CN106060950A - 一种基于机会干扰对齐的蜂窝下行信道中数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于机会干扰对齐的蜂窝下行信道中数据传输方法。包括步骤：基站广播包括S个M×1维的信号子空间给小区内的所有用户，M为发射端的天线数，用户端根据使用尽可能与干扰向量正交的原则设计接收译码矩阵并反馈干扰泄漏值。基站端根据用户端的反馈选择S个具有最小干扰泄漏的用户，基站端根据设计的内外层预编码进行下行数据的传输。针对蜂窝网络下行干扰信道，综合考虑了小区内用户受到的小区间干扰和小区内干扰，提出一种基于机会干扰对齐的蜂窝下行信道中数据传输方法，该算法通过基站广播预设的干扰子空间，并根据用户的反馈值选择受到其他小区干扰最小的若干个用户进行通信，该级联预编码算法可以消除小区内用户间干扰同时有效抑制小区间的干扰。

Description

一种基于机会干扰对齐的蜂窝下行信道中数据传输方法

技术领域

本发明属于多小区多用户MIMO信道的干扰消除技术领域，具体设计一种基于双层预编码的干扰对齐数据传输方法，特别涉及利用了信道随机性的机会式干扰对齐方法。

背景技术

从上世纪末开始，输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)的多天线技术已经逐渐从理论研究转化为实际应用，并在各种无线通信系统中得到广泛的应用，有效地提高了无线传输的有效性和可靠性。研究表明，在高信噪比信道中，信道容量随着发射天线和接收天线的数量最小值呈线性增长，与单天线通信系统相比，在相同的带宽下MIMO系统利用空间资源不仅可以获得更大的复用增益和自由度，提高无线通信系统的传输速率，也可以获得分集增益，提高无线系统的可靠性，因此多天线技术已经成为未来无线通信的关键技术。但同时，随着通信技术的发展和用户数的快速增长，通信环境越来越复杂，未来蜂窝通信系统中面临着更加复杂的小区内部和小区之间的相互干扰。传统的干扰消除方法大部分是将利用信号的正交化或者将干扰当作噪声忽略处理，而MIMO系统可以利用多天线获得的空间维度，为干扰消除提供了新的思路。其中，预编码技术是MIMO系统中比较常用的利用信道状态信息(Channel State Information,CSI)对发送符号进行预处理以达到消除干扰和提高系统容量目的的信号处理技术。干扰对齐是一种利用预编码技术进行干扰消除的技术，常见的多小区MIMO系统中的干扰对齐方法大多存在着复杂度较高且需要迭代计算的问题。

申请号为CN201410721400.1的专利公开了一种基于分组的多用户蜂窝小区干扰对齐系统及其方法，该方法包括了信道状态信息(CSI)获取模块、预编码设计模块、共享模块、功率控制模块和干扰的消除模块，同时提供了基于分组的多址接入信道中的干扰对齐算法，即将系统中的G*K个用户分成K组后，针对 每个接收端接收到的干扰信号，利用矩阵的性质将系统中的干扰对齐。但是，基于分组的干扰对齐方法最终还是要回归于分布式算法，存在着计算复杂度较高的问题，该方法仍然是一种将干扰对齐应用到蜂窝上行信道中的很好解决方案。

申请号为CN201510027052.2的专利公开了一种时分双工蜂窝网络上行机会式干扰对齐及消除方法。在该方法中，各小区基站首先确定自己的信号空间并广播给所有用户，每个用户计算自身的预编码矩阵及其调度准则，并将其反馈给自己的服务基站，在基站选中若干个服务用户后，用户开始发送上行数据。该方法利用了机会式调度准则选择服务用户，不需要迭代获得发送预编码矩阵及其基站的接收滤波矩阵，实现了较低了实施复杂度，而且该方法可以充分利用蜂窝网络中的多用户分集增益，以及基站的回程链路资源，实现网络吞吐量的提升。

