CN106507391B - 无线局域网中的干扰导向方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线局域网中的干扰导向方法，主要解决现有干扰管理技术中由于干扰通信发射机发送干扰管理信号的功率开销较大，导致系统频谱效率低的问题。其方案是：1)各接入点检测并共享信道状态信息与数据信息；2)目标通信发射机与干扰通信发射机根据1)得到的信息，分别计算各自发送期望信号的预编码向量和滤波向量；3)控制中心根据预编码向量和滤波向量计算干扰导向信号的预编码向量与功率开销；4)接入点根据3)得到的预编码向量及功率开销发送干扰导向信号，实现干扰导向。本发明不仅能消除干扰，而且能降低目标通信发射机发送干扰导向信号的功率开销，提高了系统的频谱效率，可用于无线通信网络系统。

Description

无线局域网中的干扰导向方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步主要涉及一种干扰导向方法，可用于无线局域网，混合蜂窝网络等无线通信网络系统中。
背景技术
下一代无线移动通信网络的特点是高数据传输速率、高系统容量以及大量设备的互联。无线网络的容量预计在2020年可以增加1000倍，连接的设备达到1000亿台。为了满足这一需求，超过1000MHz的新频带需要被开发用于填补频谱资源的缺口。因此，急需高效的频谱利用技术，以使得大量分布的基站或者接入点为不断增长的用户更多样的无线服务。
然而，随着频谱利用率的增加，干扰日益成为制约网络性能的关键因素。目前已经有大量的干扰管理技术被提出，主要分为两大类。第一类是通过资源分配使相互干扰的传输被隔离，比如部分频率复用FFR，软频率复用SFR，增强型小区间干扰协调eICIC等，然而，这些方法会导致频谱效率的降低。第二类是使用各种信号处理技术，比如迫零波束成形ZFBF，迫零ZF接收，多点协作传输CoMP，干扰消除IC，干扰对齐IA以及干扰中和IN等对干扰进行管理，实现多路数据的并发传输。
文献J.Chen,A.Singh,P.Elia,et al.,“Interference neutralization forseparated multiuser uplink-downlink with distributed relays,”in Proc.of theInf.Theory and Applications Workshop(ITA),pp.1-9,2011，提出了一种线性分布式IN，在多用户上下行双向通信系统中，分别在空域和时域对信号进行编码。T.Gou,S.A.Jafar,C.Wang,et al.,“Aligned interferenceneutralization and the degrees of freedomof the 2×2×2interference channel,”IEEE Trans.Inf.Theory,vol.58,no.7,pp.4381-4395,2012，将干扰对齐与干扰中和相结合，应用在由两个源节点、两个中继和两个目的节点构成的网络中，发送端通过预编码处理实现干扰对齐，中继对解码的信号进行转发，在接收端通过干扰中和实现干扰消除和期望信号的恢复。
然而上述两种方法提出的所有干扰管理技术都有使用条件，并且存在开销。例如，在方法二中提及的IA、ZF与ZFBF需要利用信道状态信息，而IC、CoMP与IN需要利用信道状态信息和干扰携带的数据信息。对于IN，发射机通过发送干扰的复本以实现中和，中和信号的产生将导致额外的功率开销。在功率受限的情况下，IN消耗的功率越多，用于传输期望信号的功率越少，尤其当干扰很强时，将没有足够的功率产生中和信号，此时IN不可用。ZFBF和ZF需要在发射机与接收机配置多天线，为了在空域上分辨期望信号与干扰，需要消耗自由度。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种无线局域网中的干扰导向方法，以减小功率开销，避免自由度的消耗。
