CN104125577B - 一种认知双层异构网络系统下的干扰管理策略 - Google Patents

Abstract

本发明一种认知双层异构网络系统下的干扰管理策略，具体指一种认知异构网络中小区区域化干扰管理策略，涉及无线通信干扰管理技术领域。其包括：在双层异构网络覆盖的小区中以宏蜂窝用户(MU)为主用户，毫微微蜂窝用户(FU)为次用户，基于MU所处位置的改变，FU对其干扰也会相应的发生变化，通过信道信息对MU所处区域进行判断，再根据不同区域内干扰分布的不同特点，对FU的干扰和MU的干扰分别进行干扰对齐，从而降低FU、MU的干扰。所述干扰对齐是通过FU、MU各发送端的预编码设计来实现。为下一代无线蜂窝网络提供更高的速率，特别在频带资源稀缺的情况下，如何利用空闲频段资源，伺机接入空闲频段，以提高频谱利用率，提供了坚实的技术物质基础。

Description

一种认知双层异构网络系统下的干扰管理策略

技术领域

本发明涉及无线通信干扰管理技术领域，具体是一种认知异构网络中小区区域化干扰管理策略，此种干扰管理策略保证了双层异构网络(毫微微蜂窝/宏蜂窝)下毫微微蜂窝用户(FU)、宏蜂窝用户(MU)的通信质量。

背景技术

毫微微蜂窝主要为室内无线通信设计，为下一代无线蜂窝网络提供更高的速率。毫微微蜂窝的引进减轻了宏蜂窝基站上的负载和经常存在的覆盖问题，但是毫微微蜂窝网络与现存的宏蜂窝网络共享相同的频段资源，会造成不可避免的同频干扰。同时频带资源是稀缺资源，如何利用空闲频段资源是近些年无线通信研究的一大热点，认知无线电可以迅速的学习和适应其环境的变化，根据通信网络的需求改变自身的参数，伺机接入空闲频段，从而提高了频谱利用率。将认知无线原理应用于分层小区中，充分地扩展了毫微微蜂窝网络与宏蜂窝网络的感知、学习、测量和适应环境的能力。毫微微蜂窝网络减轻宏蜂窝网络上的负载，目的是为了保证宏蜂窝用户的服务质量，因此，把毫微微蜂窝用户定义为次用户，相应地，把宏蜂窝用户定义为主用户。

干扰对齐作为一种干扰管理机制，可以有效地解决双层异构小区中的同频干扰。干扰对齐通过预编码技术使干扰在接收端重叠在一起，以彻底消除干扰对期望信号的影响，干扰对齐通过压缩干扰所占的信号维度，使系统获得最大的自由度。经对现有干扰对齐技术的文章进行检索，发现，文献Amir,M.,EI-Keyi,A.,Nafie,M.P:’ConstrainedInterference Alignment and the Spatial Degrees of Freedom of MIMO CognitiveNetworks’(IEEE Trans.Inf.Theory,2011,57,(5),pp.2994-3004)中，研究了认知用户和主用户共存信道的情况下，认知用户发送端受到外部约束条件限制情况下通过设计预编码以降低对主用户发送端的干扰，并研究了认知MIMO系统的空间自由度，此篇文献仅就主用户受到的干扰减少情况和认知用户达到的自由度进行了讨论，没有就主用户和认知用户的传输性能进行讨论。

文献Maso M,Cardoso L S,Debbah M,et al.Cognitive interferencealignment for OFDM two-tiered networks[C]//Signal Processing Advances inWireless Communications(SPAWC),(2012IEEE13th International Workshop on.IEEE,2012:244-248)中利用干扰对齐技术，优化预编码，提高了双层异构网络下的频谱利用率，但没有根据小区次用户干扰的分布情况，只是把次用户通信对主用户造成的干扰简单的视为背景噪声。

