CN109889238B - 一种基于干扰利用的多小区协作传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于干扰利用的多小区协作传输方案，在每个小区的基站配备M根天线，每个基站中服务的用户数量为K，所服务的用户配备单个天线；相邻两基站同时向两小区内所有服务用户发送信息；然后采用符号级预编码的方式，分别计算小区内用户接收的来自自身小区内基站发送信号和本小区基站发射信号泄露到相邻小区服务的用户处的干扰信号的衡量尺度；设计基站的预编码矢量最大化自身小区内服务用户接收信号最小衡量尺度与泄露信号最小衡量尺度加和；采用分布式处理方法分别求解相邻两个小区基站的最优预编码矢量，确定预编码方案。本发明提高了总体接收端接收信号的信号质量，降低了接收端的平均误符号率，提高了系统的吞吐量。

Description

一种基于干扰利用的多小区协作传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于干扰利用的多小区协作传输方法。

背景技术

未来的通信系统对数据传输速率和服务质量提出了更高的要求。MIMO技术充分利用空间资源，可以显著提升数据的传输速率和系统容量。多小区系统中引入MIMO技术可以显著提高系统的吞吐量。然而由于基站发射功率一般较大,多个小区之间的干扰问题成为多小区MIMO系统不可忽略的问题。

在下行多小区多用户系统中，考虑到基站的处理能力一般要远高于用户的处理能力，在基站处可采用预编码技术对发送信号预先处理来减少多用户之间的干扰。在多小区多用户系统中，系统性能将不可避免地受小区间干扰的限制，多小区下行协作预编码处理方式可分为两种：一种是联合处理方式，基站间共享数据信息和信道状态信息，基站间信息的共享会带来较大的系统开销；另一种是分布式处理，基站间共享部分信息，系统开销较少。采用分布式处理更易于实现。

在传统的看法中，无线通信中的干扰被视为性能下降的原因。近几年关于干扰的有益性的研究越来越多。在传统的预编码处理方案中传统的预编码方式方案根据信道状态信息来进行设计，考虑干扰的有益性就需要考虑具体的发送数据信息，因此这种预编码方式也称为符号级预编码。符号级预编码通过考虑具体发送符号，将本来视为有害的干扰转化为有利于目标接收端检测的建设性干扰，增大了优化空间。传统预编码的将干扰视为有害的处理方式，在处理干扰的过程中减少了优化空间。在处理小区间干扰的过程中，约束对外干扰为建设性会牺牲很多的优化空间，当对外泄露的干扰信号造成的影响较小时，这种牺牲是没有必要的，系统可以将更多的优化空间来提高自身服务用户。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于干扰利用的多小区协作传输方法，给出了泄露的干扰信号在接收端有益性的和有害性的衡量尺度，灵活的扩展了优化空间，显著提高了接收端的信号质量，大大降低了系统的误符号率，提升了系统的归一化吞吐量。

本发明采用以下技术方案：

一种基于干扰利用的多小区协作传输方法，在每个小区的基站配备M根天线，每个基站中服务的用户数量为K，所服务的用户配备单个天线；相邻两基站同时向两小区内所有服务用户发送信息；然后采用符号级预编码的方式，分别计算小区内用户接收的来自自身小区内基站发送信号和本小区基站发射信号泄露到相邻小区所服务用户处泄露的干扰信号的衡量尺度；设计基站的预编码矢量最大化自身小区内服务用户接收信号最小衡量尺度与对外泄露信号最小衡量尺度加和；采用分布式处理方法分别求解相邻两个小区基站的最优预编码矢量，确定预编码方案。

