一种多用户mimo广播信道在混合csi下的自由度优化方法
【专利摘要】本发明公开了一种多用户MIMO广播信道在混合CSI下的自由度优化方法，包括：(1)从静态用户中选择参与通信的静态用户；(2)对静态用户的目标信号进行块对角化预编码；(3)将预编码获得的信号与动态用户的目标信号进行格拉斯曼?欧氏叠乘；(4)各个用户分别对接收到的信号进行解码，获取目标信号；本发明提供的自由度优化方法，采用块对角化预编码加格拉斯曼?欧氏叠乘的方法，使基站能与一个动态用户和多个静态用户通信，解决现有技术中基站每个时隙只能与一个用户进行通信的问题；并且在不改变动态用户的自由度的情况下，使满足条件的静态用户获得额外的自由度；相对于现有技术的分时策略，可显著提高系统的自由度。
【专利说明】
-种多用户ΜI MO广播信道在混合CSI下的自由度优化方法
技术领域
[0001] 本发明属于通信技术领域，更具体地，设及一种多用户ΜΙΜΟ广播信道在混合CSI下 的自由度优化方法。
【背景技术】
[0002] 对于多用户ΜΙΜΟ(多入多出，Multi-I吨ut Multi-Ou化ut)广播信道，其自由度很 大程度上决定于收发端是否已知CSI(化annel State Information,信道边信息），当发送 端有CSIT(CSI at Transmitter,发送端信道边信息）并且接收端有CSIR(CSI at Receiver,接收端信道边信息）时，可W通过发送端预编码技术W及接收端干扰消除的方 法，使发送端可W同时向所有用户发送信号。当基站天线数为M，用户数为K，各个用户天线 数为Ni(l《i《K)，在该场景下，系统能够获得的最大自由度；
而当发送 端没有CS口时，不论所有用户是否都已知或者都未知CSIR，TDMA(Time Division Multiple Access,时分复用)都是最优的;运个时候系统能够达到的最大自由度为min(M,max Ni);但 部分用户知道CSI則寸，分时策略只能让基站每个时刻最多只与一个用户进行通信，系统所 能达到的自由度域较低。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术的W上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多用户ΜΙΜΟ广播信道在 混合CSI下的自由度优化方法，其目的在于使基站能同时与多个用户进行通信，可W提高系 统的自由度域，获取更大的系统容量。
[0004] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多用户ΜΙΜΟ广播信道在混 合CSI下的自由度优化方法，该方法基于W下多用户ΜΙΜΟ广播信道下的模型；
[0005] 该模型中，接收端用户包括多个动态用户，动态用户的收发端不知其CSI;接收端 还包括多个静态用户，静态用户的收发端均已知CSI，并且静态用户之间共享CSI;该自由度 优化方法具体包括如下步骤：
[0006] (1)在基站与动态用户建立通信前，根据用户选择策略从静态用户中选取Κ个静态 用户，由运Κ个静态用户构成静态用户组；
[0007] (2)根据静态用户组的信道参数出获取各静态用户的预编码矩阵Ti，其中，i是指用 户编号，
[000引（3)通过各静态用户的目标信号di与预编码矩阵Τι获得静态用户组的编码信号私；
[0009] (4)对动态用户的目标信号Xd与静态用户组的编码信号Xs进行格拉斯曼-欧氏叠 乘，得到叠乘信号X = tXd;通过基站向动态用户与静态用户组内的静态用户发送该叠乘信 号；
[0010] (5)由上述用户对接收信号进行解码，根据解码得到的信号获取用户的自由度。
[0011] 优选地，上述多用户ΜΙΜΟ广播信道在混合CSI下的自由度优化方法，其步骤（1)中 的用户选择策略具体如下：
[0012] (i)对于天线数为Nd的动态用户，从所有静态用户中选择天线数最大且天线数不 小于Nd的静态用户，加入静态用户组；
[0013] (ii)判断上述静态用户组中静态用户的天线数之和是否小于基站发送天线数M， 若是，则从经过步骤（1)挑选后剩余的静态用户中选择天线数最大且天线数不小于Nd的静 态用户，加入静态用户组;若否，则结束。
