CN107592178B - 一种全双工通信中用户间干扰的消除方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全双工通信中用户间干扰的消除方法及装置，用于解决现有技术中的用户间干扰消除方法需要接收机获取上下行用户间的信道增益信息，而在实际通信环境中，上下行用户间的信道增益信息通常很难获取到，从而导致难以对用户间干扰进行有效消除的技术问题。本发明通过获取下行用户的同时包含了期望信号和干扰信号的接收信号，然后计算接收信号的自协方差矩阵，并且对自协方差矩阵进行转换获得伪逆矩阵后，利用伪逆矩阵计算斜投影矩阵，最后通过斜投影矩阵对接收信号进行处理，能够将干扰信号消除掉，并保留下来期望信号。

Description

一种全双工通信中用户间干扰的消除方法及装置

技术领域

本发明涉及全双工通信技术领域，尤其涉及一种全双工通信中用户间干扰的消除方法及装置。

背景技术

全双工通信能够在同一时间和同一频段上实现双向通信，与传统的时分和频分技术相比，全双工通信技术能大大提升系统的传输数据速率。将全双工通信应用在多用户多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)通信系统中，即基站进行全双工通信，能同时地采用同一频段与上下行的用户进行通信，这样相比于传统的多用户通信系统能大大地提高频带利用率。在用户端，上行用户和下行用户采用半双工的通信方式，即在每一个通信时隙里，上下行可以同时采用同一频段。这样在多用户全双工通信系统中，在下行用户处，会受到来自上行用户发射信号的干扰，这种干扰称为用户间干扰，用户间干扰已成为多用户全双工系统中限制其性能的一个瓶颈。

针对全双工系统中的用户间干扰消除问题，现有技术中的解决方法是通过比较上下行用户间数据速率增益与干扰信道容量之间的关系，从而采用对应的干扰消除方法，如连续干扰消除法，叠加编码和功率分配，消除用户间干扰。这种用户间干扰消除方法需要接收机获取上下行用户间的信道增益信息，而在实际通信环境中，上下行用户间的信道增益信息通常很难获取到。因此，在实际通信环境中，现有技术难以对用户间干扰进行有效消除。

发明内容

本发明提供了一种全双工通信中用户间干扰的消除方法及装置，解决了现有技术中的用户间干扰消除方法需要接收机获取上下行用户间的信道增益信息，而在实际通信环境中，上下行用户间的信道增益信息通常很难获取到，从而导致难以对用户间干扰进行有效消除的技术问题。

