CN105812041B - 两小区的mimo广播信道中一种消除多用户干扰的方法 - Google Patents

两小区的mimo广播信道中一种消除多用户干扰的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了两小区的广播信道中一种消除多用户干扰的方法，适用于两小区且每个小区有K个用户的下行传输系统，K为偶数，且每个基站和每个用户都配置N根天线，N≥K，两个基站分别向所有用户发送导频序列，每个用户由此估计出两个基站到该用户的信道矩阵，基站将发送给不同用户的两个调制符号编码为一个Alamouti码字，然后将编码得到的多个Alamouti码字依次纵向组合后发送出去，每个用户利用Alamouti码字对应的等效信道矩阵的正交特性分离每个Alamouti码字，然后译码期望接收的Alamouti码字的其中的一个元素。

Description

两小区的MIMO广播信道中一种消除多用户干扰的方法
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其是两小区的MIMO广播信道中一种消除多用户干扰的方法。
背景技术
MIMO技术通过在收发两端配置多根天线，能改善通信质量，提高频谱利用率。MIMO技术常采用Alamouti编码，以获得分集增益。Alamouti码字具有正交特性，并且该码字对应的等效信道矩阵也具有正交特性。文献“Interference alignment-and cancellationscheme based on Alamouti code for the three-user multi-input-multi-outputinterference channel”指出，利用此正交特性可以分离接收到的多个Alamouti码字。
MIMO技术可分为单用户MIMO和多用户MIMO。多小区MIMO广播信道是一种典型的多用户MIMO场景，该场景中有多个基站，每个基站为若干个用户服务，这样就存在小区内干扰和小区间干扰，这些干扰严重影响系统的性能。
干扰对齐技术通过发送端预编码或接收端波束成型将干扰信号对齐到一个接收信号空间的子空间内，并且保持干扰信号子空间与期望信号子空间相互独立，从而达到了消除多用户干扰的目的。有学者提出将干扰对齐应用于多小区的MIMO广播信道中来消除部分或全部多用户干扰。比如，文献“Transceiver design based on interferencealignment in mimo interfering broadcast channels”和文献“On the design ofinterference alignment scheme for two-cell mimo interfering broadcastchannles”。然而，干扰对齐的反馈量较高，这样会加重通信系统的负荷。
除了干扰对齐，有学者提出基站间相互协作以消除部分多用户干扰，如文献“Cooperative multi-cell mimo downlink precoding with finite-alphabet inputs”。基站间的协作需要基站之间交互信道状态信息(CSI,Channel State Information)，也会加重通信系统的负荷。
发明内容
针对已有方案反馈量较高的问题，本发明公开了两小区的MIMO广播信道中一种消除多用户干扰的方法，适用于两小区且每个小区有K个用户的下行传输系统，K为偶数，且每个基站和每个用户都配置N根天线，N≥K，本发明不需要反馈信息。
实现本发明的技术思路是：两个基站分别向所有用户发送导频序列，每个用户由此估计出两个基站到该用户的信道矩阵，基站将发送给不同用户的两个调制符号编码为一个Alamouti码字，然后将编码得到的多个Alamouti码字依次纵向组合后发送出去，每个用户利用Alamouti码字对应的等效信道矩阵的正交特性分离每个Alamouti码字，然后译码期望接收的Alamouti码字的其中的一个元素，其具体步骤包括如下：
A，基站1从N根天线中随机选择K根天线用来发送导频序列和期望发送给用户的调制信号，基站2也从N根天线中随机选择K根天线用来发送导频序列和期望发送给用户的调制信号，N是每个基站和每个用户配置的天线数，K是每个小区的用户数，K为偶数；
