一种基于mimo-vfdm的多用户认知网络预编码优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种米用多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output, ΜΙΜΟ) 和范德蒙子空间频分复用（Vandermonde-subspace Frequency Division Multiplexing, VFDM)传输的多用户两层认知网络预编码的优化设计方案，用于抑制二层认 知网络中用户间的干扰并最大化二层网络的信道容量。
【背景技术】
[0002] 无线业务的持续增长导致了频域资源越来越稀缺，因此高频谱利用率的无线传输 成为现代通信的研究热点。认知网络等两层网络的部署是一种解决频谱资源的可行方案。 在基于认知无线电技术的两层网络通信系统中，小小区（small- cellS，SCs)作为第二层网 络被布置在宏小区（macro-cell，MC)的周边并与其共享频谱传输。MC对共享频谱具有优先 使用权，二层网络机会式接入频谱且必须确保对MC不产生干扰或产生的干扰在可容忍范 围内。因此如何控制SCs对MC的干扰成为两层认知网络的实施中研究的主要问题。
[0003] VFDM技术作为一种新兴的解决认知网络干扰控制问题的方法，利用了块传输 系统（如OFDM系统）中循环前缀提供的频带冗余为SCs建立新的传输链路并且不会干 扰MC的正常通信。采用VFDM后，二层发射机发出的信号通过层间预编码（Cross-Tier Precoder，CTP)被约束到二层网络到一层网络干扰信道的零空间里。之后，采用层内预编码 (Intra-Tier Precoder, ITP)来控制SC内部用户间的相互干扰。
[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] "在设计CTP的过程中引入了多用户VFDM的概念，其中一层通信链路 构成MC，二层通信链路构成SCs。
[0005] 文南犬 2 "Spatial-Frequency Signal Alignment for Opportunistic Transmission [IEEE Transactions on Signal Processing, 2014, 62:1561-1575] ·'，将多用 户VFDM的研究扩展到了 M頂0系统。
[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]提出了一种块对角迫零（Block-Diagonal Zero-Forcing，BD-ZF) 预编码算法用以解决多用户MMO下行链路中用户间的干扰问题。BD-ZF预编码算法具有设 计方便，结构简单等优点，非常适用于多用户间ITP预编码矩阵的设计。
【发明内容】
[0007] 为了克服现有技术的不足，本发明在现有预编码算法的基础上提出一种基于 BD-ZF的二层网络预编码优化方法。通过对零空间的选取和旋转构建优化后的ITP编码矩 阵，可以使SC的信道容量达到最大，从而在抑制二层网络多用户之间的干扰的同时，提升 认知网络的容量。
[0008] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
[0009] 步骤1，对SC基站SBS到MC用户MU的整体层间信道矩阵Hsm做奇异值分 解得戰微:-U卿Λ哪,其中，U ctp e C ―和C剛於从择酬欠 W ^ Λ伽e 为对角矩阵，Λ· = 对角矩阵，对角线元素是Hsm的奇异值；
[0010] 步骤2，分割矩阵￥_=以1，￥2)，其中￥1€(:制心辦《，1以_峨_.''撕關,^ 为Hsm零空间的一组标准正交基，设计CTP矩阵C = V2，得出J = (NT-1)K+NTL，其中，队为 SBS天线数，K为MC有效符号长度，L为MC循环前缀长度；
[0011] 步骤3,将SC层内信道矩阵经CTP预编码后的等效信道矩阵Hss;按行分裂 成N su个K X [ (N T-l) K+NTL]维的子矩阵Hss[?j，η = 1，…，Nsu，Nsu表示SC用户数，即
，其中由的第（n_l)K+l行到nK行的 元素构成，表示SC内SBS到第η个SU的等效信道矩阵；
[0012] 步骤4,将干扰项Ws划分成Nsu个KXl维的子矩阵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行的元素构成，表示 第i个SU接收到的干扰项；