为实现上述目的，本发明技术方案包括如下：
(1)移动台S通过扫描射频信道接收所有接入点发送的信标信号，并根据接收到的信标信号构建可用网络列表；
(2)移动台S利用可用网络列表，判断其自身状态：
若可用网络列表中只有一项，则判为该移动台S为非边缘用户，执行步骤(3)，否则，该移动台S为边缘用户，执行步骤(4)；
(3)移动台S估计该移动台与和它相关联的接入点Q之间的信道状态信息T；
(4)移动台S估计该移动台与和它相关联的接入点Q之间的信道状态信息Z，以及该移动台与相邻接入点R之间的信道状态信息G，并用这两种信道状态信息Z和G构成信道状态信息向量V＝[Z G]；
(5)移动台S将信道状态信息T或信道状态信息向量V发送给与自己相关联的接入点Q；
(6)与移动台S关联的接入点Q将信道状态信息T或信道状态信息向量V上报给控制中心；
(7)移动台S在数据传输阶段检测来自邻近接入点R的干扰，并在检测到干扰后向关联接入点Q寻求协助，该关联接入点Q向控制中心发送干扰管理请求；
(8)控制中心产生干扰导向指令：
(8a)控制中心接收到来自关联接入点Q的干扰管理请求，并计算干扰矩阵：A＝CT-1-I，其中C表示接入点与移动台S之间的可达状态；T表示接入点进行数据发送的状态；I为K×K的单位矩阵，K≥1；
(8b)根据干扰矩阵A画出干扰图，以描述无线局域网中基本服务集BSS之间的干扰关系；
(8c)判断上一步骤中画出的干扰图是否连通：
若干扰图是连通的，则直接执行步骤(8d)；
若干扰图不是连通的，则采用宽度优先搜索算法得到所有连通的子图，并对每一个连通子图执行步骤(8d)；
(8d)采用深度优先算法判断每个连通图或连通子图是否存在回路：
若存在回路，则删除部分顶点以破坏回路，得到多个有向无回路图，并执行步骤(8e)；
若不存在回路，则直接执行步骤(8e)。
(8e)在有向无回路图或各个有向无回路子图中，采用深度优先算法进行拓扑排序，得到多个接入点的干扰导向求解顺序；
(8f)根据干扰导向求解顺序，设计第一个基本服务集的干扰导向信号：
(8f1)目标通信发射机AP0向目标通信接收机S0发送期望信号x0，干扰通信发射机AP1向干扰通信接收机S1发送通信信号x1，AP1发送的信号对AP0与S0之间的传输产生干扰，即S0接收到来自AP1的干扰信号；
(8f2)目标通信发射机AP0获取干扰通信发射机AP1向干扰通信接收机S1发送的通信信号x1，并向目标通信接收机S0发送干扰导向信号st，该干扰导向信号st与通信信号x1携带相同的数据；
(8f3)目标通信发射机AP0计算它发送的干扰导向信号st在期望信号x0方向上的投影；
(8f4)控制中心计算干扰导向信号的预编码向量以及目标通信发射机AP0发送干扰导向信号st的功率开销
(8g)重复步骤(8a)～(8f4)遍历所有的基本服务集，直到所有的基本服务集得到访问；
(9)控制中心将所有基本服务集的干扰导向信号的预编码向量以及功率开销发送给每个接入点AP，每个接入点AP根据该预编码向量及功率开销发送干扰导向信号。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明通过采用干扰导向技术，相比于现有的干扰管理技术可以降低发射机进行干扰管理的功率开销，从而将更多的发射功率用于发送期望信号，提高了系统的数据传输速率。
