CN111342869A

CN111342869A - 一种基于非对角信道的干扰对齐设计方法及系统

Info

Publication number: CN111342869A
Application number: CN202010085332.XA
Authority: CN
Inventors: 刘伟华; 张喆; 徐晋; 陈雪艳; 丁汉清
Original assignee: Zhengzhou University of Light Industry
Current assignee: Zhengzhou University of Light Industry
Priority date: 2020-02-10
Filing date: 2020-02-10
Publication date: 2020-06-26
Anticipated expiration: 2040-02-10
Also published as: CN111342869B

Abstract

本发明公开了一种基于非对角信道的干扰对齐设计方法及系统，通过获取网络拓扑参数，计算得到网络中的CSI参数，CSI参数包括信道矩阵，信道矩阵为非对角信道矩阵；根据网络拓扑参数和CSI参数确定所有用户的总发射功率和每个用户的功率分配因子；根据信道矩阵计算得到预编码矩阵和滤波矩阵；利用预编码矩阵对基站发送的原始期望信号进行预编码处理，根据发射总功率和功率分配因子将预编码处理后的原始期望信号发送给用户；用户根据滤波矩阵对接收到的原始期望信号进行滤波处理得到期望信号，本发明可以实现复用多域资源的通信网络中干扰对齐效果，还可以实现复用多域资源的干扰对齐通信系统的最大自由度，提高用户业务数据流的并行传输效率。

Description

一种基于非对角信道的干扰对齐设计方法及系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于非对角信道的干扰对齐设计方法及系统。

背景技术

现有的移动通信系统多是基于正交化设计或解调干扰信号等干扰管理方法来实现干扰避免或干扰消除的，但其缺点也十分明显，例如正交化设计以牺牲频谱效率来实现多用户干扰避免。干扰对齐技术是一种新型的干扰管理方法，并且被验证在较高信噪比的情况下，在速率性能方面其远优于其他的干扰管理方法。获取无线通信系统中的信道状态信息(CSI，Channel State Information)后，干扰对齐通信系统(如图1点对点通信网络所示)会根据信道矩阵参数在发射端设计预编码矩阵，以便于在接收端将所有干扰信号压缩到一个最低维度的子空间，并设计滤波矩阵完全消除这些干扰信号。另外，干扰对齐通信系统涉及到一个描述系统容量域的参量，即自由度。在某种程度上，自由度代表干扰网络中无干扰并行数据流传输能力，自由度越大，系统和速率越大。

对于仅考虑时(频)域资源的通信系统，由于其时变(频率选择性)信道矩阵的对角特性，干扰对齐无法实现理论最大的自由度。对于仅考虑空域资源的通信系统，其多天线(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)信道矩阵是满秩的，干扰对齐能够实现理论最大的自由度。

但是这就导致干扰对齐应用于实际通信系统时会出现如下问题：未来移动通信系统(5G及5G后)会充分结合使用空、时、频等多种无线资源为用户来提供高速业务体验，此时就需要避免对角信道特性以利于实现干扰对齐通信系统的最大自由度。为此，需要从复用多域资源的通信网络中的信道特性出发，考虑干扰对齐能够实现的最大自由度，来实现最优的系统和速率性能，并基于该准则设计干扰对齐通信系统，即求解预编码矩阵和滤波矩阵。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种基于非对角信道的干扰对齐设计方法及系统，至少能够解决现有通信技术中多种无线资源结合使用时对角信道特性降低通信系统的自由度、导致系统抗干扰性差等问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于非对角信道的干扰对齐设计方法，包括以下步骤：

