一種mimo全雙工蜂窩系統的下行預編碼方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種MM0全雙工蜂窩系統的下行預編碼方法。
【背景技術】
[0002] 全雙工無線通信技術，顧名思義，在同樣的時頻資源塊內同時發送和接收數據；由 于其與傳統的時分雙工、頻分雙工技術相比，理論上可以提高一倍的頻譜利用率，全雙工無 線通信技術成為了第五代移動通信技術研究的熱點；但是，在全雙工的無線設備中，其接收 機會接收到大功率的來自本設備的自干擾信號，即便采用自干擾抵消技術，接收自干擾依 舊很難被完全抑制至接收熱噪聲的水平。因此，針對MM0全雙工設備的預編碼技術成為了 平衡剩余自干擾消除和前向信號發送的信號處理技術。
[0003] 已有的關于MM0全雙工設備的預編碼技術研究表明，其系統容量最大化問題并 不是關于預編碼的凸問題，已有研究常用近似方法將原始問題近似為可解的凸問題，如采 用sequentialconvexapproximation(SCA)將原始問題的求解轉換為對一系列系統容量 下界最大化凸問題的迭代求解，收斂后找到原始問題的局部最優解；這種方法因存在對一 系列凸優化問題的迭代求解而復雜度較高，且無法得到最優的預編碼結構。
[0004] 此外，已有預編碼方案研究并未利用到自干擾M頂0信道之間的信道相關性；由于 自干擾MM0信道的收發端均在同一設備上，收發天線距離較近，容易通過收發天線的位置 擺放實現高相關性的自干擾M頂0信道；本發明考慮自干擾信道間相關性很強的情況，利用 其信道矩陣特性，設計相應的最優預編碼方案。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種MM0全雙工蜂窩的下行預編 碼方法，利用MM0全雙工基站中自干擾信道間的相關性，在不同上行信道速率的約束下， 最大化下行信道的速率；降低下行預編碼的復雜度，具體地，在給定上行信道速率下限時， 提取自干擾MM0信道矩陣中能量最大的傳輸方向，并據此構建相應的自干擾信道矩陣；結 合該自干擾信道矩陣的特性，將下行信道速率最大化問題轉化為凸優化問題，進而通過一 次性求解該凸問題得到低復雜度的預編碼方案；在強相關自干擾信道場景下，該方案為最 優預編碼方案；在非強相關自干擾信道場景下，該方案為次優預編碼方案。
[0006] 本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種MM0全雙工蜂窩系統的下行 預編碼方法，它包括以下步驟：
[0007] S1.對MM0全雙工基站的剩余自干擾信道矩陣進行奇異值分解，利用其最大的奇 異值及其對應的奇異向量，構造強相關剩余自干擾信道矩陣；
[0008] S2.給定上行信道速率的下限，計算最優的下行預編碼矩陣，使得下行信道傳輸速 率最大。
[0009] 所述的步驟S1包括以下子步驟：
[0010]S11?對全雙工基站的MM)剩余自干擾信道:CH,eC^x~表示扎為 隊行、列的復數矩陣，維度NT、隊為全雙工基站中的發射天線和接收天線數目）進行奇異 值分解：
[0011] Hs=UsAVsH，
[0012] 式中，A為由Hs的奇異值構成的矩陣，UsSHs的左奇異向量構成的矩陣，VsSHs 的右奇異向量構成的矩陣；
[0013] S12.提取奇異值矩陣A中最大的元素A及其對應的左奇異向量!^、右奇異向量 vs，得到秩為1的剩余自干擾信道矩陣（即為最大的奇異值對應的傳輸方向構成的自干擾 矩陣）：
[0014] H, =/luivf
[0015] 式中，若最大元素A在奇異值矩陣A中的第L列，us即為Us中第L列的元素，vs 即為Vs中第L列的元素；例如，當奇異值由大到小排列在矩陣A的對角線上時，us為矩陣 Us中的第一列元素，vs為矩陣Vs中的第一列元素；
[0016] 式中，vs也是功率最大的干擾信號傳輸方向，也就是最強干擾傳輸方向。
[0017] 所述的步驟S2包括以下子步驟：
