CN108900449A - 多小区mimo-imac的干扰对齐方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种多小区MIMO‑IMAC的干扰对齐方法，旨在实现两个及两个以上小区MIMO‑IMAC的干扰对齐，并提高两个小区干扰对齐MIMO‑IMAC系统的自由度，实现步骤为：设置多小区MIMO‑IMAC系统参数；计算用户向基站发送信号矢量使用的时隙个数；用户向基站发送信号矢量；基站接收信号矢量；消除基站接收到的信号矢量中的干扰信号。本发明根据小区的总数确定用户向基站发送信号矢量的时隙个数，使得适用范围更加广泛，同时，本发明没有固定用户向基站发送符号的时隙个数，可以实现在一个时隙发送多个符号，充分利用了用户的天线，从而提高了系统的自由度。

Description

多小区MIMO-IMAC的干扰对齐方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种干扰对齐方法，用于实现两个及两个以上小区MIMO-IMAC系统中的干扰管理。
背景技术
目前，无线通信技术已经被广泛应用于各个领域，因此对于无线通信质量的可靠性和有效性要求越来越高，为了提高系统容量，充分利用空间资源，多输入多输出MIMO技术得到了越来越多的关注。对于多小区多用户的系统，每个小区中的多个用户同时向对应小区中的基站发送信号，产生了小区内以及小区间的剧烈干扰，为了消除这些干扰，干扰管理成为了多小区MIMO系统的重要研究领域之一。
干扰管理技术包括时分多址TDMA、频分多址FDMA，码分多址CDMA以及干扰对齐等，时分多址TDMA、频分多址FDMA，码分多址CDMA这些技术的适用场景有限并且资源利用率较低，随着服务的用户数目越来越多，多小区系统的自由度会急剧减小，而干扰对齐技术可以有效的提高自由度，它的主要思想是在发送端发送信号后，通过设计编解码矩阵在接收端将在不同时隙的接收信号中的干扰信号重叠，进而可以消除重叠的干扰信号得到无干扰的接收信号矢量。
传统的干扰对齐方案需要有理想的发送端信道状态信息，这一要求在实际无线通信系统中难以实现，因为发射端的信道状态信息一般是在接收端进行测量计算之后得到，然后再利用反馈信道反馈给发射端，这一测量与反馈的过程需要一定的时延，导致多小区系统的自由度降低。
为解决在实际中理想信道状态信息难以实现的情况，在此基础上，W.Shin和J.Lee在2015年在IEEE Transactions on Wireless Communications上发表了名为Retrospective interference alignment for the two-cell MIMO interferingmultiple access channel的论文，提出了一种针对两小区MIMO-IMAC系统使用延迟CSIT的干扰对齐方法，该方法将用户向基站发送信号的发送过程分为三个发送阶段，并根据不同的系统配置设置发送过程的参数，在前两个阶段只有一个特定小区的用户发送信号，另一个小区的用户保持静默，在最后一个阶段两个小区的用户使用延迟的CSIT设计发送信号矢量，并同时发送信号矢量，使得在接收端可以消除干扰得到无干扰的接收信号矢量，获得比不使用延迟CSIT情况下更高的自由度。
根据以上叙述，虽然目前有针对MIMO-IMAC系统的干扰对齐方法，但是该方法只考虑了两个小区且用户向基站发送符号使用的时隙只分为了三个阶段，不适用于有两个以上小区的MIMO-IMAC系统。另一方面针对两小区MIMO-IMAC系统，该方法在最后一个时隙发送的符号个数较少，不能充分利用用户的天线，得到的自由度较低。
