CN109905155A - 一种基于内外级联预编码的干扰管理方法、无线通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种基于内外级联预编码的干扰管理方法、无线通信系统；首先干扰发射机采用内部预编码矩阵对其发送的多个数据流进行预编码，使这些数据流在空间上可分离。然后，利用无线信号之间的相互作用，将多个干扰分量的整体作为一个等效干扰，干扰发射机对该等效干扰设计一个外部预编码矩阵，可以将多个干扰在受干扰接收机处压缩到一个空间维度，同时使它们在干扰发射机对应的期望接收机处可分辨。本发明能够将同源多干扰在受干扰接收机处对齐到一个方向，同时使这些造成干扰的信号所对应的期望接收机能够在空域对其进行分辨，可用于解决无线通信中同源多干扰的管理问题。

Description

一种基于内外级联预编码的干扰管理方法、无线通信系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于内外级联预编码的干扰管理方法、无线通信系统。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：随着无线业务的快速增长和链路密度的增加，网络中的干扰已成为提高无线网络性能的重要因素。因此，干扰管理的重要性日益凸显。

目前，业内常用的现有技术是这样的：现有的干扰管理方法包括干扰中和(Interference neutralization,IN)，迫零接收(Zero-forcing,ZF)，干扰导向(Interference steering,IS)，干扰对齐(Interference alignment,IA)和迫零波束成形(Zero-forcing beamforming,ZFBF)等。上述方法可以分为两类：第一类是在受干扰的接收机或与受干扰接收机关联的发射机侧实现的干扰管理，包括ZF，IN，IS等。第二类是在干扰发射机侧实现，如ZFBF和IA。其中，IN旨在适当地组合通过不同路径到达受干扰接收机的信号，使得在受干扰接收机处保留期望信号的同时消除干扰信号。虽然IN可以消除干扰，但产生中和信号在与受干扰接收机关联的发射机处产生功率开销，也会降低系统性能；IS是通过由与受干扰接收机关联的发射机产生导向信号来改变干扰的传播，从而在受干扰接收机处将原始干扰导引至与其期望传输正交的方向上。与IN相比，IS侧重于消除干扰对期望传输影响的有效部分，从而降低功率消耗，但因此也需要额外的空间自由度(Degree offreedom,DoF)来放置导向后的干扰；ZFBF应用在多输入多输出(Multiple input multipleoutput,MIMO)广播信道(Broadcast channel,BC)中是次优的，但随着系统中用户数量趋于无穷大可以实现与脏纸编码(Dirty paper coding,DPC)相同的渐近和容量，可是该方法对自由度的需求是由期望信号和干扰的总数决定的，即每个干扰分量消耗一个DoF；IA在干扰源处调整干扰，使得多个干扰信号在受干扰接收机处被映射到一个有限子空间，即使受干扰接收机处的干扰空间被最小化，而其期望信号可以通过无干扰的信号子空间进行传输，IA的可行性高度依赖于系统参数，例如发射/接收天线的数量等，并且当多个干扰来自同一个发射机时，传统的干扰对齐方法将不再适用，也就是说，IA无法解决同源多干扰的问题。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有的干扰管理方法仍注重于管理个体干扰，忽略了干扰的整体效果，导致更多的自由度、功率等资源的消耗。干扰对齐无法对来自同一干扰源的多个干扰进行管理。基于受干扰接收机和/或其对应的发射机的干扰管理方法，需要受干扰方通过与干扰源协作获知干扰状态，并且消耗功率、自由度等资源，造成受干扰通信对通信性能的下降。

解决上述技术问题的难度和意义：如何对干扰的整体效果进行预处理，既将来自一个干扰发射机的同源多干扰在受干扰接收机处对齐到一个方向，又使这些造成干扰的信号所对应的接收机(即干扰发射机对应的接收机)能够在空域对它们进行分辨；意义在于：既在受干扰接收机处消除了来自同一干扰源的多个干扰的影响，将这些干扰占据的自由度压缩至1，又保证了干扰发射机与其接收机之间的多路数据传输得以进行，从而改善系统性能。

