[发明专利]基于非理想CSI的回程容量受限C-RAN中联合预编解码方法

权利要求书

1.一种基于非理想CSI的回程容量受限C-RAN中联合预编解码方法，基于C-RAN，包括一个基带处理单元和M个无线射频单元，每个无线射频单元服务一个用户设备，系统中各无线射频单元的天线数为n_T，各用户设备的天线数为n_R；基带处理单元和无线射频单元之间的回程容量受到限制，因此，信号通过回程链路到达无线射频单元时，需要经过回程压缩，并产生量化噪声；假设无线射频单元与用户设备之间的无线信道只能通过上行信道估计获取，即仅已知非理想CSI；基带处理单元联合设计发送预编码矩阵和接收解码矩阵，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1)通过用户设备发送上行导频，无线射频单元进行信道估计，并将获取的非理想CSI传送给基带处理单元；

其中，所获取的非理想CSI形式如下：系统中各无线射频单元的天线数为n_T，各用户设备的天线数为n_R，定义H_ij表示第i个无线射频单元与第j个用户设备之间的信道矩阵，将其建模为其中表示信道H_ij的估计值，E_ij表示信道的估计误差矩阵；基带处理单元通过发送相关矩阵R_ij和接收相关矩阵T_ij计算估计信道和信道估计误差：H_iid,ij为n_R×n_T的随机矩阵，其元素是均值为零，方差为1-δ_ij的独立同分布的复高斯随机变量，E_w,ij为n_R×n_T的随机矩阵，其元素是均值为零，方差为δ_ij的复高斯随机变量；

步骤2)因基带处理单元和无线射频单元之间的回程容量受限，计算总噪声的协方差矩阵所满足的回程容量条件，总噪声的协方差矩阵所满足的回程容量条件按如下方法得到：用s_i表示基带处理单元的发送到第i个无线射频单元的发送信号，其元素均值为零，方差为1；基带处理单元预编码后的发送信号表示为x_i＝F_is_i，F_i表示预编码矩阵；由于回程容量受限，x_i需要被压缩后通过回程链路；q_i表示通过回程链路时压缩过程中产生的量化噪声，无线射频单元的接收信号表示为n_i表示无线信道中的噪声，其元素方差为δ_n，总噪声表示为

其中，第一项表示由于估计误差产生的无用信号，第二项表示相邻无线射频单元的干扰，第三、四项表示量化噪声产生的影响；

总噪声的协方差矩阵记为表示期望运算，预编码矩阵F_i满足发送功率限制tr{F_iF_i^H}≤P_i，P_i表示第i个无线射频单元的发送功率；q_i的协方差矩阵表示为x_i的协方差矩阵表示为D_i＝E{x_ix_i^H}；回程容量限制表示为：

其中，C_i表示第i个无线射频单元的回程容量约束，表示n_R×n_R的单位阵；

步骤3)设计量化噪声的协方差矩阵Q_i，根据回程容量条件，基带处理单元计算各无线射频单元的预编码矩阵以及各用户设备的解码矩阵，将预编码后的基带信号通过有限容量的回程链路发送给无线射频单元，并将解码矩阵反馈给用户设备，用户设备根据反馈的解码矩阵接收信号；

其中，所述基带处理单元计算发送预编码矩阵和接收解码矩阵按如下步骤进行：

(3-1)计算信道估计矩阵设定收敛判决门限ε，迭代n次的预编码矩阵表示为F_i⁽ⁿ⁾，令n＝0，初始化发送预编码矩阵F_i＝F_i⁽⁰⁾，初始预编码矩阵满足功率限制和回程容量限制，其中i＝1,2,…,M；

(3-2)计算量化噪声的协方差矩阵Q_i，并根据相关矩阵R_ij和T_ij计算总噪声协方差矩阵其中i＝1,2,…,M；

(3-3)根据上述信道估计矩阵、发送预编码矩阵、量化噪声的协方差矩阵和总噪声的协方差矩阵计算接收解码矩阵G_i和过渡系数d_i(其中i＝1,2,…,M)，按如下方法进行：其中r_i表示的秩；过渡系数表示为：

(3-4)计算系数α_i和拉格朗日乘数μ_i，μ_i为功率的倒数与过渡系数d_i的乘积，其中，i＝1,2,…,M；

其中，α_i通过解码矩阵G_i、接收端相关矩阵R_ii、总噪声的协方差矩阵的逆、信道估计矩阵和预编码矩阵F_i相乘并求迹得到，最后计算拉格朗日乘数μ_i＝(tr(F_i^HF_i))^-1d_i，μ_i通过过渡系数除以第i个无线射频单元的功率得到；

(3-5)根据总噪声协方差矩阵系数α_i、接收解码矩阵G_i和拉格朗日乘数μ_i，计算n+1次的预编码矩阵F_i，i＝1,2,…,M；

其中，过渡矩阵

A_i根据相关矩阵T_ij、信道估计误差的方差、来自其他无线射频单元的干扰信道的估计其他用户设备的解码矩阵G_j、发送信号的协方差矩阵通过矩阵的转置、相乘和求和运算得到；

(3-6)判断||F_i⁽ⁿ⁺¹⁾-F_i⁽ⁿ⁾||_F≤ε是否成立，若成立，则程序终止，输出符合条件的迭代次数对应的F_i和G_i，若不成立则令F_i⁽ⁿ⁺¹⁾＝F_i⁽ⁿ⁾返回步骤(3-3)，其中||·||_F表示弗罗贝尼乌斯范数。

2.根据权利要求1所述的基于非理想CSI的回程容量受限C-RAN中联合预编解码方法，其特征在于，步骤(3-2)中计算量化噪声和总噪声的协方差矩阵按如下方法进行：表示n_T×n_T的单位阵；令其中λ_i表示量化噪声系数它的取值在[0，1]之间；由回程容量限制，通过二分法计算得到λ_i；总噪声的协方差矩阵由信道估计误差的方差δ_ij、相关矩阵T_ij和R_ij、量化噪声的协方差矩阵Q_i以及发送信号的协方差矩阵D_i通过矩阵的相乘、矩阵的迹以及求和运算得到，具体表示为：