[0013] 步骤5,初始化m = 0 ;
[0014] 步骤6,计算第m个SU用户ITP对应的矩阵零空间的一组标准正交SVnull [m]，包 括以下步骤：
[0015] i.构造第m个SU的层内等效干扰信道矩阵
[0016]
[0017]其中，??是一个[(Nsu-I)K] X [(Nt-I)K+NTL]维的矩阵，至少有一个 Nnull [m]= NtL+(Nt-Nsu) K维的零空间；
[0018] i i.对_.进行奇异值分解
,求得的零 空间标准正交基Vnull [m]，其中，Vss[.m] €沙巧…邮碼'?防H G 知:-1)/iv兜―均为酉矩阵，e 抑咕外 元素为％!!)的（Nsu-I)K个奇异值；则％|^零空间的一组标准正交基Vnull [m] = Vss[m](:， (Nsu-I) K+1 ：(NT-1)K+NTL)；
[0019] 步骤7,计算后处理矩罔 是 % [m]的自相关矩阵；
[0020] 步骤8,求解选取和旋转操作矩阵T [m]，使得第m个SU的信道容量达到最大，包括 以下步骤：
[0021 ] i.计算矩阵二QMHssMvWiM,对XH[m]X[m]做特征值分解：
[0022]
,
[0023] 其中，％χ丨e ㈣为酉矩阵，AxxIm] ^ 其对角线元素为矩阵XH[m]X[m]的特征值；
[0024] ii.矩阵 T[m]由 Qxx[m]的前 D[m]列构成，即 T[m] = Qxx[m] ( :，I :D[m])，其中， D [m]是SU对应的发送维度，当j
?时 D [m] = K ;
[0025] 步骤9,求第m个SU的优化ITP矩向
[0026] 步骤10,计算第m个SU的信道容量
[0027]
[0028] 其中，Ik表示KXK维的单位矩阵，
表示发送给 第m个SU的信号功率分配矩阵，由注水功率算法获得P [m];
[0029] 步骤11，m加1，重复步骤6~10,直到m = Nsu优化设计完成。
[0030] 本发明的有益效果是：在有效抑制用户间干扰的同时，能够最大化二层网络的传 输容量。
【附图说明】
[0031] 图1是基于OFDMA的MC和基于祖MO-VFDM的多用户SC系统模型示意图；
[0032] 图2是Nsu固定时基于BD-ZF的ITP可用维度区域与Nt的对应关系示意图；
[0033] 图3是SC的信道容量与用户数Nsu的关系示意图；
[0034] 图4是SC的信道容量与用户数队的关系示意图；
[0035] 图5是不同信噪比下SC的信道容量示意图。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施 例。
[0037] 二层认知网络的系统模型如图1所示。认知网络由一层的MC和二层的SC组成，MC 采用LTE正交频分多址接入方式通信，SC采用M頂O-VFDM方式通信。MC和SC共享频谱带 宽，但MC对共享频谱具有优先使用权。一层网络的MC由一个MC基站（MC Base Station， MBS)和一个MC用户（MC User，MU)组成，二层网络的SC由一个SC基站（SC Base Station， SBS)和Nsu个SC用户（SC User，SU)组成。假设所有节点均可完美获得所需的信道状态信 息，并对系统模型作如下设定：一层网络MC中MBS和所有的MU均采用单天线，二层网络SC 中SBS采用多天线通信，SBS天线数为Nt，所有的SU采用单天线。MC采用有效符号长度为 K，循环前缀长度为L的OFDM传输方式。
[0038] 结合系统模型，定义xMe Ckxi为MBS发送符号向量，yMe Ckxi为MU所接收到的信 号向量，知[11]已(^)><1，11=1，2，~為为583的第11根天线发送的信号向量，5^[ 111]￡(：1<><1， m = 1，2，…，Nsu为第m个SU接收到的信号向量，iis € 为所有SU接收的整体噪声 信号。MC的层内信道矩阵为H_e Cκχκ，表示从MBS到MU的信道频域响应矩阵。SC的层内 信道矩阵为表不SC内SBS到各个SU的整体信道矩阵。层间信道 矩阵包括
〔，分别表示SBS到MU和MBS到所有SU的 整体层间信道矩阵。
[0039] 在CTP抑制层间干扰的基础上，由ITP来控制SC内部用户间的相互干扰。本发明 将分两部分进行描述，即CTP设计和ITP的优化设计。
[0040] I. CTP 的设计
[0041] 令ss