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内外级联预编码的干扰管理方法、无线通信系统。

本发明是这样实现的，一种基于内外级联预编码的干扰管理方法，所述基于内外级联预编码的干扰管理方法；首先干扰发射机采用任意一种预编码方案确定内部预编码矩阵；通过利用无线信号之间的相互作用，计算出等效预编码向量，将多个干扰分量的整体作为一个等效干扰；干扰发射机利用等效预编码向量以及内部预编码矩阵得到外部预编码矩阵的通解；然后干扰发射机筛选合适的外部预编码矩阵的特解，得到符合条件的外部预编码矩阵；最后，干扰发射机利用内外部预编码矩阵对发送数据进行预处理，对无线通信中同源多干扰进行管理。

进一步，所述基于内外级联预编码的干扰管理方法包括以下步骤：

步骤一，受干扰接收机Rx₀估计其与期望发射机Tx₀和干扰发射机Tx₁之间的信道状态信息H₀和H₁₀，干扰发射机Tx₁对应的接收机Rx₁估计与干扰发射机Tx₁之间的信道状态信息H₁；Rx₀和Rx₁分别将其估计得到的信道状态信息反馈给各自关联的发射机Tx₀和Tx₁，Tx₀与Tx₁共享信道状态信息；Tx₀到Rx₀的数据传输信道矩阵用H₀表示，Tx₁与Rx₁之间的数据传输信道矩阵用H₁表示，Tx₁与Rx₀之间的干扰信道矩阵用H₁₀表示；

步骤二：Tx₁根据其数据传输信道矩阵H₁，采用任意一种预编码方案确定内部预编码矩阵其中表示P₁的第i列，i＝1,2,…,K，Tx₁使用P₁对发送的数据向量进行预处理；

步骤三：Tx₁根据其发送的K个数据流之间的相互作用关系，以及内部预编码矩阵P₁，计算等效预编码向量p_e，并利用p_e获得包含待定参数α和k的外部预编码矩阵G_e的通解表达式，其中是一个复系数，表示一个的复数列向量， 表示Tx₁配备的天线数；

步骤四：干扰发射机Tx₁随机选取α和k，然后将它们代入外部预编码矩阵G_e的通解表达式，获得G_e的特解；

步骤五：如果满足rank(G_e)＝K，其中rank(·)表示矩阵的秩，则执行步骤六，否则返回步骤四；

步骤六：对于任意l,k∈{1,2,…,K}且l≠k，在接收机Rx₁处计算相关度其中和分别表示Tx₁发送给Rx₁的携带数据和的信号的单位化空间特征向量，符号<>表示内积运算，|·|和||·||分别表示求绝对值和欧几里德范数；选取实数β作为门限值，其中β∈(0,1)；如果所有的l,k组合对应的ρ_lk均小于β，则执行步骤七，否则返回步骤四；

步骤七：干扰发射机Tx₁使用上述计算得到的G_e对经过P₁预处理的发送数据向量进行第二级预处理，即G_eP₁X₁。

进一步，所述步骤三包括：

(1)对于调制符号集S＝{s₁,s₂,…,s_L}，引入作为参考符号，其中和分别表示的幅度和相位；其余符号可表示为将其代入接收机Rx₀的接收信号中，Rx₀受到的干扰为Rx₀接收信号表达式为表示加性高斯白噪声向量，表示Rx₀配备的天线数，表示Tx₀发送数据的预编码向量，表示Tx₀向Rx₀发送的符号，定义等效预编码向量 表示Tx₁配备的天线数；

(2)外部预编码矩阵G_e满足式其中l,k∈{1,2,…,K}且l≠k，和分别表示Tx₁发送给Rx₁的携带数据和的信号的单位空间特征向量，β是约束和的空间相关度的预设门限；

外部预编码矩阵G_e的通解的计算：首先将条件式变形为H₁₀G_ep_e＝αd_⊥，其中d_⊥表示与Tx₀向Rx₀发送的信号相正交的单位向量；然后对H₁₀G_ep_e＝αd_⊥等号两侧均左乘矩阵H₁₀的逆如果H₁₀不是方阵，则应该由H₁₀的伪逆来替代。定义得到G_ep_e＝αb，其中

