一种基于干扰对齐的低反馈蜂窝网上行协作多点传输方法与流程
本发明涉及一种无线通信技术领域的信息传输方法，具体地说，涉及一种基于干扰对齐的低反馈蜂窝网上行协作多点传输方法。
背景技术：
MIMO技术由于在提升系统容量方面的优越性，在蜂窝通信中得到广泛的运用。然而，在实际的MIMO蜂窝系统中，系统的性能由于受到共道干扰(Co-Channel Interference,CCI)的影响急剧下降。尤其是在小区边缘地带，这一现象尤其明显，由于受到邻小区的干扰，传输容量提升困难，成为制约通信性能的主要原因。为了解决这一问题，在LTE-Advanced中提出了协作多点传输(CoMP,Coordinated Multiple Points)技术，地理位置相互独立分散的多个传输点通过不同的协作方式(如联合处理、协作调度等)为用户服务，达到避免、消除干扰的目的，从而使无线资源使用效率大幅度提高，进一步提升了小区边缘用户的性能。
干扰对齐(Interference Alignment,IA)思想是一种用于多用户系统的干扰抑制技术，它结合了发送端的预编码(波束成型)和接收端的干扰抑制。从信号空间的角度来说，通过对所有参与协同的用户进行协同设计，在任意的一个接收端，来自非期望发端的干扰信号被控制在一个子空间内，即所谓的“干扰对齐”。这样，通过子空间的正交投影即可把干扰信号完全消除。
干扰对齐作为CoMP的一种实现形式，可以在联合处理(Joint Processing,JP)场景中得到应用。如图1所示，在JP场景下，处于小区边缘的多个用户同时发送业务数据，通过预编码，利用一定的自由度将多小区干扰信号限制在一定的子空间内，而将剩余的无干扰自由度用作数据传输，在基站端只需要通过简单的处理就可以消除多小区干扰。
干扰对齐技术的实现依赖于全局信道状态信息的获得，传统的方法是：由接收端进行信道估计，并将信道估计结果反馈给发射端，由发射端计算预编码矩阵。这种方法需要将所有信道矩阵(共K2个)都反馈给每一个发射端，这一开销在K值较大时无疑将过于沉重。另外，在蜂窝网的上行链路，如果由发射端，即用户终端计算预编码矩阵，也会对计算能力较弱的终端设备带来不小的压力。
本发明针对蜂窝网边缘用户上行链路场景，提出一种基于干扰对齐的低反馈协作多点传输方法。由接收端的基站计算预编码矩阵，并参考预先设置好的码本对预编码矩阵进行编码，仅需要向发射端反馈码本序号，从而大幅降低反馈开销，使反馈开销的数量级将从O(K2M2)降到O(KM)。
技术实现要素：
本发明的目的为解决蜂窝网络小区边缘因干扰导致容量受限问题，针对现有技术方案的不足，为无线蜂窝网络小区边缘用户提供一种基于干扰对齐技术的上行低反馈开销协作多点传输方法，该方法可以有效解决因小区间干扰带来的容量受限问题，提升小区边缘用户传输性能，相对于现有方法，该方法还具有信令开销低的优点。
本发明所采取的技术方案为：
一种基于干扰对齐的低反馈蜂窝网上行协作多点传输方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤1：主基站生成标准预编码矩阵的量化码本，并通过基站间的通信链路发送给其他每个基站，每个基站通过下行链路将标准预编码矩阵的量化码本分别下发到各自通信区域内的每个用户终端；所述的主基站为所有基站中任选一个；
步骤2：每个用户终端以时分的方式分别向各自对应的基站发射导频序列；
步骤3：每个基站通过测量每个用户终端发送的导频序列进行信道估计，得到每个用户终端到基站的信道转移矩阵，每个基站将估计得到的信道转移矩阵通过基站间的通信链路发送给主基站；
步骤4：主基站根据每个基站估计得到的信道转移矩阵，依据干扰对齐预编码算法分别计算每个用户终端的预编码矩阵和每个基站的干扰抑制矩阵；
