MIMO干扰广播信道的拓扑干扰对齐方法与流程

本发明属于通信技术领域，涉及一种拓扑干扰对齐方法，具体涉及一种MIMO干扰广播信道的拓扑干扰对齐方法，可用于多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC系统。

背景技术：

在无线通信系统中，由于信号传播环境的复杂性，如何克服多径衰落，阴影效应等因素，从而有效地提升无线系统的传输速率和频谱利用率，是无线通信技术的研究和发展所要解决的一个关键问题。多输入多输出MIMO技术的提出，为解决这些问题提供了全新的思路，其作为一种有效提升系统传输速率和频谱利用率的技术，成为了无线通信的研究热点。

随着无线通信技术的进一步发展，无线通信信道的种类也越来越多样化，其中由一个基站服务本小区内多个用户的干扰广播信道IBC因其基站数和小区内用户数的配置灵活性而得到了广泛应用。然而随着通信技术的发展以及更高的系统传输速率要求，基站数，小区内用户数以及天线配置数的迅速增长使得多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC系统的干扰问题更为突出。因此，高性能的干扰管理技术研究在当前以及未来的无线通信中都将扮演相当重要的角色。

干扰对齐作为一种有效的干扰管理技术最初由美国加州大学的Jafar教授提出，它的思想是将接收端的接收空间划分为期望信号子空间和干扰子空间两个部分，通过联合设计预编码和解码的技术使得干扰对齐到接收端的干扰子空间中，从而减少干扰对期望信号的影响，并且压缩干扰子空间所占的维度，使其达到提高系统传输速率和频谱利用率的目的。

针对时变信道系数的K个用户单输入单输出干扰信道SISO IC，Jafar教授从理论上证明，运用干扰对齐技术可以使得该系统达到K/2个自由度。这是无线通信领域中关于干扰网络系统可达速率研究的一个重大突破。接下来，针对时变信道参数的K用户多输入多输出干扰信道MIMO IC，每个发射端和接收端分别配置M和N根天线，Jafar教授证明，通过渐近式干扰对齐技术，当K≤R时，系统总的自由度是min(M,N)K；当K＞R时，系统总的自由度是其中R＝max(M,N)/min(M,N)。之后的研究，又将渐近式干扰对齐技术运用到了多输入多输出MIMO X网络中，并且对其网络可达自由度的研究产生了重要的影响。

然而，渐近式干扰对齐技术因其需要无限的时延扩展，使得其仅具有很强的理论指导意义而并不契合实际。因此，基于有限时延扩展的线性干扰对齐技术逐步成为了干扰对齐技术的研究热点。线性干扰对齐技术被运用到了蜂窝网络中，针对多小区干扰多址接入信道IMAC，一种子空间干扰对齐方法被美国斯坦福大学的David Tse教授提出，该方法能够将干扰信号对齐到一个多维度的干扰子空间中，随后这种子空间干扰对齐方法被推广到了多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC，并且带来了明显的系统增益。此外，对于干扰多址接入信道IMAC，通过一种普适的零空间线性干扰对齐算法可以求得系统的最优可达自由度。除过针对这些特定系统与场景的干扰对齐算法，对于线性干扰对齐技术可行性的研究分析也引起了广泛关注。

以上基于干扰对齐算法的研究成果对于无线通信系统速率限制方面取得了重大突破，但是其研究前提均是完整的信道状态信息CSI，然而在实际的通信场景中，由于系统时延，信道时延等原因，获取完整的信道状态信息并不切合实际。因此，基于非完整信道状态信息的干扰对齐技术逐步成为了研究热点，例如，基于混合CSI，延时CSI，具有相干模式的CSI和可替换的CSI等。除此之外，针对时不变信道，Jafar教授又创造性地提出了拓扑干扰对齐技术，该技术仅仅是在区分点到点的单跳链路的干扰功率强弱的前提下，设计具体的干扰对齐方案，并且通过将该场景下的拓扑干扰对齐问题转化为索引编码问题进行分析解决的方法，证明了针对单输入单输出干扰信道SISO IC和对称的多输入多输出干扰信道MIMO IC，拓扑干扰对齐技术能够使其达到其系统自由度的理论上界。

