基于单天线功率约束的有益干扰预编码求解方法及系统

本发明属于无线通信，具体涉及一种基于单天线功率约束的有益干扰预编码求解方法及系统。

背景技术：

1、随着无线通信技术的更迭与发展，有限的频谱资源已经无法满足日益增长的通信速率需求，这给通信系统的设计带来了极大的挑战。mimo(multiple input multipleoutput)技术作为无线通信物理层的一项核心技术，能够有效地开发通信系统的空域资源，并且能够极大地提高通信系统的频谱利用率。然而，mimo系统中的干扰始终是制约系统性能的重要因素，如何有效的处理这些干扰是通信系统设计必须考虑的问题。在下行链路中，考虑到接收端用户处理的复杂度，mimo系统设计更倾向于将系统干扰管理放在发射端来完成，即发射端预编码。预编码是指通过天线发射符号的设计，接收端用户能够有效地接收到目标信号并实现系统预设的性能指标，从而完成有效可靠的通信过程。

2、传统的预编码方案将mimo系统中的干扰视作不利因素，其在预编码设计中尽可能地消除干扰。近年来，业界提出基于有益干扰的符号级预编码方案，其将通信系统中的干扰划分为有益干扰和破坏性干扰，在预编码设计中通过保留有益干扰、消除破坏性干扰，系统的误比特率性能和能量效率能够得到有效提升。其中，有益干扰是指能够将接收端星座点推离检测门限的干扰，而破坏性干扰是指使得接收端星座点靠近检测门限的干扰。另外，近年来也有研究表明破坏性干扰可以转换为有益干扰，这种转换准则取决于发射信号的调制方式，即psk(phase shift keying)调制下的相位旋转准则和qam(quadrature amplitudemodulation)调制下的符号缩放准则，这将进一步提升系统的性能。然而，这种有益干扰预编码方案是符号级的，即每个时隙内预编码矩阵都要更新一次，这区别于传统的块级别预编码方案，因此会带来很高的复杂度。目前，相关文献提出了针对相位旋转准则和符号缩放准则的闭式迭代预编码器，其能够有效降低有益干扰预编码问题求解的复杂度。

3、然而，上述提到的相位旋转准则和符号缩放准则均考虑总功率约束，即在一个时隙内所有发射天线共享发射功率。但是，实际的数字通信系统中每根天线都配备有一个功率放大器，因此，每根天线功率约束下的符号级预编码设计更符合实际通信场景。现有技术的相关文献中已经提出了相位旋转准则下单天线功率约束问题的低复杂度求解方案，其将原始目标函数近似为一个光滑的凸函数，再利用投影梯度pg(projected gradient)法对其进行求解。存在的问题在于，现有的该方案始终是对原问题的近似处理，并不能达到最优的性能；其次，该方案只考虑了相位旋转准则，对于qam调制下的符号缩放准则没有进行讨论。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于单天线功率约束的有益干扰预编码求解方法及系统，能够有效降低复杂度，减小实际计算开销，求解更精确，收敛速度更快，进而推动有益干扰预编码在单天线功率约束场景的应用。

2、为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

3、第一方面，提供一种基于单天线功率约束的有益干扰预编码求解方法，包括：

4、在单天线功率约束下，考虑psk调制下的相位旋转准则构建有益干扰预编码的优化问题；以及，考虑qam调制下的符号缩放准则构建有益干扰预编码的优化问题；

5、对单天线功率约束下有益干扰预编码的优化问题构建拉格朗日函数，结合kkt条件和矩阵广义逆理论，得出psk及qam调制下单天线功率约束有益干扰预编码的闭式解结构；

6、将闭式解结构进行化简，并采用原对偶内点法进行求解，得到单天线功率约束下有益干扰预编码的优化问题最优解，根据最优解对系统中的干扰进行管理。

7、作为一种优选的方案，在单天线功率约束下，考虑psk调制下的相位旋转准则构建有益干扰预编码的优化问题的步骤中，构建得到的有益干扰预编码的优化问题的表达式为：

8、

9、

10、

11、

12、式中，w＝[w1，w2，…，wk]是预编码矩阵，h＝[h1，h2，…，hk]t是信道矩阵，s＝[s1，s2，…，sk]t是当前时隙的发射信号向量，λk是一个复数，代表λk的实部，代表λk的虚部，θt＝π/m，m代表m-psk的调制阶数，代表单位矩阵的第n行，p代表每根天线的最大发射功率。

