全双工多用户MIMO系统发射功率最小化的收发机优化方法与流程

本发明涉及无线通信领域，特别是涉及全双工多用户MIMO系统发射功率最小化的收发机优化方法。

背景技术：

随着无线设备数目的日益增长和数据速率要求越来越高，如何有效地利用有限的射频资源成为新的通信技术的研究重点。多输入多输出(MIMO)技术已逐渐成为很多无线通信标准的核心技术。在无线通信网络的物理层，MIMO技术可同时用于上行和下行链路中。但由于实际系统硬件设计的限制，上行或下行信道目前只能工作在一个维度(时域或频域)。例如，使用时分双工(TDD)的蜂窝网络向下行链路和上行链路分配相同的频带但不同的时隙；应用频分双工(FDD)的网络允许下行链路和上行链路在相同的时隙但不同的频带传输。由于没有同时对时域、频域资源进行复用，这些无线通信系统无法最大限度的利用有限的射频资源。

由于可能进一步提高甚至使常规半双工系统的容量增加一倍的能力，全双工技术近来得到了极大的关注。全双工系统允许下行链路和上行链路在相同的时隙和频带下工作。虽然这种全双工技术所能带来的系统增益显而易见，但是在实际实现中却有很多技术问题需要解决。实现全双工系统的关键困难在于无线收发机的发射天线到接收天线的自干扰(SI)，也就是下行链路信道的辐射功率、会对基站所期望的上行链路中的接收信号产生干扰。显然，全双工系统的性能取决于收发机的自干扰消除能力。在过去，全双工传输被认为是不可行的，这是因为如果收发机的自干扰功率不能得到有效抑制，接收天线的本底噪声将会显著提高，超过接收端模数转换器的有限动态范围。

近年来，自干扰消除技术的硬件技术得到了一定突破，而且也有很多研究证明了用于短程到中程无线通信的全双工传输的可行性。之后，有大量文献在诸如点到点MIMO、MIMO中继、认知无线电和多用户MIMO系统中进行了全双工通信的相关研究。全双工通信的研究已成为无线通信系统的一大热点。

技术实现要素：

为了解决上述存在的问题，本发明提供全双工多用户MIMO系统发射功率最小化的收发机优化方法，即在保证所有上行、下行用户的频谱效率超过预先设定的门限值情况下，提供一种基于二阶锥规划的收发机联合优化算法，使系统所消耗的总发射功率最小，为达此目的，本发明提供一种全双工多用户MIMO系统发射功率最小化的收发机优化方法，建立相应的数学模型并进行优化，具体优化步骤如下：

1)设置最大迭代次数nmax和收敛精度∈；令分别为矩阵的第一列，记迭代次数为n＝0；

2)求解如下二阶锥规划问题，得到第n次迭代中t的最小值t⁽ⁿ⁾及最优解

其中，a^T表示向量a的转置，表示第n次迭代过程中第k个下行用户的接收波束成形向量，表示第n次迭代过程中第l个上行用户的接收波束成形向量；

3)按照下式更新第n+1次迭代过程中相应的下行和上行用户接收波束成形向量：

4)当n＝0时，令n＝n+1，并重复步骤2)～4)；当n≥1时，若连续两次迭代目标函数值之差的绝对值|t⁽ⁿ⁾-t^(n-1)|小于∈，或迭代次数n≥nmax，则停止迭代，并输出和否则，令n＝n+1，并重复步骤2)～4)。

本发明的进一步改进，建立数学模型如下：

其中，minimize表示求取最小值；subject to g(a)≥0表示变量a满足不等式g(a)≥0的约束；a^H表示向量a的共轭转置；||a||表示向量a的2范数；Kd、Ku分别表示下行、上行链路的用户总数；表示第k个下行用户的发射波束成形向量；表示第l个上行用户的发射波束成形向量；表示第k个下行用户的接收波束成形向量；表示第l个上行用户的接收波束成形向量；表示基站与第k个下行用户的信道矩阵；表示基站与第l个上行用户之间的信道矩阵；表示第l个上行用户和第k个下行用户之间的信道；HSI表示基站自干扰信道矩阵；分别表示第k个下行用户和第l个上行用户的频谱效率门限；表示第k个下行用户的噪声方差；表示基站的噪声方差。