运用矩阵的行初等变换，可以由G_ep_e＝αb得到方程其中和分别表示方程的系数矩阵和解向量，是的单位矩阵，表示G_e的第i列，

计算G_e的通解表达式为：

本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于内外级联预编码的干扰管理方法的无线通信系统。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明的干扰管理方案，用于管理来自同一干扰源的多个干扰信号，干扰发射机先采用内部预编码矩阵对多路数据进行预处理，然后通过利用无线信号之间的相互作用，将多个干扰分量的整体作为一个等效干扰，对其设计一个外部预编码矩阵进行第二级预处理，从而可以将多个干扰在受害接收机处压缩到一个自由度，同时使它们在对应接收机(干扰发射机对应的接收机)处可分辨。本发明可以将同源多干扰在受干扰接收机处对齐到一个方向，同时保证这些造成干扰的信号所对应的接收机能够在空域对它们进行分辨，即干扰发射机与其接收机之间的多路数据传输得以进行。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于内外级联预编码的干扰管理方法流程图。

图2是本发明实施例提供的包含两个通信对的系统模型图。

图3是本发明实施例提供的无线通信系统中基于内外级联预编码的干扰管理方法实现流程图。

图4是在的设置下，使用MATLAB仿真得到的采用本发明实施例提供的无线通信系统中基于内外级联预编码的干扰管理方法得到的Rx₀和Rx₁处信号的空间谱。

图5是在设置下，使用MATLAB仿真得到的采用本发明实施例提供的无线通信系统中基于内外级联预编码的干扰管理方法得到的干扰通信对的频谱效率。

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。

本发明可以将同源多干扰在受干扰接收机处对齐到一个方向，同时保证这些造成干扰的信号所对应的接收机能够在空域对它们进行分辨，即干扰发射机与其接收机之间的多路数据传输得以进行。

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内外级联预编码的干扰管理方法包括以下步骤：

S101：接收机估计信道状态信息，然后将其反馈给关联的发射机，发射机之间实现信道状态信息共享；

S102：干扰发射机根据其与对应的接收机之间的信道矩阵确定内部预编码矩阵，对发送数据进行预处理；

S103：利用无线信号之间的相互作用，干扰发射机将多个干扰的整体等效为一个干扰，对其设计外部预编码矩阵；

S104：干扰发射机使用所得满足条件的内外部预编码矩阵对发送数据进行预处理。

下面结合附图对本发明的应用原理做进一步的描述。

如图2所示，本发明的系统模型是包含两个通信对的Z型干扰信道(Z-Interference Channel,ZIC)，其中接收机Rx₀受到来自干扰发射机Tx₁的干扰，而Rx₁不受干扰。Tx_i和Rx_i(i＝1,2)分别配备有和根天线，Tx_i的发射功率为P_T。从Tx_i到Rx_i的数据传输信道矩阵为其中i＝1,2，从Tx₁到Rx₀的干扰信道矩阵表示为使用空间不相关的瑞利平坦衰落信道模型将H_i和H₁₀的元素建模为独立且同分布的零均值单位方差复高斯随机变量。假设所有用户经历块衰落，即信道参数在由几个连续时隙组成的块内保持恒定，在块间随机变化。Rx_i可以准确估计其与期望发射机以及干扰发射机之间的信道状态信息，并通过低速率、无差错的链路将其反馈到与之关联的Tx_i。假设与信道状态变化的时间尺度相比，反馈延迟可以忽略。

如图3所示，本发明实施例提供的基于内外级联预编码的干扰管理方法的应用效果如下：

步骤一：Rx₀估计其与Tx₀之间以及Tx₁之间的信道状态信息H₀和H₁₀，Rx₁估计其与Tx₁之间的信道状态信息H₁。Rx₀和Rx₁分别将其估计的信道状态信息反馈给与之关联的发射机Tx₀和Tx₁，Tx₀与Tx₁共享信道状态信息。

步骤二：以基于奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)的预编码设计为例计算内部预编码矩阵，Tx₁对信道矩阵H₁进行SVD，得到H₁＝U₁Σ₁V₁ ^H，其中和是左奇异矩阵和右奇异矩阵。Σ₁是2×2对角矩阵，其非零主对角线元素是H₁的奇异值，表示由和共同确定的空间子信道的信道增益。Tx₁采用P₁＝V₁作为内部预编码矩阵，即作为第k个内部预编码向量。

