CN103973352B - 宏小区多用户mimo系统下行异构网络的干扰抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用户MIMO异构网络下行链路的干扰抑制方法，主要解决现有宏小区多用户MIMO异构网络的干扰问题。实现步骤是：1)判断宏小区用户总数奇偶性；2)针对宏小区用户总数的奇偶性两种情况，对宏小区用户分组；3)设计每组宏小区用户接收机处理矩阵，使两个微小区基站到每组两个宏小区用户的干扰各自对齐到一个子空间；4)设计两个微小区基站发射预编码矩阵，消除微小区基站对宏小区用户干扰；5)设计两个微小区用户接收机处理矩阵，消除微小区间干扰；6)设计宏小区基站发射预编码矩阵，消除宏小区用户间干扰和宏小区基站对微小区用户干扰。本发明能有效抑制干扰，可用于宏小区多用户MIMO异构网络。

Description

宏小区多用户MIMO系统下行异构网络的干扰抑制方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及多用户MIMO系统下行异构网络的干扰抑制方法，可用于存在任意多个宏小区用户的异构网络。

背景技术

近年来，随着移动通信网络的快速发展，人们对数据传输速率、服务质量QoS的要求日益增加。在此背景下，异构网络的产生有力地提高了移动网络的频谱效率。异构网络是将微小区Micro-Cell布置在宏小区Macro-Cell内来提供高数据传输速率，同时提高小区覆盖范围的技术。这里微小区的类型可以分为微微小区Pico-Cell和毫微微小区Femto-Cell。由于微小区的覆盖区域较小，微小区基站只需要较小的发射功率，并且微小区与宏小区共享信道，异构网络能够提高频谱效率。

但是另一方面，将微小区搭建在宏小区内，不可避免地会对宏小区用户产生干扰，特别是靠近微小区边缘的宏小区用户会受到微小区基站的强烈干扰。因此，如何解决宏小区和微小区之间的相互干扰对于提高异构网络的系统性能至关重要。目前已有许多研究集中于干扰协调方法，比如资源，即时间/频谱划分方法。

另外，干扰对齐方法IA已经被提出用来提高移动网络的系统性能。它的关键思想是在信号接收端将干扰信号对齐到一个干扰子空间，这样与干扰子空间正交的子空间就可以用来接收期望信号。

在已知移动网络信道全局信息情况下的IA方案已被提出，来提高无线网络系统性能，并且获得最佳的自由度DoF。而在仅知道用户节点局部信息时，利用无线网络对偶性，大量的迭代算法也已经被应用到IA技术中。

分组干扰对齐IA方案最早是在两小区下行移动网络中提出，用来对齐小区间的相互干扰，其核心思想是将每个小区的用户分为一组，协调的设计同一组用户的接收机处理矩阵，用来有效对齐小区间的干扰ICI，之后通过设计各基站的发射预编码矩阵来消除ICI和小区内用户之间的干扰IUI。分组干扰对齐算法能够使基站用较少的发射天线来实现IA技术，并且在多小网络得到进一步推广。

而对于存在一个宏小区和两个微小区的下行异构网络,跨层干扰对齐方案HIA已经被提出。HIA通过协调设计两个微小区基站发射预编码矩阵，对齐了两个微小区基站对每个宏小区用户的干扰。然而，HIA目前只是针对只存在两个宏小区用户的场景，当宏小区用户数目为任意多个时，HIA并不能很好解决异构网络中的干扰问题。

发明内容

本发明的目的在于针对HIA的不足，提出一种多用户MIMO系统下行异构网络的干扰抑制方法，以有效消除两个微小区基站对任意数量的宏小区用户的干扰。

实现本发明目的的技术方案是：将宏小区户总数分为偶数和奇数两种场景分别进行讨论，结合分组干扰对齐方法，将宏小区用户两两分为一组，通过协调设计同一组中宏小区用户的接收机处理矩阵，分别对齐来自每个微小区基站的干扰信道，具体过程如下：

