一种基于速率分拆的非对称上下行协作传输方法及装置与流程

本发明涉及通信技术领域，更具体地，涉及一种基于速率分拆的非对称上下行协作传输方法及装置。

背景技术：

随着人们对数据传输速度、容量和质量的不断增加，第五代

(5g)无线通信技术快速发展。作为5g的关键技术之一，动态时分双工(timedivisionduplex，tdd)技术通过改变传输时间间隙占比可以允许更灵活的上下行业务。

长期标准化演进(long-termevolution，lte)最初版本中上下行的配置是静态的，所有的基站同步运行。由于基站之间无协作，

基站间的资源配置并非最优。随后版本支持动态tdd-lte。动态的上下行配置一方面带来了更大的灵活性，另一方面也引入了两种干扰，一是基站间的干扰，一是用户间的干扰。

为了消除上述干扰，工业界和学术界提出了多种技术，比如小区聚类、干扰消除、加强干扰抑制和适应等。这些干扰消除技术均将干扰视为需要排除的对象，需浪费宝贵的频谱资源和计算资源以进行额外的运算和操作。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的基于速率分拆的非对称上下行协作传输方法及装置。

根据本发明的一个方面，提供一种基于速率分拆的非对称上下行协作传输方法，包括：

针对每个帧，在无速率分拆rs条件下，利用松弛条件下的线性规划方法进行用户配对，选择相对干扰强度最高的其他小区用户与目标用户配对，以获得最优用户配对；

基于所述最优用户配对，在有速率分拆rs条件下，利用dc规划算法求解最优的发射协方差矩阵；

基于所述最优的发射协方差矩阵，获取每个小小区在不同传输方向上的最优和速率，选择最优和速率最大的传输方向作为发射信号的传输方向。

根据本发明的另一个方面，还提供一种基于速率分拆的非对称上下行协作传输装置，包括：

用户配对模块，用于针对每个帧，在无速率分拆rs条件下，利用松弛条件下的线性规划方法进行用户配对，选择相对干扰强度最高的其他小区用户与目标用户配对，以获得最优用户配对；

最优协方差矩阵模块，用于基于所述最优用户配对，在有速率分拆rs条件下，利用dc规划算法求解最优的发射协方差矩阵；以及

传输方向选择模块，要看哪个呀基于所述最优的发射协方差矩阵，获取每个小小区在不同传输方向上的最优和速率，选择最优和速率最大的传输方向作为发射信号的传输方向。

根据本发明的另一个方面，还提供一种电子设备，包括：

至少一个处理器；以及

与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：

所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行本发明基于速率分拆的非对称上下行协作传输方法及其任一可选实施例的方法。

根据本发明的另一个方面，还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行本发明基于速率分拆的非对称上下行协作传输方法及其任一可选实施例的方法。

本发明提出一种基于速率分拆的非对称上下行协作传输方法，采用了速率分拆rs技术并引入协作机制，在多小区上下行传输时可支持非对称工况。相比于传统的传输方法，针对不同用户位置和网络规模，传输效率均更高。在密集小小区网络中，能够有效改善小区边界用户的传输性能。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于速率分拆的非对称上下行协作传输方法流程示意图；

图2为本发明实施例所述非对称上下行传输网络模型示意图；

图3为本发明实施例所述速率分拆方案流程示意图；

图4为本发明实施例仿真参数设置示意图；

图5为本发明实施例不同的上下行分配方案在场景一中的平均和速率随距离due的变化的趋势示意图；

图6为本发明实施例不同的上下行分配方案在场景二中的平均和速率随着小小区个数的增加的变化趋势示意图；

图7为本发明实施例一种电子设备的框架示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明实施例所述速率分拆(ratesplitting，rs)技术是一种新型的干扰管理技术，它将干扰视为可以利用的资源。基于速率分拆技术，引入协作机制，灵活处理上下行传输，将提高传输效率和频率利用率，对5g技术的发展具有重要的意义。

非对称上下行传输引入了新的干扰源，即上行对下行的干扰(用户之间的干扰)和下行对上行的干扰(基站之间的干扰)。速率分拆技术主要思想是，每个发送端将原始信号拆分成两部分：私有信号和公共部分。私有信息只可以被指定用户译码，而公共信息可以被本小区和其他小区的多个用户进行译码。私有信息部分和公共信息部分分别进行发送预处理。在接受端使用sic接收机，首先从接收信号中译码出本小区用户的公共信息，并减掉；然后译码出干扰用户的公共信息，并减掉；最后译码出本小区私有公共信息。处于实现复杂度和可行性的考虑，本发明提出的速率分拆方案不需要接收机译码出所有干扰用户的公共信息，而是针对每个用户选择相对干扰强度最强的一个干扰用户与之配对。