步骤1，获取网络拓扑参数，计算得到网络中的CSI参数，所述CSI参数包括信道矩阵，所述信道矩阵为非对角信道矩阵；

步骤2，根据所述网络拓扑参数和所述CSI参数确定所有用户的总发射功率和每个用户的功率分配因子；

步骤3，根据所述信道矩阵计算得到预编码矩阵和滤波矩阵；

步骤4，利用所述预编码矩阵对基站发送的原始期望信号进行预编码处理，根据所述发射总功率和所述功率分配因子将所述预编码处理后的原始期望信号发送给用户；

步骤5，用户根据所述滤波矩阵对接收到的原始期望信号进行滤波处理得到期望信号。

进一步的，所述非对角信道矩阵为：

其中，

为第i个基站到第j个基站服务的第k个用户的下行传输信道矩阵，当i＝j时，对应的传输信道为期望信道，否则为干扰信道；M_i为第i个基站的发射天线数目，N为用户接收天线数目，信道矩阵

中所有子矩阵块Λ_pq，p＝1，2，…，N，q＝1，2，…，M_i都是S阶对角矩阵，S为网络中子载波数目、时隙数目或者子载波数目与时隙数目的乘积。

进一步的，所述网络拓扑参数包括基站的数目、每个所述基站配置的发射天线数目、每个所述基站服务的用户数目、每个用户配置的接收天线数目、子载波数目和时隙数目。

进一步的，采用分布式网络拓扑参数收集方式获取网络拓扑参数；所述分布式网络拓扑参数收集方式为在每个基站均设置有网络拓扑参数收集单元，各个网络拓扑参数收集单元相互通信连接；

或者，采用集中式网络拓扑参数收集方式获取网络拓扑参数；所述集中式网络拓扑参数收集方式为在网络中设置一个网络拓扑参数收集单元，所述网络拓扑参数收集单元与各个基站通信连接。

进一步的，在步骤3中，在计算预编码矩阵与滤波矩阵时，为了实现最优系统和速率，系统和速率具体计算过程包括：

其中，C_ki和d_ki分别为基站i服务的用户k的传输速率和自由度，p_ki是基站i为服务用户k的总发射功率；自由度d_ki等于用户k并行传输数据流的个数，在信噪比ρ趋于无穷大时，自由度d_ki是传输速率C_ki的一阶近似，被表示为：

Q_ki为基站i服务用户k的干扰协方差矩阵，具体形式如下：

U_ki和V_ki分别是在基站i服务用户k的预编码矩阵和滤波矩阵。

进一步的，预编码矩阵和滤波矩阵的求解方法包括封闭求解方法和迭代求解方法；

所述封闭求解方法是通过矩阵运算直接计算预编码矩阵与滤波矩阵；

所述迭代求解方法是根据设定准则通过反复迭代计算预编码矩阵与滤波矩阵；

优选的，所述迭代求解方法包括最小干扰泄露算法和最大信干噪比算法；

所述最小干扰泄露算法是针对最小化用户的干扰泄露矩阵

来计算预编码矩阵与滤波矩阵的，即：

其中，Tr(A)表示矩阵A的迹；

所述最大信干噪比算法是根据最大化传输数据流的信干噪比来计算预编码矩阵与滤波矩阵的，即：

其中，

和

分别是基站i服务用户k的第d个数据流的信干噪比和发射功率；

和

分别是预编码矩阵U_ki和滤波矩阵V_ki的第d个列向量；Δ_ki为：

为接收用户传输数据流的噪声功率。

本发明还提供了一种基于非对角信道的干扰对齐设计系统，所述干扰对齐设计系统包括：

网络拓扑参数收集单元，所述网络拓扑参数收集单元用于收集网络拓扑参数，包括连接模块、统计模块和参考信号设计模块；所述连接模块用于建立基站与接入用户连接过程；所述统计模块用于统计与基站连接的用户个数、发射天线物理通道个数和接收天线物理通道个数；所述参考信号设计模块用于FDD传输模式下基站为用户设计不同逻辑天线端口对应时频资源块上的参考信号；

