CN105915270B - 两小区的mimo-mac中一种消除多用户干扰的方法 - Google Patents

两小区的mimo-mac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MIMO‑MAC中一种消除多用户干扰的方法，适用于两个小区且每个小区有K个用户的上行传输系统，且每个基站和每个用户都配置N根天线，N≥K+1，每个基站向每个用户发送导频序列，根据信道的互易特性，每个用户都能得到该用户到两个基站的信道矩阵，每个用户对其调制信号进行Alamouti编码以及预编码，使得预编码后每个基站的非期望接收码字对应的信道矩阵为收发双方约定的矩阵，这样基站就能将所有的非期望接收码字视为一个Alamouti码字，基站再利用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码字的每个元素。

Description

两小区的MIMO-MAC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-MAC中一种消除多用户干扰的方法。
背景技术
MIMO技术能够在不增加频谱资源的情况下提高系统的频谱效率、降低发射功率、减少小区内干扰以及小区间干扰。MIMO技术采用空时分组码能获得分集增益，Alamouti编码是研究的最多的空时分组码。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 cancellation scheme basedon Alamouti code for the three-user multi-input-multi-output interferencechannel”指出，利用此正交特性可以分离接收到的多个Alamouti码字。
根据用户数的不同，MIMO技术可分为单用户MIMO和多用户MIMO。多小区多输入多输出多址接入信道(MIMO-MAC,Milti-Input Multi-Output Multiple Access Channel)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，每个用户都要与为自身服务的基站交互信息，这样就存在小区内用户的干扰和小区间用户的干扰，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MIMO-MAC中来消除部分或全部多用户干扰。比如，文献“Limited feedback design for interference alignment on two-cell interfering mimo-mac”和文献“New interference alignment algorithm basedon desired signals for two-cell mimo interfering multiple-access channels”。然而，干扰对齐需要发送端已知信道状态信息(CSI,Channel State Information)或者需要把预编码矩阵反馈到用户，反馈量较高，这样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-MAC中一种消除多用户干扰的方法，适用于两个小区且每个小区有K个用户的上行传输系统，且每个基站和每个用户都配置N根天线，N≥K+1，本发明能极大地降低反馈量。
实现本发明的技术思路是：每个基站向每个用户发送导频序列，根据信道的互易特性，每个用户都能得到该用户到两个基站的信道矩阵，每个用户对其调制信号进行Alamouti编码以及预编码，使得预编码后每个基站的非期望接收码字对应的信道矩阵为收发双方约定的矩阵，这样基站就能将所有的非期望接收码字视为一个Alamouti码字，基站再利用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码字的每个元素，其具体步骤包括如下：
A，两个基站和2K个用户约定阶数为N×2的非零矩阵Q，在一段时间内，Q保持不变，K是每个小区的用户数，N是每个基站和每个用户配置的天线数；
B，基站1向小区2的K个用户发送导频序列，小区2的每个用户由此估计出该用户到基站1的信道状态信息；
C，基站2向小区1的K个用户发送导频序列，小区1的每个用户由此估计出该用户到基站2的信道状态信息；
D，两个用户对调制信号进行空时编码和预编码，然后将预编码后的码字发送出去；
E，两个基站接收信号、分离码字并且译码码字的每个元素。
进一步，所述步骤B具体包括：
B1，基站1向小区2的所有用户发送导频序列，小区2的每个用户估计出基站1到该用户的信道矩阵；
