一種用于多用戶雙向中繼系統(tǒng)的信號對齊方法
【專利摘要】多用戶雙向中繼場景下的機會信號對齊方法，用于下述場景：包括一個多天線中繼和多對多天線用戶的雙向通信系統(tǒng)，且中繼的天線數(shù)大于等于用戶天線數(shù)目，此時用戶的天線數(shù)量不足以支持經(jīng)典信號空間對齊算法。本發(fā)明所述方法包括下列兩個操作步驟：(1)用戶波束成形向量設(shè)計階段：聯(lián)合設(shè)計信息交互的每對用戶的波束成形向量，使其在有限條件下盡可能對齊到一個方向上。(2)用戶調(diào)度階段：利用波束成形設(shè)計過程中得到的奇異值進行用戶調(diào)度，并完成中繼處理矩陣的設(shè)計。接收端的波束成形設(shè)計可以參照上行設(shè)計。所提方法較單天線用戶的機會對齊的和速率有較大提升。當(dāng)備選用戶足夠多時，該方案可達(dá)自由度可以接近系統(tǒng)最大可達(dá)自由度。
【專利說明】-種用于多用戶雙向中繼系統(tǒng)的信號對齊方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于多用戶雙向中繼系統(tǒng)的傳輸方案，確切地說，是多天線用戶 的波束成形向量設(shè)計W及用戶調(diào)度方案設(shè)計，屬于無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，雙向無線通信技術(shù)因其有效提高頻譜效率引起人們的關(guān)注，并應(yīng)用于自 適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)和蜂窩移動通信系統(tǒng)等多種領(lǐng)域。一般情況下，對于雙向中繼通信，信息傳輸主要 由兩個階段構(gòu)成：多路接入（MAC)階段和廣播炬C)階段。在第一個階段，也就是MAC階段， 用戶同時將信息發(fā)送給中繼。在BC階段，中繼將接收到的所有用戶信息進行處理并發(fā)送給 所有用戶。用戶接收到信息后消除自信息的干擾并解碼得到所需的信息。
[0003] 由于能夠在多用戶干擾信道中獲得更高的自由度值oF)，干擾對齊（IA)技術(shù)被引 入雙向中繼系統(tǒng)中。在MIMO Y信道的場景中，有人提出一種稱作信號空間對齊（SSA)的技 術(shù)，該技術(shù)將信號對齊技術(shù)和雙向中繼網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，W求達(dá)到更高的DoF。該方案下，在MAC 階段，H個用戶將信號同時傳送給中繼，進行信息交互的一對用戶的信息在中繼端對齊到 一個方向。在BC階段，中繼將對齊的信號發(fā)送給接收端?？蒞證明，當(dāng)用戶配置M根天線， 中繼配置N根天線，且天線數(shù)目滿足N > 時，系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)的DoF為3M。此后，SSA技 術(shù)又被應(yīng)用于多種場景。
[0004] 為了在低復(fù)雜度的條件下實現(xiàn)更實際的應(yīng)用，人們在K小區(qū)的單入多出系統(tǒng)中提 出了更為實際的機會干擾對齊（OIA)技術(shù)?？蒞證明，在H個用戶的干擾信道中，只要備 選用戶足夠多，即使用戶使用隨機波束成形，當(dāng)接收用戶足夠多，提供干擾能夠?qū)R的機會 時，系統(tǒng)可W達(dá)到最優(yōu)的DoF。有人考慮在多用戶雙向中繼系統(tǒng)中的多用戶增益，提出了信 道對齊方案（CAP巧和半正交信道對齊方案（SCAPS)，通過引入多用戶分集，對齊每對用戶 的信道減少了用戶對內(nèi)的干擾。
[0005] 針對現(xiàn)有方法只在單天線用戶適用的問題，本發(fā)明提出了一種用戶多天線系統(tǒng)下 聯(lián)合波束成形設(shè)計和用戶調(diào)度的方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種多用戶雙向中繼系統(tǒng)中的聯(lián)合波束成形設(shè)計 和用戶調(diào)度的方法。在該系統(tǒng)中，用戶和中繼均配置多天線。本發(fā)明將引入多用戶增益，并 與信號空間對齊相結(jié)合，提出一種聯(lián)合波束成形設(shè)計和用戶調(diào)度的方案。在用戶不能滿足 完美信號空間對齊時，通過波束成形設(shè)計使其盡量對齊，然后在多用戶中選出相對而言對 齊程度較好的用戶，完成波束成形設(shè)計和用戶調(diào)度。所提方法較單天線用戶的機會對齊和 速率有較大提升，且當(dāng)備選用戶足夠大時，自由度可W接近最大可達(dá)自由度。