CSI参数收集单元，所述CSI参数收集单元用于收集CSI参数并发送给功率分配单元和干扰对齐设计单元；

所述功率分配单元用于基站为用户设定总发射功率、分配基站与用户间各个传输数据流的发射功率；

所述干扰对齐设计单元用于计算预编码矩阵和滤波矩阵；

滤波参数信息接收单元，所述滤波参数信息接收单元用于用户接收基站传输的滤波参数信息，包括通信接收模块和有效信息滤波模块；

所述通信接收模块用于用户和基站建立通信并接收基站传输的滤波参数信息；

所述有效信息滤波模块用于根据接收滤波参数信息对有效接收的业务信息进行滤波处理。

进一步的，在FDD传输模式下，所述CSI参数收集单元接收收集用户量化反馈的CSI码本，根据CSI码本恢复信道矩阵信息；

在TDD传输模式下，CSI参数收集单元直接收集基站信道估计后的信道矩阵信息；若系统采用等功率分配方法，则所述CSI参数收集单元收集的CSI参数直接汇报给干扰对齐设计单元。

进一步的，所述功率分配单元根据设定准则，并根据不同用户、不同数据流的传输信道的差异性设定基站的总发射功率和各个数据流的发射功率；

或者，所述功率分配单元采用等功率分配方法，将总发射功率均匀的分配给各个传输数据流，所述功率分配单元不需要接收CSI参数收集单元汇报的CSI参数。

进一步的，当针对特殊网络拓扑模型时，所述干扰对齐设计单元采用封闭求解方法计算预编码矩阵和滤波矩阵，所述干扰对齐设计单元只需要信道矩阵信息，不需要功率分配因子参数；

当针对一般网络拓扑模型时，所述干扰对齐设计单元采用迭代求解方法计算预编码矩阵和滤波矩阵，所述干扰对齐设计单元需要信道矩阵信息以及功率分配因子参数。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：

本发明提供了一种基于非对角信道的干扰对齐设计方法及系统，一方面可以实现复用多域资源的通信网络中干扰对齐效果，通信网络可结合空、时、频多域资源对多个用户并行传输数据，然后通过干扰对齐技术消除用户间干扰，提高用户业务数据流传输速率。另一方面还可以实现复用多域资源的干扰对齐通信系统的最大自由度，为了实现最大的自由度，避免通信系统中的对角或块对角信道矩阵，提出了一种基于非对角信道的干扰对齐设计方法及系统，能够充分利用无线资源最大化，提高用户业务数据流的并行传输效率。

附图说明

图1为本发明点对点通信示意图；

图2为本发明基于非对角信道的干扰对齐设计系统结构示意图；

图3为本发明网络拓扑参数收集单元结构示意图；

图4为本发明滤波参数信息接收单元结构示意图；

图5为本发明实施例一中三用户干扰信道示意图；

图6为本发明实施例一的实现流程图；

图7为本发明实施例二中四小区异构通信网络示意图；

图8为本发明实施例二的实现流程图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明提供一种基于非对角信道的干扰对齐设计方法，应用在多域资源复用的5G接入网(如密集异构网，非正交多址接入网等)数据传输的干扰信号管控中，实现干扰信号强度最小化以及系统和速率性能最优化，不失一般性，由于上下行通信系统的互易性，这里只考虑下行传输的情况，但本发明并不局限于下行传输网络，本发明的方法具体步骤包括：

步骤1)网络拓扑参数收集单元配置与初始化。有两种方式：

a)分布式网络拓扑参数收集方式：每个基站中配置一个网络拓扑参数收集单元。该单元一方面负责收集所在基站信息以及同频同时进行服务的移动终端(用户)信息，并计算服务用户数；另一方面，该单元将上述这些信息通过X2接口传送给其他所有进行干扰对齐协同基站的网络拓扑参数收集单元。

b)集中式网络拓扑参数收集方式：将某区域内的所有基站的集中单元(CU，Centralized Unit)配置一个集中式网络拓扑参数收集单元，每个基站收集服务用户信息，并将基站信息和用户信息上报给网络拓扑参数收集单元。该单元将这些基站上报的信息整理汇总成整个网络拓扑的有关信息参数。这种集中式参数收集方式适用于5G网络CU-DU(Distributed Unit，分布单元)分离架构。

使用上述两种中的任一种网络拓扑参数收集方式，每个基站或集中单元都会获知整个网络拓扑参数，包括基站的数目、每个基站配置的发射天线数目和服务的用户数目、每个用户配置的接收天线数目、子载波数目和时隙数目。网络拓扑参数收集后，配置相关参数，主要是对应通信传输模式下的参考信号设计参数。