步骤三：干扰发射机Tx₁根据内部预编码矩阵P₁计算等效预编码向量p_e，并利用p_e获得包含待定参数α和k的外部预编码矩阵G_e的通解表达式，其中是一个复系数，表示一个4×1的复数列向量。

(1)干扰发射机Tx₁的发送数据向量包含两路数据和选取作为参考，可以表示成其中a_l和θ_l分别表示x_l的幅度和相位，其中l＝1,2。Rx₀接收到的混合信号为其中表示Tx₀发送给Rx₀的期望信号，接收机Rx₀受到的干扰为可以定义等效预编码向量

(2)利用公式求解b，其中d_⊥表示与Tx₀向Rx₀发送的信号相正交的单位向量，将b和上述所得p_e代入G_e，得到G_e的通解表达式其中k⁽³⁾和k⁽⁴⁾是k的第三个和第四个元素。

步骤四：干扰发射机Tx₁随机选取α和k，将其代入外部预编码矩阵G_e的通解表达式，得到G_e的特解。

步骤五：干扰发射机Tx₁比较rank(G_e)和Tx₁向其接收机Rx₁发送的期望信号数K＝2。如果满足rank(G_e)＝2，执行步骤6，否则返回步骤四。

步骤六：在接收机Rx₁处计算如果ρ₁₂<β，执行步骤七，否则返回步骤四。

步骤七：干扰发射机Tx₁使用上述计算得到的G_e对经过P₁预处理的发送数据向量X₁进行第二级预处理，即G_eP₁X₁。

下面结合仿真对本发明的应用效果做详细的描述。

1.仿真条件：

仿真对象：

仿真(1)：本发明提供的基于内外级联预编码的干扰管理方法，采用多重信号分类算法(MUltiple SIgnal Classification,MUSIC)对信号到达角进行估计，通过MATLAB仿真获得接收端观测到的信号的空间谱。

仿真(2)：本发明提供的基于内外级联预编码的干扰管理方法，采用MATLAB仿真不同参数设置下采用本发明获得的干扰通信对Tx₁-Rx₁的频谱效率。

仿真参数：

Tx₁与Tx₀采用相同的发射功率。Tx_i和Rx_i(i＝1,2)分别配备有根天线。Tx₀向Rx₀发送1路数据干扰发射机Tx₁向Rx₁发送2路数据和Tx₁对Rx₀产生干扰。其中Tx₁采用BPSK的调制方式。

仿真(1)：输入信号的中心频率为f₀＝2.4GHz，每路信号的信噪比(SNR)为20dB，天线单元间距为信号波长的一半。

仿真(2)：发射功率与噪声的比值(SNR)的取值范围为[-10，20]dB，采用蒙特卡洛仿真。

2.仿真内容及其分析：

仿真(1)：对使用本发明提供的方法在Tx₁进行预编码时，接收机Rx₀和Rx₁处观测到的信号的空间谱进行MATLAB仿真，其结果图4所示，其中，纵轴表示空间谱，横轴表示信号的到达方向。由图4(a)可以看出，在Rx₀处，两个干扰的等效干扰被对齐到了次特征模式上，即等效干扰与Rx₀的期望信号相互正交。由图4(b)可以看出，Rx₁接收到的两路期望信号在空间上是可分辨的。

仿真(2)：使用MATLAB对干扰通信对Tx₁-Rx₁的频谱效率进行仿真，其结果如图4所示，其中，纵轴表示频谱效率，横轴表示信噪比。对(k⁽³⁾,k⁽⁴⁾,α)分别取不同值进行仿真，第一种是取特殊值(k⁽³⁾,k⁽⁴⁾,α)＝(1,1,1)，第二种是取此时外部预编码矩阵G_e是对角矩阵，第三种是随机选取(k⁽³⁾,k⁽⁴⁾,α)，针对上述三种取值进行蒙特卡罗仿真，得到Tx₁-Rx₁通信对的平均频谱效率。

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 (4)

1.一种基于内外级联预编码的干扰管理方法，其特征在于，所述基于内外级联预编码的干扰管理方法；首先干扰发射机采用任意一种预编码方案确定内部预编码矩阵；通过利用无线信号之间的相互作用，计算出等效预编码向量，将多个干扰分量的整体作为一个等效干扰；干扰发射机利用等效预编码向量以及内部预编码矩阵得到外部预编码矩阵的通解；然后干扰发射机筛选合适的外部预编码矩阵的特解，得到符合条件的外部预编码矩阵；最后，干扰发射机利用内外部预编码矩阵对发送数据进行预处理，对无线通信中同源多干扰进行管理。