文献Guler B,Yener A.Selective Interference Alignment for MIMOCognitive Femtocell Networks[J].(Selected Areas in Communications,IEEEJournal on，2014439-450)为保障毫微微蜂窝用户的通信质量提出了一种可选择的干扰对齐，遴选出主要的跨层干扰进行干扰对齐，对同层干扰进行最小均方抑制，在降低了毫微微蜂窝用户的误码率的同时，加快了干扰对齐算法的收敛，但是文中却并没并没有保证宏蜂窝用户的通信质量。

从现有技术来看，对在认知异构网络场景下实现干扰对齐的预编码设计方法的研究仍有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提出一种认知双层异构网络下的干扰管理策略，在双层异构网络(毫微微蜂窝/宏蜂窝)覆盖的小区中，宏蜂窝用户为主用户，毫微微蜂窝用户为次用户；改变宏蜂窝用户所处位置所在的区域，毫微微蜂窝用户对宏蜂窝用户的干扰也会相应的发生变化，通过信道信息对宏蜂窝用户所处区域进行判断，再根据不同区域内干扰分布的不同特点，对毫微微蜂窝用户和宏蜂窝用户所受到的干扰分别进行干扰对齐，降低了毫微微蜂窝用户、宏蜂窝用户的干扰；干扰对齐通过毫微微蜂窝用户、宏蜂窝用户各发送端的预编码设计来实现。此种干扰管理策略保证了毫微微蜂窝用户、宏蜂窝用户的通信质量。

本发明假设宏蜂窝用户和毫微微蜂窝用户的信道状态信息都是完全已知的。通过阈值S来判断宏蜂窝用户具体处于哪一个区域，根据不同区域的干扰分布情况，通过对毫微微蜂窝用户、宏蜂窝用户发送端进行预编码矩阵设计与在宏蜂窝基站、毫微微蜂窝基站接收端进行抑制矩阵的设计来保证毫微微蜂窝用户、宏蜂窝用户的传输性能。该策略的具体方法为：

a)设定通信场景中有一个宏蜂窝用户(MU)，k个毫微微蜂窝用户(FU)，所述FU、MU各自具有N_t根发射天线，毫微微蜂窝基站(FBS₁)、宏蜂窝基站(MBS₀)各自具有N_f根接收天线；

b)各用户的发送端向FBS₁、MBS₀发送上行信号，基站反馈信道信息，各用户的发送端获取信道状况；

根据后台共享，FU和MU的发送端可以获取自身传输信道以及干扰信道的信道状态信息；

设定H_0j、H_1j为N_t行、N_f列的矩阵,H_0j表示第j个用户发射信号到MBS₀的信道矩阵，H_1j表示第j个用户发射信号到FBS₁的信道矩阵,其中j∈{0,...,k}；

c)对MU所处区域进行判断，设定阈值S＝tr((H₁₁)^HH₁₁)，其中，H₁₁为区域Ⅱ内期望FU的信道矩阵，H₁₀是MU对FBS₁的干扰信道矩阵；

当S_MU＝tr((H₁₀)^HH₁₀)<γS时，MU在区域I；

当S_MU＝tr((H₁₀)^HH₁₀)≧γS时，MU在区域Ⅱ；

上标H表示矩阵共轭转置运算；

tr()表示矩阵的迹；

γ为可调因子，是属于(0,1]的一个常量，与FBS₁辐射功率有关；

d)当MU在区域I时，FU对MU的干扰可视为背景噪声，只需对齐FBS₁上的干扰，设定预编码V_i，(i∈{0,...,k})使得FBS₁上的干扰对齐到同一空间，即H_1iV_i＝H_1jV_j,(i≠j≠1，j∈{0,...,k})；

为消除FBS₁上的干扰，设定FBS₁上的抑制矩阵U₁，使得FBS₁上的干扰置零，即

e)当MU在区域Ⅱ时，对齐FBS₁上的干扰，设定预编码V_i，(i∈{0,...,k})使得FBS₁上的干扰对齐到同一空间，即H_1iV_i＝H_1jV_j,(i≠j≠1，j∈{0,...,k})；