步骤2)参考信号设计与信道估计初始化。有两种模式：

a)频分双工(FDD，Frequency Division Duplexing)传输模式：每个基站设计下行参考信号，并传送给所有进行协同干扰对齐服务的用户；每个用户根据下行参考信号，使用信道估计算法计算出CSI参数，并实时将CSI参数反馈给相对应的基站；

b)时分双工(TDD，Time Division Duplexing)传输模式：每个用户设计上行参考信号，并传送给所有进行协同干扰对齐的基站；每个基站根据上行参考信号，使用信道估计算法计算出CSI参数。

CSI参数计算后，配置相关参数，主要是CSI参数收集方式。

步骤3)CSI参数收集单元配置与初始化。有两种方式：

a)分布式CSI参数收集方式：对应于步骤1)中的a)，每个基站中配置一个CSI参数收集单元。该单元一方面负责收集所有用户与该单元所在基站的CSI参数信息；另一方面，该单元将上述这些信息通过X2接口传送给其他所有进行干扰对齐协同基站的CSI参数收集单元；这样每个基站都收集到整个网络中所有的CSI参数信息。

b)集中式CSI参数收集方式：对应于步骤1)中的b)，将集中单元配置一个集中式CSI参数收集单元，每个基站收集所有用户与该基站的CSI参数信息，并将这些信息上报给该单元。这样集中单元收集到整个网络中所有的CSI参数信息。

CSI参数收集后，进一步，对于步骤3)中的a)，根据步骤1)中的a)收集的网络拓扑参数，每个基站判断期望信号信道和干扰信道，并及时根据这些网络拓扑参数和信道参数，设定总发射功率和各数据流的功率分配因子，并启动干扰对齐预编码与滤波矩阵求解。

对于步骤3)中的b)，根据步骤1)中的b)收集的网络拓扑参数，集中单元判断期望信号信道和干扰信道，并及时根据这些网络拓扑和信道参数，进行功率分配和干扰对齐设计。

在复用多域资源的干扰对齐通信系统中，上述信道不是单一的频率选择性信道或时变信道，也不是MIMO信道。其信道矩阵形式不是对角或块对角矩阵形式，而是具有以下形式：

其中，

为第i个基站到第j个基站服务的第k个用户的下行传输信道矩阵，当i＝j时，该信道可为期望信道，否则必为干扰信道。M_i为基站的发射天线数目，这里假设每个基站配置的天线数目不相等，比如5G密集异构通信网络中宏基站和小功率基站配置天线数目都不相等。N为用户接收天线数目，不失一般性，这里假设所有用户配置相同数目的接收天线。信道矩阵

中所有子矩阵块Λ_pq,p＝1,2,…,N,q＝1,2,…,M_i都是S阶对角矩阵，具有以下形式：

其中，Λ_pq表示第q个发射天线到第p个接收天线的频率选择性信道或时变信道或两者结合，S为子载波数目或时隙数目或两者之积。实际通信系统中，具体的信道矩阵元素

可通过步骤3)获取CSI后得到。该信道矩阵形式有效的避免了不利于干扰对齐通信系统实现最优传输性能的信道特性。

步骤4)功率分配单元配置与初始化。有两种方式：

a)分布式功率分配方式：对应于步骤3)中的a)，每个基站中配置一个功率分配单元。该单元一方面为基站服务的所有用户设定总的发射功率，另一方面计算出每个用户的各个传输数据流的功率分配因子。

b)集中式功率分配方式：对应于步骤3)中的b)，将集中单元配置一个集中式功率分配单元。该单元除了配置上述步骤4)中的a)的功率分配功能，还需将功率分配参数结果传送给每个基站。