基于Jafar教授分析的拓扑干扰对齐与索引编码之间的联系，美国加州理工大学的Hass ibi教授针对时不变单输出单输出干扰信道SISO IC的拓扑干扰对齐问题，又进一步将其转化成为矩阵填充问题，并且分析了系统能够达到的最优自由度。与此同时，拓扑干扰对齐问题与索引编码以及矩阵填充问题三者之间的紧密联系也被深入地挖掘和讨论。针对一种特定的时不变单输入多输出干扰信道SIMO IC，Jafar提出了空间分解的拓扑干扰对齐技术，从而使其达到了系统的最优可达自由度，然而由于研究模型的特定性，该拓扑干扰对齐方法不具有推广性。针对一般配置的时不变多输入多输出干扰信道MIMO IC，一种通过联合设计预编码和解码矩阵的对齐方案能够使得其达到拓扑干扰对齐的目的，该方案对于时不变多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC的拓扑干扰对齐具有一定的指导意义，但是由于系统模型的差异性而难于推广。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，针对时不变信道，提出了一种MIMO干扰广播信道的拓扑干扰对齐方法，用以解决现有技术无法实现普适的多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC的拓扑干扰对齐的技术问题。

本发明的技术思路是：通过虚拟基站扩展，将多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC的部分连接模型转化为多输入多输出干扰信道的MIMO IC的部分连接模型，然后将多输入多输出干扰信道MIMO IC的部分连接模型映射至与其具有相同网络拓扑信息的的单输入单输出干扰信道SISO IC的部分连接模型，基于单输入单输出干扰信道SISO IC的拓扑干扰对齐解来设计多输入多输出干扰信道MIMO IC的拓扑干扰对齐解，最后为多输入多输出广播信道MIMO IBC分配预编码矩阵和解码矩阵，并结合时延扩展和转置的信号处理技术消除小区间干扰，小区内干扰则采用设计预处理矩阵的方案来消除，从而完成拓扑干扰对齐目的。

根据最终转化成的单输入单输出干扰信道SISO IC的拓扑干扰对齐解，设计通过虚拟基站扩展转化而来的多输入多输出干扰信道MIMO IC的拓扑干扰对齐解，进一步为原始的多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC分配预编码矩阵和解码矩阵，并结合时延扩展和转置的信号处理技术，使其达到干扰对齐的效果，分析通过拓扑干扰对齐技术能够使得该系统所能达到的自由度。其实现方案包括如下：

1)系统设置:

设多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC系统有L个小区，每个小区包含一个基站和若干个用户，第i个小区MS i中服务本小区K_i个用户的基站为BS i，该小区中第j个用户表示为MS[i,j]，i∈{1,2,...,L},j∈{1,2,...,K_i}，基站BS i配置的天线数为M_i，用户MS[i,j]配置的天线数为N_ij，小区MS i配置的天线数目为N_i，设置M_i≥N_i，当M_i<N_i时，关闭(N_i-M_i)根接收天线即可得到M_i≥N_i；

2)利用多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC的拓扑信息，构建多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC的部分连接模型；

3)对构建的多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC部分连接模型中每个小区进行虚拟基站扩展，即假设每个小区的基站数量与该小区服务的用户数量相等，并对扩展的基站添加强干扰链路连接，得到多输入多输出干扰信道MIMO IC的部分连接模型；

4)根据多输入多输出干扰信道MIMO IC的部分连接模型，联合设计该模型满足拓扑干扰对齐条件的预编码矩阵和解码矩阵实现步骤为：

4a)将多输入多输出干扰信道MIMO IC的部分连接模型中的每个节点视作单天线节点，得到单输入单输出干扰信道SISO IC的部分连接模型，并求解得到的模型满足拓扑干扰对齐条件的预编码矩阵和解码矩阵

4b)利用预编码矩阵和解码矩阵设计多输入多输出干扰信道MIMO IC满足拓扑干扰对齐条件的预编码矩阵和解码矩阵

5)利用预编码矩阵和解码矩阵设计多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC的预编码矩阵V_i和解码矩阵u_ij，并利用预编码矩阵V_i和解码矩阵u_ij对小区间的干扰进行消除，得到用户端MS[i,j]处的转置接收信号向量l_ij，实现步骤为：

