多小区协同大规模MIMO鲁棒预编码设计与分布式处理方法技术

本发明专利技术公开了一种多小区协同大规模MIMO鲁棒预编码设计与分布式处理方法，所述方法包括以下步骤：（1）建立用户的后验信道模型；（2）建立用户的干扰加噪声协方差模型和接收信号的协方差模型；（3）建立用户的遍历速率模型或遍历速率上界模型；（4）求解加权遍历和速率最大化问题或加权遍历和速率上界最大化问题得到预编码迭代式。其中鲁棒预编码设计通过建立用户的后验信道模型，可以抵御信道估计误差、信道老化、以及信道相关性对预编码带来的影响，通过建模包含小区间干扰的用户干扰加噪声，以此求解加权和速率最大化问题。公开三种具有不同信息交互量的分布式处理方法，具体实现多小区协同大规模MIMO鲁棒预编码设计。现多小区协同大规模MIMO鲁棒预编码设计。现多小区协同大规模MIMO鲁棒预编码设计。

【技术实现步骤摘要】
多小区协同大规模MIMO鲁棒预编码设计与分布式处理方法


[0001]本专利技术涉及一种多小区协同预编码设计与分布式处理方法，尤其涉及一种多小区协同大规模MIMO鲁棒预编码设计与分布式处理方法。

技术介绍

[0002]大规模多输入多输出（Massive Multiple
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Input Multiple
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Ouput， M
‑
MIMO）技术通过在基站布置大量天线，不仅能够在相同的时频资源上同时服务多个用户，还能够达到更高的频谱效率和能量效率，成为5G物理层关键技术。通过基站间的合作，多小区技术可以进一步提升大规模MIMO系统的性能。在多小区协作技术中，基站间通过交互信道信息以及用户数据信息，使得同一个用户可以被多个基站同时服务，空间复用使得用户的速率性能得到极大提升。然而，为了接收来自不同基站的同一用户信号就导致更为严苛的同步要求，并且基站间用户数据的交互大大增加了反馈信道的负担。作为对比，多小区协同技术中，每个基站单独服务本小区内的用户，小区间无重叠。每个小区通过躲避其他小区带来的干扰进行协同预编码。多小区协同技术不仅减轻了信号处理难度，也缓解了信息交互的压力。
[0003]大规模MIMO性能增益主要由下行预编码来实现。线性预编码以较低的复杂度逼近了最优性能，在实际中得到广泛使用。在有关大规模MIMO线性预编码的研究中，绝大多数都以精确信道信息为基础，而在实际中是无法获得精确的信道信息的。在单小区大规模MIMO系统中，为了有效抵抗信道老化、信道估计误差、以及信道相关性带来的影响，相关文献已经研究了如何利用包括信道均值和信道方差的后验信道模型进行鲁棒预编码。到目前为止，尚无基于后验信道模型的多小区鲁棒预编码的研究。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出一种多小区协同大规模MIMO鲁棒预编码设计。本专利技术的另一目的在于提供基于该预编码设计的分布式处理方法。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种多小区协同大规模MIMO鲁棒预编码设计方法，包括：（1）建立用户的后验信道模型；（2）建立用户的干扰加噪声协方差模型和接收信号的协方差模型；（3）建立用户的遍历速率模型或遍历速率上界模型；（4）求解加权遍历和速率最大化问题或加权遍历和速率上界最大化问题得到预编码迭代式。
[0006]进一步地，每个基站单独服务本小区内的用户，小区无重叠。每个小区间通过躲避其他小区带来的干扰进行协同预编码。
[0007]进一步地，用户的后验信道模型包含信道均值和方差信息。
[0008]进一步地，对于某一用户，其干扰加噪声协方差等于噪声的协方差、小区内等效干扰信道的协方差、其他小区对该用户等效干扰信道的协方差之和；其接收信号协方差等于
干扰加噪声协方差与该用户等效信道的协方差之和。
[0009]进一步地，在后验信道信息已知的情况下，用户的遍历速率或遍历速率上界仅与用户预编码有关，且可以表示成信道、用户干扰加噪声协方差以及预编码的函数。