功率分配算法可采用注水算法，根据信道参数计算出用户每个传输数据流的功率分配因子；也可简单的采用等功率分配方法，即分配用户的所有传输数据流的发射功率是相等的。

步骤5)干扰对齐设计单元配置与初始化。有两种方式：

a)分布式干扰对齐设计方式：对应于步骤3)中的a)，每个基站中配置一个干扰对齐设计单元。该单元一方面根据信道参数等相关信息负责计算干扰对齐预编码矩阵和滤波矩阵；另一方面，该单元将所在基站服务用户的滤波矩阵参数信息通过控制信道传送给用户。

b)集中式干扰对齐设计方式：对应于步骤3)中的b)，将集中单元配置一个集中式干扰对齐设计单元。该单元除了负责计算干扰对齐预编码矩阵和滤波矩阵，还需将预编码矩阵参数信息传输给对应的每个基站，并通过基站将滤波信道参数信息传送给对应的每个服务用户。

步骤6)干扰对齐预编码矩阵与滤波矩阵计算。为了实现最优系统和速率，干扰对齐通信系统中干扰对齐设计单元的预编码矩阵与滤波矩阵计算是关键。系统和速率具体计算公式如下：

其中，C_ki和d_ki分别为基站i服务的用户k的下行传输速率和自由度，p_ki为基站i为服务用户k的总发射功率。自由度d_ki也等于该用户并行传输数据流的个数，在充分高的信噪比ρ情况下，自由度d_ki是信道容量C_ki的一阶近似，被表示为：

Q_ki为基站i服务用户k的干扰协方差矩阵，具体形式如下：

U_ki和V_ki分别是在基站i服务用户k的预编码矩阵和滤波矩阵。干扰对齐通信系统通过设计发送端预编码和接收端滤波，尽可能实现最大的用户自由度，即最优的系统传输性能。预编码矩阵和滤波矩阵具体求解方法可分封闭求解和迭代求解两种方法。

a)封闭求解方法：干扰对齐封闭求解方法是通过矩阵运算直接计算预编码矩阵与滤波矩阵，其运算复杂度较低。但该方法只适用于一些特殊的干扰信道模型，具体参见实施例一。

b)迭代求解方法：迭代求解方法是根据某一准则(比如最大化期望信号的信干噪比准则)通过反复迭代计算预编码矩阵与滤波矩阵，直至计算出收敛的预编码矩阵与滤波矩阵，该方法有最小干扰泄露算法和最大信干噪比算法，具体参见实施例二。

b1)最小干扰泄露算法是针对最小化用户的干扰泄露矩阵

来计算预编码矩阵与滤波矩阵的，即：

其中，Tr(A)表示矩阵A的迹。

b2)最大信干噪比算法是根据最大化传输数据流的信干噪比来计算预编码矩阵与滤波矩阵的，即：

其中，

和

分别是基站i服务用户k第d个数据流的信干噪比和发射功率。

和

分别是预编码矩阵U_ki和滤波矩阵V_ki第d个列向量。Δ_ki为：

为接收用户传输数据流的噪声功率。

步骤7)有效期望信息及滤波参数信息传输。当所有基站设定发射功率、计算出所服务用户对应的预编码矩阵和滤波矩阵后，一方面，基站根据设定的发射功率和所服务用户对应的预编码矩阵，对各个服务用户传输的原始期望信息进行预编码处理、设定控制各个传输数据流的发射功率后，经过多天线发射传输；另一方面，基站同时将服务用户对应的滤波矩阵参数信息通过控制信道传输给用户。干扰对齐通信系统中下行传输网络中，将预编码矩阵与滤波矩阵计算功能放置在基站侧，然后通过控制信道将滤波矩阵参数信息传输给对应的用户，可减少移动终端的运算处理复杂度，进而提高其节能效率。

步骤8)滤波参数信息接收单元配置及初始化。每个用户配置一滤波参数信息接收单元。该单元一方面负责接收对应基站传输的滤波矩阵参数信息；另一方面，根据接收的滤波矩阵参数信息，对接收的有效业务信息进行滤波处理。对于用户来说，其滤波信号模型为：