为了解决现有技术问题，本发明实施例提供一种基于速率分拆的非对称上下行协作传输方法及装置。首先介绍本发明实施例所基于的系统模型。

本发明实施例的系统模型为多输入多输出(multi-inputmulti-output，mimo)非对称上下行的动态双工模型。该模型内有n个小小区基站，各基站带有不少于1根天线。每一个基站与k个多天线用户设备相关联。

本发明实施例中下行小小区i中第j个用户设备，即ue(i,j)收到的第t帧等效基带信号为：

其中，分别为从基站n到ue(i,j)(下行链路)和从ue(n,k)到ue(i,j)(用户间的链路)的mimo信道矩阵；sn∈{0,1}为表征传输方向的布尔变量，即当第n个小区为下行传输时，sn＝1，当为上行时，sn＝0。分别为下行基站i发给ue(i,j)和上行ue(i,j)发给基站i的信号，对应的协方差矩阵为为接收的加性高斯白噪声(additivegaussianwhitenoise，awgn)。基站和ue的发射功率满足

本发明实施例中上行小小区i中的基站接收到的第t帧的等效基带信号为：

其中，分别为ue(i,j)到基站n和基站n到基站i的mimo信道矩阵。

总体上，本发明实施例基于速率分拆的非对称上下行协作传输方法，通过联合优化传输方向，用户配对和发射协方差矩阵，获得和速率的最大化，具体的优化问题描述如下：

si[t]∈{0,1}(c3)

其中，μi,j为下行传输速率的权重，在0～1之间；si[t]为传输方向指示变量，即如果小小区i为下行，那么si[t]＝1，否则为上行；为下行ue(i,j)消息的传输速率；为上行ue(i,j)消息的传输速率；为下行ue(i,j)消息的发射协方差矩阵；为上行ue(i,j)消息的发射协方差矩阵；为下行发射协方差矩阵的集合，其元素受到下行发射功率的约束；为上行发送协方差矩阵的集合，其元素受到上行发射功率的约束；为在方向di上的ue(i,j)在t帧上的传输速率；为满足速率分拆的速率域；为ue(i,j)的公共信息是否可以被ue译码

译码的配对映射；为小小区索引集合，为每个小小区中的用户索引集合，为所考虑的帧的集合。

其中，速率分拆私有信息和公共信息的预处理方案的设计体现在发射协方差矩阵q的优化，q即要满足发射功率约束条件(c1)和可获得的公共和私有速率约束(c2)；约束条件(c3)反映了传输方向的约束；用户配对优化需要满足不同小区用户配对(c4)和每个用户至多可以译码一个干扰用户的公共信息(c5)。由于存在非凸的约束条件和整数变量，该问题为非凸的np-hard问题。

图1为本发明实施例一种基于速率分拆的非对称上下行协作传输方法流程示意图，如图1所示的一种基于速率分拆的非对称上下行协作传输方法，包括：

s100，针对每个帧，在无速率分拆rs条件下，利用松弛条件下的线性规划方法进行用户配对，选择相对干扰强度最高的其他小区用户与目标用户配对，以获得最优用户配对；

在步骤s100之前，本发明实施例首先将t个帧内的平均和速率最大化问题进行分解，针对每个帧求解和速率最大化子问题。

本发明实施例将原优化问题分解为针对每个帧的若干个平行的子问题后，原问题可以通过求解如下子问题来解决：

其中，为了简化表示，去掉了帧序号t；为传输方向为di的ue(i,j)的发射协方差矩阵，为传输方向为di的发射协方差矩阵集合，包含发射功率约束条件，为传输方向为di的传输速率，si为小小区i的传输方向指示变量。

s200，基于所述最优用户配对，在有速率分拆rs条件下，利用dc规划算法求解最优的发射协方差矩阵；

s300，基于所述最优的发射协方差矩阵，获取每个小小区在不同传输方向上的最优和速率，选择最优和速率最大的传输方向作为发射信号的传输方向。

本发明实施例提出一种基于速率分拆的非对称上下行协作传输方法，采用了速率分拆rs技术并引入协作机制，在多小区上下行传输时可支持非对称工况。相比于传统的传输方法，针对不同用户位置和网络规模，传输效率均更高。在密集小小区网络中，能够有效改善小区边界用户的传输性能。