[0014] 优选地，上述多用户ΜΙΜΟ广播信道在混合CSI下的自由度优化方法，所述预编码矩 阵
[0015] 其中，信道参数出包括每个静态用户的信道矩阵;其中，null是指取零空间处理。
[0016] 优选地，上述多用户ΜΙΜΟ广播信道在混合CSI下的自由度优化方法，所述静态用户 组的编码信号
[0017] 本发明提供的上述自由度优化方法，在基站与动态用户进行通信前，先对静态用 户进行选择，只有天线数大于该动态用户天线数的静态用户才能参与通信，并且静态用户 组中天线数之和不大于基站的发送天线数；由此让尽可能多的静态用户参与通信；由于采 用分时策略时静态用户均无法获取自由度，因此运种方法能使运些静态用户都可W获得额 外的自由度增益。
[0018] 而为了达到基站同时与动态用户与选中的静态用户进行通信的目的，采用格拉斯 曼-欧氏信号叠乘的方法，将静态用户组的目标信号与动态用户的目标信号整合;如此处理 后，对于信号接收端而言，各用户都等效于一个点对点非相干ΜΙΜΟ信道，每个用户都可W获 取相应的自由度;本发明的运种方法可W使基站同时与多个用户进行通信，起到显著提升 自由度域的效果。
[0019] 总体而言，通过本发明所构思的W上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有 益效果：
[0020] (1)本发明提供的多用户ΜΙΜΟ广播信道在混合CSI下的自由度优化方法，采用格拉 斯曼-欧氏叠乘的方法获得发送信号，对于动态用户而言，叠乘处理并不改变动态用户与基 站间的通信，对动态用户的自由度没有变影响，但是对于静态用户而言，当发送信号为叠乘 信号时，由于采用分时策略时静态用户均无法获取自由度，因此运种方法能够让部分静态 用户获得额外的自由度增益；
[0021] (2)本发明提供的多用户ΜΙΜΟ广播信道在混合CSI下的自由度优化方法，由于静态 用户能够获取额外的自由度增益，在基站天线数足够大的情况下，系统获得的自由度增益 随着静态用户天线数的增加而增加;而传统的分时策略每个时刻只能与最多一个用户进行 通信;相比较而言，在通信中应用本发明提供的方法，可W获得显著的自由度提升。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明实施例中的多用户ΜΙΜΟ广播信道模型；
[0023] 图2为本发明实施例提供的多用户ΜΙΜΟ广播信道在混合CSI下的自由度优化方法 的流程图；
[0024] 图3为实施例中ΜΙΜΟ广播信道模型下的Ξ种传输方法的自由度域比较示意图。
【具体实施方式】
[0025] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所设及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可W相互组合。
[0026] 实施例所基于的多用户ΜΙΜΟ广播信道模型，如图1所示意的，静态用户数目为Κι， 各静态用户的天线数分别为Ni，动态用户个数为Κ2,每个动态用户的天线数为Rj，相干周期 为Tj;其中，i是指静态用户编号，j是指动态用户编号，
[0027] 其中，静态用户天线数满足…SWA，No=cχ^，iVκパ=0;实施例中，对于任 一用户，当用户的天线数大于基站的发送天线数M，将该用户的发送天线数取为M;因为无论 是基站与该用户进行点对点通信，还是基站与包含该用户在内的几个用户进行广播通信， 接收天线数超过Μ都是没有意义的，将其天线数取Μ对系统自由度域无影响；因此，实施例 中，对所有i和j，均有Ni《M，Rj《M;其中，i是指静态用户编号，j是指动态用户编号。
[0028] 实施例中，动态用户与动态用户之间的通信采用分时策略，基站每次最多只与一 个动态用户通信，在基站与某动态用户进行通信时，选中天线数不小于该动态用户天线数 的静态用户参与通信，通过使用块对角化(或迫零)预编码对所选静态用户的目标信号进行 预编码，将得到的编码信号矩阵与动态用户的信号矩阵进行叠乘，获得格拉斯曼-欧氏叠乘 信号;基站发送该叠乘信号，接收端各个用户对接收到的信号分别解码，根据解码获得的信 号获取各用户相应的自由度。