具体的，相邻两小区的基站共享数据信息但不共享新信道状态信息，两基站同时向所有用户发送MPSK调制方式的信息。

具体的，利用对小区p内用户i发送的数据信息

s为基站想要对用户发送的信息，

表示发送数据信息的共轭，小区p内用户i接收的来自自身小区基站有用信号部分

的衡量尺度

表示为：

其中，

表示来自小区p基站与自身小区内的用户i的信道系数，x_p为基站的天线发送信号预编码矢量；p＝1,2；i＝1,2,…,K；

具体的，利用对小区q内用户i发送的数据信息

s为基站想要对用户发送的信息，

表示发送数据信息的共轭，小区q内用户i接收的来自相邻小区p内服务基站泄露信号部分

的衡量尺度

表示如下：

其中，

表示小区p基站与小区q内的用户i信道系数；p＝1,2；q＝1,2；i＝1,2,…,K；p≠q；

进一步的，采用符号级预编码的方式，考虑具体发送符号，根据信道状态信息和发送数据信息，确定小区p内用户i接收信号的表达式为

其中，

为接收端的有用信号，

为基站p内的用户i处加性高斯白噪声信号。

具体的，使用凸优化工具箱CVX对目标函数和约束条件构成的优化问题进行求解，得到基站p的最优预编码矢量x_p。

进一步的，利用对小区p内用户i发送的数据信息

和对小区q内用户i发送的数据信息

和

表示发送数据信息的共轭，目标函数表示如下：

其中，

表示来自小区p基站与自身小区内的用户i的信道系数，

表示小区p内基站与小区q内的用户i信道系数，φ_p为小区p内的用户集合，φ_q为小区q内的用户集合，p＝1,2；q＝1,2；i＝1,2,…,K；p≠q；

进一步的，求解最优预编码矢量x_p来最大化自身小区内服务用户接收信号最小衡量尺度与泄露信号最小衡量尺度加和如下：

maxλ_pp+λ_qp

等价于：

其中，设自身小区内服务用户接收信号衡量尺度均大于λ_pp，即

泄露信号在其他小区接收端的衡量尺度均大于λ_qp，即

更进一步的，对于单个基站的发射功率进行最大功率P_p约束如下：

||x_p||²≤P_p。

进一步的，约束条件表示如下：

其中，i∈φ_p，

表示来自小区p基站与自身小区内的用户i的信道系数，x_p为基站的天线发送信号预编码矢量，p＝1,2，i＝1,2,…,K，

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于干扰利用的多小区协作传输方法，预编码方案不仅考虑提升自身小区服务用户接收信号的信号质量，也考虑了泄露的干扰信号对其他小区内的接收端有益性的和有害性的影响，提高泄露信号在其他小区内的接收端的衡量尺度就可以提高接收端接收总信号的衡量尺度，从而提高了总体接收端接收信号的信号质量，降低了系统的平均误符号率，系统模型简单，适用于分布式多小区通信系统。

进一步的，利用基站与用户间的信号系数和目标发送信息，本发明给出了基站对外泄露的干扰信号在其他小区接收端有益性的和有害性的衡量尺度，将泄露干扰信号衡量尺度的适用范围扩展到了整个复平面区域。

进一步的，在证明优化问题是一个凸问题后，使用凸优化工具箱CVX对优化问题进行求解，可以直接求得优化问题的最优解。

进一步的，目标函数同时考虑了自身小区服务用户接收信号与对外泄露的干扰信号，既提升自身小区服务用户接收信号的衡量尺度，也提升对外泄露的干扰信号的衡量尺度。在泄露信号对接收端影响较小时，目标函数将更关注提升自身小区服务用户接收信号的衡量尺度，且允许泄露的干扰信号的衡量尺度小于零，增大了优化空间。

进一步的，采用最大化最小衡量尺度加和作为优化目标，设计方案简单易实现。

进一步的，发射基站功率约束保证了发射功率不超过基站最大发射功率；对自身小区服务用户衡量尺度的约束避免了某些特殊信道状态下自身小区内服务用户被忽视。

综上所述，本发明预编码方案不仅考虑提升自身小区服务用户接收信号的信号质量，也考虑了泄露信号对其他小区内的接收端有益性的和有害性的影响，将对外泄露的干扰信号的衡量尺度的适用范围扩展到了整个复平面区域，允许泄露的干扰信号的衡量尺度小于零，增大了优化空间；对自身小区服务用户衡量尺度的约束，保证了自身小区服务用户不被忽视。通过提高泄露干扰信号在其他小区内的接收端的衡量尺度就可以提高接收端接收总信号的衡量尺度，从而提高了总体接收端接收信号的信号质量，降低了系统的平均误符号率，提高了系统的吞吐量。系统模型简单，适用于分布式多小区通信系统。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的系统模型；

图2为本发明所提方案的系统平均误符号率随发射信噪比变化图；

图3为用户的归一化吞吐量随发射信噪比变化图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于干扰利用的多小区协作传输方法，所应用的无线传输系统包含两个小区，每个小区的基站配备了M根天线，每个基站中服务的用户数量为K，所服务的用户配备有单个天线。

