专利名称:一种基于奇异值分解迫零波束成型的多天线中继传输方法
技术领域:
本发明属于无线通信的多天线技术领域,特别涉及多用户多天线中继广播信道的传 输方法。
背景技术:
《国际电子与电气工程师协会信号处理学报》(7*ra/wac〃o/w 0/7 57卵a/ 户i"Oce^//7《,vol. 56, issue 2, February 2008, pp. 727-738 )提出的在多用户多天线 中继广播信道下的基于奇异值分解迫零脏纸编码的信号处理策略和对应的用户选择、功 率分配策略,保证了多用户多天线中继广播信道的系统吞吐率性能。然而这种传输方法 由于使用了脏纸编码,且功率分配需要进行两步功率注水,复杂度很高;由于用户选择 需要使用所有信道状态信息,中继站和用户必须进行复杂的信道状态信息反馈,系统反 馈量大;同时,这种方法由于存在中继端的噪声放大问题,使得其性能无法达到容量上 限,在实际系统中,这并不是一种实用的方法。
发明内容
本发明提出一种基于奇异值分解迫零波束成型的多天线中继传输方法,以降低复杂 度并获取渐进最优的性能,适合于在实际系统中使用。
本发明基于奇异值分解迫零波束成型的多天线中继传输方法,在包含a:个用户的多 用户多天线中继广播信道系统中,中继站工作在半双工模式下,时间资源分为两个等长
的时间阶段第一阶段,基站对期望数据进行线性预编码,并通过天线将数据发送,中 继站通过天线接收数据;第二阶段,中继站对第一阶段接收到的数据进行线性编码矩阵 处理,将编码后的数据通过天线发送;用户在第二阶段接收数据;其特征在于所述中 继站仅利用中继站到用户的信道状态信息,根据半正交用户选择算法进行传输用户集合 的选择;所述基站和中继站根据基站到中继站的信道矩阵的奇异值分解和中继站到用户 的信道矩阵的迫零波束成型矩阵联合设计线性预处理矩阵;基站才艮据基站到中继站的信 道状态信息利用功率注水算法进行功率分配,中继站根据基站分配功率的子流数均分功 率;从而确定基站的发送信号和中继站的转发信号。
上述基于奇异值分解迫零波束成型的多天线中继传输方法可具体操作如下 步骤一中继站仅利用中继站到用户的信道状态信息,才艮据半正交用户选择算法进 行传输用户集合的选择
设中继站到任一用户A的信道g, =[gM,gt2,...,gtt],用户数〖不小于基站发送天线数
r和中继站发送天线数z的最小值M,用户选择在中继站进行,中继站仅利用中继站到 用户的信道状态信息,利用半正交用户选择算法进行传输用户集合的选择
初始化初始备选用户集合lTi = {1,".,K},选择第一个传输用户tt(I) = argmax^|f ,
设置传输用户序号"2;
更新备选用户集合<formula>formula see original document page 6</formula>,其中正交度量因子
£ = 0.4;
对用户集合r,中的所有用户,计算等效信道增益<formula>formula see original document page 6</formula>,选择第i个
传输用户<formula>formula see original document page 6</formula>
更新传输用户序号""l;如果^M,执行更新备选用户集合;
最终确定的传输用户集合为<formula>formula see original document page 6</formula>选择出的传输用户数和基站发送天线数
r与中继站发送天线数Z的最小值M相等;
步骤二基站和中继站根据基站到中继站的信道矩阵的奇异值分解和中继站到用户 的信道矩阵的迫零波束成型矩阵联合设计线性预处理矩阵
,中继站到确定的传输用户集合中的
<formula>formula see original document page 6</formula>
设基站到中继站的信道矩阵
<formula>formula see original document page 6</formula>
;对基站到中继站的信道矩阵H进行奇异值分解,得到基站到
用户的信道矩阵G-
中继站的信道矩阵分解式 H = UAV" (Fl )
