CN105871434B - Mimo干扰信道的拓扑干扰对齐方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MIMO干扰信道的拓扑干扰对齐方法，其技术方案是：1)设置系统；2)根据所设置的系统，构建MIMO干扰信道的部分连接模型，并映射至相应的SISO干扰信道的部分连接模型；3)基于SISO干扰信道的部分连接模型分别求解SISO干扰信道系统中满足干扰对齐条件的预编码向量和解码向量和MIMO干扰信道满足干扰对齐条件的预编码矩阵和解码矩阵；5)对MIMO干扰信道系统中的发送信号进行时延扩展和预编码，并对接收信号进行转置和解码，实现干扰对齐的效果。本发明避免了现有技术对系统节点天线数的对称性限制，减小了研究模型的复杂性，优化了系统的自由度，可用于多输入多输出MIMO系统。

Description

MIMO干扰信道的拓扑干扰对齐方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种拓扑干扰对齐方法，可用于多输入多输出MIMO系统。

背景技术

无线通信技术经过几十年的发展，从系统所支持的信息传输速率，频谱利用率等各方面都获得了极大的提升。但随着用户数目的增加，干扰也越来越成为影响无线通信系统性能的一个重要制约因素。美国加州大学的Jafar教授提出的具有划时代意义的干扰对齐技术，因其能在抑制干扰的同时，保持合理的信号自由度而引起了学术界的广泛关注。

干扰对齐的思想是将信号空间划分为期望信号子空间和干扰信号子空间两个部分，通过预编码技术使干扰在接收端对齐，从而压缩干扰所占的信号维度，减少干扰对期望信号的影响，达到提高系统传输速率的目的。Jafar教授已经从理论上证明，通过干扰对齐技术，在K个用户的无线干扰信道中，每个用户最多能获得相当于只有一个用户时总频谱资源的1/2,K个用户能够获得的频谱资源为只有一个用户时的k/2倍。基于此，在干扰网络中信息理论的容量限制方面的研究逐步取得了引人注目的进步。尽管干扰对齐利用完全信道状态信息CSI,通过对多个用户或多个小区联合处理，消除了多小区系统中的小区间干扰，极大地提升了系统性能，然而在实际无线通信系统中，由于信道估计误差，信号的处理时延，以及信道时延等原因，发送端获知的CSI往往只是部分的且有误差的。当发送端得到的CSI不完全且存在误差时，发送端的预编码并不能将干扰信号完全地对齐到接收端的干扰子空间，从而极大地影响着干扰对齐在实际通信系统中的应用。且在当前国内外的研究中，对于发送端获得的非完全CSI的拓扑干扰对齐方案的研究还是较少。

研究者们在意识到了将基于获得完全信道状态信息CSI的假设基础上得到的研究结论推广到实践的困难后，开始着手将该假设的程度放宽。例如延迟CSI，混合CSI，可替换的CSI和具有相干模式的CSI，都是在非完全CSI下取得的研究成果。在这些研究成果的前提下，Jafar教授又创造性地提出了基于非完全信道状态信息CSI的拓扑干扰对齐技术，它的思想是没有完全CSI，仅仅是在粗略地区分点到点的单跳链路的干扰功率是强还是弱的情况下去研究干扰信道IC对无线网络传输速率的影响，具体通过索引编码的方法来解决单输入单输出SISO IC和对称多输入多输出MIMO IC中的拓扑干扰对齐问题，并分析了系统的最大可达自由度。

基于拓扑干扰对齐思想的提出，美国加州理工学院的Hassibi教授针对SISO干扰信道提出了一种基于矩阵填充的拓扑干扰对齐方案，该方案不仅能够达到干扰对齐的目的，还能使得系统取得最大化的自由度。之后，针对一种特定的时不变1×2单输入多输出SIMO IC模型，Jafar教授又通过空间分解的拓扑干扰对齐方法求得了其系统的自由度上界。

近来，法国通信系统工程师学校与研究中心的David Gesbert教授领导的团队针对时不变的分布式广播信道，提出基于部分连接模型的发送端协作的拓扑干扰对齐方案，进一步提升了系统的传输自由度。

