CN101159462A - 一种多天线多小区系统中的有限反馈预编码干扰抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种多天线多小区系统中的有限反馈预编码干扰抑制方法，发送端有基站，接收端有移动用户，基站和用户均设置有相同的码本集合；在接收端，移动用户首先测量它与相邻小区同频基站之间的干扰信道，然后利用码本集合对干扰信道进行量化，并将量化后的信息反馈给邻小区基站；在发射端，邻小区基站利用所述的反馈信息进行预编码处理，生成预编码矩阵，从而将邻小区对其他小区所产生的干扰进行抑制；当多小区系统中所有的基站均采用同样的处理方法时，系统中的同频干扰将得到有效的抑制。本发明利用发送端的预编码技术抑制基站对其他相邻小区产生的干扰，同时利用有限的码本集合实现有限的信息反馈，以达到抑制干扰、提高系统性能和增大系统容量的目的。

Description

一种多天线多小区系统中的有限反馈预编码干扰抑制方法

技术领域

本发明属于移动通信多天线多小区干扰抑制技术领域，特别涉及采用多天线技术的多输入多输出(MIMO)系统中，在多小区通信环境中的邻小区同频干扰抑制问题。

背景技术

MIMO系统在发射端和接收端都采用多根天线，在丰富的散射环境下，信息理论已证明MIMO系统可以获取非常高的信道容量，因此MIMO系统是目前移动通信领域广泛研究的、提高无线链路传输速率和频谱利用率的有效方法。随着宽带无线接入系统(IEEE802.16)、中国超三代无线通信系统(FUTURE Beyond3G)等宽带无线通信系统的出现与成熟，如何将MIMO技术成功的应用到实际的多小区无线通信系统中成为未来研究的重点之一。

多小区结构通过在整个覆盖区内采用频率复用技术而具有更大的系统容量，可以容纳更多的用户；然而也正是由于频率复用而不可避免的带来了同频干扰问题，这点在多天线系统中表现的尤为严重。根据美国《国际电子与电气工程师协会通信期刊》(IEEETransactions on communications，Vol.49，NO.8，AUGUST 2001，1307-1311页)介绍，在多小区通信环境中，由于用户受到来自相邻小区同频信号的干扰，系统容量与系统性能急剧下降，在某些干扰严重的区域内，其容量甚至降低到和单天线系统几乎相同的水平，从而使得多天线带来的高频谱优势受到严重削弱。这个研究结果引起了人们的重视并且展开了一系列的研究。根美国《国际电子与电气工程师协会无线通信期刊》(IEEE Transactions onWireless Communication，Vol.3，NO.2，March 2004，442-453页)介绍，通过在接收端采用多用户检测技术和迭代接收技术可以提高多小区MIMO系统的性能，但是由于这两种技术实现的复杂度较高而且性能的提升有限，因此对于要求低功率损耗和高性价比的移动终端来说并不合适。据美国《国际电子与电气工程师协会无线通信期刊》(IEEE WirelessCommunication，Aug，2006，56-61页)介绍，采用基站之间的协作通信机制，小区中的用户可以和多个基站同时进行通信，用户的下行数据在各个基站之间共享并且经过联合编码后发送，各移动用户接收来自多个基站的数据信息并译码。虽然基站协作可以提高系统的频谱效率，但由于基站间的最优联合编码复杂度极高，收发之间的同步十分困难；而且基站需要知道所有用户的信道信息，当小区中的用户数目较多时需要很高的反馈信息，这些都不利于系统的实际实现。

发明内容

本发明提出一种多天线多小区系统中的有限反馈预编码干扰抑制方法，利用发送端的预编码技术抑制基站对其他相邻小区产生的干扰，同时利用有限的码本集合实现有限的信息反馈，以达到抑制干扰、提高系统性能和增大系统容量的目的。

