＝F_is_i，F_i表示预编码矩阵；由于回程容量受限，x_i需要被压缩后通过回程链路；q_i表示通过回程链路时的压缩过程中产生的量化噪声，无线射频单元的接收信号表示为n_i表示无线信道中的噪声，其元素方差为δ_n，总噪声表示为

其中，第一项表示由于估计误差产生的无用信号，第二项表示相邻无线射频单元的干扰，第三、四项表示量化噪声产生的影响；

总噪声的协方差矩阵记为预编码矩阵F_i满足发送功率限制P_i表示第i个无线射频单元的发送功率；q_i的协方差矩阵表示为x_i的协方差矩阵表示为D_i＝E{x_ix_i ^H}；回程容量限制表示为：

其中，C_i表示第i个无线射频单元的回程容量约束，表示n_R×n_R的单位阵。

3.根据权利要求1所述的基于非理想CSI的回程容量受限C-RAN中联合预编解码方法，其特征在于，在步骤2)中，所述基带处理单元计算发送预编码矩阵和接收解码矩阵按如下步骤进行：

(2-1)计算信道估计矩阵设定收敛判决门限ε，迭代n次的预编码矩阵表示为令n＝0，初始化发送预编码矩阵初始预编码矩阵满足功率限制和回程容量限制，其中i＝1,2,…,M；

(2-2)计算量化噪声的协方差矩阵Q_i，并根据相关矩阵R_ij和T_ij计算总噪声协方差矩阵其中i＝1,2,…,M；

(2-3)根据上述信道估计矩阵、发送预编码矩阵、量化噪声的协方差矩阵和总噪声的协方差矩阵计算接收解码矩阵G_i和过渡系数d_i，其中i＝1,2,…,M；

(2-4)计算系数α_i和拉格朗日乘数μ_i，μ_i为功率的倒数与过渡系数d_i的乘积，其中，i＝1,2,…,M；

(2-5)根据总噪声协方差矩阵系数α_i、接收解码矩阵G_i和拉格朗日乘数μ_i，计算n+1次的预编码矩阵F_i，其中i＝1,2,…,M；

(2-6)判断是否成立，若成立，则程序终止，输出符合条件的迭代次数对应的F_i和G_i，若不成立则令返回步骤(c)，其中||·||_F表示弗罗贝尼乌斯范数。

4.根据权利要求3所述的基于非理想CSI的回程容量受限C-RAN中联合预编解码方法，其特征在于，步骤(2-2)中计算量化噪声和总噪声的协方差矩阵按如下方法进行：表示n_T×n_T的单位阵。令其中λ_i表示量化噪声系数它的取值在[0，1]之间。由回程容量限制通过二分法计算得到λ_i。总噪声的协方差矩阵由信道估计误差的方差δ_ij、相关矩阵T_ij和R_ij、量化噪声的协方差矩阵Q_i以及发送信号的协方差矩阵D_i通过矩阵的相乘、矩阵的迹以及求和运算得到。

5.根据权利要求3所述的基于非理想CSI的回程容量受限C-RAN中联合预编解码方法，其特征在于，步骤(2-4)中计算接收解码矩阵G_i和过渡系数d_i按如下方法进行：其中r_i表示的秩；过渡系数表示为：

6.根据权利要求3所述的基于非理想CSI的回程容量受限C-RAN中联合预编解码方法，其特征在于，步骤(2-4)中计算系数α_i和拉格朗日乘数μ_i按以下步骤进行：首先计算系数α_i，α_i通过解码矩阵G_i、接收端相关矩阵R_ii、总噪声的协方差矩阵的逆、信道估计矩阵和预编码矩阵F_i相乘并求迹得到，最后计算拉格朗日乘数μ_i，μ_i通过过渡系数除以第i个无线射频单元的功率得到。

7.根据权利要求3所述的基于非理想CSI的回程容量受限C-RAN中联合预编解码方法，其特征在于，步骤(2-5)中计算预编码矩阵F_i按如下方法：首先计算过渡矩阵A_i，A_i根据相关矩阵T_ij、信道估计误差的方差、来自其他无线射频单元的干扰信道的估计其他用户设备的解码矩阵G_j、发送信号的协方差矩阵通过矩阵的转置、相乘和求和运算得到，接着对过渡矩阵求逆运算，再左乘信道估计矩阵的转置和解码矩阵G_i得到预编码矩阵F_i。