移动通信网络下设备间通信的最优收发联合处理方法

摘要

本发明公开了一种在移动通信网络下设备间通信的最优收发联合处理方法，按如下步骤进行：首先，时分双工通信系统中的基站通过上行信道估计可以等价地获得它至UE3的下行信道信息以及到D2D接收用户的下行干扰信道信息；UE1采用类似的信道估计方法可以获得它至UE2的传输信道信息和它对UE3的干扰信道信息，并将它们反馈给基站。接着，基站根据获得的所有四类信道信息按照最小化均方误差准则或者最大化信道信道容量准则计算出基站到UE3和UE1到UE2的预编码矩阵和接收矩阵。最后，基站将计算得到的发送预编码矩阵、接收矩阵通过控制信道通知给UE1、UE2和UE3。

主权项

一种移动通信网络下设备间通信的最优收发联合处理方法，其特征在于：该方法按以下步骤进行： 1)D2D是指设备间，D2D链路是指D2D设备对UE1与UE2之间的通信链路，无线移动网络链路是指基站到UE3的下行通信链路，为简便计，采用链路1和链路2分别替代D2D链路和无线移动网络链路，所有相关参数的下标分别采用数字“1”、“2”来区分这两种类型的传输链路，D2D发送用户UE1和D2D接收用户UE2分别拥有N₁根发送天线和M₁根接收天线，基站拥有N₂根发送天线，网络用户UE3拥有M₂根接收天线，D2D发送用户和基站的发送功率分别为P₁、P₂，它们分别发送多流数据x₁和x₂给各自的接收机，它们的维度分别为S₁×1和S₂×1，S₁和S₂分别表示D2D链路和无线移动网络链路传输的数据流数； 2)链路1与链路2采用非正交方式共享时频资源，即D2D设备对之间通信的物理信道与某个无线移动网络用户的物理资源重叠；在TDD系统中，为了使基站获得完整的信道信息来实现最优收发设计，基站可以通过上行信道估计获得基站至UE3的下行信道H₂以及基站至UE2的下行干扰信道H_2,1；通过上述相同的信道估计方式，UE1同样可以获得它至UE2的传输信道H₁和它与UE3之间的干扰信道H_1,2，最后UE1将H₁和H_1,2反馈给基站； 3)基站根据获得的完整的四类信道信息通过最小化接收信号均方误差降低误比特率或者最大化信道信道容量准则优化基站、UE1的预编码矩阵和UE2、UE3的接收矩阵；所述最小化接收信号均方误差迭代算法称作算法一，该算法的迭代计算方法如下：步骤1：令迭代次数变量n＝0，按照传输信道H₁和H₂奇异值分解结果初始化发送预编码矩阵下标u是标识链路的变量，其中u＝1和u＝2分别表示D2D链路和移动网络下行链路；步骤2：n＝n+1，然后根据下面式(2)计算第n+1次迭代过程中链路u的接收矩阵步骤3：将步骤2计算得到的代入功率约束条件下面式(3)求得参数其中是保证功率约束条件成立而引入的拉格朗日乘数；步骤4：将步骤2和步骤3中计算得到的和代入下面式(1)可以计算得到第n+1次迭代过程中的发送预编码矩阵步骤5：重复步骤2到步骤4直到W_u(n+¹)和F_u(n+¹)收敛； 式(1)至式(3)中下标u和m都是标识链路的变量且u,m∈{1,2},u≠m，而n表示迭代次数变量，上标H表示矩阵的共轭转置操作，I表示单位阵；和分别代表了矩阵和主对角线上的第t个元素；其中，和分别是特征分解的对角阵和酉矩阵；所述最大化信道容量算法称作算法二，该算法的迭代计算方法如下： 步骤1：令迭代次数变量n＝0，选择足够小的正数τ以及门限，按照传输信道H₁和H₂奇异值分解结果初始化发送预编码矩阵和接收矩阵并将它们代入下面式(4)得到初始化信道容量并记为cap(0)；步骤2：n＝n+1，然后根据下面式(5)二次规划计算出第n+1次迭代中更新向量z；z的表达式为 其中，分别表示取复数的实部和虚部，和分别表示链路u预编码矩阵和接收矩阵在地n+1次迭代过程中的更新值；u＝1、2分别表示D2D链路和移动网络下行链路；vec(·)表示拉直运算，T表示矩阵转置；步骤3：利用步骤2中获得的更新向量并引入线性搜索参数β，β在区间[0,1]中线性变化，同时记和并将它们代入下面式(4)计算 得到含参的cap(n+1,β)，最终求得最大化cap(n+1,β)的β^*；步骤4：更新和并得到在n+1迭代过程中最优的信道容量记为cap(n+1)＝cap(n+1,β^*)；步骤5：重复步骤2到步骤4直到cap(n+1)‑cap(n)≤门限； 步骤6：最后，根据功率约束条件对W_u线性加权； 最大化信道容量准则的计算公式如下面式(4)所示，下面式(5)是下面式(4)的近似式且为二次规划问题； 其中，式(4)中下标u和m都是标识链路的变量且u,m∈{1,2},u≠m，上标H表示矩阵的共轭转置操作，I表示单位阵；w_u,k和f_u,k分别是发送预编码矩阵W_u和接收矩阵F_u的第k列向量；ρ_u是链路u的发送功率约束因子，保证功率恒为P_u；为链路u的噪声功率；为链路u的第k个数据流的接收信干噪比，将它泰勒展开后用一阶多项式近似忽略高阶项后可以将(4)式的最优化问题等价的转化为如下的凸优化问题：式(5)中τ1代表了一个足够小的正数τ乘以向量1，1向量中元素全为1；式(5)已经将某些项合并为如下所列中间变量： p_u，k表达式中的g_x,u,k和g_y,u,k如下所示，式(8)中0代表零向量，下标表示向量维度且完全由收、发天线数M_u、N_u，数据流个数S_u决定；式(7)中和分别为的分子和分母，变量a_u,i，b_u,i，c_m和d_u,k定义如下式(6)中矩阵Q中的行向量为 式(10)中0代表零向量，下标表示向量维度且完全由收、发天线数M_u、N_u，数据流个数S_u决定； 4)基站根据最小化接收信号的均方误差或者最大化信道容量准则计算得到链路1、链路2的发送预编码矩阵和接收矩阵分别为W₁、F₁和W₂、F₂，基站将W₁、F₁通过控制信道传递给D2D通信设备对； 5)最后，UE1利用发送预编码矩阵W₁加权数据流x₁发送给UE2，而发送预编码矩阵W₂则被基站用来加权下行信号x₂并发送给UE3。