申请号为CN201510637611.1的专利提供了一种基于干扰对齐的蜂窝网络下行链路自适应预编码方法，基于用户业务需求的带宽反馈设计，信道状态信息的统一设计，基站协作模式的离线搜索与保存,基于业务请求的模式匹配，级联式预编码设计以及发射功率控制方案等。在该方法中，信道状态信息(CSI)反馈设计采用了一种新的复合信道，与传统的方法相比，节约了一半带宽。该方法可在双蜂窝小区全频率复用场景下，可以实现更少的发射功率满足不同业务类型下用户需要的多种速率。

本发明提出了一种基于机会干扰对齐的蜂窝下行信道中数据传输方法，用非迭代方式设计了发送预编码和译码矩阵，相比较于经典随机波束赋形的用户调度方法，本发明提出的机会用户选择方式可以实现更大的系统和容量。

发明内容

本发明为解决以上技术问题，本发明利用随机波束赋形中的机会调度用户思想，提出一种基于机会干扰对齐的蜂窝下行信道中数据传输方法，用于解决传统的多小区MIMO系统的干扰对齐需要迭代且复杂度较高的问题。

本发明的技术方案如下：

一种基于机会干扰对齐的蜂窝下行信道中数据传输方法，假设蜂窝通信系统中小区数目为K，每个小区基站端的天线数为M，收端天线数为L，本方法根据设定的算法机会式选中S个用户进行下行的数据传输，其具体包括如下步骤：步骤1、基站广播包括S个M×1维的信号子空间给小区内的所有用户，信号子空间即外层预编码矩阵，M表示基站端的天线数。

步骤2、用户端在收到基站端的信号子空间后计算本小区信号子空间对应的零空间以及收到的其他小区的干扰，并以小区间干扰最对齐为准则向基站反馈有用信号空间向量和调度系数，基站根据调度系数选择S个用户进行下行通信，并根据迫零法设计内层预编码矩阵；

步骤3、基站端根据用户端的反馈选择S个具有最小干扰泄漏的用户；

步骤4、步骤3选择出的用户采用步骤1设计的外层预编码矩阵、步骤2设计的内层预编码矩阵进行下行数据的传输。

进一步的，基站广播S个M×1维的信号子空间即外层预编码矩阵，具体为：

第k个小区的信号子空间为P_k＝[p_1,k,...,p_S,k]，其中p_s,k∈C^M×1是一组正交基，k∈K,s＝1,...,S，第k个基站在M维空间下独立生成p_s,k，C^M×1表示的是一个向量的张成维度，说明它是一个M×1维的矩阵，则小区k到第i个小区内的j用户的等效信道矩阵为H_k ^[i,j]P_k；S为选中的用户数，M为基站端的天线数，基站将各自的信号子空间广播给用户，用户端已知了等效信道矩阵H_k ^[i,j]P_k。

进一步的，用户端以小区间干扰最对齐为准则向基站反馈有用信号空间向量和调度系数，具体为：

反馈调度系数为：定义i小区内第j个用户的接收端译码向量为：

u_[i,j]∈C^L×1,i.e.,||u_[i,j]||²＝1，L表示的是用户收端的天线数目(1)

该向量为：

$u_{\[i,j\]}=\arg \underset{u}{\min }{||G^{\[i,j\]}u||}^2,---\left(2\right)$

其中：

G^[i,j]＝[(H₁ ^[i,j]P₁),...,(H_K ^[i,j]P_K)]^H∈C^(K-1)S×L，K表示小区数，S表示选中的用户数，G^[i,j]表示干扰矩阵(3)

同时，定义i小区中j用户的调度系数η^[i,j]可定义为接收的其他小区的干扰之和：

${\mathrm{\η}}^{\[i,j\]}=\underset{k=1,k\≠i}{\overset{K}{\Σ}}\left|\right|u_{\[i,j\]}{H_k}^{\[i,j\]}{P}_k|{|}^2,---\left(4\right)$