以上研究虽然都是在非完全信道状态信息CSI下取得的研究成果，但是总体来看，在针对干扰信道的拓扑干扰对齐技术的研究中，仅考虑了收发端天线数目相等的SISO IC和对称的MIMO IC系统，存在很明显的场景局限。

发明内容

本发明的目的在于提出一种MIMO干扰信道的拓扑干扰对齐方法，以解决现有拓扑干扰对齐方法只能适用于收发端天线数目相等的MIMO IC系统的条件限制，并提高系统的传输速率。

本发明的技术思路是：通过基于单输入单输出干扰信道SISO IC满足拓扑干扰对齐条件的预编码向量和解码向量，为与该SISO IC具有相同的部分连接模型的多输入多输出干扰信道MIMO IC设计预编码矩阵和解码矩阵，并对发送信号进行时延扩展和预编码，对接收信号进行转置和解码，使其达到干扰对齐的效果。其实现方案包括如下：

1)系统设置:

设多输入多输出干扰信道MIMO IC系统包括K对收发端，第i个发射端配置M_i根天线，第i个接收端配置N_i根天线，i∈{1,2...,K}，M_i,N_i≥2；

2)构建多输入多输出干扰信道MIMO IC的部分连接模型:

根据多输入多输出干扰信道MIMO IC系统的传输要求设置干扰门限η，将来自多个干扰链路的干扰功率之和P与干扰门限η做比较，当P≥η时，将这些干扰链路都置为1，当P＜η时，则将这些干扰链路都置为0，忽略置0干扰链路对系统传输的影响，形成MIMO IC的部分连接模型，在此基础上将每个收发端视作单天线节点，就能够将MIMO IC的部分连接模型映射至相应的单输入单输出干扰信道SISO IC的部分连接模型；

3)求解单输入单输出干扰信道SISO IC的满足拓扑干扰对齐条件的预编码向量和解码向量

通过现有的索引编码或矩阵填充等方案可以求解出单输入单输出干扰信道SISOIC系统满足拓扑干扰对齐条件的预编码向量和解码向量并且在满足拓扑干扰对齐条件的SISO IC系统中，预编码向量的转置和解码向量的转置之间有着如下关系：

其中，S表示部分连接模型中干扰收发对的集合，(i,j)表示集合S中从发射端j到接收端i之间的干扰链路，i,j∈{1,2...,K}，T表示矩阵转置；

4)基于步骤3)中单输入单输出干扰信道SISO IC的拓扑干扰对齐的预编码向量和解码向量设计多输入多输出干扰信道MIMO IC拓扑干扰对齐的预编码矩阵V_i和解码矩阵u_i：

4.1)利用Kronecker积对单输入单输出干扰信道SISO IC中发射端i处的预编码向量进行扩展，得到多输入多输出干扰信道MIMO IC中发射端i处的预编码矩阵V_i；

4.2)设计多输入多输出干扰信道MIMO IC系统中第i个接收端处的解码矩阵u_i为：其中，表示满足拓扑干扰对齐条件的单输入单输出干扰信道SISO IC系统中第i个发射端的解码向量；

5)构建发射端i处的信号向量s_i，并使用Kronecker积对该信号向量s_i进行时延扩展，得到发射端i的信号矩阵R_i：

其中，e表示系统传输过程中所需的最小时隙数，I_e表示阶数为e的单位矩阵，表示Kronecker积；

6)构建发射端i处的发射信号矩阵X_i，并根据发射信号矩阵X_i，得出各个接收端接收到的信号矩阵Y_i；

7)对各接收端接收到的信号矩阵Y_i进行转置,得到转置后的信号矩阵并利用步骤4)中解得的多输入多输出干扰信道MIMO IC的解码矩阵u_i对该转置后的接收信号进行解码，得到接收端i处的转置接收信号向量l_i；

8)对转置接收信号向量l_i进行转置，得到无干扰的接收信号向量y_i。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.简化了系统研究模型：

