一种用于双向无线通信系统的分布式天线选择设计方法.pdf

本发明公开了一种用于双向无线通信系统的分布式天线选择设计方法，以减小用户到天线、天线到天线、用户到用户之间的各类干扰为目标，充分利用天线与用户之间的位置信息，适用于干扰种类较多的双向通信网络。由于先进行了可选天线的排序，选择某根天线时若引起整个系统的性能衰退，其后的所有可行天线不再考虑，降低了计算的复杂度。

1.一种用于双向无线通信系统的分布式天线选择设计方法，其特征在于：包括以下步
骤：
S1：对双向无线通信系统中用户i的可选天线集合中的所有天线进行排序，得到排序后
的可选天线集合为其中Ci表示集合中元素的个数，表示
用户i的可选天线集合排序后的第k根天线，1≤k≤Ci；
S2：按照可选天线集合中各天线的顺序，依次计算每根天线被选择时整个双向通信
系统的和速率：如果用户i的第k根天线被选择后使得整个双向无线通信系统的和速率
增加了，则将第k根天线加入到用户i的已选天线集合中，然后进行步骤S3；否则，则
直接进行步骤S3；
S3：判断k是否等于Ci：如果k等于Ci，则令k＝1，然后进行步骤S4；否则，令k＝k+1，然后
返回步骤S2；
S4：判断i是否等于K，K为双向无线通信系统中用户的总个数：如果i等于K，则结束；如
果i不等于K，则令i＝i+1，然后返回步骤S1。
2.根据权利要求1所述的用于双向无线通信系统的分布式天线选择设计方法，其特征
在于：所述步骤S2中，用户i的第k根天线被选择后，整个双向无线通信系统的和速率R
按照(1)来计算：
$R=\underset{j=1}{\overset{i}{\Σ}}{R}_j---\left(1\right)$
式(1)中，Rj为用户j的可达速率，按照式(2)来计算：
Rj＝log2(1+γj) (2)
如果用户j为上行用户，则用户j的信干噪比γj按照式(3)来计算：
${\mathrm{\γ}}_j=\frac{P_U|v_j^H{g}_{j,j}{|}^2}{P_U\underset{t=1}{\overset{j-1}{\Σ}}\mathrm{\δ}\left(t\right)|v_j^H{g}_{j,t}{|}^2+P_A\underset{n=1}{\overset{j-1}{\Σ}}\mathrm{\τ}\left(n\right)|v_j^H{B}_{j,n}{w}_n{|}^2+{\mathrm{\σ}}^2\left|\right|v_j|{|}^2}---\left(3\right)$
式(3)中，PU为上行用户的发射功率，PA为下行天线的发射功率；gj,t为上行用户t到用户
j的接收天线的信道，它是(Lj+1)×1阶矢量，Lj为集合中元素的个数；gj,j为上行用户j
到其接收天线的信道，它是(Lj+1)×1阶矢量；vj为上行天线的接收矩阵，它是1×(Lj+1)阶
矩阵；wn为服务于下行用户n的预编码矩阵，它是Ln×1阶矩阵；Bj,n为下行用户n的发送天线
到上行用户j的接收天线的干扰信道，为(Lj+1)×Ln阶；δ(t)如式(4)所示；

τ(n)如式(5)所示

如果用户j为下行用户，则用户j的信干噪比γj按照式(6)来计算：
${\mathrm{\γ}}_j=\frac{P_A{h}_{j,j}^H{w}_j{|}^2}{P_A\underset{n=1}{\overset{j-1}{\Σ}}\mathrm{\τ}\left(n\right)|h_{j,n}^H{w}_n{|}^2+P_U\underset{t=1}{\overset{j-1}{\Σ}}\mathrm{\δ}\left(t\right)|u_{j,t}{|}^2+{\mathrm{\σ}}^2}---\left(6\right)$
式(6)中，PU为上行用户的发射功率，PA为下行天线的发射功率；hj,j表示服务于下行用
户j的发送天线到下行用户j的信道，它是1×(Lj+1)阶矢量，Lj为集合中元素的个数；
hj,n表示下行用户n的已选天线到下行用户j的干扰信道，uj,t表示上行用户t到下行用户j的
干扰信道；wn为服务于下行用户n的预编码矩阵，它是(Ln+1)×1阶矩阵；wj为服务于下行用
户j的预编码矩阵，它是(Lj+1)×1阶矩阵；δ(t)如式(4)所示；τ(n)如式(5)所示；σ2为噪声功
率。