本发明的技术解决方案：多天线多小区系统中的有限反馈预编码干扰抑制方法，其特征在于：发送端有基站，接收端有移动用户，其特征在于：所述的基站和用户均设置有相同的码本集合；在接收端，移动用户首先测量它与相邻小区同频基站之间的干扰信道，然后利用所述的码本集合对所述的干扰信道进行量化，并将量化后的信息反馈给邻小区基站；在发射端，邻小区基站利用所述的反馈信息进行预编码处理，生成一个预编码矩阵，从而将邻小区对其他小区所产生的干扰进行抑制；当多小区系统中所有的基站均采用同样的处理方法时，系统中的同频干扰将得到有效的抑制。

所述的设置基站端和用户端的码本集合如下：

小区的频率复用因子为1；所有的基站和用户均设置有相同的码本集合：

其中L是码本集合的大小并且满足：L＝2^b，b是用户端每次向基站端反馈的信息比特数目；M和N分别是基站和用户配置的天线数目；码本集合的元素B_i为具有单位正交列的N×M矩阵；所有的码本集合都是离线生成并且存储在收发两端；

所述的用户对干扰信道进行量化的方法如下：基站和移动用户分别配置有M和N根天线；将基站j和移动用户k之间的信道记为H_jk，下标j＝k时表示的是本小区内的有效信道，j≠k则表示的是来自相邻同频小区基站的干扰信道；H_jk是一个N×M的矩阵，具体步骤如下：

a.用户k对来自基站j的干扰信道进行信道测量得到H_jk；

b.求取H_jk正交投影矩阵：正交投影矩阵是对信道矩阵所张成的子空间进

行量化的重要参数，首先将信道矩阵H_jk做奇异值分解(SVD)：

$H_{\mathrm{jk}}=\begin{array}{c}\left[\begin{array}{cc}\stackrel{\‾}{U}& \tilde{U}\end{array}\right]\end{array}\·\left[\begin{array}{cc}\mathrm{\Σ}& 0\\ 0& 0\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{V}}^H\\ {\tilde{V}}^H\end{array}\right]$

式中∑是对角阵：∑＝diag(λ₁，...，λ_N)，λ_i是H_jk的非零奇异值，矩阵

(或)的各列是与各λ_i所对应的左(或右)奇异矢量，它们是H_jk的列(或行)子空间的标准正交基；矩阵

(或)的各列则是H_jk ^H(或H_jk)零空间的标准正交基；则H_jk的正交投影矩阵可以表示为

c.定义子空间距离

定义矩阵H_jk和码本集合中任一矩阵B_l所张成的两个子空间之间的距离：

$d_l={\left|\right|\stackrel{\‾}{V}{\stackrel{\‾}{V}}^H-B_l{B}_l^H\left|\right|}_2$

||·||₂：表示矩阵的2-范数；d_l的取值满足0≤d_l≤1，当两个子空间趋于一致时，其距离会变小，即d_l→0；

d.利用码本集合对干扰信道的子空间进行量化

对干扰信道子空间进行量化，就是从码本集合中寻找一个矩阵，使得这个矩阵所张成的子空间与干扰信道的子空间具有最小的子空间距离，将所选取的矩阵称为干扰特征矩阵，由此干扰特征矩阵的选取准则

为

即B_l＝f(H)，选择过程遍历整个码本集合。所述的用户得到干扰特征矩阵B_l之后，将B_l在码本集合

中的索引值l反馈回引起干扰的基站。

所述的基站j接收来自用户k的反馈信息，即索引值l，并根据索引值l从本地的码本集合

中索引得到相同的B_l；如果有多个相邻小区内的用户由于受到基站j的干扰而需要做干扰抑制，每个受干扰用户都会反馈一个相应的干扰特征矩阵的索引值l，基站j就会得到一个干扰特征矩阵的集合{B₁，...，B_k，...，B_Kj)，K_j表示用户数目，基站j将根据此集合产生预编码矩阵T_j来抑制干扰，产生预编码矩阵T_j的方法如下：

(1)定义矩阵 $B_{\mathrm{if}}=[B_1,...,B_k,...,B_{K_j}],$ 对B_if进行奇异值分解SVD分解：

$B_{\mathrm{if}}=\left[\begin{array}{cc}{\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{if}}& {\tilde{U}}_{\mathrm{if}}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{if}}& 0\\ 0& 0\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{if}}^H\\ {\tilde{V}}_{\mathrm{if}}^H\end{array}\right]$

