CN106788812B - 一种两层网络中基于分簇的干扰对齐方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两层网络中基于分簇的干扰对齐方法，包括：首先，基于随机几何对两层网络进行建模，再对飞蜂窝基站、用户进行分簇，最后用干扰对齐技术消除干扰。本发明考虑了三维飞蜂窝网络结构模型，特别是符合三维泊松点过程分布的飞蜂窝网络模型，与实际干扰场景相近。再按照平方误差函数减少的原则对飞蜂窝基站用户对进行分簇，最后利用干扰对齐技术消除宏蜂窝用户与每个簇的跨层干扰，以及飞蜂窝层内簇间干扰，减小了干扰管理复杂度，适用于实际的通信系统。

Description

一种两层网络中基于分簇的干扰对齐方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种两层网络中基于分簇的干扰对齐方法。

背景技术

近年来，能源消耗和电磁污染正变得越来越严重，不利于未来通信基础设施的建设，已成为下一代通信系统中亟待解决的技术问题；另一方面，当前室内语音和数据业务更为多发，人们对数据服务质量要求越来越高，如何有效减少通信网络能源消耗、高效利用频谱资源是运营商下一步必须解决的技术问题。飞蜂窝是部署在室内的小型无线接入点，通过数字用户线或光纤与运营商网络连接，具有部署灵活、低功耗、可实现与宏蜂窝(Macrocell)复用频谱资源等特点。然而，由于频谱资源的稀缺性，同时为了保证在一个宏蜂窝基站覆盖范围内多个飞蜂窝的服务质量，宏蜂窝和飞蜂窝必须分享频率带宽，这会导致宏蜂窝和飞蜂窝之间跨层、共信道干扰的问题，也为构建这个新型网络给现有的干扰管理策略和无线资源管理带来了新的挑战。近来，干扰对齐被认为是一种线性波束成型技术：在发送端设计波束成型矩阵，使每个接收端的干扰对齐到同一个干扰子空间中。这样，有用信号就能在无干扰子空间中传输，实现了消除干扰的目的。但在飞蜂窝密集部署的条件下实现干扰对齐的复杂度比较高，为此需要分簇来降低复杂度。

在密集部署的两层网络的干扰消除问题上，目前已有相关文献展开研究。Shangjing Lin等人于2013年提出了一种最小化飞蜂窝间干扰的子信道分配算法。首先，用随机几何对飞蜂窝建模，最大化簇内飞蜂窝数目来保证下行飞蜂窝用户中断概率；然后，得出互不相交的簇来最小化飞蜂窝间的干扰；最后，执行容量最大化子信道分配算法。虽然该方法在一定程度上缓解了同层干扰问题，平均信干噪比、系统吞吐量、用户服务质量均得以提高，但未考虑跨层干扰问题，具有一定的局限性；中国专利文献CN104168573A提出了飞蜂窝网络下基于分簇干扰对齐的干扰消除方法：在飞蜂窝网络下先对飞蜂窝用户对进行分簇，然后再考虑跨层干扰，最后利用干扰对齐技术消除宏蜂窝对每个簇的干扰。虽然该方法充分利用了频谱资源，并且以较低的复杂度实现了较好的系统性能，但只考虑了消除对簇干扰最大的宏蜂窝用户与簇之间的干扰，具有一定的局限性；Yun Meng等人于2015年提出了一种飞蜂窝网络下结合干扰对齐的资源分配方案。首先根据干扰对齐在可行性条件的约束下选择用户，再进行子信道分配。虽然该方法在一定程度上避免了同层和跨层干扰问题，同时提高了飞蜂窝用户的满意率，但没有对飞蜂窝基站进行合理分簇，系统的实施复杂度较高，不适用于实际的通信系统。可见现有方法均不是最优的干扰消除方法。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种两层网络中基于分簇的干扰对齐方法，实现系统复杂度、性能和链路开销的良好折中，解决现有干扰消除技术的不足。

技术方案：一种两层网络中基于分簇的干扰对齐方法，所述两层网络包含一个宏蜂窝基站、L(L≥1)个均匀分布的宏蜂窝用户以及K(K≥1)个泊松分布的飞蜂窝小区，所述方法包括以下步骤：

