一種基于mimo-vfdm的多用戶認知網(wǎng)絡(luò)預(yù)編碼優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種米用多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output, ΜΙΜΟ) 和范德蒙子空間頻分復(fù)用（Vandermonde-subspace Frequency Division Multiplexing, VFDM)傳輸?shù)亩嘤脩魞蓪诱J知網(wǎng)絡(luò)預(yù)編碼的優(yōu)化設(shè)計方案，用于抑制二層認 知網(wǎng)絡(luò)中用戶間的干擾并最大化二層網(wǎng)絡(luò)的信道容量。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線業(yè)務(wù)的持續(xù)增長導(dǎo)致了頻域資源越來越稀缺，因此高頻譜利用率的無線傳輸 成為現(xiàn)代通信的研究熱點。認知網(wǎng)絡(luò)等兩層網(wǎng)絡(luò)的部署是一種解決頻譜資源的可行方案。 在基于認知無線電技術(shù)的兩層網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中，小小區(qū)（small- cellS，SCs)作為第二層網(wǎng) 絡(luò)被布置在宏小區(qū)（macro-cell，MC)的周邊并與其共享頻譜傳輸。MC對共享頻譜具有優(yōu)先 使用權(quán)，二層網(wǎng)絡(luò)機會式接入頻譜且必須確保對MC不產(chǎn)生干擾或產(chǎn)生的干擾在可容忍范 圍內(nèi)。因此如何控制SCs對MC的干擾成為兩層認知網(wǎng)絡(luò)的實施中研究的主要問題。
[0003] VFDM技術(shù)作為一種新興的解決認知網(wǎng)絡(luò)干擾控制問題的方法，利用了塊傳輸 系統(tǒng)（如OFDM系統(tǒng)）中循環(huán)前綴提供的頻帶冗余為SCs建立新的傳輸鏈路并且不會干 擾MC的正常通信。采用VFDM后，二層發(fā)射機發(fā)出的信號通過層間預(yù)編碼（Cross-Tier Precoder，CTP)被約束到二層網(wǎng)絡(luò)到一層網(wǎng)絡(luò)干擾信道的零空間里。之后，采用層內(nèi)預(yù)編碼 (Intra-Tier Precoder, ITP)來控制SC內(nèi)部用戶間的相互干擾。
[0004] 文南犬 I "Channel estimation impact for Ite small cells based on mu-vfdm [Wireless Communications and Networking Conference (WCNC)，IE EE，2012:2560-2565] "在設(shè)計CTP的過程中引入了多用戶VFDM的概念，其中一層通信鏈路 構(gòu)成MC，二層通信鏈路構(gòu)成SCs。
[0005] 文南犬 2 "Spatial-Frequency Signal Alignment for Opportunistic Transmission [IEEE Transactions on Signal Processing, 2014, 62:1561-1575] ·'，將多用 戶VFDM的研究擴展到了 M頂0系統(tǒng)。
[0006] 文南犬 3 "Zero-forcing methods for downlink spatial multiplexing in multiuser MIMO channeIs. [Si gnal Processing, IEEE Transactions on, 2004, 52(2) :461-471]提出了一種塊對角迫零（Block-Diagonal Zero-Forcing，BD-ZF) 預(yù)編碼算法用以解決多用戶MMO下行鏈路中用戶間的干擾問題。BD-ZF預(yù)編碼算法具有設(shè) 計方便，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，非常適用于多用戶間ITP預(yù)編碼矩陣的設(shè)計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明在現(xiàn)有預(yù)編碼算法的基礎(chǔ)上提出一種基于 BD-ZF的二層網(wǎng)絡(luò)預(yù)編碼優(yōu)化方法。通過對零空間的選取和旋轉(zhuǎn)構(gòu)建優(yōu)化后的ITP編碼矩 陣，可以使SC的信道容量達到最大，從而在抑制二層網(wǎng)絡(luò)多用戶之間的干擾的同時，提升 認知網(wǎng)絡(luò)的容量。
[0008] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：
[0009] 步驟1，對SC基站SBS到MC用戶MU的整體層間信道矩陣Hsm做奇異值分 解得戰(zhàn)微:-U卿Λ哪,其中，U ctp e C ―和C剛於從擇酬欠 W ^ Λ伽e 為對角矩陣，Λ· = 對角矩陣，對角線元素是Hsm的奇異值；
[0010] 步驟2，分割矩陣￥_=以1，￥2)，其中￥1€(:制心辦《，1以_峨_.''撕關(guān),^ 為Hsm零空間的一組標準正交基，設(shè)計CTP矩陣C = V2，得出J = (NT-1)K+NTL，其中，隊為 SBS天線數(shù)，K為MC有效符號長度，L為MC循環(huán)前綴長度；