B2，根据信道的互易特性，小区2的用户k得到该用户到基站1的信道矩阵H2k，k＝1,2,…,K，K是每个小区的用户数，信道矩阵的阶数均为N×N，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2向小区1的所有用户发送导频序列，小区1的每个用户估计出基站2到该用户的信道矩阵；
C2，根据信道的互易特性，小区1的用户k得到该用户到基站2的信道矩阵G1k，k＝1,2,…,K，K是每个小区的用户数，信道矩阵的阶数均为N×N，N是每个基站和每个用户配置的天线数。
进一步，所述步骤D具体包括：
D1，小区1的用户k对期望发送给基站1的调制信号xk1和xk2进行Alamouti编码，得到k＝1,2,…,K，K是每个小区的用户数；
D2，小区2的用户k对期望发送给基站2的调制信号sk1和sk2进行Alamouti编码，得到k＝1,2,…,K，K是每个小区的用户数；
D3，小区1的用户k令Vk＝(G1k)-1Q，k＝1,2,…,K，K是每个小区的用户数，G1k是小区1的用户k到基站2的信道矩阵，(·)-1表示矩阵的逆，Q是两个基站和2K个用户约定的阶数为N×2的矩阵，||Vk||＝1，||·||表示范数，Vk的阶数为N×2，N是每个基站和每个用户配置的天线数，小区1的用户k对Xk进行预编码得到码字VkXk；
D4，小区2的用户k令Uk＝(H2k)-1Q，k＝1,2,…,K，K是每个小区的用户数，H2k是小区2的用户k到基站1的信道矩阵，(·)-1表示矩阵的逆，Q是两个基站和2K个用户约定的阶数为N×2的矩阵，||Uk||＝1，||·||表示范数，Uk的阶数为N×2，N是每个基站和每个用户配置的天线数，小区2的用户k对Sk进行预编码得到码字UkSk；
D5，在相同的时间内，小区1的用户k发送VkXk，小区2的用户k发送UkSk，k＝1,2,…,K，K是每个小区的用户数。
进一步，所述步骤E具体包括：
E1，基站1和和基站2接收信号，用Y1表示基站1的接收信号，用Y2表示基站2的接收信号，Y1和Y2分别可以表示为H1k是小区1的用户k到基站1的信道矩阵，G2k是小区2的用户k到基站2的信道矩阵，H1k和G2k的阶数均为N×N，k＝1,2,…,K，N1和N2都是阶数为N×2的噪声矩阵，N是每个基站和每个用户配置的天线数；
E2，基站1将Y1中的X1、X2……XK和视为K+1个未知的Alamouti码字，将Y1中的H11(G11)-1、H12(G12)-1……H1K(G1K)-1和Q视为这K+1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Y1中的这K+1个Alamouti码字，然后译码前K个码字的每个元素，K是每个小区的用户数；
E3，基站2将Y2中的S1、S2……SK和视为K+1个未知的Alamouti码字，将Y2中的G21(H21)-1、G22(H22)-1……G2K(H2K)-1和Q视为这K+1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Y2中的这K+1个Alamouti码字，然后译码前K个码字的每个元素，K是每个小区的用户数。
现有的方案中，预编码矩阵的设计与全部的信道状态信息(CSI)有关，需要在基站端计算得到预编码矩阵，再将预编码矩阵的元素反馈给每个用户。本发明中每个用户的预编码矩阵只与用户的本地CSI和收发双方约定的矩阵有关，用户根据基站发送的导频序列就能估计出本地CSI，而收发双方约定的矩阵在一段时间内保持不变，不需要实时反馈，从而本发明极大地减少了反馈量。
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，包含两个小区，考虑上行链路。每个小区包括一个微型基站和K个用户，每个基站和每个用户都配置N根天线。
两个基站和2K个用户约定阶数为N×2的非零矩阵Q，在一段时间内，Q保持不变。
基站1向小区2的所有用户发送导频序列，小区2的每个用户估计出基站1到该用户的信道矩阵，根据信道的互易特性，小区2的用户k可以得到该用户到基站1的信道矩阵，用H2k表示小区2的用户k到基站1的信道矩阵，k＝1,2,…,K，K是每个小区的用户数，信道矩阵的阶数均为N×N。
基站2向小区1的所有用户发送导频序列，小区1的每个用户估计出基站2到该用户的信道矩阵，根据信道的互易特性，小区1的用户k可以得到该用户到基站2的信道矩阵，用G1k表示小区1的用户k到基站2的信道矩阵，k＝1,2,…,K，K是每个小区的用户数，信道矩阵的阶数均为N×N。
xk1和xk2表示小区1的第k个用户期望发送给基站1的信号，k＝1,2,…,K，sk1和sk2表示小区2的第k个用户期望发送给基站2的信号。小区1的用户k对xk1和xk2进行Alamouti编码，得到对Xk进行预编码得到VkXk，Vk的阶数为N×2，||Vk||＝1，||·||表示范数；小区2的用户k对sk1和sk2进行Alamouti编码，得到对Sk进行预编码得到UkSk，Uk的阶数为N×2，||Uk||＝1。
