CN109889240B - 一种实现建设性干扰的多小区分布式预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现建设性干扰的多小区分布式预编码方法，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的用户发送信息；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的有用信号和本小区基站发射信号到达相邻小区内服务用户处接收信号的衡量尺度；然后根据小区内用户接收的来自自身小区内基站发送的有用信号衡量尺度确定接收端接收信号质量的衡量指标。分别求解相邻两个小区基站的最优预编码矢量，根据基站的最优预编码矢量最大化自身小区内所服务用户中最小的等效信噪比。本发明降低了接收端的平均误符号率，提升了系统的归一化吞吐量。

Description

一种实现建设性干扰的多小区分布式预编码方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种实现建设性干扰的多小区分布式预编码方法。

背景技术

随着用户需求的指数增长,未来对通信系统的数据传输速率和服务质量、时延提出了更高的要求。科学界，工业界和移动运营商普遍认为，未来的流量需求远远超过现有流量需求，需要部署具有更快连接的新系统，同时也需要更高效和可靠。多用户MIMO技术充分利用空间资源，提高了空间复用增益，通过增加天线数可以使系统信道容量成倍的提升。通过大量部署同类型的小基站可以提高频率复用增益，也能够提升整个系统的通信容量。

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，小区间进行协作来减轻干扰已经变成了一个重要的问题。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；另一种分布式处理，基站间共享部分信息，系统开销较少。

传统的预编码方式方案根据信道状态信息来进行设计，近几年基于符号级预编码的研究越来越多。符号级预编码设计方案的设计既考虑信道状态信息和发送数据。传统的预编码方式将干扰视为有害因素，通过预编码设计来减轻或消除干扰。符号级预编码考虑具体发送符号，将本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。

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，提供一种实现建设性干扰的多小区分布式预编码方法,在多小区分布式系统中，利用符号级预编码带来的优化空间，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：

一种实现建设性干扰的多小区分布式预编码方法，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，M大于等于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的用户发送信息；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的有用信号和本小区基站发射信号在相邻小区内服务用户处干扰信号的衡量尺度；然后根据小区内用户接收的来自自身小区内基站发送的有用信号衡量尺度确定接收端接收信号质量的衡量指标；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，根据基站的最优预编码矢量最大化自身小区内所服务用户中最小的等效信噪比。

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

具体的，确定自身小区基站有用信号部分信号质量衡量指标包括以下步骤：

S201、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；

S202、利用小区p内用户i发送的数据信息

和向小区q内用户i发送的数据信息

和

表示发送数据信息的共轭，分别确定小区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

和相邻小区q内用户i相处接收到的来自本小区p内基站发射的干扰信号

的衡量尺度；

S203、根据步骤S202得到的接收信号衡量尺度，确定来自自身小区基站有用信号部分

信号质量的衡量指标。

进一步的，步骤S201中，小区p内用户i接收信号的表达式为

其中，

表示来自基站p与自身小区内的用户i的信道系数，

表示基站q与小区p内的用户i信道系数；x_p，x_q为两基站的天线发送信号预编码矢量；

代表基站p内的用户i处加性高斯白噪声信号，p＝1,2；q＝1,2，i＝1,2,…,K；

代表小区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p≠n。

进一步的，步骤S202中，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

表示如下：

其中，p＝1,2；i＝1,2,…,K，

为接收端的有用信号，

进一步的，步骤S202中，相邻小区q内用户i接收的来自本小区p内基站发送的干扰信号

的衡量尺度

表示如下：

其中，p＝1,2；q＝1,2；i＝1,2,…,K；p≠q，

为接收端的有用信号，

进一步的，步骤S203中，衡量指标为等效信噪比EQSNR，计算如下：

其中，

为小区p内用户i处的噪声方差。

具体的，采用分布式处理，单个基站独立设计预编码矢量，在单个基站_p处约束对外干扰为建设性下，通过提高自身小区内用户中最差用户性能提高整体性能，根据衡量尺度

和

得到下式：

其中，

为小区p内用户i处的噪声方差，使用凸优化工具箱CVX求解两小区的最优预编码矢量x_p和x_q，采用同样的方法在小区q，求得小区q内基站的的最优预编码矢量x_q。

进一步的，对于单个基站的发射功率进行最大功率约束如下：

||x_p||²≤P_p

对相邻小区的用户的干扰约束为建设性干扰如下：

其中，p≠q；i＝1,2,…,K。

进一步的，采用最大化自身小区内服务用户中最小的等效信噪比方式，提高自身小区内用户中最差用户性能提高整体性能表示如下：

其中，φ_p为小区p内的用户集合。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明是一种实现建设性干扰的多小区分布式预编码方法，预编码方案考虑具体发送符号，将原本视为有害的干扰转化为有助于接收端检测的建设性干扰，提高了接收端接收信号的信号质量，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，本方案进行定向调制的预编码设计，使接收的有用信号落于目标检测区域之内，减轻了接收端的处理负担，利用了符号级预编码带来的优化空间，有效地提高了系统的平均误符号率性能和吞吐量性能。