请参阅图1，本发明一种基于干扰利用的多小区协作传输方法，包括以下步骤：

S1、两基站共享数据信息但不共享新信道状态信息，两基站同时向所有服务用户发送信息，发送信息符号采用MPSK调制方式；

S2、采用符号级预编码的方式，分别计算小区内用户接收来自自身小区内基站发射信号的衡量尺度和本小区内基站发射信号泄露到相邻内服务用户处泄露信号的衡量尺度；

采用符号级预编码的方式，考虑具体发送符号，根据信道状态信息和发送数据信息，确定小区p内用户i接收信号的表达式为

其中，接收端的有用信号为

为基站p内的用户i处加性高斯白噪声信号，x_p，x_q为两基站的天线发送信号预编码矢量。

利用对小区p内用户i发送的数据信息

和对小区q内用户i发送的数据信息

和

表示发送数据信息的共轭。

为小区p内用户i接收的来自相邻小区基站发送的干扰信号，那么同样的本小区p内基站发送的信号在相邻小区q内用户i处可表示为

其中，

表示基站p与小区q内的用户i的信道系数。

根据所选用的MPSK中具体的调制方式，确定tanθ_Ω如下：

对于小区p内用户i接收的来自自身小区基站有用信号部分

的衡量尺度

的表达式可以表示为：

其中，

表示来自基站p与自身小区内的用户i的信道系数，x_p为基站的天线发送信号预编码矢量，p＝1,2；i＝1,2,…,K；

小区p内基站发送的信号矢量到达相邻小区q内用户i处的泄露信号

的衡量尺度

的表达式可以表示为：

其中，

表示基站p与小区q内的用户i信道系数，p＝1,2；q＝1,2；i＝1,2,…,K；p≠q。

S3、采用分布式处理，每个基站独立设计预编码矢量，求解最优预编码矢量x_p，来最大化自身小区内服务用户接收信号最小衡量尺度与对外泄露信号最小衡量尺度加和；

对于单个基站的发射功率进行最大功率约束：

||x_p||²≤P_p

设自身小区内服务用户接收信号衡量尺度均大于λ_pp，即：

为保证自身小区内服务用户，对自身小区内服务用户接收信号衡量尺度进行约束：

设泄露信号在其他小区接收端的衡量尺度均大于λ_qp，即：

求解最优预编码矢量x_p来最大化自身小区内服务用户接收信号最小衡量尺度与对外泄露信号最小衡量尺度加和：

等价于：

其中，φ_p为小区p内的用户集合。

根据衡量尺度的表达式，将上述目标函数表达式写成如下形式：

约束条件表达式可表示为：

上式目标函数和约束条件均为凸函数，可以使用凸优化工具箱CVX进行求解，得到基站p预编码矢量x_p。

S4、在基站q处采用步骤S3中在基站p处相同的方法进行处理，根据求解基站的最优预编码矢量来最大化自身小区内服务用户接收信号最小衡量尺度与对外泄露信号最小衡量尺度加和，得到基站q的预编码矢量x_q。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的优点可通过以下仿真实验结果进一步说明：

使用蒙特卡罗仿真方法对方法进行10000次以上的独立仿真

测试条件为：

所有节点的噪声方差相等且为1，两基站的发射功率相同为P,发射信噪比为P/σ²，我们假设信道为瑞利平衰落信道

其中

考虑到小区间路径损耗的影响，小区间信道系数

其中

β≤1为交叉路径因子为用户与小区边界的紧密程度，采用QPSK调制方式，结果如图2、图3所示。

对于两个基站的发射功率，统一设置为P＝P₁＝P₂。其中传统的迫零预编码方案是在不考虑发送符号基于用户公平性的传统预编码方案。

请参阅图2，给出了当M＝16，M＝16时，采用所设计预编码方案和传统的迫零预编码的系统平均误符号率，其中星号标记为所设计符号级预编码方案，菱形标记为传统的迫零和预编码方案。

β越小意味着用户距离相邻小区的基站越远，越大意味着用户距离小区边界越近。当β＝1时意味着用户位于小区边界附近。随着发射信噪比的增大，所设计方案与对比方案的误符号率都越来越低。同等发射信噪比下，所设计方案的误符号率性能要远优于对比方案的误符号率性能。

在高信噪比情况下β＝0.1时，接收端的误符号率要远优于β＝0.5和β＝1时的误符号率，这是由于本发明方法的优化目标为最大化自身小区内服务用户接收信号最小衡量尺度与对外泄露信号最小衡量尺度加和。

当β较小，意味着泄露信号对于相邻小区内用户的有益性和有害性都较小，系统为了提高加和值会更多的关注自身服务用户，更多的优化空间来提高自身服务用户。由于泄露信号对于相邻小区内用户的有益性和有害性都较小，因此系统允许泄露信号对相邻小区内用户可以是有害性的，在此处应用我们所拓展出的泄露信号有害性的衡量尺度。