5a)根据多输入多输出干扰信道MIMO IC满足拓扑干扰对齐的预编码矩阵和解码矩阵为多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC系统分配预编码矩阵V_i和解码矩阵u_ij：

5b)构建基站BSi处维度为(N_ie×e)的发射信号块

5c)利用基站BS i的发射信号块以及预编码矩阵V_i，构建基站BSi的发射信号矩阵X_i，发射信号矩阵X_i经过信道作用后到达用户端MS[i,j]，得到用户端MS[i,j]的接收信号矩阵Y_ij；

5d)对用户端MS[i,j]接收到的信号矩阵Y_ij进行转置,得到转置后的接收信号矩阵并利用解码矩阵u_ij对该转置后的接收信号矩阵进行解码，得到用户端MS[i,j]处的转置接收信号向量l_ij；

6)对转置接收信号l_ij进行再转置，得到再转置后的接收信号再将小区MS i内所有用户的再转置接收信号进行累加，得到混合接收信号得到混合接收信号设计用于消除小区内干扰的预处理矩阵G_i，并将其代入小区MS i的混合接收信号得到无干扰的接收信号。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明在消除多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC系统的小区间干扰时，采用虚拟基站扩展的方法将MIMO IBC部分连接模型转化为MIMO IC的部分连接模型，然后基于MIMO IC系统满足拓扑干扰对齐条件的预编码矩阵和解码矩阵，设计MIMO IBC的预编码矩阵和解码矩阵，并结合时延扩展和转置的信号处理技术，实现了MIMO IBC系统中小区间干扰的消除。

2.本发明利用虚拟基站扩展联合设计多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC的预编码矩阵和解码矩阵，并结合时延扩展和转置的信号处理技术来消除小区间干扰，再采用基站端迫零技术消除小区内干扰，从而实现了MIMO IBC系统的拓扑干扰对齐，与现有技术相比，能够分析出给定网络拓扑信息的MIMO IBC系统可达自由度的下界

附图说明

图1是本发明的实现流程框图；

图2为本发明使用的MIMO IBC系统的结构示意图；

图3是本发明使用的MIMO IBC系统的部分连接模型结构示意图；

图4是本发明将图3中MIMO IBC系统的部分连接模型转化成的MIMO IC系统的部分连接模型示意图；

图5是使用本发明和现有技术对MIMO IBC系统在基站天线数给定的情况下进行干扰管理的MIMO IBC部分连接模型示意图；

图6是使用本发明和现有技术对图5中的MIMO IBC系统的部分连接模型在基站天线数给定的情况下进行干扰管理后每用户每时隙所能达到的自由度仿真对比图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的技术方案和效果作进一步详细描述。

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1.系统设置。

如图2所示，设多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC系统有L个小区，每个小区包含一个基站和若干个用户，第i个小区MS i中服务本小区K_i个用户的基站为BS i，该小区中第j个用户表示为MS[i,j]，i∈{1,2,...,L},j∈{1,2,...,K_i}，基站BS i配置的天线数为M_i，用户MS[i,j]配置的天线数为N_ij，小区MS i配置的天线数目为N_i，设置M_i≥N_i，当M_i<N_i时，关闭(N_i-M_i)根接收天线即可得到M_i≥N_i，图2中实线表示期望信号的传输，虚线表示干扰信号的传输。

步骤2.利用多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC的拓扑信息，构建多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC的部分连接模型。

首先对一个基站端BSm上所有天线到另一个小区中用户端MS[i,j]上所有天线的干扰信号功率进行集成，得到该条干扰链路的干扰功率，m≠i,m∈{1,2,...,L}；然后将每个用户端接收到的来自多个干扰链路的干扰功率之和P小于系统给定的干扰门限η的干扰链路均置为0，并忽略这些干扰链路，其余的干扰链路置为1，得到MIMO IBC的部分连接模型，如图3所示，除忽略掉的置0干扰链路外，其余结构均和图2一致。

步骤3.对构建的多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC部分连接模型中每个小区进行虚拟基站扩展，即假设每个小区的基站数量与该小区服务的用户数量相等，并对扩展的基站添加强干扰链路连接，得到多输入多输出干扰信道MIMO IC的部分连接模型。

