CN103997391A - 一种基于干扰对齐的信息交互及反馈方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于干扰对齐的信息交互及反馈方法，根据目的节点的地理位置，对目的节点进行分组以充分利用多用户分集带来的增益，并且提出了一种新的信息反馈方式，与传统方案相比，在信息交互阶段和信息反馈阶段均降低了所需的信息量，在不损失系统性能的情况下降低了反馈量，提高了信息交互及反馈的效率，提升了干扰对齐技术在实际应用场景中的可实现性。

Description

一种基于干扰对齐的信息交互及反馈方法

技术领域

本发明涉及信息交互与信息反馈技术领域，更具体涉及一种基于干扰对齐的信息交互及反馈方法。

背景技术

干扰对齐的基本思想是通过在发送端即源节点设计预编码矩阵，在接收端即目的节点将干扰信号限制在特定的信号子空间内，并将其维数压缩的尽量小，以留出尽可能多的无干扰的信号空间传输有用信号。在多点对多点的传输场景中，源节点和目的节点组成一个传输对，而源节点和非目的节点间会产生干扰；当传输对数目等于2时，可以在目的节点通过简单的迫零接收矩阵消除干扰，但是当传输对数目大于2时，无法在目的节点通过简单的迫零接收矩阵消除干扰，需要利用干扰对齐技术。在多点对多点的传输场景中，目的节点通过信道估计可以得到多个源节点到其自身的信道状态信息，在传统方法中，目的节点将该信道状态信息反馈给源节点，在源节点设计预编码矩阵，使得干扰信号在目的节点对齐，目的节点通过迫零接收矩阵消除干扰。

源节点预编码矩阵的计算方法如下：

以3对多天线收发对为例，图1a为不采用干扰对齐方法的信号传送示意图；可以看到不采用干扰对齐方法时，干扰信号占据2维的空间，有用信号只占据1维的空间，这样传送有用信号的空间就会减少，性能下降；图1b为采用干扰对齐方法的信号传送示意图，可以看到干扰信号占1维的空间，那么传送有用信号的空间会增大，系统性能增强。

假设每个节点均配置M根天线，已有方案给出天线数为偶数时的具体算法设计(天线数为奇数时类似)，如下：

1)令第i个源节点使用M/2根天线发送预编码向量

m＝{1,.....,M/2},发送M/2个数据流，即

$x^{\left[i\right]}=\underset{m=1}{\overset{M/2}{\mathrm{\Σ}}}{V}_m^{\left[i\right]}{x}_m^{\left[i\right]}=V^{\left[i\right]}{\stackrel{\‾}{x}}^{\left[i\right]}---\left(1\right)$

2)在目的节点1、2、3，令

span(H^[12]V^[2])＝span(H^[13]V^[3])   (2)

H^[21]V^[1]＝H^[23]V^[3]   (3)

H^[31]V^[1]＝H^[32]V^[2]   (4)

上述3个方程等价于

span(V^[1])＝span(EV^[1])   (5)

V^[2]＝FV^[1]   (6)

V^[3]＝GV^[1]   (7)

其中

E＝(H^[31])^-1H^[32](H^[12])^-1H^[13](H^[23])^-1H^[21]   (8)

F＝(H^[32])^-1H^[31]   (9)

G＝(H^[23])^-1H^[21]   (10)

V^[j]表示第j个源节点的预编码矩阵；H^[p1p2]表示第p2源节

点向p1目的节点发送的信道矩阵；

3)令e₁,e₂,e₃,...,e_M为矩阵E的M个特征向量。再令

V^[1]＝[e₁...e_M/2]   (11)V^[2]和V^[3]可相应的根据式(6)和(7)计算得到。则V^[1]，V^[2]和V^[3]满足式(2)-(4)，即每对收发节点可同时发送M/2个无干扰的数据流。

