[发明专利]一种多小区MIMO系统中能效优先的干扰对准方法

权利要求书

1.一种多小区MIMO系统中能效优先的干扰对准方法，包括以下几个步骤：

步骤一：采用中心式干扰对准算法，在接收端把来自其他小区的干扰对准到同一个空间并彻底消除，从而得到发射、接收波束成形矩阵的解析解；

设有三个发射机和三个接收机，每个发射机、接收机均配置M根天线，三个发射机分别发出数据流数为d₁,d₂,d₃的信号x₁,x₂,x₃，并满足：

E[x1x1H]=diag{p11,p12,...,p1d1}=P1]]>

E[x2x2H]=diag{p21,p22,...,p2d2}=P2]]>

E[x3x3H]=diag{p31,p32,...,p3d3}=P3]]>

其中：E[]表示对括号中的变量求期望，P₁,P₂,P₃分别为三个发射机的发射功率矩阵，diag{}表示以括号中变量为对角元素的对角阵，为x₁的每个数据流的功率，为x₂的每个数据流的功率，为x₃的每个数据流的功率；

三个发射机的发射波束成形矩阵分别为V₁,V₂,V₃，对应接收机的接收波束成形矩阵分别为U₁,U₂,U₃；三个发射机到第一个接收机的信道分别为H₁₁,H₁₂,H₁₃，到第二个接收机的信道分别为H₂₁,H₂₂,H₂₃，到第三个接收机的信道分别为H₃₁,H₃₂,H₃₃；令n₁,n₂,n₃分别为服从复高斯分布的噪声，I为单位阵，则经过三个接收机后，三个接收信号分别为：

x^1=U1HH11V1x1+U1HH12V2x2+U1HH13V3x3+U1Hn1]]>

x^2=U2HH21V1x1+U2HH22V2x2+U2HH23V3x3+U2Hn2]]>

x^3=U3HH31V1x1+U3HH32V2x2+U3HH33V3x3+U3Hn3]]>

其中，上标^H表示矩阵的共轭转置；

使用中心式干扰对准算法，每个发射机最多可传送M/2个数据流，接收机的干涉空间最多占用M/2维；利用发射波束成形矩阵，把每个接收机来自其他不同发射机的干扰对准在M/2个自由度的空间内，须满足：

span(H₁₂V₂)＝span(H₁₃V₃)

span(H₂₁V₁)＝span(H₂₃V₃)

span(H₃₁V₁)＝span(H₃₂V₂)

其中，span(X)表示X的列向量跨越的向量空间，上述约束条件简化为：

span(H₁₂V₂)＝span(H₁₃V₃)

H₂₁V₁＝H₂₃V₃

H₃₁V₁＝H₃₂V₂

令e₁,e₂,...,e_M为矩阵的M个特征向量，从这M个E的特征向量中选取M/2个特征向量共有种选法，每种选法构成一组发射波束成形矩阵的解析解，对应该组发射波束成形矩阵的解析解，得到一组相对应的接收波束成形矩阵的解析解；

{V₁,V₂,V₃,U₁,U₂,U₃}构成了该组发射、接收波束成形矩阵的解析解，最终得到了组{V₁,V₂,V₃,U₁,U₂,U₃}；

步骤二：根据能效最优准则，从组{V₁,V₂,V₃,U₁,U₂,U₃}中选取在给定各个用户数据率需求下使得系统能量效率最大的发射、接收波束成形矩阵的解析解；

对每组{V₁,V₂,V₃,U₁,U₂,U₃}，令G1=U1HH11V1V1HH11HU1/σ12,]]>G2=U2HH22V2V2HH22HU2/σ22,]]>G3=U3HH33V3V3HH33HU3/σ32,]]>分别为采用了发射、接收波束成形矩阵后的等效信道模型，G₁,G₂,G₃分别为对角阵，用det()表示对矩阵求行列式，则三个接收机的接收信号的数据率可以分别表示为:

R₁＝log₂det(I+G₁P₁)

R₂＝log₂det(I+G₂P₂)

R₃＝log₂det(I+G₃P₃)

