CN105591681B - 一种半盲干扰对齐发送方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种半盲干扰对齐发送方法，应用于两用户2×1MISO广播信道，在广播信道情况中，基站不需要知道具体的信道系数，只需要知道与用户2的信道有关的几个参数，即能够实现系统的自由度为大于FDMA系统的自由度，同时BER性能也非常好。

Description

一种半盲干扰对齐发送方法
技术领域
本发明涉及一种干扰对齐发送方法，具体涉及一种应用于两用户2×1 MISO下行频率选择性广播信道的半盲干扰对齐发送方法。
背景技术
干扰对齐(Interference Alignment,IA)是一种通过将接收端的干扰信号对齐到一个子空间，以将更多的信道资源留给想要的信号，最终提高系统自由度的策略。在实际应用中，CSIT(发送端信道状态信息)的获取给IA系统带来了许多额外开销，因此如何减少对CSIT的要求一直是IA研究领域备受关注的问题。近年来，有一种发送端不必具备准确的信道系数的IA策略被提出，即盲干扰对齐(Blind Interference Alignment,BIA)。目前的BIA策略主要分为两种，一种为交错块衰落，利用不同用户的相关时间及相关带宽的差异；另一种为交错天线选择，需要依靠方向图可重构天线(reconfigurable antennas)，该天线有多种工作模式，可以认为在不同模式下，发射端到接收端的信道是独立同分布的。
发明内容
发明目的：本发明提供一种半盲干扰对齐发送方法，应用于两用户2×1 MISO下行频率选择性广播信道，发送端只需要与信道相关的少量反馈，便可以实现无干扰传输，而且与传统的FDMA系统相比有自由度优势。
本发明的技术方案是：一种半盲干扰对齐发送方法，应用于两用户2×1 MISO下行频率选择性广播信道，包括基站，并设定用户1和用户2；所述基站通过逐渐增大的载波频率f1,f2,f3,…fp,fp+1,…发送信息给用户1和用户2；
其中：最小载波频率和最大载波频率之间的频率间隔小于用户1的相干带宽，即：用户1在传输过程中只有一种信道模式；所有载波频率f1,f2,f3,…fp,fp+1,…中相邻载波频率的频率间隔小于用户2的相干带宽，而fn与fp+n-1之间的频率间隔大于用户2的相干带宽，n＝1～p-1,即用户2在传输过程中有两种独立同分布的信道模式；
对于两用户2×1 MISO下行频率选择性广播信道，频域表达式为：
Yi(k)＝Hi(k)X(k)+Zi(k)
其中：Yi(k)表示用户i在第k个频点上接收到的信号；X(k)表示基站在第k个频点的发送信号，Hi(k)表示基站到用户i在第k个频点上的1×2信道，Zi(k)是用户i在第k个频点上的复高斯噪声；i＝1或2，k＝1,2,3……；则有：
H1(k)＝H1 [1],k＝1,2,3...
H2(n)＝H2 [1],H2(p+n-1)＝H2 [2],n＝1～p-1
其中：H1 [1]表示用户1的信道模式1，H2 [1]表示用户2的信道模式1，H2 [2]表示用户2的信道模式2；
采用三个载波频率作为一个基本发射单元，用来携带基站发给用户1的一个2×1信号u和用户2的一个2×1信号v；所述基本发射单元包括两种，第一种基本发射单元由载波频率fn、fp+n-1和fp+n组成，第二种基本发射单元由载波频率fp+n+1、fn+1和fn+2组成；其中，第一个载波频率fn或fp+n+1携带的是两个信号的叠加，即u+v；第二个载波频率fp+n-1或fn+1携带的是乘以一个对角阵之后的用户1的信号，即第三个载波频率fp+n或fn+2携带是用户2的信号v；则对于用户1，所有载波频率经历相同的信道模式H1 [1]；对于用户2，第一种基本发射单元中：载波频率fn经历信道模式H2 [1]，载波频率fp+n-1和fp+n经历信道模式H2 [2]，第二种基本发射单元中：载波频率fp+n+1经历信道模式H2 [2]，载波频率fn+1和fn+2经历信道模式H2 [1]；