在相同的时间内，小区1的用户k发送VkXk，小区2的用户k发送UkSk，k＝1,2,…,K，则基站1的接收信号Y1和基站2的接收信号Y2可以分别表示为
其中，N1和N2都是阶数为N×2的噪声矩阵，H1k表示第1个小区的用户k到基站1的信道矩阵，H2k表示小区2的用户k到基站1的信道矩阵，G1k表示小区1的用户k到基站2的信道矩阵，G2k表示第2个小区的用户k到基站2的信道矩阵，k＝1,2,…,K。
令Uk＝(H2k)-1Q且Vk＝(G1k)-1Q，则Y1和Y2可以分别表示为
Xk和Sk都是Alamouti码字，k＝1,2,…,K，从而和都具有Alamouti码字的结构，可以视为Alamouti码字，从而式(3)包含K+1个Alamouti码字，式(4)也包含K+1个Alamouti码字。
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，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，只要N≥K+1，基站就能逐步分离式(3)和式(4)中包含的K+1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，分集增益为2。
本发明中的预编码矩阵与本地信道状态信息(CSI)和Q有关，Q由基站和用户约定并且在一段时间内保持不变，从而本发明极大地减少了反馈量。
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，两个基站和2K个用户约定阶数为N×2的非零矩阵Q，在一段时间内，Q保持不变，K是每个小区的用户数，N是每个基站和每个用户配置的天线数；
B，基站1向小区2的K个用户发送导频序列，小区2的每个用户由此估计出该用户到基站1的信道状态信息；
C，基站2向小区1的K个用户发送导频序列，小区1的每个用户由此估计出该用户到基站2的信道状态信息；
D，两个用户对调制信号进行空时编码和预编码，然后将预编码后的码字发送出去；
E，两个基站接收信号、分离码字并且译码码字的每个元素。
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，两个基站和2K个用户约定阶数为N×2的非零矩阵Q，在一段时间内，Q保持不变；
B1，基站1向小区2的所有用户发送导频序列，小区2的每个用户估计出基站1到该用户的信道矩阵；
B2，根据信道的互易特性，小区2的用户k得到该用户到基站1的信道矩阵H2k，k＝1,2,…,K，K是每个小区的用户数，信道矩阵的阶数均为N×N，N是每个基站和每个用户配置的天线数；
C1，基站2向小区1的所有用户发送导频序列，小区1的每个用户估计出基站2到该用户的信道矩阵；
C2，根据信道的互易特性，小区1的用户k得到该用户到基站2的信道矩阵G1k，k＝1,2,…,K，K是每个小区的用户数，信道矩阵的阶数均为N×N，N是每个基站和每个用户配置的天线数；
D1，小区1的用户k对期望发送给基站1的调制信号xk1和xk2进行Alamouti编码，得到k＝1,2,…,K，K是每个小区的用户数；
D2，小区2的用户k对期望发送给基站2的调制信号sk1和sk2进行Alamouti编码，得到k＝1,2,…,K，K是每个小区的用户数；
D3，小区1的用户k令Vk＝(G1k)-1Q，k＝1,2,…,K，K是每个小区的用户数，G1k是小区1的用户k到基站2的信道矩阵，(·)-1表示矩阵的逆，Q是两个基站和2K个用户约定的阶数为N×2的矩阵，||Vk||＝1，||·||表示范数，Vk的阶数为N×2，N是每个基站和每个用户配置的天线数，小区1的用户k对Xk进行预编码得到码字VkXk；
D4，小区2的用户k令Uk＝(H2k)-1Q，k＝1,2,…,K，K是每个小区的用户数，H2k是小区2的用户k到基站1的信道矩阵，(·)-1表示矩阵的逆，Q是两个基站和2K个用户约定的阶数为N×2的矩阵，||Uk||＝1，||·||表示范数，Uk的阶数为N×2，N是每个基站和每个用户配置的天线数，小区2的用户k对Sk进行预编码得到码字UkSk；
D5，在相同的时间内，小区1的用户k发送VkXk，小区2的用户k发送UkSk，k＝1,2,…,K，K是每个小区的用户数；
E1，基站1和和基站2接收信号，用Y1表示基站1的接收信号，用Y2表示基站2的接收信号，Y1和Y2分别可以表示为H1k是小区1的用户k到基站1的信道矩阵，G2k是小区2的用户k到基站2的信道矩阵，H1k和G2k的阶数均为N×N，k＝1,2,…,K，N1和N2都是阶数为N×2的噪声矩阵，N是每个基站和每个用户配置的天线数；
E2，基站1将Y1中的X1、X2……XK和视为K+1个未知的Alamouti码字，将Y1中的H11(G11)-1、H12(G12)-1……H1K(G1K)-1和Q视为这K+1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Y1中的这K+1个Alamouti码字，然后译码前K个码字的每个元素，K是每个小区的用户数；