B，每个基站向所有用户发送导频序列，每个用户由此估计出两个基站到该用户的信道矩阵；
C，每个基站对调制信号进行空时编码，然后将码字依次纵向组合并且发送出去；
D，小区1的用户接收信号、分离码字并且译码期望接收的调制信号；
E，小区2的用户接收信号、分离码字并且译码期望接收的调制信号。
进一步，所述步骤B具体包括：
B1，基站1选中的K根天线向两个小区的所有用户发送导频序列，小区1的用户k根据导频序列得到基站1到该用户的信道矩阵H1k，小区2的用户k根据导频序列得到基站1到该用户的信道矩阵H2k，k＝1,2,L,K，K是每个小区的用户数，K为偶数，信道矩阵的阶数均为N×K，N是每个基站和每个用户配置的天线数；
B2，基站2选中的K根天线向两个小区的所有用户发送导频序列，小区1的用户k根据导频序列得到基站2到该用户的信道矩阵G1k，小区2的用户k根据导频序列得到基站2到该用户的信道矩阵G2k，k＝1,2,L,K，K是每个小区的用户数，K为偶数，信道矩阵的阶数均为N×K，N是每个基站和每个用户配置的天线数。
进一步，所述步骤C具体包括：
C1，基站1对期望发送给小区1的第k个用户的调制信号xk进行Alamouti编码，得到K/2个码字，分别是 K是每个小区的用户数，K为偶数；
C2，基站2对期望发送给小区2的第k个用户的调制信号sk进行Alamouti编码，得到K/2个码字，分别是 K是每个小区的用户数，K为偶数；
C3，在相同的时间内，基站1选中的K根天线发送依次纵向组合后的码字基站2选中的K根天线发送依次纵向组合后的码字K是每个小区的用户数，K为偶数。
进一步，所述步骤D具体包括：
D1，小区1的用户k接收信号，用Y1k表示小区1的用户k的接收信号，K是每个小区的用户数，K为偶数，N1是阶数为N×2的噪声矩阵，Y1k的阶数为N×2，N是每个基站和每个用户配置的天线数；
D2，小区1的用户k令H1k＝[H1 H2 L HK/2]且G1k＝[G1 G2 L GK/2]，k＝1,2,L,K，Hi和Gi的阶数均为N×2，i＝1,2,L,K/2，小区1的用户k将Y1k中的X1、X2……XK/2、S1、S2……SK/2视为K个未知的Alamouti码字，将H1、H2……HK/2、G1、G2……GK/2视为这K个Alamouti码字对应的信道矩阵，利用Alamouti码字对应的等效信道矩阵的正交特性分离Y1k中的这K个Alamouti码字，K是每个小区的用户数，K为偶数，N是每个基站和每个用户配置的天线数；
D3，小区1的用户k分离这K个Alamouti码字后，若k为偶数，用户k译码Xk/2中的第二个元素，若k为奇数，用户k译码X(k+1)/2中的第一个元素，k＝1,2,L,K，K是每个小区的用户数，K为偶数。
进一步，所述步骤E具体包括：
E1，小区2的用户k接收信号，用Y2k表示小区2的用户k的接收信号，K是每个小区的用户数，K为偶数，N2是阶数为N×2的噪声矩阵，Y2k的阶数为N×2，N是每个基站和每个用户配置的天线数；
E2，小区2的用户k令且 和的阶数均为N×2，i＝1,2,L,K/2，小区2的用户k将Y1k中的X1、X2……XK/2、S1、S2……SK/2视为K个未知的Alamouti码字，将 视为这K个Alamouti码字对应的信道矩阵，利用Alamouti码字对应的等效信道矩阵的正交特性分离Y2k中的这K个Alamouti码字，K是每个小区的用户数，K为偶数，N是每个基站和每个用户配置的天线数；
E3，小区2的用户k分离这K个Alamouti码字后，若k为偶数，用户k译码Sk/2中的第二个元素，若k为奇数，用户k译码S(k+1)/2中的第一个元素，k＝1,2,L,K，K是每个小区的用户数，K为偶数。
本发明中的发送端不需要预编码，接收端也不需要波束赋形，译码过程只需要本地CSI，从而不需要反馈信息。
分离Alamouti码字后，可以分别译码码字的每个元素，译码复杂度与调制阶数成正比。
附图说明
图1是本发明实施例的系统模型；
图2是本发明的流程图；
图3是本发明的详细的流程图；
具体实施方式