本发明提供的一种全双工通信中用户间干扰的消除方法，包括：

获取下行用户的接收信号，并计算所述接收信号的自协方差矩阵；

计算所述自协方差矩阵的伪逆矩阵，并根据所述伪逆矩阵计算斜投影矩阵；

利用所述斜投影矩阵处理所述接收信号，获得消除了用户间干扰的处理信号。

优选地，所述计算所述接收信号的自协方差矩阵之后还包括：

对所述自协方差矩阵进行降噪处理，获得重构后的自协方差矩阵；

所述计算所述自协方差矩阵的伪逆矩阵为计算所述重构后的自协方差矩阵的伪逆矩阵。

优选地，所述对所述自协方差矩阵进行降噪处理，获得重构后的自协方差矩阵包括：

对所述自协方差矩阵进行奇异值分解，获得分解后的矩阵；

将所述分解后的矩阵中包含信号和噪声的功率和的对角矩阵替换为消除噪声后的对角矩阵；

利用所述消除噪声后的对角矩阵重构所述自协方差矩阵，获得重构后的自协方差矩阵。

优选地，所述计算所述接收信号的自协方差矩阵包括：

通过自协方差矩阵求取公式计算所述接收信号的自协方差矩阵，所述自协方差矩阵求取公式具体为：

其中，为自协方差矩阵，为接收信号， 为下行用户的发射信号，为上行用户发射的信号，为下行用户接收端的加性高斯白噪声。

优选地，所述对所述自协方差矩阵进行奇异值分解为通过分解公式对所述自协方差矩阵进行奇异值分解，所述分解公式具体为：

其中，U和Σ₁都是M×M维的矩阵，Σ₁为包含信号和噪声的功率和的对角矩阵；

将所述分解后的矩阵中包含信号和噪声的功率和的对角矩阵替换为消除噪声后的对角矩阵为将矩阵Σ₁替换为矩阵Σ₂；

其中， 是噪声功率σ²的估计值，

所述利用所述消除噪声后的对角矩阵重构所述自协方差矩阵，获得重构后的自协方差矩阵为利用矩阵Σ₂重构自协方差矩阵R_F，获得重构后的自协方差矩阵

其中，

优选地，所述计算所述重构后的自协方差矩阵的伪逆矩阵，并根据所述伪逆矩阵计算斜投影矩阵为计算的伪逆矩阵并根据伪逆矩阵计算斜投影矩阵E；

其中，

优选地，所述利用所述斜投影矩阵处理所述接收信号，获得消除了用户间干扰的处理信号为利用斜投影矩阵E左乘接收信号获得处理信号

其中，

本发明提供的一种全双工通信中用户间干扰的消除装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取下行用户的接收信号，并计算所述接收信号的自协方差矩阵；

计算模块，用于计算所述自协方差矩阵的伪逆矩阵，并根据所述伪逆矩阵计算斜投影矩阵；

处理模块，用于利用所述斜投影矩阵处理所述接收信号，获得消除了用户间干扰的处理信号。

本发明提供的一种全双工通信中用户间干扰的消除装置，还包括：

降噪处理模块，用于对所述自协方差矩阵进行降噪处理，获得重构后的自协方差矩阵；

所述计算所述自协方差矩阵的伪逆矩阵为计算所述重构后的自协方差矩阵的伪逆矩阵。

优选地，所述降噪处理模块包括：

分解子模块，用于对所述自协方差矩阵进行奇异值分解，获得分解后的矩阵；

替换子模块，用于将所述分解后的矩阵中包含信号和噪声的功率和的对角矩阵替换为消除噪声后的对角矩阵；

重构子模块，用于利用所述消除噪声后的对角矩阵重构所述自协方差矩阵，获得重构后的自协方差矩阵。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明中通过获取下行用户的同时包含了期望信号和干扰信号的接收信号，然后计算接收信号的自协方差矩阵，并且对自协方差矩阵进行转换获得伪逆矩阵后，利用伪逆矩阵计算斜投影矩阵，最后通过斜投影矩阵对接收信号进行处理，能够将干扰信号消除掉，并保留下来期望信号，相比于已有的需要获取用户间干扰信道信息的消除方法，本发明提供的方法不需要获取上下行用户间的干扰信道信息，只需要对下行用户实际获取到的接收信号进行处理，即可对消除接收信号中与期望信号混合在一起的干扰信号，更加符合实际通信环境中用户间干扰信道信息难以获取的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为在单小区中实现多用户的全双工通信系统模型示意图；

图2为本发明实施例提供的一种全双工通信中用户间干扰的消除方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种全双工通信中用户间干扰的消除装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种全双工通信中用户间干扰的消除方法及装置，用于解决现有技术中的用户间干扰消除方法需要接收机获取上下行用户间的信道增益信息，而在实际通信环境中，上下行用户间的信道增益信息通常很难获取到，从而导致难以对用户间干扰进行有效消除的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

为了便于理解，本发明实施例先对在单小区中实现多用户的全双工通信系统模型进行描述。请参阅图1，图1为在单小区中实现多用户的全双工通信系统模型示意图。其中，基站工作于全双工模式，即能在同一频段上接收来自上行用户信号的同时向下行用户发送信号，K_D个下行用户和K_U个上行用户工作于半双工模式，即在每一个时隙，下行用户只接收信号，上行用户只发送信号。在基站端配置N_T根发射天线，N_R根接收天线，每一个上行和下行用户都配置M根天线用来信号的收发。在后面叙述中，D_i和U_j分别就代表着第i个下行用户和第j个上行用户。

对于下行链路，可以令表示发射信号，其中每一个元素表示的是发送给用户D_k(k＝1,2,L,K_D)的信号，可以将信号的发射功率归一化为通过波束赋形预编码向量将K_D个符号映射到N_T根发射天线上。对于上行链路，用户U_j向基站发射其信号 经过波束赋形向量将发射信号映射到M根发射天线上发射出去，可以记上行用户的发射信号为

则在下行用户D_i处的接收信号可以表示为：

其中,为从基站到下行用户D_i的复高斯信道，G_ij∈C^M×M为上行用户U_j和下行用户D_i之间的复信道系数，为下行用户接收端的加性高斯白噪声。公式(1)中的第二项表示的即为所有上行用户对下行用户D_i产生的用户间干扰，是本发明实施例中所需要消除掉的。