13、作为一种优选的方案，在单天线功率约束下，考虑qam调制下的符号缩放准则构建有益干扰预编码的优化问题的步骤中，构建得到的有益干扰预编码的优化问题的表达式为：

14、

15、

16、

17、

18、

19、式中，集合中的元素是qam星座图中能够进行干扰利用的星座点的实部或者虚部，集合中的元素是qam星座图中不能进行干扰利用的星座点的实部或者虚部，

20、作为一种优选的方案，在对单天线功率约束下有益干扰预编码的优化问题构建拉格朗日函数，结合kkt条件和矩阵广义逆理论，得出psk及qam调制下单天线功率约束有益干扰预编码的闭式解结构的步骤中，得到的psk调制下单天线功率约束有益干扰预编码的闭式解结构的表达式为：

21、

22、其中，a＝[λ1，λ2，…，λk]t，m＝(i-h1h)，h1＝hh(hhh)-1，同样，得到qam调制下单天线功率约束有益干扰预编码的闭式解结构为：

23、

24、其中，

25、作为一种优选的方案，将闭式解结构进行化简的步骤，在psk调制下，化简后的优化问题为：

26、

27、

28、其中，a＝[0 ... 0 -1]t，u＝[λt yt]t，φ＝[hh(hhh)-1diag(s)km]，

29、在qam调制下，化简后的优化问题为：

30、

31、

32、

33、式中，f1和f2是选择矩阵，其每一行只有一个1，其余元素均为0，其作用是从ω中选择出和

34、作为一种优选的方案，采用原对偶内点法进行求解的步骤包括：

35、在psk调制下，原对偶内点迭代搜索方向为：

36、

37、

38、其中，为雅可比矩阵，

39、在qam调制下，原对偶内点迭代搜索方向为：

40、

41、

42、其中，为雅可比矩阵，

43、在psk调制下采用线性回溯法计算步长，包括：

44、计算最大允许步长s＝smax：

45、smax＝min{1，min{-ψi/δψi|δψi＜0}}

46、不断地给smax乘以参数β直至和均成立，其中α∈[0.01，0.1]，β∈[0.3，0.8]，

47、qam调制下采用线性回溯法计算步长，包括：

48、计算最大允许步长s＝smax：

49、smax＝min{1，min{-ψi/δψi|δψi＜0}}

50、不断地给smax乘以参数β直至和均成立，其中α∈[0.01，0.1]，β∈[0.3，0.8]，

51、作为一种优选的方案，采用原对偶内点法进行求解的步骤中，通过设计迭代初始点，加快迭代过程的收敛速度；

52、迭代初始点的设计方法包括：

53、在psk调制下，在可行原对偶内点法中，初始点必须在可行域内，即满足：由于将t0初始化为一个负数，γ是一个小于1的缩放系数，

54、在psk调制下，在可行原对偶内点法中，初始点必须在可行域内，即满足：由于将t0初始化为一个负数，γ是一个小于1的缩放系数，

55、第二方面，提供一种基于单天线功率约束的有益干扰预编码求解系统，包括：

56、优化问题构建模块，用于在单天线功率约束下，考虑psk调制下的相位旋转准则构建有益干扰预编码的优化问题；以及，考虑qam调制下的符号缩放准则构建有益干扰预编码的优化问题；

57、闭式解结构获取模块，用于对单天线功率约束下有益干扰预编码的优化问题构建拉格朗日函数，结合kkt条件和矩阵广义逆理论，得出psk及qam调制下单天线功率约束有益干扰预编码的闭式解结构；

58、求解模块，用于将闭式解结构进行化简，并采用原对偶内点法进行求解，得到单天线功率约束下有益干扰预编码的优化问题最优解，根据最优解对系统中的干扰进行管理。

59、第三方面，提供一种电子设备，包括：存储器，存储至少一个指令；及处理器，执行所述存储器中存储的指令以实现所述基于单天线功率约束的有益干扰预编码求解方法。

60、第四方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有至少一个指令，所述至少一个指令被电子设备中的处理器执行以实现所述基于单天线功率约束的有益干扰预编码求解方法。

61、相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：

62、通过对初始优化问题构建拉格朗日函数以及kkt(karush-kuhn-tucker)条件，结合矩阵广义逆理论，能够得到单天线功率约束下有益干扰预编码矩阵的闭式表达式，进而对原问题进行化简，得到一个socp(second-order cone programming)问题。对于化简后的问题，利用原对偶内点法对其进行求解，得到单天线功率约束下有益干扰预编码的优化问题最优解，根据最优解对系统中的干扰进行管理。通过设计合适的初始点选取方法，利用原对偶内点法能够快速收敛得到最优解。本发明能够精确求解原始优化问题，并且同时考虑了psk调制下相位旋转准则和qam调制下符号缩放准则的设计，算法收敛速度快，时间复杂度低，进一步提升了在单天线功率约束下有益干扰预编码问题求解的效率。