步骤一：建立由飞蜂窝基站用户对所构成的三维蜂窝网络模型，所述飞蜂窝基站用户对由每个飞蜂窝小区内的飞蜂窝基站和飞蜂窝用户构成；定义飞蜂窝基站用户对的集合为：U＝{1,2,…,K}，并沿三维空间的X向、Y向和Z向以齐次泊松点过程随机产生K个点，每个点代表一个飞蜂窝基站用户对；

步骤二：分簇准备，由齐次泊松点过程确定每个飞蜂窝基站用户对的位置坐标并进行随机分簇，定义所得的簇为C＝{C₁,C₂,...,C_n}，C_m表示第m个簇，1≤m≤n，n表示簇的数目，1≤n≤K；

步骤三：从K个飞蜂窝基站用户对节点中随机抽取n个点作为初始的中心点，记为o₁,o₂,...,o_n，令t＝1；

步骤四：将剩余的K-n个飞蜂窝基站用户对指派给离它最近的中心点所代表的簇；

步骤五：计算平方误差函数p表示簇C_m中的飞蜂窝基站用户对位置坐标(x_p,y_p,z_p)，o_t表示簇C_m中的飞蜂窝基站用户对中心点位置坐标指定坐标范围0≤x≤100,0≤y≤100,0≤z≤100，若最小值对应的点p≠o_t，则用该非中心点p替换中心点o_t，t＝t+1；

步骤六：重复步骤四和步骤五，直到t＝n；

步骤七：建立跨层干扰模型，每一个簇中的第i(i≤K)个飞蜂窝用户接收到的信号向量为：

其中，R_ii表示飞蜂窝基站用户对之间的距离，R_ij、R_0i分别表示相同簇内第j(j≤K)个飞蜂窝基站和宏蜂窝基站到第i个飞蜂窝用户的距离；α₁表示室外路径损耗因子，α₂表示室内路径损耗因子，α₃表示室内与室外之间的路径损耗因子；假设此两层网络中，下行链路信道都为瑞利平坦衰落，则第j个飞蜂窝基站到第i个飞蜂窝用户的信道可表示为N×M_F维的矩阵H_ij，H_0i表示宏蜂窝基站到第i个飞蜂窝用户的信道增益矩阵；v_i、v_j表示对飞蜂窝基站的发送信号进行预编码，v_u表示对宏蜂窝基站的发射信号进行预编码；s_i、s_j表示飞蜂窝基站的发射信息流，s_u表示宏蜂窝基站的发射信息流，n_i表示飞蜂窝用户接收到的均值为0、方差为σ²的加性高斯白噪声向量；

步骤八：利用干扰对齐技术进行干扰消除，在每个飞蜂窝基站的发送端设计预编码矩阵，使簇内的其它飞蜂窝基站对第i个飞蜂窝用户所引起的同层干扰与宏蜂窝基站对该飞蜂窝用户产生的跨层干扰对准到相同子空间内；第j个飞蜂窝基站发送端的预编码矩阵v_j应满足条件：Span(*)表示矩阵*的列向量所张成的子空间；在每个飞蜂窝用户的接收端设计波束成型向量μ_i，使之与对准的干扰子空间正交，第j个飞蜂窝用户的接收向量满足：当i≠j,i,j∈C_m时，此时满足条件且 表示μ_i的共轭转置，故由下式可以消除跨层干扰和簇间的同层干扰：

步骤九：得到最终所需要的期望信号为：

有益效果：本发明提出一种飞蜂窝网络下基于分簇的干扰对齐方法，首先，基于随机几何对两层网络进行建模，再对飞蜂窝基站、用户进行分簇，最后用干扰对齐技术消除干扰。该方案符合实际干扰场景，通过对随机分布的飞蜂窝基站用户对的合理分簇，可以有效降低干扰对齐的实施复杂度，适用于实际两层通信网络。与现有技术相比，本发明考虑了三维飞蜂窝网络结构模型，特别是符合三维泊松点过程分布的飞蜂窝网络模型，与实际干扰场景相近。再按照平方误差函数减少的原则对飞蜂窝基站用户对进行分簇，最后利用干扰对齐技术消除宏蜂窝用户与每个簇的跨层干扰，以及飞蜂窝层内簇间干扰，减小了干扰管理复杂度，适用于实际的通信系统。

