CN107147468B - 基于多维资源的联合自适应干扰管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于多维资源的联合自适应干扰管理方法，旨在避免现有单一干扰管理方法对特定资源的依赖，有效提升微微蜂窝用户的频谱效率，实现步骤为：微微基站PBS获取宏基站MBS的预编码矩阵P_m；PBS计算所有期望信号与来自MBS的第k路干扰信号之间的空间相关度之和c_k，并对c_k进行降序排序；PBS根据c_k的排序结果，计算中和第k路干扰信号需要的功率、采用IN管理第k路干扰信号导致期望信号的功率损失和采用ZF管理第k路干扰导致期望信号的功率损失PBS为每一路干扰信号选择干扰管理方式；接收机根据PBS为每一路干扰信号选择的干扰管理方式，设计期望信号的接收滤波向量。

Description

基于多维资源的联合自适应干扰管理方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种自适应干扰管理方法，尤其涉及一种基于多维资源的联合自适应干扰管理方法(Joint Adaptive Interference Management，JAIM)，可用于宏蜂窝与微微蜂窝共存的混合蜂窝网络通信系统的下行通信中。

背景技术

随着无线通信技术的发展，传统的蜂窝结构越来越难满足人们日益增长的数据业务需求。在宏蜂窝网络中部署低功率节点，能够缩短用户与接入点之间的距离，提升系统吞吐量，但同时也导致系统内部干扰的恶化，成为制约网络性能的重要因素。因此，干扰管理技术的重要性日益凸显。

现有的干扰管理方式有迫零接收ZF、干扰对齐IA和干扰中和IN等，它们可使干扰信号在接收端得到抑制或消除。但是迫零ZF接收会导致期望信号功率的损失，并且在使用该方法时，干扰需要占用接收端的自由度。干扰对齐IA虽然可以降低干扰的维度，但仍需要消耗接收端的自由度。干扰中和IN通过发送干扰中和信号消除干扰时，会消耗发射功率，且在关于干扰中和IN的研究中，仅简单地对干扰进行完全中和，未考虑其功率开销。

Gou T,Jafar S A,and Wang C,et al.Aligned interference neutralizationand the degrees of freedom of the2×2×2interference channel[J].IEEETransactions on Information Theory,2012,58(7):4381-4395(2×2×2干扰信道中的对齐干扰中和与自由度研究)，通过将IA与IN相结合，在由两级两用户干扰信道串联形成的多跳干扰网络中设计干扰对齐中和方案，实现多路数据的并发传输。

Wu D,Yang C,and Liu T,et al.Feasibility conditions for interferenceneutralization in relay-aided interference channel[J].IEEE Transactions onSignal Processing,2014,62(6):1408-1423(中继辅助信道中采用干扰中和的可行性条件)，用户接收到来自基站直接发送的信号和中继转发的信号，通过使用IN，干扰能够被完全消除。

Wang Q,Dong Y,and Zhao J,et al.Instantaneous Relaying:FeasibilityConditions for Interference Neutralization[J].IEEE Communications Letters,2015,19(8):1370-1373(瞬时中继：干扰中和的可行性条件)，对采用瞬时中继(无转发时延)的通信系统中IN的可行性进行研究，给出采用IN可解码的期望信号数与中继和收发端天线数的关系。

根据以上叙述，虽然目前已有许多干扰管理方法，但是尚缺少足够的关于干扰管理开销的关注。另一方面，干扰管理的开销本质上是某一维度的资源，该资源既可用于数据传输，也可以用于干扰管理。因此，不同的方法管理干扰的能力不仅由其设计决定，也受限于其可用的资源。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提供了一种基于多维资源的联合自适应干扰管理方法，旨在避免现有单一干扰管理方法对特定资源的依赖，有效提升微微蜂窝用户的频谱效率。

本发明的技术思路是：针对宏蜂窝与微微蜂窝共存的混合蜂窝网络通信系统的下行通信，定义干扰管理效率，在此基础上给出以管理效率最大化为目标的自适应干扰管理准则，利用ZF和IN两种干扰管理方法，设计具体的联合自适应干扰管理(JAIM)方法，实现对微微蜂窝用户受到的来自宏蜂窝通信的干扰的有效管理，从而提高了微微蜂窝用户的频谱效率。