2.如权利要求1所述的基于内外级联预编码的干扰管理方法，其特征在于，所述基于内外级联预编码的干扰管理方法包括以下步骤：

步骤一，受干扰接收机Rx₀估计其与期望发射机Tx₀和干扰发射机Tx₁之间的信道状态信息H₀和H₁₀，干扰发射机Tx₁对应的接收机Rx₁估计与干扰发射机Tx₁之间的信道状态信息H₁；Rx₀和Rx₁分别将其估计得到的信道状态信息反馈给各自关联的发射机Tx₀和Tx₁，Tx₀与Tx₁共享信道状态信息；Tx₀到Rx₀的数据传输信道矩阵用H₀表示，Tx₁与Rx₁之间的数据传输信道矩阵用H₁表示，Tx₁与Rx₀之间的干扰信道矩阵用H₁₀表示；

步骤二：Tx₁根据其数据传输信道矩阵H₁，采用任意一种预编码方案确定内部预编码矩阵其中表示P₁的第i列，i＝1,2,…,K，Tx₁使用P₁对发送的数据向量进行预处理；

步骤三：Tx₁根据其发送的K个数据流之间的相互作用关系，以及内部预编码矩阵P₁，计算等效预编码向量p_e，并利用p_e获得包含待定参数α和k的外部预编码矩阵G_e的通解表达式，其中是一个复系数，表示一个的复数列向量，表示Tx₁配备的天线数；

步骤四：干扰发射机Tx₁随机选取α和k，然后将它们代入外部预编码矩阵G_e的通解表达式，获得G_e的特解；

步骤五：如果满足rank(G_e)＝K，其中rank(·)表示矩阵的秩，则执行步骤六，否则返回步骤四；

步骤六：对于任意l,k∈{1,2,…,K}且l≠k，在接收机Rx₁处计算相关度其中和分别表示Tx₁发送给Rx₁的携带数据和的信号的单位化空间特征向量，符号<>表示内积运算，|·|和||·||分别表示求绝对值和欧几里德范数；选取实数β作为门限值，其中β∈(0,1)；如果所有的l,k组合对应的ρ_lk均小于β，则执行步骤七，否则返回步骤四；

步骤七：干扰发射机Tx₁使用上述计算得到的G_e对经过P₁预处理的发送数据向量进行第二级预处理，即G_eP₁X₁。

3.如权利要求2所述的基于内外级联预编码的干扰管理方法，其特征在于，所述步骤三包括：

(1)对于调制符号集S＝{s₁,s₂,…,s_L}，引入作为参考符号，其中和分别表示的幅度和相位；其余符号可表示为将其代入接收机Rx₀的接收信号中，Rx₀受到的干扰为Rx₀接收信号表达式为表示加性高斯白噪声向量，表示Rx₀配备的天线数，表示Tx₀发送数据的预编码向量，表示Tx₀向Rx₀发送的符号，定义等效预编码向量

(2)外部预编码矩阵G_e满足式其中l,k∈{1,2,…,K}且l≠k，和分别表示Tx₁发送给Rx₁的携带数据和的信号的单位空间特征向量，β是约束和的空间相关度的预设门限；

外部预编码矩阵G_e的通解的计算：首先将条件式变形为H₁₀G_ep_e＝αd_⊥，其中d_⊥表示与Tx₀向Rx₀发送的信号相正交的单位向量；然后对H₁₀G_ep_e＝αd_⊥等号两侧均左乘矩阵H₁₀的逆如果H₁₀不是方阵，则应该由H₁₀的伪逆来替代；定义得到G_ep_e＝αb，其中

运用矩阵的行初等变换，可以由G_ep_e＝αb得到方程其中和分别表示方程的系数矩阵和解向量，是的单位矩阵，表示G_e的第i列，

计算G_e的通解表达式为：

4.一种应用权利要求1～3任意一项所述基于内外级联预编码的干扰管理方法的无线通信系统。