[0007] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種多用戶雙向中繼場景下的機會信號對齊方 法，用于下述場景；包括一個中繼和多個用戶的雙向通信系統(tǒng)，中繼和用戶均配置多天線， 且中繼的天線數(shù)和用戶天線數(shù)量滿足一定條件，此時完美的信號空間對齊不再適用。所述 方法包括下列兩個操作步驟：
[0008] (1)波束成形向量設(shè)計階段：聯(lián)合設(shè)計每對進行信息交互的用戶的波束成形向 量，使其在有限條件下盡可能的對齊到一個方向上。從而盡可能達(dá)到將每對信號對齊的目 的。
[0009] 所提波束成形向量設(shè)計的具體步驟如下；首先所有用戶同時向中繼發(fā)射信號， 中繼獲得CSI &，將每對用戶的信道矩陣組成一個新的矩陣，定義為正對信道矩陣Ai = 出。-Hi J，為盡量達(dá)到對齊的目的，對矩陣Ai進行奇異值分解（SVD)，即有A,. = P,A,Qf。經(jīng) 過SVD分解后，選出正交矩陣中最小奇異值對應(yīng)的那一列，即Bi = (Qi) 2M，作為該用戶的波 束成形向量。
[0010] (2)用戶調(diào)度階段：在完成用戶的波束成形設(shè)計后，利用波束成形設(shè)計的SVD算法 得到的奇異值進行用戶調(diào)度，并完成中繼處理矩陣的設(shè)計。接收端的波束成形設(shè)計可W參 照上行設(shè)計。
[0011] (21)在波束成形向量設(shè)計階段，通過SVD算法進行了用戶波束成形的設(shè)計，此時 每對用戶都對應(yīng)著一個奇異值

【權(quán)利要求】
1. 多用戶雙向中繼場景下的機會信號對齊方法，用于下述場景：包括一個中繼和多個 用戶的雙向通信系統(tǒng)，中繼和用戶均配置多天線，且中繼的天線數(shù)和用戶天線數(shù)量滿足一 定條件，即，中繼的天線數(shù)大于等于用戶多天線數(shù)目，而用戶的天線數(shù)有限不足以支持經(jīng)典 信號空間對齊傳輸方法，此時完美的信號空間對齊不再適用。所述方法包括下列兩個操作 步驟： (1) 用戶波束成形向量設(shè)計階段：聯(lián)合設(shè)計每對進行信息交互的用戶的波束成形向 量，使其在有限條件下盡可能的對齊到一個方向上，從而達(dá)到將信號最大程度對齊的目的。 (2) 用戶調(diào)度階段：在完成用戶的波束成形設(shè)計后，該算法利用用戶波束成形設(shè)計過 程中得到的奇異值進行用戶調(diào)度，并完成中繼處理矩陣的設(shè)計。接收端的波束成形設(shè)計可 以參照上行設(shè)計。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于： 所提波束成形向量設(shè)計的具體步驟如下：首先所有用戶同時向中繼發(fā)射信號，中繼獲 得系統(tǒng)全局的信道信息（CSI)Hi,將每對用戶的信道矩陣組成一個新的矩陣，定義為正對信 道矩陣Ai = [Hi, -Hi+K]。為盡量達(dá)到對齊的目的，對正對信道矩陣Ai進行奇異值分解（SVD)， 即有A, = PiAiQf。經(jīng)過SVD分解后，選出正交矩陣中最小奇異值對應(yīng)的那一列，即Bi = (Qi) 2M，作為該用戶的波束成形向量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述步驟（2)進一步包括下列操作內(nèi)容 (21) 在波束成形向量設(shè)計階段，通過SVD算法進行了用戶波束成形的設(shè)計，此時每對 ,
'基于此，該方法聯(lián)合波束成形 向量設(shè)計進行用戶調(diào)度。由于每對用戶此時都對應(yīng)著一個信道矩陣SVD分解后的奇異值 Ai，在這里，利用該奇異值完成用戶的選擇。從K個奇異值A(chǔ)i中選出最小的N個。也就是 在所有備選用戶中，選出最小的N個奇異值所對應(yīng)的N對用戶作為通信用戶。 (22) 完成用戶調(diào)度后，選出允許通信的用戶，在這里允許通信的用戶對數(shù)與中繼配備 的天線數(shù)相等。由于沒有完美對齊，每對用戶信息向量此時并非對齊到一個方向上，定義
作為機會信號空間對齊后每對信 號的等效信號。出一個比較好的方向作為該對用戶的等效方向。并以此設(shè)計中繼處理矩陣， 在這里選用破零（ZF)處理，即W = P WHW，其中W = G_\ G = [G1,. . .，GJ。 這樣就完成了上行部分，下行中的接收端的波束成形向量設(shè)計與上行是一樣的原理。
【文檔編號】H04B7/06GK104363036SQ201410693142
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月26日
【發(fā)明者】高暉, 呂鐵軍, 王艷 申請人:北京郵電大學(xué)