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，提出了一种多小区MIMO-IMAC的干扰对齐方法，旨在实现两个及两个以上小区MIMO-IMAC的干扰对齐，并提高两个小区干扰对齐MIMO-IMAC系统的自由度。
为实现上述目的，其实现方案包括如下步骤：
(1)设置多小区MIMO-IMAC系统参数：
设置多小区MIMO-IMAC系统，包括L个小区，L≥2，每个小区包括一个配置M根天线的基站，每个基站服务的用户数量为K个，K≥1，每个用户配置N根天线，N≤M≤KN-z，基站拥有全局瞬时信道状态信息，用户拥有与本小区用户相关的有一个时隙延迟的全部发送端信道状态信息CSIT，其中z是整数，且z≠0；
(2)计算用户向基站发送信号矢量使用的时隙个数
其中，表示前个阶段包含的时隙个数，表示第个阶段包含的时隙个数，T表示前个阶段中每个阶段包含的时隙个数，表示T中包含子阶段r的个数，y表示r包含连续时隙的个数；
(3)用户向基站发送信号矢量：
(3.1)定义第个阶段的第r个子阶段的第t个时隙为(t,r)，t∈{1,2,…,y}，第i个小区的第k个用户[k,i]在第i个阶段向基站i发送信号矢量x[k,i](t,r)，第j个小区的第k个用户[k,j]在第j个阶段向基站j发送信号矢量x[k,j](t,r)，其中，
(3.2)定义第i个小区和第j个小区在第个阶段同时发送信号的时隙为ti,j，在时隙ti,j内，第i个小区的第k个用户[k,i]向基站i发送信号矢量x[k,i](ti,j)，第j个小区的第k个用户[k,j]向基站j发送信号矢量x[k,j](ti,j)：
其中,V[k,i](ti,j)表示用户[k,i]随机生成的满秩矩阵，满足表示用户[k,i]到基站j在第i个阶段的第r个子阶段的第(t,r)个时隙的信道系数矩阵，V[k,j](ti,j)表示用户[k,j]随机生成的满秩矩阵，满足表示用户[k,j]到基站i在第j个阶段的第r个子阶段的第(t,r)个时隙的信道系数矩阵；
(4)基站接收信号矢量：
(4.1)基站i接收用户[k,i]发送的x[k,i](t,r)经过信道编码后的信号矢量y[i](t,r)，基站j接收用户[k,j]发送的x[k,j](ti,j)经过信道编码后的信号矢量y[j](t,r)：
其中，表示用户[k,i]到基站i在阶段i的时隙(t,r)内的信道系数矩阵，表示用户[k,j]到基站j在阶段j的时隙(t,r)内的信道系数矩阵；
(4.2)基站i接收用户[k,i]发送的x[k,i](ti,j)经过信道编码后的信号矢量y[i](ti,j)，基站j接收用户[k,j]发送的x[k,j](ti,j)经过信道编码后的信号矢量y[j](ti,j)：
其中，表示基站i接收到的期望信号， 表示用户[k,i]到基站i在时隙ti,j的信道系数矩阵，表示基站i接收到的干扰信号，表示用户[k,j]到基站i在时隙ti,j的信道系数矩阵；表示基站j接收到的期望信号， 表示用户[k,j]到基站j在时隙ti,j的信道系数矩阵，表示基站j接收到的干扰信号， 表示用户[k,i]到基站j在时隙ti,j的信道系数矩阵；
(5)消除基站接收到的信号矢量中的干扰信号：
(5.1)利用V[k,i](ti,j)、y[j](ti,j)、和用户[k,i]拥有的延迟信道状态信息CSIT，设计二级数据信号矢量同时利用V[k,j](ti,j)、y[i](t,r)、和用户[k,j]拥有的延迟信道状态信息CSIT，设计二级数据信号矢量