附图说明

图1是本发明的基于三维泊松点过程的两层网络系统模型图；

图2是本发明的跨层干扰模型图；

图3是本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的实施案例进行详细的描述；

无线通信网络包含一个宏蜂窝基站101和L(L≥1)个均匀分布的宏蜂窝用户102以及K(K≥1)个泊松分布的飞蜂窝小区，每个飞蜂窝小区内含有一个飞蜂窝基站103和一个飞蜂窝用户104，构成一个飞蜂窝基站用户对105；宏蜂窝基站101有M_M个发送天线，每个飞蜂窝基站103有M_F个发送天线，所有的宏蜂窝用户102和飞蜂窝用户104都有N个接收天线；对所有的飞蜂窝基站用户对105进行分簇，每个簇内的用户共用同一频带，每个频带包含N_sc个子信道，并相互正交，因此不考虑簇内干扰。本文重点考虑飞蜂窝基站103对宏蜂窝用户102和飞蜂窝用户104的跨层干扰和簇间同层干扰，该方法主要包括以下步骤：

本发明是两层网络下通过分簇干扰对齐来解决跨层和同层干扰的问题，如图3所示，具体实施包括以下步骤：

步骤一：建立由飞蜂窝基站用户对105所构成的三维蜂窝网络模型，首先定义飞蜂窝基站用户对105的集合为：U＝{1,2,…,K}，并沿三维空间的X向、Y向和Z向以齐次泊松点过程(Poisson Point Process,PPP)随机产生K个点，每个点代表一个飞蜂窝基站用户对105；

步骤二：分簇准备，由PPP确定每个飞蜂窝基站用户对105的位置坐标并随机分簇，定义所分得的簇为C＝{C₁,C₂,...,C_n}，C_m表示第m个簇，1≤m≤n，n表示簇的数目，1≤n≤K；

步骤三：开始分簇，从K个飞蜂窝基站用户对105节点中随机抽取n个作为初始的中心点，记为o₁,o₂,...,o_n，令t＝1；

步骤四：将剩余的K-n个飞蜂窝基站用户对105指派给离它最近的中心点所代表的簇；

步骤五：计算平方误差函数p表示簇C_m中的飞蜂窝基站用户对105位置坐标(x_p,y_p,z_p)，o_t表示簇C_m中的飞蜂窝基站用户对105中心点位置坐标指定坐标范围0≤x≤100,0≤y≤100,0≤z≤100，若最小值对应的点p≠o_t，则用该非中心点p替换中心点o_t，t＝t+1；

步骤六：重复步骤四和步骤五，直到t＝n；

步骤七：如图2所示，为了简化跨层干扰信道模型，设一个簇有3对飞蜂窝基站用户对105，即每一个飞蜂窝用户104分别对应于每一个飞蜂窝基站103，建立跨层干扰模型，实线代表期望信号，虚线代表干扰信号，每一个簇中的第i(i≤K)个飞蜂窝用户104接收到的信号向量为：

其中，R_ii表示飞蜂窝基站用户对105之间的距离，R_ij、R_0i分别表示相同簇内第j(j≤K)个飞蜂窝基站103和宏蜂窝基站101到第i个飞蜂窝用户104的距离；α₁表示室外路径损耗因子，α₂表示室内路径损耗因子，α₃表示室内与室外之间的路径损耗因子；假设此两层网络中，下行链路信道都为瑞利(Rayleigh)平坦衰落，则第j个飞蜂窝基站103到第i个飞蜂窝用户104的信道可表示为N×M_F维的矩阵H_ij，H_0i表示宏蜂窝基站101到第i个飞蜂窝用户104的信道增益矩阵；v_i、v_j表示对飞蜂窝基站103的发送信号进行预编码，v_u表示对宏蜂窝基站101的发射信号进行预编码；s_i、s_j表示飞蜂窝基站103的发射信息流，s_u表示宏蜂窝基站101的发射信息流，n_i表示飞蜂窝用户104接收到的均值为0、方差为σ²的加性高斯白噪声向量。

步骤八：利用干扰对齐技术进行干扰消除，在每个飞蜂窝基站103的发送端设计预编码矩阵，使簇内的其它飞蜂窝基站103对第i个飞蜂窝用户104所引起的同层干扰与宏蜂窝基站101对该飞蜂窝用户104产生的跨层干扰对准到相同子空间内。因此，第j个飞蜂窝基站103发送端的预编码矩阵v_j应满足条件：Span(*)表示矩阵*的列向量所张成的子空间。在每个飞蜂窝用户104的接收端设计波束成型向量μ_i，使之与对准的干扰子空间正交，第j个飞蜂窝用户104的接收向量满足：当i≠j,i,j∈C_m时，此时满足条件且 表示μ_i的共轭转置，故由下式可以消除跨层干扰和簇间的同层干扰：

