CN108449155B - 超密集网络中的簇内干扰消除方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了超密集网络中基于空时编码和联合传输模式的簇内干扰消除方法，适用于有M个小小区且每个小小区有1个基站和2个用户的簇，M≥3，每个基站配置N根天线，每个用户配置L根天线，N≥2L，实现本发明的技术思路是：首先，基站间交换信道状态信息和将要传输的数据，为联合传输做准备；然后，基站根据信道状态信息得到干扰码字中和预编码矩阵，其次，每个基站将发送给同一个小小区的两个用户的调制符号编码在一个正交的空时码字内，使得这两个调制符号正交传输，从而消除了小小区内的干扰；最后，对码字进行干扰码字中和预编码后发送出去，干扰码字中和预编码消除了每个用户收到了非期望接收码字，这样就消除了小小区间的干扰。

Description

超密集网络中的簇内干扰消除方法
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其是超密集网络中基于空时编码和联合传输模式的簇内干扰消除方法。
背景技术
超密集网络(UDN,Ultra Dense Network)、毫米波与大规模多入多出被视为5G中最具有前景的关键技术。UDN带来的网络容量增益大约为10～100倍，因此，国内外的很多学者和研究机构对UDN展开了研究。UDN中大量的宏基站和微基站并存，存在严重的干扰，如何消除干扰是UDN的重要研究课题。
分簇是目前提出的UDN的干扰消除方法之一。通过分簇，将整个网络分成若干个小网络，每个小网络包括多个微基站即多个小小区。从一个簇内的多个微基站中选择一个作为簇头，簇头负责本簇内的资源分配。分簇能缩小网络规模、减少运算量、提高网络运行的效率和性能。若簇内的基站采用相同的频段，将会存在严重的簇内干扰。簇内干扰消除方法有协作多点传输(CoMP,Coordinated Multiple Points Transmission)以及干扰对齐等。
CoMP是指多个微基站通过不同的协作方式为某一用户或者多个用户同时进行传输。CoMP主要有两种实现方式：协作调度/协作波束赋形(CoMP-CS/CB)和联合处理(CoMP-JP)。CoMP-JP也称为“干扰利用”，其核心思想是同一簇中的多个微基站在同一资源块上共享为某个用户传输的数据，即用户的数据在多个微基站上可用。根据用户接收的数据是否同时来自不同的微基站，CoMP-JP又分为联合传输(Joint Transmission,JT)模式、动态传输点选择模式和动态传输点留空模式。JT传输模式下，多个微基站在同一时频资源块上为同一个用户发送数据，将小小区间的干扰信号转换为有用信号，能最大限度地提高系统性能。
干扰对齐本质上是预编码，通过设计预编码矩阵将期望信号和干扰信号分别映射到不同的子空间，从而达到了消除多用户干扰的目的。目前，将干扰对齐应用到UDN的文献较少，通常都与JT传输模式结合在一起。文献“Coordinated Multi-Point TransmissionsBased On Interference Alignment and Neutralization”提出了基于干扰对齐和干扰中和的JT传输方案，对于携带相同信息的干扰，采用干扰中和将干扰信号映射到相反的空间中以消除干扰，对于携带不同信息的干扰，采用干扰对齐将干扰落在相同的空间中，接收端采用迫零算法消除干扰。然而，目前已有的基于干扰对齐或干扰中和的干扰消除方法都假定每个小小区有1个用户，模型较简单，每个小小区有多个用户场景的干扰消除方法有待于研究。
发明内容