2、本发明通过在每个基本服务集采用干扰导向技术，可以有效抑制边缘用户受到的来自相邻基本服务集的干扰，相比于现有的频分复用技术，多个相邻的接入点可以同时利用相同频道无干扰地传输数据，提高了系统的频谱效率。
3、本发明通过受干扰接收机对应的发射机进行干扰导向信号的构造与发送，受干扰的接收机只需估计它与干扰发射机之间的信道信息，没有增加其它信号处理工作，利于实际应用。
4、本发明不仅适用于只存在一对干扰通信对的情况，还适用于干扰通信对大于等于两对或者干扰通信对为一对但其传输多路数据时的通信场景。
5、本发明不仅适用于基于信道矩阵奇异值分解设计的预编码向量和滤波向量，还适用于各种其他预编码向量和滤波向量的设计算法。
附图说明
图1是本发明的实现流程图；
图2是本发明使用的无线局域网系统模型；
图3是本发明基于图2系统在不同干扰管理方法下的系统频谱效率与信噪比的关系曲线图；
具体实施方法
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步描述。
参照图2，在该无线局域网中，为了简化描述，假设有6个相邻的BSS，且它们之间存在重叠覆盖区域。所有AP的总发射功率均为PT，并且与一个控制中心相连，受其控制。无线局域网中至少包含两组发射机与接收机，定义一组发射机与接收机构成目标通信对，它们之间的通信为目标通信，其余发射机与接收机构成的通信干扰目标通信，除了目标通信对外的发射机与接收机组成干扰通信对。在一个接入点AP的覆盖区域内有多个移动台S，在某一时刻，一个接入点AP将一个频道仅分配给一个移动台S，并且一个移动台S只能接入一个接入点AP，与该接入点AP建立关联关系。接入点AP与移动台S分别配置Nt与Nr根天线，且Nt≥Nr。
参照图1，本发明的实现步骤如下：
步骤1，移动台产生干扰管理请求，并通过关联接入点将干扰管理请求发送给控制中心。
(1a)移动台S通过扫描射频信道接收所有接入点发送的信标信号，并根据接收到的信标信号构建可用网络列表。在一个接入点的覆盖区域内可以有多个移动台，在某一时刻，一个接入点将一个频道仅分配给一个移动台，并且一个移动台只能接入一个接入点，与该接入点建立关联关系；
(1b)移动台S利用可用网络列表，判断其自身状态：
若可用网络列表中只有一项，则判为该移动台S为非边缘用户，该移动台S估计该移动台与和它相关联的接入点Q之间的信道状态信息T；
否则，该移动台S为边缘用户，该移动台S估计该移动台与自己相关联的接入点Q之间的信道状态信息Z，以及该移动台与相邻接入点R之间的信道状态信息G，并用这两种信道状态信息Z和G构成信道状态信息向量V＝[ZG]；
(1c)移动台S将信道状态信息T或信道状态信息向量V发送给与自己相关联的接入点Q；
(1d)与移动台S关联的接入点Q将信道状态信息T或信道状态信息向量V上报给控制中心；
(1e)移动台S根据发送前先侦听的规则竞争信道，并在数据传输阶段检测来自邻近接入点R的干扰，在检测到干扰后向关联接入点Q寻求协助，该关联接入点Q向控制中心发送干扰管理请求。
步骤2，控制中心生成多个接入点间的干扰导向求解顺序。
(2a)控制中心接收到来自关联接入点Q的干扰管理请求，并计算干扰矩阵：A＝CT-1-I，其中C表示接入点与移动台S之间的可达状态矩阵，T表示接入点进行数据发送状态矩阵，I为K×K的单位矩阵，K≥1。
上述可达状态矩阵矩阵C与可达状态矩阵T均由控制中心按如下规则更新：
(2a1)判断标识为n的移动台Sn是否能检测到来自标识为m的接入点APm的信号：
若标识为n的移动台Sn能检测到来自标识为m的接入点APm的信号，则可达状态矩阵C的第n+1行、第m+1列对应的元素值为1，即C(n+1,m+1)＝1；
否则，C(n+1,m+1)＝0；
(2a2)判断标识为m的接入点APm是否向标识为m的移动台Sm发送数据：
