CN104168573B - Femtocell网络下基于分簇干扰对齐的干扰消除方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Femtocell网络下基于分簇干扰对齐的干扰消除方法，无线通信网络包含一个宏基站和L个宏用户以及K个飞蜂窝基站和K个飞蜂窝用户；一个飞蜂窝基站和一个飞蜂窝用户构成一对飞蜂窝基站用户对，所有的宏用户和飞蜂窝用户都有Mt个发送天线，宏基站有No个接收天线，每个飞蜂窝基站有Nf个接收天线，分簇是针对所有的飞蜂窝基站用户对，该方法主要包括以下步骤：在Femtocell网络下先对飞蜂窝基站用户对进行分簇，然后再考虑跨层干扰，最后利用干扰对齐技术消除宏用户与每个簇的干扰，实现复杂度、链路开销和系统性能的有效折中。本发明充分利用频谱资源，并且以较低的复杂度实现较好的系统性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种跨层网络下的干扰消除方法，尤其涉及一种Femtocell网络下基于分簇干扰对齐的干扰消除方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
近年来，随着通信技术的快速发展，有研究表明，大约有70％的语音业务和90％的数据业务均发生在室内。为了实现更高的数据速率，飞小区(Femtocell)的概念逐渐兴起并被业界熟知，Femtocell作为正式术语出现始于2006年，日渐发展成一种改善移动通信室内覆盖和提高系统容量的解决方案，其最初设想是通过即插即用(plug and play)的室内接入点，利用数字用户线(DSL)等作为回程链路，实现家庭式多媒体终端与现有因特网和移动蜂窝网连接，因此也被称为飞蜂窝基站或家庭基站(home base station)。3GPP主导制定了下一代移动通信长期演进(LTE/LTE-A)项目，该LTE系统引进了飞蜂窝基站技术，因为飞蜂窝基站具有体积小、发射功率低、即插即用等优点，故飞蜂窝基站的大量部署可以解决宏基站的热点和盲点问题。然而，由宏小区(Macrocell)和飞小区(Femtocell)构成的两层网络，跨层干扰问题十分突出，从而导致系统性能的衰减。目前，干扰对齐已经被证明是一种能够获得最优系统容量的具有前途的技术。干扰对齐技术的核心思想是在发送端设计预编码器，使得发送信号通过预编码器处理后，可以通过接收滤波器分离出干扰信号和有用信号，并把干扰信号限制在接收信号空间的一部分之内，而有用信号则被限制在接收信号空间的另一部分，即实现了干扰对齐。
在解决两层网络的跨层干扰问题上，目前已经有很多的相关文献研究，针对不同的系统模型和不同的应用场景，消除干扰的方法也不尽相同。中国专利文献CN 102006599A公开了一种宏小区与飞小区的混合组网中的干扰抑制方法，该方法先通过获取一定范围内干扰敏感区域的Femtocell的位置信息，根据位置信息建立Femtocell的干扰图和该干扰图的邻接矩阵从而进行初始分簇，然后对簇内基站的发射功率进行控制，再对初始的分簇进行调整，接着对宏用户设备和非干扰敏感区域的Femtocell进行同样的分簇，最后为宏用户和Femtocell用户分配互不重叠的频谱资源。虽然该方法在一定程度上缓解了跨层干扰问题，提高了系统容量，但频谱资源没有得到充分利用，而且系统的实施复杂度非常高，不适用于实际的通信系统；Basak Guler等人于2013年在IEEE International Conference on上发表一篇论文《Selective Interference Alignment for MIMO Femtocell Networks》，该论文主要是选择那些对飞蜂窝基站可以产生较强干扰的宏用户，然后对其利用干扰对齐技术消除干扰，所提方法虽然可以在一定程度上降低系统实施复杂度，但并没有对飞蜂窝用户进行合理分簇，在利用干扰对齐技术的时候可能会存在不满足干扰对齐可行性条件的结果，从而导致系统容量有所衰减。可见现有方法均不是最优的跨层干扰消除方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Femtocell网络下基于分簇干扰对齐的干扰消除方法，系统实施复杂度、性能、链路开销良好折中，解决现有干扰消除技术的不足。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
