有完美匹配的MIMO协作拓扑干扰对齐方法与流程

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信技术领域中的一种多输入 多输出天线MIMO(multiple input multiple output)干扰信道中协作拓扑干扰对齐 方法。本发明可用于有完美匹配的多输入多输出MIMO的干扰信道中，在仅知 道发送端与接收端网络拓扑的前提下，通过多个发送端之间信息共享的相互协 作，结合一定的信号处理手段，达到干扰对齐的目的。

背景技术：

针对干扰信道，拓扑干扰对齐方法除了在发送端和接收端知道信道网络拓扑 信息外，在发送端不知道任何信道状态信息(CSI)，却能达到与传统的干扰对齐 方法同样的效果，更加适应于实际场景的应用要求，成为近些年来干扰对齐领域 的热点。

西安电子科技大学在其申请的发明专利文献“MIMO干扰信道拓扑干扰对齐 方法”(公开号：105871434A，申请号：201610187896.8)中公开了一种MIMO 干扰信道拓扑干扰对齐方法。该方法的具体步骤为：利用SISO干扰信道的部分 连接模型分别求解SISO干扰信道系统中满足干扰对齐条件的预编码向量和解码 向量，进而解出MIMO干扰信道满足干扰对齐条件的预编码矩阵和解码矩阵，再 通过对MIMO干扰信道系统中的发送信号进行时延扩展和预编码，并对接收信号 进行转置和解码，达到干扰对齐的目的。该方法虽然能在MIMO干扰信道实现拓 扑干扰对齐的目的，但仍然存在不足之处，在发送端的选择方面，它存在固定的 选取范围，并且只用到了MIMO系统中每个收发节点对中最小的天线数，而对于 收发节点中多余的天线数并未有效利用，系统性能还可以进行优化提高。

Jafar教授在其发表的论文“Topological interference management through index coding”(“IEEE Transactions on Information Theory”2014， 60(1)：529-568)提出了建立起了拓扑干扰管理与对应的索引编码问题之间的联 系的方法。该方法详细讲述了针对SISO系统和对称MIMO系统，通过解决索引 编码问题得到对应的拓扑干扰管理问题的结果，并给出了系统的可达对称自由 度。但是，该方案仍然存在不足，针对SISO系统与对称MIMO系统，通过把相 应的拓扑干扰对齐问题转化成对应的索引编码并进行解决，对于非对称的一般 MIMO系统并没有进行涉及，性能上还可以更优。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述存在的问题，提出一种有完美匹配的MIMO协作 拓扑干扰对齐方法，以解决现有拓扑干扰对齐方法发送端选取固定且单一，天线 利用率不高以及现有协作拓扑干扰对齐方法只能针对SISO系统与特殊MIMO系统 的条件限制，并提高系统的传输速率。

本发明的技术思路是：有完美匹配时，基于多个发送端之间信息共享的相互 协作，通过联合设计对于多输入多输出干扰信道的传输预编码矩阵与接收波束成 形矩阵，结合一定的信号处理手段，达到干扰对齐的目的。

为实现上述目的，本发明的主要步骤如下：

(1)设置系统参数：

将多输入多输出MIMO干扰信道系统中的每个发送端配置Mi根天线，每个接 收端配置Nj根天线，其中，发送端与接收端的数目相等且Mi,Nj≥2，i表示发 送端的序号，j表示接收端的序号，i,j∈{1,2...,K}，∈表示属于符号，K表示发 送端与接收端的数目，K的值为偶数；

(2)构建多输入多输出MIMO干扰信道的部分连接模型：

将P≥η时的干扰链路设置为1，将P＜η时的干扰链路设置为0，忽略置0 干扰链路对系统传输的影响，得到有发送端与接收端之间的连接关系拓扑信息的 MIMO干扰信道的部分连接模型；其中，P表示来自多个干扰链路的干扰功率之 和，η表示根据MIMO干扰信道的传输要求设置的干扰门限；

(3)判断每个多输入多输出MIMO干扰信道系统中的发送端发送的当前期望 信息是否满足对齐可行条件，若是，则执行步骤(4)，否则，执行步骤(11)；

(4)绘制对齐可行图：

以每个满足对齐可行条件的期望信息作为顶点，任意两个满足对齐可行条件 的期望信息之间的对齐可行关系作为边，绘制对齐可行图；

(5)判断对齐可行图中的顶点与边的关系是否满足完美匹配条件，若是，则 执行步骤(6)，否则，执行步骤(11)；

(6)确定有完美匹配时的多输入多输出MIMO干扰信道系统中有效发送端；

(7)有完美匹配时，以信息共享的形式，构建多输入多输出MIMO干扰信道 系统中每个发送端的发送数据向量如下：

其中，si表示第i个发送端的发送数据向量，<·>表示按列累加操作，表示 第j个接收端期望接收到的数据向量，H表示共轭转置操作，表示所有与第i 个发送端有连接关系的接收端序号的集合；