下面给出本发明的一种实施例，对本发明做进一步详细的说明。系统模型如图1所示，考虑下行链路，有两个小区，每个小区包括一个微型基站和K个用户，K为偶数。每个基站和每个用户都配置N根天线，N≥K。
基站1从N根天线中随机选择K根天线用来发送导频序列和期望发送给用户的调制信号，基站2也从N根天线中随机选择K根天线用来发送导频序列和期望发送给用户的调制信号。
基站1选中的K根天线向两个小区的所有用户发送导频序列，小区1的用户k根据导频序列得到基站1到该用户的信道矩阵H1k，小区2的用户k根据导频序列得到基站1到该用户的信道矩阵H2k，k＝1,2,L,K，K是每个小区的用户数，K为偶数，信道矩阵的阶数均为N×K。
基站2选中的K根天线向两个小区的所有用户发送导频序列，小区1的用户k根据导频序列得到基站2到该用户的信道矩阵G1k，小区2的用户k根据导频序列得到基站2到该用户的信道矩阵G2k，k＝1,2,L,K，K是每个小区的用户数，K为偶数，信道矩阵的阶数均为N×K。
用xk表示基站1期望发送给小区1的第k个用户的调制信号，k＝1,2,L,K。基站1对xk进行Alamouti编码，得到K/2个码字，分别是观察可看出，若k为偶数，xk在码字Xk/2中，并且是该码字包含的第二个元素，若k为奇数，xk在码字X(k+1)/2中，并且是该码字包含的第一个元素。
用sk表示基站2期望发送给小区2的第k个用户的调制信号，k＝1,2,L,K。基站2对sk进行Alamouti编码，得到K/2个码字，分别是观察可看出，若k为偶数，sk在码字Sk/2中，并且是该码字包含的第二个元素，若k为奇数，sk在码字S(k+1)/2中，并且是该码字包含的第一个元素。
在相同的时间内，基站1选中的K根天线发送基站2选中的K根天线发送则小区1的用户k的接收信号Y1k和小区2的用户k的接收信号Y2k可以分别表示为
其中，k＝1,2,L,K，H1k表示基站1到小区1的用户k的信道矩阵，G1k表示基站2到小区1的用户k的信道矩阵，H2k表示基站1到小区2的用户k的信道矩阵，G2k表示基站2到小区2的用户k的信道矩阵，信道矩阵的阶数均为N×K，N1和N2都是阶数为N×2的噪声矩阵。
若k为偶数，小区1的用户k的期望接收信号xk在码字Xk/2中，k＝1,2,L,K，并且是该码字包含的第二个元素，若k为奇数，小区1的用户k的期望接收信号xk在码字X(k+1)/2中，并且是该码字包含的第一个元素。下面以小区1的用户k为例，给出译码方法。令H1k＝[H1 H2 LHK/2]且G1k＝[G1 G2 L GK/2]，Hi和Gi的阶数均为N×2，i＝1,2,L,K/2，则式(1)可以表示为
文献“Interference alignment-and cancellation scheme based on Alamouticode for the three-user multi-input-multi-output interference channel”给出了一种分离Alamouti码字的方法，在该方法中，只要接收天线的个数不少于收到的Alamouti码字的个数并且接收端已知信道状态信息，则接收端可利用Alamouti码字对应的等效信道矩阵的正交特性逐步分离每个Alamouti码字，从而可以单独译码每个码字的元素，译码复杂度与调制阶数成正比，并且分集增益为2。
本发明中，接收天线的个数为N，而式(3)中包含K个码字，并且N≥K，从而小区1的用户k可以分离式(3)中的每个Alamouti码字。若k为偶数，用户k译码Xk/2中的第二个元素就能得到期望接收的信号，若k为奇数，用户k译码X(k+1)/2中的第一个元素就能得到期望接收的信号，译码复杂度与调制阶数成正比，分集增益为2，k＝1,2,L,K。小区2的用户k类似的方法译码。
本发明中的基站没有采用预编码，用户接收到信号后也没有采用波束赋形，在分离Alamouti码字的过程中只需要已知信道状态信息即可，从而本发明不需要反馈信息。
下面结合附图对本发明的具体实施过程做进一步说明。
本发明的流程图如图2所示，具体步骤如下：
A，基站1从N根天线中随机选择K根天线用来发送导频序列和期望发送给用户的调制信号，基站2也从N根天线中随机选择K根天线用来发送导频序列和期望发送给用户的调制信号，N是每个基站和每个用户配置的天线数，K是每个小区的用户数，K为偶数；