(5.2)通过和利用构造的x[k,j](ti,j)，重建y[i](ti,j)中的干扰信号并将y[i](ti,j)和的差作为无干扰的期望信号实现基站i端的干扰对齐；同时通过和利用构造的x[k,i](ti,j)，重建y[j](ti,j)中的干扰信号并将y[j](ti,j)和的差作为无干扰的期望信号实现基站j端的干扰对齐。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明在确定用户向基站发送信号矢量使用的时隙个数时，根据小区的总数对发送信号矢量使用的时隙进行分段，利用在除最后一个阶段发送的信号矢量在最后一个阶段设计二级数据信号矢量来重构干扰信号，能够实现两个及两个以上小区MIMO-IMAC系统的干扰对齐，与现有技术相比，适用场景更加广泛。
2.本发明用户分多个时隙向基站发送多个符号，并没有固定发送这些符号需要使用的时隙数，实现了用更少的时隙发送这些符号，避免了现有技术在两小区干扰对齐MIMO-IMAC系统使用固定时隙数发送这些符号的缺陷，从而提高了系统的自由度。
附图说明
图1是本发明的实现流程图。
图2是本发明与现有技术关于两小区MIMO-IMAC系统每时隙的自由度仿真结果对比图。
具体实施方式
以下参照附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
参照图1.一种多小区MIMO-IMAC的干扰对齐方法，包括如下步骤：
步骤1)设置多小区MIMO-IMAC系统参数：
设置多小区MIMO-IMAC系统，包括L个小区，L＝2，每个小区包括一个配置5根天线的基站，每个基站服务的用户数量为K个，K＝3，每个用户配置5根天线，要满足N≤M≤KN-z，取z＝4，基站拥有全局瞬时信道状态信息，用户拥有与本小区用户相关的有一个时隙延迟的全部发送端信道状态信息CSIT；
步骤2)计算用户向基站发送信号矢量使用的时隙个数
其中，表示前个阶段包含的时隙个数，表示第个阶段包含的时隙个数，T表示前个阶段中每个阶段包含的时隙个数，取y＝3，则T＝6，表示T中包含子阶段r的个数，r∈{1,2}，y表示r包含连续时隙的个数，此步骤根据小区的总数对发送符号使用的时隙进行分段，使得使用场景更加广泛；
步骤3)用户向基站发送信号矢量：
步骤3.1)定义第个阶段的第r个子阶段的第t个时隙为(t,r)，t∈{1,2,3}，第i个小区的第k个用户[k,i]在第i个阶段向基站i发送信号矢量x[k,i](t,r)，第j个小区的第k个用户[k,j]在第j个阶段向基站j发送信号矢量x[k,j](t,r)，其中，i∈{1,2}，j∈{1,2}，因为要保证基站i此时接收到的是无干扰的信号，采取在第i个小区的用户在第i个阶段发送信号，要保证基站j此时接收到的是无干扰的信号，采取在第j个小区的用户在第j个阶段发送信号；
步骤3.11)设计发送信号矢量x[k,i](t,r)和信号矢量x[k,j](t,r)：
第i个小区的第k个用户[k,i]设计包含Nk(t,r)个不同的发送符号的信号矢量x[k ,i](t,r)，第j个小区的第k个用户[k,j]设计包含Nk(t,r)个不同的发送符号的信号矢量x[k ,j](t,r)，当t＝2时，k＝1时，Nk(t,r)＝N，否则Nk(t,r)≤N，同时Nk(t,r)要满足其中，rK＝mod(t-1,K)+1，此步骤根据用户采用不同的天线数目发送信号矢量，节省了天线资源。
步骤3.2)定义第i个小区和第j个小区在第个阶段同时发送信号的时隙为ti,j，在时隙ti,j内，第i个小区的第k个用户[k,i]向基站i发送信号矢量x[k,i](ti,j)，第j个小区的第k个用户[k,j]向基站j发送信号矢量x[k,j](ti,j)：
其中,V[k,i](ti,j)表示用户[k,i]随机生成的满秩矩阵，满足表示用户[k,i]到基站j在第i个阶段的第r个子阶段的第(t,r)个时隙的信道系数矩阵，V[k,j](ti,j)表示用户[k,j]随机生成的满秩矩阵，满足表示用户[k,j]到基站i在第j个阶段的第r个子阶段的第(t,r)个时隙的信道系数矩阵，此步骤在一个时隙发送更多的符号，充分利用了用户处的天线，提高资源利用率；
