CN104125043B - 一种k用户系统的干扰对齐方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种K用户系统的干扰对齐方法及设备，所述方法包括：步骤1)、得到接收端解码矩阵并且计算K用户系统的总速率关于该接收端解码矩阵的梯度，根据该梯度修改该接收端解码矩阵，将修改后的接收端解码矩阵作为发送端预编码矩阵并且互换上下行方向；步骤2)、得到上下行方向互换后的接收端解码矩阵并且计算K用户系统的总速率关于该接收端解码矩阵的梯度，根据该梯度修改该接收端解码矩阵，将修改后的接收端解码矩阵作为发送端预编码矩阵并且互换上下行方向；步骤3)、执行步骤1)和步骤2)直到K用户系统的总速率的变化在一个预定范围内。本发明在实现了干扰对齐和提升系统自由度的同时，进一步提高了K用户系统的总速率。

Description

一种K用户系统的干扰对齐方法及设备

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，以及更具体地，涉及一种K用户系统的干扰对齐方法及设备。

背景技术

近年来，随着无线通信业务的不断发展，对无线通信速率的要求也越来也高。为了满足不断增长的速率需求，多层多小区的异构网络已成为未来发展的趋势。然而，微蜂窝的引入间接地增加了很多小区边缘用户，使得小区间的干扰变得更加突出，从而对网络容量造成很大的影响，因此，需要更为有效的干扰抑制技术来增强网络性能。

干扰对齐是近几年出现的一种有效的干扰管理方法，该方法把干扰限制在相同的较小子空间中，以达到减小干扰的目的。在目前的各种干扰对齐方法中，通过迭代的形式逐步实现干扰对齐具有普遍的适用性，迭代形式的干扰对齐方法主要包括：基于最小干扰泄漏的干扰对齐、最大总速率干扰对齐和基于秩受限秩最小的干扰对齐。这些干扰对齐方法考虑的系统(即K用户系统)模型如图1所示，其中有K个基站(Tx1，Tx2，…,TxK)和K个用户(Tx1，Tx2，…,TxK)，每个基站服务一个用户。

基于最小干扰泄漏的干扰对齐方法利用信道的互易性，通过发送端(基站)和接收端(用户)的不断迭代，将干扰减小到几乎为零，但是由于在迭代过程中并没有考虑直通信道产生的影响，所以系统总速率较低。

最大总速率干扰对齐方法将基于最小干扰泄漏的方法得到的接收端解码作为逆向发送端的预编码，然后根据逆向速率的最大化准则，对该编码进行优化(在优化时采用沿测地线进行搜索的方式)，通过发送端和接收端的不断迭代实现干扰对齐和系统速率的优化。然而，最大总速率干扰对齐方法不能保证实现较高的系统自由度(即系统复用增益)；此外，由于仅是对发送端进行优化，并没有考虑接收端解码对系统总速率的影响，因此得到的系统总速率并没有达到最优。

基于秩受限秩最小的干扰对齐方法采用在近似凸域上求解，不同的初始预编码会得到不同的最优解。该方法可使用户有用信号的自由度较大，但系统总速率较低。

综上所述，采用现有的干扰对齐方法尽管可以实现干扰对齐或提高系统自由度，但系统总速率仍然较低。如何在实现干扰对齐并且保证自由度较大的情况下进一步提高K用户系统的总速率仍然是一个有待解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，根据本发明的一个实施例，提供一种K用户系统的干扰对齐方法，包括：

步骤1)、得到接收端解码矩阵并且计算K用户系统的总速率关于该接收端解码矩阵的梯度，根据该梯度修改该接收端解码矩阵，将修改后的接收端解码矩阵作为发送端预编码矩阵并且互换上下行方向；

步骤2)、得到上下行方向互换后的接收端解码矩阵并且计算K用户系统的总速率关于该接收端解码矩阵的梯度，根据该梯度修改该接收端解码矩阵，将修改后的接收端解码矩阵作为发送端预编码矩阵并且互换上下行方向；