针对以上所述的在单小区中实现多用户的全双工通信系统，本发明实施例中提出了一种基于盲斜投影的全双工通信中用户间干扰的消除方法，旨在消除多用户全双工系统中上下行用户间的同频干扰，相比于已有的消除方法，本发明实施例中所提出的方法不需要获取上下行用户间的干扰信道信息，只需要计算接收信号的自协方差信息，利用自协方差信息信息构建斜投影算子，利用斜投影算子处理接收信号，便可以有效地消除掉干扰，并且可以将期望信号保留下来，相比于已有的需要获取用户间干扰信道信息的消除方法，本发明实施例提供的方法属于一种盲的方法，即只获取下行用户接收到的接收信号，而不需要获取用户间干扰信道信息，更加符合实际通信环境中用户间干扰信道信息难以获取的情况。

请参阅图2，图2为本发明实施例提供的一种全双工通信中用户间干扰的消除方法的流程示意图。

本发明实施例提供的一种全双工通信中用户间干扰的消除方法，包括：

S101、获取下行用户的接收信号，并计算所述接收信号的自协方差矩阵；

首先，获取在单小区中实现多用户的全双工通信系统的下行用户的接收信号，由于下行用户所接收的信号中包含了混合在一起的期望信号和干扰信号，因此需要对接收信号进行干扰信号处理，并且不影响到期望信号。为了对接收信号进行干扰信号的消除，需要了解接收信号中期望信号与干扰信号的构成。由上述分析知，可以将接收信号表示为：

对接收信号进行展开，可以得：

为了简化公式(2)，可以令因此，公式(2)可以简化为:

然后，通过自协方差矩阵求取公式计算所述接收信号的自协方差矩阵，所述自协方差矩阵求取公式具体为：

其中，为自协方差矩阵，为接收信号， 为下行用户的发射信号，为上行用户发射的信号，为下行用户接收端的加性高斯白噪声。

进一步地，由于本发明所提出的方法实际应用于在单小区中实现多用户的全双工通信系统，为提高本发明实施例中所提出的方法的消除干扰的性能，消除实际通信过程中存在的噪声影响，可以进行降噪处理，使得本发明实施例所提出的方法消除干扰的性能更佳，可以获得更有效、精准的期望信号。

具体的，可以对所述自协方差矩阵进行降噪处理，获得重构后的自协方差矩阵。其步骤包括：对所述自协方差矩阵进行奇异值分解，获得分解后的矩阵；将所述分解后的矩阵中包含信号和噪声的功率和的对角矩阵替换为消除噪声后的对角矩阵；利用所述消除噪声后的对角矩阵重构所述自协方差矩阵，获得重构后的自协方差矩阵。

其中，所述对所述自协方差矩阵进行奇异值分解为通过分解公式对所述自协方差矩阵进行奇异值分解，所述分解公式具体为：

其中，U和Σ₁都是M×M维的矩阵，Σ₁为包含信号和噪声的功率和的对角矩阵；需要说明的是，对角矩阵Σ₁中的元素是按降序排列的。如果的秩是r，那么U_F，U_n，Σ_F和Σ_n的维数分别为M×r，M×(M-r)，r×r，和(M-r)×(M-r)。由于U_F中的向量张成的是信号子空间，包括期望信号以及干扰信号子空间，U_n中的向量则张成噪声子空间。Σ_F包含了信号和噪声的功率和的信息，而Σ_n中只包含了噪声的功率信息。因此噪声功率可以从Σ_F中除去，具体的，将所述分解后的矩阵中包含信号和噪声的功率和的对角矩阵替换为消除噪声后的对角矩阵为将矩阵Σ₁替换为矩阵Σ₂。其中， 是噪声功率σ²的估计值，