[0011] 步驟3,將SC層內(nèi)信道矩陣經(jīng)CTP預(yù)編碼后的等效信道矩陣Hss;按行分裂 成N su個K X [ (N T-l) K+NTL]維的子矩陣Hss[?j，η = 1，…，Nsu，Nsu表示SC用戶數(shù)，即
，其中由的第（n_l)K+l行到nK行的 元素構(gòu)成，表示SC內(nèi)SBS到第η個SU的等效信道矩陣；
[0012] 步驟4,將干擾項Ws劃分成Nsu個KXl維的子矩陣w s[i]，i = 1，."，Nsu，即Ws = (ws[l]H，ws[2]H，，其中w s[i]由ws的第（i-l)K+l行至IjiK行的元素構(gòu)成，表示 第i個SU接收到的干擾項；
[0013] 步驟5,初始化m = 0 ;
[0014] 步驟6,計算第m個SU用戶ITP對應(yīng)的矩陣零空間的一組標準正交SVnull [m]，包 括以下步驟：
[0015] i.構(gòu)造第m個SU的層內(nèi)等效干擾信道矩陣
[0016]
[0017]其中，??是一個[(Nsu-I)K] X [(Nt-I)K+NTL]維的矩陣，至少有一個 Nnull [m]= NtL+(Nt-Nsu) K維的零空間；
[0018] i i.對_.進行奇異值分解
,求得的零 空間標準正交基Vnull [m]，其中，Vss[.m] €沙巧…郵碼'?防H G 知:-1)/iv兜―均為酉矩陣，e 抑咕外 元素為％!!)的（Nsu-I)K個奇異值；則％|^零空間的一組標準正交基Vnull [m] = Vss[m](:， (Nsu-I) K+1 ：(NT-1)K+NTL)；
[0019] 步驟7,計算后處理矩罔 是 % [m]的自相關(guān)矩陣；
[0020] 步驟8,求解選取和旋轉(zhuǎn)操作矩陣T [m]，使得第m個SU的信道容量達到最大，包括 以下步驟：
[0021 ] i.計算矩陣二QMHssMvWiM,對XH[m]X[m]做特征值分解：
[0022]
,
[0023] 其中，％χ丨e ㈣為酉矩陣，AxxIm] ^ 其對角線元素為矩陣XH[m]X[m]的特征值；
[0024] ii.矩陣 T[m]由 Qxx[m]的前 D[m]列構(gòu)成，即 T[m] = Qxx[m] ( :，I :D[m])，其中， D [m]是SU對應(yīng)的發(fā)送維度，當(dāng)j
?時 D [m] = K ;
[0025] 步驟9,求第m個SU的優(yōu)化ITP矩向
[0026] 步驟10,計算第m個SU的信道容量
[0027]
[0028] 其中，Ik表示KXK維的單位矩陣，
表示發(fā)送給 第m個SU的信號功率分配矩陣，由注水功率算法獲得P [m];
[0029] 步驟11，m加1，重復(fù)步驟6~10,直到m = Nsu優(yōu)化設(shè)計完成。
[0030] 本發(fā)明的有益效果是：在有效抑制用戶間干擾的同時，能夠最大化二層網(wǎng)絡(luò)的傳 輸容量。
【附圖說明】
[0031] 圖1是基于OFDMA的MC和基于祖MO-VFDM的多用戶SC系統(tǒng)模型示意圖；
[0032] 圖2是Nsu固定時基于BD-ZF的ITP可用維度區(qū)域與Nt的對應(yīng)關(guān)系示意圖；
[0033] 圖3是SC的信道容量與用戶數(shù)Nsu的關(guān)系示意圖；
[0034] 圖4是SC的信道容量與用戶數(shù)隊的關(guān)系示意圖；
[0035] 圖5是不同信噪比下SC的信道容量示意圖。
【具體實施方式】
[0036] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實施 例。
[0037] 二層認知網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)模型如圖1所示。認知網(wǎng)絡(luò)由一層的MC和二層的SC組成，MC 采用LTE正交頻分多址接入方式通信，SC采用M頂O-VFDM方式通信。MC和SC共享頻譜帶 寬，但MC對共享頻譜具有優(yōu)先使用權(quán)。一層網(wǎng)絡(luò)的MC由一個MC基站（MC Base Station， MBS)和一個MC用戶（MC User，MU)組成，二層網(wǎng)絡(luò)的SC由一個SC基站（SC Base Station， SBS)和Nsu個SC用戶（SC User，SU)組成。假設(shè)所有節(jié)點均可完美獲得所需的信道狀態(tài)信 息，并對系統(tǒng)模型作如下設(shè)定：一層網(wǎng)絡(luò)MC中MBS和所有的MU均采用單天線，二層網(wǎng)絡(luò)SC 中SBS采用多天線通信，SBS天線數(shù)為Nt，所有的SU采用單天線。MC采用有效符號長度為 K，循環(huán)前綴長度為L的OFDM傳輸方式。
[0038] 結(jié)合系統(tǒng)模型，定義xMe Ckxi為MBS發(fā)送符號向量，yMe Ckxi為MU所接收到的信 號向量，知[11]已(^)><1，11=1，2，~為為583的第11根天線發(fā)送的信號向量，5^[ 111]￡(：1<><1， m = 1，2，…，Nsu為第m個SU接收到的信號向量，iis € 為所有SU接收的整體噪聲 信號。MC的層內(nèi)信道矩陣為H_e Cκχκ，表示從MBS到MU的信道頻域響應(yīng)矩陣。SC的層內(nèi) 信道矩陣為表不SC內(nèi)SBS到各個SU的整體信道矩陣。層間信道 矩陣包括
〔，分別表示SBS到MU和MBS到所有SU的 整體層間信道矩陣。
[0039] 在CTP抑制層間干擾的基礎(chǔ)上，由ITP來控制SC內(nèi)部用戶間的相互干擾。本發(fā)明 將分兩部分進行描述，即CTP設(shè)計和ITP的優(yōu)化設(shè)計。
[0040] I. CTP 的設(shè)計
[0041] 令ss