进一步的，给出了自身小区内用户接收的有用信号的衡量尺度，确定了符号级预编码下接收的有用信号部分的衡量指标。

进一步的，给出了对相邻小区内用户造成的干扰信号的衡量尺度，通过约束条件，控制干扰信号均为建设性干扰。

进一步的，等效信噪比给出了接收信号信号质量的衡量指标，通过提高等效信噪比，可以提高接收信号质量。

进一步的，对小区间干扰进行建设性约束，约束条件简单，优化问题简洁易解，设计方案简单易实现。

进一步的，对最大发射功率的约束保证了发射功率不会超过基站承受能力；对相邻小区的用户的干扰约束保证了基站发射的信号对相邻小区内的用户接收信号不仅不会造成有害影响，且可以增强接收端的检测性能。

综上所述，与传统的多小区分布式预编码方案相比，本发明符号级预编码方案考虑具体发送符号，利用了约束小区间的干扰为建设性，不仅消除了小区间的干扰，且将干扰转化为有助于接收端检测的有益干扰。降低了接收端的平均误符号率，提升了系统的归一化吞吐量。

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

本发明提供了一种提高多用户下行分布式多小区通信系统中接收端接收信号质量的符号级预编码方法，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，其中，M大于等于K。

请参阅图1，本发明一种实现建设性干扰的多小区分布式预编码方法，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、根据小区内用户接收来自自身小区内基站发送的有用信号衡量尺度确定接收端接收信号质量的衡量指标；

S201、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天线发送信号，确定小区p内用户i接收信号的表达式为

其中，

表示来自基站p与自身小区内的用户i的信道系数，

表示基站q与小区p内的用户i信道系数；

代表基站p内的用户i处加性高斯白噪声信号，两基站的天线发送信号预编码矢量x_p，x_q，p＝1,2；q＝1,2，i＝1,2,…,K；p≠n；

S202、利用小区p内用户i发送的数据信息

和向小区q内用户i发送的数据信息

和

表示发送数据信息的共轭，其中接收端的有用信号为

代表小区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，p＝1,2；i＝1,2,…,K；

对于相邻小区p内用户i接收的来自本小区p内服务基站发送的干扰信号

的衡量尺度

的表达式可以表示为：

其中，p＝1,2；q＝1,2；i＝1,2,…,K；p≠q。

S203、根据所求接收信号的衡量尺度，来自自身小区基站有用信号部分

信号质量的衡量指标为等效信噪比EQSNR如下：

其中，

为小区p内用户i处的噪声方差。

S3、采用分布式处理，单个基站独立设计预编码矢量，在单个基站p处约束对外干扰为建设性下，求解最优预编码矢量x_p，来最大化自身小区内所服务用户中最小的等效信噪比；

对于单个基站的发射功率进行最大功率约束如下：

||x_p||²≤P_p

本小区p内基站对相邻小区q内的用户的干扰信号约束为建设性干扰如下：

其中，p≠q；i＝1,2,…,K。

采用最大化自身小区内服务用户中最小的等效信噪比方式，求解最优预编码矢量x_p，通过提高自身小区内用户中最差用户性能来提高整体性能：

其中，φ_p为小区p内的用户集合。

根据

衡量尺度

将上述表达式等价为如下表达式：

其中，

为小区p内用户i处的噪声方差。

上式优化问题是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，得到基站q的预编码矢量x_q。

对于单个基站的发射功率进行最大功率约束如下：

||x_q||²≤P_q

小区q内基站对相邻小区p的用户i的干扰信号约束为建设性干扰如下：

其中，p≠q；i＝1,2,…,K。

采用最大化自身小区内服务用户中最小的等效信噪比方式，求解最优预编码矢量x_q，通过提高自身小区内用户中最差用户性能来提高整体性能：

其中，φ_q为小区q内的用户集合。

根据

衡量尺度

的表达式，可以将上述表达式等价为如下表达式：

其中，

为小区q内用户i处的噪声方差。

上式目标函数是可以使用凸优化工具箱CVX进行求解，得到基站q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为交叉路径因子代表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。

请参阅图2，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。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。