步骤4)基站接收信号矢量：
步骤4.1)基站i接收用户[k,i]发送的x[k,i](t,r)经过信道编码后的信号矢量y[i](t,r)，基站j接收用户[k,j]发送的x[k,j](ti,j)经过信道编码后的信号矢量y[j](t,r)：
其中，表示用户[k,i]到基站i在阶段i的时隙(t,r)内的信道系数矩阵，表示用户[k,j]到基站j在阶段j的时隙(t,r)内的信道系数矩阵；
步骤4.2)基站i接收用户[k,i]发送的x[k,i](ti,j)经过信道编码后的信号矢量y[i](ti,j)，基站j接收用户[k,j]发送的x[k,j](ti,j)经过信道编码后的信号矢量y[j](ti,j)：
其中，表示基站i接收到的期望信号， 表示用户[k,i]到基站i在时隙ti,j的信道系数矩阵，表示基站i接收到的干扰信号，表示用户[k,j]到基站i在时隙ti,j的信道系数矩阵；表示基站j接收到的期望信号， 表示用户[k,j]到基站j在时隙ti,j的信道系数矩阵，表示基站j接收到的干扰信号， 表示用户[k,i]到基站j在时隙ti,j的信道系数矩阵；
步骤5)消除基站接收到的信号矢量中的干扰信号：
步骤5.1)利用V[k,i](ti,j)、y[j](ti,j)、和用户[k,i]拥有的延迟信道状态信息CSIT，设计二级数据信号矢量同时利用V[k,j](ti,j)、y[i](t,r)、和用户[k,j]拥有的延迟信道状态信息CSIT，设计二级数据信号矢量
步骤5.2)通过和利用构造的x[k,j](ti,j)，重建y[i](ti,j)中的干扰信号并将y[i](ti,j)和y[ 2 i](ti,j)的差作为无干扰的期望信号实现基站i端的干扰对齐；同时通过和利用构造的x[k,i](ti,j)，重建y[j](ti,j)中的干扰信号并将y[j](ti,j)和y[ 2 j](ti,j)的差作为无干扰的期望信号实现基站j端的干扰对齐。
以下通过仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：
1.仿真条件和内容：
本发明和现有技术对两小区干扰对齐MIMO-IMAC系统每时隙自由度的仿真都是在Matlab中编程实现，设置两小区三用户的MIMO-IMAC系统，每个用户配置5根天线，在基站所配置的接收天线数目不同时，分别用本发明和两小区MIMO-IMAC系统使用延迟CSIT的干扰对齐方法，对每时隙的自由度进行仿真，其结果如图2所示。
2.仿真结果分析：
对本发明和两小区MIMO-IMAC系统使用延迟CSIT的干扰对齐方法在两小区三用户场景下的每时隙的自由度进行仿真，验证了本发明能够提高系统每时隙的自由度。
参照图2，横轴表示基站配置的接收天线数目，纵轴表示每时隙的自由度，可以看出，随着接收天线数目的增多，本发明和两小区MIMO-IMAC系统使用延迟CSIT的干扰对齐方法所获得的自由度均呈增高趋势，同时本发明使系统获得的每时隙自由度高于两小区MIMO-IMAC系统使用延迟CSIT的干扰对齐方法所获得的每时隙自由度。

Claims (2)

1.一种多小区MIMO-IMAC的干扰对齐方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)设置多小区MIMO-IMAC系统参数：
设置多小区MIMO-IMAC系统，包括L个小区，L≥2，每个小区包括一个配置M根天线的基站，每个基站服务的用户数量为K个，K≥1，每个用户配置N根天线，N≤M≤KN-z，基站拥有全局瞬时信道状态信息，用户拥有与本小区用户相关的有一个时隙延迟的全部发送端信道状态信息CSIT，其中z是整数，且z≠0；
(2)计算用户向基站发送信号矢量使用的时隙个数