(1)设异构网络中共有3个小区，即一个宏小区和两个微小区，并设宏小区共有任意个用户，两个微小区各有一个用户；设宏小区基站有M根天线，两个微小区基站以及所有用户都有N根天线；宏小区基站对每个宏小区用户发射d数据流，第一个微小区基站和第二个微小区基站分别对各自微小区用户发射d′数据流，其中M,N,d和d′都为大于或等于1的自然数；

(2)判断宏小区用户总数的奇偶性，若为偶数，则执行步骤(3),若为奇数，则执行步骤(4)；

(3)设计宏小区用户总数为偶数K时，异构网络的发射预编码矩阵和接收机处理矩阵：

(3.1)设异构网络共有K+2个用户，宏小区基站对应前K个宏小区用户，第一个微小区基站和第二个微小区基站分别对应第K+1和K+2个微小区用户,K为大于1的偶数；

(3.2)将所有宏小区用户分组，其中每两个宏小区用户为一组，得到组；

(3.3)协调设计每一组中的两个宏小区用户的N×d维接收机处理矩阵U_2n-1和U_2n，使两个微小区基站到每组中两个宏小区用户的干扰各自对齐到一个子空间；

(3.4)分别设计两个微小区基站的N×d′维发射预编码矩阵V_K+1和V_K+2，以消除两个微小区基站对K个宏小区用户的干扰；

(3.5)分别设计两个微小区用户的N×d′维接收机处理矩阵波器U_K+1和U_K+2，以消除两个微小区之间的相互干扰；

(3.6)设计宏小区基站的M×d维发射预编码矩阵V_m,m∈{1,2,…,K}，以消除K个宏小区用户之间的干扰，以及宏小区基站对两个微小区用户的干扰；

(4)设计宏小区用户总数为奇数K′时，异构网络的发射预编码矩阵和接收机处理矩阵：

(4.1)设异构网络共有K′+2个用户，宏小区基站对应前K′个宏小区用户，第一个微小区基站和第二个微小区基站分别对应第K′+1和K′+2个微小区用户，K′为大于或等于1的奇数；

(4.2)将前K′-1个宏小区用户分组，其中每两个宏小区用户为一组，得到组，并且第K′个宏小区用户不属于任何一组；

(4.3)协调设计每一组中的两个宏小区用户的N×d维接收机处理矩阵U_2n′-1和U_2n′，对于用户K′的接收机处理矩阵U_K′，只需满足条件rank{U_K′}＝d，则选一个接收机处理矩阵，其中rank{U_K′}为U_K′的秩；

(4.4)分别设计两个微小区基站的N×d′维发射预编码矩阵V_K′+1和V_K′+2，以消除两个微小区基站对K′个宏小区用户的干扰；

(4.5)分别设计两个微小区用户的N×d′维接收机处理矩阵波器U_K′+1和U_K′+2，以消除两个微小区之间的相互干扰；

(4.6)设计宏小区基站的M×d维发射预编码矩阵V_m′,m′∈{1,2,…,K′}，以消除K′个宏小区用户之间的干扰，以及宏小区基站对两个微小区用户的干扰；

(5)通过协调设计异构网络中的发射预编码矩阵和接收机处理矩阵，抑制了异构网络中的干扰。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明结合分组干扰对齐方法，协调设计异构网络中的异构网络的发射预编码矩阵和接收机处理矩阵，抑制了异构网络中的干扰；相比较HIA中只能处理两个宏小区用户的场景，本发明能够处理异构网络中任意多宏小区用户的场景，使多用户异构网络中的用户能够无干扰的接收到期望信号。

附图说明

图1是本发明设置的异构网络系统示意图；

图2是本发明方法的实现流程图；

图3是本发明中宏小区用户总数为偶数K时的分组示意图；

图4是本发明中宏小区用户总数为奇数K′的分组示意图；

图5是采用本发明在给定基站和用户天线数目得到的最大可达自由度性能图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。

