CN109450506A - 一种基于双路干扰信号调整的多干扰协作干扰对齐方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种基于双路干扰信号调整的多干扰协作干扰对齐方法；发射机之间共享信道状态和数据信息；目标通信对与干扰通信对分别设计预编码向量与滤波向量；干扰通信发射机对多个干扰中的两路干扰信号向量分别乘一个复数域系数，使多个干扰整体等效后的有效干扰与目标通信的期望信号正交，实现协作干扰对齐；干扰通信发射机对经过复数域系数调整后的信号进行发送；目标通信接收机恢复期望数据。本发明为一路有效干扰，将等效后的干扰信号对齐到与目标通信的期望信号正交的方向上；不增加功率开销，降低了传统干扰对齐的自由度消耗，可用于同源多干扰处理；能够减轻干扰对齐对干扰通信对自身通信的影响，提高频谱效率。

Description

一种基于双路干扰信号调整的多干扰协作干扰对齐方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于双路干扰信号调整的多干扰协作干扰对齐方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：随着无线通信技术的快速发展，人们对于数据传输的需求不断提高，有限的区域内将存在大量的用户和数据连接。技术人员一方面努力寻求高效的资源利用方式，另一方面也意识到干扰已成为制约网络性能提升的重要因素。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波束赋形(Zero-forcing Beamforming，ZFBF)、迫零(Zero-forcing，ZF)接收、干扰对齐(InterferenceAlignment，IA)、干扰中和(Interference Neutralization，IN)等，它们可使干扰信号在接收端得到抑制或消除。上述方法在处理多干扰时，ZFBF和IA需要调整干扰源发射信号的波束方向，造成该信号的期望接收机接收到的有效功率损失，ZF在抑制干扰的同时，也会造成期望信号的有效功率损失，IN通过发送干扰中和信号以消除干扰，会消耗发射功率。另外，ZFBF、IA和ZF技术比IN均需要更多的自由度来区分干扰和期望信号。并且，IA不能处理同源多干扰。现有技术一：毫微微网络中的协作干扰对齐，毫微微基站间通过毫微微用户反馈的信干噪比信息来决定是否参与协作干扰对齐，即有一部分基站参与了协作，一部分没有参与协作。该方法需要多个干扰源实施干扰对齐，而该技术中的干扰对齐调整了干扰源的发射波束，使干扰源自身的期望信号与传输信道特征不再匹配，从而降低其通信性能。现有技术二：一种优化的面向MIMO干扰信道的协作干扰对齐算法，针对MIMO系统中来自不同干扰源的多个干扰信号分别采用干扰对齐将它们对齐到一个干扰子空间中，再通过基站间的协作寻找一组使期望信号传输性能最好的预编码向量。基于基站间协作的干扰对齐方式同样需要多个干扰源来实施干扰对齐，而干扰对齐将导致干扰源自身的期望信号与传输信道特征不再匹配，从而降低其通信性能。该技术中的IA调整了干扰源的发射波束，使干扰源的发送波束与信道特征不再匹配，因此降低了自身通信性能。现有技术三：基于干扰对齐和干扰中和的协同多点传输，提出了一种可以处理同源多干扰的机制。该机制利用基站侧协作进行传输设计，但由于需要消耗一定功率来产生中和信号对部分干扰进行消除，所以会产生额外的功率开销。上述前两种基于基站间协作的干扰对齐方式无法处理同源多干扰，且需要多个干扰源实施干扰对齐，而干扰对齐调整了干扰源的发射波束，使干扰源自身的期望信号与传输信道特征不再匹配，从而降低其通信性能。上述第三种方法可以处理同源多干扰，但是干扰中和操作增加了功率开销，并且对于需要采用对齐方式进行处理的干扰，其通信性能会降低。因此，在对同源多干扰进行干扰管理的同时，需要综合考虑功率开销和干扰对齐对自身通信带来性能损失。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)现有技术一：毫微微网络中的协作干扰对齐。该技术需要多个干扰源实施干扰对齐，干扰对齐将导致干扰源自身的期望信号与传输信道特征不再匹配，降低其通信的频谱效率。
(2)现有技术二：一种优化的面向MIMO干扰信道的协作干扰对齐算法。该技术需要多个干扰源来实施干扰对齐，干扰对齐将导致干扰源自身的期望信号与传输信道特征不再匹配，降低其通信的频谱效率。