则：采用第一种基本发射单元时：用户1和用户2在载波频率fn、fp+n-1和fp+n上所接收到的信号表示为：
Y1(n)＝H1 [1](u1+v1)+Z1(n)
Y1(p+n)＝H1 [1]v1+Z1(p+n)
Y2(n)＝H2 [1](u1+v1)+Z2(n)
Y2(p+n)＝H2 [2]v1+Z2(p+n)
其中：u1为基站采用第一种基本发射单元发给用户1的一个2×1信号，v1为基站采用第一种基本发射单元发给用户2的一个2×1信号；
则可由下述方程组解出u1和v1：
其中：α1和β1满足
采用第二种基本发射单元时：用户1和用户2在载波频率fp+n+1、fn+1和fn+2上所接收到的信号表示为：
Y1(p+n+1)＝H1 [1](u2+v2)+Z1(p+n+1)
Y1(n+2)＝H1 [1]v2+Z1(n+2)
Y2(p+n+1)＝H2 [2](u2+v2)+Z2(p+n+1)
Y2(n+2)＝H2 [1]v2+Z2(n+2)
其中：u2为基站采用第二种基本发射单元发给用户1的一个2×1信号，v2为基站采用第二种基本发射单元发给用户2的一个2×1信号；
则由下述方程组解出u2和v2：
其中：α2和β2满足
与现有技术相比，采用本发明可以获得以下效果：本发明提出的半盲干扰对齐策略，放松了发送端对CSIT的需求，极大减少了开销，同时不需要使用方向图可重构天线，减少了硬件需求。性能方面，本发明适用于两用户2×1 MISO(多输入单输出)广播信道，系统的自由度为在硬件要求降低的情况下自由度不低于现有的在2×1 MISO广播信道中使用BIA策略所能得到的自由度，同时大于传统的FDMA(频分多址)系统的自由度，很方便地消除用户之间的干扰。发送端不需要知道用户1的信道状态信息，仅需要知道与用户2的信道系数相关的参数α和β。利用信道的频率选择特性，规避了主流的盲干扰对齐策略中对方向图可重构天线的需求。
附图说明
图1是两用户2×1 MISO广播信道频率特性；
图2是两用户2×1 MISO广播信道的信道模型；
图3是两用户2×1 MISO广播信道中的总发送策略。
图4是两用户2×1 MISO广播信道下的BER性能。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
在两用户2×1 MISO广播信道中，基站同时给两用户发送信息，如果两个用户距离较近，很容易受到来自彼此的干扰。传统的干扰抑制策略重点在于分配信道资源给各个用户，如TDMA(时分多址),FDMA(频分多址)等。本发明利用了频率选择性信道的特点，取得了比FDMA系统更大的自由度，即提高了系统的总吞吐量。当两个用户的相干带宽差别较大，不妨设用户1的相干带宽远大于用户2，可以选择适当的载波频率，使最小载波频率和最大载波频率之间的频率间隔小于用于1的相干带宽，即用户1在传输过程中信道属于平坦衰落信道，只有一种信道模式，而对于用户2而言，信道是发生变化的。具体来说，各载波所携带的数据在发送端同时发送；所有逐渐增大的载波频率f1,f2,f3,…fp,fp+1,…中相邻载波频率的频率间隔小于用户2的相干带宽，而fn与fp+n-1之间的频率间隔大于用户2的相干带宽，n＝1～p-1,所以认为它们经历的信道是不同的，是独立同分布的。这样我们可以认为用户1在传输过程中只有一种信道模式，而用户2在传输过程中有两种模式，应用频率选择信道的特点，来规避了盲干扰对齐中对方向图可重构天线的要求。
设定OFDM使用的频点数为6。为了便于进行IFFT和FFT，共考虑了8个频点，但只有其中的第2,3,4,6,7,8个频点被用来传送本例中的用户信息。时域信道为瑞利衰落信道，信道系数为均值为0、方差为1的独立复高斯随机变量。使用4QAM调制，迫零(ZF)检测，信噪比定义为
其中P是基站发送功率，σ2是噪声功率。根据前述对用户1和用户2的相干带宽的假设，简单归纳为用户1在所有频点上经历了相同的信道，而用户2经历了两种信道(图1)。在本例中认为对于用户1，八个频点经历的信道相同；对于用户2，第1,2,3,4个频点经历相同的信道，第5,6,7,8频点经历相同的信道，并且这两种信道是独立同分布的。