若标识为m的接入点APm向标识为m移动台Sm发送数据，则接入点进行数据发送的状态矩阵T的第m个元素的值为1，即T(m)＝1；
否则，T(m)＝0；
(2b)根据干扰矩阵A画出干扰图，即将基本服务集中的一个数据传输状态作为干扰图中的一个顶点vm，将编号为m的接入点APm对编号为n的移动台Sn产生的干扰作为直接相连的边em,n，将干扰的强度作为边的权重，用该干扰图描述无线局域网中基本服务集BSS之间的干扰关系；
(2c)判断画出的干扰图是否连通：
选定任一节点，对该节点进行深度优先遍历，若在该遍历过程中所有的节点都被遍历到，则该图为连通图，直接执行步骤(2d)；
否则，干扰图不是连通的，则采用宽度优先搜索算法得到所有连通的子图，并对每一个连通子图执行步骤(2d)；
(2d)采用深度优先算法判断每个连通图或连通子图是否存在回路：
若存在回路，则删除部分顶点以破坏回路，从而得到多个有向无回路图，并执行步骤(2e)；
若不存在回路，则直接执行步骤(2e)；
(2e)在有向无回路图或各个有向无回路子图中，采用深度优先算法进行拓扑排序，得到多个接入点的干扰导向求解顺序。
步骤3，根据步骤2获得的干扰导向求解顺序，控制中心计算第一个基本服务集的干扰导向信号。
(3a)目标通信发射机AP0向目标通信接收机S0发送期望信号x0，干扰通信发射机AP1向干扰通信接收机S1发送通信信号x1，AP1发送的信号对AP0与S0之间的传输产生干扰，即S0接收到来自AP1的干扰信号i；
(3b)目标通信发射机AP0获取干扰通信发射机AP1向干扰通信接收机S1发送的通信信号x1，并向目标通信接收机S0发送干扰导向信号st，该干扰导向信号st与通信信号x1携带相同的数据；
(3c)目标通信发射机AP0计算它发送的干扰导向信号st在期望信号x0方向上的投影
(3c1)对目标通信发射机AP0与目标通信接收机S0之间的信道矩阵H0做SVD分解，得到分解后的信道矩阵计算期望信号x0的预编码向量以及期望信号x0的滤波向量
其中与分别表示与U0的第一列向量，为右奇异矩阵，U0为左奇异矩阵，D0为对角矩阵；
(3c2)将干扰信号i分解为两个分量，一个为与期望信号方向相同的干扰同向分量iIn，另一个为与期望信号垂直的干扰正交分量iQ；并将导向信号st分解为两个分量，一个为与期望信号方向相同的导向同向分量另一个为与期望信号垂直的导向正交分量
(3c3)计算干扰信号与期望信号方向相同的干扰同向分量其中，p1为信号x1的预编码向量，H10为干扰通信发射机AP1与目标通信接收机S0之间的信道矩阵，P为投影矩阵，PT为目标通信发射机的发射总功率；
(3c4)根据干扰同向分量iIn计算导向信号st与期望信号方向相同的导向同向分量：
(3d)控制中心按如下公式计算干扰导向信号的预编码向量以及目标通信发射机AP0发送干扰导向信号st的功率开销
其中，为目标通信发射机AP0与目标通信接收机S0之间的信道矩阵H0的逆，H10为干扰通信发射机AP1与目标通信接收机S0之间的信道矩阵，P为投影矩阵，p1为信号x1的预编码向量，PT为目标通信发射机的发射总功率。
步骤4，重复步骤3遍历所有的基本服务集，直到所有基本服务集得到访问。
步骤5，控制中心将所有基本服务集的干扰导向信号的预编码向量以及功率开销发送给每个接入点AP，每个接入点AP根据该预编码向量及功率开销发送干扰导向信号。
本发明的效果可通过以下仿真实验做进一步说明：
一、仿真条件：
仿真方法：现有的迫零波束成形方法ZFBF、干扰中和方法IN、干扰对齐方法IA以及本发明的干扰导向方法IS；
仿真参数：对不同方法设置不同的发射机与接收机及天线个数：