一种Femtocell网络下基于分簇干扰对齐的干扰消除方法，无线通信网络包含一个宏基站和L(L≥2)个宏用户以及K(K≥2)个飞蜂窝基站和K个飞蜂窝用户；一个飞蜂窝基站服务于一个飞蜂窝用户，且由一个飞蜂窝基站和一个飞蜂窝用户构成一对飞蜂窝基站用户对，所有的宏用户和飞蜂窝用户都有Mt个发送天线，宏基站有No个接收天线，每个飞蜂窝基站有Nf个接收天线，分簇是针对所有的飞蜂窝基站用户对，该方法主要包括以下步骤：
步骤一：建立由飞蜂窝基站用户对所构成的网络赋权图G＝(V，E，W)，V代表有限的飞蜂窝基站用户对的集合，E代表每个飞蜂窝基站用户对之间的边集合，W代表所有边上权值的集合，即W＝{wij：i，j∈{1，…，K}，i≤j}，其中wij(0＜wij≤1)被定义为每对飞蜂窝基站用户对之间的权值，即每条边上的权值：
ρij定义为第j个飞蜂窝基站到第i个飞蜂窝用户之间的信道增益，该增益取决于两者间的距离dij，即α表示路径损耗指数，Pi和Pj分别表示第i个和第j个飞蜂窝基站的发射功率；
步骤二：分簇准备，定义飞蜂窝基站用户对的集合为：U＝{1，2，…，K}，设对这个集合进行随机分簇的所有可能结果为Q，则对Q中任何一种确定的簇q，并定义q＝{q(1)，q(2)，…，q(n)}，q(m)表示第m个簇，n表示簇的数量且q∈Q；
步骤三：根据式(1)计算所有边上的权值，并进行降序排列，权值越大对应的两对飞蜂窝基站用户对之间的干扰越强，则它们应该被分在同一个簇内，且每个簇内飞蜂窝基站用户对的个数为l，l≤Mt+Nf-1；
步骤四：开始分簇，令n＝1表示第一个簇，并设置第一个簇中的飞蜂窝基站用户对为空，即
步骤五：由步骤三得到的权值结果，选择权值最大的一对飞蜂窝基站用户对并将其添加到q(n)中；
步骤六：进行判断，如果|q(n)|＜l，则从剩余的κ对飞蜂窝基站用户对中选择权值最大的飞蜂窝基站用户对继续向q(n)中添加，其中否则再进行判断是否为零；
步骤七：若则进行n＝n+1的操作，并返回到步骤四继续上述分簇直至输出所得簇q(1)，…，q(n)；
步骤八：建立跨层干扰信道模型，把每一个簇和对该簇产生干扰最强的宏用户看做一个整体，并给出每一个簇中的第i个飞蜂窝基站接收到的信号向量为：
其中si，sj表示飞蜂窝用户的发射信息流，vi，vj表示对飞蜂窝用户的发射信号进行预编码；假设所有的飞蜂窝用户和宏用户到每个飞蜂窝基站的信道为瑞利(Rayleigh)平坦衰落，则第j个飞蜂窝用户到第i个飞蜂窝基站可表示为Nf×Mt维的矩阵Hij，表示第u个宏用户到第i个飞蜂窝基站的信道增益矩阵，so和vo分别表示宏用户的发射信息流和对宏用户的发射信号进行预编码，gi是飞蜂窝基站接收到的均值为0、方差为σ2的加性高斯白噪声向量；
步骤九：利用干扰对齐技术进行干扰消除，在第i个飞蜂窝基站的接收端设计干扰抑制矩阵μi，同时设计宏用户发送端的预编码矩阵vo，使得span(*)表示矩阵*的列向量所张成的子空间，即将宏用户和簇内的其它飞蜂窝用户对第i个飞蜂窝基站所引起的干扰对准到相同的子空间中，当i，j∈q(m)且i≠j时，此时满足条件且表示μi的共轭转置，故由下式可以消除簇内和跨层干扰：
步骤十：得到最终所需要的期望信号为：
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在Femtocell网络下先对飞蜂窝基站用户对进行分簇，然后再考虑跨层干扰，最后利用干扰对齐技术消除宏用户与每个簇的干扰，实现复杂度、链路开销和系统性能的有效折中，适用于实际的通信系统。在提高系统和容量的同时，充分利用频谱资源，并且以较低的复杂度实现较好的系统性能。
附图说明
图1是本发明的系统模型；
图2是本发明的赋权图模型；
图3是本发明的跨层干扰图模型；
图4是本发明的基于分簇干扰对齐算法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，是本发明的系统模型图，图中的无线通信网络包含一个宏基站101和L(L≥2)个宏用户102以及K(K≥2)个飞蜂窝基站103和K个飞蜂窝用户104。一个飞蜂窝基站103服务于一个飞蜂窝用户104，且由一个飞蜂窝基站103和一个飞蜂窝用户104构成一对飞蜂窝基站用户对105，所有的宏用户102和飞蜂窝用户104都有Mt(一般情况下：2≤Mt≤6)个发送天线，宏基站101和每个飞蜂窝基站103分别有No(一般情况下：Nf≤No)和Nf(一般情况下：2≤Nf≤6)个接收天线，分簇是针对所有的飞蜂窝基站用户对105。
