CN103023838A - 一种上行小区干扰对齐方法 - Google Patents

Abstract

一种上行小区干扰对齐方法，操作步骤如下：在基站端获取小区上行信道的信道矩阵；根据所述的信道矩阵在基站端计算小区用户的预编码向量；基站向其所在小区的用户反馈预编码向量；根据所述的信道矩阵和被反馈的预编码向量在基站端自适应地计算并调整接收器，从而最小化残余小区间干扰。本发明通过干扰对齐的方法来抑制小区间的干扰，并通过自适应地计算和调整接收器，实现了在使用有限反馈的无线蜂窝系统的上行网络中，残余小区间干扰的最小化，有效地提升了系统的吞吐量性能。

Description

一种上行小区干扰对齐方法

技术领域

本发明涉及一种上行小区干扰对齐方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

干扰对齐技术作为一种干扰处理的方法，有利于提升系统可获得的自由度，从而实现更大的系统吞吐量。目前，对于干扰对齐技术的研究逐渐从理论研究转向实际通信系统中的应用，而干扰对齐技术在实际通信系统中的应用往往是与有限反馈技术相结合的。其中，作为干扰对齐技术的一项重要的实际应用，使用有限反馈的小区干扰对齐技术，能够有效抑制小区间的干扰、提高无线蜂窝系统的吐吞量性能。

干扰对齐技术通过预编码，使接收端的干扰被压缩到小于接收信号空间维数的信号空间中，从而使有用信号能够在信号空间剩余的维度上无干扰地传输，增加了系统可获得的自由度，提高了系统的吞吐量性能。

在无线蜂窝系统的上行网络中，基站受到来自相临小区边缘用户信号的干扰。小区干扰对齐技术通过用户预编码使基站受到的来自相临小区用户的干扰向量对齐到某一随机生成的参考向量的方向上，从而使小区间干扰的信号空间被压缩至一维，最大化了小区内用户信号可以进行无干扰传输的信号子空间的维数。

干扰对齐预编码技术需要发送端已知信道矩阵，因此需要由发送端向接收端发送导频，再由接收端根据导频的测量来反馈相关信息。在实际通信系统中，由于发送带宽的限制，接收端无法将导频测量得到的信息准确地反馈给发送端，而是必须使用码本先对信道矩阵进行量化，再将量化后的信息在相应码本中的索引反馈回去。这种量化以后反馈的信息被称为有限反馈。

当小区干扰对齐技术与有限反馈相结合时，由于量化误差的存在，小区间干扰将无法准确地被对齐到参考向量的方向上，至使小区间干扰的信号空间的零空间不存在，从而无法完全消除小区间的干扰，造成了残余小区间干扰。残余小区间干扰将严重影响小区的吞吐量性能。

目前，在无线蜂窝系统的上行网络中，针对有限反馈造成的残余干扰而提出的干扰对齐方法有Directional Interference Alignment(D-IA)算法。该算法根据测量得到的信道矩阵设计参考向量，最小化系统残余干扰总量的一个上界的期望，从而在一定程度上减小了残余干扰，提升了系统的吞吐量性能。但是，由于最小化期望值并不能保证每次接收信号时小区间干扰都被最小化，并且D-IA算法所选取的上界比较松驰，因此使用D-IA算法后残余干扰仍然比较严重，残余干扰还有进一步被抑制的空间。

本发明针对有限反馈造成的残余干扰提出了一种上行小区干扰对齐方法。该方法在基站处根据导频测量得到的信道矩阵，估计出来自相临小区的干扰，并根据估计得到的小区间干扰自适应地调整接收合并矩阵，使之成为能够最小化残余小区间干扰的接收合并矩阵。该方法实现了基站端使用接收合并器处理小区间干扰之后接收信号中的残余小区间干扰的最小化，有效地抑制了残余小区间干扰，提高了系统的吞吐量性能。