本发明针对任意配置的多输入多输出干扰信道MIMO IC系统构建了其部分连接模型，简化了原多天线的配置模型；

2.本发明通过利用Kronecker积对多输入多输出干扰信道MIMO IC系统中的预编码矩阵和解码矩阵进行了联合设计，并结合了适当的信号处理技术，完成了任意配置的MIMO IC的拓扑干扰对齐；

3)本发明通过拓扑干扰对齐方案为多输入多输出干扰信道MIMO IC提供了系统可达自由度的下界从而说明了基于拓扑干扰对齐方案的MIMO IC系统至少能够取得个自由度。而在现有的任意配置的MIMO IC拓扑干扰对齐方案中，还没有系统可达自由度的明确结论。

附图说明

图1为本发明使用的MIMO IC模型示意图；

图2是本发明实现MIMO IC拓扑干扰对齐的流程图；

图3是本发明使用的MIMO IC的部分连接模型示意图；

图4是仿真使用的5用户MIMO IC的部分连接模型示意图；

图5是分别用本发明和现有的干扰避免方法对图4中的MIMO IC系统在收发端天线数给定的条件下进行干扰管理后每个用户获得的自由度对比图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的技术方案和效果作进一步详细描述。

参照图2，本发明的实现步骤如下：

步骤1.系统设置。

如图1所示，设多输入多输出干扰信道MIMO IC系统包括K对收发端，第i个发射端配置M_i根天线，第i个接收端配置N_i根天线，i∈{1,2...,K}，M_i，N_i≥2。

步骤2.构建多输入多输出干扰信道MIMO IC的部分连接模型。

根据多输入多输出干扰信道MIMO IC系统的传输要求设置干扰门限η，将来自多个干扰链路的干扰功率之和P与干扰门限η做比较，当P≥η时，将这些干扰链路都置为1，当P＜η时，则将这些干扰链路都置为0，并忽略置0干扰链路对系统传输的影响，形成MIMO IC的部分连接模型，如图3所示，在此基础上将每个收发端视作单天线节点，就能够将MIMO IC的部分连接模型映射至相应的单输入单输出干扰信道SISO IC的部分连接模型。

步骤3.求解单输入单输出干扰信道SISO IC的拓扑干扰对齐的预编码向量和解码向量

通过现有的索引编码或矩阵填充等方案可以求解出单输入单输出干扰信道SISOIC系统满足拓扑干扰对齐条件的预编码向量和解码向量并且在满足拓扑干扰对齐条件的SISO IC系统中，预编码向量的转置和解码向量的转置之间有着如下关系：

其中，S表示部分连接模型中干扰收发对的集合，(i,j)表示集合S中从发射端j到接收端i之间的干扰链路，i,j∈{1,2...,K}，T表示矩阵转置；

步骤4.基于步骤3中单输入单输出干扰信道SISO IC的拓扑干扰对齐的预编码向量和解码向量设计多输入多输出干扰信道MIMO IC拓扑干扰对齐的预编码矩阵V_i和解码矩阵u_i。

4.1)利用Kronecker积对单输入单输出干扰信道SISO IC中发射端i处的预编码向量进行扩展，得到多输入多输出干扰信道MIMO IC中发射端i处的预编码矩阵V_i；

当M_i≤N_i时，将发射端i上维度为(M_i×M_ie)的预编码矩阵表示为：

当M_i＞N_i时，将发射端i上维度为(N_i×N_ie)的预编码矩阵表示为：

其中，表示阶数为M_i的单位矩阵，表示阶数为N_i的单位矩阵；

4.2)设计多输入多输出干扰信道MIMO IC系统中第i个接收端处的解码矩阵u_i为：其中，表示满足拓扑干扰对齐条件的单输入单输出干扰信道SISO IC系统中第i个发射端的解码向量。

步骤5.构建发射端i处的信号向量s_i，并使用Kronecker积对该信号向量s_i进行时延扩展，得到发射端i的信号矩阵R_i。

5.1)构建发射端i处的信号向量s_i：

当M_i≤N_i时，将发射端i上维度为(M_i×1)的信号向量表示为：

当M_i＞N_i时，将发射端i上维度为(N_i×1)的信号向量表示为：

其中，s_im表示第i个发射端上信号向量s_i中的第m个信号分量，m∈{1,2,...,M_i},s_in表示第i个发射端上信号向量s_i中的第n个信号分量,n∈{1,2,...,N_i},T表示矩阵转置；