本发明提供一种全双工多用户MIMO系统发射功率最小化的收发机优化方法，其优点如下：

(1)本发明在保证系统服务质量的前提下，以最小化总功率为优化目标，对全双工系统的收发机进行联合优化设计，有效地减少了系统的总功率消耗；

(2)本发明利用迭代的方法同时给出了全双工多用户MIMO系统的上行以及下行收发机设计，计算复杂度较低，利于实现。

附图说明

图1为本发明的算法流程示意图；

图2为本发明考虑的全双工多用户MIMO系统的模型示意图；

图3为系统的总发射功率随下行用户噪声方差的变化曲线；

图4为系统的总发射功率随上行用户噪声方差的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供全双工多用户MIMO系统发射功率最小化的收发机优化方法，即在保证所有上行、下行用户的频谱效率超过预先设定的门限值情况下，提供一种基于二阶锥规划的收发机联合优化算法，使系统所消耗的总发射功率最小。

实施例1：

如图1所示，本发明所针对的全双工多用户MIMO系统，由可实现全双工的基站、Kd个下行用户和Ku个上行用户组成，基站有NdT个发射天线用于下行链路的信号传输、NuR个接收天线用于上行链路的信号接收，下行用户有NdR个接收天线，上行用户有NuT个发射天线。

在下行链路中，发射给第k个下行用户的信息为且该信息在基站中经过线性波束成形器后进行发射，发射信号为表示第k个下行用户的发射波束成形向量；第k个下行用户信息的估计值为：

其中，a^H表示向量a的共轭转置；表示基站与第k个下行用户的信道矩阵；表示第l个上行用户与第k个下行用户之间的信道；表示第l个上行用户的发射信号；表示第l个上行用户的发射波束成形向量；表示第k个下行用户的接收波束成形向量；表示第k个下行用户的噪声向量，是均值为0、协方差矩阵为的高斯白噪声，表示NdR维的单位矩阵。第k个下行用户的频谱效率为：

其中，||a||表示向量a的2范数。

在上行链路中，第l个上行用户信息的估计值为：

其中，表示第l个上行用户的接收波束成形向量；表示基站与第l个上行用户之间的信道矩阵；HSI表示基站自干扰信道矩阵；nu表示基站的噪声向量，是均值为0、协方差矩阵为的高斯白噪声，表示NuR维的单位矩阵。第l个上行用户的频谱效率为：

针对该系统，在保证所有上行、下行用户的频谱效率超过预先设定的门限值情况下，通过联合优化收发机，使系统所消耗的总发射功率最小，建立如下数学模型：

其中，minimize表示求取最小值；subject to g(a)≥0表示变量a满足不等式g(a)≥0的约束；分别表示第k个下行用户和第l个上行用户的频谱效率门限；

实施例2：

如图2所示，本发明提供一种全双工多用户MIMO系统发射功率最小化的收发机优化方法，具体包括以下步骤：

1)设置最大迭代次数nmax和收敛精度∈；令分别为矩阵的第一列，记迭代次数为n＝0；

2)求解如下二阶锥规划问题，得到第n次迭代中t的最小值t⁽ⁿ⁾及最优解

其中，a^T表示向量a的转置，表示第n次迭代过程中第k个下行用户的接收波束成形向量，表示第n次迭代过程中第l个上行用户的接收波束成形向量；

3)按照下式更新第n+1次迭代过程中相应的下行和上行用户接收波束成形向量：

4)当n＝0时，令n＝n+1，并重复步骤2)～4)；当n≥1时，若连续两次迭代目标函数值之差的绝对值|t⁽ⁿ⁾-t^(n-1)|小于∈，或迭代次数n≥nmax，则停止迭代，并输出和否则，令n＝n+1，并重复步骤2)～4)。

为了验证该设计方法的性能，进行了仿真实验。仿真实验结果见图3～4，所涉及的实验条件有：基站与各上、下行用户之间的信道均是方差为0dB的瑞利信道；上、下行用户之间的信道满足方差为0dB的瑞利分布；基站自干扰信道满足方差为5dB的瑞利分布；上、下行用户数、天线数如下表所示：

图3中的实线表示利用本专利所提出的算法，在保证所有上行、下行用户的频谱效率超过预先设定的门限值情况下，全双工系统所需的总发射功率随下行用户噪声方差的变化曲线，虚线为半双工系统的曲线。为了绘制此曲线，针对每一个下行用户噪声方差，我们固定上行用户的噪声方差为0dBW，利用本专利提出的算法进行了100次仿真实验，取这100次仿真实验的平均值作为系统所需的总发射功率，由图可以发现，全双工与半双工系统所需发射功率均随着下行用户噪声方差的增加而增加；同时还可以发现，全双工系统所需的总发射功率基本都比半双工系统低15dB左右。

类似地，固定下行用户噪声方差为0dBW，进行100次仿真实验取平均值后，也可以获得系统的总发射功率随上行用户噪声方差的变化曲线，如图4所示。由图4我们可以发现：系统所需总发射功率随上行用户噪声方差的增加而增加；全双工系统所需的总发射功率基本都比半双工系统低12dB左右。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。