(3)现有技术三：基于干扰对齐和干扰中和的协同多点传输。该技术需要产生中和信号对部分干扰进行消除，产生额外的功率开销，并且对于需要采用对齐方式进行处理的干扰，其通信性能会降低。
解决上述技术问题的难度和意义：
解决上述技术问题的难度和意义是在既不改变干扰源自身的期望信号与其通信信道的匹配特性，又不增加额外功率开销的前提下，对同源多干扰进行管理。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于双路干扰信号调整的多干扰协作干扰对齐方法。
本发明是这样实现的，一种基于双路干扰信号调整的多干扰协作干扰对齐方法，所述基于双路干扰信号调整的多干扰协作干扰对齐方法包括：发射机之间共享信道状态和数据信息；目标通信对与干扰通信对分别设计预编码向量与滤波向量；干扰通信发射机对多个干扰中的两路干扰信号向量分别乘一个复数域系数，使多个干扰整体等效后的有效干扰与目标通信的期望信号正交，实现协作干扰对齐；干扰通信发射机发送经复数域系数调整后的信号；目标通信接收机恢复期望数据。
进一步，所述基于双路干扰信号调整的多干扰协作干扰对齐方法具体包括以下步骤：
步骤一，发射机之间共享信道状态信息和数据信息；
步骤二，目标通信对和干扰通信对分别根据各自的信道矩阵设计发射预编码向量与接收滤波向量；
步骤三，干扰通信发射机随机选取两路干扰信号进行调整，以将多个干扰等效成的有效干扰信号调整至与目标期望信号正交为设计目标，计算出两个复数域调整系数，分别与上述随机选取的两路干扰信号向量相乘；
步骤四，干扰通信发射机向其接收机发送经复数域系数调整后的信号，目标通信发射机向其接收机发送期望信号。
步骤五，干扰通信接收机和目标通信接收机分别用各自的滤波向量对各自的期望数据进行恢复。
进一步，所述步骤一具体包括：
(1)目标通信接收机与干扰通信接收机分别估计与对应的发射机之间的信道状态信息并反馈给对应的发射机；选取一个发射机与接收机之间的通信为目标通信，一个发射机与接收机之间的通信对目标通信接收机产生干扰，称为干扰通信；
干扰通信接收机估计干扰通信对之间的信道状态信息，得到干扰通信信道矩阵H1，受干扰的目标通信接收机估计目标通信对之间的信道状态信息，得到目标通信信道矩阵H0，受干扰的目标通信接收机估计干扰通信发射机与目标通信接收机之间的信道状态信息，得到干扰信道矩阵H10，接收机并将估计的信道信息反馈给各自对应的通信发射机；
(2)目标通信发射机AP0向对应的目标通信接收机STA0发送数据干扰通信发射机AP1向其对应的干扰通信接收机STA1发送数据向量X1的传输对目标通信造成干扰。
进一步，所述步骤二具体包括：目标通信对和干扰通信对分别根据各自的信道矩阵设计通信预编码向量与滤波向量，对Hi(i＝0,1)采用奇异值分解得到取和其中为右奇异矩阵Vi的第k列向量，取和其中为左奇异矩阵Ui的第k列向量；当干扰通信对为一对时：
(1)干扰通信发射机根据干扰通信对之间的信道矩阵H1设计干扰通信预编码向量
(2)目标通信发射机根据目标通信对之间的信道矩阵H0设计目标通信预编码向量
(3)干扰通信接收机根据干扰通信对之间的信道矩阵H1设计干扰通信滤波向量
(4)目标通信接收机根据目标通信对之间的信道矩阵H0设计目标通信滤波向量
进一步，所述步骤三具体包括：
(1)干扰通信发射机随机选取两路干扰信号进行调整，将进行调整的两路干扰等效为一路干扰，再把其余的K-2路干扰等效为一路干扰；
(2)干扰通信发射机以K路干扰信号等效得到的有效干扰与目标通信对的期望信号正交为目标，计算出两个复数域系数和分别与两路要调整的干扰信号向量相乘。
进一步，所述步骤四具体包括：干扰通信发射机向其对应接收机发送调整后的干扰信号，目标通信发射机向其接收机发送期望信号。
进一步，所述步骤五具体包括：目标通信接收机通过滤波向量对数据进行恢复，干扰通信接收机通过滤波向量对数据进行恢复。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于双路干扰信号调整的多干扰协作干扰对齐方法的蜂窝网络通信系统。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于双路干扰信号调整的多干扰协作干扰对齐方法的无线局域网通信系统。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于双路干扰信号调整的多干扰协作干扰对齐方法的无线通信网络系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