具体，本发明实施例实现上述步骤的伪代码如下：

在一个可选的实施例中，步骤s100，所述针对每个帧，在无速率分拆rs条件下，利用松弛条件下的线性规划方法进行用户配对，选择相对干扰强度最高的其他小区用户与目标用户配对，以获得最优用户配对，具体包括：

s100.1，针对每个帧，在无rs的条件下，利用dc规划算法求解传统和速率最大化问题，得到最优的私有信息发射协方差矩阵；

s100.2，基于所述最优的私有信息发射协方差矩阵，计算每两个用户对之间的相对干扰强度；

s100.3，利用松弛条件下的线性规划方法，根据给定的不同传输方向进行用户配对，对于任意目标用户，选择与所述任意目标用户的相对干扰强度最高的其他小区用户形成最优用户配对。

本实施例为具体的用户配对方案，对于某个用户，选择相对干扰强度最大的其他小区的干扰用户与之配对。

其中，所述相对干扰强度il,m定义为：

其中，为发送给ue的消息对ue(i,j)消息的联合干扰信道，为该信道的共轭转置，为私有信息发射协方差矩阵，为传统的私有信息传输方案下的接收信号的西方差矩阵，i为小小区的索引，j为每个小小区中的用户索引，p表示发射协方差矩阵的私有信息部分；式(4)中的可以通过时的dc

(differenceofconcave)规划算法进行求解。

所述利用松弛条件下的线性规划方法，根据给定的不同传输方向进行用户配对，约束条件为：

其中，al,m为配对矩阵a的第l行第m列的元素，如果用户l与用户m存在配对关系，那么al,m＝1，否则为0；nk为网络中用户的总个数，l和m分别为ue(i,j)和的线性索引，即满足l＝(i-1)k+j和

基于上述公式(5)，本发明实施例该问题为将二进制约束条件放松为0≤al,m≤1的线性规划(linearprogramming，lp)问题。

在一个可选的实施例中，步骤s200，所述基于所述最优用户配对，在有速率分拆rs条件下，利用dc规划算法求解最优的发射协方差矩阵，具体包括：

s200.1，对于给定的传输方向和所述最优用户配对，将发射协方差矩阵的目标函数转化为所述dc规划算法的dc函数；

s200.2，基于所述dc函数，利用总变分最小化算法mm进行求解，获得最优的发射协方差矩阵；所述最优的发射协方差矩阵包括最优的私有信息发射协方差矩阵和最优的公有信息发射协方差矩阵。

具体的，本发明提出的基于dc规划的发送协方差矩阵优化的基本流程为：首先，对变量进行初始化；然后迭代开始，为求解一个凸优化问题，得到的最优解作为变量的更新值；最后直到容错条件满足时得到最优解，流程结束。

为了便于本领域技术人员的理解，请参阅下述具体的实施例。

对于给定的传输方向和用户配对，式(3)中的目标函数是凹的，但是约束条件。所以，首先将式(3)重新写成限制在压缩凸集的关于q最大化问题：

其中，设为最优和速率。目标函数可以进一步写成dc函数：

其中，ri,j为译码ue(i,j)消息可获得的传输速率，

为；

q表示所述dc函数的自变量为发送协方差矩阵集合；进一步地有，

为上下行噪声协方差矩阵的统一形式，为用户侧噪声，为基站侧噪声。

基于存在dc函数，目标函数是非凹的。本实施例利用总变分最小化算法(majorizationminimization，mm)进行求解。dc算法的流程如下：

初始化：令κ＝0，选择式(7)初始可行解q^(κ)。

重复：

第κ次dc迭代：求解以下面凸问题：

得到最优的q*，并且设κ←κ+1，q⁽κ)←q*。

直到：对于给定的阈值∈，迭代直到收敛，即，

其中，该算法流程中为线性函数，定义为

其中，并且

为fi,j(q)在q^(κ)处的一阶泰勒级数展开。其中，定义如公式(9)，ψ定义为公式(10)，x和y为ψ的两个自变量。

式(2)的详细推导如下：

在上述算法流程中给出了(8)的目标函数的全局下界。由于是光滑凹函数，对于任意可行的q^(κ)有：

gi,j(q)-fi,j(q)≥gi,j(q)-fi,j(q(κ))-tr{▽fi,j(q(κ))^t(^q-q(κ))}(11)