本发明公开了超密集网络中基于空时编码和联合传输模式的簇内干扰消除方法，适用于有M个小小区且每个小小区有1个基站和2个用户的簇，M≥3，每个基站配置N根天线，每个用户配置L根天线，N≥2L。
实现本发明的技术思路是：首先，基站间交换信道状态信息和将要传输的数据，为联合传输做准备，然后，基站根据信道状态信息得到干扰码字中和预编码矩阵，其次，每个基站将发送给同一个小小区的两个用户的调制符号编码在一个正交的空时码字内，使得这两个调制符号正交传输，从而消除了小小区内的干扰；最后，对码字进行干扰码字中和预编码后发送出去，干扰码字中和预编码消除了每个用户收到了非期望接收码字，这样就消除了小小区间的干扰，其具体步骤包括如下：
A，基站间相互交换信道状态信息和将要传输的数据，使得每个基站都已知所有的信道状态信息和所有的传输数据，为联合传输做准备；
B，基站根据信道状态信息，得到干扰码字中和预编码矩阵；
C，基站将发送给同一个小小区的两个调制符号编码在一个正交码字内，然后对码字进行预编码并且相加后发送出去；
D，每个小小区的用户接收信号并且译码期望接收码字中的其中的一个元素，得到自己的期望接收信号。
进一步，所述步骤A具体包括：
A1，基站间交换信道状态信息，使得每个基站都已知任一基站到任意用户的信道状态信息，用Hkmi表示第k个小小区的基站到第m个小小区的第i个用户的信道矩阵，阶数为L×N，k＝1,2,…,M，m＝1,2,…,M，i＝1,2，M是簇内小小区的个数，N是基站配置的天线的个数，L是用户配置的天线的个数；
A2，基站间交换将要传输的数据，使得所有基站都已知每个用户的期望接收调制符号，用xmi表示第m个小小区的第i个用户的期望接收调制符号，m＝1,2,…,M，i＝1,2，M是簇内小小区的个数。
进一步，所述步骤B具体包括：
B1，基站用Hkmi表示第k个小小区的基站到第m个小小区的第i个用户的信道矩阵，阶数为L×N，用Wkm表示阶数为N×2的功率调整前的预编码矩阵，k＝1,2,…,M，m＝1,2,…,M，i＝1,2，M是簇内小小区的个数，N是基站配置的天线的个数，L是用户配置的天线的个数，基站求解线性方程组
其中，0表示L×2的零矩阵，该方程组有4M(M-1)L个方程，预编码矩阵Wkm中共有2NM2个未知的元素，由于2NM2>4M(M-1)L，该方程组有无数组解；
B2，基站从步骤B1的方程组的解中挑选不存在零元素或零元素尽量少的一组，即得到了预编码矩阵的每个元素，进而得到了预编码矩阵Wkm，并且所有的基站得到的预编码矩阵都相同，为了保证所有基站的总发射功率恒定，令Wkm′是功率调整后的预编码矩阵，k＝1,2,…,M，m＝1,2,…,M，M是簇内小小区的个数，||·||F表示Frobenius范数。
进一步，所述步骤C具体包括：
C1，每个基站对调制符号xmi进行空时编码，m＝1,2,…,M，i＝1,2，将发送给同一个小小区的两个调制符号编码在一个正交码字内，得到码字Xm，M是簇内小小区的个数；
C2，第k个小小区的基站对码字进行干扰码字中和预编码，得到Wkm′Xm，m＝1,2,…,M，k＝1,2,…,M，M是簇内小小区的个数；
C3，在相同的时间内，第k个小小区的基站发送Wk1′X1+Wk2′X2+…+WkM′XM，k＝1,2,…,M，M是簇内小小区的个数。
进一步，所述步骤D具体包括：
D1，第m个小小区的两个用户接收信号，用Ym1表示第m个小小区的第1个用户的接收信号，用Ym2表示第m个小小区的第2个用户的接收信号，Ym1和Ym2阶数均为L×2，L是用户配置的天线的个数；
D2，第m个小小区的第1个用户以Ym1作为接收信号，以H1m1W1m′+H2m1W2m′+…+HMm1WMm′作为信道矩阵，译码码字Xm的第1个元素，得到自己的期望接收信号，m＝1,2,…,M，M是簇内小小区的个数；