本发明根据目标通信接收机收到的多个干扰信号之间的空间特征以及相互作用关系，将多路干扰等效成一路有效干扰信号，干扰通信发射机对多干扰中的两路干扰信号向量分别乘一个复数域调整系数，使多个干扰信号等效后的有效干扰与目标通信接收机的期望信号正交。该方法仅通过调整多个干扰中的两路干扰，实现全部干扰的整体效果对齐至与目标期望信号正交的方向，能够降低对干扰通信对传输性能的损害，并且不需要增加额外的功率开销。本发明使目标通信对的传输性能得到改善，同时对干扰通信对的传输性能损失有限，能够提高系统的频谱效率。
与现有技术相比，本发明既可以处理同源多干扰，也可以处理异源多干扰，在处理多干扰时不增加功率开销，并且能够改善传统干扰对齐导致干扰通信对自身的传输信号与信道不匹配从而降低通信性能问题，提高接收机的频谱效率。
本发明的协作干扰对齐方法中，干扰通信发射机利用目标通信接收机收到的多个干扰的空间特征以及干扰信号之间的相互作用关系，将多路干扰等效为一路有效干扰信号，实现协作干扰对齐；由干扰通信发射机进行干扰信号的调整与发送，受干扰接收机需要估计其与干扰发射机之间的信道信息，没有增加其它的信号处理工作，便于实现。
本发明不仅适用于目标通信对为一对且传输一路数据的情况，还适用于标通信对为一对且传输多路数据、以及目标通信对多于一对时的通信场景。本发明不仅适用于基于信道矩阵奇异值分解的预编码向量和滤波向量设计，还适用于其它各种预编码向量和滤波向量的设计算法。
使用本发明提出的协作干扰对齐方法，可以在不改变干扰源发射波束与信道特征匹配的情况下进行干扰管理，提升系统频谱效率。
采用本发明提出的协作干扰对齐，不需要产生额外的信号进行干扰管理，也就不会有额外的功率开销。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于双路干扰信号调整的多干扰协作干扰对齐方法流程图。
图2是本发明实施例提供的基于基础设施的企业网通信系统模型图。
图3是本发明实施例提供的在包含一路期望信号和两路干扰信号的参数设置下，干扰通信对和目标通信对在实施协作干扰对齐前后的频谱效率与信噪比的关系曲线图。
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。
本发明不仅利用基站间协作，还利用信号间的相互作用关系实现对齐，通过调整部分干扰信号，实现多干扰整体效果的对齐，主要解决多干扰的管理，以及传统干扰对齐导致干扰通信对自身的传输信号与信道不匹配，从而降低其通信性能的问题。
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基于双路干扰信号调整的多干扰协作干扰对齐方法包括以下步骤：
S101：发射机之间共享信道状态信息和数据信息；
S102：目标通信对和干扰通信对分别根据各自的信道矩阵设计发射预编码向量与接收滤波向量；
S103：干扰通信发射机随机选取两路干扰信号进行调整，以将多个干扰等效成的有效干扰调整至与目标期望信号正交为设计目标，计算出两个复数域调整系数，分别与上述随机选取的两路干扰信号向量相乘；
S104：干扰通信发射机向其接收机发送经复数域系数调整后的信号，目标通信发射机向其接收机发送期望信号。
S105：干扰通信接收机和目标通信接收机分别用各自的滤波向量对各自的期望数据进行恢复。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图2所示，本发明使用的系统模型是具有基础设施的企业网的下行通信系统，系统中包含多个接入点(AP)，多个移动台(STA)，所有AP和STA均配置3根天线。
本发明实施例提供的基于双路干扰信号调整的多干扰协作干扰对齐方法具体包括以下步骤：
(1)发射机之间共享信道状态信息和数据信息：
(1a)目标通信接收机与干扰通信接收机分别估计其与对应的发射机之间的信道状态信息并反馈给对应的发射机。
选取一个发射机与接收机之间的通信为目标通信，一个发射机与接收机之间的通信对目标通信接收机产生干扰，称为干扰通信。