本发明是基于Femtocell网络下通过分簇干扰对齐来解决跨层干扰的问题，如图4所示，具体实施包括以下步骤：
步骤一：如图2所示，假设有5对飞蜂窝基站用户对105，建立飞蜂窝基站103的网络赋权图G＝(V，E，W)，V代表有限的飞蜂窝基站用户对105的集合，E代表每个飞蜂窝基站用户对105之间的边集合，W代表所有边上权值的集合，即W＝{wij：i，j∈{1，…，K}，i≤j}，其中wij(0＜wij≤1)被定义为每对飞蜂窝基站用户对105之间的权值，即每条边上的权值：
ρij定义为第j个飞蜂窝基站103到第i个飞蜂窝用户104之间的信道增益，该增益取决于两者间的距离dij，即α表示路径损耗指数，Pi和Pj分别表示第i个和第j个飞蜂窝基站103的发射功率。
步骤二：分簇准备，定义飞蜂窝基站用户对105的集合为：U＝{1，2，…，K}，假设对这个集合进行随机分簇的所有可能结果为Q，则对Q中任何一种确定的簇q，并定义q＝{q(1)，q(2)，…，q(n)}，q(m)表示第m个簇，n表示簇的数量且q∈Q。
步骤三：根据式(1)计算所有边上的权值，并进行降序排列，权值越大对应的两对飞蜂窝基站用户对105之间的干扰越强，则它们应该被分在同一个簇内，且每个簇内飞蜂窝基站用户对105的个数为l，l≤Mt+Nf-1。
步骤四：开始分簇，令n＝1表示第一个簇，并设置第一个簇中的飞蜂窝基站用户对105为空，即q(n)＝φ。
步骤五：由步骤三得到的权值结果，选择权值最大的一对飞蜂窝基站用户对105并将其添加到q(n)中。
步骤六：进行判断，如果|q(n)|＜l，则从剩余的κ对飞蜂窝基站用户对105中选择权值最大的飞蜂窝基站用户对105继续向q(n)中添加，其中否则再进行判断是否为零。
步骤七：若则进行n＝n+1的操作，并返回到步骤四继续上述分簇直至输出所得簇q(1)，…，q(n)。
步骤八：如图3所示，为了简化跨层干扰信道模型，设一个簇有3对飞蜂窝基站用户对105，即每一个飞蜂窝用户104分别对应于每一个飞蜂窝基站103，且该簇和一个宏用户102结合。建立跨层干扰信道模型，实线代表期望信号，虚线代表干扰信号，把每一个簇和对该簇产生干扰最强的宏用户102看做一个整体，并给出每一个簇中的第i个飞蜂窝基站103接收到的信号向量：
其中si，sj表示飞蜂窝用户104的发射信息流，vi，vj表示对飞蜂窝用户104的发射信号进行预编码。假设所有的宏用户102和飞蜂窝用户104到每一个飞蜂窝基站103的信道为瑞利(Rayleigh)平坦衰落，则第j个飞蜂窝用户104到第i个飞蜂窝基站103可表示为Nf×Mt维的矩阵Hij，表示第u个宏用户102到第i个飞蜂窝基站103的信道增益矩阵，so和vo分别表示为宏用户102的发射信息流和对宏用户102发射的信号进行预编码，gi是飞蜂窝基站接收到的均值为0、方差为σ2的加性高斯白噪声向量。
步骤九：利用干扰对齐技术进行干扰消除的方法，在第i个飞蜂窝基站103的接收端设计干扰抑制矩阵μi，同时设计宏用户102发送端的预编码矩阵vo，使得span(*)表示矩阵*的列向量所张成的子空间，即将宏用户102和簇内的其它飞蜂窝用户104对第i个飞蜂窝基站103所引起的干扰对准到相同的子空间中，当i，j∈q(m)且i≠j时，此时满足条件且表示μi的共轭转置，故由下式可以消除簇内和跨层干扰：
步骤十：得到最终所需要的期望信号为：
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。
Claims (1)
1.一种Femtocell网络下基于分簇干扰对齐的干扰消除方法，无线通信网络包含一个宏基站和L个宏用户以及K个飞蜂窝基站和K个飞蜂窝用户；一个飞蜂窝基站服务于一个飞蜂窝用户，且由一个飞蜂窝基站和一个飞蜂窝用户构成一对飞蜂窝基站用户对，所有的宏用户和飞蜂窝用户都有Mt个发送天线，宏基站有No个接收天线，每个飞蜂窝基站有Nf个接收天线，分簇是针对所有的飞蜂窝基站用户对，其特征在于，该方法主要包括以下步骤：
步骤一：建立由飞蜂窝基站用户对所构成的网络赋权图G＝(V,E,W)，V代表有限的飞蜂窝基站用户对的集合，E代表每个飞蜂窝基站用户对之间的边集合，W代表所有边上权值的集合，即W＝{wij:i,j∈{1,…,K},i≤j}，其中wij(0＜wij≤1)被定义为每对飞蜂窝基站用户对之间的权值，即每条边上的权值：