参照图2，本发明的实现步骤如下：

步骤1，设置异构网络模型。

参照图1，本发明设置的异构网络模型为一个宏小区多用户MIMO异构网络系统，其包括一个宏小区和两个微小区，其中宏小区中有任意多个宏小区用户，两个微小区各有一个微小区用户。设宏小区基站有M根天线，两个微小区基站以及所有用户都有N根天线；设宏小区基站对每个宏小区用户发射d个数据流，第一个微小区基站和第二个微小区基站分别对各自微小区用户发射d′个数据流，其中M,N,d和d′都为大于或等于1的自然数。

在这种多宏小区用户MIMO异构网络系统中存在多种形式的干扰，一是第一微小区基站和第二微小区基站对宏小区用户产生的干扰；二是宏小区基站对微小区用户产生的干扰，三是宏小区用户之间存在的相互干扰，这些干扰将会严重影响异构网络中用户的通信，必须对其进行抑制。

本发明通过对宏小区多用户MIMO异构网络中的不同基站设计不同的发射预编码矩阵，以及对不同用户设计不同接收机处理矩阵进行干扰抑制，并对宏小区多用户按其偶数和奇数设计不同的抑制方案。

步骤2，判断宏小区用户总数的奇偶性，若为偶数，则执行步骤3,若为奇数，则执行步骤4。

步骤3，设计宏小区用户总数为偶数K时，异构网络的发射预编码矩阵和接收机处理矩阵：

3.1)设异构网络共有K+2个用户，宏小区基站对应前K个宏小区用户，第一个微小区基站和第二个微小区基站分别对应第K+1和K+2个微小区用户，K为大于1的偶数；

3.2)将每两个宏小区用户分为一组，得到组；

3.3)协调设计每一组中的两个宏小区用户的N×d维接收机处理矩阵U_2n-1和U_2n,使两个微小区基站到每组中两个宏小区用户的干扰各自对齐到一个子空间，如图3所示，这两个接收机处理矩阵的表示式如下：

其中和分别为两个宏小区用户第i个数据流所对应的接收机处理矩阵，

式中和分别表示第一个微小区基站和第二个微小区基站到第l个宏小区用户的信道矩阵，l∈{1,2,…,K}；eig(·)为矩阵特征向量操作，(·)^-1为矩阵求逆操作，||·||为欧式范数操作；

3.4)分别设计两个微小区基站的N×d′维发射预编码矩阵V_K+1和V_K+2，以消除两个微小区基站对K个宏小区用户的干扰：

式中表示微小区基站到宏小区用户l的有效干扰信道j∈{2,3}，l∈{1,3,5,…,K-1}；其中(·)^H为矩阵共轭转置操作，null(·)为求矩阵零空间操作；

为了保证第一个微小区基站的N×d′维发射预编码矩阵V_K+1和第二个微小区基站的N×d′维发射预编码矩阵V_K+2存在，需满足如下条件：

3.5)分别设计两个微小区用户的N×d′维接收机处理矩阵U_K+1和U_K+2，以消除两个微小区之间的相互干扰：

式中和分别表示两个微小区之间的有效干扰信道，其中表示第一个微小区基站到微小区用户K+2的干扰信道，表示第二个微小区基站到微小区用户K+1的干扰信道；

为了保证两个微小区用户的N×d′维接收机处理矩阵波器U_K+1和U_K+2存在，需满足如下条件：

N-d′≥d′；

3.6)设计宏小区基站的M×d维发射预编码矩阵V_m,以消除K个宏小区用户之间的干扰，以及宏小区基站对两个微小区用户的干扰，m∈{1,2,…,K}：

式中i∈{1,2,…,K}且i≠m，表示宏小区用户之间的有效干扰信道；表示宏小区基站对微小区用户的有效干扰信道，s∈{K+1,K+2}；

为了保证宏小区基站M×d维发射预编码矩阵V_m存在，需满足如下条件：

M-2d′-Kd≥0。

步骤4，设计宏小区用户总数为奇数K′时，异构网络的发射预编码矩阵和接收机处理矩阵:

4.1)设异构网络共有K′+2个用户，宏小区基站对应前K′个宏小区用户，第一个微小区基站和第二个微小区基站分别对应第K′+1和K′+2个微小区用户，K′为大于或等于1的奇数；

4.2)对前K′-1个宏小区用户进行分组，其中每两个宏小区用户为一组，得到组，并且第K′个宏小区用户不属于任何一组；

4.3)协调设计每一组中的两个宏小区用户的N×d维接收机处理矩阵U_2n′-1和U_2n′,使两个微小区基站到每组中两个宏小区用户的干扰各自对齐到一个子空间，如图4所示，这两个接收机处理矩阵的表示式如下：

其中和分别为两个宏小区用户第i个数据流所对应的接收机处理矩阵，

式中和分别表示第一个微小区基站和第二个微小区基站到第l′个宏小区用户的信道矩阵，其中l′∈{1,2,…,K′-1}；

对于用户K′的接收机处理矩阵U_K′，只需满足条件rank{U_K′}＝d，则选一个接收机处理矩阵，其中rank{U_K′}为U_K′的秩；

4.4)分别设计两个微小区基站的N×d′维发射预编码矩阵V_K′+1和V_K′+2，以消除两个微小区基站对K′个宏小区用户的干扰：

式中表示微小区基站到宏小区用户l′′的有效干扰信道，j′′∈{2,3}，l′′∈{1,3,5,…,K′}；

为了保证两个微小区基站的N×d′维发射预编码矩阵V_K′+1和V_K′+2存在，需满足如下条件：

4.5)分别设计两个微小区用户的N×d′维接收机处理矩阵U_K′+1和U_K′+2，以消除两个微小区之间的相互干扰：

式中和分别表示两个微小区之间有效干扰信道，其中表示第一个微小区基站到微小区用户K′+2的干扰信道，表示第二个微小区基站到微小区用户K′+1的干扰信道；

为了保证两个微小区用户的N×d′维接收机处理矩阵U_K′+1和U_K′+2存在，需满足如下条件：

N-d′≥d′；

4.6)设计宏小区基站的M×d维发射预编码矩阵V_m′,以消除K′个宏小区用户之间的干扰，以及宏小区基站对两个微小区用户的干扰，m′∈{1,2,…,K′}：

式中i′∈{1,2,…,K′}且i′≠m′，表示宏小区用户之间的有效干扰信道，表示宏小区基站对微小区用户的有效干扰信道，s′∈{K′+1,K′+2}；

为了保证宏小区基站的M×d维发射预编码矩阵V_m′存在，需满足如下条件：

M-2d′-K′d≥0。

通过上述协调设计异构网络中的发射预编码矩阵和接收机处理矩阵，可抑制掉异构网络中的干扰。

本发明的效果可以通过以下仿真结果进一步说明：

1.仿真条件：设定一个多用户MIMO异构网络系统，其中有两个微小区基站和一个宏小区基站。宏小区基站发射天线数为12，宏小区用户数分别为4和5，且两个微小区基站的发射天线数目与异构网络中用户的天线数目都为N。

2.仿真内容：采用本发明分组干扰对齐方法对多用户MIMO异构网络系统进行仿真，结果如图5所示，其中图5(a)为宏小区用户数目为4时系统最大可达自由度示意图；图5(b)为宏小区用户数目为5时系统最大可达自由度示意图。