(8)获得有完美匹配时多输入多输出MIMO干扰信道系统中每个发送端的发 送信号向量：

(8a)按照下式，设计多输入多输出MIMO干扰信道系统中每个发送端的传 输预编码矩阵：

其中，Di表示多输入多输出MIMO干扰信道系统中第i个发送端的传输预编 码矩阵，vi表示单输入单输出干扰信道的拓扑干扰对齐中多输入多输出MIMO干 扰信道系统中第i个发送端的预编码向量，表示克罗内克积操作，表示阶 数为的单位矩阵，表示多输入多输出MIMO干扰信道系统中第j个接收端 期望数据向量的有效发送端的天线总数；

(8b)对多输入多输出MIMO干扰信道系统中发送端的发送数据向量利用传 输预编码矩阵进行编码处理，得到多输入多输出MIMO干扰信道系统中每个发送 端的发送信号向量；

(9)获得有完美匹配时的多输入多输出MIMO干扰信道系统中每个接收端 接收到的信号向量：

(9a)按照下式，获得多输入多输出MIMO干扰信道系统中每个发送端与接 收端之间的信道矩阵：

其中，表示多输入多输出MIMO干扰信道系统中第i个发送端到第j个接 收端之间对角线上全为信道系数矩阵Hji的信道矩阵，IF表示阶数等于扩展系数 F的单位矩阵，该扩展系数F由发送信号向量的传输时隙确定，Hji表示多输入 多输出MIMO干扰信道系统中第i个发送端与第j个接收端之间的信道系数矩阵， 维度为Nj×Mi；

(9b)将多输入多输出MIMO干扰信道系统中每个发送端的发送信号向量与 信道矩阵相乘，得到多输入多输出MIMO干扰信道系统中每个接收端接收到的信 号向量；

(10)有完美匹配时，对接收到的多输入多输出MIMO干扰信道系统中信号向 量进行解码：

(10a)在有完美匹配时，对多输入多输出MIMO干扰信道系统中每个接收端， 用干扰消除向量和空间保持矩阵的克罗内克积的形式，设计对应的接收波束成形 矩阵；

(10b)用接收波束成形矩阵分别与多输入多输出MIMO干扰信道系统中接收 到的信号向量相乘，得到解码处理后的多输入多输出MIMO干扰信道系统中每个接 收端的无干扰信号向量；

(11)结束有完美匹配的MIMO协作拓扑干扰对齐。

本发明与现有的技术相比，具有以下优点：

第一，本发明通过绘制对齐可行图以及判断对齐可行图中的顶点与边的关系是 否满足完美匹配条件，确定有完美匹配时的多输入多输出MIMO干扰信道系统中有 效发送端，并以信息共享的形式，构建每个发送端的发送数据向量，实现多个发送 端相互协作共同发送期望信号，克服了现有技术发送端的选择固定且单一以及只使 用MIMO系统中每个收发节点对中最小的天线数，而对于多余的天线数并未有效利用 的局限性，使得本发明增加了发送端的选择机会，提高了拓扑干扰对齐技术的系统 性能。

第二，本发明在有完美匹配时，通过在发送端和接收端分别设计传输预编码矩 阵与接收波束成形矩阵，结合多输入多输出天线的性质，实现任意天线配置的多输 入多输出干扰信道的协作拓扑干扰对齐，克服了现有技术只能针对对称MIMO系统 的条件限制，使得本发明提高系统的传输速率。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明构建的多输入多输出MIMO干扰信道的部分连接模型的示意图；

图3为本发明的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照附图1，本发明的具体实施步骤如下：

步骤1，设置系统参数。

将多输入多输出MIMO干扰信道系统中的每个发送端配置Mi根天线，每个接 收端配置Nj根天线，其中，发送端与接收端的数目相等且Mi,Nj≥2，i表示发 送端的序号，j表示接收端的序号，i,j∈{1,2...,K}，∈表示属于符号，K表示发 送端与接收端的数目，K的值为偶数。