对G^[i,j]做奇异值分解，得到：G^[i,j]＝Ω^[i,j]Χ^[i,j]V^[i,j]H，其中，Ω^[i,j]∈C^(K-1)S×L,V^[i,j]∈C^L×L是L列的正交向量， 表示的是经过奇异值分解后的奇异值，要求选取V^[i,j]的最后一列作为u_[i,j]，即i小区的j用户选取G^[i,j]的最小的奇异值对应的右奇异向量作为接收端译码向量，此时反馈的调度系数为最小奇异值的二范数，即： 表示最小奇异值的二范数，所有用户都将该指数η^[i,j]作为调度系数反馈给相应的基站，同时每个用户都可以根据接收到的波束赋形估计接收到的其他小区的干扰，除了这个调度系数，每个用户同时还要向其对应的基站报告有效的信道向量u_[i,j] ^HH_k ^[i,j]P_i。

进一步的，步骤3基站端根据用户端的反馈选择S个具有最小干扰泄漏的用户，具体为：每个基站根据接收到的N个用户的调度系数选择S个干扰系数最小的用户即干扰泄漏值η^[i,j]最小的用户作为服务用户。

进一步的，步骤4、基站端进行下行数据的传输具体为：

基站i发送给本小区内用户j的传输信号为v_[i,j]x^[i,j]，其中x^[i,j]是传输符号功率，对于给定的S个用户内层预编码矩阵为：

V_i＝[v_i,1,...,v_i,S]。 (5)

其中，v_i,s∈C^S×1,i∈K,s∈S{1,...,S}，小区i的传输信号向量是x_i＝[x^[i,1],...,x^[i,S]]^T，因此小区i内j用户的接收信号可以写作：

其中，z^[i,j]∈C^S×1是附加噪声，i小区的j用户经过接收端波束赋形向量处理后可以写成：

$\begin{array}{c}{y}^{\[i,j\]}={u_{\[i,j\]}}^H{H_i}^{\[i,j\]}{P}_i{v}_{\[i,j\]}{x}^{\[i,j\]}\\ +{u_{\[i,j\]}}^H{H_i}^{\[i,j\]}{P}_i\underset{s=1,s\≠j}{\overset{S}{\Σ}}{v}_{\[i,j\]}{x}^{\[i,s\]}\\ +{u_{\[i,j\]}}^H\underset{k=1,k\≠i}{\overset{K}{\Σ}}{H_k}^{\[i,j\]}{P}_k{v}_k{x}_k+{u_{\[i,j\]}}^H{z}^{\[i,j\]}\end{array},---\left(7\right)$

在(7)中，第一项为期望信号，第二项为小区内的(S-1)个干扰，第三项为小区间干扰。

进一步的，在设计好内层预编码矩阵v_[i,j]和接收滤波矩阵u_[i,j]后，小区i中第j个用户的第m个数据流上的信干噪比SINR_m ^[i,j]可以表示为：

${{\mathrm{SINR}}_m}^{\[i,j\]}=\frac{{\left|{u_m}^{{\[i,j\]}^H}{H_i}^{\[i,j\]}{V_m}^{\[i,j\]}\right|}^2}{{\mathrm{\σ}}^2{||{u_m}^{\[i,j\]}||}^2+{I_m}^{\[i,j\]}},---\left(8\right)$

其中u_m ^[i,j]为接收译码矩阵u^[i,j]的第m列，V_m ^[i,j]为预编码矩阵的第m列。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明结合了级联预编码和随机波束赋形思想。考虑基站向其服务的每个用户只发送1个数据流，即不考虑数据流间干扰，且信道为理想信道。基站首 先将预定义的信号子空间广播给所有用户，每个用户计算本小区信号子空间对应的零空间以及收到的其他小区的干扰，并以小区间干扰最对齐为准则向基站反馈有用信号空间向量和调度系数，基站根据反馈系数选择S个用户进行下行通信，并根据迫零法设计内层预编码矩阵。该算法通过基站广播预设的干扰子空间，基站再根据用户的反馈值选择受到其他小区干扰最小的若干个用户进行通信，该级联预编码算法可以消除小区内用户间干扰同时有效抑制小区间的干扰。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例方法适用的干扰模型图；