其中，表示前个阶段包含的时隙个数，表示第个阶段包含的时隙个数，T表示前个阶段中每个阶段包含的时隙个数，表示T中包含子阶段r的个数，y表示r包含连续时隙的个数；
(3)用户向基站发送信号矢量：
(3.1)定义第个阶段的第r个子阶段的第t个时隙为(t,r)，t∈{1,2,…,y}，第i个小区的第k个用户[k,i]在第i个阶段向基站i发送信号矢量x[k,i](t,r)，第j个小区的第k个用户[k,j]在第j个阶段向基站j发送信号矢量x[k,j](t,r)，其中，
(3.2)定义第i个小区和第j个小区在第个阶段同时发送信号的时隙为ti,j，在时隙ti,j内，第i个小区的第k个用户[k,i]向基站i发送信号矢量x[k,i](ti,j)，第j个小区的第k个用户[k,j]向基站j发送信号矢量x[k,j](ti,j)：
其中,V[k,i](ti,j)表示用户[k,i]随机生成的满秩矩阵，满足 表示用户[k,i]到基站j在第i个阶段的第r个子阶段的第(t,r)个时隙的信道系数矩阵，V[k,j](ti,j)表示用户[k,j]随机生成的满秩矩阵，满足 表示用户[k,j]到基站i在第j个阶段的第r个子阶段的第(t,r)个时隙的信道系数矩阵；
(4)基站接收信号矢量：
(4.1)基站i接收用户[k,i]发送的x[k,i](t,r)经过信道编码后的信号矢量y[i](t,r)，基站j接收用户[k,j]发送的x[k,j](ti,j)经过信道编码后的信号矢量y[j](t,r)：
其中，表示用户[k,i]到基站i在阶段i的时隙(t,r)内的信道系数矩阵，表示用户[k,j]到基站j在阶段j的时隙(t,r)内的信道系数矩阵；
(4.2)基站i接收用户[k,i]发送的x[k,i](ti,j)经过信道编码后的信号矢量y[i](ti,j)，基站j接收用户[k,j]发送的x[k,j](ti,j)经过信道编码后的信号矢量y[j](ti,j)：
其中，表示基站i接收到的期望信号， 表示用户[k,i]到基站i在时隙ti,j的信道系数矩阵，表示基站i接收到的干扰信号， 表示用户[k,j]到基站i在时隙ti,j的信道系数矩阵；表示基站j接收到的期望信号， 表示用户[k,j]到基站j在时隙ti,j的信道系数矩阵，表示基站j接收到的干扰信号， 表示用户[k,i]到基站j在时隙ti,j的信道系数矩阵；
(5)消除基站接收到的信号矢量中的干扰信号：
(5.1)利用V[k,i](ti,j)、y[j](ti,j)、和用户[k,i]拥有的延迟信道状态信息CSIT，设计二级数据信号矢量同时利用V[k,j](ti,j)、y[i](t,r)、和用户[k,j]拥有的延迟信道状态信息CSIT，设计二级数据信号矢量
(5.2)通过和利用构造的x[k,j](ti,j)，重建y[i](ti,j)中的干扰信号并将y[i](ti,j)和的差作为无干扰的期望信号实现基站i端的干扰对齐；同时通过和利用构造的x[k,i](ti,j)，重建y[j](ti,j)中的干扰信号并将y[j](ti,j)和的差作为无干扰的期望信号实现基站j端的干扰对齐。
2.根据权利要求1所述的基于延迟CSIT的MIMO-IMAC干扰对齐方法，其特征在于，步骤(3.1)中所述的信号矢量x[k,i](t,r)和信号矢量x[k,j](t,r)，设计方法为：
(3.11)第i个小区的第k个用户[k,i]设计包含Nk(t,r)个不同的发送符号的信号矢量x[k,i](t,r)，第j个小区的第k个用户[k,j]设计包含Nk(t,r)个不同的发送符号的信号矢量x[k,j](t,r)，当k＝rK时，Nk(t,r)＝N，否则Nk(t,r)≤N，同时Nk(t,r)要满足其中，rK＝mod(t-1,K)+1。
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