步骤5：主基站根据标准预编码矩阵的量化码本对每个用户终端的预编码矩阵进行量化，找到对应的标准预编码矩阵，将标准预编码矩阵的码本序号进行编码后以时分的方式分别发送到每个用户终端，并将每个基站的干扰抑制矩阵通过基站间的通信链路分别发送给对应的基站；
步骤6：每个用户终端根码本序号从标准预编码矩阵的量化码本中找出标准预编码矩阵，根据标准预编码矩阵对要发送的数据进行编码，将编码后的数据同时同频传输给各自对应的基站；
步骤7：每个基站根据干扰抑制矩阵对接收到的数据进行均衡。
其中，步骤5中主基站根据标准预编码矩阵的量化码本对每个用户终端的预编码矩阵进行量化，找到对应的标准预编码矩阵，将标准预编码矩阵的码本序号进行编码后以时分的方式分别发送到每个用户终端，具体包括以下步骤：
(501)采用最小弦距离准则选取标准预编码矩阵进行量化，即
其中弦距离的定义为
式中，Vk为用户终端的预编码矩阵，Cm为标准预编码矩阵的量化码本，Nf量化码本的量化比特数；
(502)基站将标准预编码矩阵对应的码本序号m进行二进制编码，将编码后的码本序号以时分的方式分别发送到每个用户终端。
本发明与现有技术相比，所取得的有益效果为：
本发明提出了一种基于干扰对齐的低反馈蜂窝网上行协作多点传输方法。通过基站间的协作处理实现多用户同时传输数据，从而提升了蜂窝网络边缘用户系统容量。通过将反馈全信道状态信息改为反馈量化编码后的预编码矩阵，使反馈开销的数量级将从O(K2M2)降到O(KM)，大幅度降低了反馈需要的开销。
附图说明
图1为本发明蜂窝小区中的多点协作通信场景示意图；
图2为本发明的方法流程图；
图3为本发明的帧结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，但本发明的保护范围不限于下述实施例子。
实施例中，以一个3小区3用户的蜂窝移动通信上行传输为例子，如图1。3个用户位于3个小区边缘交叉覆盖区域，其与基站的对应关系为：用户1与基站1通信，用户2与基站2通信，用户3与基站3通信；所有基站及用户均配置2根天线；传输带宽1Mhz；采用自适应调制编码技术，调制方式有5种，分别为BPSK、QPSK、16-QAM、64-QAM、256-QAM，信道编码采用卷积码，编码方式有5种，分别为1/2码率、2/3码率、3/4码率、5/6码率和7/8码率，根据接收端的SINR自适应地选取最优的调制编码方式(一共有25种调制编码方式组合)。本发明也适用于蜂窝移动通信基站数及用户数不等于3、每个终端配置天线数大于2以及采用其他调制编码方式的情况。
基于干扰对齐技术的蜂窝小区多点协作通信过程如下：如图2，
步骤1：主基站生成标准预编码矩阵的量化码本，并通过基站间的通信链路发送给其他每个基站，每个基站通过下行链路将标准预编码矩阵的量化码本分别下发到各自通信区域内的每个用户终端；所述的主基站为所有基站中任选一个；
实施例中，发射天线数为MT，数据流数为d，信噪比为SNR，码本的量化比特数应为Nf＝d(MT-d)·logSNR，可以将量化误差所带来的干扰泄漏将控制在O(1)的水平，即不会对自由度造成任何影响。基站采用随机量化的方式预先生成量化码本，量化码本由个酉阵组成：
步骤2：每个用户终端以时分的方式分别向各自对应的基站发射导频序列；
实施例中，用户1、用户2、用户3依次时分的方式发送导频序列。在实际使用中，也可以按照基站的调度顺序发送导频序列。为消除空间干扰，能够有效区分各收发支路的信息，各个发送天线的导频应互相正交。导频序列采用具有良好循环正交性的Chu序列。其形式为：
其中k＝0,1,...,Np-1，Np是导频序列长度，M为Np的互质数。本实施例中选取Np＝25，对于同一个用户的2根发射天线，采用同一个Chu序列并进行12位循环移位以保证2天线之间的正交。
