CN107888247B - 无线移动通信系统中基于有限反馈的机会式干扰对齐方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种无线移动通信系统中基于有限反馈的机会式干扰对齐方法，所述无线移动通信系统中基于有限反馈的机会式干扰对齐方法在基站处为小区内所有用户设计预编码矩阵；采用归一化最小弦距聚类分析法于基站处完成上行链路的用户调度过程；反馈被调度的用户标号，小区内用户完成预编码矩阵的构建；在每个接收端设计接收迫零矩阵完成实际干扰链路的迫零过程。本发明利用多用户分级增益使得系统在反馈比特数受限情况下的传输速率显著提高，减小了由于有限反馈带来的限制，使得在较小的反馈比特数情况下可以达到较好的传输速率。

Description

无线移动通信系统中基于有限反馈的机会式干扰对齐方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种无线移动通信系统中基于有限反馈的机会式干扰对齐方法。

背景技术

随着无线移动通信技术的发展和进步，移动用户数目的急剧增加和用户对高速度，高质量通信的需求使得能否有效抑制干扰成为影响未来无线通信系统性能的一个重要的因素。干扰对齐(IA)技术因其能够在抑制干扰的同时，其系统总的自由度与用户数保持线性关系，使得无线干扰网络的容量有了飞跃式的增长，故而受到学术界的广泛关注。传统的干扰对齐技术一般假设发送端已知全局信道状态信息(CSIT)，而在频分双工(FDD)通信系统中，其下行链路和上行链路之间是不相关的，所处的频带不同，所以对于FDD通信系统来说获取准确的CSIT非常困难，一般就实际通信系统而言是由接收端对信道状态信息进行估计再反馈给发送端。然而由于资源的有限，如带宽等，反馈比特数受到开销的限制，故而反馈回发送端的信道状态信息存在着量化误差，所以有限反馈下的干扰对齐方案设计成为了干扰对齐技术面临的重要问题。多小区蜂窝网上行链路可抽象为多址接入信道(MAC)系统，其中每个用户的信号在基站处受到的干扰分为：来自邻小区内用户的干扰(ICI)，来自本小区内其他用户的干扰(IUI)。MAC系统干扰对齐方案的设计一般通过在用户发端设计预编码矩阵对齐ICI到同一较低维度的信号子空间中，再由每个接收端通过迫零接收等方式消除IUI和对齐后的ICI，得到期望信号。对在有限反馈情况下的干扰对齐方案设计而言，其预编码矩阵一般由基站量化并反馈给发送端，然而在有限反馈情况下由于量化反馈比特数的限制，使得量化反馈预编码矩阵时会产生一定的量化误差，那么对于接收端，本身已经对齐到干扰信号子空间中的干扰信号会再一次弥散开来发散到整个信号空间中，同时由于量化反馈预编码矩阵会造成IUI实际链路的空间方向与量化前有所不同，此时原始的接收迫零矩阵不能起到很好的抑制干扰恢复信号的作用。

综上所述，现有技术存在的问题是：干扰对齐机制在有限反馈情况下，量化反馈预编码矩阵会使得ICI不能严格对齐到预先的指定维数的信号子空间中，在完美信道状态信息情况下已经对齐的干扰信号会再一次弥散开来，发散到整个信号空间，同时ICI和IUI不能被原始迫零矩阵完全迫零消除。其对系统产生的影响，一方面总的剩余干扰自然会明显增加，另一方面系统的总的自由度会受到损失，系统总的传输速率会显著降低，限制了系统的吞吐量和每个用户所能获得的频谱资源。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无线移动通信系统中基于有限反馈的机会式干扰对齐方法。

本发明是这样实现的，一种无线移动通信系统中基于有限反馈的机会式干扰对齐方法，所述无线移动通信系统中基于有限反馈的机会式干扰对齐方法在基站处为小区内所有用户设计预编码矩阵；采用归一化最小弦距聚类分析法于基站处完成上行链路的用户调度过程；反馈被调度的用户标号，小区内用户完成预编码矩阵的构建；在每个接收端设计接收迫零矩阵完成实际干扰链路的迫零过程。