图2本发明方法流程图；

图3本发明方法适用的三小区多用户系统的等效图；

图4本发明方法的用户端的反馈图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步说明：

如图1所示，本专利申请适用的干扰信道系统如图1所示，图2为本发明的方法流程图。包括步骤：步骤1、基站广播包括S个M×1维的信号子空间给小区内的所有用户；

步骤2、用户端根据使用尽可能与干扰向量正交的原则设计接收译码矩阵并反馈干扰泄漏值；

步骤3、基站端根据用户端的反馈选择S个具有最小干扰泄漏的用户；

步骤4、基站端根据设计的内外层预编码进行下行数据的传输。

优选的，步骤1、基站广播S个M×1维的信号子空间即外层预编码矩阵，具体为：

第k个小区的信号子空间为P_k＝[p_1,k,...,p_S,k]，其中p_s,k∈C^M×1是一组正交基k∈K,s＝1,...,S，第k个基站在M维空间下独立生成p_s,k。则小区k 到第i个小区内的j用户的等效信道矩阵为H_k ^[i,j]P_k。

S为选中的用户数，M为基站端的天线数。基站将各自的信号子空间广播给用户，用户端已知了等效信道矩阵。

优选的，步骤2、用户端根据尽可能与干扰向量正交原则设计接收端译码矩阵并反馈干扰泄漏值，具体为：

反馈调度系数为：定义i小区内第j个用户的接收端译码向量为：

u_[i,j]∈C^L×1,i.e.,||u_[i,j]||²＝1， (1)

其设计思想为：设计的接收端译码向量尽可能与用户干扰子空间正交，这样该向量为：

$u_{\[i,j\]}=\arg \underset{u}{\min }{||G^{\[i,j\]}u||}^2,---\left(2\right)$

其中：

G^[i,^j]＝[(H₁ ^[i,j]P₁),...,(H_K ^[i,j]P_K)]^H∈C^(K-1)S×L。 (3)

同时，定义i小区中j用户的调度系数η^[i,j]可定义为接收的其他小区的干扰之和：

${\mathrm{\η}}^{\[i,j\]}=\underset{k=1,k\≠i}{\overset{K}{\Σ}}\left|\right|u_{\[i,j\]}{H_k}^{\[i,j\]}{P}_k|{|}^2,---\left(4\right)$

对G^[i,j]做奇异值分解(SVD)，得到：G^[i,j]＝Ω^[i,j]Χ^[i,j]V^[i,j]H，其中，Ω^[i,j]∈C^{(K -1)S×L},V^[i,j]∈C^L×L是L列的正交向量， 要求选取V^[i,j]的最后一列作为u_[i,j]。即i小区的j用户选取G^[i,j]的最小的奇异值对应的右奇异向量作为接收端译码向量。此时反馈的调度系数为最小奇异值的二范数，即：

所有用户都将该指数η^[i,j]作为调度系数反馈给相应的基站，同时每个用户都可以根据接收到的波束赋形估计接收到的其他小区的干扰。除了这个调度系数， 每个用户同时还要向其对应的基站报告有效的信道向量u_[i,j] ^HH_k ^[i,j]P_i。

优选的，步骤3、基站端根据用户端的反馈选择S个具有最小干扰泄漏的用户，具体为：

每个基站根据接收到的N个用户的调度系数选择S个干扰系数最小的用户即干扰泄漏值η^[i,j]最小的用户作为服务用户。

优选的，步骤4、基站端进行下行数据的传输具体为：

基站i发送给本小区内用户j的传输信号为v_[i,j]x^[i,j]，其中x^[i,j]是传输符号功率，对于给定的S个用户内层预编码矩阵为：

V_i＝[v_i,1,...,v_i,S]。 (5)