根据上述技术思路，实现本发明目的采取的技术方案包括如下步骤：

(1)微微基站PBS获取宏基站MBS的预编码矩阵P_m，实现步骤为：

(1a)宏基站MBS广播导频信号到宏蜂窝用户MUE和微微蜂窝用户PUE，同时微微基站PBS广播导频信号到微微蜂窝用户PUE，宏蜂窝用户MUE根据导频信号估计宏基站MBS到宏蜂窝用户MUE的信道信息H_m，微微蜂窝用户PUE根据宏基站MBS和微微基站PBS广播的导频信号估计宏基站MBS到微微用户PUE干扰信道信息H_mp和微微基站PBS到微微蜂窝用户PUE期望信道信息H_p；

(1b)宏蜂窝用户MUE选择一个低速无差错链路，将宏基站MBS到宏蜂窝用户MUE的信道信息H_m反馈给宏基站MBS，微微蜂窝用户PUE选择专用控制信道，将干扰信道信息H_mp反馈给宏基站MBS，同时将期望信道信息H_p反馈给微微基站PBS，宏基站MBS和微微基站PBS通过基站间协作，共享信道信息H_m、信道信息H_mp、宏基站MBS的数据和微微基站PBS的数据；

(1c)微微基站PBS对信道信息H_p和共享信道信息H_m及信道信息H_mp进行奇异值分解，得到宏基站MBS的预编码矩阵P_m；

(2)微微基站PBS根据宏基站MBS的预编码矩阵、各信道信息和共享的宏基站MBS的数据，计算所有期望信号与来自宏基站MBS的第k路干扰信号之间的空间相关度c_k，并对c_k进行降序排序，其中k∈{1,2,…,K_m}，K_m为来自宏基站MBS的干扰信号数；

(3)微微基站PBS根据c_k的排序结果，计算中和第k路干扰信号需要的功率采用干扰中和IN管理第k路干扰信号导致期望信号的功率损失和采用迫零ZF接收管理第k路干扰导致期望信号的功率损失

(4)微微基站PBS为每一路干扰信号选择干扰管理方式，实现步骤为：

(4a)微微基站PBS定义干扰管理效率其中，P_I表示未进行干扰管理时受干扰接收机观测到的干扰信号的功率，P_I′表示经过干扰管理后受干扰接收机观测到的干扰信号的功率，表示干扰管理造成的期望信号的功率损失，IM表示采取的干扰管理方式；

(4b)微微基站PBS根据η、和定义自适应干扰管理准则：其中，k∈{1,2,…,K_m}，P_p表示微微基站PBS的发射功率，P_r为微微基站PBS的剩余功率，当K_m＝1，P_r＝P_p，当K_m＞1，更新P_r为

(4c)微微基站PBS根据自适应干扰管理准则，确定第k路干扰信号的干扰管理方式，得到所有路干扰信号的干扰管理方式；

(5)接收机根据微微基站PBS为每一路干扰信号选择的干扰管理方式，设计期望信号的接收滤波向量。

本发明与现有技术对比，具有以下特点：

1、本发明在微微基站PBS为每路干扰信号选择干扰管理方式时，定义了干扰管理效率，根据干扰管理效率获得自适应选择干扰管理方式的准则，减少了干扰管理对资源的消耗，有效地提高了微微蜂窝用户的频谱效率。

2、本发明在使用干扰中和管理干扰时，根据干扰中和开销判断是否采用干扰中和，考虑到了干扰管理对资源的消耗，与现有技术相比，进一步提高了微微蜂窝用户的频谱效率。

3、本发明将消耗不同维度资源的干扰管理方式相结合，避免了单一的干扰管理方式对特定资源的依赖。

附图说明

图1是本发明使用的混合蜂窝通信系统模型图；

图2是本发明的实现流程图；

图3是本发明在K_p＝3，K_m＝3配置下PUE的频谱效率图。

具体实施方式

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，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例，对本发明作进一步描述。

参照图1，本发明使用的系统模型是单个宏蜂窝与多个微微蜂窝构成的混合蜂窝下行通信系统，系统中包括1个宏基站MBS，多个微微基站PBS，多个宏蜂窝用户MUE和多个微微蜂窝用户PUE。由于微微蜂窝间的干扰可以通过运营商合理的部署或正交资源分配进行规避，并且在一个宏/微微蜂窝内，一个资源块仅分配给一个用户，基于此我们将系统模型简化为仅包含1个MUE和1个PUE的情况。宏基站、宏蜂窝用户、微微基站和微微蜂窝用户的天线数分别为 和考虑到移动台相比于基站受到更严格的硬件、成本等方面的限制，假设和宏基站发送到宏用户的期望信号会对微微基站与微微用户之间的通信产生干扰，微微蜂窝工作在开放接入模式，MUE位于PBS覆盖范围之外，PBS对其干扰较小，可以忽略，故在本实施例中不予讨论。