步骤2，构建多输入多输出MIMO干扰信道的部分连接模型。

参照附图2，对构建多输入多输出MIMO干扰信道的部分连接模型的具体过 程描述如下。图2中的Tx i表示多输入多输出MIMO干扰信道中的第i个发送端， Rx j表示多输入多输出MIMO干扰信道中的第j个接收端，Mi表示第i个发送端 的天线数，Nj表示第j个接收端的天线数。

将P≥η时的干扰链路设置为1，将P＜η时的干扰链路设置为0，忽略置0 干扰链路对系统传输的影响，得到有发送端与接收端之间的连接关系的拓扑信息 MIMO干扰信道的部分连接模型；其中，P表示来自多个干扰链路的干扰功率之 和，η表示根据MIMO干扰信道的传输要求设置的干扰门限。

步骤3，判断发送端发送的当前期望信息是否满足对齐可行条件，若是，则 执行步骤4，否则，执行步骤9，其中，对齐可行条件是指同时满足和 两个条件，表示与多输入多输出MIMO干扰信道系统中第j个接收端 有强链路连接的所有发送端序号的集合，表示与多输入多输出MIMO干扰信 道系统中第j+1个接收端有强链路连接的所有发送端序号的集合，表示不包含 符号。

步骤4，绘制对齐可行图。

以每个满足对齐可行条件的期望信息作为顶点，任意两个满足对齐可行条件 的期望信息之间的对齐可行关系作为边，绘制对齐可行图。

步骤5，判断对齐可行图中的顶点与边的关系是否满足完美匹配条件，若是， 则执行步骤6，否则，执行步骤11，其中，完美匹配条件是指同时满足以下2个 条件的情形：

条件1，对齐可行图中所有顶点都使用到；

条件2，对齐可行图中任意两条边不使用相同的顶点。

步骤6，确定有完美匹配时的多输入多输出MIMO干扰信道系统中有效发送 端。

完美匹配中的同一条边两端的顶点是对齐可行的，且对齐可行的期望信息沿 着同一个预编码矩阵张成子空间传输，对齐可行期望信息来自于不同且不产生相 互干扰的发送端，从完美匹配中提取所有的与对齐可行的期望信息对应的多输入 多输出MIMO干扰信道系统中发送端。

第1步，按照下式，遍历完美匹配中所有顶点，找到多输入多输出MIMO干扰 信道系统中每个接收端期望信息的发送端：

和

其中，tj表示发送多输入多输出MIMO干扰信道系统中第j个接收端期望信息 的发送端，tj+1表示发送多输入多输出MIMO干扰信道系统中第j+1个接收端期望 信息的发送端，发送端tj和tj+1发送的信息对齐可行，∩表示交集操作，表示 集合的补集。

第2步，取每一对对齐可行信息的两个不同发送端天线数的最小值作为两个 发送端有效天线数，得到第一步中找出的多输入多输出MIMO干扰信道系统中所 有接收端期望信息发送端的有效天线数。

步骤7，有完美匹配时，以信息共享的形式，构建多输入多输出MIMO干扰 信道系统中每个发送端的发送数据向量如下：

其中，si表示多输入多输出MIMO干扰信道系统中第i个发送端的发送数据向 量，<·>表示按列累加操作，表示多输入多输出MIMO干扰信道系统中第j个接 收端期望接收到的数据向量，H表示共轭转置操作，表示所有与多输入多输 出MIMO干扰信道系统中第i个发送端有连接关系的接收端序号的集合。

步骤8，获得有完美匹配时多输入多输出MIMO干扰信道系统中每个发送端 的发送信号向量。

第1步，按照下式，设计多输入多输出MIMO干扰信道系统中每个发送端的 传输预编码矩阵：

其中，Di表示第i个发送端的传输预编码矩阵，vi表示单输入单输出干扰信 道的拓扑干扰对齐中第i个发送端的预编码向量，集合 中的每一个向量都是独立同分布的且任意个都是线性无关的，表示克罗内 克积操作，表示阶数为的单位矩阵，表示第j个接收端期望数据向量 的有效发送端的天线总数。

第2步，对多输入多输出MIMO干扰信道系统中的发送端的发送数据向量利 用传输预编码矩阵进行编码处理，得到每个发送端的发送信号向量。

步骤9，获得有完美匹配时的多输入多输出MIMO干扰信道系统中每个接收 端接收到的信号向量。

按照下式，获得信道矩阵：

其中，表示第i个发送端到第j个接收端之间对角线上全为信道系数矩阵 Hji的信道矩阵，IF表示阶数等于扩展系数F的单位矩阵，该扩展系数F由发送 信号向量的传输时隙确定，Hji表示第i个发送端与第j个接收端之间的信道系数 矩阵，维度为Nj×Mi。