其中，公式(9)中等号右边第一项是基站i传输给服务用户k的期望信号，s_ki是期望信息；第二项是基站内用户间干扰；第三项为基站间小区干扰；最后一项为噪声项。干扰对齐通信系统预编码矩阵与滤波矩阵求解的目的是消除所有基站内用户间干扰和基站间小区干扰，并且能够有效滤波和检测出期望信息。

本发明还提供一种基于非对角信道的干扰对齐设计系统，如图2所示，该系统包括：网络拓扑参数收集单元、CSI参数收集单元、功率分配单元、干扰对齐设计单元和滤波参数信息接收单元；其中，

1.网络拓扑参数收集单元。干扰对齐通信系统需根据具体网络拓扑结构来进行预编码和滤波等设计，达到消除干扰，最大化传输性能的目的。因此，该单元主要用于收集网络拓扑参数，进一步地，如图3所示网络拓扑参数收集单元包括连接模块、统计模块和下行参考信号设计模块。连接模块用于建立基站与接入用户连接过程，基站可获知用户天线物理通道个数等相关信息。此时用户也可获知基站相关配置信息，比如基站ID、工作模式(FDD或TDD传输模式)和发射天线物理通道个数等。统计模块用于统计基站连接的服务用户个数、发射天线物理通道个数和接收天线物理通道个数。下行参考信号设计模块用于FDD传输模式下基站为用户设计不同逻辑天线端口对应时频资源块上的下行参考信号，以便用户进行信道估计，进而获知CSI参数信息。注意在TDD传输模式下，用户负责设计上行参考信号，由基站进行信道估计。

2.CSI参数收集单元。该单元用于收集CSI参数并如图2所示汇报给功率分配单元和干扰对齐设计单元；FDD传输模式下，CSI参数收集单元需接收收集用户量化反馈的CSI码本，之后根据CSI码本恢复信道矩阵信息。TDD传输模式下，CSI参数收集单元直接收集基站信道估计后的信道矩阵信息。另外，若干扰对齐通信系统采用等功率分配方法，则该单元收集的CSI参数可直接汇报给干扰对齐设计单元。

3.功率分配单元。该单元用于所属基站为用户设定总发射功率、分配其各个传输数据流的发射功率。一方面，功率分配单元可采用根据某种准则，并根据不同用户、不同数据流的传输信道的差异性设定其总发射功率和分配其各个数据流的发射功率。比如使用注水功率分配算法，根据CSI参数信息进行自适应功率分配，此时该单元需接收CSI参数收集单元汇报的CSI参数；另一方面，功率分配单元可采用运算复杂度很低的等功率分配方法，即将总发射功率简单均匀的分配给各个传输数据流，此时该单元不需要接收CSI参数收集单元汇报的CSI参数。

4.干扰对齐设计单元。该单元用于计算干扰对齐预编码矩阵和滤波矩阵，是干扰对齐通信系统中的核心单元。一方面，针对一些特殊网络拓扑模型，干扰对齐设计单元可采用运算复杂度低的预编码矩阵和滤波矩阵封闭求解方法，此时该单元只需要信道矩阵信息，不需要功率分配因子参数。另一方面，针对一般复杂的网络拓扑模型，干扰对齐设计单元目前只能采用运算复杂度较高的迭代求解方法，此时该单元不仅需要信道矩阵信息，可能还需要功率分配因子参数。

5.滤波参数信息接收单元。该单元配置在下行数据传输中的用户，用于干扰对齐通信系统中用户接收基站传输的滤波参数信息。进一步地，如图4所示滤波参数信息接收单元包括通信接收模块和有效信息滤波模块。通信接收模块用于用户和基站建立通信，并接收基站传输的滤波参数信息。有效信息滤波模块用于根据接收滤波参数信息对有效接收的业务信息进行滤波处理，尽可能最大化消除基站内用户间干扰和基站间小区干扰。

实施例一

本实施例是本发明提出的基于非对角信道的干扰对齐设计方法及系统的一种实现情况。在该实例中，网络模型如图5所示为对称三用户干扰信道，即干扰对齐通信网络中存在3个基站，分别标记为基站i，i＝1，2，3，每一个基站只服务一个用户，对应基站i的用户标记为用户i。3个基站都配置M根发射天线，3个用户都配置N根接收天线，其中M＞N，并且M和N满足一定的比例关系

