CN104767556B - 一种基于部分干扰对齐的协调波束赋形方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于部分干扰对齐的协调波束赋形方法及装置，该方法包括：在多点协作传输协作簇内基站覆盖的终端的可选部分干扰对齐方式中，根据弦距离准则选择最优的部分干扰对齐方式；所述基站采用所述最优的部分干扰对齐方式向所述终端发送信号。本发明提供的方法及装置可以针对各种不同的部分干扰对齐方式，在保证压缩了干扰子空间的同时改善期望信号的接收强度，从而达到有效提高系统和速率的目的。

Description

一种基于部分干扰对齐的协调波束赋形方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通信中协作多点传输领域，具体涉及一种基于部分干扰对齐的协调波束赋形方法及装置。

背景技术

协调波束赋形：一种协作多点传输模式，在该模式下相邻小区间不需要数据共享，仅通过基站间的接口互相共享干扰信道信息，每个节点仅为覆盖区域内的终端提供服务，通过干扰协调的方式降低小区间干扰的影响。协调波束赋形是协作多点传输技术的一个重要分支，在Backhaul(回程链路)开销和系统性能之间提供了一种折中方案，与联合处理相比，协调波束赋形仅需在基站共享信道状态信息，即可通过收发波束优化、功率控制、用户调度等方法协调和抑制小区间的干扰，容易在现有的网络架构下实现。研究表明，当系统中的终端数足够多时，通过这种干扰协调方式可以显著的改善系统性能。

现有协调波束赋形方案主要包括基于对偶理论协调波束赋形方案和基于博弈理论的协调波束赋形方案。前者主要利用上下行对偶理论，将发送波束赋形问题转化为接收波束赋形问题进行求解，以降低实现难度和计算复杂度；后者则从小区之间博弈的角度来考虑，通过不同的游戏规则，取得系统性能增益。具体又分为非合作的利己方案和基于合作的利他方案以及利己利他折中方案。

除以上两大类协调波束赋形方案以外，另一种新颖的方案是基于干扰对齐(Interference Alignment，IA)的协调波束赋形方案。干扰对齐的基本原理是通过在基站端设计发送预编码矩阵，使信号在经过无线信道传输到达终端以后，所有的干扰信号能够叠加到一个维度尽量小的接收信号子空间里，并且使期望信号在一个与之线性无关的子空间里，然后在终端用干扰抑制矩阵来使干扰迫零，提高系统容量。

干扰对齐技术是近年来的一个研究热点，它能够充分利用系统的自由度，在干扰较大情况下终端协调彼此间的干扰。干扰对齐通过预编码技术使干扰在接收端重叠在一起，从而彻底消除干扰对期望信号的影响。与忽略干扰、解码/消除干扰以及正交接入(避免干扰)等现有处理干扰的方法不同，IA通过缩减干扰所占的信号维度，使期望信号维度，即自由度(Degree OfFreedom，DOF)最大化，然后在终端采用迫零(Zero Forcing，ZF)检测等方法来消除干扰、提取期望信号。

目前，IA技术中获得预编码矩阵(矢量)的途径主要有两种：直接法和迭代法。直接法可以得到预编码矩阵的闭式解，相对简单，但是需要知道理想的全局信道状态信息(Channel State Information,CSI)；迭代法利用上、下行信道的互易性，通过收发两端交替迭代，最优化目标函数来获得预编码矩阵，实现复杂度较高。最具代表性的是Gomada，Jafar等人提出的分布式IA迭代算法以及最大信干噪比(Max-SINR)算法，其中分布式IA的目标是最小化干扰泄露到期望子空间的能量，而Max-SINR则是最大化接收SINR。目前的许多研究是针对这两类方法进行优化和改进的。例如，在直接法中，基于弦距离准则或最优特征子信道对经典IA方案进行预编码矢量选择；在基于迭代的分布式IA方案中，目标函数由最小化干扰泄漏到期望子空间的功率逐渐转化为最小化干扰泄漏到期望空间的功率以及期望信号泄漏到干扰空间的功率的加权求和。

传统的干扰对齐方法是将所有的干扰对齐到一个维度尽量小的子空间内，但是随着终端数量的增加，干扰对齐的约束条件会急剧增加从而导致对齐难以实现。现有的部分干扰对齐方法多数给出固定的对齐方式，鲜见有考虑从多种对齐方式中进行针对性选择的方法。此外，当终端使用有限的比特数目向基站端反馈CSI信息时，由于信道或预编码的量化，系统将不可避免地产生显著的性能损失。这一问题对于干扰对齐尤为突出，在有限反馈情况下，干扰无法实现完全对齐。

此外，针对干扰信号路数大于两路(经典干扰对齐只针对两路干扰的情况)的部分干扰对齐方案也是目前IA技术研究的热点。选择哪些干扰进行对齐成为部分干扰对齐研究的重要内容，目前的相关研究还比较少。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种基于部分干扰对齐的协调波束赋形方法及装置，在保证压缩了干扰子空间的同时改善期望信号的接收强度，从而达到有效提高系统和速率的目的。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于部分干扰对齐的协调波束赋形方法，包括：

在多点协作传输协作簇内基站覆盖的终端的可选部分干扰对齐方式中，根据弦距离准则选择最优的部分干扰对齐方式；

所述基站采用所述最优的部分干扰对齐方式向所述终端发送信号。

进一步地，所述在多点协作传输协作簇内基站覆盖的终端的可选部分干扰对齐方式中，根据弦距离准则选择最优的部分干扰对齐方式，包括：

分别计算各个终端在不同的部分干扰对齐方式下对应的预编码矩阵，每种部分干扰对齐方式形成一个预编码矩阵组；

根据弦距离准则从所有的预编码矩阵组中选取最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组；

所述基站采用所述最优的部分干扰对齐方式向所述终端发送信号，包括：

所述基站采用所述最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组向所述终端发送信号。

进一步地，所述根据弦距离准则从所有的预编码矩阵组中选取最优部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组，包括：