图3为传统的采用干扰对齐方法的系统信息反馈与交互示意图；由式(5)-(7)可以看出，如果在源节点设计V^[1]，V^[2]和V^[3]，需要目的节点向源节点反馈信息，同时需要源节点间的信息交互；在反馈受限的条件下，反馈信道的容量小于目的节点需要反馈的信息量，在这种情况下，干扰对齐算法的性能会受到影响，系统吞吐量会因此下降。传统的处理方法有对反馈信息进行量化等方法，但是这些方法中仍存在着很多问题，例如由信道状态信息量化误差引起的系统性能损失问题，而且没有很好的利用多用户分集产生的增益。

总之现有的基于干扰对齐的信息反馈及交互的技术方案存在反馈信息量大的技术问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何在不降低系统性能的前提下，降低目的节点向源节点的信息反馈量。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于干扰对齐的信息交互及反馈方法，所述方法包括以下步骤：

S1、根据地理位置将目的节点进行分组，其中每一个目的节点对应一个源节点；

S2、在每一分组中选出计算能力强的目的节点作为强节点；求得所述强节点对应的源节点的预编码矩阵；在所述强节点求得其他目的节点的对应的源节点的预编码矩阵，并交互给各个目的节点；

S3、根据迫零算法，计算各目的节点的接收矩阵；

S4、各个目的节点将自身对应的源节点的预编码矩阵反馈给自身对应的源节点；

S5、所述源节点的预编码矩阵发生改变时，求得所述步骤S2选出的强节点对应的源节点的预编码矩阵；在所述强节点求得其他目的节点的对应的源节点的预编码矩阵，并交互给各个目的节点；根据迫零算法计算此时各个目的节点的接收矩阵；

S6、各个目的节点将自身对应的源节点的预编码矩阵的信息反馈给各自对应的源节点；所述预编码矩阵的信息包括预编码矩阵的各项对应模值、此时预编码矩阵的各项与前一时刻对应的预编码矩阵的各项的夹角值；

S7、各个源节点根据所述步骤S6得到的反馈信息，以及前一时刻的自身的预编码矩阵计算出此时自身的预编码矩阵。

优选地，所述步骤S2或所述步骤S5中在所述强节点求得其他目的节点的对应的源节点的预编码矩阵，具体为：所述其他目的节点将自身的信道状态交互给所述强节点，根据求得的所述强节点对应的源节点的预编码矩阵，求取各个目的节点对应的源节点的预编码矩阵。

优选地，所述其他目的节点将自身的信道状态交互给所述强节点，使用的信息交互方式为设备到设备间通信。

(三)有益效果

本发明提供了一种基于干扰对齐的信息交互及反馈方法，本发明的方法根据目的节点的地理位置，对目的节点进行分组以充分利用多用户分集带来的增益，并且提出了一种新的信息反馈方式，与传统方案相比，在信息交互阶段和信息反馈阶段均降低了所需的信息量，在不损失系统性能的情况下降低了反馈量，提高了信息交互及反馈的效率，提升了干扰对齐技术在实际应用场景中的可实现性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a为不采用干扰对齐方法的信号传送示意图；

图1b为采用干扰对其方法的信号传送示意图；

图2为传统的采用干扰对齐方法的系统信息反馈与交互示意图；

图3为目的节点分组以及目的节点之间的通信示意图；

图4为采用本发明的方法的系统信息反馈与交互示意图；

图5为向量坐标变换示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

本发明公开了一种基于干扰对齐的信息交互及反馈方法，所述方法包括以下步骤：

S1、根据地理位置将目的节点进行分组，其中每一个目的节点对应一个源节点；

S2、在每一分组中选出计算能力强的目的节点作为强节点；求得所述强节点对应的源节点的预编码矩阵；在所述强节点求得其他目的节点的对应的源节点的预编码矩阵，并交互给各个目的节点；