基站为用户配置由S个子载波组、一个持续时间(时隙)组成的传输资源块，此时每个用户的自由度可达最大值

具体实现流程图如图6所示，包括以下步骤：

步骤101：网络拓扑参数收集单元初始化。

在每个基站或集中单元中配置的网络拓扑参数收集单元，此时负责收集三用户干扰信道的网络拓扑参数，具体包括3个基站与3个用户间对应传输关系、3个基站配置的发射天线数M，3个用户配置的接收天线数N、传输子载波数S和时隙数1。

收集网络拓扑参数后，进行参考信号设计及其传输初始化，以便进一步获取CSI参数。

步骤102：CSI参数收集单元初始化。

在每个基站或集中单元中配置的CSI参数收集单元，此时负责收集三用户干扰信道的信道矩阵参数H_ij，i，j＝1，2，3，其中H_ij表示基站j到用户i的传输信道矩阵，当i＝j为期望信号传输信道矩阵，否则就是干扰信号信道矩阵。

收集CSI参数后，进行功率分配单元初始化。

步骤103：功率分配单元初始化。

在每个基站或集中单元中配置的功率分配单元，此时负责为3个用户设定总的发射功率，并根据注水算法或等功率分配方法为用户的每一个数据流分配发射功率，即获取p_di，

其中p_di为用户i的第d个数据流分配的发射功率。

步骤104：干扰对齐设计单元初始化。

在每个基站或集中单元中配置的干扰对齐设计单元，此时负责计算预编码矩阵V_i与滤波矩阵U_i，其中V_i为基站的预编码矩阵，U_i为对应用户的滤波矩阵。对于该网络模型，干扰对齐设计单元可采用封闭求解方法。具体如下，假设M＝(2p+1)q和N＝(2p-1)q，q＝1，2，…，构造5个映射函数a(·)，b(·)，c(·)，f(·)和g(·)分别为：

令

p＝mod(p，3)，将对应3个用户的预编码矩阵分别写成如下形式：

分别构造p(2p-1)qS×qS矩阵a_p，b_p和c_p为：

此时设计对齐方程组为A_pa_p＝0，B_pb_p＝0和C_pc_p＝0，其中(p-1)(2p+1)qS×p(2p-1)qS矩阵A_p，B_p和C_p分别为：

由此可知，a_p，b_p和c_p的qS个列向量分别是A_p，B_p和C_p的零空间的qS个基向量：

其中，R_a，R_b和R_c都为任意的p(2p-1)qS×qS矩阵。计算出预编码矩阵后，对矩阵

和

分别进行奇异值分解，如下：

其中，Σ₁,Σ₂和Σ₃都是MS阶对角矩阵，其对角线元素都是非负且按降序排列，求出相应的滤波矩阵分别为：

其中，

表示取矩阵F最后

个列向量组成的矩阵。这样可计算出该网络模型下干扰对齐通信系统一个封闭的预编码矩阵与滤波矩阵特解。

步骤105：传输对应用户的滤波参数信息。

3个基站向对应用户发送干扰对齐设计单元计算出的对应滤波矩阵参数，3个用户配置的滤波参数信息接收单元及时进行接收。

步骤106：发射功率分配及预编码处理。

3个基站根据功率分配单元设定的功率分配因子对传输数据流加发射功率，并根据干扰对齐设计单元计算出的预编码矩阵参数对传输数据流预编码处理，之后经多天线发射处理后的传输数据流。