为消除FBS₁上的干扰，设定FBS₁上的抑制矩阵U₁，使得FBS₁上的干扰置零，即

FU对MU的干扰不可忽略，需消除MBS₀上的干扰，设定MBS₀上的干扰抑制矩阵U₀，使得MBS₀上的干扰置零，即

如上所述，本发明通过信道信息对宏蜂窝用户所处区域进行判断，再根据不同区域内干扰分布的不同特点，对毫微微蜂窝用户和宏蜂窝用户所受的的干扰分别进行干扰对齐，从而降低了毫微微蜂窝用户、宏蜂窝用户的干扰。所述干扰对齐是通过毫微微蜂窝用户、宏蜂窝用户各发送端的预编码设计来实现。基于此，本发明的干扰管理策略保证了毫微微蜂窝用户、宏蜂窝用户的通信质量。

附图说明

图1为本发明中小区场景模型示意图；

图2为本发明宏蜂窝用户处于区域I时的系统模型示意图；

图3为本发明宏蜂窝用户处于区域Ⅱ时的系统模型示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述

一种认知双层异构网络小区区域化干扰管理策略的一个实施例(如附图1所示)，在认知双层异构网络结构中包括1个宏蜂窝用户(MU)，3个毫微微蜂窝用户(FU)。FU、MU发送端的天线可任意数，这里取N_t＝N_f＝2，假设MU和FU的接收端都能获取完美的信道信息，不考虑MU对FU的干扰。具体步骤如下：

第一、各用户的发送端向毫微微蜂窝基站(FBS₁)、宏蜂窝基站(MBS₀)发送上行信号，基站反馈信道信息，各用户的发送端获取信道状况；

根据后台共享，FU和MU的发送端可以获取自身传输信道以及干扰信道的信道状态信息；

设定H_0j、H_1j为2行、2列的矩阵,H_0j表示第j个用户发射信号到MBS₀的信道矩阵，H_1j表示第j个用户发射信号到FBS₁的信道矩阵,其中j∈{0,1,2,3}；

第二、对MU所处区域进行判断，设定阈值S＝tr((H₁₁)^HH₁₁)，其中，H₁₁为区域Ⅱ内期望FU的信道矩阵，H₁₀是MU对FBS₁的干扰信道矩阵；

当S_MU＝tr((H₁₀)^HH₁₀)<γS时，MU在区域I；

当S_MU＝tr((H₁₀)^HH₁₀)≧γS时，MU在区域Ⅱ；

上标H表示矩阵共轭转置运算；

tr()表示矩阵的迹；

γ为可调因子，是属于(0,1]的一个常量，与FBS₁辐射功率有关，具体取值可由整个系统指标决定；

第三、当MU在区域I时(如附图2所示)，FU对MU的干扰可视为背景噪声，只需对齐FBS₁上的干扰，设定预编码V_i，(i∈{0,...,3})使得FBS1上的干扰对齐到同一空间，即H_1iV_i＝H_1jV_j,(i≠j≠1，j∈{0,...,3})；

为消除FBS₁上的干扰，设定FBS₁上的抑制矩阵U₁，使得FBS₁上的干扰置零，即

第四、当MU在区域Ⅱ时(如附图3所示)，处理FBS₁上的干扰与区域I相同：设定预编码V_i，(i∈{0,...,3})使得FBS₁上的干扰对齐到同一空间，即H_1iV_i＝H_1jV_j,(i≠j≠1，j∈{0,...,3})；