上述步骤中所述利用所述消除噪声后的对角矩阵重构所述自协方差矩阵，获得重构后的自协方差矩阵为利用矩阵Σ₂重构自协方差矩阵R_F，获得重构后的自协方差矩阵其中，

S102、计算所述自协方差矩阵的伪逆矩阵，并根据所述伪逆矩阵计算斜投影矩阵；

可以理解的是，为了获得更好的干扰消除效果，所述计算所述自协方差矩阵的伪逆矩阵可以为计算所述重构后的自协方差矩阵的伪逆矩阵。计算的伪逆矩阵如下：

然后，可以根据伪逆矩阵计算斜投影矩阵E，具体的，通过公式(6)和矩阵A，可以得到经过降噪处理的斜投影矩阵：

S103、利用所述斜投影矩阵处理所述接收信号，获得消除了用户间干扰的处理信号。

最后，利用斜投影矩阵E左乘接收信号可以获得处理信号

显然，从公式(8)可以看出，通过斜投影算子的处理，下行用户间的干扰信号Bx_U被完全消除掉了。

本发明实施例中通过获取下行用户的同时包含了期望信号和干扰信号的接收信号，然后计算接收信号的自协方差矩阵，并且对自协方差矩阵进行转换获得伪逆矩阵后，利用伪逆矩阵计算斜投影矩阵，最后通过斜投影矩阵对接收信号进行处理，能够将干扰信号消除掉，并保留下来期望信号，相比于已有的需要获取用户间干扰信道信息的消除方法，本发明提供的方法不需要获取上下行用户间的干扰信道信息，只需要对下行用户实际获取到的接收信号进行处理，即可对消除接收信号中与期望信号混合在一起的干扰信号，更加符合实际通信环境中用户间干扰信道信息难以获取的情况。

以上为对本发明实施例提供的一种全双工通信中用户间干扰的消除方法的详细描述，以下将对本发明实施例提供的一种全双工通信中用户间干扰的消除装置进行详细的描述。

请参阅图3，图3为本发明实施例提供的一种全双工通信中用户间干扰的消除装置的结构示意图。

本发明实施例提供的一种全双工通信中用户间干扰的消除装置，包括：

获取模块201，用于获取下行用户的接收信号，并计算所述接收信号的自协方差矩阵。其中，可以将接收信号表示为：

对接收信号进行展开，可以得：

为了简化公式(2)，可以令因此，公式(2)可以简化为:

通过自协方差矩阵求取公式计算所述接收信号的自协方差矩阵，所述自协方差矩阵求取公式具体为：

其中，为自协方差矩阵，为接收信号， 为下行用户的发射信号，为上行用户发射的信号，为下行用户接收端的加性高斯白噪声。

降噪处理模块202，用于对所述自协方差矩阵进行降噪处理，获得重构后的自协方差矩阵；所述降噪处理模块202包括：

分解子模块2021，用于对所述自协方差矩阵进行奇异值分解，获得分解后的矩阵；通过分解公式对所述自协方差矩阵进行奇异值分解，所述分解公式具体为：

替换子模块2022，用于将所述分解后的矩阵中包含信号和噪声的功率和的对角矩阵替换为消除噪声后的对角矩阵。具体的，将所述分解后的矩阵中包含信号和噪声的功率和的对角矩阵替换为消除噪声后的对角矩阵为将矩阵Σ₁替换为矩阵Σ₂。其中， 是噪声功率σ²的估计值，

重构子模块2023，用于利用所述消除噪声后的对角矩阵重构所述自协方差矩阵，获得重构后的自协方差矩阵。即，利用矩阵Σ₂重构自协方差矩阵R_F，获得重构后的自协方差矩阵其中，

计算模块203，用于计算所述自协方差矩阵的伪逆矩阵，并根据所述伪逆矩阵计算斜投影矩阵；所述计算所述自协方差矩阵的伪逆矩阵为计算所述重构后的自协方差矩阵的伪逆矩阵。计算的伪逆矩阵如下：

