CN103368702B - 无线局域网分布式干扰对齐中的流数自适应方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线局域网分布式干扰对齐中的流数自适应方法。在中低信噪比时，如果根据功率分配算法，将有限的功率分配在信道条件较好的子信道上将能获得更大的信道容量；另一方面，当干扰信道的功率远小于有用信道功率时，此时应该发送更多的流数。通过本发明的自适应流数算法，能有效的提高系统的性能。

Description

无线局域网分布式干扰对齐中的流数自适应方法
技术领域
本发明涉及一种无线局域网中多用户MIMO分布式干扰对齐中的流数自适应的方法，属于超高速短距离无线局域网技术领域。
背景技术
经典干扰对齐理论虽然已证明:干扰信道中每个用户可以在一半的无干扰空间内收发信号，同时将所有干扰对齐到另一半空间内；但随着用户数的增加干扰对齐很难获得解析解。
现存在可以求得解析解来对齐部分干扰的方法，但会要求每个用户配置固定的天线数。而在实际系统中，很难要求每个用户配置固定的天线数，并且有些场景下无法实现AP间交换信道信息。WLAN是一个TDD的系统，其上下行的信道是互易的，这一特性可以被利用，实现一种分布式的干扰对齐，其只需要每个用户知道其本地的信道信息，然后通过迭代的方式即可逼近最优解。
传统的干扰对齐算法中，只考虑每个用户发送一半自由度的信号流数，这在高信噪比下是最优的。然而实际系统中只能获得中低信噪比，此时传统的干扰对齐算法不是最优的。这时如果根据功率分配算法，将有限的功率分配在信道条件较好的子信道上将能获得更大的信道容量；另一方面，当干扰信道的功率远小于有用信道功率时，此时应该发送更多的流数；因此干扰对齐中的流数自适应方法是需要的。理论上最优的算法是穷举法：每个用户在要建立干扰对齐时，分别迭代计算出发送最大流数及小于它的所有流数的情况下各自的发射矩阵和接收矩阵；然后逐个计算出每个流数对应的不同信道容量；再依此选出信道容量最大时对应的流数作为最终干扰对齐建立时的初始化流数。但穷举法需要每个流数下都迭代并达到收敛，计算太过复杂，针对这一问题，本发明提出了一种干扰对齐中的复杂度较低且易于分布式实现的自适应流数方法。
发明内容
本发明提出了一种复杂度较低且易于分布式实现的无线局域网中的多用户MIMO分布式干扰对齐中的流数自适应的方法，用以提高干扰对齐时系统的性能。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种无线局域网中的多用户MIMO分布式干扰对齐中的流数自适应的方法，包括如下步骤：
（1）在中低信噪比条件下，忽略干扰对齐算法所消除的干扰部分，此条件应用于步骤（2）中接收矩阵的简化估算；
（2）每个用户在要建立干扰对齐之前，获取发射端到接收端的信道矩阵及待发送信号的自相关矩阵，利用步骤（1）中简化条件，计算可发送的最大流数及小于它的所有流数下的估算的接收矩阵，之后将各接收矩阵分别带入信道容量表达式，计算出各流数对应的不同信道容量；
（3）每个用户选出信道容量最大时对应的流数作为最终干扰对齐建立时的初始化流数；
（4）初始化每个用户各自的流数，迭代计算出各自的发射矩阵和接收矩阵；
（5）接入点AP根据所述发射矩阵发送数据，用户根据所述接收矩阵接收数据，完成包含流数自适应的干扰对齐建立；
（6）固定时间间隔后刷新，重复步骤（1）到（5），按以上过程再次重新建立包含流数自适应的干扰对齐。
针对上述的步骤（4），即每个用户在要建立干扰对齐时，迭代计算出发射矩阵和接收矩阵的步骤如下：
（1）设定初始通信方向为原方向，通信方向调换后为反方向，用户任意选取原方向上的发射端的初始化发射酉矩阵然后开始迭代运算；
（2）计算原方向上的用户接收端干扰自相关矩阵
（3）在每个接收端计算出原方向上的干扰抑制矩阵
（4）调换通信方向，根据信道互易性，设置反方向上的发射矩阵
（5）在新的接收端计算反方向上的干扰自相关矩阵
（6）在每个新的接收端计算反方向上的干扰抑制矩阵
（7）再次调换通信方向，根据信道互易性，设置
（8）重复（2）至（7）的迭代直到收敛，得到发射矩阵和接收矩阵。
本发明的有益效果如下：可应用于多用户MIMO系统中，计算过程可以分布式实现，流数自适应可以提高系统的性能。
附图说明
图1为本发明中流数自适应方法的流程图；
图2为用户迭代计算出发射矩阵和接收矩阵的流程图；
图3为自适应流数干扰对齐与传统干扰对齐性能对比图。
具体实施方式
下面结合附图、具体实施例，进一步详细阐明本发明，应理解实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
考虑干扰对齐可行性条件，对于下行干扰对齐，假设为第j个发射端到第k个接收端的下行信道，那么发送端预编码矩阵和接收端滤波矩阵需要
满足：
其中dk、dj分别为零矩阵的行数和列数；第一项是为了是满足接收到的所有干扰信号为0，第二项是为了保证第k个用户有dk个自由度来发送信号。
WLAN是一个TDD的系统，其上下行的信道是互易的。在上行信道中，利用信道的互易性可得那么此时的干扰对齐的可行性条件为：
