一种用于多用户双向中继系统的信号对齐方法
【专利摘要】多用户双向中继场景下的机会信号对齐方法，用于下述场景：包括一个多天线中继和多对多天线用户的双向通信系统，且中继的天线数大于等于用户天线数目，此时用户的天线数量不足以支持经典信号空间对齐算法。本发明所述方法包括下列两个操作步骤：(1)用户波束成形向量设计阶段：联合设计信息交互的每对用户的波束成形向量，使其在有限条件下尽可能对齐到一个方向上。(2)用户调度阶段：利用波束成形设计过程中得到的奇异值进行用户调度，并完成中继处理矩阵的设计。接收端的波束成形设计可以参照上行设计。所提方法较单天线用户的机会对齐的和速率有较大提升。当备选用户足够多时，该方案可达自由度可以接近系统最大可达自由度。
【专利说明】-种用于多用户双向中继系统的信号对齐方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于多用户双向中继系统的传输方案，确切地说，是多天线用户 的波束成形向量设计W及用户调度方案设计，属于无线通信【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 近年来，双向无线通信技术因其有效提高频谱效率引起人们的关注，并应用于自 适应网络和蜂窝移动通信系统等多种领域。一般情况下，对于双向中继通信，信息传输主要 由两个阶段构成：多路接入（MAC)阶段和广播炬C)阶段。在第一个阶段，也就是MAC阶段， 用户同时将信息发送给中继。在BC阶段，中继将接收到的所有用户信息进行处理并发送给 所有用户。用户接收到信息后消除自信息的干扰并解码得到所需的信息。
[0003] 由于能够在多用户干扰信道中获得更高的自由度值oF)，干扰对齐（IA)技术被引 入双向中继系统中。在MIMO Y信道的场景中，有人提出一种称作信号空间对齐（SSA)的技 术，该技术将信号对齐技术和双向中继网络相结合，W求达到更高的DoF。该方案下，在MAC 阶段，H个用户将信号同时传送给中继，进行信息交互的一对用户的信息在中继端对齐到 一个方向。在BC阶段，中继将对齐的信号发送给接收端。可W证明，当用户配置M根天线， 中继配置N根天线，且天线数目满足N > 时，系统达到最优的DoF为3M。此后，SSA技 术又被应用于多种场景。
[0004] 为了在低复杂度的条件下实现更实际的应用，人们在K小区的单入多出系统中提 出了更为实际的机会干扰对齐（OIA)技术。可W证明，在H个用户的干扰信道中，只要备 选用户足够多，即使用户使用随机波束成形，当接收用户足够多，提供干扰能够对齐的机会 时，系统可W达到最优的DoF。有人考虑在多用户双向中继系统中的多用户增益，提出了信 道对齐方案（CAP巧和半正交信道对齐方案（SCAPS)，通过引入多用户分集，对齐每对用户 的信道减少了用户对内的干扰。
[0005] 针对现有方法只在单天线用户适用的问题，本发明提出了一种用户多天线系统下 联合波束成形设计和用户调度的方法。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种多用户双向中继系统中的联合波束成形设计 和用户调度的方法。在该系统中，用户和中继均配置多天线。本发明将引入多用户增益，并 与信号空间对齐相结合，提出一种联合波束成形设计和用户调度的方案。在用户不能满足 完美信号空间对齐时，通过波束成形设计使其尽量对齐，然后在多用户中选出相对而言对 齐程度较好的用户，完成波束成形设计和用户调度。所提方法较单天线用户的机会对齐和 速率有较大提升，且当备选用户足够大时，自由度可W接近最大可达自由度。
[0007] 为了达到上述目的，本发明提供了一种多用户双向中继场景下的机会信号对齐方 法，用于下述场景；包括一个中继和多个用户的双向通信系统，中继和用户均配置多天线， 且中继的天线数和用户天线数量满足一定条件，此时完美的信号空间对齐不再适用。所述 方法包括下列两个操作步骤：