从所有的预编码矩阵组中选取使得期望信号子空间与干扰信号子空间弦距离最大的预编码矩阵组作为最优部分干扰对齐方式对应的一组预编码矩阵组。

进一步地，所述部分干扰对齐方式指将所述终端的多个基站干扰中的两个基站干扰对齐到一个空间。

进一步地，所述在多点协作传输协作簇内基站覆盖的终端的可选部分干扰对齐方式中，根据弦距离准则选择最优的部分干扰对齐方式，包括：

将多点协作传输协作簇内基站覆盖的一部分终端的部分干扰对齐方式固定，联合所述基站覆盖的其余终端的不固定的部分干扰对齐方式，计算每种部分干扰对齐方式下每个终端的预编码矩阵，每种部分干扰对齐方式形成一个预编码矩阵组；根据弦距离准则从所有的预编码矩阵组中选取最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组；

所述基站采用所述最优的部分干扰对齐方式向所述终端发送信号，包括：

所述基站采用所述最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组向所述终端发送信号。

进一步地，在所述根据弦距离准则选取最优的部分干扰对齐方式之后，还包括：

根据所述最优的部分干扰对齐方式，对所述终端进行比特分配，根据为相应终端分配的比特确定该终端所属基站使用的预编码矩阵的码本集合，根据所述码本集合对所述最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组进行量化，采用量化后的预编码矩阵组向所述终端发送信号。

进一步地，所述根据所述最优的部分干扰对齐方式，对所述终端进行比特分配，包括：

在所述最优的部分干扰对齐方式中，如果存在某些终端都是将相同的两个基站干扰对齐到一个空间，则为所述相同的两个基站覆盖的终端分配的比特数目大于为其他基站覆盖的终端分配的比特数目，否则为所述终端分配相等的比特数目。

进一步地，所述多点协作传输协作簇内有K个基站，每个基站服务一个终端，所述基站与终端均包括M个天线，所述K个基站分别独立地发送d_k个数据流给所述终端，其中，k＝1,2,...K，所以天线数目至少为M＝(K-2)d_k+d_k。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种基于部分干扰对齐的协调波束赋形装置，包括：

选择模块，用于在多点协作传输协作簇内基站覆盖的终端的可选部分干扰对齐方式中，根据弦距离准则选择最优的部分干扰对齐方式；

发送模块，用于采用所述最优的部分干扰对齐方式向所述终端发送信号。

进一步地，所述选择模块，用于在多点协作传输协作簇内基站覆盖的终端的可选部分干扰对齐方式中，根据弦距离准则选择最优的部分干扰对齐方式，包括：

分别计算各个终端在不同的部分干扰对齐方式下对应的预编码矩阵，每种部分干扰对齐方式形成一个预编码矩阵组；

根据弦距离准则从所有的预编码矩阵组中选取最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组；

所述发送模块，用于采用所述最优的部分干扰对齐方式向所述终端发送信号，包括：

采用所述最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组向所述终端发送信号。

进一步地，所述选择模块，用于根据弦距离准则从所有的预编码矩阵组中选取最优部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组，包括：

从所有的预编码矩阵组中选取使得期望信号子空间与干扰信号子空间弦距离最大的预编码矩阵组作为最优部分干扰对齐方式对应的一组预编码矩阵组。

进一步地，所述部分干扰对齐方式指将所述终端的多个基站干扰中的两个基站干扰对齐到一个空间。

进一步地，所述选择模块，用于在多点协作传输协作簇内基站覆盖的终端的可选部分干扰对齐方式中，根据弦距离准则选择最优的部分干扰对齐方式，包括：

将多点协作传输协作簇内基站覆盖的一部分终端的部分干扰对齐方式固定，联合所述基站覆盖的其余终端的不固定的部分干扰对齐方式，计算每种部分干扰对齐方式下每个终端的预编码矩阵，每种部分干扰对齐方式形成一个预编码矩阵组；根据弦距离准则从所有的预编码矩阵组中选取最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组；

所述发送模块，用于采用所述最优的部分干扰对齐方式向所述终端发送信号，包括：

采用所述最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组向所述终端发送信号。

进一步地，所述装置还包括：

比特分配模块，用于根据所述最优的部分干扰对齐方式，对所述终端进行比特分配，根据为相应终端分配的比特确定该终端所属基站使用的预编码矩阵的码本集合，根据所述该码本集合对所述最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组进行量化，采用量化后的预编码矩阵组向所述终端发送信号；

所述发送模块，还用于采用所述量化后的预编码矩阵组向所述终端发送信号。

进一步地，所述比特分配模块，用于根据所述最优的部分干扰对齐方式，对所述终端进行比特分配，包括：

在所述最优的部分干扰对齐方式中，如果存在某些终端都是将相同的两个基站干扰对齐到一个空间，则为所述相同的两个基站覆盖的终端分配的比特数目大于为其他基站覆盖的终端分配的比特数目，否则为所述终端分配相等的比特数目。

与现有技术相比，本发明提供的基于部分干扰对齐的协调波束赋形方法及装置，一方面首先针对各种不同的部分干扰对齐方式，多点协作传输协作簇内多个基站根据弦距离准则选取最优对齐方式对应的一组预编码矩阵组来发送信号，在保证压缩了干扰子空间的同时改善期望信号的接收强度，从而达到有效提高系统和速率的目的；另一方面有效地进行基于部分干扰对齐方案的有限反馈设计，根据所选的对齐方式自适应地进行终端的比特分配，以最小化量化带来的性能损失。