发明内容

本发明针对有限反馈造成的残余干扰提出了一种上行小区干扰对齐方法，使得在基站端使用接收合并器对接收信号进行小区间干扰处理之后，接收信号中的残余小区间干扰得到了最小化，有效地提高了系统的吞吐量性能。

一种上行小区干扰对齐方法，包括：

在基站端获取小区上行信道的信道矩阵；

根据所述的信道矩阵在基站端计算小区用户的预编码向量；

基站向其所在小区的用户反馈预编码向量；

根据所述的信道矩阵和被反馈的预编码向量在基站端自适应地计算并调整接收器，从而最小化残余小区间干扰，提高系统的吞吐量性能

一种干扰对齐设备，包括：

获取模块，位于基站端，用于在基站端获取信道矩阵；

计算模块，位于基站端，用于计算用户的预编码向量；

传输模块，位于基站端，用于基站之间传递预编码向量信息；

量化模块，位于基站端，用于量化用户的预编码向量；

反馈模块，位于基站端，用于基站向当前小区用户反馈量化后的预编码向量在相应码本中的索引；

接收合并器，位于基站端接收机的最前端，用于对接收的信号进行第一步接收处理，处理来自相临小区用户的小区间干扰，从而最小化接收信号中的残余小区间干扰。

迫零接收机，级联于基站端接收机中的接收合并器之后，用于消除小区内用户间的干扰，以便恢复当前小区每个用户发送的符号。

本发明上行小区干扰对齐方法是一种使用有限反馈的小区干扰对齐方法，其优点是：针对有限反馈在小区干扰对齐方法中造成小区间残余干扰的问题，在基站端有效地估计了小区间的干扰，并根据实时的小区间干扰自适应地计算和调整接收合并器，使用适应于当前接收信号中小区间干扰的接收合并器来处理小区间干扰，从而最小化了接收合并之后接收信号中的残余小区间干扰。本发明方法的创新关键是：自适应的接收合并矩阵的计算方法。本发明能够有效抑制小区间的干扰，增大的接收信干噪比，提升系统的吞吐量性能。

附图说明

图1是本发明应用场景：两小区多用户系统上行网络。

图2是本发明上行小区干扰对齐方法的流程图。

图3是本发明干扰对齐设备的结构图。

图4是本发明实施中，基站端接收信号的流程图。

图5是本发明实例中，系统配置不同的每用户反馈比特数时系统吞吐量性能比较示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

参见图1，先介绍本发明方法的应用场景：两小区多用户系统的上行网络，其中，用户的发送天线数N_T和基站的接收天线数N_R都为M，即N_T＝N_R＝M，小区i有K_i个用户位于小区边缘，i∈{1，2}，用户数满足K_i≤M-1，小区i中每个用户向本小区基站BS_i发送单流数据，图中用黑色实线箭头表示，对相临小区的基站BS_i′造成小区间干扰，图中用红色虚线箭头表示，i′∈{1，2}，且i′≠i；基站之间通过有线信道相连，可以互相传递信息；小区i的用户k到当前小区基站的信道矩阵表示为矩阵H_ik，小区i的用户k到相临小区基站的信道矩阵表示为矩阵G_ik，k∈{1，2，...，K_i}，

矩阵H_ik和G_ik的每个元素都为零均值、单位方差的复循环对称高斯随机变量，即CN(0，1)；存在基站到当前小区用户的有限反馈信道。

参见图2，介绍本发明上行小区干扰对齐方法的操作步骤：

步骤一，在基站端获取小区上行信道的信道矩阵。该步骤的操作内容为：用户向当前小区和相临小区的基站发送导频信号，基站BS_i根据导频测量的信息获取信道矩阵H_ik、G_i′j，j∈{1，2，...，K_i′}。