干扰通信接收机估计干扰通信对之间的信道状态信息，即得到干扰通信信道矩阵H1，受干扰的目标通信接收机估计目标通信对之间的信道状态信息，即得到目标通信信道矩阵H0，受干扰的目标通信接收机估计干扰通信发射机与目标通信接收机之间的信道状态信息，即得到干扰信道矩阵H10，接收机并将这些估计的信道信息反馈给各自对应的通信发射机。
(1b)目标通信发射机AP0向其对应的目标通信接收机STA0发送数据干扰通信发射机AP1向其对应的干扰通信接收机STA1发送数据向量X1的传输对目标通信造成干扰。
(2)目标通信对和干扰通信对分别根据各自的信道矩阵设计通信预编码向量与滤波向量，对Hi(i＝0,1)采用奇异值分解得到取和其中为右奇异矩阵Vi的第k列向量，取和其中为左奇异矩阵Ui的第k列向量。当干扰通信对为一对时，即以同源多干扰为例进行说明：
(2a)干扰通信发射机根据干扰通信对之间的信道矩阵H1设计干扰通信预编码向量
(2b)目标通信发射机根据目标通信对之间的信道矩阵H0设计目标通信预编码向量
(2c)干扰通信接收机根据干扰通信对之间的信道矩阵H1设计干扰通信滤波向量
(2d)目标通信接收机根据目标通信对之间的信道矩阵H0设计目标通信滤波向量
(3)干扰通信发射机随机选取两路干扰信号进行调整，以将多个干扰等效后的有效干扰调整至与目标通信对期望信号正交为设计目标，计算出两个复数域系数，分别与随机选取的两路干扰信号向量相乘：
(3a)干扰通信发射机随机选取两路干扰进行调整，将进行调整的两路干扰等效为一路干扰，再把其余的K-2路干扰等效为一路干扰。
(3b)干扰通信发射机以K路干扰等效得到的有效干扰与目标通信对的期望信号正交为目标，计算出两个复数域系数和分别与两路要调整的干扰信号向量相乘。
(4)干扰通信发射机向其接收机发送经复数域系数调整后的信号，目标通信发射机向其接收机发送期望信号。
(5)干扰通信接收机和目标通信接收机分别用各自的滤波向量对各自的期望数据进行恢复：
目标通信接收机通过滤波向量对数据进行恢复，干扰通信接收机通过滤波向量对数据进行恢复。
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：
所有发射机的发射功率相等，设定为PT。定义信噪比λ＝10lg(γ)dB，其中 表示加性高斯白噪声的功率。考虑到实际情况，在仿真中设置λ∈[0,20]dB。设置目标通信发射机发射天线数目标通信接收机接收天线数干扰通信发射机发射天线数和干扰通信发射机发射天线数为目标通信对传输一路期望数据，目标通信接收机受到来自干扰通信发射机的K＝3路干扰信号。
2、仿真内容：
在上述仿真条件下，用本发明方法确定干扰通信对和目标通信对在实施协作干扰对齐前后的频谱效率(Spectrum Efficiency，SE)与信噪比λ的关系曲线，结果如图3所示。
采用协作干扰对齐(Cooperative Interference Alignment,CIA)方式下，目标通信接收机的频谱效率SE的表达式为：
干扰通信接收机的频谱效率SE的表达式为：
其中，和表示两个模值为1的复系数，和表示滤波向量，表示加性高斯白噪声功率。
图3中的曲线为采用协作干扰对齐方法管理三个干扰时干扰通信接收机、目标通信接收机和系统的频谱效率随信噪比λ变化的曲线。其中表示不实施干扰管理时目标通信接收机的频谱效率；表示实施协作干扰对齐时目标通信接收机的频谱效率；表示点对点多输入多输出(Multiple input multiple output，MIMO)的频谱效率，即不实施协作干扰对齐时干扰通信接收机的频谱效率；表示实施协作干扰对齐时干扰通信接收机的频谱效率；表示不采用CIA时系统的频谱效率；表示采用CIA时系统的频谱效率。由仿真结果可见，对于目标通信对，采用CIA得到的相比于不进行干扰管理的有明显提升；对于干扰通信对，采用CIA得到的相比于的SE损失有限；采用CIA得到的系统频谱效率明显相比于不采用CIA得到的系统频谱效率有明显提升。本发明在降低传统干扰对齐对自身通信带来性能损失的同时，不需要额外的功率开销，能够有效管理目标通信接收机受到的多个干扰，进而改善目标通信对的频谱效率。
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 (10)