附图说明

图1是MIMO干扰信道模型示意图；

图2是实施例中基于部分干扰对齐的协调波束赋形装置的结构图；

图3是实施例中基于部分干扰对齐的协调波束赋形方法流程图；

图4是实施例中固定一部分终端的部分干扰对齐方式计算最优部分干扰对齐方式的示意图；

图5是实施例中基于部分干扰对齐的协调波束赋形方法流程图；

图6是应用示例中4小区4终端的场景示意图；

图7是应用示例中固定<终端R1，终端R4>的干扰对齐方式后所有的对齐方式示意图；

图8是应用示例1中基于部分干扰对齐的协调波束赋形方法流程图；

图9是应用示例1中基于部分干扰对齐的协调波束赋形方法流程图；

图10是应用示例1中基于弦距离准则选择终端对齐方式的和速率与其他方案的对比示意图；

图11是基于弦距离准则的干扰对齐在不同接收算法下的和速率的对比示意图；

图12是数据流数d＝2，天线数M＝6时基于弦距离准则的对齐方式的和速率性能

图13是应用示例4中基于部分干扰对齐的协调波束赋形方法流程图；

图14是应用示例4中数据流d＝1，总反馈比特B_T＝16，比特差量Δd＝2时的和速率性能示意图；

图15是应用示例4中数据流d＝1，总反馈比特B_T＝16，比特差量Δd＝4时的和速率性能示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

实施例：

本实施例主要针对的是小区边缘用户(终端)的波束赋形，考虑一个干扰信道系统，如图1所示，提供了一种MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)干扰信道模型，图中：实线表示有用信道；虚线表示干扰信道；T表示发射端(基站)；R表示接收端(终端)；多点协作传输(Coordinated Multiple Points，CoMP)协作簇内有K个基站T_k，K个终端R_k，K为大于1的整数，每个基站服务一个终端，基站分别独立地发送d_k＝d(k＝1,2,...,K)个数据流给相应的目标终端。小区内的基站和终端都配置M根天线。不考虑用户间干扰，仅考虑小区间干扰，每个终端将收到来自K-1个其他基站的干扰，所述部分干扰对齐方式指将所述终端的多个基站干扰中的两个基站干扰对齐到一个空间，这样总的干扰空间维度由之前(K-1)d维缩减到(K-2)d维。由于接收空间维度为M，其中期望信号空间占用了d维，所以，为了能接收到期望信号和干扰信号，天线数目应至少为M＝(K-2)d+d。

如图2所示，本实施例提供了一种基于部分干扰对齐的协调波束赋形装置，包括：

选择模块，用于在多点协作传输协作簇内基站覆盖的终端的多种部分干扰对齐方式(有些是无效的，因此也可以称为可选部分干扰对齐方式)中，根据弦距离准则选择最优的部分干扰对齐方式；

其中，基站包括至少4个，这样终端有来自其他3个基站的干扰，才能采用部分干扰对齐；

发送模块，用于采用所述最优的部分干扰对齐方式向所述终端发送信号。

该装置可以应用于发射端(基站)也可以应用于接收端(终端)，如果该装置应用于接收端，则发送模块，用于将所述最优的部分干扰对齐方式反馈至发射端(基站)，以便基站采用所述最优的部分干扰对齐方式向所述终端发送信号。

其中，所述选择模块，用于在多点协作传输协作簇内基站覆盖的终端的可选部分干扰对齐方式中，根据弦距离准则选择最优的部分干扰对齐方式，包括：

分别计算各个终端在不同的部分干扰对齐方式下对应的预编码矩阵，每种部分干扰对齐方式形成一个预编码矩阵组；

根据弦距离准则从所有的预编码矩阵组中选取最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组；

所述发送模块，用于采用所述最优的部分干扰对齐方式向所述终端发送信号，包括：

采用所述最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组向所述终端发送信号。

其中，所述选择模块，用于根据弦距离准则从所有的预编码矩阵组中选取最优部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组，包括：

从所有的预编码矩阵组中选取使得期望信号子空间与干扰信号子空间弦距离最大的预编码矩阵组作为最优部分干扰对齐方式对应的一组预编码矩阵组。

其中，所述部分干扰对齐方式指将所述终端的多个基站干扰中的两个基站干扰对齐到一个空间。

作为一种优选的方式，所述选择模块，用于在多点协作传输协作簇内基站覆盖的终端的可选部分干扰对齐方式中，根据弦距离准则选择最优的部分干扰对齐方式，包括：

将多点协作传输协作簇内基站覆盖的一部分终端的部分干扰对齐方式固定，联合所述基站覆盖的其余终端的不固定的部分干扰对齐方式，计算每种部分干扰对齐方式下每个终端的预编码矩阵，每种部分干扰对齐方式形成一个预编码矩阵组；根据弦距离准则从所有的预编码矩阵组中选取最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组；

所述发送模块，用于采用所述最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组向所述终端发送信号。

作为一种优选的方式，所述装置还包括：

比特分配模块，用于根据所述最优的部分干扰对齐方式，对所述终端进行比特分配，根据为相应终端分配的比特确定该终端所属基站使用的预编码矩阵的码本集合，根据所述该码本集合对所述最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组进行量化，采用量化后的预编码矩阵组向所述终端发送信号；

所述发送模块，还用于采用所述量化后的预编码矩阵组向所述终端发送信号。

如果所述装置应用于发射端，则所述发送模块，还用于将所述量化后的预编码矩阵组反馈至基站，以便基站采用上述量化后的预编码矩阵组向所述终端发送信号。

其中，所述比特分配模块，用于根据所述最优的部分干扰对齐方式，对所述终端进行比特分配，包括：

在所述最优的部分干扰对齐方式中，如果存在某些终端都是将相同的两个基站干扰对齐到一个空间，则为所述相同的两个基站覆盖的终端分配的比特数目大于为其他基站覆盖的终端分配的比特数目，否则为所述终端分配相等的比特数目。