[0029] 实施例提供的多用户ΜΙΜΟ广播信道在混合CSI下的自由度优化方法，其流程如图2 所示，包括如下步骤：
[0030] (1)在基站与动态用户建立通信前，根据用户选择策略从静态用户中选取Κ个静态 用户，由运Κ个静态用户构成静态用户组；
[0031] (2)根据静态用户组的信道参数出获取各个静态用户的预编码矩阵Ti，l《i《K;
[0032] (3)通过各静态用户的目标信号di与预编码矩阵Τι获得静态用户组的编码信号Xs;
[0033] (4)对动态用户的目标信号Xd与静态用户组的编码信号Xs进行格拉斯曼-欧氏叠 乘，得到叠乘信号X = XsXd;通过基站向动态用户与静态用户组内的静态用户发送该叠乘信 号；
[0034] (5)由上述用户对接收信号进行解码，根据解码得到的信号获取用户的自由度。
[0035] 实施例中，基站分配给动态用户j的通信时长为tj，该动态用户天线数为Rj;
[0036] 其中，静态用户组包括m个用户，0《m《Ki，Nm>Rj >Nm+i;编号1到m的静态用户的天 线数均不小于Rj。
[0037] 基站在与动态用户j进行通信的时候，选择部分静态用户参与通信，并且所有静态 用户有效(实际选择的)天线数最大化；
[003引由于化 >化>…>Nm>Rj>Nm+l，所W从编号为1至m的静态用户中选取静态用户加 入静态用户组;采用贪屯、算法进行静态用户选择，具体步骤如下：
[0039] (1)建立已选用户的编号集合及待选用户编号集合1^/^ = {1，2，-，，111};其中 集合Γ北勺初始值为空集；
[0040] (2)获取Γ冲所有编号对应的用户天线数之和
其中，Ντ是指集合Γ冲各个 静态用户的天线数；
[0041] 判断集合r/j是否为空，若是，则进入步骤巧）;若不是，进行W下步骤：
[0042] 当
进入步骤（4 );当
进入步骤(5);
[0043] (3)将编号P加入集合。，并从Γ /冲移除P，重复步骤(2);
[0044] (4)从Γ ' J中移除P，进入步骤(2);
[0045] (5)获取集合Γ^;集合Γ非P为选取的静态用户组，在基站与动态用户j进行通信的 时候，Tj中的静态用户均可W参与通信；由于每个静态用户均可W获额外的自由度，因此， 该方法可W起到提高系统自由度的效果。
[0046] 实施例中，当接收端选取的静态用户个数为K，每个静态用户的天线数分别为Ni，K 个静态用户构成静态用户组;动态用户天线数为Nd，相干周期为T。
[0047] 在基站与动态用户进行通信的归一化时长内，让静态用户组参与通 信;各静态用户的目标信号矩阵为di;对于每个用户，从相干周期T内选取Nd个有效时隙用来 向静态用户发送目标信号。
[004引各静态用户的信道矩阵为
，动态用户的信道矩阵为11^ € ；
[0049]首先对K个静态用户Nd个时隙的目标信号进行块对角化预编码，基站对用户i的预 编码矩阵1； € 来自其他K-1个用户的信道组成的矩阵宜，的零空间，即
[(K)加 ]
[0051] 其中：
[0052] 各用户的目标信号di都通过Τι进行预编码，预编码矩阵满足出L = 0;对于所有i声 j，且
[0053] 实施例中，静态用户的目标信号作块对角化之后得到的信号矩阵
[0054] 在归一化时长t内，每T个时隙，基站发送叠乘信号乂 = 了，其中 X,/ eCV''x了为动态用户的目标信号采用格拉斯曼码本抗仁;
[0化日]在接收端，动态用户的接收信号
[0化6]
[0057]其中《为归一化的噪声信号，白,/￡〇"^~<^为动态用户等效的信道矩阵，由于化> Nd，X, E Cw'"~是列满秩的，左乘一个随机矩阵出后得到的貞。，仍然是列满秩的。
[0化引根据格拉斯曼流形G(T，Nd)的性质，岛d并不改变Xd的行空间，通过解码Xd，动态用 户每个时隙可W获得的自由度仍为
[0059]而对于静态用户，W第i个用户进行分析，在高信噪比下忽略噪声ωι，其接收信号
[0061] 由于静态用户i已出，而Τι可由百,斯零空间得到，因此上述信道等效转换为