步骤3)、执行步骤1)和步骤2)直到K用户系统的总速率的变化在一个预定范围内。

上述方法中，在步骤1)和步骤2)中，可根据计算得到的K用户系统的总速率关于接收端解码矩阵的梯度，沿该梯度方向修改接收端解码矩阵。

上述方法中，可根据下式计算K用户系统的总速率关于接收端k的解码矩阵U_k的梯度：

其中，表示K用户系统的总速率关于接收端k的解码矩阵U_k的梯度，H_kl表示发送端l到接收端k的信道矩阵，V_l表示发送端l的预编码矩阵，σ²I表示噪声的能量。

上述方法中，可根据下式修改接收端k的解码矩阵U_k，得到更新后的解 码矩阵

其中，表示K用户系统的总速率关于接收端k的解码矩阵U_k的梯度，δ表示步长并且是大于零的数。

进一步地，在修改接收端解码矩阵之后，可根据下式修改步长δ：

δ＝γ*δ

其中，γ是大于零小于1的数。

上述方法中，可根据下式得到接收端解码矩阵：

其中，且是接收端k接收到的干扰信号矩阵，U_k表示K用户系统中接收端k的解码矩阵，H_kl表示发送端l到接收端k的信道矩阵，V_l表示发送端l的预编码矩阵，是接收端k接收到的有用信号的矩阵，H_kk表示发送端k到接收端k的信道矩阵，V_k表示发送端k的预编码矩阵，λmin(S_k)表示S_k的特征值，ξ是任意小的大于零的数。

上述方法中，步骤3)可包括：

计算当前K用户系统的总速率，将当前K用户系统的总速率与未执行步骤1)和步骤2)的K用户系统的总速率进行比较，如果差值在一个预定范围内则结束，否则返回步骤1)。其中，可根据下式计算K用户系统的总速率R：

其中，U_k表示接收端k的解码矩阵，H_kk表示发送端k到接收端k的信道矩阵，V_k表示发送端k的预编码矩阵，H_kl表示发送端l到接收端k的信道矩阵，V_l表示发送端l的预编码矩阵，σ²I表示噪声的能量。

上述方法还可以包括：在第一次执行步骤1)之前，随机产生发送端预编码矩阵。

根据本发明的一个实施例，还提供一种K用户系统的干扰对齐设备，包括：

第一计算装置，用于得到接收端解码矩阵并且计算K用户系统的总速率关于该接收端解码矩阵的梯度，根据该梯度修改该接收端解码矩阵，将修改后的接收端解码矩阵作为发送端预编码矩阵并且互换上下行方向；

第二计算装置，用于得到上下行方向互换后的接收端解码矩阵并且计算K用户系统的总速率关于该接收端解码矩阵的梯度，根据该梯度修改该接收端解码矩阵，将修改后的接收端解码矩阵作为发送端预编码矩阵并且互换上下行方向；

迭代装置，用于迭代执行所述第一计算装置和所述第二计算装置直到K用户系统的总速率的变化在一个预定范围内。

采用本发明可以达到如下的有益效果：

在计算接收端解码矩阵时使得干扰信号秩最小，提升了系统自由度；同时，将接收端解码矩阵沿着提高系统吞吐量的方向优化，即提高了系统总速率；此外，在迭代过程中随着搜索步长的不断减小，方法近似退化为求干扰秩最小的干扰对齐。从而，本发明在实现了干扰对齐和提升系统自由度的同时，进一步提高了系统的总速率。

附图说明

以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围，其中：

图1是根据本发明一个实施例的K用户系统的示意图；

图2是根据本发明一个实施例的K用户系统的干扰对齐方法的流程图；

图3是采用本发明提供的干扰对齐方法和现有干扰对齐方法分别得到的系统总速率的示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

根据本发明的一个实施例，提供一种K用户系统的干扰对齐方法。

图1给出了该K用户系统的示意图，该K用户系统有K个基站(Tx1， Tx2，…,TxK)和K个用户(Tx1，Tx2，…,TxK)，每个基站服务一个用户，每个基站的天线个数为M，每个用户的天线个数为N，且第k个用户接收到的信号表示如下：

其中，H_kk表示基站k(或第k个基站)到用户k(或第k个用户)的信道矩阵，H_kl表示基站l到用户k的信道矩阵，V_k表示基站k的预编码矩阵，V_l表示基站l的预编码矩阵，x_k表示基站k发送的信号，x_l表示基站l发送的信号，n_k表示用户k接收的高斯白噪声，且噪声分布满足CN(0,σ²I)。

如果用户k的解码矩阵为U_k，那么第k个用户得到的解码信号可以表示为：

需要说明的是，上文中的基站的预编码矩阵也称作发送端的预编码矩阵，用户的解码矩阵又称作接收端的解码矩阵，并且本文所有公式中的U_k、H_kk、H_kl、V_k、V_l的含义相同，是U_k的转置矩阵。