如图3所示，本实施例提供了一种基于部分干扰对齐的协调波束赋形方法，包括以下步骤：

S101：在多点协作传输协作簇内基站覆盖的终端的可选部分干扰对齐方式中，根据弦距离准则选择最优的部分干扰对齐方式；

其中，终端的干扰来自其他多个基站的干扰，终端的部分干扰对齐方式是不固定的，因此，每个终端有多种对齐方式，所述部分干扰对齐方式指将所述终端的多个基站干扰中的两个基站干扰对齐到一个空间。一个基站服务一个终端。

S102：所述基站采用所述最优的部分干扰对齐方式向所述终端发送信号。

其中，步骤S101具体包括：

分别计算各个终端在不同的部分干扰对齐方式下对应的预编码矩阵，每种部分干扰对齐方式形成一个预编码矩阵组；

根据弦距离准则从所述预编码矩阵组集合中选取最优部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组。

其中，从所述预编码矩阵组集合中选取使得期望信号子空间与干扰信号子空间弦距离最大的预编码矩阵组作为最优部分干扰对齐方式对应的一组预编码矩阵组。

在步骤S102中，所述多个基站采用所述最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组向所述终端发送信号。

作为一种优选的方式，可以先固定多个基站覆盖的一部分终端的部分干扰对齐方式，例如，如图4所示，总共有K个终端，固定3个终端的部分干扰对齐方式，如固定R1，R3，R(K-1)的对齐方式，然后，针对剩余K-3个不固定的部分干扰对齐方式，计算获得不固定的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组集合，然后根据弦距离准则选取最优部分干扰对齐方式对应的一组预编码矩阵组来发送信号，本实施例就是要选择剩下K-3个终端的最优的对齐方式。如图5所示，基于部分干扰对齐的协调波束赋形方法流程具体包括以下步骤：

S201：将多点协作传输协作簇内基站覆盖的一部分终端(t个)的部分干扰对齐方式固定；

S202：根据剩余K-t个终端的各种对齐方式(可能含有无效的方式)解得各个终端在不同对齐方式下的预编码矩阵；

S203：得到所述基站覆盖的K个终端的每种部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组；

S204：将S203获得的所有预编码矩阵组形成一个预编码矩阵组集合；

每种对齐方式形成一个预编码矩阵组，所有的对齐方式形成一个预编码矩阵组集合；

S205：根据弦距离准则从所述预编码矩阵组集合中选取最优部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组；

S206：将所述最优部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组作为K个终端的最优部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组来发送信号。

在理想CSI条件下，即，发射端知道理想的全局信道状态信息CSI，可以由发射端执行上述步骤，选择最优部分干扰对齐方式对应的一组预编码矩阵组发射，或者由接收端执行上述步骤，再将最优部分干扰对齐方式对应的一组预编码矩阵组反馈至发射端进行发送。

当终端使用有限的比特数目向基站端反馈CSI信息时，由于信道或预编码的量化，系统将不可避免地产生显著的性能损失。为了以最小化量化带来的性能损失，在已经确定最优部分干扰对齐方式后，本方法还可以包括：

根据所述最优的部分干扰对齐方式，对所述终端进行比特分配，根据为相应终端分配的比特确定该终端所属基站使用的预编码矩阵的码本集合，根据所述码本集合对所述最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组进行量化，采用量化后的预编码矩阵组向所述终端发送信号。

码本集合W_k是基站和终端都已知的，在一个应用示例中，实施例中采取的是随机生成的独立码本其中，为码本集合的元素，若给终端k分配了B_k个反馈比特，那么该码本集合中就有个元素。终端k将真实的预编码V_k与W_k中的每个元素进行对比，选出一个与V_k最接近的元素代替V_k，并将选出的元素的序号(即预编码矩阵指示符，Precoding matrixindicator,PMI，或1，或2，或……或)反馈告知基站，只需反馈序号即可，基站就可以根据收到的序号得知终端选择了哪个码本元素(码本是两端都已知的)，此为量化。量化大大减少了理想CSI的带来的反馈量，此为有限反馈。

作为一种优选的方式，所述根据所述最优的部分干扰对齐方式，对所述终端进行比特分配，包括：

在所述最优的部分干扰对齐方式中，如果存在某些终端都是将相同的两个基站干扰对齐到一个空间，则为所述相同的两个基站覆盖的终端分配的比特数目大于为其他基站覆盖的终端分配的比特数目，否则为所述终端分配相等的比特数目。

应用示例1

采用如图6所示的4小区4终端的场景，假设，每个基站和终端配置的天线数目相同，每个基站给相应的终端发送d个数据流。如果4个终端的对齐方式都不固定，共有69种有效对齐方式，其中，图6(a)显示了固定<终端R1，终端R4>的干扰对齐方式后所有的对齐方式，因为，没有固定R2和R3的对齐方式，R2包括T1T3、T1T4、T3T4分别对齐到一个空间的3种对齐方式，同样R3有3种，两个组合后共有9种对齐方式，如图7所示，其中有7种有效；图6(b)是4个终端的对齐方式都固定的情况，显示了7种有效对齐方式中的一种。

考虑如图1所示的干扰信道系统，K＝4，在本应用示例中为了方便计算假设每个小区(基站)服务1个终端。4个基站分别独立地发送d_k＝1(k＝1,2,3,4)个数据流给相应的目标终端。小区内的基站和终端都配置M＝3根天线。H_kj表示小区j内的基站到小区k内的终端之间的信道矩阵(3×3维)，并假设H_kj的各元素相互独立且服从零均值单位方差的复高斯随机分布。每个基站的发射功率为P_k＝P，每个终端的接收噪声为n_k，噪声功率为σ²＝1。则第k个终端的接收信号y_k可以表示为：