对于两用户2×1 MISO下行频率选择性广播信道，频域表达式为：
Yi(k)＝Hi(k)X(k)+Zi(k)
其中：Yi(k)表示用户i在第k个频点上接收到的信号；X(k)表示基站在第k个频点的发送信号，Hi(k)表示基站到用户i在第k个频点上的1×2信道，Zi(k)是用户i在第k个频点上的复高斯噪声；i＝1或2，k＝1,2,3……；则有：
H1(m)＝H1 [1](m＝1,2,...,8)；
H2(1)＝H2(2)＝H2(3)＝H2(4)＝H2 [1]；H2(5)＝H2(6)＝H2(7)＝H2(8)＝H2 [2]
其中：H1 [1],H2 [1],H2 [2]分别表示用户1的信道模式1，用户2的信道模式1，用户2的信道模式2。
如图2所示，在两用户2×1 MISO广播信道中，基站有两根天线，因此发给各个用户的每个信道都是2×1信号。由于各用户只有一根接收天线，因此需要接收两次来解出所需信号，这样的两次接收可以是时域上的两个时隙，而在本发明所描述的频率选择性信道中，两次接收是指两个频点所携带同样的信号经过信道被成功接收。在本发明中，基本的发射单元是用三个发射载波来携带基站发给用户1的一个2×1信号u以及基站发给用户2的一个2×1信号v。其中，第一个载波携带的是两个信号的叠加，即u+v；第二个载波携带的是乘以一个对角阵之后的用户1的信号，即第三个载波携带的只有用户2的信号v。
由于我们对信道相关特性的利用以及对载波频率的选择，和α,β的设计，两个用户分别得到这三个载波所携带的信号后，可以消除另一个用户信号的干扰，并恢复出自己的信号。具体的：当OFDM系统具有多个频点时，为了均匀利用用户2的两种信道模式，定义了如表1和表2的两种基本发送单元，各利用了3个频点。对于用户1，所有频点经历相同的信道H1 [1]，即信道模式都是1；对于用户2，表1所示的基本单元1是包含了一个经历信道模式1(H2 [1])的频点和两个信道模式2(H2 [2])的频点，表2所示的基本单元2是包含了两个经历信道模式1的频点和一个经历信道模式2的频点。
表1发送策略——基本单元1
表2发送策略——基本单元2
本例中所使用的6个频点2,3,4,6,7,8中，将2,6,7频点分为一组，采用图3所示的基本发送单元，基站发送给用户1一个2×1的信号u1，发送给用户2一个2×1的信号v1；3,4,8频点分为一组，采用图4所示的发送单元，基站发送给用户1一个2×1的信号u2，发送给用户2一个2×1的信号v2。
用户1在这6个频点上所接收到的信号可以表示为：
Y1(7)＝H1 [1]v1+Z1 (7)
Y1(8)＝H1 [1](u2+v2)+Z1 (8)
Y1(4)＝H1 [1]v2+Z1 (4)
则可由下述方程组解出u1和u2：
用户2在这6个频点上的接收信号为：
Y2(2)＝H2 [1](u1+v1)+Z2 (2)
Y2(7)＝H2 [2]v1+Z2 (7)
Y2(8)＝H2 [2](u2+v2)+Z2 (8)
Y2(4)＝H2 [1]v2+Z2 (4)
在广播信道中，两个用户都既收到了u和v的叠加，也收到了单独发送的u和v。对于用户1，因为他的相干带宽很大，认为在不同的发射频率下，信道保持不变，因此可以用第一个载波频率携带的信号减去第三个载波频率携带的信号，即消除v的干扰，再加上第二个载波频率携带的可以将u解出；对于用户2，因为他的相干带宽较小，通过对这三个载波频率的选择，可使得载波二和载波三经历了相同的信道Hb，而载波一的信道Ha与Hb是独立同分布的。通过对α,β的选择，使用户2可以用第一个载波频率携带的信号减去第二个载波频率携带的信号，即消除v的干扰，再加上第三个载波频率携带的v，可以将v解出。即：
则可由下述方程组解出v1和v2
其中用到的四个参数α1,β1,α2,β2满足
它们是基站已知的，被用来帮助用户2消除用户1的干扰。
这一策略可以应用于多个频点的情况。如图3，当OFDM系统具有多个频点时，仍是三个频点一组，基本发送单元1和基本发送单元2交替进行，基站在发送之前并不需要知道确切的信道系数，只需要在发送用户信息前先发送一帧导频，让接收端反馈α1,β1,α2,β2这四个参数。图3也展示了将各个频点按照频率由小到大排列之后的总体发送策略。