参见图2，根据本发明的一个实施例，K用户系统的干扰对齐方法包括以下步骤：

第一步：初始化过程。

初始化搜索步长δ和步长减小因子γ，并且对于每个发送端(基站)随机产生该发送端的预编码矩阵V_k，满足其中，k＝1,...,K，I_d表示d×d的单位阵，d是发送端k发送的数据流的个数，δ为大于零的数，γ为大于零小于1的常数。

第二步：迭代过程，包括以下子步骤：

第1步、得到接收端的解码矩阵。

在一个实施例中，为提升系统自由度，可利用RCRM(即基于秩受限秩最小的干扰对齐)方法来得到使得干扰信号秩较小(即接收信号自由度较大)的接收端解码矩阵。其中，RCRM方法可以描述为：

其中，表示接收端k接收到的干扰信号矩阵；如上所述，U_k是接收端k的解码矩阵；表示接收端k接收到的有用 信号的矩阵；rank(x)表示矩阵x的秩；并且d表示发送端k发送的数据流的个数。

经过凸近似，该问题可以转化为：

其中，λmin(S_k)表示S_k的特征值，ξ表示一个任意小的大于零的数(例如ξ＝0.1)，从而得到满足上式的U_k。

第2步、计算系统总速率关于接收端解码矩阵的梯度。

在一个实施例中，可将K用户系统的总速率R定义为下式：

其中，σ²I表示噪声的能量。

则总速率R关于接收端k的解码矩阵U_k的梯度如下式所示：

第3步、根据梯度修改接收端的解码矩阵。

在一个实施例中，将接收端的解码矩阵沿梯度方向进行修改，如下式所示，得到更新后的解码矩阵

并且根据下式减少搜索步长δ：

δ＝γ*δ (8)

第4步、互换信道的上下行方向，将修改后的接收端的解码矩阵(如上一步计算得到的k＝1,...,K)作为发送端的预编码矩阵，沿逆向信道传输信息。

第5步、类似于第1步，得到接收端的解码矩阵。

例如，可通过以下优化得到使得干扰信号秩较小的接收端k的解码矩阵

第6步、类似于第2步，计算系统总速率关于接收端解码矩阵的梯度。

其中，通过下式计算总速率关于接收端k的解码矩阵的梯度

第7步、类似于第3步和第4步，根据上一步得到的梯度修改接收端的解码矩阵，并且互换信道的上下行方向，将修改后的接收端解码矩阵作为发送端的预编码矩阵，沿逆向信道传输信息。

在一个实施例中，沿梯度方向移动接收端解码矩阵并且减小搜索步长δ(参见公式(8))。其中，根据下式修改解码矩阵获得更新后的解码矩阵

第8步、返回第1步进行迭代，直至收敛。

在一个实施例中，当系统总速率不再增加时停止迭代。即根据公式(5)计算当前K用户系统的总速率，并且将计算得到的当前系统总速率与迭代前的总速率进行比较，如果差值小于某个预定的数值范围，则停止迭代，否则返回第1步。

通过以上步骤，既提升了用户自由度、达到干扰对齐的要求，又在此基础上进一步提高了K用户系统的总速率。

根据本发明的一个实施例，还提供一种K用户系统的干扰对齐设备，包括第一计算装置、第二计算装置和迭代装置。

第一计算装置用于得到接收端解码矩阵并且计算K用户系统的总速率关于该接收端解码矩阵的梯度，根据该梯度修改该接收端解码矩阵，将修改后的接收端解码矩阵作为发送端预编码矩阵并且互换上下行方向。

第二计算装置用于得到上下行方向互换后的接收端解码矩阵并且计算K用户系统的总速率关于该接收端解码矩阵的梯度，根据该梯度修改该接收 端解码矩阵，将修改后的接收端解码矩阵作为发送端预编码矩阵并且互换上下行方向。

迭代装置用于迭代执行第一计算装置和第二计算装置直到K用户系统的总速率的变化在一个预定范围内。

为验证本发明提供的K用户系统的干扰对齐方法的有效性，发明人分别采用本发明提供的干扰对齐方法和现有的干扰对齐方法进行了实验，实验参数如下：

共有三个基站和三个用户，每个基站服务一个用户，每个基站的天线个数为8，每个用户的天线个数为4，每个基站给本基站服务的用户发送数据流的个数为2(d＝2)。信道为平坦的瑞利衰落，信道参数服从均值为零、方差为1的独立复高斯分布，噪声分布满足CN(0,σ²I)。