进一步，所述无线移动通信系统中基于有限反馈的机会式干扰对齐方法包括以下步骤：

步骤一，每个基站处设计邻小区内N个用户的预编码矩阵，对齐来自邻小区的所有干扰到同一维度的干扰子空间中；

步骤二，在每个基站处选择邻小区的上行传输链路调度用户S。

步骤三，根据步骤二中的调度用户选择结果，基站间通过无延迟和无误差的回程信道完成协作交换过程，交换调度用户信息和其预编码矩阵在码本中的标号；

步骤四，每个基站向所服务的小区内的调度用户反馈其预编码矩阵在码本中的标号；

步骤五，小区内用户根据一个同接收端相同的随机量化码本构建预编码矩阵；

步骤六，各小区内调度用户进行信号发送；

步骤七，基站处设计接收迫零矩阵消除干扰恢复信号，接收迫零矩阵的实施步骤。

进一步，所述步骤二中上行传输链路的用户调度过程包括：

第一步，确定上行传输链路发送数据流的用户数目，基站处配置Ms根天线，不考虑符号扩展的情况，用户发送单数据流，若留出一维空间维度用以作为干扰信号子空间，那么基站最多服务的用户数即为Ms-1个，选择上行链路调度用户总数为S＝Ms-1个，基站达到最大负荷；

第二步，量化预编码矩阵，基站处利用收发端已知的随机量化码本通过最小弦距准则完成邻小区所有干扰用户预编码矩阵的量化工作:C＝{c₁,c₂,...,c_Q}为随机量化码本，Q＝2^B为码本大小，B为反馈比特数，量化后的预编码矩阵由如下公式计算：

为所选中的码元素在码本中的标号；

第三步，实际干扰信号归一化，第二步得到了N个来自邻小区的干扰用户的实际干扰链路

排除干扰信号大小的影响只考虑对齐效应，对实际干扰信道做归一化：

为归一化后的实际干扰方向；

第四步，构造实际干扰信号弦距矩阵，对N个归一化后的实际干扰信道按照如下所示公式计算两两之间的弦距：

第五步，聚集类初始化，最初的N个归一化实际干扰链路各自为一聚集类，则类n中的元素为

表示类n为：

第六步，更新类操作，计算类与类之间的距离，选择距离最近的两类合并为一个新类并予以新的类标，初始化步骤中类与类间距离为实际干扰信号两两之间弦距，操作中类m与类n之间的距离按照如下公式计算：

第七步，终止条件，当完成第六步更新类操作后的新类元素个数Num≥S完成聚类运算，否则跳回第六步更新类操作，进行下一次聚类运算；

第八步，用户选择，完成聚类运算后，对最后得到新类g中的Num个实际干扰信号做求和运算并归一化得到其合成主方向，按如下公式进行：

g_Num为类g中的元素数，

为类中元素表示，

表示元素所对应的实际用户，k表示元素在类中对应序号，

为来自小区

的合成干扰方向。

进一步，所述第八步中通过最小弦距准则选择与合成干扰方向弦距最小的S个实际归一化干扰信号，S个实际干扰信号所对应的用户即为所选择的量化后仍然对齐效应很好的S个干扰用户，作为上行传输链路调度用户，并定义小区i中调度用户的实际期望信号：

本发明的另一目的在于提供一种利用所述无线移动通信系统中基于有限反馈的机会式干扰对齐方法的无线移动通信系统。

本发明利用邻小区用户由于有限反馈机制的影响量化后的实际干扰信号的方向以所设计的对齐方向为中心向四周随机发散的特点，在基站服务能力受限的情况下，充分利用了小区内用户实际干扰信号随机性的资源，缓解了有限反馈下由于剩余干扰造成的系统性能吞吐量受限的影响，提升了系统网络在有限反馈情况下的传输速率；本发明在有限反馈情况下调度用户的过程中，通过归一化最小弦距聚类分析法于基站处完成上行链路的用户调度机制的设计，使得所选择的调度用户所对应的量化后的实际干扰信号尽可能的对齐，在接收端根据实际干扰信号的干扰主方向设计接收破零矩阵，尽可能消除剩余干扰。一方面充分减小了干扰链路由于量化误差造成的干扰弥散，另一方面使得接收端的迫零矩阵能够起到更好的起到消除干扰的作用，降低了干扰信号的影响；本发明利用多用户分级增益使得系统在反馈比特数受限情况下的传输速率显著提高，减小了由于有限反馈带来的限制，使得在较小的反馈比特数情况下可以达到较好的传输速率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的无线移动通信系统中基于有限反馈的机会式干扰对齐方法流程图。