其中，x_j为小区j中基站发送的信号矢量，V_j(3×1维)为小区j中基站的发送预编码矢量，范数为1。

下面，结合图8对本实施例提出的基于部分干扰对齐的协调波束赋形方法的流程作进一步描述：

S301：分别计算终端R1、R₂、R₃、R₄各自对齐方式下的<V₁,V₂,V₃,V₄>矢量组，共有81种对齐方式(其中有几种是解不出矩阵的，所以有69组有效的对齐方式)可以获得69个不同的矢量组，记为集合S＝{<V₁,V₂,V₃,V₄>₁,<V₁,V₂,V₃,V₄>₂,...,<V₁,V₂,V₃,V₄>₆₉}，每一个矢量组都对应一个对齐方式；

以69种有效的对齐方式中的一种为例，例如图6(b)，求解一组<V₁,V₂,V₃,V₄>。根据图示的对齐方式，应有

并解得

其中span(X)表示的是由矩阵X的各列张成的向量空间，例如，在用户1处，将R₂和R₃的干扰分别对齐到一个空间。V₃表示从矩阵((H₄₃)^-1H₄₂(H₁₂)^-1H₁₃)中随机选择d个特征向量，d为数据流的个数。

另外68种有效的对齐方式，解法类似，不再赘述。

S302：在各个接收端求得期望信号空间和干扰信号空间；

x_k＝[H_kkV_k](k＝1,2,3,4) (4)

S303：定义弦距离准则：对于m×n₁维矩阵X₁和m×n₂维矩阵X₂，m≥n₁,n₂，弦距离表达式为：

其中表示的是矩阵X列空间的正交基矢量构成的矩阵；

S304：在集合S中选择期望信号空间与干扰信号空间弦距离最大的矢量组；

这里对式(7)采用穷举搜索法进行求解；

S305：4个基站采用最优对齐方式对应的一组预编码矩阵<V₁,V₂,V₃,V₄>_opt向4个终端发送信号。

在本应用示例中，作为一种优选的方式，还可以先固定部分终端的对齐方式，如图6(a)所示的情况。下面，结合图9对本实施例提出的基于部分干扰对齐的协调波束赋形方法的流程作进一步描述：

S401：固定终端R₁，R₄的对齐方式：

并解得

其中span(X)表示的是由矩阵X的各列张成的向量空间，即把R₁和R₄的干扰分别对齐到一个空间。V₃表示从矩阵((H₄₃)^-1H₄₂(H₁₂)^-1H₁₃)中随机选择d个特征向量，d为数据流的个数。

S402：在终端R₂，R₃剩余的9种对齐方式(其中有两种是解不出矩阵的，所以有7组有效的对齐方式)分别解得各自对齐方式下的<V₁,V₄>矢量组，可以获得7个不同的矢量组，记为集合S＝{<V₁,V₄>₁,<V₁,V₄>₂,...,<V₁,V₄>₇}，每一个矢量组都对应一个对齐方式；

由于已经固定了V2和V3，这里就不再求解V2和V3，只要求解V1和V4，其求解方式与步骤S301中相同，以7种有效的对齐方式中的一种为例，例如图6(b)，求解一组<V₁,V₄>。根据图示的对齐方式，应有

根据第一个式子可得V₁＝(H₂₁)^-1H₂₃V₃ (11)

根据第二个式子可得V₄＝(H₃₄)^-1H₃₁V₁ (12)

另外6种有效的对齐方式，解法类似，不再赘述。

S403：在各个接收端求得期望信号空间和干扰信号空间；

x_k＝[H_kkV_k](k＝1,2,3,4) (13)

S404：定义弦距离准则：对于m×n₁维矩阵X₁和m×n₂维矩阵X₂，m≥n₁,n₂，弦距离表达式为：

其中表示的是矩阵X列空间的正交基矢量构成的矩阵；

S405：在集合S中选择期望信号空间与干扰信号空间弦距离最大的矢量组；

这里对式(16)采用穷举搜索法进行求解。

S406：4个基站采用最优对齐方式对应的一组预编码矩阵<V₁,V₂,V₃,V₄>_opt向4个终端发送信号；

其中，V2、V3是固定的，V1、V4是最优的。

此外，为了证明采用本实施例后具有显著的效果，在本应用示例中，还包括计算理想CSI条件下的系统和速率的步骤，具体包括：

S407a：在接收端求解接收矩阵U_k；首先令

将矩阵H_k进行SVD分解(奇异值分解)得其中，Σ_k为由非零奇异值组成的对角阵，和分别为非零奇异值对应的左右奇异矢量组成的矩阵，和分别为零奇异值对应的左右奇异矢量组成的矩阵。

取迫零接收矩阵为

S408a：计算系统和速率，即求4个终端的速率和。

其中， 表示d_k×d_k维的单位阵。

将本实施例不固定对齐方式(69种弦距离选择对齐方式)、固定部分终端的对齐方式(7种弦距离选择对齐方式)与分布式IA迭代算法、Max-SINR迭代算法、固定对齐方案在相同的信道条件下分别进行了2000次独立的仿真，其中分布式IA迭代算法和Max-SINR迭代算法在每次实现时均迭代50次，结果如图10所示，其中，分布式与固定对齐方式两条线重合。总体上Max-SINR迭代方案的性能最优，而本实施例方案要优于分布式IA迭代算法和固定对齐方式的性能，在SINR＝30dB时，本方案有2bps/Hz左右的性能提升。随着SINR的提高，本实施例方案的性能逐渐趋近于Max-SINR迭代方案的性能。此外还看到，固定两终端对齐方式与所述终端都不固定的和速率性能比较接近，但固定两终端后搜索集合S减小了近10倍，计算复杂度可极大降低。因此，固定部分终端的对齐方式，再对其余终端的对齐方式基于弦距离准则进行选取是一种比较优选的方案。