E3，基站2将Y2中的S1、S2……SK和视为K+1个未知的Alamouti码字，将Y2中的G21(H21)-1、G22(H22)-1……G2K(H2K)-1和Q视为这K+1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Y2中的这K+1个Alamouti码字，然后译码前K个码字的每个元素，K是每个小区的用户数。
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-MAC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个用户的上行传输系统，且每个基站和每个用户都配置N根天线，N≥K+1，其特征在于，包括如下步骤：
A，两个基站和2K个用户约定阶数为N×2的非零矩阵Q，在一段时间内，Q保持不变，K是每个小区的用户数，N是每个基站和每个用户配置的天线数；
B，基站1向小区2的K个用户发送导频序列，小区2的每个用户由此估计出该用户到基站1的信道状态信息，具体过程如下：
B1，基站1向小区2的所有用户发送导频序列，小区2的每个用户估计出基站1到该用户的信道矩阵；
B2，根据信道的互易特性，小区2的用户k得到该用户到基站1的信道矩阵H2k，k＝1,2,L,K，K是每个小区的用户数，信道矩阵的阶数均为N×N，N是每个基站和每个用户配置的天线数；
C，基站2向小区1的K个用户发送导频序列，小区1的每个用户由此估计出该用户到基站2的信道状态信息，具体过程如下：
C1，基站2向小区1的所有用户发送导频序列，小区1的每个用户估计出基站2到该用户的信道矩阵；
C2，根据信道的互易特性，小区1的用户k得到该用户到基站2的信道矩阵G1k，k＝1,2,L,K，K是每个小区的用户数，信道矩阵的阶数均为N×N，N是每个基站和每个用户配置的天线数；
D，两个用户对调制信号进行空时编码和预编码，然后将预编码后的码字发送出去，具体过程如下：
D1，小区1的用户k对期望发送给基站1的调制信号xk1和xk2进行Alamouti编码，得到Alamouti码字Xk，其中Alamouti编码是一种空时分组码，k＝1,2,L,K，K是每个小区的用户数，(·)*表示共轭；
D2，小区2的用户k对期望发送给基站2的调制信号sk1和sk2进行Alamouti编码，得到k＝1,2,L,K，K是每个小区的用户数，(·)*表示共轭；
D3，小区1的用户k令Vk＝(G1k)-1Q，k＝1,2,L,K，K是每个小区的用户数，G1k是小区1的用户k到基站2的信道矩阵，(·)-1表示矩阵的逆，Q是两个基站和2K个用户约定的阶数为N×2的矩阵，||Vk||＝1，||·||表示范数，Vk的阶数为N×2，N是每个基站和每个用户配置的天线数，小区1的用户k对Xk进行预编码得到码字VkXk；
D4，小区2的用户k令Uk＝(H2k)-1Q，k＝1,2,L,K，K是每个小区的用户数，H2k是小区2的用户k到基站1的信道矩阵，(·)-1表示矩阵的逆，Q是两个基站和2K个用户约定的阶数为N×2的矩阵，||Uk||＝1，||·||表示范数，Uk的阶数为N×2，N是每个基站和每个用户配置的天线数，小区2的用户k对Sk进行预编码得到码字UkSk；
D5，在相同的时间内，小区1的用户k发送VkXk，小区2的用户k发送UkSk，k＝1,2,L,K，K是每个小区的用户数；
E，两个基站接收信号、分离码字并且译码码字的每个元素，具体过程如下：
E1，基站1和和基站2接收信号，用Y1表示基站1的接收信号，用Y2表示基站2的接收信号，Y1和Y2分别可以表示为H1k是小区1的用户k到基站1的信道矩阵，G2k是小区2的用户k到基站2的信道矩阵，H1k和G2k的阶数均为N×N，k＝1,2,L,K，K是每个小区的用户数，N1和N2都是阶数为N×2的噪声矩阵，N是每个基站和每个用户配置的天线数；
E2，基站1将Y1中的X1、X2……XK和视为K+1个未知的Alamouti码字，将Y1中的H11(G11)-1、H12(G12)-1……H1K(G1K)-1和Q视为这K+1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Y1中的这K+1个Alamouti码字，然后译码前K个码字的每个元素，K是每个小区的用户数；
E3，基站2将Y2中的S1、S2……SK和视为K+1个未知的Alamouti码字，将Y2中的G21(H21)-1、G22(H22)-1……G2K(H2K)-1和Q视为这K+1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Y2中的这K+1个Alamouti码字，然后译码前K个码字的每个元素，K是每个小区的用户数。
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