[0010]进一步地，加权遍历和速率最大化预编码设计问题可以通过MM算法转化为迭代求解二次型优化问题进行求解；加权遍历和速率上界最大化预编码设计问题可以通过求解KKT条件得到。
[0011]本专利技术所述的基于最大化加权遍历和速率上界的多小区协同大规模MIMO鲁棒预编码全网并行分布式处理方法，包括步骤：（1）各基站获取其对所有用户的后验信道信息，并生成初始预编码；（2）各基站基于其对所有用户的后验信道信息以及所服务用户的预编码计算本小区内所服务用户的等效信道协方差、小区内等效干扰信道的协方差以及对其他小区用户的等效干扰信道协方差；（3）各基站将其对其他小区用户的等效干扰信道协方差交互给相应的基站；（4）对于本小区内的每一用户，各基站利用步骤（2）计算得到的等效信道协方差、小区内等效干扰信道的协方差以及步骤（3）从其他基站交互中所得的其他小区对该用户等效干扰信道的协方差，计算其干扰加噪声协方差以及接收信号协方差；（5）各基站将所服务用户的干扰加噪声协方差以及接收信号协方差广播给其他基站；（6）各基站利用其对所有用户的后验信道信息、所有用户的干扰加噪声协方差以及接收信号协方差更新所服务用户的预编码；（7）重复（2）
‑
（6）直至收敛或达到指定迭代次数。
[0012]进一步地，该分布式处理是基于最大化加权遍历和速率上界的鲁棒预编码设计方法。
[0013]进一步地，在每次迭代更新中，所有基站的交互需同步进行。
[0014]本专利技术所述的基于最大化加权遍历和速率上界的多小区协同大规模MIMO鲁棒预编码全网交替分布式处理方法，包括步骤：（1）各基站进行初始化计算与交互；（2）活跃基站利用其对所有用户的后验信道信息、所有用户的干扰加噪声协方差以及接收信号协方差更新所服务用户的预编码；（3）活跃基站基于所有用户的后验信道信息以及所服务用户的预编码计算本小区内所服务用户的等效信道协方差、小区内等效干扰信道的协方差以及对其他小区用户的等效干扰信道协方差；（4）对于各小区内的每一用户，活跃基站利用步骤（3）计算得到的等效信道协方差、小区内等效干扰信道的协方差以及对其他小区用户的等效干扰信道协方差，计算其干扰加噪声协方差以及接收信号协方差；（5）如果迭代次数达到给定的单个基站迭代次数上限，从待机基站中选出新的活跃基站，活跃基站将所有用户的干扰加噪声协方差以及接收信号协方差发送给新的活跃基站，然后转入待机状态；（6）重复（2）
‑
（5）直至收敛或达到指定迭代次数。
[0015]进一步地，该分布式处理是基于最大化加权遍历和速率上界的鲁棒预编码设计方法。
[0016]进一步地，预编码更新在基站间交替进行。更新预编码的基站称为活跃基站，其他基站称为待机基站。在给定的单个基站最大迭代次数内，只有活跃基站更新其小区内用户的预编码，且无信息交互。
[0017]进一步地，步骤（1）包括：（1.1）各基站获取所有用户的后验信道信息，并生成初始预编码；（1.2）各基站基于其对所有用户的后验信道信息以及所服务用户的预编码计算本小区内所服务用户的等效信道协方差、小区内等效干扰信道的协方差以及对其他小区用户的等效干扰信道协方差；（1.3）各基站将其对其他小区用户的等效干扰信道协方差交互给相应的基站；（1.4）对于本小区内的每一用户，各基站利用步骤（1.2）计算得到的等效信道协方差、小区内等效干扰信道的协方差以及步骤（1.3）从其他基站交互中所得的其他小区对该用户等效干扰信道的协方差，计算其干扰加噪声协方差以及接收信号协方差；（1.5）待机基站将所服务用户的干扰加噪声协方差以及接收信号协方差发送给活跃基站；本专利技术所述的基于最大化加权遍历和速率上界的多小区协同大规模MIMO鲁棒预编码逐基站并行分布式处理方法，包括步骤：（1）各基站进行初始化计算与交互，并初始化虚拟网络；（2）各虚拟网络中的主机站利用其对所有用户的后验信道信息，所有用户的干扰加噪声协方差以及接收信号协方差更新所服务本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.