S3、根据迫零算法，计算各目的节点的接收矩阵；

S4、各个目的节点将自身对应的源节点的预编码矩阵反馈给自身对应的源节点；

S5、所述源节点的预编码矩阵发生改变时，求得所述步骤S2选出的强节点对应的源节点的预编码矩阵；在所述强节点求得其他目的节点的对应的源节点的预编码矩阵，并交互给各个目的节点；根据迫零算法计算此时各个目的节点的接收矩阵；

S6、各个目的节点将自身对应的源节点的预编码矩阵的信息反馈给各自对应的源节点；所述预编码矩阵的信息包括预编码矩阵的各项对应模值、此时预编码矩阵的各项与前一时刻对应的预编码矩阵的各项的夹角值；

S7、各个源节点根据所述步骤S6得到的反馈信息，以及前一时刻的自身的预编码矩阵计算出此时自身的预编码矩阵。

上述步骤S1具体为：对目的节点的分布及干扰情况进行分析：在实际场景中，地理位置上相近的目的节点受到的干扰情况比地理位置上相远的目的节点受到的干扰情况更加类似，这是由于信号传播的特性所决定的，地理位置相近的目的节点易于受到来自同一干扰源的干扰，并且该干扰信号的路径损耗、阴影衰落等传播特性相近；地理位置相近的目的节点更易于进行D2D(设备到设备间)通信。在该方案中根据目的节点的地理位置对目的节点进行分组，可以有效的获得由多用户分集带来的增益。因此，在本方案中假设目的节点间可以进行D2D通信。目的节点间分组及目的节点之间的D2D通信方式如图3所示，在图3中则是1、2、3为一组；4、5、6为一组，在应用干扰对齐算法时，只考虑组内目的节点的源节点产生的干扰。由于信号在传播过程中的具有损耗，组外目的节点的源节点对组内目的节点产生的干扰可当做噪声处理。

图4为采用本发明的方法的系统信息反馈与交互示意图；在组内选出一个计算能力强的目的节点作为强节点，假设强节点为目的节点1，其余两个目的节点即目的节点2和目的节点3，将自身信道状态信息通过D2D的方式交互给该强节点，在强节点处进行数据的计算和处理，计算方法为背景技术中所述的预编码矩阵的计算方法，计算得到各个源节点的预编码矩阵V^[1],V^[2],V^[3]，并将V^[2],V^[3]交互给目的节点2和目的节点3；然后各个目的节点将自身需求的预编码矩阵反馈给对应源节点，并通过迫零算法，计算出各自的接收矩阵U。

以目的节点1为例，利用迫零算法计算U的过程为：

U^[1]H^[12]V^[2]＝U^[1]H^[13]V^[3]＝0   (12)

U^[1]⊥span(H^[12]V^[2],H^[13]V^[3])   (13)

其他目的节点的计算方法与目的节点1的计算放方法相同，这里不再赘述。

以上描述了目的节点和源节点第一次得到自身U和V的过程。在实际场景中，目的节点的信道状态信息会随时间而变化，如果始终固定U和V不变，则与变化的信道状态信息进行运算后，系统性能会严重下降；而预编码矩阵的更新需要目的节点向源节点进行反馈，下面就如何确定反馈信息进行说明。

首先介绍一些用到的线性代数的知识，假设有两个向量：

$\stackrel{\→}{x}=a+\mathrm{bj}---\left(14\right)$

$\stackrel{\→}{y}=c+\mathrm{dj}---\left(15\right)$

这两个向量的夹角为cos<x,y>，计算公式如下：

$\cos <x,y>=\frac{\stackrel{\&RightArrow;}{x}\&CenterDot;\stackrel{\&RightArrow;}{y}}{\left|\stackrel{\&RightArrow;}{x}\right|\left|\stackrel{\&RightArrow;}{y}\right|}---\left(16\right)$