步骤九：得到最终所需要的期望信号为：

Claims (1)

1.一种两层网络中基于分簇的干扰对齐方法，所述两层网络包含一个宏蜂窝基站、L个均匀分布的宏蜂窝用户以及K个泊松分布的飞蜂窝小区，其中，L≥1，K≥1，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：建立由飞蜂窝基站用户对所构成的三维蜂窝网络模型，所述飞蜂窝基站用户对由每个飞蜂窝小区内的飞蜂窝基站和飞蜂窝用户构成；定义飞蜂窝基站用户对的集合为：U＝{1,2,…,K}，并沿三维空间的X向、Y向和Z向以齐次泊松点过程随机产生K个点，每个点代表一个飞蜂窝基站用户对；

步骤二：分簇准备，由齐次泊松点过程确定每个飞蜂窝基站用户对的位置坐标并进行随机分簇，定义所得的簇为C＝{C₁,C₂,...,C_n}，C_m表示第m个簇，1≤m≤n，n表示簇的数目，1≤n≤K；

步骤三：从K个飞蜂窝基站用户对节点中随机抽取n个点作为初始的中心点，记为o₁,o₂,...,o_n，令t＝1；

步骤四：将剩余的K-n个飞蜂窝基站用户对指派给离它最近的中心点所代表的簇；

步骤五：计算平方误差函数p表示簇C_m中的飞蜂窝基站用户对位置坐标(x_p,y_p,z_p)，o_t表示簇C_m中的飞蜂窝基站用户对中心点位置坐标指定坐标范围0≤x≤100,0≤y≤100,0≤z≤100，若最小值对应的点p≠o_t，则用该非中心点p替换中心点o_t，t＝t+1；

步骤六：重复步骤四和步骤五，直到t＝n；

步骤七：建立跨层干扰模型，每一个簇中的第i个飞蜂窝用户接收到的信号向量为：

其中，i≤K，R_ii表示飞蜂窝基站用户对之间的距离，R_ij、R_0i分别表示相同簇内第j个飞蜂窝基站和宏蜂窝基站到第i个飞蜂窝用户的距离，j≤K；α₁表示室外路径损耗因子，α₂表示室内路径损耗因子，α₃表示室内与室外之间的路径损耗因子；假设此两层网络中，下行链路信道都为瑞利平坦衰落，则将第j个飞蜂窝基站到第i个飞蜂窝用户的信道表示为N×M_F维的矩阵H_ij，N为飞蜂窝用户的接收天线数，M_F为飞蜂窝基站的发送天线数；H_ii表示第i个飞蜂窝基站到第i个飞蜂窝用户的信道；H_0i表示宏蜂窝基站到第i个飞蜂窝用户的信道增益矩阵；v_i、v_j表示对飞蜂窝基站的发送信号进行预编码，v_u表示对宏蜂窝基站的发射信号进行预编码；s_i、s_j表示飞蜂窝基站的发射信息流，s_u表示宏蜂窝基站的发射信息流，n_i表示飞蜂窝用户接收到的均值为0、方差为σ²的加性高斯白噪声向量；

步骤八：利用干扰对齐技术进行干扰消除，在每个飞蜂窝基站的发送端设计预编码矩阵，使簇内的其它飞蜂窝基站对第i个飞蜂窝用户所引起的同层干扰与宏蜂窝基站对该飞蜂窝用户产生的跨层干扰对准到相同子空间内；第j个飞蜂窝基站发送端的预编码矩阵v_j应满足条件：Span(*)表示矩阵*的列向量所张成的子空间；在每个飞蜂窝用户的接收端设计波束成型向量μ_i，使之与对准的干扰子空间正交，第j个飞蜂窝用户的接收向量满足：当i≠j,i,j∈C_m时，此时满足条件且 表示μ_i的共轭转置，故由下式可以消除跨层干扰和簇间的同层干扰：

步骤九：得到最终所需要的期望信号为：