一种用于双向无线通信系统的分布式天线选择设计方法

技术领域

本发明涉及分布式天线选择设计方法，特别是涉及一种用于双向无线通信系统的
分布式天线选择设计方法。

背景技术

双向网络支持上下行的同时运行，与全双工系统不同，上行与下行通信是在不同
的基站或者分布式天线进行。虽然双向网络引入了下行基站对上行基站及上行用户对下行
用户的额外干扰，但其不需要考虑TDD系统中同步信号等开销，充分利用了空间资源。为了
增加传输的覆盖范围及提高系统的总容量，结合分布式天线系统进行研究。然而，双向网络
在分布式天线系统下进行天线选择时，需要考虑用户与用户之间、分布式天线与用户之间、
分布式天线与分布式天线之间的各类干扰。传统策略中，针对分布式天线选择问题，可以选
择拥有最优信道的若干天线，或者距离用户最近的若干天线。然而这些方法并没有考虑选
择该天线后对整个系统的性能影响，即选择了该天线带来的系统性能收益是否大于其引入
的各类干扰值。该方法利用用户与天线之间的位置来进行天线选择，权衡选择该天线后带
来的系统增益与引入的干扰，使得系统的整体性能得到提升。首先将每用户的可选天线进
行排序，一旦选择某天线则整个系统的性能降低，则不再考虑后续天线的选择，因此该算法
降低了算法计算复杂度。该算法可应用于不同的通信传输场景和多种分布式天线排列场
景，并可采用各种接收机和发射机，应用范围广。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的用于双向
无线通信系统的分布式天线选择设计方法。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的用于双向无线通信系统的分布式天线选择设计方法，包括以下步
骤：

S1：对双向无线通信系统中用户i的可选天线集合中的所有天线进行排序，得到排
序后的可选天线集合为其中Ci表示集合中元素的个数，
表示用户i的可选天线集合排序后的第k根天线，1≤k≤Ci；

S2：按照可选天线集合中各天线的顺序，依次计算每根天线被选择时整个双向
通信系统的和速率：如果用户i的第k根天线被选择后使得整个双向无线通信系统的和
速率增加了，则将第k根天线加入到用户i的已选天线集合中，然后进行步骤S3；否
则，则直接进行步骤S3；

S3：判断k是否等于Ci：如果k等于Ci，则令k＝1，然后进行步骤S4；否则，令k＝k+1，
然后返回步骤S2；

S4：判断i是否等于K，K为双向无线通信系统中用户的总个数：如果i等于K，则结
束；如果i不等于K，则令i＝i+1，然后返回步骤S1。

进一步，所述步骤S2中，用户i的第k根天线被选择后，整个双向无线通信系统
的和速率R按照(1)来计算：

式(1)中，Rj为用户j的可达速率，按照式(2)来计算：

Rj＝log2(1+γj) (2)

如果用户j为上行用户，则用户j的信干噪比γj按照式(3)来计算：

式(3)中，PU为上行用户的发射功率，PA为下行天线的发射功率；gj,t为上行用户t到
用户j的接收天线的信道，它是(Lj+1)×1阶矢量，Lj为集合中元素的个数；gj,j为上行用
户j到其接收天线的信道，它是(Lj+1)×1阶矢量；vj为上行天线的接收矩阵，它是1×(Lj+1)
阶矩阵；wn为服务于下行用户n的预编码矩阵，它是Ln×1阶矩阵；Bj,n为下行用户n的发送天
线到上行用户j的接收天线的干扰信道，为(Lj+1)×Ln阶；δ(t)如式(4)所示；

τ(n)如式(5)所示

如果用户j为下行用户，则用户j的信干噪比γj按照式(6)来计算：

式(6)中，PU为上行用户的发射功率，PA为下行天线的发射功率；hj,j表示服务于下
行用户j的发送天线到下行用户j的信道，它是1×(Lj+1)阶矢量，Lj为集合中元素的个
数；hj,n表示下行用户n的已选天线到下行用户j的干扰信道，uj,t表示上行用户t到下行用户
j的干扰信道；wn为服务于下行用户n的预编码矩阵，它是(Ln+1)×1阶矩阵；wj为服务于下行
用户j的预编码矩阵，它是(Lj+1)×1阶矩阵；δ(t)如式(4)所示；τ(n)如式(5)所示；σ2为噪声
功率。

有益效果：本发明公开了一种用于双向无线通信系统的分布式天线选择设计方
法，以减小用户到天线、天线到天线、用户到用户之间的各类干扰为目标，充分利用天线与
用户之间的位置信息，适用于干扰种类较多的双向通信网络。由于先进行了可选天线的排
序，选择某根天线时若引起整个系统的性能衰退，其后的所有可行天线不再考虑，降低了计
算的复杂度。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。

下面针对具体的系统模型，对本具体实施方式方法进行详细说明。

考虑分布式天线系统，共有K个单天线用户，其中KUL个上行用户，KDL个下行用户。
在双向通信网络中，上下行用户同时工作。假设一共有M根分布式天线部署于某个区域内，
每根分布式天线只能工作于上行或者下行。第p根天线到第i个用户信道建模为