图4展示了两用户2×1 MISO广播信道，能取得很好的BER性能。其中：urer1’s BER表示用户1的误比特率，urer2’s BER表示用户2的误比特率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种半盲干扰对齐发送方法，应用于两用户2×1MISO下行频率选择性广播信道，其特征在于,包括基站，并设定用户1和用户2；所述基站通过逐渐增大的载波频率f1,f2,f3,…fp,fp+1,…发送信息给用户1和用户2；
其中：最小载波频率和最大载波频率之间的频率间隔小于用户1的相干带宽，即：用户1在传输过程中只有一种信道模式；所有载波频率f1,f2,f3,…fp,fp+1,…中相邻载波频率的频率间隔小于用户2的相干带宽，而fn与fp+n-1之间的频率间隔大于用户2的相干带宽，n＝1～p-1,即用户2在传输过程中有两种独立同分布的信道模式；
对于两用户2×1MISO下行频率选择性广播信道，频域表达式为：
Yi(k)＝Hi(k)X(k)+Zi(k)
其中：Yi(k)表示用户i在第k个频点上接收到的信号；X(k)表示基站在第k个频点的发送信号，Hi(k)表示基站到用户i在第k个频点上的1×2信道，Zi(k)是用户i在第k个频点上的复高斯噪声；i＝1或2，k＝1,2,3……；则有：
H1(k)＝H1 [1],k＝1,2,3...
H2(n)＝H2 [1],H2(p+n-1)＝H2 [2],n＝1～p-1
其中：H1 [1]表示用户1的信道模式1，H2 [1]表示用户2的信道模式1，H2 [2]表示用户2的信道模式2；
采用三个载波频率作为一个基本发射单元，用来携带基站发给用户1的一个2×1信号u和用户2的一个2×1信号v；所述基本发射单元包括两种，第一种基本发射单元由载波频率fn、fp+n-1和fp+n组成，第二种基本发射单元由载波频率fp+n+1、fn+1和fn+2组成；其中，第一个载波频率fn或fp+n+1携带的是两个信号的叠加，即u+v；第二个载波频率fp+n-1或fn+1携带的是乘以一个对角阵之后的用户1的信号，即第三个载波频率fp+n或fn+2携带是用户2的信号v；则对于用户1，所有载波频率经历相同的信道模式H1 [1]；对于用户2，第一种基本发射单元中：载波频率fn经历信道模式H2 [1]，载波频率fp+n-1和fp+n经历信道模式H2 [2]，第二种基本发射单元中：载波频率fp+n+1经历信道模式H2 [2]，载波频率fn+1和fn+2经历信道模式H2 [1]；
则：采用第一种基本发射单元时：用户1和用户2在载波频率fn、fp+n-1和fp+n上所接收到的信号表示为：
Y1(n)＝H1 [1](u1+v1)+Z1(n)
Y1(p+n)＝H1 [1]v1+Z1(p+n)
Y2(n)＝H2 [1](u1+v1)+Z2(n)
Y2(p+n)＝H2 [2]v1+Z2(p+n)
其中：u1为基站采用第一种基本发射单元发给用户1的一个2×1信号，v1为基站采用第一种基本发射单元发给用户2的一个2×1信号；
则可由下述方程组解出u1和v1：
其中：α1和β1满足
采用第二种基本发射单元时：用户1和用户2在载波频率fp+n+1、fn+1和fn+2上所接收到的信号表示为：
Y1(p+n+1)＝H1 [1](u2+v2)+Z1(p+n+1)
Y1(n+2)＝H1 [1]v2+Z1(n+2)
Y2(p+n+1)＝H2 [2](u2+v2)+Z2(p+n+1)
Y2(n+2)＝H2 [1]v2+Z2(n+2)
其中：u2为基站采用第二种基本发射单元发给用户1的一个2×1信号，v2为基站采用第二种基本发射单元发给用户2的一个2×1信号；
则由下述方程组解出u2和v2：
其中：α2和β2满足
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