从图5(a)中可以看出，在宏小区用户数为偶数时，系统的最大可达自由度随着天线数目N的增加线性增长，并且达到了最佳的最大可达自由度的，表明干扰得到了有效抑制；

从图5(b)中可以看出，在宏小区用户数为奇数时，系统的最大可达自由度随着天线数目N的增加线性增长，并且达到了最佳的最大可达自由度的，表明干扰得到了有效抑制。

Claims (9)

1.一种下行异构网络中对宏小区多用户MIMO系统的干扰抑制方法，包括如下步骤：

(1)设置异构网络模型：

设异构网络中共有3个小区，即一个宏小区和两个微小区，并设宏小区共有任意个宏小区用户，两个微小区各有一个微小区用户；设宏小区基站有M根天线，两个微小区基站以及所有用户都有N根天线；宏小区基站对每个宏小区用户发射d个数据流，第一个微小区基站和第二个微小区基站分别对各自的微小区用户发射d′个数据流，其中M,N,d和d′都为大于或等于1的自然数；

(2)判断宏小区用户总数的奇偶性，若为偶数，则执行步骤(3),若为奇数，则执行步骤(4)；

(3)当宏小区用户总数为偶数K时，设计异构网络的发射预编码矩阵和接收机处理矩阵：

(3.1)设异构网络中共有K+2个用户，宏小区基站对应前K个宏小区用户，第一个微小区基站和第二个微小区基站分别对应第K+1和K+2个微小区用户,K为大于1的偶数；

(3.2)对所有宏小区用户进行分组，其中每两个宏小区用户为一组，得到组；

(3.3)协调设计每一组中的两个宏小区用户的N×d维接收机处理矩阵U_2n-1和U_2n，使两个微小区基站到每一组中两个宏小区用户的干扰各自对齐到一个子空间，即第一个微小区基站到每一组中两个宏小区用户的干扰对齐到一个子空间，第二个微小区基站到每一组中两个宏小区用户的干扰对齐到另一个子空间；

(3.4)分别设计两个微小区基站的N×d′维发射预编码矩阵V_K+1和V_K+2，以消除两个微小区基站对K个宏小区用户的干扰；

(3.5)分别设计两个微小区用户的N×d′维接收机处理矩阵U_K+1和U_K+2，以消除两个微小区之间的相互干扰；

(3.6)设计宏小区基站的M×d维发射预编码矩阵V_m,m∈{1,2,…,K}，以消除K个宏小区用户之间的干扰，以及宏小区基站对两个微小区用户的干扰；

(4)当宏小区用户总数为奇数K′时，设计异构网络的发射预编码矩阵和接收机处理矩阵：

(4.1)设异构网络中共有K′+2个用户，宏小区基站对应前K′个宏小区用户，第一个微小区基站和第二个微小区基站分别对应第K′+1和K′+2个微小区用户,K′为大于或等于1的奇数；

(4.2)对前K′-1个宏小区用户进行分组，其中每两个宏小区用户为一组，得到组，并且第K′个宏小区用户不属于任何一组；

(4.3)协调设计每一组中的两个宏小区用户的N×d维接收机处理矩阵U_2n′-1和U_2n′，使两个微小区基站到每组中两个宏小区用户的干扰各自对齐到一个子空间，即第一个微小区基站到每一组中两个宏小区用户的干扰对齐到一个子空间，第二个微小区基站到每一组中两个宏小区用户的干扰对齐到另一个子空间；对于第K′个宏小区用户的接收机处理矩阵U_K′，只需满足条件rank{U_K′}＝d，则选一个接收机处理矩阵，其中rank{U_K′}为U_K′的秩；

(4.4)分别设计两个微小区基站的N×d′维发射预编码矩阵V_K′+1和V_K′+2，以消除两个微小区基站对K′个宏小区用户的干扰；

(4.5)分别设计两个微小区用户的N×d′维接收机处理矩阵U_K′+1和U_K′+2，以消除两个微小区之间的相互干扰；

(4.6)设计宏小区基站的M×d维发射预编码矩阵V_m′,m′∈{1,2,…,K′}，以消除K′个宏小区用户之间的干扰，以及宏小区基站对两个微小区用户的干扰；

(5)通过协调设计异构网络中的发射预编码矩阵和接收机处理矩阵，抑制了异构网络中的干扰。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(3.3)中两个宏小区用户的N×d维接收机处理矩阵U_2n-1和U_2n，表示为：