得到B_if的左奇异矩阵 $U_{\text{if}}\text{=}\left[\begin{array}{cc}{\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{if}}& {\tilde{U}}_{\mathrm{if}}\end{array}\right];$

(2)令 $T_j={\tilde{U}}_{\mathrm{if}}.$

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用发送端的预编码技术抑制基站对其他相邻小区产生的干扰，同时基站和用户均设置有相同的码本集合，利用有限的码本集合实现有限的信息反馈，以达到抑制干扰、提高系统性能和增大系统容量的目的。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2本发明的方法在不同的信噪比SNR情况下的系统的误码率性能曲线：

图3为本发明的在不同的信干比SIR情况下的系统的容量曲线。

具体实施方式

如图1所示，本实施例考虑一个多小区系统，小区的频率复用因子为1。每个时刻每个小区内最多只有一个移动用户和基站进行通信，假设小区内用户接收到的干扰信号主要来自三个相邻同频小区的基站，同时每个基站利用预编码矩阵来抑制它对三个相邻同频小区所产生的干扰。每个基站配置的天线数目M＝8，每个用户的天线数目为N＝2。每个基站和用户的码本集合

大小均为32。所有的发送天线和接收天线对之间的信道为平坦瑞利衰落。则一个采用有限反馈预编码技术作干扰抑制算法的实施过程如下：

(1)建立基站端和用户端的码本集合

所有的基站和用户均设置有相同的码本集合，每个基站和用户的码本集合大小均为32，即：

码本集合的大小：L＝32＝2⁵，因此用户端每次向基站端反馈的信息比特数目为5比特；码本集合的元素B_i是具有单位正交列的8×2矩阵；所有的码本集合都是离线生成并且存储在收发两端；

(2)用户对干扰信道进行量化

将基站j和移动用户k之间的信道记为H_jk，下标j＝k时表示的是本小区内的有效信道，j≠k则表示的是来自相邻同频小区基站的干扰信道；H_jk是一个2×8的矩阵；用户对干扰信道进行量化的过程如图1的模块1和模块2所示；

(a)用户k对来自基站j的干扰信道进行信道测量，得到H_jk；

(b)求取H_jk正交投影矩阵

正交投影矩阵是对信道矩阵所张成的子空间进行量化的重要参数；首先将信道矩阵H_jk做奇异值分解(SVD)：

$H_{\mathrm{jk}}=\begin{array}{c}\left[\begin{array}{cc}\stackrel{\‾}{U}& \tilde{U}\end{array}\right]\end{array}\·\left[\begin{array}{cc}\mathrm{\Σ}& 0\\ 0& 0\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{V}}^H\\ {\tilde{V}}^H\end{array}\right]$

式中∑是对角阵：∑＝diag(λ₁，λ₂)，λ₁和λ₂是H_jk的非零奇异值。矩阵

(或

)的各列是与各非零奇异值所对应的左(或右)奇异矢量，它们是H_jk的列(或行)子空间的标准正交基；矩阵

(或

)的各列则是H_jk ^H(或H_jk)零空间的标准正交基；则H_jk的正交投影矩阵可以表示为

(c)定义子空间距离

矩阵H_jk和码本集合中任一矩阵B_l所张成的两个子空间之间的距离：

$d_l={\left|\right|\stackrel{\‾}{V}{\stackrel{\‾}{V}}^H-B_l{B}_l^H\left|\right|}_2$

||·||₂表示矩阵的2-范数；d_l的取值满足0≤d_l≤1，当两个子空间趋于一致时，其距离会变小，即d_l→0；

(d)利用码本集合对干扰信道的子空间进行量化

对干扰信道子空间进行量化，就是从码本集合中寻找一个矩阵，使得这个矩阵所张成的子空间与干扰信道的子空间具有最小的子空间距离，将所选取的矩阵称为干扰特征矩阵；由此干扰特征矩阵的选取准则