步骤3：每个基站通过测量每个用户终端发送的导频序列进行信道估计，得到每个用户终端到基站的信道转移矩阵，每个基站将估计得到的信道转移矩阵通过基站间的通信链路发送给主基站；
实施例中，基站在空闲时隙(图3)估计出用户终端到基站的上行链路信道转移矩阵。记Xi为用户终端i发送的信号矢量，Yj为基站j接收到的信号矢量，Hji为用户终端i到基站j的信道转移矩阵，采用最小二乘LS算法可以得到信道转移矩阵的估计值
本发明也适用于其他信道估计算法，如最小均方误差估计MMSE算法等。
步骤4：主基站根据每个基站估计得到的信道转移矩阵，依据干扰对齐预编码算法分别计算每个用户终端的预编码矩阵和每个基站的干扰抑制矩阵；
本实施例中，基站采用最小干扰泄露干扰对齐算法计算发射端的预编码矩阵和接收端的干扰抑制矩阵。最小干扰泄露干扰对齐算法是一种分布式迭代算法，其实现的具体过程是：
1、初始化发送端预编码矩阵Vk，满足Pk为发射功率；
2、计算每个接收端k的干扰协方差矩阵Qk：
3、计算每个接收端的干扰抑制矩阵Uk：
其中，表示矩阵A最小的d个特征值所对应的特征向量；
4、反向信道，令反向信道预编码矩阵
5、计算反向信道的干扰协方差矩阵
6、计算反向信道的干扰抑制矩阵(即正向发送端的预编码矩阵)
7、计算干扰泄露值Ik和反向信道干扰泄露值
其中，Tr[A]表示矩阵A的迹。
8、以ε表示迭代收敛门限，当满足时，迭代结束；否则转入步骤3。
本实施例中，迭代收敛门限ε＝10-8。本实施例采用最小干扰泄露干扰对齐算法，本发明也适用于如经典算法、最大信干噪比算法等其他干扰对齐算法。
步骤5：主基站根据标准预编码矩阵的量化码本对每个用户终端的预编码矩阵进行量化，找到对应的标准预编码矩阵，将标准预编码矩阵的码本序号进行编码后以时分的方式分别发送到每个用户终端，并将每个基站的干扰抑制矩阵通过基站间的通信链路分别发送给对应的基站；
本实施例中，基站参考步骤1中生成的码本对步骤4中计算得到的预编码矩阵Vk进行量化编码。
(501)采用最小弦距离准则选取标准预编码矩阵进行量化，即
其中弦距离的定义为
式中，Vk为用户终端的预编码矩阵，Cm为标准预编码矩阵的量化码本，Nf量化码本的量化比特数；
(502)基站将标准预编码矩阵对应的码本序号m进行二进制编码，将编码后的码本序号以时分的方式分别发送到每个用户终端。
步骤6：每个用户终端根码本序号从标准预编码矩阵的量化码本中找出标准预编码矩阵，根据标准预编码矩阵对要发送的数据进行编码，将编码后的数据同时同频传输给各自对应的基站；
本实施例中，用户终端收到预编码矩阵的量化编码序号m后，查找码本找到对应的量化预编码矩阵
用户终端根据对待发送的数据Xk进行预编码，编码后的信号为
3个用户终端将编码后的信号同时发送，实现基于干扰对齐技术的信息传输。
步骤7：基站根据干扰抑制矩阵对接收到的数据进行均衡，完成信号的接收。
本实施例中，各用户终端对应的基站根据各自干扰抑制矩阵，实现对信号的接收恢复。
在第i个基站接收到的信号为
其中，为期望接收到的信号，为来自其他用户终端的干扰信号，Ni为噪声。对接收信号乘以干扰抑制矩阵Ui，得到期望信号Xi的恢复值
按照最小干扰泄露算法，预编码矩阵和均衡矩阵满足如下条件
其中，rank(A)表示矩阵A的秩。因此如果信道估计理想且不考虑量化误差的情况下，信号可以得到恢复。考虑到量化误差的存在，即
其中，σV为量化误差，则因为量化误差带来的总误差为
由于量化比特数满足Nf＝d(MT-d)·logSNR，因此量化误差在O(1)的水平，可以做噪声处理，不会带来自由度的损失。基站i接收到了期望信号Xi，实现了多个用户终端的同时发送和接收，避免了用户间干扰对通信的影响。
完成低反馈开销的协作多点干扰对齐传输。
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