参照图2，一种基于多维资源的联合自适应干扰管理方法，实现步骤如下：

步骤1，微微基站PBS获取宏基站MBS的预编码矩阵P_m，实现步骤为：

步骤1a，宏基站MBS广播导频信号到宏蜂窝用户MUE和微微蜂窝用户PUE，同时微微基站PBS广播导频信号到微微蜂窝用户PUE，宏蜂窝用户MUE根据导频信号估计宏基站MBS到宏蜂窝用户MUE的信道信息H_m，微微蜂窝用户PUE根据宏基站MBS和微微基站PBS广播的导频信号估计宏基站MBS到微微用户PUE干扰信道信息H_mp和微微基站PBS到微微蜂窝用户PUE期望信道信息H_p；

步骤1b，宏蜂窝用户MUE选择一个低速无差错链路，将宏基站MBS到宏蜂窝用户MUE的信道信息H_m反馈给宏基站MBS，微微蜂窝用户PUE选择专用控制信道，将干扰信道信息H_mp反馈给宏基站MBS，同时将期望信道信息H_p反馈给微微基站PBS，宏基站MBS和微微基站PBS通过基站间协作，共享信道信息H_m、信道信息H_mp、宏基站MBS的数据和微微基站PBS的数据；

步骤1c，微微基站PBS对信道信息H_p和共享信道信息H_m及信道信息H_mp进行奇异值分解，得到宏基站MBS的预编码矩阵P_m。

步骤2，微微基站PBS根据宏基站MBS的预编码矩阵、各信道信息和共享的宏基站MBS的数据，计算所有期望信号与来自宏基站MBS的第k路干扰信号之间的空间相关度之和c_k，并对c_k进行降序排序，其中k∈{1,2,…,K_m}，K_m为来自宏基站MBS的干扰信号数，实现步骤如下：

步骤2a，计算干扰信号的方向向量令微微蜂窝用户PUE的干扰信号为则微微蜂窝用户PUE受到的第k路干扰信号的幅度为方向为其中P_m为宏基站MBS的发射功率，为宏基站MBS预编码矩阵P_m的第k列列向量，L_mp是宏基站MBS到微微蜂窝用户PUE的路径损耗；

步骤2b，计算期望信号的方向向量令微微蜂窝用户PUE的期望信号则PUE的第i路期望信号的幅度为方向为其中P_p为微微基站PBS的发射功率，为微微基站PBS预编码矩阵P_p的第i列列向量，L_p是微微基站PBS到微微蜂窝用户PUE的路径损耗；

步骤2c，计算c_k并进行降序排序，其计算公式为：其中

步骤3，微微基站PBS根据c_k的排序结果，计算中和第k路干扰信号需要的功率采用干扰中和IN管理第k路干扰信号导致期望信号的功率损失和采用迫零ZF接收管理第k路干扰导致期望信号的功率损失

步骤3a，计算中和第k路干扰信号需要的功率其计算公式为：

其中P_m为宏基站MBS的发射功率，L_mp是宏基站MBS到微微蜂窝用户PUE的路径损耗，L_p是微微基站PBS到微微蜂窝用户PUE的路径损耗，||||²表示向量范数的平方，H_p是微微基站PBS到微微蜂窝用户PUE期望信道信息，H_mp是宏基站MBS到微微用户PUE干扰信道信息，是宏基站MBS的预编码矩阵P_m的第k列列向量，K_m为来自宏基站MBS的干扰信号数；

步骤3b，计算采用干扰中和IN管理第k路干扰信号导致期望信号的功率损失其计算公式为：

其中，是中和第k路干扰信号需要的功率，为对微微基站PBS到微微蜂窝用户PUE期望信道信息H_p进行奇异值分解后对角矩阵主对角线上的第k个元素；

步骤3c，计算采用迫零ZF接收管理第k路干扰导致期望信号的功率损失其计算公式为：

计算时只考虑c_k降序排序中在第k路干扰信号之前的干扰信号，其中，P_r为微微基站PBS的剩余功率，K_p为来自微微基站PBS的期望信号数，表示求解微微蜂窝用户PUE的第i路期望信号时，第k个进行了施密特正交化的干扰信号的投影矩阵，为求解第i路期望信号时，采用施密特正交化后的第k路干扰的方向，是微微基站PBS的预编码矩阵P_p的第i列列向量。