首先将多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC的部分连接模型中每个小区内的基站数目扩展至和该小区内的服务用户数相等，然后在扩展后的部分连接模型中，给第i个小区内的第j个基站BS[i,j]配置与扩展前的基站BS i相同的发射天线数目M_i，最后给扩展的基站添加强干扰链路连接：对多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC部分连接模型中存在强干扰链路连接的基站BS m和用户MS[i,j]对应的多输入多输出干扰信道MIMO IC部分连接模型中的基站BS[i,j]和用户MS[i,j]之间添加强干扰链路连接，n∈{1,2,...,K_m}，得到多输入多输出干扰信道MIMO IC的部分连接模型，其结构如图4所示，除新增的基站以及添加的强干扰链路连接外，其余结构均与图3一致。

步骤4.根据多输入多输出干扰信道MIMO IC的部分连接模型，联合设计该模型满足拓扑干扰对齐条件的预编码矩阵和解码矩阵其获取步骤为：

4a)将多输入多输出干扰信道MIMO IC的部分连接模型中的每个节点视作单天线节点，得到单输入单输出干扰信道SISO IC的部分连接模型，并求解得到的模型满足拓扑干扰对齐条件的预编码矩阵和解码矩阵按如下步骤进行：

4a1)将多输入多输出干扰信道MIMO IC的部分连接模型中的每个节点视作单天线节点，得到单输入单输出干扰信道SISO IC的部分连接模型，并根据得到的模型构建单输入单输出干扰信道SISO IC索引编码矩阵A的矩阵填充模型：

其中，表示索引编码矩阵A中第行第列的元素，表示强干扰收发对的集合，([m,n],[i,j])表示在虚拟基站扩展后的多输入多输出干扰信道MIMO IC的部分连接模型中，从基站BS[m,n]到用户MS[i,j]之间的强干扰链路，×表示需要进行填充的元素；

4a2)运用交替投影算法对矩阵填充模型中需要进行填充的元素×进行填充,得到填充后的索引编码矩阵A以及A的秩e，实现步骤为：

4a21)设交替投影算法的起始随机矩阵为A^m；

4a22)对A^m进行投影，得到矩阵A^m的一个秩为e的最佳近似矩阵：B^m＝svds(A^m,e),其中，svds(,)表示截断奇异值分解；

4a23)对B^m进行投影，得到填充矩阵A^m+1：

其中,S^c表示集合S的补集,表示集合S^c中的元素对应的矩阵元素按矩阵Β^m中的对应元素取值,I表示单位矩阵；

4a24)对4a22)和4a23)进行迭代运算，当4a22)中的迭代结果B^m满足：4a23)中的迭代结果A^m+1满足:时，交替投影收敛，得到填充后的索引编码矩阵A以及A的秩e，其中，表示集合S^c中的元素对应的矩阵元素按矩阵B^m中的对应元素取值，表示集合S^c中的元素对应的矩阵元素按矩阵A^m+1中的对应元素取值；

4a3)对索引编码矩阵A进行分解，得到单输入单输出干扰信道SISO IC的预编码矩阵和解码矩阵分解公式为：

其中，U表示将单输入单输出干扰信道SISO IC的预编码矩阵的转置按行累加得到的矩阵，V表示将单输入单输出干扰信道SISO IC的预编码矩阵按列累加得到的矩阵，T表示矩阵转置。

4b)利用预编码矩阵和解码矩阵设计多输入多输出干扰信道MIMO IC满足拓扑干扰对齐条件的预编码矩阵和解码矩阵其实现步骤为：

4b1)利用Kronecker积，对单输入单输出干扰信道SISO IC中基站BS[m,n]处的预编码矩阵进行时延扩展，得到多输入多输出干扰信道MIMO IC中基站BS[m,n]的预编码矩阵其中，的维度为(N_mn×N_mne)，表示阶数为N_mn的单位矩阵；

4b2)设计多输入多输出干扰信道MIMO IC系统中接收端MS[i,j]处的解码矩阵为：

步骤5.利用预编码矩阵和解码矩阵设计多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC的预编码矩阵V_i和解码矩阵u_ij，并利用预编码矩阵V_i和解码矩阵u_ij对小区间的干扰进行消除，得到用户端MS[i,j]处的转置接收信号向量l_ij，其实现步骤为：