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ρij定义为第j个飞蜂窝基站到第i个飞蜂窝用户之间的信道增益，该增益取决于两者间的距离dij，即α表示路径损耗指数，Pi和Pj分别表示第i个和第j个飞蜂窝基站的发射功率；
步骤二：分簇准备，定义飞蜂窝基站用户对的集合为：U＝{1,2,…,K}，设对这个集合进行随机分簇的所有可能结果为Q，则对Q中任何一种确定的簇q，并定义q＝{q(1),q(2),…,q(n)}，q(m)表示第m个簇，n表示簇的数量且q∈Q；
步骤三：根据式(1)计算所有边上的权值，并进行降序排列，权值越大对应的两对飞蜂窝基站用户对之间的干扰越强，则它们应该被分在同一个簇内，且每个簇内飞蜂窝基站用户对的个数为l，l≤Mt+Nf-1；
步骤四：开始分簇，令n＝1表示第一个簇，并设置第一个簇中的飞蜂窝基站用户对为空，即
步骤五：由步骤三得到的权值结果，选择权值最大的一对飞蜂窝基站用户对并将其添加到q(n)中；
步骤六：进行判断，如果|q(n)|＜l，则从剩余的κ对飞蜂窝基站用户对中选择权值最大的飞蜂窝基站用户对继续向q(n)中添加，其中否则再进行判断是否为零；所述中\表示从飞蜂窝基站用户对的集合U中删除已分好簇的所有飞蜂窝基站用户对q(m)，表示剩余的未进行分簇的飞蜂窝基站用户对；
步骤七：若则进行n＝n+1的操作，并返回到步骤四继续上述分簇直至输出所得簇q(1),…,q(n)；
步骤八：建立跨层干扰信道模型，把每一个簇和对该簇产生干扰最强的宏用户看做一个整体，并给出每一个簇中的第i个飞蜂窝基站接收到的信号向量为：
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其中si，sj表示飞蜂窝用户的发射信息流，vi，vj表示对飞蜂窝用户的发射信号进行预编码；假设所有的飞蜂窝用户和宏用户到每个飞蜂窝基站的信道为瑞利平坦衰落，则第j个飞蜂窝用户到第i个飞蜂窝基站可表示为Nf×Mt维的矩阵Ηij，表示第u个宏用户到第i个飞蜂窝基站的信道增益矩阵，so和vo分别表示宏用户的发射信息流和对宏用户的发射信号进行预编码，gi是飞蜂窝基站接收到的均值为0、方差为σ2的加性高斯白噪声向量；
步骤九：利用干扰对齐技术进行干扰消除，在第i个飞蜂窝基站的接收端设计干扰抑制矩阵μi，同时设计宏用户发送端的预编码矩阵vo，使得span(*)表示矩阵*的列向量所张成的子空间，即将宏用户和簇内的其它飞蜂窝用户对第i个飞蜂窝基站所引起的干扰对准到相同的子空间中，当i,j∈q(m)且i≠j时，此时满足条件且 表示μi的共轭转置，故由下式可以消除簇内和跨层干扰：
步骤十：得到最终所需要的期望信号为：
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Application publication date: 20141126 Assignee: ZHEJIANG BITAI SYSTEM ENGINEERING Co.,Ltd. Assignor: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Contract record no.: X2020980007232 Denomination of invention: Interference cancellation method based on clustering interference alignment in femtocell network Granted publication date: 20180130 License type: Common License Record date: 20201029 |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract |
Assignee: ZHEJIANG BITAI SYSTEM ENGINEERING Co.,Ltd. Assignor: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Contract record no.: X2020980007232 Date of cancellation: 20201223 |
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| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract |