CN115002831A - 基于拓扑干扰对齐的无线网络与缓存资源联合分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于拓扑干扰对齐的无线网络与缓存资源联合分配方法，发射端生成每个发射端的编码消息，构建拓扑矩阵，判断拓扑矩阵中每列元素对应的编码消息所属发射端与其他编码消息对应接收端是否存在连接关系，将拓扑矩阵中每列元素对应的编码消息所属发射端与其他编码消息对应接收端不存在连接关系的元素值赋为0，构建联盟块集合，构建接收端接收信号，消除干扰。本发明可通过有限时隙扩展设计发射端预编码矩阵和接收端解码矩阵，消除无线网络中的干扰。本发明不需要发射端去获取接收端的完美信道状态信息，避免了信道状态信息估计时延和估计误差的问题。

Description

基于拓扑干扰对齐的无线网络与缓存资源联合分配方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线网络通信技术领域的一种基于拓扑干扰对齐的无线网络通信与缓存资源联合分配方法。本发明通过对网络中的发射端和接收端联合缓存资源分配，利用拓扑干扰对齐技术消除网络中的干扰。
背景技术
无线网络通信中对发射端和接收端联合缓存资源分配主要包括两个步骤：第一步，通过在发射端放置缓存资源降低了接收端进行数据请求时发射端到内容提供服务器之间的链路负载和请求时延，同时，在对发射端的缓存的资源进行异或编码将其编码成编码消息。通过在接收端放置缓存资源可以避免接收端进行重复请求，并且可以利用接收端本地的缓存将接收端接收到的干扰信号消除。第二步，在消息传输阶段结合干扰对齐技术对网络中的干扰信号进行干扰管理。可见，通信与缓存资源联合分配最显著的优势在于，通过在网络中的发射端和接收端缓存资源，减少网络中的干扰信号，并且由于在编码消息传输阶段利用了干扰对齐技术，能够对网络中的干扰信号进行干扰管理。但是，在现有的通信与缓存资源联合分配方法中使用的渐进式干扰对齐技术存在实际工程应用中无法将干扰对齐技术的时隙扩展到无穷大。
F.Xu，M.Tao和Tiankai Zheng在其发表的论文“Cache-Aided InterferenceManagement in Partially Connected Linear Networks”(IEEE Transactions onCommunications,2019,PP(99):1-1)中提出了一种基于渐进式干扰对齐的通信与缓存资源联合分配方法，该方法的具体步骤为：第一步：接收端与发射端联合缓存资源分配；第二步：将干扰信道转换X多播信道；第三步：利用渐进式干扰对齐方法进行干扰管理。该方法虽然能通过适当的缓存资源分配策略，将干扰信道转化为X多播信道，然后结合渐进式干扰对齐技术消除网络干扰。但是，该方法存在的不足之处是，渐进式干扰对齐技术是一种趋近于无穷大的时隙扩展的干扰对齐方法，在实际工程应用中无法将干扰对齐技术的时隙扩展到无穷大。
深圳天珑无线科技有限公司其拥有的专利技术“一种获取数据信息的方法及干扰对齐网络系统”(申请号：CN201611248642.9，授权公告号：CN 106656291B)中公开了一种获取干扰对齐网络中获取用户数据信息的方法。该方法的实现步骤为：第一步，获取用户的数据信息，处理器通过干扰对齐算法设计用户信号的预编码矩阵和解码矩阵；第二步，重新配置其他用户信号的预编码矩阵和解码矩阵，将用户接收到的干扰信号对齐到其他方向；第三步，发射机重新配置后的预编码矩阵和解码矩阵发射信号；第四步，接收机接收信号，消除干扰信号，并恢复出用户的期望信号。该方法的存在的不足之处是，该方法所使用的干扰对齐算法，需要发射机获取接收机的完美的信道状态信息，由此产生信道状态信息估计时延和估计误差。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于拓扑干扰对齐的无线网络通信与缓存资源联合分配方法，旨在解决在实际工程应用中无法将干扰对齐技术的时隙扩展到无穷大的问题，以及信道状态信息估计时延和估计误差的问题。
实现本发明目的的技术思路是，本发明在消息传输阶段利用拓扑干扰对齐技术消除网络中的干扰，能够通过有限时隙扩展设计发射端预编码矩阵和接收端解码矩阵，消除无线网络中的干扰，解决了现有技术中，在实际工程应用中无法将干扰对齐技术的时隙扩展到无穷大的问题。本发明使用的拓扑干扰对齐技术不需要无线网络中的发射端去获取接收端的完美信道状态信息，仅仅使用无线网络的拓扑连接信息，解决了现有技术中，信道状态信息估计时延和估计误差的问题。
为实现上述目的，本发明的主要步骤如下：
步骤1，设置缓存内容：
为无线通信网络中的每个发射端和每个接收端各配置一根天线、一个缓存器；将发射端侧数据中心的每个文件均分为比特大小相等的多个子文件；将每个文件的子文件按从小到大编号，发射端也从小到大编号；按照编号顺序，每个发射端从每个文件的子文件中依次提取多个子文件缓存在缓存器中。
步骤2，生成每个发射端编码消息：
将从每个发射端缓存器的每个子文件中任取Q个子文件进行按位异或，生成该发射端缓存器的编码消息；其中，Q的取值与每个对应的编码消息的多播系数相等；
步骤3，构建拓扑矩阵：
构建一个初始拓扑矩阵，以所有发射端缓存器的编码消息索引为该初始拓扑矩阵中一一对应的行索引和列索引；将初始拓扑矩阵中的所有元素值赋值为1，得到拓扑矩阵；
步骤4，判断拓扑矩阵中每列元素对应的编码消息所属发射端与其他编码消息对应接收端是否存在连接关系，若是，执行步骤5，否则，执行步骤6；
步骤5，将拓扑矩阵中每列元素对应的编码消息所属发射端与其他编码消息对应接收端不存在连接关系的元素值赋为0后执行步骤6；
步骤6，构建联盟块集合：
步骤6.1，遍历拓扑矩阵中以拓扑矩阵主对角线元素为主子矩阵主对角线元素的主子矩阵，将主子矩阵中每个单位阵作为该单位阵的联盟块，将所有的联盟块组成当前联盟块集合；
步骤6.2，从当前联盟块集合中任意选定一个未被选取过的联盟块，再随机选取一个联盟块，判断所选的两个联盟块是否同时满足更新条件，若是，执行步骤6.3，否则，执行步骤6.4；
步骤6.3，将所选的一个联盟块对应单位阵的行元素和列元素分别排列到另一个联盟块的行元素和列元素后执行步骤6.1；
步骤6.4，判断是否选完当前联盟块集合中所有联盟块，若是，则执行步骤7，否则，执行步骤6.2；
步骤7，构建接收端接收信号：
步骤7.1，将每个编码消息通过公式xi＝viwi编码成该编码消息对应的维度为M×1发射信号；其中，xi表示第i个编码消息编码成的发射信号，vi表示第i个编码消息的预编码向量，wi表示第i个编码消息，M表示联盟块集合中联盟块的数量；
步骤7.2，利用
Figure BDA0003660000790000031
公式，计算每个接收端接收的信号；其中yj表示第j个接收端接收到的信号，hi,j表示第i个编码消息所在的发射端到第j个接收端之间的信道系数，该系数为随机选取的复数，zj表示第j个接收端的均值为0，方差为1的高斯白噪声；
步骤8，消除干扰：
步骤8.1，利用uj＝null(<vi,i≠j>)公式，计算每个接收端的解码向量；其中，uj表示第j个接收端的解码向量，null(，)表示取零空间操作，<，>表示将向量组成矩阵；
步骤8.2，将每个接收端的解码向量与接收端接收信号中的干扰信号相乘，消除该接收端信号中的干扰信号。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
第一，本发明在消息传输阶段利用拓扑干扰对齐技术消除网络中的干扰，能够通过有限时隙扩展设计发射端预编码矩阵和接收端解码矩阵，消除无线网络中的干扰，克服了现有技术在实际工程应用中无法将干扰对齐技术的时隙扩展到无穷大的不足，使得本发明在能够在有限时隙内，消除网络中的干扰，提升了无线通信网络的自由度。
第二，本发明在消息传输阶段利用的拓扑干扰对齐技术，使用无线网络的拓扑连接信息进行干扰管理，克服了现有技术中需要无线网络中的发射端去获取接收端的完美信道状态信息，导致信道状态信息估计时延和估计误差的缺陷，使得本发明能够避免发射端获取完美信道状态信息的反馈开销。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明根据编码消息构建的4×4的拓扑矩阵图；
图3是本发明根据拓扑矩阵中每列元素对应的编码消息所属发射端与其他编码消息对应接收端是否存在连接关系将部分元素赋值为0的拓扑矩阵图；
图4是本发明将满足更新条件的两个联盟块合并后的拓扑矩阵图；
图5是本发明构建联盟块集合的流程图；
图6是本发明的仿真图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
参照图1和实施例，对本发明的实现步骤作进一步的描述。
步骤1，设置缓存内容。
为无线通信网络中的每个发射端和每个接收端各配置一根天线、一个缓存器，将发射端侧数据中心的每个文件均分为比特大小相等的F个子文件；每个发射端按照规则缓存子文件；接收端缓存器中存有基站侧数据库中每个文件的子文件中的G个子文件；所述发射端侧数据中心是指与发射端通过光纤相连接的文件数据中心，该数据中心中每个文件所包含的信息类型为图像、视频、声音、文字四种类型中的一种，接收端与发射端通过无线网络相连，接收端通过发射端获取数据库文件；所述规则是指，将每个文件的子文件按从小到大编号，发射端也从小到大编号；按照编号顺序，每个发射端从每个文件的子文件中依次提取J个子文件缓存在缓存器中。其中，
Figure BDA0003660000790000051
L表示与每个接收端存在无线通信连接的发射端的总数，q∈[0,L-1]表示每个接收端的缓存系数，！表示阶乘操作。
步骤2，生成每个发射端编码消息。
将从每个发射端缓存器的每个子文件中任取的q+1个子文件进行按位异或，生成该发射端缓存器的编码消息。
下面结合图2和实施例，构建拓扑矩阵。
步骤3，构建拓扑矩阵。
步骤3.1，本发明的实施例构建一个4×4的初始拓扑矩阵，以所有发射端缓存器的4个编码消息为该初始拓扑矩阵中的行元素和列元素，如图2中，初始拓扑矩阵中的a1,1＝1代表第一个编码消息所在的发射端与第一个编码消息对应的接收端的存在连接关系。
步骤3.2，将初始拓扑矩阵中的所有元素值赋值为1，得到拓扑矩阵，拓扑矩阵中的所有的元素值都为1，如图2所示。
步骤4，判断拓扑矩阵中每列元素对应的编码消息所属发射端与其他编码消息对应接收端是否存在连接关系，若是，执行步骤5，否则，执行步骤6。
步骤5，将拓扑矩阵中每列元素对应的编码消息所属发射端与其他编码消息对应接收端不存在连接关系的元素值赋为0；
根据步骤4的判断结果，将步骤3构建的拓扑矩阵中每列元素对应的编码消息所属发射端，与其他编码消息对应接收端不存在连接关系的元素值赋为0，得到图3所示的拓扑图。
步骤6，构建联盟块集合。
参照图5和实施例，对构建联盟块集合作进一步的描述。
步骤6.1，遍历以图3所示拓扑矩阵中以拓扑矩阵主对角线元素为主子矩阵主对角线元素的主子矩阵，将主子矩阵中每个单位阵作为该单位阵的联盟块，将所有的联盟块组成当前联盟块集合。
参照图3,由于拓扑矩阵中左上角的虚线框内的主对角元素a1,1，a2,2值都是1，相邻元素a1,2，a2,1值都为0，所以将该单位阵组成一个联盟块。由于从左上角到右下角的第二个虚线框内的元素a3,3与周围元素a2,2，a2,3，a3,2的值全为1，所以将元素a3,3组成一个联盟块。由于右下角的元素a4,4与周围元素a3,3，a3,4，a4,3的值全为1，所以将元素a4,4组成一个联盟块。由当前组成的三个联盟块，组成当前联盟块集合。
步骤6.2，从当前联盟块集合中任意选定一个未被选取过的联盟块，再随机选取一个联盟块，判断所选的两个联盟块是否同时满足更新条件，若是，执行步骤6.3，否则，执行步骤6.4。
所述更新条件是指同时满足以下两个条件的情形：
条件1，未被选取过的联盟块对应单位阵的行元素，与所选另一个联盟块对应单位阵的列元素对应的子矩阵中的元素值全为0；
条件2，未被选取过的联盟块对应单位阵的列元素，与所选另一个联盟块对应单位阵的行元素对应的子矩阵中的元素值全为0；
步骤6.3，将所选两个联盟块对应单位阵的行元素和列元素排列到一起，所选联盟块合并成一个联盟块，当前联盟块集合中联盟块的数量减少，执行步骤6.1。
参照图3，将拓扑矩阵中右下角的虚线框内元素组成联盟块对应单位阵的行元素a4,1排列到左上角的虚线框内元素组成的联盟块对应单位阵的行元素a2,1下面；将右下角的虚线框内元素组成联盟块对应单位阵的行元素a1,4排列到左上角的虚线框内元素组成的联盟块对应单位阵的列元素a1,2后面。由于主对角线元素a1,1，a2,2，a4,4全为1，相邻元素a2,1，a4,1，a1,2，a1,4，a2,4，a4,2全为0，所以将该单位阵组成一个联盟块，得到图4所示拓扑图。
步骤6.4，判断是否选完当前联盟块集合中所有联盟块，若是，则执行步骤7，否则，执行步骤6.2。
步骤7，构建接收端接收信号。
步骤7.1，将每个编码消息通过公式xi＝viwi编码成该编码消息对应的维度为M×1发射信号。其中，xi表示第i个编码消息编码成的发射信号，vi表示第i个编码消息的预编码向量，wi表示第i个编码消息，M表示联盟块集合中联盟块的数量。
步骤7.2，利用
Figure BDA0003660000790000071
公式，计算每个接收端接收的信号。其中yj表示第j个接收端接收到的信号，hi,j表示第i个编码消息所在的发射端到第j个接收端之间的信道系数，该系数为随机选取的复数，zj表示第j个接收端的均值为0，方差为1的高斯白噪声。
步骤8，消除干扰。
步骤8.1，利用uj＝null(<vi,i≠j>)公式，计算每个接收端的解码向量。其中，uj表示第j个接收端的解码向量，null(，)表示取零空间操作，<，>表示将向量组成矩阵。
步骤8.2，将每个接收端的解码向量与接收端接收信号中的干扰信号相乘，消除该接收端信号中的干扰信号。
下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的说明：
1.仿真实验条件：
本发明的仿真实验的硬件平台为：主频为3.5GHz，内存16GB的Inteli7 5930k CPU处理器。本发明的仿真实验的软件平台为：Windows7操作系统和Matlab R2018b仿真软件。
2.仿真内容及其结果分析：
本发明的仿真实验是采用本发明的方法和一个现有技术(基于渐进式干扰对齐的通信与缓存资源联合分配方法)，在接收端数量k∈[1,7]范围内，以每个接收端数量为单位对无线通信网络中的自由度进行仿真，对仿真结果进行记录并描点连线，如图6所示。本发明的仿真实验中的无线通信网络中，每个接收端缓存系数设置为1，每个发射端和接收端均值配置一根天线。
所述现有技术基于渐进式干扰对齐的通信与缓存资源联合分配方法是指：
陶梅霞在其发表的论文“Cache-Aided Interference Management in PartiallyConnected Linear Networks”(IEEE Transactions on Communications,2019,PP(99):1-1)中提出的基于渐进式干扰对齐的通信与缓存资源联合分配方法。
下面结合图6的仿真图对本发明的效果做进一步的描述。图6为在本发明仿真实验中的无线通信网络下，采用本发明的方法与现有技术的方法分别获得的网络自由度仿真图。图6的横坐标表示接收端数量，纵坐标表示网络自由度(Degree of Freedom)。
图6中以星形标示的曲线表示采用现有技术方法的仿真网络自由度曲线，以三角形标示的曲线表示采用本发明方法的仿真网络自由度曲线。