[0008] (1)波束成形向量设计阶段：联合设计每对进行信息交互的用户的波束成形向 量，使其在有限条件下尽可能的对齐到一个方向上。从而尽可能达到将每对信号对齐的目 的。
[0009] 所提波束成形向量设计的具体步骤如下；首先所有用户同时向中继发射信号， 中继获得CSI &，将每对用户的信道矩阵组成一个新的矩阵，定义为正对信道矩阵Ai = 出。-Hi J，为尽量达到对齐的目的，对矩阵Ai进行奇异值分解（SVD)，即有A,. = P,A,Qf。经 过SVD分解后，选出正交矩阵中最小奇异值对应的那一列，即Bi = (Qi) 2M，作为该用户的波 束成形向量。
[0010] (2)用户调度阶段：在完成用户的波束成形设计后，利用波束成形设计的SVD算法 得到的奇异值进行用户调度，并完成中继处理矩阵的设计。接收端的波束成形设计可W参 照上行设计。
[0011] (21)在波束成形向量设计阶段，通过SVD算法进行了用户波束成形的设计，此时 每对用户都对应着一个奇异值
【权利要求】
1. 多用户双向中继场景下的机会信号对齐方法，用于下述场景：包括一个中继和多个 用户的双向通信系统，中继和用户均配置多天线，且中继的天线数和用户天线数量满足一 定条件，即，中继的天线数大于等于用户多天线数目，而用户的天线数有限不足以支持经典 信号空间对齐传输方法，此时完美的信号空间对齐不再适用。所述方法包括下列两个操作 步骤： (1) 用户波束成形向量设计阶段：联合设计每对进行信息交互的用户的波束成形向 量，使其在有限条件下尽可能的对齐到一个方向上，从而达到将信号最大程度对齐的目的。 (2) 用户调度阶段：在完成用户的波束成形设计后，该算法利用用户波束成形设计过 程中得到的奇异值进行用户调度，并完成中继处理矩阵的设计。接收端的波束成形设计可 以参照上行设计。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于： 所提波束成形向量设计的具体步骤如下：首先所有用户同时向中继发射信号，中继获 得系统全局的信道信息（CSI)Hi,将每对用户的信道矩阵组成一个新的矩阵，定义为正对信 道矩阵Ai = [Hi, -Hi+K]。为尽量达到对齐的目的，对正对信道矩阵Ai进行奇异值分解（SVD)， 即有A, = PiAiQf。经过SVD分解后，选出正交矩阵中最小奇异值对应的那一列，即Bi = (Qi) 2M，作为该用户的波束成形向量。
3. 根据权利要求1所述的方法，所述步骤（2)进一步包括下列操作内容 (21) 在波束成形向量设计阶段，通过SVD算法进行了用户波束成形的设计，此时每对 ,
'基于此，该方法联合波束成形 向量设计进行用户调度。由于每对用户此时都对应着一个信道矩阵SVD分解后的奇异值 Ai，在这里，利用该奇异值完成用户的选择。从K个奇异值Ai中选出最小的N个。也就是 在所有备选用户中，选出最小的N个奇异值所对应的N对用户作为通信用户。 (22) 完成用户调度后，选出允许通信的用户，在这里允许通信的用户对数与中继配备 的天线数相等。由于没有完美对齐，每对用户信息向量此时并非对齐到一个方向上，定义
作为机会信号空间对齐后每对信 号的等效信号。出一个比较好的方向作为该对用户的等效方向。并以此设计中继处理矩阵， 在这里选用破零（ZF)处理，即W = P WHW，其中W = G_\ G = [G1,. . .，GJ。 这样就完成了上行部分，下行中的接收端的波束成形向量设计与上行是一样的原理。
【文档编号】H04B7/06GK104363036SQ201410693142
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】高晖, 吕铁军, 王艳 申请人:北京邮电大学