应用示例2

在另一个应用示例中，采用相同的场景，相同的求解最优的部分干扰对齐方式的步骤，在4个基站采用最优对齐方式对应的一组预编码矩阵<V₁,V₂,V₃,V₄>_opt向其4个终端发送信号后，接收端(终端)还可以接收算法分别采用迫零算法和MMSE算法，进行系统和速率性能对比。

在步骤S406后，还包括计算理想CSI条件下的系统和速率的步骤，具体包括：

S407b：在接收端求解接收矩阵U_k；

(a)ZF接收算法

首先令

将矩阵H_k进行SVD分解(奇异值分解)得

取迫零接收矩阵为

(b)MMSE接收算法

首先令

因为d_j＝1(j＝1,2,3,4)，对进行归一化得

S408b：计算系统和速率。

其中

接收算法分别采用迫零算法和MMSE算法，进行对比。对固定对齐方案和本实施例固定部分终端的对齐方式(<终端2，终端3>弦距离选择对齐方式)、不固定终端的对齐方式(69种弦距离选择对齐方式)在相同的信道条件下分别进行2000次独立的仿真。结果如图11所示。在低信噪比处，MMSE接收算法要略优于ZF接收算法，但总体上，采用ZF接收性能接近采用MMSE接收的性能。此外，无论采用何种接收算法，按照弦距离最大准则来选取对齐方式的和速率性能要优于固定对齐方式的和速率性能。

应用示例3

在另一个应用示例中，采用相同的场景，含有K＝4个小区，每个小区服务1个终端，4个基站分别独立地发送d_k＝2(k＝1,2,3,4)个数据流给相应的目标终端。小区内的基站和终端都配置M＝6根天线。H_kj表示小区j内的基站到小区k内的终端之间的信道矩阵(6×6维)，并假设H_kj的各元素相互独立且服从零均值单位方差的复高斯随机分布。每个基站的发射功率为P_k＝P，每个终端的接收噪声为n_k，噪声功率为σ²＝1。则第k个终端的接收信号y_k可以表示为：

其中，x_j为小区j中基站发送的信号矢量，V_j(6×2维)为小区j中基站的发送预编码矩阵，每一列的范数为1。

采用与步骤S301～S406和S401～S408a相同的求解最优的部分干扰对齐方式以及计算系统和速率的步骤，对固定对齐方案和本实施例不固定对齐方式(69种弦距离选择对齐方式)、固定部分终端的对齐方式(7种弦距离选择对齐方式)在相同的信道条件下分别进行2000次独立的仿真。结果如图12所示。当天线数M＝6时，天线数满足完全恢复出d维期望信号的条件。图中可以看出，在多数据流的情况下，固定部分终端的对齐方式，对剩余终端的对齐方式基于弦距离准则进行选取性能都要优于固定对齐方式的和速率性能。

应用示例4

采用与应用示例1相同的场景和干扰信道系统。以下对本实施例结合图13，在有限反馈条件下，对基于部分干扰对齐的协调波束赋形方法的流程作进一步描述：

S501：固定终端R₁,R₄的对齐方式：

并解得

其中span(X)表示的是由矩阵X的各列张成的向量空间；

S502：在终端R₂、R₃剩余的9种对齐方式(有效对齐方式7种)分别解得各自对齐方式下的<V₁,V₄>矢量组，可以获得7个不同的矢量组，记为集合S＝{<V₁,V₄>₁,<V₁,V₄>₂,...,<V₁,V₄>₇}，每一个矢量组都对应一个对齐方式；

S503：在各个接收端求得期望信号空间和干扰信号空间；

x_k＝[H_kkV_k](k＝1,2,3,4) (28)

S504：定义弦距离准则：对于m×n₁维矩阵X₁和m×n₂维矩阵X₂，m≥n₁,n₂，弦距离表达式为：

其中表示的是矩阵X列空间的正交基矢量构成的矩阵；

S505：在集合S中选择期望信号空间与干扰信号空间弦距离最大的矢量组；

这里对式(31)采用穷举搜索法进行求解。

S506：有限反馈条件下，计算每个终端的反馈比特数目；

(a)Δα＝0时，各终端等比特分配，

(b)Δα＝2时，

(c)Δα＝equal＝4时，

其中B_T是终端的总反馈比特数目，B₁、B₂、B₃、B₄分别为给终端R₁、R₂、R₃、R₄分配的比特数，Δα是终端之间分配的比特差量。

根据B_k(k＝1,2,3,4)，即可确定第k(k＝1,2,3,4)个基站-终端所使用的码本集合，记为

S507：当数据流d＝1时，对最优对齐方式对应的一组预编码矩阵<V₁,V₂,V₃,V₄>中的每个预编码矢量进行量化，得到量化后的预编码矩阵组

其中，

表示矢量V_k与的欧式距离，为码本集合，为W_k中的元素，共有个，B_k是指分配给终端k的反馈比特数目。

终端k将真实的预编码V_k与W_k中的每个元素进行对比，选出一个与V_k最接近的元素代替V_k，并将选出的元素的序号(即PMI，或1，或2，或……或)反馈告知基站，只需反馈序号即可，基站就可以根据收到的序号得知终端选择了哪个码本元素(码本是两端都已知的)，此为量化。量化大大减少了理想CSI的带来的反馈量，此为有限反馈。

