非理想信道下全双工MIMO蜂窝系统的通信处理方法技术方案

本发明专利技术公开了一种非理想信道下全双工MIMO蜂窝系统的通信处理方法。全双工MIMO蜂窝系统包括若干上行设备、若干下行设备和基站。上行设备工作在半双工模式，上下行设备经上行链路和基站连接通信；基站工作在全双工模式，通过多天线接收上行设备发送来的信息，同时在同一频率给下行设备发送信息；建立联合资源优化问题，并分为上下行设备配对子问题和功率分配子问题并分别处理求解，获得最优的上下行设备配对和上下行设备配对的平均速率，以此分配设置基站和上下行设备之间的通信关系。本发明专利技术提出的资源优化分配方法有效提高了系统速率，可以对抗信道估计误差、自干扰和同信道干扰带来的系统性能下降，具有在非理想条件下进行有效通信的优势。

Communication Processing Method of Full Duplex MIMO Cellular System in Non-ideal Channel

【技术实现步骤摘要】
非理想信道下全双工MIMO蜂窝系统的通信处理方法
本专利技术涉及无线通信
，考虑在非理想信道估计条件下，对蜂窝网络中发送功率资源进行优化。本专利技术通过联合上下行设备配对与功率优化分配方法，来最大化系统和速率。最后，利用分解和梯度投影算法，对建模得到的优化问题进行求解得到最优功率分配并达到系统速率最大化效果。
技术介绍
全双工(Full-duplex,FD)技术能实现在相同的频带上进行数据的同时双向传输，相比于传统的半双工(Half-duplex,HD)技术,可以显著地增加频谱效率,因此具有更加广阔的发展前景。由于收发同时同频进行，全双工技术面临严重的自干扰(Self-Interference,SI)问题。大量工作从理论研究层面及硬件实验层面提出各种自干扰消除技术，目前这些自干扰消除技术有足够能力可将自干扰抑制至一个较低水平以达到通信要求。但是，早期的研究大多基于理想条件，即接收机已知信道状态信息(ChannelStateInformation，CSI)或不考虑同信道干扰(Co-channel-Interference，CCI)、残留自干扰(Residual-Self-Interference，RSI)等影响。然而，在实际情况中，由于信道瞬时变化及无线设备本身的限制，完整的CSI很难得到，完全消除SI和CCI也是非常困难的。非理想条件下的全双工系统设计已经在一定程度上引起了学者们的关注。文献1(D.Kim,H.Ju,S.ParkandD.Hong,Effectofchannelestimationerroronfull-duplextwo-waynetworks,IEEETranVehicularTech.,vol.62,pp.4666-4672；即，D.Kim,H.Ju,S.ParkandD.Hong，信道估计误差对全双工双向网络的影响，IEEE物联网技术,vol.62,pp.4666-4672.)通过使用最大比合并和最优合并的方式对双向全双工系统的遍历容量进行研究，观察信道估计误差带来的影响。文献2(A.C.Cirik,Y.Rong,andY.Hua,Achievableratesoffull-duplexMIMOradiosinfastfadingchannelswithimperfectchannelestimation,IEEETrans.SignalProcess.,vol.62,no.15,pp.3874-3886,Aug.2014；即A.C.Cirik,Y.Rong,andY.Hua，不完全信道估计下快速衰落信道中全双工MIMO无线电的可实现率,IEEE信号处理,vol.62,no.15,pp.3874-3886,Aug.2014.)假设在完美自干扰消除及存在信道估计误差条件下，研究双向全双工MIMO系统的可达速率。非理想信道状态信息条件下的全双工点到点MIMO系统的发射波束成形问题在文献3(J.Zhang,O.Taghizadeh,andM.Haardt,Robusttransmitbeamformingdesignforfull-duplexpoint-to-pointMIMOsystems,inProc.TenthInternationalSymposiumonWirelessCommunicationSystems2013,pp.346-350,2013；即J.Zhang,O.Taghizadeh,andM.Haardt,全双工点对点MIMO系统的鲁棒传输波束形成设计,第十届无线通信系统国际研讨会2013,pp.346-350,2013.)中展开。以上这些研究都只考虑了单用户MIMO双向信道的情形，蜂窝环境下，非理想信道状态信息对FDMIMO多用户系统的影响至今未见。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，针对实际通信环境中精确信道状态信息很难获取以及全双工系统的自干扰和蜂窝系统的同信道干扰问题，本专利技术提出一种非理想信道下全双工MIMO蜂窝系统的通信处理方法，联合上下行设备配对与功率分配进行通信资源的优化处理，解决了对抗信道估计误差、残留自干扰和同信道干扰等条件对全双工MIMO蜂窝多用户系统引起的性能下降技术问题，本专利技术的技术方案包括如下步骤：S1、系统模型建立步骤：全双工MIMO蜂窝系统包括若干上行设备、若干下行设备和基站。上行设备工作在半双工模式，上行设备经上行链路和基站连接通信，通过自身的多天线向基站发送信息；基站工作在全双工模式，通过多天线接收上行设备发送来的信息，同时在同一频率给下行设备发送信息；配备有多天线的下行设备，经下行链路和基站连接通信，接收基站发送来的信息；上行设备和下行设备均配备有多天线，上行设备和下行设备分别和基站之间通过多天线对应的信道进行传输。S2、联合资源优化问题建模步骤：由上下行链路的总速率作为系统速率，建立一个最大化系统速率的联合上下行设备配对和功率分配的联合资源优化问题；S3、联合资源优化问题分解步骤：将联合资源优化问题分解为两个子问题，分别为上下行设备配对子问题和功率分配子问题；S4、联合资源优化问题求解步骤：采用梯度投影算法求解功率分配子问题，采用匈牙利算法求解上下行设备配对子问题，获得最优的上下行设备配对和上下行设备配对(i,j)的平均速率，以此分配设置基站和上下行设备之间的通信关系和通信资源。所述S1系统模型建立步骤，具体如下：一个基站同时与K个上行设备和J个下行设备通信，上行设备和下行设备作为节点，上行设备和下行设备均为通信设备，例如手机等。上行设备和下行设备均配备有N根天线，如图2；所述的全双工MIMO蜂窝系统存在如下干扰：基站同时同频收发信息产生残留的自干扰(RSI)、上下行链路共用同一频率产生的同信道干扰(CCI)以及信道估计误差。采用最小均方误差MMSE来估计信道，信道状态信息估计值表示为对应的信道估计误差表示为△H，因此实际信道表示为其中和△H是非相关的。信道估计误差△H中的元素是均值为0、方差为的循环对称复高斯变量。信道矩阵分别表示为四个信道矩阵分别对应基站自干扰信道、从第i个上行设备到基站的上行信道、从基站到第j个下行设备的下行信道、第i个上行设备对第j个下行设备的干扰信道，即H0表示基站同时收发数据产生的自干扰信道矩阵，表示从第i个上行设备到基站的上行信道矩阵，表示从基站到第j个下行设备的下行信道矩阵，Hij是上行设备i对下行设备j的干扰信道矩阵；分别表示四个信道矩阵H0、Hij各自的信道状态信息估计值，△H0、△Hij分别表示四个信道矩阵H0、Hij各自的信道估计误差。基站接收到的信号和第j个下行设备接收到的信号表示如下：其中，y0表示基站接收到的信号，yj表示第j个下行设备接收到的信号；和为上下行链路传输的独立同分布且为单位功率的数据，和为上下行链路的发送波束成形滤波函数；和分别表示从第i个上行设备到基站的上行信道矩阵和从基站到第j个下行设备的下行信道矩阵，且满足1≤i≤K,1≤j≤J，o表示基站，i表示上行设备的序数，j表示下行设备的序数，K表示上行设备的总数，J表示下行设备的总数；和分别表示从第i个上行设备到基站的上行信道矩阵的信道状态信息估计值和信道估计误差，和△H0分别表示基站的自干扰信道矩