5.2)使用Kronecker积对该信号向量s_i进行时延扩展，得到发射端i的信号矩阵R_i：

其中，e表示系统传输过程中所需的最小时隙数，I_e表示阶数为e的单位矩阵，表示Kronecker积。

步骤6.构建发射端i处的发射信号矩阵X_i，并根据发射信号矩阵X_i，得出各个接收端接收到的信号矩阵Y_i。

6.1)构建发射端i处的发射信号矩阵X_i：

当M_i≤N_i时，将发射端i上维度为(M_i×e)的发射信号矩阵表示为：

当M_i＞N_i时，将发射端i上维度为(N_i×e)的发射信号矩阵表示为：

其中,表示阶数为M_i的单位矩阵，表示阶数为N_i的单位矩阵；

6.2)根据发射信号矩阵X_i，得出各个接收端接收到的信号矩阵Y_i：

当M_i≤N_i时，接收端i处接收到的信号矩阵为：

当M_i＞N_i时，接收端i处接收到的信号矩阵为：

其中，H_ij表示从发射端j到接收端i的信道矩阵，X_j表示第j个发射端上的发射信号矩阵，s_j表示第j个发射端上信号向量，N_i表示接收端i处接收到的噪声矩阵，s_jm表示第j个发射端的信号向量s_j中的第m个信号分量，s_jn表示第j个发射端的信号向量s_j中的第n个信号分量，F_j表示发射信号矩阵X_j的预处理矩阵， 表示阶数为N_j的单位矩阵，表示从发射端j到接收端i的等效信道矩阵，i,j∈{1,2,...,K}。

步骤7.对各接收端接收到的信号矩阵Y_i进行转置,得到转置后的信号矩阵并利用步骤4中解得的多输入多输出干扰信道MIMO IC的解码矩阵u_i对该转置后的接收信号进行解码，得到接收端i处的转置接收信号向量l_i。

7.1)按照如下规则对各接收端接收到的信号矩阵Y_i进行转置：

当M_i≤N_i时，将接收端i处转置后的接收信号矩阵表示为：

当M_i＞N_i时，将接收端i处转置后的接收信号矩阵表示为：

其中，T表示矩阵转置，s_jm表示第j个发射端的信号向量s_j中的第m个信号分量，s_jn表示第j个发射端的信号向量s_j中的第n个信号分量，H_ij表示从第j个发射端到第i个接收端的信道矩阵，表示接收端i处转置后的噪声矩阵，i,j∈{1,2,...,K}。

7.2)运用多输入多输出干扰信道MIMO IC的解码矩阵u_i对转置后的接收信号进行解码：

7.2a)按如下规则在接收端i处得到解码后的转置接收向量：

当M_i≤N_i时，得到在接收端i处解码后的转置接收向量l_i为:

当M_i＞N_i时，得到在接收端i处解码后的转置接收向量l_i为:

其中，T表示矩阵转置，s_jm表示第j个发射端的信号向量s_j中的第m个信号分量，s_jn表示第j个发射端的信号向量s_j中的第n个信号分量，H_ij表示从第j个发射端到第i个接收端的信道矩阵，表示解码噪声向量，

7.2b)根据步骤3)中单输入单输出干扰信道SISO IC的预编码向量的转置和解码向量的转置之间的关系，对步骤7.2a)中接收端i处解码后的转置接收向量l_i进行化简：

当M_i≤N_i时，7.2a)中在接收端i处解码后的转置接收向量l_i被化简为:

当M_i＞N_i时，7.2a)中在接收端i处解码后的转置接收向量l_i被化简为:

步骤8.对转置接收信号向量l_i进行转置，得到无干扰的接收信号向量y_i。

当M_i≤N_i时，在接收端i处经过转置的无干扰接收信号向量y_i为:

当M_i＞N_i时，在接收端i处经过转置的无干扰接收信号向量y_i为:

其中，T表示矩阵转置，H_ii表示从第i个发射端到第i个接收端的信道矩阵，表示转置后的解码噪声向量，

本发明的效果可以通过以下仿真结果进一步说明：

1.仿真条件：设定图4中的多输入多输出干扰信道MIMO IC系统的收发端天线数分别为2,4,6,8,10。

2.仿真内容：

用本发明和现有干扰避免方法对图4中的多输入多输出干扰信道MIMO IC系统在收发端天线数分别为2,4,6,8,10时每个用户获得的自由度进行仿真，结果如图5所示。

从图5可以看出：在收发端天线数相同的条件下，本发明使得系统中每个用户所达到的自由度远高于基于干扰避免方法所达到的自由度。

Claims (8)

1.一种MIMO干扰信道的拓扑干扰对齐方法，包括：

1)系统设置:

设多输入多输出干扰信道MIMO IC系统包括K对收发端，第i个发射端配置M_i根天线，第i个接收端配置N_i根天线，i∈{1,2...,K}，M_i,N_i≥2；

2)构建多输入多输出干扰信道MIMO IC的部分连接模型:

根据多输入多输出干扰信道MIMO IC系统的传输要求设置干扰门限η，将来自多个干扰链路的干扰功率之和P与干扰门限η做比较，当P≥η时，将这些干扰链路都置为1，当P＜η时，则将这些干扰链路都置为0，忽略置0干扰链路对系统传输的影响，形成MIMO IC的部分连接模型，在此基础上将每个收发端视作单天线节点，就能够将MIMO IC的部分连接模型映射至相应的单输入单输出干扰信道SISO IC的部分连接模型；

3)求解单输入单输出干扰信道SISO IC的满足拓扑干扰对齐条件的预编码向量和解码向量

通过现有的索引编码或矩阵填充方案求解出单输入单输出干扰信道SISO IC系统满足拓扑干扰对齐条件的预编码向量和解码向量并且在满足拓扑干扰对齐条件的SISOIC系统中，预编码向量的转置和解码向量的转置之间有着如下关系：

其中，S表示部分连接模型中干扰收发对的集合，(i,j)表示集合S中从发射端j到接收端i之间的干扰链路，i,j∈{1,2...,K}，T表示矩阵转置；

4)基于步骤3)中单输入单输出干扰信道SISO IC的拓扑干扰对齐的预编码向量和解码向量设计多输入多输出干扰信道MIMO IC拓扑干扰对齐的预编码矩阵V_i和解码矩阵u_i：

4.1)利用Kronecker积对单输入单输出干扰信道SISO IC中发射端i处的预编码向量进行扩展，得到多输入多输出干扰信道MIMO IC中发射端i处的预编码矩阵V_i；

4.2)设计多输入多输出干扰信道MIMO IC系统中第i个接收端处的解码矩阵u_i为：其中，表示满足拓扑干扰对齐条件的单输入单输出干扰信道SISO IC系统中第i个发射端的解码向量；

5)构建发射端i处的信号向量s_i，并使用Kronecker积对该信号向量s_i进行时延扩展，得到发射端i的信号矩阵R_i：

其中，e表示系统传输过程中所需的最小时隙数，I_e表示阶数为e的单位矩阵，表示Kronecker积；

6)构建发射端i处的发射信号矩阵X_i，并根据发射信号矩阵X_i，得出各个接收端接收到的信号矩阵Y_i；

7)对各接收端接收到的信号矩阵Y_i进行转置,得到转置后的信号矩阵并利用步骤4)中解得的多输入多输出干扰信道MIMO IC的解码矩阵u_i对该转置后的接收信号进行解码，得到接收端i处的转置接收信号向量l_i；

8)对转置接收信号向量l_i进行转置，得到无干扰的接收信号向量y_i。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤4.1)中利用Kronecker积对单输入单输出干扰信道SISO IC的预编码向量进行扩展，按照如下规则进行：

当M_i≤N_i时，将发射端i上维度为(M_i×M_ie)的预编码矩阵表示为：

当M_i＞N_i时，将发射端i上维度为(N_i×N_ie)的预编码矩阵表示为：

其中，表示阶数为M_i的单位矩阵，表示阶数为N_i的单位矩阵。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤5)中构建发射端i处的信号向量s_i，按照如下规则进行：