多小区协同大规模MIMO鲁棒预编码设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：（1）建立用户的后验信道模型；（2）建立用户的干扰加噪声协方差模型和接收信号的协方差模型；（3）建立用户的遍历速率模型或遍历速率上界模型；（4）求解加权遍历和速率最大化问题或加权遍历和速率上界最大化问题得到预编码迭代式。2.根据权利要求1所述的多小区协同大规模MIMO鲁棒预编码设计方法，其特征在于，每个基站单独服务本小区内的用户，小区无重叠，每个小区间通过躲避其他小区带来的干扰进行协同预编码，用户的后验信道模型包含信道均值和方差信息；对于某一用户，其干扰加噪声协方差等于噪声的协方差、小区内等效干扰信道的协方差、其他小区对该用户等效干扰信道的协方差之和；其接收信号协方差等于干扰加噪声协方差与该用户等效信道的协方差之和。3.根据权利要求1所述的多小区协同大规模MIMO鲁棒预编码设计方法，其特征在于，在后验信道信息已知的情况下，用户的遍历速率或遍历速率上界仅与用户预编码有关，且表示成信道、用户干扰加噪声协方差以及预编码的函数；加权遍历和速率最大化预编码设计问题通过MM算法转化为迭代求解二次型优化问题进行求解；加权遍历和速率上界最大化预编码设计问题通过求解KKT条件得到。4.基于最大化加权遍历和速率上界的多小区协同大规模MIMO鲁棒预编码全网并行分布式处理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：（1）各基站获取其对所有用户的后验信道信息，并生成初始预编码；（2）各基站基于其对所有用户的后验信道信息以及所服务用户的预编码计算本小区内所服务用户的等效信道协方差、小区内等效干扰信道的协方差以及对其他小区用户的等效干扰信道协方差；（3）各基站将其对其他小区用户的等效干扰信道协方差交互给相应的基站；（4）对于本小区内的每一用户，各基站利用步骤（2）计算得到的等效信道协方差、小区内等效干扰信道的协方差以及步骤（3）从其他基站交互中所得的其他小区对该用户等效干扰信道的协方差，计算其干扰加噪声协方差以及接收信号协方差；（5）各基站将所服务用户的干扰加噪声协方差以及接收信号协方差广播给其他基站；（6）各基站利用其对所有用户的后验信道信息、所有用户的干扰加噪声协方差以及接收信号协方差更新所服务用户的预编码；（7）重复（2）
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（6）直至收敛或达到指定迭代次数。5.根据权利要求4所述的基于最大化加权遍历和速率上界的多小区协同大规模MIMO鲁棒预编码全网并行分布式处理方法，其特征在于，该分布式处理是基于最大化加权遍历和速率上界的鲁棒预编码设计方法，在每次迭代更新中，所有基站的交互需同步进行。6.基于最大化加权遍历和速率上界的多小区协同大规模MIMO鲁棒预编码全网交替分布式处理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：（1）各基站进行初始化计算与交互；（2）活跃基站利用其对所有用户的后验信道信息、所有用户的干扰加噪声协方差以及
接收信号协方差更新所服务用户的预编码；（3）活跃基站基于所有用户的后验信道信息以及所服务用户的预编码计算本小区内所服务用户的等效信道协方差、小区内等效干扰信道的协方差以及对其他小区用户的等效干扰信道协方差；（4）对于各小区内的每一用户，活跃基站利用步骤（3）计算得到的等效信道协方差、小区内等效干扰信道的协方差以及对其他小区用户的等效干扰信道协方差，计算其干扰加噪声协方差以及接收信号协方差；（5）如果迭代次数达到给定的单个基站迭代次数上限，从待机基站中选出新的活跃基站，活跃基站将所有用户的干扰加噪声协方差以及接收信号协方差发送给新的活跃基站，然后转入待机状态；（6）重复（2）
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【专利技术属性】
技术研发人员：高西奇，王晨，卢安安，孙晨，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：