B，每个基站向所有用户发送导频序列，每个用户由此估计出两个基站到该用户的信道矩阵；
C，每个基站对调制信号进行空时编码，然后将码字依次纵向组合并且发送出去；
D，小区1的用户接收信号、分离码字并且译码期望接收的调制信号；
E，小区2的用户接收信号、分离码字并且译码期望接收的调制信号。
图3是本发明方法的详细的流程图，本发明中用户的发送方式以及接收端的译码方式的具体步骤如下：
A，基站1从N根天线中随机选择K根天线用来发送导频序列和期望发送给用户的调制信号，基站2也从N根天线中随机选择K根天线用来发送导频序列和期望发送给用户的调制信号，N是每个基站和每个用户配置的天线数，K是每个小区的用户数，K为偶数；
B1，基站1选中的K根天线向两个小区的所有用户发送导频序列，小区1的用户k根据导频序列得到基站1到该用户的信道矩阵H1k，小区2的用户k根据导频序列得到基站1到该用户的信道矩阵H2k，k＝1,2,L,K，K是每个小区的用户数，K为偶数，信道矩阵的阶数均为N×K，N是每个基站和每个用户配置的天线数；
B2，基站2选中的K根天线向两个小区的所有用户发送导频序列，小区1的用户k根据导频序列得到基站2到该用户的信道矩阵G1k，小区2的用户k根据导频序列得到基站2到该用户的信道矩阵G2k，k＝1,2,L,K，K是每个小区的用户数，K为偶数，信道矩阵的阶数均为N×K，N是每个基站和每个用户配置的天线数；
C1，基站1对期望发送给小区1的第k个用户的调制信号xk进行Alamouti编码，得到K/2个码字，分别是 K是每个小区的用户数，K为偶数；
C2，基站2对期望发送给小区2的第k个用户的调制信号sk进行Alamouti编码，得到K/2个码字，分别是 K是每个小区的用户数，K为偶数；
C3，在相同的时间内，基站1选中的K根天线发送依次纵向组合后的码字基站2选中的K根天线发送依次纵向组合后的码字K是每个小区的用户数，K为偶数；
D1，小区1的用户k接收信号，用Y1k表示小区1的用户k的接收信号，K是每个小区的用户数，K为偶数，N1是阶数为N×2的噪声矩阵，Y1k的阶数为N×2，N是每个基站和每个用户配置的天线数；
D2，小区1的用户k令H1k＝[H1 H2 L HK/2]且G1k＝[G1 G2 L GK/2]，k＝1,2,L,K，Hi和Gi的阶数均为N×2，i＝1,2,L,K/2，小区1的用户k将Y1k中的X1、X2……XK/2、S1、S2……SK/2视为K个未知的Alamouti码字，将H1、H2……HK/2、G1、G2……GK/2视为这K个Alamouti码字对应的信道矩阵，利用Alamouti码字对应的等效信道矩阵的正交特性分离Y1k中的这K个Alamouti码字，K是每个小区的用户数，K为偶数，N是每个基站和每个用户配置的天线数；
D3，小区1的用户k分离这K个Alamouti码字后，若k为偶数，用户k译码Xk/2中的第二个元素，若k为奇数，用户k译码X(k+1)/2中的第一个元素，k＝1,2,L,K，K是每个小区的用户数，K为偶数；
E1，小区2的用户k接收信号，用Y2k表示小区2的用户k的接收信号，K是每个小区的用户数，K为偶数，N2是阶数为N×2的噪声矩阵，Y2k的阶数为N×2，N是每个基站和每个用户配置的天线数；
E2，小区2的用户k令且 和的阶数均为N×2，i＝1,2,L,K/2，小区2的用户k将Y1k中的X1、X2……XK/2、S1、S2……SK/2视为K个未知的Alamouti码字，将 视为这K个Alamouti码字对应的信道矩阵，利用Alamouti码字对应的等效信道矩阵的正交特性分离Y2k中的这K个Alamouti码字，K是每个小区的用户数，K为偶数，N是每个基站和每个用户配置的天线数；
E3，小区2的用户k分离这K个Alamouti码字后，若k为偶数，用户k译码Sk/2中的第二个元素，若k为奇数，用户k译码S(k+1)/2中的第一个元素，k＝1,2,L,K，K是每个小区的用户数，K为偶数。
以上实施例仅仅是对本发明的举例说明，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (1)