其中di,p表示第p根天线到第i个用户的距离，α为路径损耗系数，vi,p表示小尺度衰
落，且其建模为均值为1方差为0的瑞利衰落。在不考虑干扰及联合处理的情况下，假设上行
用户的天线接收信噪比阈值为εUL，下行用户接收的信噪比阈值为εDL，根据上述信道模型，
若用户i为上行用户，可得出服务上行用户的接收天线范围：

若用户i为下行用户，同理得到服务下行用户的天线范围：

其中PU和PA分别表示用户及分布式天线的发射功率，σ2为高斯白噪声，W为系统带
宽。因此到用户的距离分别小于上述两个值的天线即为用户的可选天线，用户i的可选天线
集合记为Ci表示Ωi集合中元素的个数,mi,k表示第i个用户的第k根
可选天线。

由于在双向通信网络中上下行传输同时进行，则增加一个上行天线时，其会受到
其他上行用户和下行分布式天线的干扰。每增加一个下行天线时，其会给其他下行用户和
上行分布式天线带来干扰。由于此时每个用户的最终已选天线还未决定，因此不考虑加入
新的天线给其他分布式天线带来的干扰或者受到其他分布式天线的干扰。若选择某根天
线，将其带来的接收信号功率的增加与给其他用户带来的干扰功率或者其他用户带给其的
干扰功率的比值定义为收益-干扰比，然后根据其值，对每个用户的可选天线进行排序，具
体步骤如下：

令μi,k为引入天线mi,k的收益-干扰比，其定义如式(4)所示

若i为上行用户，则

其中λi,k,t表示上行用户i的第k根可选天线到上行用户t的距离，λi,k,i表示上行用
户i的第k根可选天线到上行用户i的距离。

若i为下行用户，则

此时，θi,k,n表示下行用户i的第k根可选天线到下行用户n的距离；θi,k,i表示下行
用户i的第k根天线到下行用户i的距离。

将每个用户的可选天线根据收益-干扰比进行降序排序，得到排序后的可选天线
集合表示用户i的可选天线集合排序后的第k根天线，1≤k≤
Ci。

本具体实施方式公开了一种用于双向无线通信系统的分布式天线选择设计方法，
如图1所示，包括以下步骤：

S1：对双向无线通信系统中用户i的可选天线集合中的所有天线进行排序，得到排
序后的可选天线集合为其中Ci表示集合中元素的个数，
表示用户i的可选天线集合排序后的第k根天线，1≤k≤Ci；

S2：按照可选天线集合中各天线的顺序，依次计算每根天线被选择时整个双
向通信系统的和速率：如果用户i的第k根天线被选择后使得整个双向无线通信系统的
和速率增加了，则将第k根天线加入到用户i的已选天线集合中，然后进行步骤S3；
否则，则直接进行步骤S3；

S3：判断k是否等于Ci：如果k等于Ci，则令k＝1，然后进行步骤S4；否则，令k＝k+1，
然后返回步骤S2；

S4：判断i是否等于K，K为双向无线通信系统中用户的总个数：如果i等于K，则结
束；如果i不等于K，则令i＝i+1，然后返回步骤S1。

步骤S2中，用户i的第k根天线被选择后，整个双向无线通信系统的和速率R按
照(6)来计算：

式(6)中，Rj为用户j的可达速率，按照式(7)来计算：

Rj＝log2(1+γj) (7)

如果用户j为上行用户，则用户j的信干噪比γj按照式(8)来计算：

式(8)中，PU为上行用户的发射功率，PA为下行天线的发射功率；gj,t为上行用户t到
用户j的接收天线的信道，它是(Lj+1)×1阶矢量，Lj为集合中元素的个数；gj,j为上行用
户j到其接收天线的信道，它是(Lj+1)×1阶矢量；vj为上行天线的接收矩阵，它是1×(Lj+1)
阶矩阵；wn为服务于下行用户n的预编码矩阵，它是Ln×1阶矩阵；Bj,n为下行用户n的发送天
线到上行用户j的接收天线的干扰信道，为(Lj+1)×Ln阶；δ(t)如式(9)所示；

τ(n)如式(10)所示

如果用户j为下行用户，则用户j的信干噪比γj按照式(11)来计算：

式(11)中，PU为上行用户的发射功率，PA为下行天线的发射功率；hj,j表示服务于下
行用户j的发送天线到下行用户j的信道，它是1×(Lj+1)阶矢量，Lj为集合中元素的个
数；hj,n表示下行用户n的已选天线到下行用户j的干扰信道，uj,t表示上行用户t到下行用户
j的干扰信道；wn为服务于下行用户n的预编码矩阵，它是(Ln+1)×1阶矩阵；wj为服务于下行
用户j的预编码矩阵，它是(Lj+1)×1阶矩阵；δ(t)如式(9)所示；τ(n)如式(10)所示；σ2为噪
声功率。