为：

即B_l＝f(H)，选择过程遍历整个码本集合；

(3)用户对量化信息的反馈

根据上述的选取准则，用户得到干扰特征矩阵B_l之后，将B_l在码本集合

中的索引值l(index)反馈回引起干扰的基站；由于码本集合的大小为L＝2^b＝2⁵，因此反馈的信息比特数目为b＝5比特；这个处理过程如图1的模块3所示；

(4)基站利用反馈信息作预编码处理，进行干扰抑制

系统中的每个基站j接收来自用户k的反馈信息(即索引值l)，并根据l从本地的码本集合

中索引得到相同的B_l；如果有多个相邻小区内的用户由于受到基站j的干扰而需要做干扰抑制，每个受干扰用户都会反馈一个相应的干扰特征矩阵的索引值，因此基站j就会得到一个干扰特征矩阵的集合{B₁，...，B_k，...，B_Kj)，K_j表示用户数目；本实例中，K_j＝3；基站j将根据此集合产生预编码矩阵T_j，并利用来T_j对信号进行预编码后发送，从而实现对同频干扰的抑制；这个处理过程如图1的模块4和模块5所示；产生T_j的方法如下：

(a)定义矩阵 $B_{\mathrm{if}}=[B_1,...,B_k,...,B_{K_j}],$ 对B_if进行SVD分解：

$B_{\mathrm{if}}=\left[\begin{array}{cc}{\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{if}}& {\tilde{U}}_{\mathrm{if}}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{if}}& 0\\ 0& 0\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{if}}^H\\ {\tilde{V}}_{\mathrm{if}}^H\end{array}\right]$

得到B_if的左奇异矩阵 $U_{\text{if}}\text{=}\left[\begin{array}{cc}{\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{if}}& {\tilde{U}}_{\mathrm{if}}\end{array}\right];$

(b)令 $T_j={\tilde{U}}_{\mathrm{if}}.$

图2、3分别为采用本发明的有限反馈预编码干扰抑制技术时系统性能和系统容量的仿真曲线图，同时也仿真了传统的无反馈多小区系统的性能和容量作为比较。仿真条件为：每对收发天线之间经历的小尺度衰落为平坦瑞利衰落，基站和接收机之间大尺度衰落包括路径损耗和对数阴影衰落，其中路径损耗因子为3.8，对数阴影衰落的标准差为8。

图2为系统的性能仿真，纵坐标为误码率，横坐标为信干比SIR；曲线A表示无反馈的多小区系统，曲线B表示采用有限反馈预编码技术的多小区系统，其曲线特征是：

(1)系统的误码率随着干扰的降低而降低；

(2)在较强的干扰环境中(＜10dB)，相同的信干比下，采用有限反馈技术的系统性能大大优于传统的无反馈系统的性能；

(3)当干扰降低到一定程度的时候，有限反馈和无反馈系统的性能趋近。

图3为系统的容量仿真，纵坐标为系统的频谱效率(bit/s/Hz)，横坐标为信干比(SIR)；曲线A表示无反馈的多小区系统，曲线B表示采用有限反馈预编码技术的多小区系统，其曲线特征是：

(1)系统的频谱效率随着干扰的降低而升高；

(2)在较强的干扰环境中(＜10dB)，相同的信干比下，采用有限反馈技术的系统容量大大优于传统的无反馈系统的性能；

(3)当干扰降低到一定程度的时候，有限反馈和无反馈系统的性能趋近。

Claims (5)

1.一种多天线多小区系统中的有限反馈预编码干扰抑制方法，发送端有基站，接收端有移动用户，其特征在于：所述的基站和用户均设置有相同的码本集合；在接收端，移动用户首先测量它与相邻小区同频基站之间的干扰信道，然后利用所述的码本集合对所述的干扰信道进行量化，并将量化后的信息反馈给邻小区基站；在发射端，邻小区基站利用所述的反馈信息进行预编码处理，生成预编码矩阵，从而将邻小区对其他小区所产生的干扰进行抑制；当多小区系统中所有的基站均采用同样的处理方法时，系统中的同频干扰将得到有效的抑制。

2.根据权利要求1所述的一种多天线多小区系统中的有限反馈预编码干扰抑制方法，其特征在于：所述的设置基站和用户相同的码本集合为：

其中L是码本集合的大小并且满足：L＝2^b，b是用户端每次向基站端反馈的信息比特数目，M和N分别是基站和用户配置的天线数目，码本集合的元素B_i是具有单位正交列的N×M矩阵，所有的码本集合都是离线生成并且存储在收发两端。