步骤二，根据所述的信道矩阵在基站端计算小区用户的预编码向量。该步骤的操作内容为：在基站BS_i处随机产生一个参考向量

根据参考向量v_i和信道矩阵G_i′j计算出相临小区用户的预编码向量，具体计算方法为

其中w_i′j为计算所得的小区i′的用户j的预编码向量。

步骤三，基站向其所在小区的用户反馈预编码向量。该步骤的操作内容为：

(31)基站通过基站间的有线信道向相临小区基站传送所述计算所得的预编码向量。

(32)基站对从相临小区基站传送过来的预编码向量进行量化。量化方式采用随机矢量量化，基站和用户拥有相同的码本，w_i′j相对应的量化以后的预编码向量为

(33)基站将量化以后的预编码向量在相应码本中的索引分别反馈给当前小区的对应用户。

步骤四，根据所述的信道矩阵和被反馈的预编码向量在基站端自适应地计算并调整接收器，从而最小化残余小区间干扰，提高系统的吞吐量性能。该步骤的操作内容为：

(41)根据所述的信道矩阵和被反馈的预编码向量在基站端计算用于消除小区间干扰的接收合并矩阵，并根据计算所得的矩阵调整用于消除小区间干扰的接收合并器。该步骤的具体操作内容为：

(41a)在基站BS_i处估计来自相临小区用户的干扰，计算矩阵

W_i的每一个列向量表示一个来自小区i′的用户对基站BS_i的干扰。

(41b)在基站BS_i处根据计算所得的小区间干扰矩阵W_i计算用于消除小区间干扰的接收合并矩阵U_i，

首先，计算矩阵W_iW_i ^H的M个特征值所对应的M个单位特征向量，则U_i的M-1个列向量为矩阵W_iW_i ^H的最小M-1个特征值所对应的M-1个单位特征向量。

(41c)根据计算所得的矩阵调整用于消除小区间干扰的接收合并器。

(42)根据所述的信道矩阵、被反馈的预编码向量和计算所得的接收合并矩阵，计算针对每个用户发送的信号的迫零接收向量，并根据计算所得的迫零接收向量分别调整相应的用于消除小区内用户间干扰的迫零接收机。

(42a)在基站BS_i处估计小区i内用户间的干扰，计算矩阵

其中矩阵

表示矩阵U_i的共轭转置矩阵，H_i的每个列向量表示在基站BS_i处接收到的当前小区内的一个用户的信号。

(42b)计算矩阵

则对于小区i用户k的信号的迫零接收向量

为矩阵

的第k个行向量的共轭转置向量；

(42c)根据计算所得的迫零接收向量分别调整迫零接收机。

参见图3，介绍本发明干扰对齐设备的结构：

1、获取模块，位于基站端，用于在基站端获取信道矩阵。

2、计算模块，位于基站端，用于计算用户的预编码向量。

3、传输模块，位于基站端，用于基站之间传递预编码向量信息。

4、量化模块，位于基站端，用于量化用户的预编码向量。

5、反馈模块，位于基站端，用于基站向当前小区用户反馈量化后的预编码向量在相应码本中的索引。

6、接收合并器，位于基站端接收机的最前端，用于对接收的信号进行第一步接收处理，处理来自相临小区用户的小区间干扰，从而最小化接收信号中的残余小区间干扰。

7、迫零接收机，级联于基站端接收机中的接收合并器之后，用于消除小区内用户间的干扰，以便恢复当前小区每个用户发送的符号。

参见图4，介绍本发明上行小区干扰对齐方法实施中基站端的接收信号流程：

基站BS_i的接收信号表示为y_i，接收信号首先经过接收合并器U_i，接收合并之后接收信号中的残余小区间干扰被最小化，然后信号分别经过不同的迫零接收机，从而恢复小区i的不同用户发送的符号，以恢复小区i的用户k发送的符号为例，接收合并以后的接收信号将经过迫零接收机k，其对应的迫零接收向量为r_ik，则接收信号经过接收合并器U_i和迫零接收机k之后的信号为：