图2是本发明实施例提供的适用的两小区MIMO-MAC场景示意图。

图3是本发明实施例提供的有无线移动通信系统中基于有限反馈的机会式干扰对齐方法实现流程图。

图4是本发明实施例提供的上行传输链路的用户调度过程子流程图。

图5是本发明实施例提供的仿真1结果示意图。

图6是本发明实施例提供的仿真2结果示意图。

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。

本发明尽可能的减小系统剩余干扰，提升系统传输速率，有效的解决在有限反馈条件下干扰对齐技术的适应性问题。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的无线移动通信系统中基于有限反馈的机会式干扰对齐方法包括以下步骤：

S101：在基站处为小区内所有用户设计预编码矩阵；

S102：采用归一化最小弦距聚类分析法于基站处完成上行链路的用户调度过程；

S103：反馈被调度的用户标号，小区内用户完成预编码矩阵的构建；

S104：在每个接收端设计接收迫零矩阵完成实际干扰链路的迫零过程。

如图2所示，本发明基于两小区MIMO-MAC网络系统。每个小区内有N个用户，在基站处配置Ms根天线，在每个用户处配置Ns根天线，然而在有限反馈过程中的调度用户步骤中，只选择S个最符合我们衡量准则的用户最终进行预编码矩阵的构建和数据的发送。调度用户期望无干扰发送数据流到其服务基站，由图2可知，在基站处每个用户受到来自邻小区的用户的干扰的同时还受到来自本小区内用户的干扰。考虑每个用户发送单数据流情况：

为i小区用户[i,k]的预编码矩阵，

表示来自

小区用户

到i小区处基站的信道矩阵。

如图3所示，本发明的实现步骤如下：

步骤一：每个基站处设计邻小区内N个用户的预编码矩阵，旨在对齐来自邻小区的所有干扰到同一维度的干扰子空间中。对齐过程的实施步骤如下：

第一步，对齐邻小区内的N个干扰信号到同一维度线性子空间中，按照如下公式表示所需的预编码矩阵：

考虑单数据流传输情况：

表示来自

小区的所有干扰的对齐方向；

第二步，转化第一步的干扰对齐问题为解如下方程：

M_j为N·Ms×(Ms+N·Ns)的矩阵，

为来自

小区用户

的预编码矩阵的方向，在单数据流的情况下，矩阵M_j存在零空间需满足：

(Ms+N·Ns)-(N·Ms)≥1；

期望对于任何N值上式均成立，则需满足Ns≥Ms，出于节省发端天线和减小干扰的目的取Ns＝Ms；

第三步，对所得到的预编码方向做标准化得到邻小区所有干扰用户对应的预编码矩阵：

步骤二：在每个基站处选择邻小区的上行传输链路调度用户；

具体流程如图4所示，上行传输链路的用户调度过程的实施步骤如下：

第一步，确定上行传输链路发送数据流的用户数目，基站处配置Ms根天线，不考虑符号扩展的情况，用户发送单数据流，若留出一维空间维度用以作为干扰信号子空间，那么基站最多可以服务的用户数即为Ms-1个，选择上行链路调度用户总数为S＝Ms-1个，使基站达到最大负荷。

第二步，量化预编码矩阵，考虑块状衰落信道，基站处利用收发端已知的随机量化码本通过最小弦距准则完成邻小区所有干扰用户预编码矩阵的量化工作:C＝{c₁,c₂,...,c_Q}为随机量化码本，Q＝2^B为码本大小，B为反馈比特数，量化后的预编码矩阵由如下公式计算：

为所选中的码元素在码本中的标号；

第三步，实际干扰信号归一化，第二步得到了N个来自邻小区的干扰用户的实际干扰链路

排除干扰信号大小的影响只考虑对齐效应，对实际干扰信道做归一化：

为归一化后的实际干扰方向；

第四步，构造实际干扰信号弦距矩阵，对N个归一化后的实际干扰信道按照如下所示公式计算两两之间的弦距：

第五步，聚集类初始化，最初的N个归一化实际干扰链路各自为一聚集类，则类n中的元素为

表示类n为：

第六步，更新类操作，计算类与类之间的距离，选择距离最近的两类合并为一个新类并予以新的类标，初始化步骤中类与类间距离为实际干扰信号两两之间弦距，操作中类m与类n之间的距离按照如下公式计算：

第七步，终止条件，当完成第六步更新类操作后的新类元素个数Num≥S完成聚类运算，否则跳回第六步更新类操作，进行下一次聚类运算。

第八步，用户选择，完成聚类运算后，对最后得到新类g中的Num个实际干扰信号做求和运算并归一化得到其合成主方向，按如下公式进行：

g_Num为类g中的元素数，

为类中元素表示，

表示元素所对应的实际用户，k表示元素在类中对应序号，

为来自小区

的合成干扰方向。

通过最小弦距准则选择与合成干扰方向弦距最小的S个实际归一化干扰信号，S个实际干扰信号所对应的用户即为所选择的量化后仍然对齐效应很好的S个干扰用户，将其作为上行传输链路调度用户；并定义小区i中调度用户的实际期望信号如下所示：

步骤三:根据步骤二中的调度用户选择结果，基站间通过无延迟和无误差的回程信道完成协作交换过程，交换调度用户信息和其预编码矩阵在码本中的标号；

步骤四：每个基站向所服务的小区内的调度用户反馈其预编码矩阵在码本中的标号；

步骤五：小区内用户根据一个同接收端相同的随机量化码本构建预编码矩阵；

步骤六：各小区内调度用户进行信号发送(发送信号为单数据流)；

步骤七：基站处设计接收迫零矩阵消除干扰恢复信号，接收迫零矩阵的实施步骤：一方面迫零消除经过量化后的小区内用户的实际干扰信号，另一方面迫零消除步骤二中的调度用户的合成干扰主方向，小区i中调度用户k的接收迫零矩阵可按照如下公式计算：

这里

为小区i中调度用户k的接收迫零矩阵，IUI为来自小区内的干扰，ICI为来自邻小区的干扰，

为来自小区

的干扰用户的合成干扰主方向其计算由如下公式给出：

下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。

1)仿真条件

在仿真场景中，基站处天线Ms＝3，用户发端天线Ns＝3，上行传输链路调度用户数S＝2，发送端功率限制为P，接收端信号噪声功率比SNR取0dB到45dB。

2)仿真内容和结果

仿真1，用本发明方法与文献N.Lee，W.Shin，R.W.Heath，and B.Clerckx，“Interference alignment with limited feedback for two-cell interfering MIMO-MAC，”in Proc.ISWCS，Paris，France，Aug.2012，pp.566–570.中的有限反馈方案对小区内不同备选用户数下系统平均传输速率进行仿真，反馈比特B为6比特，结果如图5所示。图5表明：在基站服务能力受限的情况下，随着小区内备选用户增多时，本发明方法系统网络在有限反馈情况下的传输速率不断提升，而原始方案保持系统平均传输速率保持不变，加之本发明方法在小区内备选用户数可以充分利用系统中用户量化后实际干扰信道随机性的特点，且由图5可知当小区内存在较多备选用户增多时，本发明方法下系统传输速率进一步增加，同原始方案相比较减小了由于有限反馈带来的限制，在较小的反馈比特数情况下可以达到较好的传输速率。