S508：4个基站采用量化后的预编码矩阵组向4个终端发送信号；

S509：在接收端求解有限反馈条件下的接收矩阵首先令

将矩阵H_k进行SVD分解(奇异值分解)得

取迫零接收矩阵为

S510：计算系统和速率。

其中

对7种有效对齐方式之一和弦距离方案在相同的信道条件下分别进行2000次独立的仿真。结果如图14和图15所示。从两幅图中可知，一方面，当Δd处于Δd＝equal的极限值时，弦距离选择方案已经失去了最大化期望信号子空间与干扰信号子空间弦距离的作用，从而退化到普通的对齐方式。或者说，量化对干扰对齐有很大的影响，而且弦距离方案所带来的性能提升幅度随着量化精度的降低而降低。

另一方面，无论Δd处于何值，两步优化方案，即“固定终端<1,4>，7种弦距离，不等比特”仍然在四条曲线中是最优的。只是当Δd＝equal＝4时，与“7种对齐方式之一，比特不等”的性能极其相似。注意到此时<终端2，终端3>每个分配了8个比特，而<终端1，终端4>分配了0个比特，即预编码矢量随机生成。

针对四个终端的场景，如果选出的最优的部分干扰对齐方式具有这样一个特点：即<终端a，终端b>处都是将来自<基站c，基站d>的干扰对齐到一个空间，那么，就给<终端c，终端d>多分配比特。仿真发现(图15)，即使只给<终端c，终端d>分配比特，<终端a，终端b>不分配比特，系统的性能是非常好的，也就是说，只需要给部分用户分配比特，另外的终端不分配比特，系统的和速率性能已经接近最优，省去了进行弦距离选择所带来的复杂度。本实施例中，见图6，两图中都是<终端1，终端4>处都是将来自<基站2，基站3>的干扰对齐到一个空间，所以就给<终端2，终端3>多分配比特，不同的是图6(a)是要首先选出最优的对齐方式，图6(b)所有终端的对齐方式已定。

从上述实施例可以看出，相对于现有技术，上述实施例中提供的基于部分干扰对齐的协调波束赋形方法及装置，一方面首先针对各种不同的部分干扰对齐方式，根据弦距离准则选取最优对齐方式对应的一组预编码矩阵来发送信号，在保证压缩了干扰子空间的同时改善期望信号的接收强度，从而达到有效提高系统和速率的目的；另一方面有效地进行基于部分干扰对齐方案的有限反馈设计，根据所选的对齐方式自适应地进行终端的比特分配，以最小化量化带来的性能损失。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。根据本发明的发明内容，还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种基于部分干扰对齐的协调波束赋形方法，包括：

在多点协作传输协作簇内基站覆盖的终端的可选部分干扰对齐方式中，根据弦距离准则选择最优的部分干扰对齐方式；

所述基站采用所述最优的部分干扰对齐方式向所述终端发送信号；

其中：

所述在多点协作传输协作簇内基站覆盖的终端的可选部分干扰对齐方式中，根据弦距离准则选择最优的部分干扰对齐方式，包括：

分别计算各个终端在不同的部分干扰对齐方式下对应的预编码矩阵，每种部分干扰对齐方式形成一个预编码矩阵组；

根据弦距离准则从所有的预编码矩阵组中选取最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组；

所述基站采用所述最优的部分干扰对齐方式向所述终端发送信号，包括：

所述基站采用所述最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组向所述终端发送信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述根据弦距离准则从所有的预编码矩阵组中选取最优部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组，包括：

从所有的预编码矩阵组中选取使得期望信号子空间与干扰信号子空间弦距离最大的预编码矩阵组作为最优部分干扰对齐方式对应的一组预编码矩阵组。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述部分干扰对齐方式指将所述终端的多个基站干扰中的两个基站干扰对齐到一个空间。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述根据弦距离准则选取最优的部分干扰对齐方式之后，还包括：

根据所述最优的部分干扰对齐方式，对所述终端进行比特分配，根据为相应终端分配的比特确定该终端所属基站使用的预编码矩阵的码本集合，根据所述码本集合对所述最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组进行量化，采用量化后的预编码矩阵组向所述终端发送信号。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：

所述根据所述最优的部分干扰对齐方式，对所述终端进行比特分配，包括：

在所述最优的部分干扰对齐方式中，如果存在某些终端都是将相同的两个基站干扰对齐到一个空间，则为所述相同的两个基站覆盖的终端分配的比特数目大于为其他基站覆盖的终端分配的比特数目，否则为所述终端分配相等的比特数目。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述多点协作传输协作簇内有K个基站，每个基站服务一个终端，所述基站与终端均包括M个天线，所述K个基站分别独立地发送d_k个数据流给所述终端，其中，k＝1,2,...K，所以天线数目至少为M＝(K-2)d_k+d_k。

7.一种基于部分干扰对齐的协调波束赋形方法，包括：

在多点协作传输协作簇内基站覆盖的终端的可选部分干扰对齐方式中，根据弦距离准则选择最优的部分干扰对齐方式；

所述基站采用所述最优的部分干扰对齐方式向所述终端发送信号；

其中：

所述在多点协作传输协作簇内基站覆盖的终端的可选部分干扰对齐方式中，根据弦距离准则选择最优的部分干扰对齐方式，包括：

将多点协作传输协作簇内基站覆盖的一部分终端的部分干扰对齐方式固定，联合所述基站覆盖的其余终端的不固定的部分干扰对齐方式，计算每种部分干扰对齐方式下每个终端的预编码矩阵，每种部分干扰对齐方式形成一个预编码矩阵组；根据弦距离准则从所有的预编码矩阵组中选取最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组；