${\tilde{y}}_{\mathrm{ik}}=r_{\mathrm{ik}}^H{U}_i^H{y}_i=r_{\mathrm{ik}}^H{U}_i^H{H}_{\mathrm{ik}}{s}_{\mathrm{ik}}+\underset{j=1}{\overset{K_{i^{\′}}}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ik}}^H{U}_i^H{H}_{i^{\′}j}{s}_{i^{\′}j}+{\tilde{n}}_{\mathrm{ik}}$

其中，s_ik表示小区i的用户k发送的符号，为残余小区间干扰，

为高斯噪声。

为了展示本发明方法的实用性能，申请人进行了多次仿真实施试验。试验中天线数N_T＝N_R＝M＝3，用户数K₁＝K₂＝2，传输信道为瑞利衰落信道，并假设分配给每个用户的发送功率相同。仿真试验的结果如图5所示。图中的横坐标为信噪比SNR(signal to noise ratio)值，纵坐标为系统吞吐量SystemThroughput。

图中比较了在不同的每用户反馈比特数B的设置下(使用的反馈比特数越多，则量化误差越小，反馈越接近于完美反馈)，本发明上行小区干扰对齐方法与D-IA方法所能取得的系统吞吐量性能。同时，为了反映出本发明的方法所能取得的系统吞吐量性能与在完美反馈的情况下(即基站能将信道矩阵准确无误地反馈给用户，此时小区间干扰将被完全消除)小区上行干扰对齐方法所能取得的系统吞吐量性能之间的差距，图中还给出了在完美反馈的情况下小区上行干扰对齐方法所能取得的系统吞吐量曲线。

由图5可以看出，在不同的反馈比特数设置下，本发明上行小区干扰对齐方法所取得的系统吞吐量都明显高于D-IA方法所取得的系统吞吐量，这说明本发明上行小区干扰对齐方法能够更有效地抑制小区间干扰，提升系统的吞吐量。从图中可以看出，本发明上行小区干扰对齐方法在B＝4情况下所取得的系统吞吐量曲线与D-IA方法在B＝6情况下所取得的系统吞吐量曲线基本相同，本发明上行小区干扰对齐方法在B＝6情况下所取得的系统吞吐量曲线与D-IA方法在B＝8情况下所取得的系统吞吐量曲线基本相同，这说明取得相同的系统吞吐量性能，使用本发明上行小区干扰对齐方法比使用D-IA方法可以节省2比特的每用户反馈，从而降低了系统的反馈开销。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (3)

1.一种上行小区干扰对齐方法，其特征在于，包括：在基站端获取小区上行信道的信道矩阵；根据所述的信道矩阵在基站端计算小区用户的预编码向量；基站向其所在小区的用户反馈预编码向量；根据所述的信道矩阵和被反馈的预编码向量在基站端自适应地计算并调整接收器，从而最小化残余小区间干扰，提高系统的吞吐量性能。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据信道矩阵和被反馈的预编码向量在基站端自适应地计算并调整接收器，最小化残余小区间干扰，包括：根据所述的信道矩阵和被反馈的预编码向量在基站端计算用于消除小区间干扰的接收合并矩阵，并根据计算所得的矩阵调整用于消除小区间干扰的接收合并器；根据所述的信道矩阵、被反馈的预编码向量和计算所得的接收合并矩阵，计算针对每个用户发送的信号的迫零接收向量，并根据计算所得的迫零接收向量分别调整相应的用于消除小区内用户间干扰的迫零接收机。

3.一种干扰对齐设备，其特征在于，包括：获取模块，用于在基站端获取信道矩阵；计算模块，用于计算用户的预编码向量；传输模块，用于基站之间传递预编码向量信息；量化模块，用于量化用户的预编码向量；反馈模块，用于基站向当前小区用户反馈量化后的预编码向量在相应码本中的索引；接收合并器，位于基站端接收机的最前端，用于对接收的信号进行第一步接收处理，处理来自相临小区用户的小区间干扰，从而最小化接收信号中的残余小区间干扰。迫零接收机，级联于基站端接收机中的接收合并器之后，用于消除小区内用户间的干扰，以便恢复当前小区每个用户发送的符号。

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