D3，第m个小小区的第2个用户以Ym2作为接收信号，以H1m2W1m′+H2m2W2m′+…+HMm2WMm′作为信道矩阵，译码码字Xm的第2个元素，得到自己的期望接收信号，m＝1,2,…,M，M是簇内小小区的个数。
簇内干扰分为小小区内干扰和小小区间干扰。本发明通过将同一个小小区的两个用户的期望接收调制符号编码在一个正交码字内，使得两个调制符号正交传输，从而消除了小小区内干扰，通过干扰码字中和预编码，消除了每个用户的非期望接收码字，从而消除了小小区间干扰。本发明通过空时编码和干扰码字中和预编码消除了簇内干扰。
附图说明
图1是本发明实施例的系统模型；
图2是本发明的流程图；
图3是本发明的基站侧的流程图；
图4是本发明的用户侧的流程图。
具体实施方式
下面给出本发明的一种实施例，对本发明做进一步详细的说明。实施例的簇中包含M个小小区，每个小小区有1个基站和2个用户，M≥3。每个基站配置N根天线，每个用户配置L根天线，N≥2L。用Umi表示第m个小小区的第i个用户，m＝1,2,…,M，i＝1,2。
基站间交换信道状态信息，使得每个基站都已知任一基站到任意用户的信道状态信息，用Hkmi表示第k个小小区的基站到Umi的信道矩阵，阶数为L×N，k＝1,2,…,M，m＝1,2,…,M，i＝1,2。
用xmi表示Umi的期望接收调制符号，m＝1,2,…,M，i＝1,2。基站间交换将要传输的数据，使得所有基站都已知每个用户的期望接收调制符号，为联合传输做准备。
第k个小小区的基站对xm1和xm2进行Alamouti编码，得到码字Xm，m＝1,2,…,M，对码字Xm进行预编码，得到WkmXm，Wkm表示阶数为N×2的功率调整前的预编码矩阵。下面推导能消除干扰时预编码矩阵需要满足的条件，然后再进行功率调整。
在相同的时间内，假定第k个小小区的基站发送Wk1X1+Wk2X2+…+WkMXM。
Umi的接收信号Ymi可以表示为
其中，Nmi是噪声矩阵。Ymi和Nmi阶数均为L×2。Ymi可化为
Umi的期望接收码字Xm在式(2)的等式右边的第m项中，除了噪声的其他项是干扰码字，若干扰码字对应的信道矩阵为零，则消除了干扰码字，即式(3)成立时，Umi的接收信号中不存在干扰码字。
H1miW1k+H2miW2k+…+HMmiWMk＝0 k＝1,2,…,M k≠m (3)
其中，0表示L×2的零矩阵。若要消除所有用户的接收信号中的干扰码字，预编码矩阵需要满足
该线性方程组有4M(M-1)L个方程，预编码矩阵Wkm中共有2NM2个未知的元素。由于2NM2>4M(M-1)L，该方程组有无数组解，所以总能找到能消除所有干扰码字的预编码矩阵。
Wkm是全零矩阵时，式(4)成立，k＝1,2,…,M，m＝1,2,…,M，但是实际中的预编码矩阵不能是零矩阵，否则无法接收到期望接收的码字。
基站从方程组的解中挑选不存在零元素或零元素尽量少的一组，即得到了预编码矩阵的每个元素，进而得到了预编码矩阵Wkm，k＝1,2,…,M，m＝1,2,…,M，并且所有的基站得到的预编码矩阵都相同，为了保证所有基站的总发射功率恒定，令Wkm′是功率调整后的预编码矩阵，||·||F表示Frobenius范数。用Wkm′代替式(1)至式(4)中的Wkm，此时，式(4)仍然成立，仍然能消除干扰码字，此时，Umi的接收信号Ymi′可表示为
Ymi′＝(H1miW1m′+H2miW2m′+…+HMmiWMm′)Xm+Nmi
Ymi′中不存在干扰码字。Umi以Ymi′作为接收信号，以H1miW1m′+H2miW2m′+…+HMmiWMm′作为信道矩阵，译码码字Xm的第i个元素就能得到自己的期望接收信号。