在现有的迫零波束成形方法中，根据接入点的发射天线Nt不小于移动台的接收天线Nr的要求，设置移动台S的接收天线数Nr＝1，接入点AP的发射天线数Nt＝2。
在现有的干扰中和方法与干扰对齐方法中，设置移动台S的接收天线数Nr＝2，接入点AP的发射天线数Nt＝2。
在本发明的干扰导向方法中，设置移动台S的接收天线数Nr＝2，接入点AP的发射天线数Nt＝2。
二、仿真内容
采用上述几种不同的干扰管理方法进行仿真，得到每种方法下的系统频谱效率与信噪比之间的关系，结果如图3所示。
从图3以看出，本发明比现有的三种方法获得的系统频谱效率最大。
这是由于：现有干扰对齐方法IA与迫零波束成形方法ZFBF是在干扰通信发射机AP1处对发送的数据进行调整，造成了干扰通信发射机AP1与干扰通信接收机S1间的传输性能损失，影响系统频谱效率；现有干扰中和方法IN是在目标通信发射机AP0处产生与期望信号大小相等方向相反的干扰中和信号，造成了目标通信发射机处较大的功率开销。同样影响系统频谱效率。
而采用本发明的干扰导向方法将干扰信号导向至与期望信号垂直的方向，无需在干扰通信发射机AP1处对发送的数据进行调整，不仅可以有效消除干扰信号对期望信号产生的干扰，而且可减小目标通信发射机发送干扰导向信号的功率开销，因此相比于其他现有的干扰管理方法，本发明的干扰导向方法能获得最大的系统频谱效率。

Claims (5)

1.一种无线局域网中的干扰导向方法，包括以下步骤：
(1)移动台S通过扫描射频信道接收所有接入点发送的信标信号，并根据接收到的信标信号构建可用网络列表；
(2)移动台S利用可用网络列表，判断其自身状态：
若可用网络列表中只有一项，则判为该移动台S为非边缘用户，执行步骤(3)，否则，该移动台S为边缘用户，执行步骤(4)；
(3)移动台S估计该移动台与和它相关联的接入点Q之间的信道状态信息T；
(4)移动台S估计该移动台与和它相关联的接入点Q之间的信道状态信息Z，以及该移动台与相邻接入点R之间的信道状态信息G，并用这两种信道状态信息Z和G构成信道状态信息向量V＝[Z G]；
(5)移动台S将信道状态信息T或信道状态信息向量V发送给与自己相关联的接入点Q；
(6)与移动台S关联的接入点Q将信道状态信息T或信道状态信息向量V上报给控制中心；
(7)移动台S在数据传输阶段检测来自邻近接入点R的干扰，并在检测到干扰后向关联接入点Q寻求协助，该关联接入点Q向控制中心发送干扰管理请求；
(8)控制中心产生干扰导向指令：
(8a)控制中心接收到来自关联接入点Q的干扰管理请求，并计算干扰矩阵：A＝CT-1-I，其中C表示接入点与移动台S之间的可达状态矩阵；T表示接入点进行数据发送的状态矩阵；I为K×K的单位矩阵，K≥1；
(8b)根据干扰矩阵A画出干扰图，以描述无线局域网中基本服务集BSS之间的干扰关系；
(8c)判断上一步骤中画出的干扰图是否连通：
若干扰图是连通的，则直接执行步骤(8d)；
若干扰图不是连通的，则采用宽度优先搜索算法得到所有连通的子图，并对每一个连通子图执行步骤(8d)；
(8d)采用深度优先算法判断每个连通图或连通子图是否存在回路：
若存在回路，则删除部分顶点以破坏回路，得到多个有向无回路图，并执行步骤(8e)；
若不存在回路，则直接执行步骤(8e)；
(8e)在有向无回路图或各个有向无回路子图中，采用深度优先算法进行拓扑排序，得到多个接入点的干扰导向求解顺序；
(8f)根据干扰导向求解顺序，设计第一个基本服务集的干扰导向信号：
(8f1)目标通信发射机AP0向目标通信接收机S0发送期望信号x0，干扰通信发射机AP1向干扰通信接收机S1发送通信信号x1，AP1发送的信号对AP0与S0之间的传输产生干扰，即S0接收到来自AP1的干扰信号i；