具体的，通过公式(6)和矩阵A，可以得到经过降噪处理的斜投影矩阵：

处理模块203，用于利用所述斜投影矩阵处理所述接收信号，获得消除了用户间干扰的处理信号。利用斜投影矩阵E左乘接收信号可以获得处理信号

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种全双工通信中用户间干扰的消除方法，其特征在于，包括：

获取下行用户的接收信号，并计算所述接收信号的自协方差矩阵；

计算所述自协方差矩阵的伪逆矩阵，并根据所述伪逆矩阵计算斜投影矩阵；

利用所述斜投影矩阵处理所述接收信号，获得消除了用户间干扰的处理信号。

2.根据权利要求1所述的全双工通信中用户间干扰的消除方法，其特征在于，所述计算所述接收信号的自协方差矩阵之后还包括：

对所述自协方差矩阵进行降噪处理，获得重构后的自协方差矩阵；

所述计算所述自协方差矩阵的伪逆矩阵为计算所述重构后的自协方差矩阵的伪逆矩阵。

3.根据权利要求2所述的全双工通信中用户间干扰的消除方法，其特征在于，所述对所述自协方差矩阵进行降噪处理，获得重构后的自协方差矩阵包括：

对所述自协方差矩阵进行奇异值分解，获得分解后的矩阵；

将所述分解后的矩阵中包含信号和噪声的功率和的对角矩阵替换为消除噪声后的对角矩阵；

利用所述消除噪声后的对角矩阵重构所述自协方差矩阵，获得重构后的自协方差矩阵。

4.根据权利要求3所述的全双工通信中用户间干扰的消除方法，其特征在于，所述计算所述接收信号的自协方差矩阵包括：

通过自协方差矩阵求取公式计算所述接收信号的自协方差矩阵，所述自协方差矩阵求取公式具体为：

其中，为自协方差矩阵，为接收信号， 为下行用户的发射信号，为上行用户发射的信号，为下行用户接收端的加性高斯白噪声，A为下行用户接收到的极化状态信息矩阵，B是上行用户的发送信号到达下行用户接收端的极化状态信息矩阵，和的定义分别是信号x_D和x_U的自协方差矩阵，I_M为包含了天线个数为M的矩阵，M为矩阵I_M的秩，F和R_O为转换过程中的中间变量，R_F为包含了上行期望信号与下行期望信号的自协方差矩阵，σ²为噪声功率。

5.根据权利要求4所述的全双工通信中用户间干扰的消除方法，其特征在于，所述对所述自协方差矩阵进行奇异值分解为通过分解公式对所述自协方差矩阵进行奇异值分解，所述分解公式具体为：

其中，U和Σ₁为矩阵经过奇异值分解操作后得到的M×M维的矩阵，Σ₁为包含信号和噪声的功率和的对角矩阵，U_F和U_n是矩阵U的分解子矩阵Σ_F和Σ_n为矩阵Σ₁的分解子矩阵；

将所述分解后的矩阵中包含信号和噪声的功率和的对角矩阵替换为消除噪声后的对角矩阵为将矩阵Σ₁替换为矩阵Σ₂；

其中， 是噪声功率σ²的估计值，

所述利用所述消除噪声后的对角矩阵重构所述自协方差矩阵，获得重构后的自协方差矩阵为利用矩阵Σ₂重构自协方差矩阵R_F，获得重构后的自协方差矩阵

其中，Ir为包含了天线个数为r的矩阵，r为矩阵Ir的秩，

6.根据权利要求5所述的全双工通信中用户间干扰的消除方法，其特征在于，所述计算所述重构后的自协方差矩阵的伪逆矩阵，并根据所述伪逆矩阵计算斜投影矩阵为计算的伪逆矩阵并根据伪逆矩阵计算斜投影矩阵E；

其中，

7.根据权利要求6所述的全双工通信中用户间干扰的消除方法，其特征在于，所述利用所述斜投影矩阵处理所述接收信号，获得消除了用户间干扰的处理信号为利用斜投影矩阵E左乘接收信号获得处理信号

其中，

8.一种全双工通信中用户间干扰的消除装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取下行用户的接收信号，并计算所述接收信号的自协方差矩阵；

计算模块，用于计算所述自协方差矩阵的伪逆矩阵，并根据所述伪逆矩阵计算斜投影矩阵；

处理模块，用于利用所述斜投影矩阵处理所述接收信号，获得消除了用户间干扰的处理信号。

9.根据权利要求8所述的全双工通信中用户间干扰的消除装置，其特征在于，还包括：

降噪处理模块，用于对所述自协方差矩阵进行降噪处理，获得重构后的自协方差矩阵；

所述计算所述自协方差矩阵的伪逆矩阵为计算所述重构后的自协方差矩阵的伪逆矩阵。

10.根据权利要求9所述的全双工通信中用户间干扰的消除装置，其特征在于，所述降噪处理模块包括：

分解子模块，用于对所述自协方差矩阵进行奇异值分解，获得分解后的矩阵；

替换子模块，用于将所述分解后的矩阵中包含信号和噪声的功率和的对角矩阵替换为消除噪声后的对角矩阵；

重构子模块，用于利用所述消除噪声后的对角矩阵重构所述自协方差矩阵，获得重构后的自协方差矩阵。