当β＝1时，意味着从统计上自身服务用户与相邻小区内用户对于基站没有什么不同，由于信道状态信息的随机性，有时会出现某个小区的用户均不被两个小区重视的情况，造成某些用户接收信号质量较差，影响了整体的平均误符号率性能，并且发射信噪比越大，影响越显著。

请参阅图3，是本发明方法与传统迫零方案归一化吞吐量随发射信噪比变化的对比图，并给出了不同交叉路径因子下的变化曲线。与对比方案相比，所提方案的归一化吞吐量性能有要优于对比方案，在发射信噪比较低时，本发明的性能有着明显的提高。在发射信噪比较低时，β＝1时的归一化吞吐量要优于β＝0.5，β＝0.1时的归一化吞吐量，这是因为信道质量的变化，给泄露信号在接收端带来了一些增益。由于发射信噪比较低时，整体的平均误符号率较大，所以某些用户的不被重视不会造成明显影响。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于干扰利用的多小区协作传输方法，其特征在于，在每个小区的基站配备M根天线，每个基站中服务的用户数量为K，所服务的用户配备单个天线；相邻两基站同时向两小区内所有服务用户发送信息；然后采用符号级预编码的方式，分别计算小区内用户接收的来自自身小区内基站发送信号和本小区基站发射信号泄露到相邻小区所服务用户处泄露的干扰信号的衡量尺度；设计基站的预编码矢量，使自身小区内服务用户接收信号的最小衡量尺度与对外泄露信号最小衡量尺度之和最大；采用分布式处理方法分别求解相邻两个小区基站的最优预编码矢量，确定预编码方案；

利用对小区p内用户i发送的数据信息

s为基站想要对用户发送的信息，

表示发送数据信息的共轭，小区p内用户i接收的来自自身小区基站有用信号部分

的衡量尺度

表示为：

其中，

表示来自小区p基站与自身小区内用户i的信道系数，x_p为基站的天线发送信号预编码矢量；p＝1,2；i＝1,2,…,K；

利用对小区q内用户i发送的数据信息

s为基站想要对用户发送的信息，

表示发送数据信息的共轭，小区q内用户i接收的来自相邻小区p内服务基站泄露信号部分

的衡量尺度

表示如下：

其中，

表示小区p基站与小区q内的用户i信道系数；p＝1,2；q＝1,2；i＝1,2,…,K；p≠q；

2.根据权利要求1所述的基于干扰利用的多小区协作传输方法，其特征在于，相邻两小区的基站共享数据符号但不共享新信道状态信息，两基站同时向所有用户发送MPSK调制方式的信息。

3.根据权利要求1所述的基于干扰利用的多小区协作传输方法，其特征在于，采用符号级预编码的方式，考虑具体发送符号，根据信道状态信息和发送数据符号，确定小区p内用户i接收信号的表达式为

其中，

为接收端的有用信号，

为基站p内的用户i处加性高斯白噪声信号。

4.根据权利要求1所述的基于干扰利用的多小区协作传输方法，其特征在于，使用凸优化工具箱CVX对目标函数和约束条件构成的优化问题进行求解，得到基站p的最优预编码矢量x_p。

5.根据权利要求4所述的基于干扰利用的多小区协作传输方法，其特征在于，利用对小区p内用户i发送的数据信息

和对小区q内用户i发送的数据信息

和

表示发送数据信息的共轭，目标函数表示如下：

其中，

表示来自小区p基站与自身小区内的用户i的信道系数，

表示小区p内基站与小区q内的用户i信道系数，φ_p为小区p内的用户集合，φ_q为小区q内的用户集合，p＝1,2；q＝1,2；i＝1,2,…,K；p≠q；

6.根据权利要求5所述的基于干扰利用的多小区协作传输方法，其特征在于，求解最优预编码矢量x_p来最大化自身小区内服务用户接收信号最小衡量尺度与泄露信号最小衡量尺度加和如下：

等价于：

其中，设自身小区内服务用户接收信号衡量尺度均大于λ_pp，即

泄露信号在其他小区接收端的衡量尺度均大于λ_qp，即

7.根据权利要求6所述的基于干扰利用的多小区协作传输方法，其特征在于，对于单个基站的发射功率进行最大功率P_p约束如下：

||x_p||²≤P_p

8.根据权利要求4所述的基于干扰利用的多小区协作传输方法，其特征在于，约束条件表示如下：

其中，i∈φ_p，

表示来自小区p基站与自身小区内的用户i的信道系数，x_p为基站的天线发送信号预编码矢量，p＝1,2，i＝1,2,…,K，

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