式(F1)中,第一中间变量U和第二中间变量V是酉阵,信道增益矩阵A是对角阵;从
而确定基站的预处理矩阵 F = V (F2)
同时,由中继站到用户的信道矩阵的迫零波束成型矩阵Gt = Gw (GG"广确定中继站的预处
理矩阵 W = GtUw =GW(GGW)—V (F3);
步骤三基站根据基站到中继站的信道状态信息利用功率注水算法进行功率分配, 中继站根据基站分配功率的子流数均分功率
基站端根据基站到中继站的信道矩阵利用功率注水算法进行功率分配
设基站总发射功率限制为&,根据公式(Fl)中的信道增益矩阵<formula>formula see original document page 6</formula>的
对角线上的元素A^计算基站每一个子流上的发射功率 <formula>formula see original document page 6</formula>(F4)
式(F4)中功率注水参数/z通过总功率约束/^确定,总功率限制表达式
<formula>formula see original document page 7</formula>*
式(F5)中功率注水符号(幻+=01狀(0,",表示取O和x之间的最大值; 中继站根据基站分配功率的子流数均分功率
根据中继站的总发射功率限制&,通过式(F4)的结果计算基站端分配了功率的子 流数目 (F6)
式(F6)中指示函数
<formula>formula see original document page 7</formula>
(F7)
从而确定中继站每一个子流上的发射功率
仏
根据基站每一个子流上的发射功率s得到基站发送功率矩阵
<formula>formula see original document page 7</formula>
根据中继站每一个子流上的发射功率a得到中继站发送功率矩阵
<formula>formula see original document page 7</formula>(F8 );
(F9)
(F10)
根据上述三步的结果,确定基站的发送信号和中继站的转发信号
当用户期望的数据为8 =
第二阶段中继站的转发信号
时,确定第一阶段基站的发送信号
<formula>formula see original document page 7</formula>
(Fll)
<formula>formula see original document page 7</formula> (F12) 式(F12)中,第一阶段中继站处的噪声n-[np"2,..., ],第一阶段中继站接收到的信号
:Hx + n
本发明中,中继站仅利用中继站到用户的信道状态信息,进行传输用户集合的选择, 仅需要用户反馈中继站到用户的信道状态信息到中继站,系统反^t贵量小;而现有技术需 要用户和中继站反馈所有信道状态信息,系统反馈量大。本发明中,基站和中继站联合 设计线性预处理矩阵,且采用基站利用功率注水算法进行功率分配,中继站均分功率的 功率分配方式,复杂度低;而现有技术采用了脏纸编码,且功率分配需要进行两步功率 注水,复杂度高。本发明利用了中继站到用户的信道矩阵的迫零波束成型矩阵来设计预 编码矩阵,能够有效的抑制中继站处的噪声放大;而现有技术存在放大中继站处噪声的 问题。因此,根据本发明方法提供的基于奇异值分解迫零波束成型的多天线中继传输方 法,减小了系统反馈量,具有很低的算法复杂度,且在中继站功率很大和系统用户数很 大的情况下具有渐进最优的系统吞吐率性能,具有实际应用的价值。
图1为基站和中继站发送天线均为4,用户数为4的系统,噪声功率归一化,中继站 功率与基站功率相等时,系统吞吐率随信噪比变化关系比较图2为基站和中继站发送天线均为4,用户数为4的系统,噪声功率归一化,中继站 功率比基站功率大20dB时,系统呑吐率随信噪比变化关系比较图3为基站和中继站发送天线均为4的系统,噪声功率归一化,中继站功率与基站 功率相等且均为1 OdB时,系统呑吐率随用户数变化关系比较图4为基站和中继站发送天线均为4的系统,噪声功率归一化,中继站功率为20dB, 基站功率为10dB时,系统吞吐率随用户数变化关系比较图。
具体实施例方式
实施例1:
本实施例采用具有K个用户的多用户多天线中继广播信道,基站的天线数目为r, 中继站的天线数目为丄,设每个用户端的天线数目为i,则系统中可以支持的最大的用户 数为r和丄的最小值M。设基站知道基站到中继站的信道状态信息,中继站知道基站到 中继站和中继站到用户的信道状态信息。基站到中继站的信道矩阵H,中继站到用户yfc的
信道矩阵g4,基站功率限制&和中继站功率限制& 。
本实施例中基站和中继站的线性传输方法按照下面的步骤进行
步骤一中继站仅利用中继站到用户的信道状态信息,根据半正交用户选择算法进 行传输用户集合的选择
初始化初始备选用户集合J^ ={1,'.,/T},选择第一个传输用户<formula>formula see original document page 8</formula>,
令传输用户序号^=2;
更新备选用户集合<formula>formula see original document page 8</formula>,其中正交度量因子
£ = 0.4;
对用户集合r,中的所有用户,计算等效信道增益<formula>formula see original document page 9</formula>
,选择第i个<formula>formula see original document page 9</formula>
传输用户7t (i) = arg ij^x ||& If ;
更新传输用户序号"^ +1;如果《'< M ,回到执行更新备选用户集合; 最终确定的传输用户集合为(;r(l),…,;r(M));
在步骤一中,用户选择在中继站进行,中继站仅利用中继站到用户的信道状态信息 进行半正交用户选择,因此,系统中仅需要用户向中继站反馈中继站到用户的信道状态 信息,不需要中继站向基站的反馈,反馈量和复杂度都大大得到降低;
步骤二基站和中继站根据基站到中继站和中继站到用户的信道状态信息联合设计 线性预处理矩阵
对基站到中继站的信道矩阵H进行奇异值分解,得到基站到中继站的信道矩阵分解
式
H = UAVH ,
于是,基站的预处理矩阵
F = V ,
由中继站到用户的信道矩阵的迫零波束成型矩阵Gf = G" (GGh )—'确定中继站的预处
理矩阵W = G(S)t Uw = G (G (S)G )一 Uw ;
步骤二中基站和中继站的数据处理是线性矩阵,复杂度低,同时迫零波束成型矩阵可 以很好的抑制中继站的噪声放大问题,对性能的提高很有帮助;
步骤三基站根据基站到中继站的信道状态信息利用功率注水算法进行功率分配,中 继站根据基站分配功率的子流数均分功率
根据对基站到中继站的信道矩阵H进行奇异值分解得到的信道增益矩阵A的对角线
上的元素 ,计算基站每一个子流上的发射功率<formula>formula see original document page 9</formula>
式中功率注水参数〃通过总功率约束尸m确定,总功率限制表达式<formula>formula see original document page 9</formula> 计算基站分配了功率的子流数目
<formula>formula see original document page 9</formula>
中继站每一个子流上的发射功率
从而得到基站发送功率矩阵
<formula>formula see original document page 10</formula>中继站发送功率矩阵
<formula>formula see original document page 10</formula>
步骤三基站采用功率注水算法进行功率分配,中继站均分功率,计算复杂度得到了 降低,同时,由于基站采用功率注水算法进行功率分配,也保证了系统吞吐率性能在中
继站功率^f艮大和系统用户数^L大的情况下的渐进最优性;
根据上述三步的结果,确定基站的发送信号和中继站的转发信号 第一阶段,基站的发送信号x-PFs,中继站接收信号;第二阶段,中继站对接收信
号进行转发,中继站的转发信号z-QW(Hx+n);用户在第二阶^^妄收信号。