在图2中显示了系统的平均误符号率随发射信噪比的变化。在三种不同交叉链路因子β＝0.1,0.5,1条件下，将所提出的单基站功率约束方案和迫零预编码方案相比较，β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。从图中可以看出平均误符号率随着发射信噪比的增加而减小。所设计方案的平均误符号率的曲线总是在迫零预编码方案下，所设计方案的误符号率性能优于传统的迫零预编码方案。

随着β的增加，对比方案的误符号率越来越低，所设计方案的误符号率并没有明显有规律的变化。这是因为β越大，基站与相邻小区内用户的信道条件会越好，迫零对比方案的误符号率跟着降低。本发明约束对外干扰为建设性，提高自身服务用户的性能，这样也避免因为考虑提高相邻小区内用户的性能而造成自身服务用户性能的降低，约束条件简洁易处理，优化问题简单。

请参阅图3，图3是所设计方案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，所提方案的性能有着明显的提高。

随着交叉路径因子β的增大，本发明方法的归一化吞吐量也在增大。虽然本发明仅约束对外干扰为建设性，基站并没有专门去提高相邻小区内性能，但由于信道质量的变化，最终也能带来一些增益。

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 (7)

1.一种实现建设性干扰的多小区分布式预编码方法，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，M大于等于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的用户发送信息；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的有用信号和本小区基站发射信号在相邻小区内服务用户处干扰信号的衡量尺度；然后根据小区内用户接收的来自自身小区内基站发送的有用信号衡量尺度确定接收端接收信号质量的衡量指标；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，根据基站的最优预编码矢量最大化自身小区内所服务用户中最小的等效信噪比，确定预编码方案；

确定自身小区基站有用信号部分信号质量衡量指标包括以下步骤：

S201、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；

S202、利用向小区p内用户i发送的数据信息

和向小区q内用户i发送的数据信息

表示发送数据信息的共轭，分别确定小区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

和相邻小区q内用户i相处接收到的来自本小区p内基站发射的干扰信号

的衡量尺度

S203、根据步骤S202得到的接收信号衡量尺度

确定来自自身小区基站有用信号部分

信号质量的衡量指标，衡量指标为等效信噪比EQSNR，计算如下：

其中，

为小区p内用户i处的噪声方差；

采用分布式处理，单个基站独立设计预编码矢量，在单个基站p处约束对外干扰为建设性下，通过提高自身小区内用户中最差用户性能提高整体性能，根据小区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

和相邻小区q内用户i相处接收到的来自本小区p内基站发射的干扰信号

的衡量尺度

得到下式：

其中，d_pi ^*为调制信息符号，φ_p为基站P内的用户集合，θ_Ω为MPSK调制信号的相位差使用凸优化工具箱CVX求解两小区的最优预编码矢量x_p和x_q，采用同样的方法在小区q，求得小区q内基站的的最优预编码矢量x_q。

2.根据权利要求1所述的实现建设性干扰的多小区分布式预编码方法，其特征在于，相邻两小区的基站共享数据信息但不共享信道状态信息，两基站同时向所有服务的用户发送MPSK调制方式的信息。

3.根据权利要求1所述的实现建设性干扰的多小区分布式预编码方法，其特征在于，步骤S201中，小区p内用户i接收信号的表达式为

其中，

表示来自基站p与自身小区内的用户i的信道系数，

表示基站q与小区p内的用户i信道系数；x_p，x_q为两基站的天线发送信号预编码矢量；

代表基站p内的用户i处加性高斯白噪声信号，p＝1,2；q＝1,2，i＝1,2,…,K。

4.根据权利要求1所述的实现建设性干扰的多小区分布式预编码方法，其特征在于，步骤S202中，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

表示如下：

其中，p＝1,2；i＝1,2,…,K，

为接收端的有用信号，

5.根据权利要求1所述的实现建设性干扰的多小区分布式预编码方法，其特征在于，步骤S202中，相邻小区q内用户i接收的来自本小区p内基站发送的干扰信号

的衡量尺度

表示如下：

其中，p＝1,2；q＝1,2；i＝1,2,…,K；p≠q，

为接收端的有用信号，

M表示进制数。

6.根据权利要求1所述的实现建设性干扰的多小区分布式预编码方法，其特征在于，对于单个基站的发射功率进行最大功率约束如下：

||x_p||²≤P_p

其中，P_p为基站p的最大发射功率，对相邻小区的用户的干扰约束为建设性干扰如下：

其中，p≠q；i＝1,2,…,K。

7.根据权利要求1所述的实现建设性干扰的多小区分布式预编码方法，其特征在于，采用最大化自身小区内服务用户中最小的等效信噪比方式，提高自身小区内用户中最差用户性能提高整体性能表示如下：

其中，φ_p为小区p内的用户集合。

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