步骤107：滤波参数信息接收单元初始化。

3个用户配置的滤波参数信息接收单元接收基站发送的滤波矩阵参数，并根据该参数对接收的有效信息进行滤波处理。

实施例二

本实施例是本发明提出的基于非对角信道的干扰对齐设计方法及系统的另一种实现情况。在该实例中，网络模型如图7所示为四小区异构干扰广播信道，对应于5G通信网络中的密集异构网络。通信网络中存在4个基站，分别标记为基站i，i＝1，2，3，4，其中基站1对应于实际移动通信网络中的宏基站，基站2、3和4对应于实际移动通信网络中的小功率基站。基站1配置M₁个发射天线，服务3个用户，分别标记为用户[k，1]，k＝1，2，3。基站2、3和4都配置M₂(M₂<M₁)个发射天线，服务2个用户，分别标记为用户[k，i]，k＝1，2，i＝2，3，4。网络中所有用户都配置N根接收天线，基站为用户配置由S个持续时间(时隙)、一个子载波组成的传输资源块。基站1服务的用户自由度都相等，记为d₁，基站2、3和4服务的用户自由度相等，记为d₂。通信网络中用户最大自由度之和可通过解决下述整数线性规划问题获得：

具体实现流程图如图8所示，包括以下步骤：

步骤201：网络拓扑参数收集单元初始化。

在每个基站或集中单元中配置的网络拓扑参数收集单元，此时负责收集该干扰广播信道的网络拓扑参数，具体包括4个基站与9个用户间对应传输关系、宏基站配置的发射天线数M₁，小功率基站配置的发射天线数M₂，9个用户配置的接收天线数N、传输子载波数1和时隙数S。

步骤202：CSI参数收集单元初始化。

在每个基站或集中单元中配置的CSI参数收集单元，此时负责收集四小区干扰广播信道的信道矩阵参数

为基站i到用户[k，j]的传输信道矩阵。

步骤203：功率分配单元初始化。

在每个基站或集中单元中配置的功率分配单元，此时负责为各自服务的用户设定总的发射功率，并为用户的每一个数据流分配发射功率来获取

d＝1，2，…，d₁or d₂，其中

为用户[k，i]的第d个数据流分配的发射功率。

步骤204：干扰对齐设计单元初始化。

对于该网络模型，干扰对齐设计单元可采用迭代求解方法计算预编码矩阵与滤波矩阵，具体如下，可分为最小干扰泄露算法和最大信干噪比算法。

a.最小干扰泄露算法：

a1)初始化任意的预编码矩阵V_ki：

其中，V_ki为基站i服务用户[k,i]的预编码矩阵。

a2)根据

计算滤波矩阵U_ki：

其中，υ_d(A)为对应矩阵A第d个最小特征值的特征向量，U_ki为用户[k，i]的滤波矩阵，

为干扰协方差矩阵。

a3)根据

计算预编码矩阵，其中

a4)回到步骤a2)，重复直至收敛。

b.最大信干噪比算法：

b1)初始化任意的预编码矩阵V_ki。

b2)根据

计算滤波矩阵，其中

b3)根据

计算预编码矩阵，其中：

b4)回到步骤b2)，重复直至收敛。

步骤205：传输对应用户的滤波参数信息。

4个基站向对应用户发送干扰对齐设计单元计算出的对应滤波矩阵参数。

步骤206：发射功率分配及预编码处理。

4个基站根据功率分配单元设定的功率分配因子对传输数据流加发射功率，并根据干扰对齐设计单元计算出的预编码矩阵参数对传输数据流预编码处理。

步骤207：滤波参数信息接收单元初始化。

9个用户配置的滤波参数信息接收单元接收基站发送的滤波矩阵参数，并根据该参数对接收的有效信息进行滤波处理。

综上所述，本发明从复用多域资源的通信网络中的信道特性出发，充分考虑了干扰对齐能够实现的最大自由度，从而实现最优的系统和速率性能，并基于非对角信道矩阵对预编码矩阵和滤波矩阵进行求解，实现复用多域资源的通信网络中干扰对齐效果，通信网络可结合空、时、频多域资源对多个用户并行传输数据，消除用户间干扰，提高用户业务数据流传输速率，能够充分利用无线资源，最大化提高用户业务数据流的并行传输效率。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里记载的发明后，将容易想到本技术的其它实施方案。本申请旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据本申请的保护范围来确定技术性范围。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的代表保护范围的内容来限制。