1.两小区的MIMO广播信道中一种消除多用户干扰的方法，适用于两小区且每个小区有K个用户的下行传输系统，K为偶数，且每个基站和每个用户都配置N根天线，N≥K，其特征在于，包括如下步骤：
A，基站1从N根天线中随机选择K根天线用来发送导频序列和期望发送给用户的调制信号，基站2也从N根天线中随机选择K根天线用来发送导频序列和期望发送给用户的调制信号，N是每个基站和每个用户配置的天线数，K是每个小区的用户数，K为偶数；
B，每个基站向所有用户发送导频序列，每个用户由此估计出两个基站到该用户的信道矩阵，具体过程如下：
B1，基站1选中的K根天线向两个小区的所有用户发送导频序列，小区1的用户k根据导频序列得到基站1到该用户的信道矩阵H1k，小区2的用户k根据导频序列得到基站1到该用户的信道矩阵H2k，k＝1,2,…,K，K是每个小区的用户数，K为偶数，信道矩阵的阶数均为N×K，N是每个基站和每个用户配置的天线数；
B2，基站2选中的K根天线向两个小区的所有用户发送导频序列，小区1的用户k根据导频序列得到基站2到该用户的信道矩阵G1k，小区2的用户k根据导频序列得到基站2到该用户的信道矩阵G2k，k＝1,2,…,K，K是每个小区的用户数，K为偶数，信道矩阵的阶数均为N×K，N是每个基站和每个用户配置的天线数；
C，每个基站对调制信号进行空时编码，然后将码字依次纵向组合并且发送出去，具体过程如下：
C1，基站1对期望发送给小区1的第k个用户的调制信号xk进行Alamouti编码，得到K/2个码字，分别是 K是每个小区的用户数，K为偶数；
C2，基站2对期望发送给小区2的第k个用户的调制信号sk进行Alamouti编码，得到K/2个码字，分别是 K是每个小区的用户数，K为偶数；
C3，在相同的时间内，基站1选中的K根天线发送依次纵向组合后的码字基站2选中的K根天线发送依次纵向组合后的码字K是每个小区的用户数，K为偶数；
D，小区1的用户接收信号、分离码字并且译码期望接收的调制信号，具体过程如下：
D1，小区1的用户k接收信号，用Y1k表示小区1的用户k的接收信号，K是每个小区的用户数，K为偶数，N1是阶数为N×2的噪声矩阵，Y1k的阶数为N×2，N是每个基站和每个用户配置的天线数；
D2，小区1的用户k令H1k＝[H1 H2 … HK/2]且G1k＝[G1 G2 … GK/2]，k＝1,2,…,K，Hi和Gi的阶数均为N×2，i＝1,2,…,K/2，小区1的用户k将Y1k中的X1、X2……XK/2、S1、S2……SK/2视为K个未知的Alamouti码字，将H1、H2……HK/2、G1、G2……GK/2视为这K个Alamouti码字对应的信道矩阵，利用Alamouti码字对应的等效信道矩阵的正交特性分离Y1k中的这K个Alamouti码字，K是每个小区的用户数，K为偶数，N是每个基站和每个用户配置的天线数；
D3，小区1的用户k分离这K个Alamouti码字后，若k为偶数，用户k译码Xk/2中的第二个元素，若k为奇数，用户k译码X(k+1)/2中的第一个元素，k＝1,2,…,K，K是每个小区的用户数，K为偶数；
E，小区2的用户接收信号、分离码字并且译码期望接收的调制信号，具体过程如下：
E1，小区2的用户k接收信号，用Y2k表示小区2的用户k的接收信号，K是每个小区的用户数，K为偶数，N2是阶数为N×2的噪声矩阵，Y2k的阶数为N×2，N是每个基站和每个用户配置的天线数；
E2，小区2的用户k令且 和的阶数均为N×2，i＝1,2,…,K/2，小区2的用户k将Y1k中的X1、X2……XK/2、S1、S2……SK/2视为K个未知的Alamouti码字，将 视为这K个Alamouti码字对应的信道矩阵，利用Alamouti码字对应的等效信道矩阵的正交特性分离Y2k中的这K个Alamouti码字，K是每个小区的用户数，K为偶数，N是每个基站和每个用户配置的天线数；
E3，小区2的用户k分离这K个Alamouti码字后，若k为偶数，用户k译码Sk/2中的第二个元素，若k为奇数，用户k译码S(k+1)/2中的第一个元素，k＝1,2,…,K，K是每个小区的用户数，K为偶数。
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