为消除FBS₁上的干扰，设定FBS₁上的抑制矩阵U₁，使得FBS₁上的干扰置零，即

但MU在区域Ⅱ时，FU对MU的干扰不可忽略，需消除MBS₀上的干扰，设定MBS₀上的干扰抑制矩阵U₀，使得MBS₀上的干扰置零，即

综上所述，本发明通过信道信息对宏蜂窝用户所处区域进行判断，再根据不同区域内干扰分布的不同特点，对毫微微蜂窝用户和宏蜂窝用户所受的干扰分别进行干扰对齐，从而降低了毫微微蜂窝用户、宏蜂窝用户的干扰。所述干扰对齐是通过毫微微蜂窝用户、宏蜂窝用户各发送端的预编码设计来实现。基于此，本发明的干扰管理策略保证了毫微微蜂窝用户、宏蜂窝用户的通信质量。为下一代无线蜂窝网络提供更高的速率。特别在频带资源稀缺的情况下，如何利用空闲频段资源，伺机接入空闲频段，从而提高频谱利用率，提供了坚实的技术物质基础。

Claims (1)

1.一种认知双层异构网络系统下的干扰管理策略，其特征在于，包括以下步骤：

a)设定通信场景中有一个宏蜂窝用户MU，k个毫微微蜂窝用户FU，所述FU、MU各自具有N_t根发射天线，毫微微蜂窝基站FBS₁、宏蜂窝基站MBS₀各自具有N_f根接收天线；

b)各用户的发送端向FBS₁、MBS₀发送上行信号，基站反馈信道信息，各用户的发送端获取信道状况；

根据后台共享，FU和MU的发送端可以获取自身传输信道以及干扰信道的信道状态信息；

设定H_0j、H_1j为N_t行、N_f列的矩阵,H_0j表示第j个用户发射信号到MBS₀的信道矩阵，H_1j表示第j个用户发射信号到FBS₁的信道矩阵,其中j∈{0,...,k}；

c)对MU所处区域进行判断，设定阈值S＝tr((H₁₁)^HH₁₁)，其中，H₁₁为区域Ⅱ内期望FU的信道矩阵，H₁₀是MU对FBS₁的干扰信道矩阵；

当S_MU＝tr((H₁₀)^HH₁₀)<γS时，MU在区域I；

当S_MU＝tr((H₁₀)^HH₁₀)≧γS时，MU在区域Ⅱ；

上标H表示矩阵共轭转置运算；

tr()表示矩阵的迹；

γ为可调因子，是属于(0,1]的一个常量，与FBS₁辐射功率有关；

d)当MU在区域I时，FU对MU的干扰可视为背景噪声，只需对齐FBS₁上的干扰，设定预编码V_i，(i∈{0,...,k})使得FBS₁上的干扰对齐到同一空间，即H_1iV_i＝H_1jV_j,(i≠j≠1，j∈{0,...,k})；

为消除FBS₁上的干扰，设定FBS₁上的干扰抑制矩阵U₁，使得FBS₁上的干扰置零，即

e)当MU在区域Ⅱ时，对齐FBS₁上的干扰，设定预编码V_i，(i∈{0,...,k})使得FBS₁上的干扰对齐到同一空间，即H_1iV_i＝H_1jV_j,(i≠j≠1，j∈{0,...,k})；

为消除FBS₁上的干扰，设定FBS₁上的干扰抑制矩阵U₁，使得FBS₁上的干扰置零，即

FU对MU的干扰不可忽略，需消除MBS0上的干扰，设定MBS0上的干扰抑制矩阵U0，使得MBS0 上的干扰置零，即 <mrow> <msubsup> <mi>U</mi> <mn>0</mn> <mi>H</mi> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <munderover> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>k</mi> </munderover> <msub> <mi>H</mi> <mn>01</mn> </msub> <msub> <mi>V</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>U</mi> <mn>0</mn> <mi>H</mi> </msubsup> <msub> <mi>H</mi> <mn>01</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <munderover> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>k</mi> </munderover> <msub> <mi>V</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mn>0</mn> <mo>.</mo> </mrow> 1