[0062]
[006；3] 其中，等效信道矩阵A, =H,T,d, 是一个列满秩矩阵，并且它并不改变Xd的 行空间；因此动态用户的目标信号也能被静态用户解码，当用户i解出Xd，可W根据下式获 取其目标信号山，
[0064]
[0065] 对该用户而言，出、Τι是已知的，根据上市获取di;根据di获得用户的自由度NiNd;在 基站与动态用户进行通信的时长t内，用户i平均每个时隙可W获取的自由度为NiNd/T。
[0066] 在时间t内，系统平均每个时隙能够达到的自由度对为：
[0067]
[0068] 其中Dd为动态用户获取的自由度，Di是第i个静态用户获取的自由度。
[0069] 基站在与动态用户通信结束后，可W与所有静态用户同时进行通信，归一化时长 为（1-t)，由于收发端都已知CSI，使用块对角化预编码，可W获取最大自由度，平均每个时 隙为化=EiNi。
[0070] 把所有静态用户分为一组，可W看作一个天线数为化的静态用户，系统平均每个 时隙能够达到的自由度对为：
[0071]
[0072] 如果采用传统的分时策略，动态用户分配的时长为t(0《t《l)，所有静态用户分 配的总时长为(1-t)，系统平均每个时隙能够达到的自由度对为：
[0073]
[0074] 如果把所有静态用户当作一组，基站要么同时与所有静态用户进行通信，要么单 独与动态用户进行通信;动态用户的分时长度为t，系统平均每个时隙能够达到的自由度对 为：
[0075]
[0076] 选取Ξ个用户广播信道，比较分时策略与本方案能够达到的自由度域，其中静态 用户为两个，动态用户为一个，动态用户天线数Nd = 2,两个静态用户的天线数为化二化=3， 动态用户相干周期长度为Τ = 4;将通过W上Ξ种方法可获得的自由度域通过曲线分析，如 图3所示;从图3中可W看到本发明提供的预编码加叠乘的方法能够获得的自由度域，明显 大于另外两种方案;进一步验证了本发明提供的多用户ΜΙΜΟ广播信道在混合CSI下的自由 度优化方法，达到了提高自由度的目的。
[0077] 本领域的技术人员容易理解，W上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用W 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种多用户Μ頂0广播信道在混合CSI下的自由度优化方法，其特征在于，具体包括如 下步骤： (1) 在基站与动态用户建立通信前，根据用户选择策略从静态用户中选取K个静态用 户，由所述K个静态用户构成静态用户组； (2) 根据静态用户组的信道参数m获取静态用户的预编码矩阵，其中，i是指静态用户 编号， (3) 通过静态用户的目标信号cU与所述预编码矩阵获得静态用户组的编码信号Xs; (4) 对动态用户的目标信号Xd与静态用户组的编码信号Xs进行格拉斯曼-欧氏叠乘，获 得叠乘信号X=X sXd;通过基站向动态用户与静态用户组内的静态用户发送所述叠乘信号； (5) 由用户对接收到的信号进行解码，根据解码得到的信号获取用户的自由度。2. 如权利要求1所述的自由度优化方法，其特征在于，步骤（1)中所述的用户选择策略 具体如下： (i) 对于天线数为Nd的动态用户，从所有静态用户中选择天线数最大且天线数不小于Nd 的静态用户，加入静态用户组； (ii) 判断上述静态用户组中静态用户的天线数之和是否小于基站发送天线数M，若是， 则从经过步骤（1)挑选后剩余的静态用户中选择天线数最大且天线数不小于Nd的静态用 户，加入静态用户组;若否，则结束。3. 如权利要求1或2所述的自由度优化方法，其特征在于，所述预编码矩阵 其中，信道参数出为用户的信道矩阵;其中，null是指取零空间处理。4. 如权利要求1或2所述的自由度优化方法，其特征在于，所述静态用户组的编码信号
【文档编号】H04B7/04GK106059637SQ201610375060
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】夏鹏敏, 王德胜, 万晨, 刘文旭
【申请人】华中科技大学