由图6中的两条仿真曲线可以看出，本发明得到的网络总自由度均逼近于现有技术得到的网络总自由度。以上仿真实验结果表明，本发明能够通过有限时隙扩展设计发射端预编码矩阵和接收端解码矩阵，消除无线网络中的干扰，解决了现有技术中，在实际工程应用中无法将干扰对齐技术的时隙扩展到无穷大的问题。

Claims (2)

1.一种基于拓扑干扰对齐的无线网络与缓存资源联合分配方法，其特征在于，在消息传输阶段利用拓扑干扰对齐技术消除网络中的干扰，使用无线网络的拓扑连接信息，通过有限时隙扩展设计发射端预编码矩阵和接收端解码矩阵，该分配方法的步骤包括如下：
步骤1，设置缓存内容：
为无线通信网络中的每个发射端和每个接收端各配置一根天线、一个缓存器；将发射端侧数据中心的每个文件均分为比特大小相等的多个子文件；将每个文件的子文件按从小到大编号，发射端也从小到大编号；按照编号顺序，每个发射端从每个文件的子文件中依次提取多个子文件缓存在缓存器中；
步骤2，生成每个发射端编码消息：
将从每个发射端缓存器的每个子文件中任取Q个子文件进行按位异或，生成该发射端缓存器的编码消息；其中，Q的取值与每个对应的编码消息的多播系数相等；
步骤3，构建拓扑矩阵：
构建一个初始拓扑矩阵，以所有发射端缓存器的编码消息索引为该初始拓扑矩阵中一一对应的行索引和列索引；将初始拓扑矩阵中的所有元素值赋值为1，得到拓扑矩阵；
步骤4，判断拓扑矩阵中每列元素对应的编码消息所属发射端与其他编码消息对应接收端是否存在连接关系，若是，执行步骤5，否则，执行步骤6；
步骤5，将拓扑矩阵中每列元素对应的编码消息所属发射端与其他编码消息对应接收端不存在连接关系的元素值赋为0后执行步骤6；
步骤6，构建联盟块集合：
步骤6.1，遍历拓扑矩阵中以拓扑矩阵主对角线元素为主子矩阵主对角线元素的主子矩阵，将主子矩阵中每个单位阵作为该单位阵的联盟块，将所有的联盟块组成当前联盟块集合；
步骤6.2，从当前联盟块集合中任意选定一个未被选取过的联盟块，再随机选取一个联盟块，判断所选的两个联盟块是否同时满足更新条件，若是，执行步骤6.3，否则，执行步骤6.4；
步骤6.3，将所选的一个联盟块对应单位阵的行元素和列元素分别排列到另一个联盟块的行元素和列元素后执行步骤6.1；
步骤6.4，判断是否选完当前联盟块集合中所有联盟块，若是，则执行步骤7，否则，执行步骤6.2；
步骤7，构建接收端接收信号：
步骤7.1，将每个编码消息通过公式xi＝viwi编码成该编码消息对应的维度为M×1发射信号；其中，xi表示第i个编码消息编码成的发射信号，vi表示第i个编码消息的预编码向量，wi表示第i个编码消息，M表示联盟块集合中联盟块的数量；
步骤7.2，利用
Figure FDA0003660000780000021
公式，计算每个接收端接收的信号；其中yj表示第j个接收端接收到的信号，hi,j表示第i个编码消息所在的发射端到第j个接收端之间的信道系数，该系数为随机选取的复数，zj表示第j个接收端的均值为0，方差为1的高斯白噪声；
步骤8，消除干扰：
步骤8.1，利用uj＝null(<vi,i≠j>)公式，计算每个接收端的解码向量；其中，uj表示第j个接收端的解码向量，null(，)表示取零空间操作，<，>表示将向量组成矩阵；
步骤8.2，将每个接收端的解码向量与接收端接收信号中的干扰信号相乘，消除该接收端信号中的干扰信号。
2.根据权利要求1所述的基于拓扑干扰对齐的无线网络与缓存资源联合分配方法，其特征在于，步骤6.2中所述更新条件是指同时满足以下两个条件的情形：
条件1，未被选取过的联盟块对应单位阵的行元素，与所选另一个联盟块对应单位阵的列元素对应的子矩阵中的元素值全为0；
条件2，未被选取过的联盟块对应单位阵的列元素，与所选另一个联盟块对应单位阵的行元素对应的子矩阵中的元素值全为0。
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