干扰中和预编码消除了其他小小区的用户的期望接收码字，这样就消除了小小区间的干扰；由于Alamouti码字的两个元素具有正交特性，每个用户译码自己的期望接收调制符号时，不受另一个调制符号的干扰，从而不存在小小区内干扰。因此，通过空时码字和干扰中和预编码消除了簇内干扰。
下面结合附图对本发明的具体实施过程做进一步说明。
本发明的流程图如图2所示，具体步骤如下：
A，基站间相互交换信道状态信息和将要传输的数据，使得每个基站都已知所有的信道状态信息和所有的传输数据，为联合传输做准备；
B，基站根据信道状态信息，得到干扰码字中和预编码矩阵；
C，基站将发送给同一个小小区的两个调制符号编码在一个正交码字内，然后对码字进行预编码并且相加后发送出去；
D，每个小小区的用户接收信号并且译码期望接收码字中的其中的一个元素，得到自己的期望接收信号。
图3是本发明的基站侧的流程图，具体步骤如下：
A1，基站间交换信道状态信息，使得每个基站都已知任一基站到任意用户的信道状态信息，用Hkmi表示第k个小小区的基站到第m个小小区的第i个用户的信道矩阵，阶数为L×N，k＝1,2,…,M，m＝1,2,…,M，i＝1,2，M是簇内小小区的个数，N是基站配置的天线的个数，L是用户配置的天线的个数；
A2，基站间交换将要传输的数据，使得所有基站都已知每个用户的期望接收调制符号，用xmi表示第m个小小区的第i个用户的期望接收调制符号，m＝1,2,…,M，i＝1,2，M是簇内小小区的个数；
B1，基站用Hkmi表示第k个小小区的基站到第m个小小区的第i个用户的信道矩阵，阶数为L×N，用Wkm表示阶数为N×2的功率调整前的预编码矩阵，k＝1,2,…,M，m＝1,2,…,M，i＝1,2，M是簇内小小区的个数，N是基站配置的天线的个数，L是用户配置的天线的个数，基站求解线性方程组
其中，0表示L×2的零矩阵，该方程组有4M(M-1)L个方程，预编码矩阵Wkm中共有2NM2个未知的元素，由于2NM2>4M(M-1)L，该方程组有无数组解；
B2，基站从步骤B1的方程组的解中挑选不存在零元素或零元素尽量少的一组，即得到了预编码矩阵的每个元素，进而得到了预编码矩阵Wkm，并且所有的基站得到的预编码矩阵都相同，为了保证所有基站的总发射功率恒定，令Wkm′是功率调整后的预编码矩阵，k＝1,2,…,M，m＝1,2,…,M，M是簇内小小区的个数，||·||F表示Frobenius范数；
C1，每个基站对调制符号xmi进行空时编码，m＝1,2,…,M，i＝1,2，将发送给同一个小小区的两个调制符号编码在一个正交码字内，得到码字Xm，M是簇内小小区的个数；
C2，第k个小小区的基站对码字进行干扰码字中和预编码，得到Wkm′Xm，m＝1,2,…,M，k＝1,2,…,M，M是簇内小小区的个数；
C3，在相同的时间内，第k个小小区的基站发送Wk1′X1+Wk2′X2+…+WkM′XM，k＝1,2,…,M，M是簇内小小区的个数。
图4是本发明的用户侧的流程图，具体步骤如下：
D1，第m个小小区的两个用户接收信号，用Ym1表示第m个小小区的第1个用户的接收信号，用Ym2表示第m个小小区的第2个用户的接收信号，Ym1和Ym2阶数均为L×2，L是用户配置的天线的个数；
D2，第m个小小区的第1个用户以Ym1作为接收信号，以H1m1W1m′+H2m1W2m′+…+HMm1WMm′作为信道矩阵，译码码字Xm的第1个元素，得到自己的期望接收信号，m＝1,2,…,M，M是簇内小小区的个数；
D3，第m个小小区的第2个用户以Ym2作为接收信号，以H1m2W1m′+H2m2W2m′+…+HMm2WMm′作为信道矩阵，译码码字Xm的第2个元素，得到自己的期望接收信号，m＝1,2,…,M，M是簇内小小区的个数。