其中，v_i,s∈C^S×1,i∈K,s∈S{1,...,S}，小区i的传输信号向量是x_i＝[x^[i,1],...,x^[i,S]]^T，因此小区i内j用户的接收信号可以写作：

其中，z^[i,j]∈C^S×1是附加噪声，i小区的j用户经过接收端波束赋形向量处理后可以写成：

$\begin{array}{c}{y}^{\[i,j\]}={u_{\[i,j\]}}^H{H_i}^{\[i,j\]}{P}_i{v}_{\[i,j\]}{x}^{\[i,j\]}\\ +{u_{\[i,j\]}}^H{H_i}^{\[i,j\]}{P}_i\underset{s=1,s\≠j}{\overset{S}{\Σ}}{v}_{\[i,j\]}{x}^{\[i,s\]}\\ +{u_{\[i,j\]}}^H\underset{k=1,k\≠i}{\overset{K}{\Σ}}{H_k}^{\[i,j\]}{P}_k{v}_k{x}_k+{u_{\[i,j\]}}^H{z}^{\[i,j\]}\end{array},---\left(7\right)$

在上式中，第一项为期望信号，第二项为小区内的(S-1)个干扰，根据迫零预编码设计的内层预编码矩阵可以有效的消除该干扰，第三项为小区间干扰，采用本方法设计的接收端译码矩阵可以有效的消除该干扰。因此，接收端可以很好 的还原出发送信号。

在设计好内层预编码矩阵v_[i,j]和接收滤波矩阵u_[i,j]后，小区i中第j个用户的第m个数据流上的信干噪比SINR_m ^[i,j]可以表示为：

${{\mathrm{SINR}}_m}^{\[i,j\]}=\frac{{\left|{u_m}^{{\[i,j\]}^H}{H_i}^{\[i,j\]}{V_m}^{\[i,j\]}\right|}^2}{{\mathrm{\σ}}^2{||{u_m}^{\[i,j\]}||}^2+{I_m}^{\[i,j\]}},---\left(8\right)$

其中u_m ^[i,j]为接收译码矩阵u^[i,j]的第m列，V_m ^[i,j]为预编码矩阵的第m列。

本发明将以图3中三小区多用户的MIMO干扰系统作为一个实例，即考虑由K个小区构成的下行链路，每个基站为N个用户，信道形式为多小区MIMO干扰广播信道。每个基站的天线数为M，每个用户的天线数为L，第k个基站到第i个小区的第j个用户的信道矩阵H_k ^[i,j]∈C^L×M为平坦衰落信道，信道矩阵H_k ^[i,j]中的元素相互独立并且服从均值为0，方差为1的复高斯分布。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种基于机会干扰对齐的蜂窝下行信道中数据传输方法，其特征在于：假设系统中小区数目为K，每个小区基站端的天线数为M，收端天线数为L，根据设定的算法机会式选中S个用户进行下行的数据传输，其具体包括如下步骤：

步骤1、基站广播S个M×1维的信号子空间给小区内的所有用户，信号子空间即外层预编码矩阵，M表示基站端的天线数；

步骤2、用户端在收到基站端的信号子空间后计算本小区信号子空间对应的零空间以及收到的其他小区的干扰，并以小区间干扰最对齐为准则向基站反馈有用信号空间向量和调度系数，基站根据调度系数选择S个用户进行下行通信，并根据迫零法设计内层预编码矩阵；

步骤3、基站端根据用户端的反馈选择S个具有最小干扰泄漏的用户；

步骤4、根据步骤3选择出的用户机会式干扰对齐确实需要选择用户进行数据传输，采用步骤1设计的外层预编码矩阵、步骤2设计的内层预编码矩阵进行下行数据的传输。

2.根据权利要求1所述的基于机会干扰对齐的蜂窝下行信道中数据传输方法，其特征在于，基站广播S个M×1维的信号子空间即外层预编码矩阵，具体为：

第k个小区的信号子空间为P_k＝[p_1,k,...,p_S,k]，其中p_s,k∈C^M×1是一组正交基，k∈K,s＝1,...,S，第k个基站在M维空间下独立生成p_s,k，C^M×1表示的是一个向量的张成维度，说明它是一个M×1维的矩阵，则小区k到第i个小区内的j用户的等效信道矩阵为H_k ^[i,j]P_k，S为选中的用户数，M为基站端的天线数，基站将各自的信号子空间广播给用户，用户端根据广播的子空间获得等效的信道矩阵H_k ^[i,j]P_k。