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其中和分别为两个宏小区用户各自的第i个数据流所对应的接收机处理矩阵，i∈{1,2,…d}，

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式中和分别表示第一个微小区基站和第二个微小区基站到第l个宏小区用户的信道矩阵，l∈{1,2,…,K}；eig(·)为矩阵特征向量操作，(·)^-1为矩阵求逆操作，||·||为欧式范数操作，(·)^H为矩阵共轭转置操作。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(3.4)中两个微小区基站的N×d′维发射预编码矩阵V_K+1和V_K+2，表示为：

条件：

条件：

式中表示两个微小区基站到宏小区用户l的有效干扰信道，j∈{2,3}，l∈{1,3,5,…,K-1}；其中(·)^H为矩阵共轭转置操作，null(·)为求矩阵零空间操作。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(3.5)中两个微小区用户的N×d′维接收机处理矩阵U_K+1和U_K+2，表示为：

条件：N-d′≥d′，

条件：N-d′≥d′，

式中和分别表示两个微小区之间的有效干扰信道，其中表示第一个微小区基站到微小区用户K+2的干扰信道，表示第二个微小区基站到微小区用户K+1的干扰信道，(·)^H为矩阵共轭转置操作。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(3.6)中的M×d维发射预编码矩阵V_m，表示为：

条件:M-2d′-Kd≥0，

式中m∈{1,2,…,K}，i∈{1,2,…,K}且i≠m，表示宏小区用户间的有效干扰信道；表示宏小区基站对微小区用户的有效干扰信道，s∈{K+1,K+2}，(·)^H为矩阵共轭转置操作，null(·)为求矩阵零空间操作。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(4.3)中两个宏小区用户的N×d维接收机处理矩阵U_2n′-1和U_2n′，表示为：

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其中和分别为两个宏小区用户各自的第i个数据流所对应的接收机处理矩阵，i∈{1,2,…d}，

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式中和分别表示第一个微小区基站和第二个微小区基站到第l′个宏小区用户的信道矩阵，l′∈{1,2,…,K′-1}；eig(·)为矩阵特征向量操作，(·)^-1为矩阵求逆操作，||·||为欧式范数操作，(·)^H为矩阵共轭转置操作。微

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(4.4)中两个微小区基站的N×d′维发射预编码矩阵V_K′+1和V_K′+2，表示为：

条件：

条件：

式中表示两个微小区基站到宏小区用户l″的有效干扰信道，j∈{2,3}，l″∈{1,3,5,…,K′}，(·)^H为矩阵共轭转置操作，null(·)为求矩阵零空间操作。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(4.5)中两个微小区用户的N×d′维接收机处理矩阵U_K′+1和U_K′+2，表示为：

条件：N-d′≥d′，

条件：N-d′≥d′，

式中和分别表示两个微小区之间的有效干扰信道，表示第一个微小区基站到微小区用户K′+2的干扰信道，表示第二个微小区基站到微小区用户K′+1的干扰信道，(·)^H为矩阵共轭转置操作，null(·)为求矩阵零空间操作。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(4.6)中宏小区基站的M×d维发射预编码矩阵V_m′，表示为：

条件：M-2d′-K′d≥0，

式中m′∈{1,2,…,K′}，i′∈{1,2,…,K′}且i′≠m′，表示宏小区用户间的有效干扰信道；表示宏小区基站对微小区用户的有效干扰信道，s′∈{K′+1,K′+2}，(·)^H为矩阵共轭转置操作，null(·)为求矩阵零空间操作。