所述基站采用所述最优的部分干扰对齐方式向所述终端发送信号，包括：

所述基站采用所述最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组向所述终端发送信号。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：在所述根据弦距离准则选取最优的部分干扰对齐方式之后，还包括：

根据所述最优的部分干扰对齐方式，对所述终端进行比特分配，根据为相应终端分配的比特确定该终端所属基站使用的预编码矩阵的码本集合，根据所述码本集合对所述最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组进行量化，采用量化后的预编码矩阵组向所述终端发送信号。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：

所述根据所述最优的部分干扰对齐方式，对所述终端进行比特分配，包括：

在所述最优的部分干扰对齐方式中，如果存在某些终端都是将相同的两个基站干扰对齐到一个空间，则为所述相同的两个基站覆盖的终端分配的比特数目大于为其他基站覆盖的终端分配的比特数目，否则为所述终端分配相等的比特数目。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于：

所述多点协作传输协作簇内有K个基站，每个基站服务一个终端，所述基站与终端均包括M个天线，所述K个基站分别独立地发送d_k个数据流给所述终端，其中，k＝1,2,...K，所以天线数目至少为M＝(K-2)d_k+d_k。

11.如权利要求7所述的方法，其特征在于：

所述部分干扰对齐方式指将所述终端的多个基站干扰中的两个基站干扰对齐到一个空间。

12.一种基于部分干扰对齐的协调波束赋形装置，包括：

选择模块，用于在多点协作传输协作簇内基站覆盖的终端的可选部分干扰对齐方式中，根据弦距离准则选择最优的部分干扰对齐方式；

发送模块，用于采用所述最优的部分干扰对齐方式向所述终端发送信号；

其中：

所述选择模块，用于在多点协作传输协作簇内基站覆盖的终端的可选部分干扰对齐方式中，根据弦距离准则选择最优的部分干扰对齐方式，包括：

分别计算各个终端在不同的部分干扰对齐方式下对应的预编码矩阵，每种部分干扰对齐方式形成一个预编码矩阵组；

根据弦距离准则从所有的预编码矩阵组中选取最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组；

所述发送模块，用于采用所述最优的部分干扰对齐方式向所述终端发送信号，包括：

采用所述最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组向所述终端发送信号。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于：

所述选择模块，用于根据弦距离准则从所有的预编码矩阵组中选取最优部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组，包括：

从所有的预编码矩阵组中选取使得期望信号子空间与干扰信号子空间弦距离最大的预编码矩阵组作为最优部分干扰对齐方式对应的一组预编码矩阵组。

14.如权利要求12所述的装置，其特征在于：所述装置还包括：

比特分配模块，用于根据所述最优的部分干扰对齐方式，对所述终端进行比特分配，根据为相应终端分配的比特确定该终端所属基站使用的预编码矩阵的码本集合，根据所述码本集合对所述最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组进行量化，采用量化后的预编码矩阵组向所述终端发送信号；

所述发送模块，还用于采用所述量化后的预编码矩阵组向所述终端发送信号。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于：

所述比特分配模块，用于根据所述最优的部分干扰对齐方式，对所述终端进行比特分配，包括：

在所述最优的部分干扰对齐方式中，如果存在某些终端都是将相同的两个基站干扰对齐到一个空间，则为所述相同的两个基站覆盖的终端分配的比特数目大于为其他基站覆盖的终端分配的比特数目，否则为所述终端分配相等的比特数目。

16.如权利要求12所述的装置，其特征在于：

所述部分干扰对齐方式指将所述终端的多个基站干扰中的两个基站干扰对齐到一个空间。

17.一种基于部分干扰对齐的协调波束赋形装置，包括：

选择模块，用于在多点协作传输协作簇内基站覆盖的终端的可选部分干扰对齐方式中，根据弦距离准则选择最优的部分干扰对齐方式；

发送模块，用于采用所述最优的部分干扰对齐方式向所述终端发送信号；

其中：

所述选择模块，用于在多点协作传输协作簇内基站覆盖的终端的可选部分干扰对齐方式中，根据弦距离准则选择最优的部分干扰对齐方式，包括：

将多点协作传输协作簇内基站覆盖的一部分终端的部分干扰对齐方式固定，联合所述基站覆盖的其余终端的不固定的部分干扰对齐方式，计算每种部分干扰对齐方式下每个终端的预编码矩阵，每种部分干扰对齐方式形成一个预编码矩阵组；根据弦距离准则从所有的预编码矩阵组中选取最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组；

所述发送模块，用于采用所述最优的部分干扰对齐方式向所述终端发送信号，包括：

采用所述最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组向所述终端发送信号。

18.如权利要求17所述的装置，其特征在于：所述装置还包括：

比特分配模块，用于根据所述最优的部分干扰对齐方式，对所述终端进行比特分配，根据为相应终端分配的比特确定该终端所属基站使用的预编码矩阵的码本集合，根据所述码本集合对所述最优的部分干扰对齐方式对应的预编码矩阵组进行量化，采用量化后的预编码矩阵组向所述终端发送信号；

所述发送模块，还用于采用所述量化后的预编码矩阵组向所述终端发送信号。

19.如权利要求18所述的装置，其特征在于：

所述比特分配模块，用于根据所述最优的部分干扰对齐方式，对所述终端进行比特分配，包括：

在所述最优的部分干扰对齐方式中，如果存在某些终端都是将相同的两个基站干扰对齐到一个空间，则为所述相同的两个基站覆盖的终端分配的比特数目大于为其他基站覆盖的终端分配的比特数目，否则为所述终端分配相等的比特数目。

20.如权利要求17所述的装置，其特征在于：

所述部分干扰对齐方式指将所述终端的多个基站干扰中的两个基站干扰对齐到一个空间。