3.根据权利要求1或2所述的基于机会干扰对齐的蜂窝下行信道中数据传输方法，其特征在于，用户端以小区间干扰最对齐为准则向基站反馈有用信号 空间向量和调度系数，具体为：

反馈调度系数为：定义i小区内第j个用户的接收端译码向量为：

u_[i,j]∈C^L×1,i.e.,||u_[i,j]||²＝1，L表示的是用户收端的天线数目(1)该向量为：

其中：

G^[i,j]＝[(H₁ ^[i,j]P₁),...,(H_K ^[i,j]P_K)]^H∈C^(K-1)S×L，K表示小区数，S表示选中的用户数，G^[i,j]表示干扰矩阵 (3)

同时，定义i小区中j用户的调度系数η^[i,j]可定义为接收的其他小区的干扰之和：

对G^[i,j]做奇异值分解，得到：G^[i,j]＝Ω^[i,j]Χ^[i,j]V^[i,j]H，其中，Ω^[i,j]∈C^(K-1)S×L,V^[i,j]∈C^L×L是L列的正交向量， 表示的是经过奇异值分解后的奇异值，要求选取V^[i,j]的最后一列作为u_[i,j]，即i小区的j用户选取G^[i,j]的最小的奇异值对应的右奇异向量作为接收端译码向量，此时反馈的调度系数为最小奇异值的二范数，即： 表示最小奇异值的二范数，所有用户都将该指数η^[i,j]作为调度系数反馈给相应的基站，同时每个用户都可以根据接收到的波束赋形估计接收到的其他小区的干扰，除了这个调度系数，每个用户同时还要向其对应的基站报告有效的信道向量u_[i,j] ^HH_k ^[i,j]P_i。

4.根据权利要求1或2所述的基于机会干扰对齐的蜂窝下行信道中数据传输方法，其特征在于，步骤3基站端根据用户端的反馈选择S个具有最小干扰 泄漏的用户，具体为：每个基站根据接收到的N个用户的调度系数选择S个干扰系数最小的用户即干扰泄漏值η^[i,j]最小的用户作为服务用户。

5.根据权利要求1或2所述的基于机会干扰对齐的蜂窝下行信道中数据传输方法，其特征在于，步骤4、基站端进行下行数据的传输具体为：

基站i发送给本小区内用户j的传输信号为v_[i,j]x^[i,j]，其中x^[i,j]是传输符号功率，对于给定的S个用户内层预编码矩阵为：

V_i＝[v_i,1,...,v_i,S]。 (5)

其中，v_i,s∈C^S×1,i∈K,s∈S{1,...,S}，小区i的传输信号向量是x_i＝[x^[i,1],...,x^[i,S]]^T，因此小区i内j用户的接收信号可以写作：

其中，z^[i,j]∈C^S×1是附加噪声，i小区的j用户经过接收端波束赋形向量处理后可以写成：

在(7)中，第一项为期望信号，第二项为小区内的(S-1)个干扰，第三项为小区间干扰。

6.根据权利要求5所述的基于机会干扰对齐的蜂窝下行信道中数据传输方法，其特征在于，在设计好内层预编码矩阵v_[i,j]和接收滤波矩阵u_[i,j]后，小区i中第j个用户的第m个数据流上的信干噪比SINR_m ^[i,j]可以表示为：

其中u_m ^[i,j]为接收译码矩阵u^[i,j]的第m列，V_m ^[i,j]为预编码矩阵的第m列。