当M_i≤N_i时，将发射端i上维度为(M_i×1)的信号向量表示为：

当M_i＞N_i时，将发射端i上维度为(N_i×1)的信号向量表示为：

其中，s_im表示第i个发射端上信号向量s_i中的第m个信号分量，m∈{1,2,...,M_i},s_in表示第i个发射端上信号向量s_i中的第n个信号分量,n∈{1,2,...,N_i},T表示矩阵转置。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤6)中构建发射端i处的发射信号矩阵X_i，按照如下规则进行：

当M_i≤N_i时，将发射端i上维度为(M_i×e)的发射信号矩阵表示为：

当M_i＞N_i时，将发射端i上维度为(N_i×e)的发射信号矩阵表示为：

其中,表示阶数为M_i的单位矩阵，表示阶数为N_i的单位矩阵。

5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤6)中根据发射信号矩阵X_i，得出各个接收端接收到的信号矩阵Y_i，按照如下规则进行：

当M_i≤N_i时，接收端i处接收到的信号矩阵为：

当M_i＞N_i时，接收端i处接收到的信号矩阵为：

其中，H_ii表示从第i个发射端到第i个接收端的信道矩阵，H_ij表示从发射端j到接收端i的信道矩阵，X_j表示第j个发射端上的发射信号矩阵，s_j表示第j个发射端上信号向量，N_i表示接收端i处接收到的噪声矩阵，s_jm表示第j个发射端的信号向量s_j中的第m个信号分量，s_jn表示第j个发射端的信号向量s_j中的第n个信号分量，F_j表示发射信号矩阵X_j的预处理矩阵， 表示阶数为N_j的单位矩阵，表示从发射端j到接收端i的等效信道矩阵，i,j∈{1,2,...,K}。

6.根据权利要求1所述的方法，其中步骤7)中对各接收端接收到的信号矩阵Y_i进行转置，按照如下规则进行：

当M_i≤N_i时，将接收端i处转置后的接收信号矩阵表示为：

当M_i＞N_i时，将接收端i处转置后的接收信号矩阵表示为：

其中，T表示矩阵转置，s_jm表示第j个发射端的信号向量s_j中的第m个信号分量，s_jn表示第j个发射端的信号向量s_j中的第n个信号分量，H_ij表示从第j个发射端到第i个接收端的信道矩阵，表示接收端i处转置后的噪声矩阵，i,j∈{1,2,...,K}。

7.根据权利要求1所述的方法，其中步骤7)中运用多输入多输出干扰信道MIMO IC的解码矩阵u_i对转置后的接收信号进行解码，按照如下步骤进行：

7a)在接收端i处得到解码后的转置接收向量：

当M_i≤N_i时，得到在接收端i处解码后的转置接收向量l_i为:

当M_i＞N_i时，得到在接收端i处解码后的转置接收向量l_i为:

其中，T表示矩阵转置，s_jm表示第j个发射端的信号向量s_j中的第m个信号分量，s_jn表示第j个发射端的信号向量s_j中的第n个信号分量，H_ij表示从第j个发射端到第i个接收端的信道矩阵，表示解码噪声向量，

7b)根据步骤3)中单输入单输出干扰信道SISO IC的预编码向量的转置和解码向量的转置之间的关系对7a)中接收端i处解码后的转置接收向量l_i进行化简：

当M_i≤N_i时，7a)中在接收端i处解码后的转置接收向量l_i被化简为:

当M_i＞N_i时，7a)中在接收端i处解码后的转置接收向量l_i被化简为:

8.根据权利要求1所述的方法，其中步骤8)中对转置接收信号向量l_i进行转置得到无干扰的接收信号向量y_i，按照如下规则进行：

当M_i≤N_i时，在接收端i处经过转置的无干扰接收信号向量y_i为:

当M_i＞N_i时，在接收端i处经过转置的无干扰接收信号向量y_i为:

其中，T表示矩阵转置，H_ii表示从第i个发射端到第i个接收端的信道矩阵，表示转置后的解码噪声向量，