仿真2，用本发明方法与原始方案对不同反馈比特下系统平均传输速率进行仿真，小区内备选用户数N＝50，结果如图6所示。图6表明：首先不同反馈比特下系统性能均有了明显提升，在N＝50时反馈4比特的平稳传输速率接近于原始IA方案反馈8比特下系统性能，这意味着对于相同性能要求所提方案可以很好的减小反馈开销，这点是很有意义的。因为所提方案在基站的服务能力受限时，能对其他闲置用户加以利用，并且方案中对小区内用户实际干扰链路随机性的利用并不需要增加反馈比特，故在相同反馈比特下其性能能够进一步提升。比较对于不同反馈比特数，系统稳态时的传输速率间隔明显减小。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种无线移动通信系统中基于有限反馈的机会式干扰对齐方法，其特征在于，所述无线移动通信系统中基于有限反馈的机会式干扰对齐方法在基站处为小区内所有用户设计预编码矩阵；采用归一化最小弦距聚类分析法于基站处完成上行链路的用户调度过程；反馈被调度的用户标号，小区内用户完成预编码矩阵的构建；在每个接收端设计接收迫零矩阵完成实际干扰链路的迫零过程；

所述无线移动通信系统中基于有限反馈的机会式干扰对齐方法包括以下步骤：

步骤一，每个基站处设计邻小区内N个用户的预编码矩阵，对齐来自邻小区的所有干扰到同一维度的干扰子空间中；

步骤二，在每个基站处选择邻小区的上行传输链路调度用户S；

步骤三，根据步骤二中的调度用户选择结果，基站间通过无延迟和无误差的回程信道完成协作交换过程，交换调度用户信息和其预编码矩阵在码本中的标号；

步骤四，每个基站向所服务的小区内的调度用户反馈其预编码矩阵在码本中的标号；

步骤五，小区内用户根据一个同接收端相同的随机量化码本构建预编码矩阵；

步骤六，各小区内调度用户进行信号发送；

步骤七，基站处设计接收迫零矩阵消除干扰恢复信号，接收迫零矩阵的实施步骤；

所述步骤二中上行传输链路的用户调度过程包括：

第一步，确定上行传输链路发送数据流的用户数目，基站处配置Ms根天线，不考虑符号扩展的情况，用户发送单数据流，若留出一维空间维度用以作为干扰信号子空间，那么基站最多服务的用户数即为Ms-1个，选择上行链路调度用户总数为S＝Ms-1个，基站达到最大负荷；

第二步，量化预编码矩阵，基站处利用收发端已知的随机量化码本通过最小弦距准则完成邻小区所有干扰用户预编码矩阵的量化工作:C＝{c₁,c₂,...,c_Q}为随机量化码本，Q＝2^B为码本大小，B为反馈比特数，量化后的预编码矩阵由如下公式计算：

为所选中的码元素在码本中的标号；

第三步，实际干扰信号归一化，第二步得到了N个来自邻小区的干扰用户的实际干扰链路

排除干扰信号大小的影响只考虑对齐效应，对实际干扰信道做归一化：

为归一化后的实际干扰方向；

第四步，构造实际干扰信号弦距矩阵，对N个归一化后的实际干扰信道按照如下所示公式计算两两之间的弦距：

第五步，聚集类初始化，最初的N个归一化实际干扰链路各自为一聚集类，则类n中的元素为

表示类n为：

第六步，更新类操作，计算类与类之间的距离，选择距离最近的两类合并为一个新类并予以新的类标，初始化步骤中类与类间距离为实际干扰信号两两之间弦距，操作中类m与类n之间的距离按照如下公式计算：

第七步，终止条件，当完成第六步更新类操作后的新类元素个数Num≥S完成聚类运算，否则跳回第六步更新类操作，进行下一次聚类运算；

第八步，用户选择，完成聚类运算后，对最后得到新类g中的Num个实际干扰信号做求和运算并归一化得到其合成主方向，按如下公式进行：

g_Num为类g中的元素数，

为类中元素表示，

表示元素所对应的实际用户，k表示元素在类中对应序号，

为来自小区

的合成干扰方向；

所述第八步中通过最小弦距准则选择与合成干扰方向弦距最小的S个实际归一化干扰信号，S个实际干扰信号所对应的用户即为所选择的量化后仍然对齐效应很好的S个干扰用户，作为上行传输链路调度用户，并定义小区i中调度用户的实际期望信号：

2.一种利用权利要求1所述无线移动通信系统中基于有限反馈的机会式干扰对齐方法的无线移动通信系统。

Images