[0018] S21.以最強干擾傳輸方向vs、下行信道傳輸共輒方向g為基準，定義一個新矩陣 ▲ = [1^:，Vs ]，并對其進行奇異值分解，得到：
[0019] A=U2Vh，
[0020] 為下行信道傳輸向量，下行信道中包括一個單天線的半雙工用戶，式 中，5： =diaghi，〇2)為A的奇異值構成的矩陣，為A的左奇異向量構成的矩 陣，V￡(Cx2為A的右奇異向量構成的矩陣；即分解得到的矩陣U為向量vs、1C拓展出的二 維空間；
[0021] S22.將vs、圮投影到矩陣U中，得到vs、h;在二維空間U上投影后的坐標：
[0022]
[0023]
[0024] S23.計算上行可達速率的最大值anax與最小值a
[0027] 式中，為上行信道傳輸向量，上行信道中包括一個單天線的半雙工用 戶；N。代表下行用戶接收白噪聲的單邊帶功率譜密度，pu代表上行信號發射功率；
[0028] S24.給定上行速率的下限a，a的選取滿足amin彡a彡a_，求解如下凸優化 問題，得到下行信道最大可達速率0，以及其對應的矩陣變量B，矩陣B為求解預編碼協方 差矩陣的一個中間矩陣變量：
[0031] Tr(B)彡pd，B彡0
[0032] 式中，pd代表下行信號發射總功率；凸優化問題的求解通過凸優化求解工具實 現；
[0033] S25.從矩陣B中恢復出給定上下速率下限時全雙工基站發射機的預編碼協方差 矩陣Qd:Qd=UBUH;根據協方差矩陣Qd的定義：Qy=WyWf，通過Cholesky分解法計算 出其對應的預編碼矩陣Wd。
[0034] 所述凸優化求解工具可以是任意現有的求解凸優化問題的工具，包括Matlab的 CVX工具箱。
[0035] 進一步地，基于給定上行信道可達速率下限，最大化下行速率的思想，通過調整不 同的上行信道最大可達速率下限，求解對應的下行最大可達速率和對應的預編碼矩陣，從 而獲取的所有上下行速率組（a，0)可構成全雙工蜂窩系統上下行可達速率區域的邊界。
[0036] 本發明的有益效果是：
[0037] (1)利用MM0全雙工基站中自干擾信道間的相關性，在不同上行信道速率的約 束下，最大化下行信道的速率；降低下行預編碼的復雜度，具體地，在給定上行信道速率下 限時，提取自干擾MM0信道矩陣中能量最大的傳輸方向，并據此構建相應的自干擾信道矩 陣；結合該自干擾信道矩陣的特性，將下行信道速率最大化問題轉化為凸優化問題，進而通 過一次性求解該凸問題得到低復雜度的預編碼方案。
[0038] (2)在強相關自干擾信道的MM0全雙工基站中，給定上行信道速率的下限，利用 自干擾信道矩陣的強相關性，得到了下行速率最大化的最優下行預編碼方案。
[0039] (3)在非強相關自干擾信道的MM0全雙工基站中，給定上行信道速率的下限，考 慮功率最大的干擾信號傳輸方向，得到了下行速率最大化的次優下行預編碼方案。
【附圖說明】
[0040] 圖1為本發明中MM0全雙工蜂窩系統示意圖；
[0041] 圖2為本發明的方法流程圖。
[0042] 圖3為本發明預編碼方案與基于SCA的系統容量最大化次優預編碼方案的性能對 比圖。
【具體實施方式】
[0043] 下面結合附圖和強相關自干擾信道場景中的具體實施例進一步詳細描述本發明 的技術方案，但本發明的保護范圍不局限于以下所述。
[0044] 如圖1所示，考慮這樣一個MM0全雙工蜂窩系統，包括一個MM0全雙工基站、一 個單天線的半雙工上行用戶、以及一個單天線的半雙工下行用戶；Mnro全雙工基站包含4 根發射天線以及4根接收天線；基站與下行用戶的接收白噪聲功率譜密度均為1W/HZ;所述 MHTO全雙工基站的自干擾信道矩陣扎為強相關矩陣，由公SHs=Ssiu'sv'Hs產生，其中 向量u's由隨機產生的4個獨立同分布復高斯隨機變量（均值為0,方差為1)構成，v's 也是由隨機產生的4個獨立同分布復高斯隨機變量（均值為0,方差為1)構成，名表示基 站各接收天線中接收來自