附图1和附图2给出了系统吞吐率随基站功率的变化曲线,其中基站天线数7 = 4和 中继站天线数£ = 4,用户数尺=4,噪声功率归一化,每次仿真基于5000次独立的信道 实现。附图1给出了中继站的功率限制与基站相等时现有技术系统吞吐率随基站功率的 变化曲线a和中继站的功率限制与基站相等时本发明系统吞吐率随基站功率的变化曲线 b。附图2给出了中继站的功率限制比基站高20dB时现有技术系统吞吐率随基站功率的 变化曲线c和中继站的功率限制比基站高20dB时本发明系统吞吐率随基站功率的变化 曲线d。由图1和图2可看出曲线具有以下特征
1、 系统吞吐率随着信噪比的增加而增加;
2、 当中继站发送功率高于基站20dB时,本发明在基站功率高于5dB的时候系统吞 吐率优于现有技术,而且随着信噪比的增加,本发明的系统呑吐率与现有技术的吞吐率 优势逐渐变大;
3、 当基站和中继站发送功率相等时,现有技术系统吞吐率高于本发明。
附图3和附图4给出了系统吞吐率随用户数的变化曲线,其中基站天线数r-4和中 继站天线数丄=4,,噪声功率归一化,每次仿真基于5000次独立的信道实现,附图3给 出中继站的功率限制与基站均1 OdB时现有技术系统吞吐率随用户数的变化曲线e和中 继站的功率限制与基站均10dB时本发明的系统吞吐率随用户数的变化曲线f;附图4给 出了中继站的功率限制为20dB基站的功率限制为10dB时现有技术系统吞吐率随用户数 的变化曲线g和中继站的功率限制为20dB基站的功率限制为10dB时本发明系统吞吐率 随用户数的变化曲线h,由图3和图4可看出,曲线具有以下特征
1、 系统吞吐率随着用户数的增加而增加;
2、 当基站功率为10dB,中继站功率为20dB时,本发明的系统吞吐率在用户数大于 IO的时候优于现有技术;
3、 当基站功率为10dB,中继站功率为10dB时,现有技术的系统吞吐率略优于本发 明,随着用户数的增加,两种方法的差距不断减小。
综合附图1、 2、 3和4发现增大中继站的功率和随着系统中用户数的增加,本发明 的方法将具有更加卓越的性能。究其原因,是因为随着中继站功率变大,或用户数的增 加,本发明更加有效的抑制了中继站处的噪声放大,具有渐进最优的性能。
本发明中中继站仅利用中继站到用户的信道状态信息,进行传输用户集合的选择, 仅需要用户反馈中继站到用户的信道状态信息到中继站,系统反馈量小;而现有技术需 要用户和中继站反馈所有信道状态信息,系统反馈量大。本发明中基站和中继站联合设 计线性预处理矩阵,且采用基站利用功率注水算法进行功率分配,中继站均分功率的功 率分配方式,复杂度低;而现有技术采用了脏纸编码,且功率分配需要进行两步功率注 水,复杂度高。本发明中利用了中继站到用户的信道矩阵的迫零波束成型矩阵来设计预 编码矩阵,能够有效的抑制中继站处的噪声放大;而现有技术存在放大中继站处噪声的 问题。因此,根据本方法提供的基于奇异值分解迫零波束成型的多天线中继传输方法, 减小了系统反馈量,具有很低的算法复杂度,且在中继站功率很大和系统用户数很大的 情况下具有渐进最优的系统吞吐率性能,具有实际应用的价值。
权利要求
1、一种基于奇异值分解迫零波束成型的多天线中继传输方法,在包含K个用户的多用户多天线中继广播信道系统中,中继站工作在半双工模式下,时间资源分为两个等长的时间阶段第一阶段,基站对期望数据进行线性预编码,并通过天线将数据发送,中继站通过天线接收数据;第二阶段,中继站对第一阶段接收到的数据进行线性编码矩阵处理,将编码后的数据通过天线发送;用户在第二阶段接收数据;其特征在于所述中继站仅利用中继站到用户的信道状态信息,根据半正交用户选择算法进行传输用户集合的选择;所述基站和中继站根据基站到中继站的信道矩阵的奇异值分解和中继站到用户的信道矩阵的迫零波束成型矩阵联合设计线性预处理矩阵;基站根据基站到中继站的信道状态信息利用功率注水算法进行功率分配,中继站根据基站分配功率的子流数均分功率;从而确定基站的发送信号和中继站的转发信号。