3.根据权利要求1所述的一种多天线多小区系统中的有限反馈预编码干扰抑制方法，其特征在于：所述对干扰信道进行量化的方法为：基站和移动用户分别配置有M和N根天线，将基站j和移动用户k之间的信道记为H_jk，下标j＝k时表示的是本小区内的有效信道，j≠k则表示的是来自相邻同频小区基站的干扰信道，H_jk是一个N×M的矩阵，具体步骤如下：

(1)用户k对来自基站j的干扰信道进行信道测量得到H_jk；

(2)求取H_jk正交投影矩阵：首先将信道矩阵H_jk做奇异值分解SVD：

$H_{\mathrm{jk}}=\begin{array}{c}\left[\begin{array}{cc}\stackrel{\‾}{U}& \tilde{U}\end{array}\right]\end{array}\·\left[\begin{array}{cc}\mathrm{\Σ}& 0\\ 0& 0\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{V}}^H\\ {\tilde{V}}^H\end{array}\right]$

式中∑是对角阵：∑＝diag(λ₁，...，λ_N)，λ_i是H_jk的非零奇异值，矩阵

或

的各列是与各λ_i所对应的左或右奇异矢量，它们是H_jk的列或行子空间的标准正交基，矩阵

或

的各列则是H_jk ^H或H_jk零空间的标准正交基，则H_jk的正交投影矩阵表示为；

(3)定义子空间距离：定义矩阵H_jk和码本集合中任一矩阵B_l，所张成的两个子空间之间的距离：

$d_l={\left|\right|\stackrel{\‾}{V}{\stackrel{\‾}{V}}^H-B_l{B}_l^H\left|\right|}_2$

||·||₂：表示矩阵的2-范数，d_l的取值满足0≤d_l≤1，当两个子空间趋于一致时，其距离会变小，即d_l→0；

(4)利用码本集合对干扰信道的子空间进行量化：从码本集合中寻找一个矩阵，使得这个矩阵所张成的子空间与干扰信道的子空间具有最小的子空间距离，将所选取的矩阵称为干扰特征矩阵，干扰特征矩阵的选取准则

为：

即B_l＝f(H)，选择过程遍历整个码本集合。

4.根据权利要求1所述的一种多天线多小区系统中的有限反馈预编码干扰抑制方法，其特征在于：所述的用户得到干扰特征矩阵B_l之后，将B_l在码本集合

中的索引值l反馈回引起干扰的基站。

5.根据权利要求1所述的一种多天线多小区系统中的有限反馈预编码干扰抑制方法，其特征在于：所述的基站j接收来自用户k的反馈信息，即索引值l，并根据索引值l从本地的码本集合

中索引得到相同的B_l；如果有多个相邻小区内的用户由于受到基站j的干扰而需要做干扰抑制，每个受干扰用户都会反馈一个相应的干扰特征矩阵的索引值l，基站j就会得到一个干扰特征矩阵的集合{B₁，...，B_k，...，B_Kj)，K_j表示用户数目，基站j将根据此集合产生预编码矩阵T_j来抑制干扰，产生预编码矩阵T_j的方法如下：

(1)定义矩阵 $B_{\mathrm{if}}=[B_1,...,B_k,...,B_{K_j}],$ 对B_if进行奇异值分解SVD分解：

$B_{\mathrm{if}}=\left[\begin{array}{cc}{\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{if}}& {\tilde{U}}_{\mathrm{if}}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{if}}& 0\\ 0& 0\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{if}}^H\\ {\tilde{V}}_{\mathrm{if}}^H\end{array}\right]$

得到B_if的左奇异矩阵 $U_{\text{if}}\text{=}\left[\begin{array}{cc}{\stackrel{\‾}{U}}_{\mathrm{if}}& {\tilde{U}}_{\mathrm{if}}\end{array}\right];$

(2)令 $T_j={\tilde{U}}_{\mathrm{if}}.$

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