其中，▽fi,j(q)定义为在q处的超梯度，可以利用公式dln|x|＝tr{x^-1dx}来求该梯度。以为例，其梯度为：

式(13)的等号右侧的第三项可以通过以下过程推导出

其中，类似地，我们可以获得和的梯度，并且进一步获得fi,j(q)为：

因此，根据(11)和(13)，可以得到(9)和(10)。

在一个可选的实施例中，步骤s300，所述基于所述最优的发射协方差矩阵，获取每个小小区在不同传输方向上的最优和速率，选择最优和速率最大的传输方向作为发射信号的传输方向，具体包括：

s300.1，针对每个帧，根据所述最优的发射协方差矩阵计算每个小小区在不同传输方向上的最优和速率；

s300.2，选择最优和速率最大的传输方向作为每个帧的传输方向，从而作为发射信号的传输方向。

以上描述了本发明实施例所述基于速率分拆的非对称上下行协作传输方法的具体特征，下面通过具体实施例说明应用本发明实施例所述方法的工作原理，分为两部分，包括非对称上下行动态时分双工模型和速率分拆方案。

(一)非对称上下行动态时分双工模型

如图2所示，本发明的系统模型为非对称上下行的动态时分双工模型。该模型内有n个小小区11，各小区11内有一个基站12，各基站12带有不少于1根天线。每一个基站12与k个用户设备17相关联，18是基站与用户之间的通信路径。中央控制器13用于控制基站12的行为模式，其中19是中心控制器与基站之间的控制通信线路。

请参考图2，由于无线传输采用了动态双工工作模式，系统内存在多种干扰，比如基站12之间的干扰16，用户设备17之间的干扰15以及基站和用户设备之间的干扰14。其中，干扰16和干扰14是由于采用动态工作模式新引入的。

本实施例中，下行小小区i中第j个用户设备，即ue(i,j)收到的第t帧等效基带信号，请参考公式(1)；上行小小区i中的基站接收到的第t帧的等效基带信号，请参考公式(2)。

(二)速率分拆方案

如图3所示，本发明提出的在非对称上下行网络模型下的速率分拆方法如下：

速率分拆的主要思想是，由rs发射机22将原始信号通过私有信息预处理单元221和公共信息预处理单元222拆分成两部分分别处理，通过叠加编码单元223将处理后的私有信息和公共信息进行合并获得发射信号。三个小小区的rs发射机22处理后的信号通过mimo信道23到达sic接收机24。接收机24首先从接收到的信号中译码出本小区公共信息241，并将其减掉；然后译码出其他小区用户的公共信息242，并将其减掉；最后译码出本小区的私有信息243。处于复杂度和可行性的考虑，24并不需要译码出所有其他小区配对用户的公共信息，而是通过发射端的用户配对21，为每个小区的用户消息从其他小区用户中选择一个相对干扰强度最强的用户与之配对。

为了便于本领域技术人员的理解，请参阅下述具体的实施例。

对于任意传输方向，信号被拆分为：

其中，分别为在传输方向di上来自或者发给ue(i,j)的私有信号和公共信号，并且基站和ue的发射功率约束条件为：

可以译码ue(i,j)的公共信息的ue(i,j)和小区外的ue进行配对，并用配对矩阵a表示，其第l行第m列的元素具体地，

其中，保证每个节点至多可以译码一个来自其他小区的消息。

对于不同传输方向的信道和协方差矩阵可以用一个统一的形式进行表示：

因此，对于ue(i,j)的消息，接收到的信号的协方差矩阵为：

其中，为统一的噪声方差矩阵，

在接收端，采用连续干扰删除接收机。具体流程如下：

首先，接收机译码本小区ue(i,j)的公共信息，可获得的速率为

其中，如果那么，并且

然后，如果接收机译码来自其他小区的公共消息，可获得的速率为

其中，如果那么

最后，接收机通过将已经译码出来的干扰小区的公共信息从接收信号中减去来降低干扰，译码本小区的私有信息

其中，

为了保证上述译码成功，可获得的速率域应为：

下面对本发明提出的传输方案的性能与传统方法进行比较，仿真参数如图4所示。本发明实施例在两种场景下进行平均和速率性能的评估：场景一：节点固定线性部署；场景二：在一个半径100米的圆圈中节点随机部署。场景一中，两个基站之间距离设为80米，对应的ue位于两个基站之间的直线上，距离本小区基站的距离为due。场景二中，n个sc随机分布在一个圆圈内，k个ue随机分布在以每个基站为圆心，40m为半径的圆圈内。帧的总数设为100，mimo天线配置为nbs＝nue＝4。