如果令那么上行干扰对齐的可行性问题和下行干扰对齐可行性问题将会是一致的。
由上面分析可得干扰对齐的互易性：如果对于一组自由度d1,d2,...,dK，在某个方向上干扰对齐是可行的，那么在这组自由度条件下反方向上的干扰对齐也是可行的。反方向上的干扰对齐的可行性，可以简单的通过将原方向的发射矩阵和接收矩阵分别作为反方向上的接收矩阵和发射矩阵得到。流数自适应及干扰对齐分布式实现利用了上述的互易性。
干扰对齐的实现需要设计出每个用户的发射矩阵和接收矩阵。在分布式的算法中，首先任意选取初始化的酉矩阵Vk，按某种准则计算得到接收滤波矩阵Uk并更新；之后根据干扰对齐互易性原理，通过在下行信道和上行信道间相互迭代，每次迭代中都按同一准则更新接收滤波矩阵Uk；在迭代一定次数后计算收敛，此时分别得到了上行与下行的接收滤波矩阵，根据互易性原理，也就是得到了用户发送端的发射矩阵和接收滤波矩阵，实现了干扰对齐。干扰对齐流数的自适应是通过不同流数下信道容量大小来选择、确定自适应的流数，在上述迭代计算基础上实现干扰对齐建立。
以下结合详细公式给出流数自适应的实施过程：
假设每个用户的发射功率相等，这在WLAN中是常见的场景，那么，在下行链路中，第k个用户接收到的干扰自相关矩阵为：
其中，为第j个用户的发送端预编码矩阵，为第j个发射端到第k个接收端的下行信道。
在中低信噪比条件下，噪声相对于干扰在通信系统中产生的影响更大，故为减少复杂迭代，可忽略干扰对齐算法所消除的干扰部分，每个用户则可以在要建立干扰对齐时就初始化其流数。
考虑用户k的信道容量Rk为：
其中Hkj为第j个发射端到第k个接收端的信道，用户k的接收矩阵为Uk，Rs为发送信号的自相关矩阵，σ2为噪声功率，Qk为干扰自相关矩阵。若有用信号s的维数固定时，最大化上式时，Uk=βTk[IS;0]。
令：
其中Tk为矩阵对的广义特征矩阵，并且其对应的特征值由大到小排列，β为功率归一化因子，S为可发送的最大流数。忽略干扰对齐算法所消除的干扰部分，令Qk项为0，则可直接依次将上式中的Uk带入信道容量Rk式中求出每个流数下对应的信道容量，然后选择信道容量最大时对应的流数为最终流数。
在每个用户初始化各自的流数后，依据信道互异性，迭代计算出各自的发射矩阵和接收矩阵，流程参见图2；接入点AP根据计算收敛后得到的发射矩阵发送数据，用户根据计算收敛后得到的接收矩阵接收数据，至此，完成包含流数自适应的干扰对齐建立。
图3给出了本发明所提出的易于实现的自适应流数算法的性能，即自适应流数干扰对齐与传统干扰对齐性能对比结果。仿真参数设置如下：用户数为3且每个节点都配置4根天线，每个接收端接收到的干扰功率和有用信号功率相同，信道模型采用了IEEE802.11ac信道模型C的NLOS场景，每次仿真采用100个信道采样点。由图3可以看出：在信噪比低于一个值时（在如上参数设置时，图中值为34dB），自适应流数算法相比于传统的干扰对齐算法能获得更好的性能；而当信噪比大于这一值时，由于流数预测存在误差，才导致其性能要略差于传统干扰对齐算法。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干可以预期的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种无线局域网分布式干扰对齐中的流数自适应方法，包括如下步骤：
(1)在中低信噪比条件下，忽略干扰对齐算法所消除的干扰部分，此条件应用于步骤(2)中接收矩阵的简化估算；
(2)每个用户在要建立干扰对齐之前，获取发射端到接收端的信道矩阵及待发送信号的自相关矩阵，利用步骤(1)中条件，计算发送的最大流数及小于它的所有流数下的估算的接收矩阵，之后将各接收矩阵分别带入信道容量表达式，计算出各流数对应的不同信道容量；
(3)每个用户选出信道容量最大时对应的流数作为最终干扰对齐建立时的初始化流数；
(4)初始化每个用户各自的流数，迭代计算出各自的发射矩阵和接收矩阵；
所述步骤(4)中迭代计算出发射矩阵和接收矩阵的步骤具体包括：
(41)设定初始通信方向为原方向，通信方向调换后为反方向，用户任意选取原方向上的发射端的初始化发射酉矩阵然后开始迭代运算；
(42)计算原方向上的用户接收端干扰自相关矩阵
(43)在每个接收端计算出原方向上的干扰抑制矩阵
(44)调换通信方向，根据信道互易性，设置反方向上的发射矩阵 V k U = U k D ;
(45)在新的接收端计算反方向上的干扰自相关矩阵
(46)在每个新的接收端计算反方向上的干扰抑制矩阵
(47)再次调换通信方向，根据信道互易性，设置
(48)重复(42)至(47)的迭代直到收敛，得到发射矩阵和接收矩阵；
(5)接入点AP根据所述发射矩阵发送数据，用户根据所述接收矩阵接收数据，完成包含流数自适应的干扰对齐建立；
(6)固定时间间隔后刷新，重复步骤(1)到(5)，按以上过程再次重新建立包含流数自适应的干扰对齐。
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