步骤4，微微基站PBS为每一路干扰信号选择干扰管理方式，实现步骤为：

步骤4a，微微基站PBS定义干扰管理效率其中，P_I表示未进行干扰管理时受干扰接收机观测到的干扰信号的功率，P_I′表示经过干扰管理后受干扰接收机观测到的干扰信号的功率，表示干扰管理造成的期望信号的功率损失，IM表示采取的干扰管理方式；

步骤4b，微微基站PBS根据η、和定义自适应干扰管理准则：其中，k∈{1,2,…,K_m}，P_p表示微微基站PBS的功率，当K_m＝1，P_r＝P_p，当K_m＞1，更新P_r为

步骤4c，微微基站PBS根据自适应干扰管理准则，确定第k路干扰信号的干扰管理方式，得到所有路干扰信号的干扰管理方式。

步骤5，接收机根据微微基站PBS为每一路干扰信号选择的干扰管理方式，设计期望信号的接收滤波向量。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明。

一、仿真条件：

仿真对象：本文提出的联合自适应干扰管理算法，与ZF、IN、max[ZF,IN]和遍历比较。其中迫零ZF接收通过在微微蜂窝用户PUE设计滤波向量实现干扰抑制；干扰中和IN使微微基站PBS产生与干扰等大反向的中和信号，从而在微微用户PUE处消除干扰；max[ZF,IN]在所有干扰使用相同管理方式的前提下，从IN和ZF中选取能够获得最大频谱效率的方法；遍历方法考察全部干扰的所有可能的干扰管理方式组合，从中选取最大的系统频谱效率作为遍历方法的频谱效率。

仿真参数：表1中列出了混合蜂窝网络下的仿真环境参数设置。基站采用等功率分配，即宏基站MBS将发射功率P_m均分给K_m路数据，微微基站PBS的发射功率P_p减去中和功率开销后，剩余的部分等分给微微蜂窝用户PUE的期望信号。L_m、L_mp和L_p分别为宏基站MBS到宏蜂窝用户MUE和微微蜂窝用户PUE，以及微微基站PBS到微微蜂窝用户PUE的路径损耗，根据宏蜂窝路损和微微蜂窝路损计算可得。根据选择的宏蜂窝与微微蜂窝的覆盖半径，宏基站MBS与微微基站PBS之间的距离D取(0.5,3)km。主要采用干扰中和IN与迫零ZF接收管理干扰，为了保证干扰能够被管理，设置即在干扰中和IN不可用时，可使用迫零ZF接收对全部干扰进行抑制并辨析所有期望信号。

表1混合蜂窝网络仿真环境参数设置

二、仿真内容及分析：

对K_p＝3，K_m＝3配置下微微蜂窝用户PUE可以获得的频谱效率进行仿真，其结果如图3所示，其中，分别是宏基站MBS的发射天线数、接收天线数，分别是微微基站PBS的发射天线数、接收天线数，纵轴表示微微蜂窝用户PUE的频谱效率，横轴代表宏基站MBS到微微基站PBS的距离，采用ZF、IN、max[ZF,IN]以及JAIM所得的微微蜂窝用户PUE的频谱效率与图中对应的频谱效率的变化趋势相同，JAIM的频谱效率稍劣于遍历方法，这是由于在多干扰情况下JAIM计算ZF开销时进行了简化，并且按照空间相关度选择进行中和的干扰，其功率开销不一定最小；而在多期望信号情况下，JAIM使用功率开销之和作为频谱效率的衡量，这些操作都存在不准确性。

Claims (5)

1.一种基于多维资源的联合自适应干扰管理方法，其特征在于，实现步骤如下：

(1)微微基站PBS获取宏基站MBS的预编码矩阵P_m，实现步骤为：

(1a)宏基站MBS广播导频信号到宏蜂窝用户MUE和微微蜂窝用户PUE，同时微微基站PBS广播导频信号到微微蜂窝用户PUE，宏蜂窝用户MUE根据导频信号估计宏基站MBS到宏蜂窝用户MUE的信道信息H_m，微微蜂窝用户PUE根据宏基站MBS和微微基站PBS广播的导频信号估计宏基站MBS到微微用户PUE干扰信道信息H_mp和微微基站PBS到微微蜂窝用户PUE期望信道信息H_p；