5a)根据多输入多输出干扰信道MIMO IC满足拓扑干扰对齐的预编码矩阵和解码矩阵为多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC系统分配预编码矩阵V_i和解码矩阵u_ij，按照如下步骤进行：

5a1)根据多输入多输出干扰信道MIMO IC的预编码矩阵设计多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC基站BS i处维度为(N_i×N_ie)的预编码矩阵V_i：

5a2)根据多输入多输出干扰信道MIMO IC的解码矩阵设计多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC中接收端MS[i,j]处维度为(e×1)的解码矩阵u_ij为：

5b)构建基站BSi处维度为(N_ie×e)的发射信号块其实现步骤为：

5b1)设计维度为(N_ij×1)的发射信号向量其中，G_ij是维度为(N_ij×N_i)的矩阵，它由基站i处的维度为(N_i×N_i)的预处理矩阵G_i中第行到第行元素组成。

5b2)利用发射信号向量设计维度为(N_ije×e)的发射信号子块其中，I_e表示阶数为e的单位矩阵；

5b3)利用发射信号子块构建基站BS i处维度为(N_ie×e)的发射信号块

5c)利用基站BS i的发射信号块以及预编码矩阵V_i，构建基站BS i的发射信号矩阵X_i，并得出经过信道作用后到达用户MS[i,j]处的接收信号矩阵Y_ij，按照如下步骤进行：

5c1)利用基站BS i的发射信号块以及预编码矩阵V_i，构建发射端BSi处的发射信号矩阵X_i为：

5c2)设计二次预处理矩阵F_i，并对发射信号矩阵X_i左乘F_i，得到维度为(M_i×e)的发射信号

其中，是一个(M_i×N_i)维矩阵。

5c3)将经过信道作用后到达接收端MS[i,j]处维度为(N_ij×e)的接收信号矩阵Y_ij表示为：

其中，表示由基站BS m到用户MS[i,j]之间(N_ij×N_m)维的等价信道矩阵，它由(N_ij×M_m)维的信道矩阵的前N_m列构成。

5d)对用户端MS[i,j]接收到的信号矩阵Y_ij进行转置,得到转置后的信号矩阵并利用解码矩阵u_ij对该转置后的接收信号进行解码，得到用户端MS[i,j]处的转置接收信号向量l_ij，其获取步骤为：

5d1)将用户端MS[i,j]处的接收信号矩阵Y_ij进行转置,得到转置后的接收信号矩阵

其中，

5d2)利用解码矩阵u_ij对转置后的接收信号矩阵进行解码，得到接收端i处的转置接收信号向量l_ij：

其中，

步骤6.对转置接收信号l_ij进行再转置，得到再转置后的接收信号再将小区MS i内所有用户的再转置接收信号进行累加，得到混合接收信号利用混合接收信号设计用于消除小区内干扰的预处理矩阵G_i，并将其代入小区MS i的混合接收信号得到无干扰的接收信号。

6a)对转置接收信号l_ij进行再转置，得到再转置后的接收信号

其中，是(N_ij×N_in)维的矩阵，它包括了等效信道矩阵中第行到第行的元素；

6b)将小区MS i内所有用户的再转置接收信号进行累加，得到混合接收信号

其中，表示从基站BS i到小区MSi之间(N_i×N_i)维满秩的等效信道矩阵，其表达式为：

6c)利用混合接收信号设计用于消除小区内干扰的预处理矩阵G_i，并将其代入小区MS i的混合接收信号得到无干扰的接收信号：

以下结合仿真实验对本发明的技术效果进行进一步说明：

1.仿真条件和内容：

设多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC系统含有5个小区，除第3个小区内有2个用户外，其余小区均只有1个用户，根据网络拓扑信息构建其部分连接模型，其结构如图5所示，使用本发明和现有干扰避免技术对图5中的MIMO IBC系统在所有基站配置的天线数分别为：5,10,15,20,25的情况下进行干扰管理，将每用户每时隙所能达到的自由度进行仿真对比，其结果如图6所示。

2.仿真结果分析：

如图6所示，横坐标表示基站配置天线数，纵坐标表示每用户每时隙所能达到的自由度，参照图6的仿真结果可以得出，在基站配置天线数分别为5,10,15,20,25的条件下，本发明使得系统中每用户每时隙的可达自由度远高于使用干扰避免方法时系统中每用户每时隙的可达自由度。