(8f2)目标通信发射机AP0获取干扰通信发射机AP1向干扰通信接收机S1发送的通信信号x1，并向目标通信接收机S0发送干扰导向信号st，该干扰导向信号st与通信信号x1携带相同的数据；
(8f3)目标通信发射机AP0计算它发送的干扰导向信号st在期望信号x0方向上的投影；
(8f4)控制中心计算干扰导向信号的预编码向量以及目标通信发射机AP0发送干扰导向信号st的功率开销
(8g)重复步骤(8a)～(8f4)遍历所有的基本服务集，直到所有的基本服务集得到访问；
(9)控制中心将所有基本服务集的干扰导向信号的预编码向量以及功率开销发送给每个接入点AP，每个接入点AP根据该预编码向量及功率开销发送干扰导向信号；
所述的与移动台S关联的接入点Q，是表示在某一时刻下该接入点Q将一个频道仅分配给该移动台S，并且该移动台S只能接入该接入点Q；
所述的接入点与移动台S之间的可达状态矩阵C和接入点进行数据发送的状态矩阵T，按如下规则确定：
(3a)判断标识为n的移动台Sn是否能检测到来自标识为m的接入点APm的信号：
若标识为n的移动台Sn能检测到来自标识为m的接入点APm的信号，则可达状态矩阵C的第n+1行、第m+1列对应的元素值为1，即C(n+1,m+1)＝1；
否则，C(n+1,m+1)＝0；
(3b)判断标识为m的接入点APm是否向标识为m的移动台Sm发送数据：
若标识为m的接入点APm向标识为m移动台Sm发送数据，则接入点进行数据发送的状态矩阵T的第m个元素的值为1，即T(m)＝1；
否则，T(m)＝0。
2.如权利要求1所述的方法，其中步骤(8b)中根据干扰矩阵A画出干扰图，是将基本服务集中的一个数据传输状态作为干扰图中的一个顶点vm，将编号为m的接入点APm对编号为n的移动台Sn产生的干扰作为直接相连的边em,n，将干扰的强度作为边的权重。
3.如权利要求1所述的方法，其中步骤(8c)中，判断画出的干扰图是否连通，按如下步骤进行：
首先，选定任一节点，对该节点进行深度优先遍历搜索；
然后，判断在该搜索过程中是否可以遍历到干扰图中所有的节点：
若在该搜索过程中可以遍历到干扰图中所有的节点，则该图为连通图；
否则，该图为非连通图。
4.如权利要求1所述的方法，其中步骤(8f3)中目标通信发射机AP0计算干扰导向信号与期望信号的同向分量按如下步骤进行：
(8f31)对目标通信发射机AP0与目标通信接收机S0之间的信道矩阵H0做SVD分解，得到分解后的信道矩阵计算期望信号x0的预编码向量以及期望信号x0的滤波向量
其中与分别表示与U0的第一列向量，为右奇异矩阵，U0为左奇异矩阵，D0为对角矩阵；
(8f32)将干扰信号i分解为两个分量，一个为与期望信号方向相同的干扰同向分量iIn，另一个为与期望信号垂直的干扰正交分量iQ；并将导向信号st分解为两个分量，一个为与期望信号方向相同的导向同向分量另一个为与期望信号垂直的导向正交分量
(8f33)计算干扰信号与期望信号方向相同的干扰同向分量其中，p1为信号x1的预编码向量，H10为干扰通信发射机AP1与目标通信接收机S0之间的信道矩阵，P为投影矩阵，PT为目标通信发射机的发射总功率；
(8f34)根据干扰同向分量iIn计算导向信号st与期望信号方向相同的导向同向分量：
5.如权利要求1所述的方法，其中步骤(8f4)中计算干扰导向信号的预编码向量与目标通信发射机发送干扰导向信号的功率开销按如下公式计算：
其中，为目标通信发射机AP0与目标通信接收机S0之间的信道矩阵H0的逆，H10为干扰通信发射机AP1与目标通信接收机S0之间的信道矩阵，P为投影矩阵，p1为信号x1的预编码向量，PT为目标通信发射机的发射总功率。
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