将每个发送端的发送信号向量与信道矩阵相乘，按照下式，遍历个对齐可 行的信息对，忽略噪声对接收信息的影响，得到多输入多输出MIMO干扰信道系统 中每个接收端接收到的信号向量：

其中，yj表示多输入多输出MIMO干扰信道系统中第j个接收端接收到的信 号向量，表示来自多输入多输出MIMO干扰信道系统中发送端t2l-1的包 含信息w2l-1的信号向量，表示来自多输入多输出MIMO干扰信道系统中 发送端t2l的包含信息w2l的信号向量，多输入多输出MIMO干扰信道系统中发送 端t2l-1与t2l发送的信息对齐可行，1(·)表示指示函数，满足括号里面的条件值取 到1，否则为0，vj表示多输入多输出MIMO干扰信道系统中第j个接收端期望信 号的预编码向量，表示多输入多输出MIMO干扰信道系统中从第tj个发送端 到第j个接收端的信道矩阵的前列组成的信道矩阵，Nj表示多输入多输出 MIMO干扰信道系统中第j个接收端干扰信号的传输空间矩阵， 表示对多输入多输出MIMO干扰 信道系统中第j个接收端的干扰信号向量。

步骤10，有完美匹配时，对接收到的多输入多输出MIMO干扰信道系统中信号 向量进行解码。

有完美匹配时，对多输入多输出MIMO干扰信道系统中每个接收端，用干扰消 除向量和空间保持矩阵的克罗内克积的形式，设计对应的接收波束成形矩阵，具体 步骤如下：

第1步，将与干扰信号传输空间矩阵中含有的干扰信号预编码向量乘积为 零，且与期望信号的预编码向量乘积不为零的向量作为干扰消除向量，按照下式 给出：

其中，pj表示多输入多输出MIMO干扰信道系统中第j个接收端的干扰消除 向量，表示干扰信号传输空间矩阵中的干扰信号预编码向量组 成的矩阵。

第2步，将与信道矩阵相乘后满秩，保证期望信号有充足的传输空间的矩阵 作为两个空间保持矩阵，按照下式给出：

其中，Qj表示对多输入多输出MIMO干扰信道系统中对第j个接收端的期望 信号的空间保持矩阵。

第3步，用干扰消除向量与空间保持矩阵进行克罗内克乘积，得到接收波束 成形矩阵，按照下式给出：

其中，Uj表示多输入多输出MIMO干扰信道系统中第j个接收端的接收波束成 形矩阵，pj表示多输入多输出MIMO干扰信道系统中第j个接收端的干扰消除向量， Qj表示多输入多输出MIMO干扰信道系统中第j个接收端期望信号的空间保持矩阵。

用接收波束成形矩阵与接收到的信号向量相乘，得到解码处理后多输入多输 出MIMO干扰信道系统中每个接收端的无干扰信号向量：

其中，表示多输入多输出MIMO干扰信道系统中第j个接收端的无干扰信 号向量。

步骤11，结束有完美匹配的MIMO协作拓扑干扰对齐。

通过以下仿真对本发明的效果做进一步的说明。

1.仿真条件。

本发明的仿真实验在matlab环境下进行，将多输入多输出干扰信道MIMO干 扰信道系统的收发端天线数分别设置为2,4,6,8,10。

2.仿真内容。

用本发明和现有技术Jafar方案中拓扑干扰对齐方法，对图2中构建的多输 入多输出MIMO干扰信道的部分连接模型，在收发端天线数分别为2,4,6,8,10时 每个用户获得的自由度进行仿真，结果如图3所示。

图3中的横坐标表示收发端天线数，纵坐标表示每用户的自由度，以圆圈标 示的直线表示现有技术Jafar方案中拓扑干扰对齐的结果，以星号标示的直线表 示本发明拓扑干扰对齐的结果。

由图3中的仿真结果可以看出，随着收发端天线数的增加，每用户自由度呈 线性增长趋势，当收发端天线数分别为2,4,6,8,10时，本发明拓扑干扰对齐的每 用户自由度都高于现有技术Jafar方案中拓扑干扰对齐方法的每用户自由度。

由本发明的仿真结果表明，在完美匹配时，当收发端天线数相同的条件下，本 发明使得系统与现有技术Jafar方案中拓扑干扰对齐方法相比较，总能得到更高 的每用户自由度，系统性能更优。