2、 如权利要求1所述基于奇异值分解迫零波束成型的多天线中继传输方法,特征在于 具体操作如下步骤一中继站仅利用中继站到用户的信道状态信息,才艮据半正交用户选择算法进行传 输用户集合的选择设中继站到任一用户6的信道84=[^1,&2,...,^],用户数夂不小于基站发送天线数r和中继站发送天线数Z的最小值M,用户选择在中继站进行,中继站仅利用中继站到用户 的信道状态信息,利用半正交用户选择算法进行传输用户集合的选择初始化初始备选用户集合1\={1,..,^},选择第一个传输用户w(l)二argmaxfcl2,设置传输用户序号《=2;更新备选用户集合ngfc||||g r(TO<e, 1 ^ n-,其中正交度量因子£ = 0.4;对用户集合r,中的所有用户,计算等效信道增益& = gt:-E,选择第i个传输用户7T (i) = arg !^,x|2;更新传输用户序号"纟+ i;如果kM,执行更新备选用户集合;最终确定的传输用户集合为(;r(l),…,;r(ik^ ,选择出的传输用户数和基站发送天线数r与中继站发送天线数丄的最小值M相等;步骤二基站和中继站根据基站到中继站的信道矩阵的奇异值分解和中继站到用户的信 道矩阵的迫零波束成型矩阵联合设计线性预处理矩阵 <formula>formula see original document page 3</formula>设基站到中继站的信道矩阵h = ,中继站到确定的传输用户集合中的用户的信道矩阵g-g丌(i)g剩;对基站到中继站的信道矩阵h进行奇异值分解,得到基站到中继站的信道矩阵分解式 h = uav" 式F1式F1中,第一中间变量u和第二中间变量v是酉阵,信道增益矩阵a是对角阵;从而确定基站的预处理矩阵 f = v 式F2同时,由中继站到用户的信道矩阵的迫零波束成型矩阵gf = g" (gg"广确定中继站的预处理矩阵 w^u" :g卞g"—V 式F3;步骤三基站根据基站到中继站的信道状态信息利用功率注水算法进行功率分配,中继 站根据基站分配功率的子流数均分功率基站端根据基站到中继站的信道矩阵利用功率注水算法进行功率分配、设基站总发射功率限制为/>fl5 ,根据公式(Fl )中的信道增益矩阵a =角线上的元素a,,计算基站每一个子流上的发射功率 Sa*式F4中功率注水参数〃通过总功率约束&确定,总功率限制表达式"i 00的对八aJ式F4, 式F5,式F5中功率注水符号(;c)、max((U),表示取0和;c之间的最大值;中继站根据基站分配功率的子流数均分功率根据中继站的总发射功率限制仏,,通过式F4的结果计算基站端分配了功率的子流数目 K"f:/(A) 式F6,式F6中指示函数/(x)=从而确定中继站每一个子流上的发射功率[1, "0Lo, x = og孤式F7,式F8; 根据基站每一个子流上的发射功率Pt得到基站发送功率矩阵<formula>formula see original document page 4</formula>式F9;根据中继站每一个子流上的发射功率a得到中继站发送功率矩阵<formula>formula see original document page 4</formula>式F10;根据上述三步的结果,确定基站的发送信号和中继站的转发信号:当用户期望的数据为s:第二阶段中继站的转发信号时,确定第一阶段基站的发送信号x = PFs式Fllz=QWr=QW(Hx+n) 式F12式F12中,第一阶段中继站处的噪声n-[巧,"2,...,^],第一阶段中继站接收到的信号
全文摘要
本发明公开了一种基于奇异值分解迫零波束成型的多天线中继传输方法,特征是中继站仅利用中继站到用户的信道状态信息,根据半正交用户选择算法进行传输用户集合的选择;基站和中继站根据基站到中继站的信道矩阵的奇异值分解和中继站到用户的信道矩阵的迫零波束成型矩阵联合设计线性预处理矩阵;基站根据基站到中继站的信道状态信息利用功率注水算法进行功率分配,中继站根据基站分配功率的子流数均分功率;从而确定基站的发送信号和中继站的转发信号;本发明的传输方法系统反馈量小,复杂度低,有效抑制了中继站处的噪声放大,在中继站功率很大和系统用户数很大的情况下具有渐进最优的性能,适合于在实际系统中使用。
文档编号H04L1/06GK101359950SQ200810195810
公开日2009年2月4日 申请日期2008年9月3日 优先权日2008年9月3日
发明者杰 许, 玲 邱 申请人:中国科学技术大学