(1b)宏蜂窝用户MUE选择一个低速无差错链路，将宏基站MBS到宏蜂窝用户MUE的信道信息H_m反馈给宏基站MBS，微微蜂窝用户PUE选择专用控制信道，将干扰信道信息H_mp反馈给宏基站MBS，同时将期望信道信息H_p反馈给微微基站PBS，宏基站MBS和微微基站PBS通过基站间协作，共享信道信息H_m、信道信息H_mp、宏基站MBS的数据和微微基站PBS的数据；

(1c)微微基站PBS对信道信息H_p和共享信道信息H_m及信道信息H_mp进行奇异值分解，得到宏基站MBS的预编码矩阵P_m；

(2)微微基站PBS根据宏基站MBS的预编码矩阵、各信道信息和共享的宏基站MBS的数据，计算所有期望信号与来自宏基站MBS的第k路干扰信号之间的空间相关度之和c_k，并对c_k进行降序排序，其中k∈{1,2,…,K_m}，K_m为来自宏基站MBS的干扰信号数；

(3)微微基站PBS根据c_k的排序结果，计算中和第k路干扰信号需要的功率采用干扰中和IN管理第k路干扰信号导致期望信号的功率损失和采用迫零ZF接收管理第k路干扰导致期望信号的功率损失

(4)微微基站PBS为每一路干扰信号选择干扰管理方式，实现步骤为：

(4a)微微基站PBS定义干扰管理效率其中，P_I表示未进行干扰管理时受干扰接收机观测到的干扰信号的功率，P_I′表示经过干扰管理后受干扰接收机观测到的干扰信号的功率，表示干扰管理造成的期望信号的功率损失，IM表示采取的干扰管理方式；

(4b)微微基站PBS根据η、和定义自适应干扰管理准则：其中，k∈{1,2,…,K_m}，P_p表示微微基站PBS的发射功率，P_r为微微基站PBS的剩余功率，当K_m＝1，P_r＝P_p，当K_m＞1，更新P_r为

(4c)微微基站PBS根据自适应干扰管理准则，确定第k路干扰信号的干扰管理方式，得到所有路干扰信号的干扰管理方式；

(5)接收机根据微微基站PBS为每一路干扰信号选择的干扰管理方式，设计期望信号的接收滤波向量。

2.根据权利要求1所述的基于多维资源的联合自适应干扰管理方法，其特征在于，步骤(3)中所述的采用迫零ZF接收管理第k路干扰导致期望信号的功率损失只考虑c_k降序排序中在第k路干扰信号之前的干扰信号。

3.根据权利要求1所述的基于多维资源的联合自适应干扰管理方法，其特征在于，步骤(3)中所述的计算中和第k路干扰信号需要的功率其计算公式为：

其中P_m为宏基站MBS的功率，L_mp是宏基站MBS到微微蜂窝用户PUE的路径损耗，L_p是微微基站PBS到微微蜂窝用户PUE的路径损耗，|| ||²表示向量范数的平方，H_p是微微基站PBS到微微蜂窝用户PUE期望信道信息，H_mp是宏基站MBS到微微用户PUE干扰信道信息，是宏基站MBS的预编码矩阵P_m的第k列列向量，K_m为来自宏基站MBS的干扰信号数。

4.根据权利要求1所述的基于多维资源的联合自适应干扰管理方法，其特征在于，步骤(3)中所述的计算采用干扰中和IN管理第k路干扰信号导致期望信号的功率损失其计算公式为：

其中,是中和第k路干扰信号需要的功率，为对微微基站PBS到微微蜂窝用户PUE期望信道信息H_p进行奇异值分解后对角矩阵主对角线上的第k个元素,L_p是微微基站PBS到微微蜂窝用户PUE的路径损耗。

5.根据权利要求1所述的基于多维资源的联合自适应干扰管理方法，其特征在于，步骤(3)中所述的计算采用迫零ZF接收管理第k路干扰导致期望信号的功率损失其计算公式为：

其中P_r为微微基站PBS的剩余功率，K_p为来自微微基站PBS的期望信号数，|| ||²表示向量范数的平方，D_ik表示求解微微蜂窝用户PUE的第i路期望信号时，第k个进行了施密特正交化的干扰信号的投影矩阵，是微微基站PBS的预编码矩阵P_p的第i列列向量,L_p是微微基站PBS到微微蜂窝用户PUE的路径损耗。