多小区系统中基于干扰对齐的基站天线选择方法

摘要

本发明公开了一种多小区系统中基于干扰对齐的基站天线选择方法，主要解决现有多天线干扰对齐技术的系统硬件成本较高，以及基于干扰对齐的基站天线选择方法只能在包含3小区网络中使用的问题。其实现步骤为：估计各基站到本小区用户的信道状态信息；初始化各小区基站天线选择方案；沿着系统和容量增加的优化方向，在保持其他基站天线选择方案不变的情况下，利用部分迭代干扰对齐依次确定各小区最优的基站天线选择方案；采用传统迭代干扰对齐进行多小区干扰协调。本发明适用于具有多个小区的面向商用的LTE网络，计算复杂度低，能够降低系统硬件成本，实现系统和容量与计算复杂度的折中。

主权项

一种多小区系统中基于干扰对齐的基站天线选择方法，包括如下步骤：(1)估计各基站到本小区用户的信道状态信息：基站k给本小区用户k发送导频信息，用户k估计基站k各天线到自身的信道状态信息，并反馈给基站k，其中k＝1,…,B，B为小区数；基站k根据本小区用户反馈的信道状态信息，确定信道矩阵其中N和M分别代表基站k和用户k的天线数，表示复数域；(2)初始化各小区基站天线选择方案：初始化基站k的天线选择方案ω_k为具有最大的F‑范数的矩阵对应的备选天线选择向量，ω_k的计算公式如下：${\omega }_k=\arg \underset{l\in \{1,...,C_N^{N_f}\}}{\max }{\left|\right|H_{\mathrm{kk}}^{\phi }\left|\right|}_F^2,$其中，表示当天线选择方案为φ_l时根据信道矩阵H_kk确定的基站k到本小区用户的信道矩阵，式中，H_kk为基站k到本小区用户的信道矩阵，φ_l表示基站的第l个备选天线选择向量，它是N长的列向量，该向量中元素取值为1或0别代表对应天线是否被选中，为备选天线选择向量索引变量，N和N_f分别代表基站的天线数和射频链路数，且N>N_f，表示从N个数中选取N_f个数的组合数，Diag{φ_l}表示一个主对角线上的元素为列向量φ_l的对应元素的对角矩阵，函数表示由矩阵的非0列构成的一个子矩阵，‖·‖_F表示矩阵的F‑范数；将各基站的天线选择方案组合成B个小区基站天线选择集合Ω＝{ω₁,ω₂,…,ω_B}；(3)沿着系统和容量增加的优化方向，在保持其他基站天线选择方案不变的情况下，利用部分迭代干扰对齐依次确定各小区最优的基站天线选择方案：3.1)初始化备选天线选择向量的索引变量l为1，同时初始化最大的系统和容量C_max为0；3.2)将小区1的基站天线选择方案ω₁更新为备选天线选择向量φ_l，保持其他基站的天线选择方案不变，同时将B个小区基站天线选择集合Ω中第1个元素更新为φ_l；3.3)根据上述天线选择方案，进行部分迭代干扰对齐，设计各小区的基站预编码矩阵和用户干扰抑制矩阵，具体实现如下：3.3a)随机初始化基站k的预编码矩阵该预编码矩阵要满足条件：其中，Ω为B小区基站天线选择集合，N_f表示基站的射频链路数，d表示基站发送数据流的维数，(·)^H表示矩阵的共轭转置，I_n表示n×n维的单位矩阵，表示复数域；3.3b)初始化迭代次数指示变量c为1；3.3c)确定在第c次迭代时用户k′的干扰协方差矩阵$Q_{k\text{'},c}^{\Omega }=\underset{k=1,k\ne k\text{'}}{\overset{B}{\Sigma }}\frac{P_k}{d}{H}_{k\text{'}k}^{{\omega }_k}{V}_{k,c-1}^{\Omega }{\left(V_{k,c-1}^{\Omega }\right)}^H{\left(H_{k\text{'}k}^{{\omega }_k}\right)}^H,$其中，k′＝1,…,B，B为小区数，P_k表示基站k的发射功率，d表示基站发送数据流的维数，表示在第c‑1次迭代时基站k的预编码矩阵，表示在天线选择方案ω_k情况下基站k到用户k′的信道矩阵，(·)^H表示矩阵的共轭转置；3.3d)按照干扰泄露最小原则，根据上述干扰协方差矩阵设计在第c次迭代时用户k′的干扰抑制矩阵其中，υ_d{·}表示矩阵最小的d个特征值对应的特征向量；3.3e)根据上述干扰抑制矩阵确定在第c次迭代时基站k的干扰协方差矩阵${\bar{Q}}_{k,c}^{\Omega }=\underset{k\text{'}=1,k\text{'}\ne k}{\overset{B}{\Sigma }}\frac{P_{k\text{'}}}{d}{{\left(H_{k\text{'}k}^{{\omega }_k}\right)}^{H}V}_{k\text{'},c}^{\Omega }{\left(V_{k\text{'},c}^{\Omega }\right)}^H{H}_{k\text{'},k}^{{\omega }_k},$其中，P_k′表示用户k′的发射功率，取值与本小区基站的发射功率相等，d表示基站发送数据流的维数，表示在第c次迭代时用户k′的干扰抑制矩阵，表示在天线选择方案ω_k情况下基站k到用户k′的信道矩阵，(·)^H表示矩阵的共轭转置；3.3f)按照干扰泄露最小原则，根据上述干扰协方差矩阵设计在第c次迭代时基站k的预编码矩阵$V_{k,c}^{\Omega }={\upsilon }_d\left\{{\bar{Q}}_{k,c}^{\Omega }\right\};$3.3g)迭代次数指示变量c的值加1，如果c≤N_ite，则返回步骤3.3c，继续进行迭代；否则，跳转至步骤3.4，得到N_ite次迭代后基站k的预编码矩阵和用户k′的干扰抑制矩阵N_ite为部分迭代干扰对齐的迭代次数；3.4)确定基站k′到用户k′的等效信道以及用户k′的干扰协方差矩阵其中：$Q_{k\text{'}}^{\Omega }=\underset{k=1,k\ne k\text{'}}{\overset{B}{\Sigma }}\frac{P_k}{d}{H}_{k\text{'}k}^{{\omega }_k}{V}_{k,N_{\mathrm{ite}}}^{\Omega }{\left(V_{k,N_{\mathrm{ite}}}^{\Omega }\right)}^H{\left(H_{k\text{'}k}^{{\omega }_k}\right)}^H,$式中，P_k表示基站k的发射功率，d表示基站发送数据流的维数，表示在N_ite次迭代后基站k的预编码矩阵，表示在天线选择方案ω_k情况下基站k到用户k′的信道矩阵，(·)^H表示矩阵的共轭转置；3.5)根据部分迭代干扰对齐得到的等效信道干扰抑制矩阵和干扰协方差矩阵计算系统和容量其中为用户k′的容量，的计算公式如下：$C_{k\text{'}}^{\Omega }={\log }_2|I_d+\frac{P_{k\text{'}}{\left(U_{k\text{'},N_{\mathrm{ite}}}^{\Omega }\right)}^H{H}_{k\text{'}k\text{'}}^{{\omega }_{k\text{'}}}{V}_{k\text{'},N_{\mathrm{ite}}}^{\Omega }{\left(V_{k\text{'},N_{\mathrm{ite}}}^{\Omega }\right)}^H{\left(H_{k\text{'}k\text{'}}^{{\omega }_{k\text{'}}}\right)}^H{U}_{k\text{'},N_{\mathrm{ite}}}^{\Omega }/d}{{\left(U_{k\text{'},N_{\mathrm{ite}}}^{\Omega }\right)}^H({\sigma }^2{I}_M+Q_{k\text{'}}^{\Omega })U_{k\text{'}{,N}_{\mathrm{ite}}}^{\Omega }}|,$其中，P_k′表示基站k′的发射功率，d表示基站发送数据流的维数，和分别表示N_ite次迭代后基站k′的预编码矩阵和用户k′的干扰抑制矩阵，表示在天线选择方案ω_k′情况下基站k′到用户k′的信道矩阵，表示用户k′的干扰协方差矩阵，(·)^H表示矩阵的共轭转置，σ²信道中高斯白噪声的方差，I_n表示n×n维的单位矩阵，M为用户的天线数，|·|表示矩阵的行列式，容量单位是bit/s/Hz；3.6)如果C^Ω>C_max，则设置C_max＝C^Ω，且令最优的备选天线选择向量的索引变量l^*＝l，即最优的备选天线选择向量φ_l*＝φ_l；否则，C_max保持不变；3.7)备选天线选择向量的索引变量l的值加1，如果则返回步骤3.2，继续遍历其他备选天线选择向量；否则，跳至步骤3.8；3.8)确定小区1最优的基站天线选择方案3.9)按照步骤3.1到3.8所述的方法，依次确定小区2到小区B最优的基站天线选择方案${\omega }_2^{*},{\omega }_3^{*},...,{\omega }_B^{*};$3.10)将上述各小区最优的基站天线选择方案组合成最优的B个小区基站天线选择集合${{\Omega }^{*}=\{\omega }_2^{*},{\omega }_3^{*},...,{\omega }_B^{*}\};$(4)采用传统迭代干扰对齐进行多小区干扰协调：4.1)根据上述最优的B个小区基站天线选择集合Ω^*，进行迭代次数为N_I的传统迭代干扰对齐，设计各小区的基站预编码矩阵和用户干扰抑制矩阵：4.1a)随机初始化基站k的预编码矩阵且满足其中，N_f代表基站的射频链路数，d表示基站发送数据流的维数，(·)^H表示矩阵的共轭转置，I_n表示n×n维的单位矩阵，表示复数域；4.1b)初始化迭代次数变量m为1；4.1c)确定在第m次迭代时用户k′的干扰协方差矩阵$Q_{k\text{'},m}^{{\Omega }^{*}}=\underset{k=1,k\ne k\text{'}}{\overset{B}{\Sigma }}\frac{P_k}{d}{H}_{k\text{'}k}^{{\omega }_k^{*}}{V}_{k,m-1}^{{\Omega }^{*}}{\left(V_{k,m-1}^{{\Omega }^{*}}\right)}^H{\left(H_{k\text{'}k}^{{\omega }_k^{*}}\right)}^H,$其中，P_k表示基站k的发射功率，表示在第m‑1次迭代时基站k的预编码矩阵，表示在天线选择方案情况下基站k到用户k′的信道矩阵；4.1d)按照干扰泄露最小原则，根据上述干扰协方差矩阵设计在第m次迭代时用户k′的干扰抑制矩阵其中υ_d{·}表示矩阵最小的d个特征值对应的特征向量；4.1e)根据上述干扰抑制矩阵确定在第m次迭代时基站k的干扰协方差矩阵${\bar{Q}}_{k,m}^{{\Omega }^{*}}=\underset{k\text{'}=1,k\text{'}\ne k}{\overset{B}{\Sigma }}\frac{P_{k\text{'}}}{d}{{\left(H_{k\text{'}k}^{{\omega }_k^{*}}\right)}^{H}V}_{k\text{'},m}^{{\Omega }^{*}}{\left(V_{k\text{'},m}^{{\Omega }^{*}}\right)}^H{H}_{k\text{'},k}^{{\omega }_k^{*}},$其中，P_k′表示用户k′的发射功率，取值与本小区基站的发射功率相等；4.1f)按照干扰泄露最小原则，根据上述干扰协方差矩阵设计在第m次迭代时基站k的预编码矩阵$V_{k,m}^{{\Omega }^{*}}={\upsilon }_d\left\{{\bar{Q}}_{k,m}^{{\Omega }^{*}}\right\};$4.1g)迭代次数变量m的值加1，如果m≤N_I，其中N_I表示传统干扰对齐收敛需要的迭代次数经验值，优选为30，则返回步骤4.1c，继续进行迭代；否则，迭代过程结束，获得基站k的预编码矩阵和用户k′的干扰抑制矩阵4.2)根据上述传统迭代干扰对齐设计的预编码矩阵和干扰抑制矩阵，各小区基站和用户分别发送和接收数据，进行多小区干扰协调，消除小区间干扰。