1.一种基于双路干扰信号调整的多干扰协作干扰对齐方法，其特征在于，所述基于双路干扰信号调整的多干扰协作干扰对齐方法包括：发射机之间共享信道状态和数据信息；目标通信对与干扰通信对分别设计预编码向量与滤波向量；干扰通信发射机对多个干扰中的两路干扰信号向量分别乘一个复数域系数，使多个干扰整体等效后的有效干扰与目标通信的期望信号正交，实现协作干扰对齐；干扰通信发射机对经复数域系数调整后的信号进行发送，目标通信发射机发送期望信号；干扰通信接收机和目标通信接收机恢复各自期望数据。
2.如权利要求1所述的基于双路干扰信号调整的多干扰协作干扰对齐方法，其特征在于，所述基于双路干扰信号调整的多干扰协作干扰对齐方法具体包括以下步骤：
步骤一，发射机之间共享信道状态信息和数据信息；
步骤二，目标通信对和干扰通信对分别根据各自的信道矩阵设计发射预编码向量与接收滤波向量；
步骤三，干扰通信发射机随机选取两路干扰信号进行调整，以将多个干扰等效成的有效干扰调整至与目标期望信号正交为设计目标，计算出两个复数域调整系数，分别与上述随机选取的两路干扰信号向量相乘；
步骤四，干扰通信发射机向其接收机发送经复数域系数调整后的信号，目标通信发射机向其接收机发送期望信号；
步骤五，干扰通信接收机和目标通信接收机分别用各自的滤波向量对各自的期望数据进行恢复。
3.如权利要求2所述的基于双路干扰信号调整的多干扰协作干扰对齐方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：
(1)目标通信接收机与干扰通信接收机分别估计与对应的发射机之间的信道状态信息并反馈给对应的发射机；选取一个发射机与接收机之间的通信为目标通信，一个发射机与接收机之间的通信对目标通信接收机产生干扰，称为干扰通信；
干扰通信接收机估计干扰通信对之间的信道状态信息，得到干扰通信信道矩阵H1，受干扰的目标通信接收机估计目标通信对之间的信道状态信息，得到目标通信信道矩阵H0，受干扰的目标通信接收机估计干扰通信发射机与目标通信接收机之间的信道状态信息，得到干扰信道矩阵H10，接收机并将估计的信道信息反馈给各自对应的通信发射机；
(2)目标通信发射机AP0向对应的目标通信接收机STA0发送数据干扰通信发射机AP1向其对应的干扰通信接收机STA1发送数据向量X1的传输对目标通信造成干扰。
4.如权利要求2所述的基于双路干扰信号调整的多干扰协作干扰对齐方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：目标通信对和干扰通信对分别根据各自的信道矩阵设计通信预编码向量与滤波向量，对Hi(i＝0,1)采用奇异值分解得到Hi＝UiΣiVi H，取和其中为右奇异矩阵Vi的第k列向量，取和其中为左奇异矩阵Ui的第k列向量；当干扰通信对为一对时：
(1)干扰通信发射机根据干扰通信对之间的信道矩阵H1设计干扰通信预编码向量
(2)目标通信发射机根据目标通信对之间的信道矩阵H0设计目标通信预编码向量
(3)干扰通信接收机根据干扰通信对之间的信道矩阵H1设计干扰通信滤波向量f1 (k)(k＝1,2,3,...,K)；
(4)目标通信接收机根据目标通信对之间的信道矩阵H0设计目标通信滤波向量
5.如权利要求2所述的基于双路干扰信号调整的多干扰协作干扰对齐方法，其特征在于，所述步骤三具体包括：
(1)干扰通信发射机随机选取两路干扰信号进行调整，将进行调整的两路干扰等效为一路干扰，再把其余的K-2路干扰等效为一路干扰；
(2)干扰通信发射机以K路干扰信号等效得到的有效干扰与目标通信对的期望信号正交为目标，计算出两个复数域系数和分别与两路要调整的干扰信号向量相乘。
6.如权利要求2所述的基于双路干扰信号调整的多干扰协作干扰对齐方法，其特征在于，所述步骤四具体包括：干扰通信发射机向其对应接收机发送调整后的干扰信号，目标通信发射机向其接收机发送期望信号。
7.如权利要求2所述的基于双路干扰信号调整的多干扰协作干扰对齐方法，其特征在于，所述步骤五具体包括：目标通信接收机通过滤波向量对数据进行恢复，干扰通信接收机通过滤波向量对数据进行恢复。
8.一种应用权利要求1～7任意一项所述基于双路干扰信号调整的多干扰协作干扰对齐方法的蜂窝网络通信系统。
9.一种应用权利要求1～7任意一项所述基于双路干扰信号调整的多干扰协作干扰对齐方法的无线局域网通信系统。
10.一种应用权利要求1～7任意一项所述基于双路干扰信号调整的多干扰协作干扰对齐方法的无线通信网络系统。
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