在已知及<x,y>的情况下，由的值可以求得θ，由及θ、<x,y>可以很容易的求出c和d的值，如图5所示，公式如下：

$c=\left|\stackrel{\&RightArrow;}{y}\right|\&CenterDot;\cos (<x,y>+\mathrm{\&theta;})---\left(17\right)$

$d=\left|\stackrel{\&RightArrow;}{y}\right|\&CenterDot;\sin (<x,y>+\mathrm{\&theta;})---\left(18\right)$

下面回到预编码矩阵的更新方案中，首先求出强节点对应的源节点的此时的预编码矩阵；在所述强节点求得其他目的节点的对应的源节点的预编码矩阵，并交互给各个目的节点；根据迫零算法计算此时各个目的节点的接收矩阵。

上述此时预编码矩阵的维度是其形式为

V^[i]＝[e₁...e_M/2]   (19)传统反馈方案每一次更新预编码矩阵的过程中，目的节点都需向源节点反馈M²/2个复数值，即个M²实数值。而在本发明提出的反馈方案中，目的节点只需反馈M²/2个实数值和M²/2个角度值，即只需反馈新的预编码矩阵中各项的模值，以及新的预编码矩阵中各项与前一时刻预编码矩阵中各项对应的角度值。

在实际系统的反馈方案中，一个实数值可以用32个比特的float类型，或者是64个比特的double类型来表示，而由于角度值的范围为[-180°-+180°]，可以用9个比特表示。表1给出了在float类型或是double类型下的传统反馈方案与本专利反馈方案的反馈量对比。

表1反馈量对比

由上表可以看出，与传统反馈方案相对比，本发明提出的反馈方案中系统所需的反馈量大大下降，同时可以根据反馈信息完全恢复出预编码矩阵，并不会影响系统性能。各个源节点根据上述得到的反馈信息，以及前一时刻的自身的预编码矩阵计算出此时自身的预编码矩阵。

本发明提供的一种基于干扰对齐的信息交互及反馈方法，根据目的节点的地理位置，对目的节点进行分组以充分利用多用户分集带来的增益，并且提出了一种新的信息反馈方式，与传统方案相比，在信息交互阶段和信息反馈阶段均降低了所需的信息量，在不损失系统性能的情况下降低了反馈量，提高了信息交互及反馈的效率，提升了干扰对齐技术在实际应用场景中的可实现性。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于干扰对齐的信息交互及反馈方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、根据地理位置将目的节点进行分组，其中每一个目的节点对应一个源节点；

S2、在每一分组中选出计算能力强的目的节点作为强节点；求得所述强节点对应的源节点的预编码矩阵；在所述强节点求得其他目的节点的对应的源节点的预编码矩阵，并交互给各个目的节点；

S3、根据迫零算法，计算各目的节点的接收矩阵；

S4、各个目的节点将自身对应的源节点的预编码矩阵反馈给自身对应的源节点；

S5、所述源节点的预编码矩阵发生改变时，求得所述步骤S2选出的强节点对应的源节点的预编码矩阵；在所述强节点求得其他目的节点的对应的源节点的预编码矩阵，并交互给各个目的节点；根据迫零算法计算此时各个目的节点的接收矩阵；

S6、各个目的节点将自身对应的源节点的预编码矩阵的信息反馈给各自对应的源节点；所述预编码矩阵的信息包括预编码矩阵的各项对应模值、此时预编码矩阵的各项与前一时刻对应的预编码矩阵的各项的夹角值；

S7、各个源节点根据所述步骤S6得到的反馈信息，以及前一时刻的自身的预编码矩阵计算出此时自身的预编码矩阵。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤S2或所述步骤S5中在所述强节点求得其他目的节点的对应的源节点的预编码矩阵，具体为：所述其他目的节点将自身的信道状态交互给所述强节点，根据求得的所述强节点对应的源节点的预编码矩阵，求取各个目的节点对应的源节点的预编码矩阵。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述其他目的节点将自身的信道状态交互给所述强节点，使用的信息交互方式为设备到设备间通信。