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非理想信道下全双工MIMO蜂窝系统的通信处理方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、系统模型建立步骤：上行设备工作在半双工模式，上行设备经上行链路和基站连接通信，通过自身的多天线向基站发送信息；基站工作在全双工模式，通过多天线接收上行设备发送来的信息，同时在同一频率给下行设备发送信息；配备有多天线的下行设备，经下行链路和基站连接通信，接收基站发送来的信息；S2、联合资源优化问题建模步骤：由上下行链路的总速率作为系统速率，建立一个最大化系统速率的联合上下行设备配对和功率分配的联合资源优化问题；S3、联合资源优化问题分解步骤：将联合资源优化问题分解为两个子问题，分别为上下行设备配对子问题和功率分配子问题；S4、联合资源优化问题求解步骤：采用梯度投影算法求解功率分配子问题，采用匈牙利算法求解上下行设备配对子问题，获得最优的上下行设备配对和上下行设备配对(i,j)的平均速率，以此分配设置基站和上下行设备之间的通信关系。

【技术特征摘要】
1.一种非理想信道下全双工MIMO蜂窝系统的通信处理方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、系统模型建立步骤：上行设备工作在半双工模式，上行设备经上行链路和基站连接通信，通过自身的多天线向基站发送信息；基站工作在全双工模式，通过多天线接收上行设备发送来的信息，同时在同一频率给下行设备发送信息；配备有多天线的下行设备，经下行链路和基站连接通信，接收基站发送来的信息；S2、联合资源优化问题建模步骤：由上下行链路的总速率作为系统速率，建立一个最大化系统速率的联合上下行设备配对和功率分配的联合资源优化问题；S3、联合资源优化问题分解步骤：将联合资源优化问题分解为两个子问题，分别为上下行设备配对子问题和功率分配子问题；S4、联合资源优化问题求解步骤：采用梯度投影算法求解功率分配子问题，采用匈牙利算法求解上下行设备配对子问题，获得最优的上下行设备配对和上下行设备配对(i,j)的平均速率，以此分配设置基站和上下行设备之间的通信关系。2.如权利要求1所述的一种非理想信道下全双工MIMO蜂窝系统的通信处理方法，其特征在于：所述S1系统模型建立步骤，具体如下：一个基站同时与K个上行设备和J个下行设备通信，上行设备和下行设备均配备有N根天线；基站接收到的信号和第j个下行设备接收到的信号表示如下：其中，y0表示基站接收到的信号，yj表示第j个下行设备接收到的信号；和为上下行链路传输的独立同分布且为单位功率的数据，和为上下行链路的发送波束成形滤波函数；和分别表示从第i个上行设备到基站的上行信道矩阵和从基站到第j个下行设备的下行信道矩阵，且满足1≤i≤K,1≤j≤J，o表示基站，i表示上行设备的序数，j表示下行设备的序数，K表示上行设备的总数，J表示下行设备的总数；和分别表示从第i个上行设备到基站的上行信道矩阵的信道状态信息估计值和信道估计误差，和△H0分别表示基站的自干扰信道矩阵H0的信道状态信息估计值和信道估计误差，和分别表示从基站到第j个下行设备的下行信道矩阵的信道状态信息估计值和信道估计误差，和△Hij分别表示上行设备i对下行设备j的干扰信道矩阵Hij的信道状态信息估计值和信道估计误差；ρj和γi分别表示残留自干扰和同信道干扰的功率系数，n0和nj分别表示基站和第j个下行设备接收的白高斯噪声(AWGN)；噪声干扰协方差矩阵计算处理为：其中，Ci和Cj分别是第i个上行设备和第j个下行设备的噪声干扰协方差矩阵，和是信道矩阵H0,Hij的估计误差功率；和分别是第i个上行设备和第j个下行...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈芳妮，傅佳飞，周武杰，周扬，邱薇薇，王中鹏，张铮，刘喜昂，
申请(专利权)人：浙江科技学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33