图5给出了不同的上下行分配方案在场景一中的平均和速率随距离due的变化的趋势。首先，随着ue靠近对应小小区的边缘，在每个接收端的信干噪比(sinr)逐渐变弱，因此所有方案的性能都有所下降。其次，rs方案显著优于传统方案。优于rs使得接收机可以利用干扰的不同强度译码部分干扰，而传统方案将干扰都当作噪声，忽略了它们的具体性能。最后，非对称上下行分配可以进一步提高系统性能，因为灵活的传输方向的选择提供了额外的自由度。因此可见，基于速率分拆的非对称上下行协作传输可以提高小区边缘用户的性能。

图6给出了不同的上下行分配方案在场景二中的平均和速率随着小小区个数的增加的变化趋势。rs方案相比于传统无rs的方案来说可以带来很大的性能增益，而非对称上下行分配可以进一步提升性能。可以观察到基于速率分拆的非对称上下行协作传输方案相对于传统方案的性能增益随着网络规模的增大而增大。因此可见，基于速率分拆的非对称上下行传输可以很好的适应小小区的密集部署。

本发明实施例还提供一种基于速率分拆的非对称上下行协作传输装置，包括：

用户配对模块，用于针对每个帧，在无速率分拆rs条件下，利用松弛条件下的线性规划方法进行用户配对，选择相对干扰强度最高的其他小区用户与目标用户配对，以获得最优用户配对；

最优协方差矩阵模块，用于基于所述最优用户配对，在有速率分拆rs条件下，利用dc规划算法求解最优的发射协方差矩阵；以及

传输方向选择模块，要看哪个呀基于所述最优的发射协方差矩阵，获取每个小小区在不同传输方向上的最优和速率，选择最优和速率最大的传输方向作为发射信号的传输方向。

本发明实施例的装置，可用于执行图1所示的基于速率分拆的非对称上下行协作传输方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

图7示出了本发明实施例所述电子设备的框架示意图。

参照图7，所述电子设备，包括：处理器(processor)601、存储器(memory)602和总线603；其中，所述处理器601和存储器602通过所述总线603完成相互间的通信；

所述处理器601用于调用所述存储器602中的程序指令，以执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：针对每个帧，在无速率分拆rs条件下，利用松弛条件下的线性规划方法进行用户配对，选择相对干扰强度最高的其他小区用户与目标用户配对，以获得最优用户配对；基于所述最优用户配对，在有速率分拆rs条件下，利用dc规划算法求解最优的发射协方差矩阵；基于所述最优的发射协方差矩阵，获取每个小小区在不同传输方向上的最优和速率，选择最优和速率最大的传输方向作为发射信号的传输方向。

本发明另一实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：针对每个帧，在无速率分拆rs条件下，利用松弛条件下的线性规划方法进行用户配对，选择相对干扰强度最高的其他小区用户与目标用户配对，以获得最优用户配对；基于所述最优用户配对，在有速率分拆rs条件下，利用dc规划算法求解最优的发射协方差矩阵；基于所述最优的发射协方差矩阵，获取每个小小区在不同传输方向上的最优和速率，选择最优和速率最大的传输方向作为发射信号的传输方向。

本发明另一实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：针对每个帧，在无速率分拆rs条件下，利用松弛条件下的线性规划方法进行用户配对，选择相对干扰强度最高的其他小区用户与目标用户配对，以获得最优用户配对；基于所述最优用户配对，在有速率分拆rs条件下，利用dc规划算法求解最优的发射协方差矩阵；基于所述最优的发射协方差矩阵，获取每个小小区在不同传输方向上的最优和速率，选择最优和速率最大的传输方向作为发射信号的传输方向。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述设备实施例或方法实施例仅仅是示意性的，其中所述处理器和所述存储器可以是物理上分离的部件也可以不是物理上分离的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。