图3示出了采用不同方法得到的系统总速率，从图3可以看出，基于最小干扰泄漏方法的性能最差，最大总速率干扰对齐方法和基于秩受限秩最小干扰对齐方法的性能得到逐步优化，本发明提供的干扰对齐方法的性能最好。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种K用户系统的干扰对齐方法，包括：

步骤1)、得到接收端解码矩阵并且计算K用户系统的总速率关于该接收端解码矩阵的梯度，根据该梯度修改该接收端解码矩阵，将修改后的接收端解码矩阵作为发送端预编码矩阵并且互换上下行方向；

步骤2)、得到上下行方向互换后的接收端解码矩阵并且计算K用户系统的总速率关于该接收端解码矩阵的梯度，根据该梯度修改该接收端解码矩阵，将修改后的接收端解码矩阵作为发送端预编码矩阵并且互换上下行方向；

步骤3)、执行步骤1)和步骤2)直到K用户系统的总速率的变化在一个预定范围内；

其中，在步骤1)和步骤2)中，根据计算得到的K用户系统的总速率关于接收端解码矩阵的梯度，沿该梯度方向修改接收端解码矩阵；

并且，根据下式计算K用户系统的总速率关于接收端k的解码矩阵U_k的梯度：

其中，表示K用户系统的总速率关于接收端k的解码矩阵U_k的梯度，H_kl表示发送端l到接收端k的信道矩阵，V_l表示发送端l的预编码矩阵，σ²I表示噪声的能量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，根据下式修改接收端k的解码矩阵U_k，获得更新后的解码矩阵

其中，表示K用户系统的总速率关于接收端k的解码矩阵U_k的梯度，δ表示步长并且是大于零的数。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括，在修改接收端解码矩阵之后，根据下式修改步长δ：

δ＝γ*δ

其中，γ是大于零小于1的数。

4.根据权利要求1-3中任何一个所述的方法，其中，根据下式得到接收端解码矩阵：

其中，且是接收端k接收到的干扰信号矩阵，U_k表示K用户系统中接收端k的解码矩阵，H_kl表示发送端l到接收端k的信道矩阵，V_l表示发送端l的预编码矩阵，且是接收端k接收到的有用信号的矩阵，H_kk表示发送端k到接收端k的信道矩阵，V_k表示发送端k的预编码矩阵，λmin(S_k)表示S_k的特征值，ξ是大于零的数。

5.根据权利要求1-3中任何一个所述的方法，其中，步骤3)包括：

计算当前K用户系统的总速率，将当前K用户系统的总速率与未执行步骤1)和步骤2)的K用户系统的总速率进行比较，如果差值在一个预定范围内则结束，否则返回步骤1)。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，根据下式计算K用户系统的总速率R：

其中，U_k表示接收端k的解码矩阵，H_kk表示发送端k到接收端k的信道矩阵，V_k表示发送端k的预编码矩阵，H_kl表示发送端l到接收端k的信道矩阵，V_l表示发送端l的预编码矩阵，σ²I表示噪声的能量。

7.根据权利要求1-3中任何一个所述的方法，还包括：

在第一次执行步骤1)之前，随机产生发送端预编码矩阵。

8.一种K用户系统的干扰对齐设备，包括：

第一计算装置，用于得到接收端解码矩阵并且计算K用户系统的总速率关于该接收端解码矩阵的梯度，根据该梯度修改该接收端解码矩阵，将修改后的接收端解码矩阵作为发送端预编码矩阵并且互换上下行方向；

第二计算装置，用于得到上下行方向互换后的接收端解码矩阵并且计算 K用户系统的总速率关于该接收端解码矩阵的梯度，根据该梯度修改该接收端解码矩阵，将修改后的接收端解码矩阵作为发送端预编码矩阵并且互换上下行方向；

迭代装置，用于迭代执行所述第一计算装置和所述第二计算装置直到K用户系统的总速率的变化在一个预定范围内；

其中，所述第一计算装置和所述第二计算装置，根据计算得到的K用户系统的总速率关于接收端解码矩阵的梯度，沿该梯度方向修改接收端解码矩阵；

并且，根据下式计算K用户系统的总速率关于接收端k的解码矩阵U_k的梯度：

其中，表示K用户系统的总速率关于接收端k的解码矩阵U_k的梯度，H_kl表示发送端l到接收端k的信道矩阵，V_l表示发送端l的预编码矩阵，σ²I表示噪声的能量。