以上实施例仅仅是对本发明的举例说明，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (1)

1.超密集网络中基于空时编码和联合传输模式的簇内干扰消除方法，适用于有M个小小区且每个小小区有1个基站和2个用户的簇，M≥3，每个基站配置N根天线，每个用户配置L根天线，N≥2L，其特征在于，包括如下步骤：
A，基站间相互交换信道状态信息和将要传输的数据，使得每个基站都已知所有的信道状态信息和所有的传输数据，为联合传输做准备，具体过程如下：
A1，基站间交换信道状态信息，使得每个基站都已知任一基站到任意用户的信道状态信息，用Hkmi表示第k个小小区的基站到第m个小小区的第i个用户的信道矩阵，阶数为L×N，k＝1,2,…,M，m＝1,2,…,M，i＝1,2，M是簇内小小区的个数，N是基站配置的天线的个数，L是用户配置的天线的个数；
A2，基站间交换将要传输的数据，使得所有基站都已知每个用户的期望接收调制符号，用xmi表示第m个小小区的第i个用户的期望接收调制符号，m＝1,2,…,M，i＝1,2，M是簇内小小区的个数；
B，基站根据信道状态信息，得到干扰码字中和预编码矩阵；
B1，基站用Hkmi表示第k个小小区的基站到第m个小小区的第i个用户的信道矩阵，阶数为L×N，用Wkm表示阶数为N×2的功率调整前的预编码矩阵，k＝1,2,…,M，m＝1,2,…,M，i＝1,2，M是簇内小小区的个数，N是基站配置的天线的个数，L是用户配置的天线的个数，基站求解线性方程组
其中，0表示L×2的零矩阵，该方程组有4M(M-1)L个方程，预编码矩阵Wkm中共有2NM2个未知的元素，由于2NM2>4M(M-1)L，该方程组有无数组解；
B2，基站从步骤B1的方程组的解中挑选不存在零元素或零元素尽量少的一组，即得到了预编码矩阵的每个元素，进而得到了预编码矩阵Wkm，并且所有的基站得到的预编码矩阵都相同，为了保证所有基站的总发射功率恒定，令Wkm′是功率调整后的预编码矩阵，k＝1,2,…,M，m＝1,2,…,M，M是簇内小小区的个数，||·||F表示Frobenius范数；
C，基站将发送给同一个小小区的两个调制符号编码在一个正交码字内，然后对码字进行预编码并且相加后发送出去，具体过程如下：
C1，每个基站对调制符号xmi进行空时编码，m＝1,2,…,M，i＝1,2，将发送给同一个小小区的两个调制符号编码在一个正交码字内，得到码字Xm，M是簇内小小区的个数；
C2，第k个小小区的基站对码字进行干扰码字中和预编码，得到Wkm′Xm，m＝1,2,…,M，k＝1,2,…,M，M是簇内小小区的个数；
C3，在相同的时间内，第k个小小区的基站发送Wk1′X1+Wk2′X2+…+WkM′XM，k＝1,2,…,M，M是簇内小小区的个数；
D，每个小小区的用户接收信号并且译码期望接收码字中的其中的一个元素，得到自己的期望接收信号，具体过程如下：
D1，第m个小小区的两个用户接收信号，用Ym1表示第m个小小区的第1个用户的接收信号，用Ym2表示第m个小小区的第2个用户的接收信号，Ym1和Ym2阶数均为L×2，L是用户配置的天线的个数；
D2，第m个小小区的第1个用户以Ym1作为接收信号，以H1m1W1m′+H2m1W2m′+…+HMm1WMm′作为信道矩阵，译码码字Xm的第1个元素，得到自己的期望接收信号，m＝1,2,…,M，M是簇内小小区的个数；
D3，第m个小小区的第2个用户以Ym2作为接收信号，以H1m2W1m′+H2m2W2m′+...+HMm2WMm′作为信道矩阵，译码码字Xm的第2个元素，得到自己的期望接收信号，m＝1,2,…,M，M是簇内小小区的个数。
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