令ρ为发射机功率放大器的效率的倒数，p_c为电路功耗，用Tr()表示对矩阵求迹，则系统的能量效率为：

η=Σi=13log2det(I+GiPi)Σi=13ρTr(Pi)+pc]]>

令r₁,r₂,r₃分别为每个用户的数据率需求，当实际数据率恰好等于用户需求时，即

log₂det(I+G₁P₁)＝r₁

log₂det(I+G₂P₂)＝r₂

log₂det(I+G₃P₃)＝r₃

联立上面三个方程，对应每组{V₁,V₂,V₃,U₁,U₂,U₃}所构成的{G₁,G₂,G₃}可分别求出一组发射功率矩阵{P₁,P₂,P₃}和相应的系统能量效率：

η=Σi=13riΣi=13ρTr(Pi)+pc]]>

从组{V₁,V₂,V₃,U₁,U₂,U₃}中选取系统能量效率最大的一组等效为从组{G₁,G₂,G₃,P₁,P₂,P₃}中选取一组最佳的即从求出的个η中选择最大的η^*所对应

Pi*=argminPiΣi=13ρTr(Pi)+pc,i=1,2,3]]>

通过上式可选出其所对应的即为最佳的发射、接收波束成形矩阵的解析解；

步骤三：在满足各个用户的数据率需求的条件下，以最大化系统的能量效率为目标进行功率分配；

把步骤二中得到的最佳的发射、接收波束成形矩阵代入到能量效率的表达式中，得到能量效率关于发射功率矩阵的函数：

η(P)=Σi=13log2det(I+Gi*Pi)Σi=13ρTr(Pi)+pc]]>

其中，寻找t^*，即最大的t，使得下面关于P₁,P₂,P₃的不等式组（1）有解：

Σi=13log2det(I+Gi*Pi)≥t(Σi=13ρTr(Pi)+pc)---(1)]]>

log2det(I+G1*P1)≥r1]]>

log2det(I+G2*P2)≥r2]]>

log2det(I+G3*P3)≥r3]]>

具体方法如下，对能效的表达式进行放缩：

η(P)=Σi=13log2det(I+Gi*Pi)Σi=13ρTr(Pi)+pc=Σi=13Σk=1dilog2(1+gikpik)Σi=13ρTr(Pi)+pc≤Σi=13Σk=1digikpikρln2Σi=13Σk=1dipik≤gmaxρln2]]>

其中，g_ik为矩阵的第k行第k列元素，p_ik为矩阵P_i的第k行第k列元素，g_max为所有g_ik中最大的值；

取t的上界取t的下界t_l=0；以最大化能量效率为目标进行功率分配，二分方法如下：

循环下面的步骤，

[1]令t=（t_l+t_u）/2；

[2]采取凸优化方法判断上述关于P₁,P₂,P₃的不等式组（1）是否有解；

[3]如果有解，令t_l=t；否则，令t_u=t，返回[1]；

重复这一过程直到t_u-t_l≤0.0001，则t^*=（t_l+t_u）/2；用已有的凸优化方法进行功率分配，求解下面的问题：

maxPiΣi=13log2det(I+Gi*Pi)-t*(Σi=13ρTr(Pi)+pc)]]>

s.t.Σi=13log2det(I+Gi*Pi)≥t*(Σi=13ρTr(Pi)+pc)]]>

log2det(I+G1*P1)≥r1]]>

log2det(I+G2*P2)≥r2]]>

log2det(I+G3*P3)≥r3]]>

最终，得到功率分配矩阵及其相应的能效优化结果：

η=Σi=13log2det(I+Gi*Pi#)Σi=13ρTr(Pi#)+pc]]>

。

2.根据权利要求1所述的一种多小区MIMO系统中能效优先的干扰对准方法，所述的步骤一中，对应发射波束成形矩阵的解析解，得到一组相对应的接收波束成形矩阵的解析解，方法如下：

第一个接收机的干扰协方差矩阵为取其M/2个最小的特征值所对应的特征向量为列组成矩阵U₁，即为第一个接收机的接收波束成形矩阵的解析解；同理，可得到U₂,U₃分别为第二、三个接收机的接收波束成形矩阵的解析解。