一种基于机会干扰对齐的蜂窝下行信道中数据传输方法
【专利摘要】本发明请求保护一种基于机会干扰对齐的蜂窝下行信道中数据传输方法。包括步骤：基站广播包括S个M×1维的信号子空间给小区内的所有用户，M为发射端的天线数，用户端根据使用尽可能与干扰向量正交的原则设计接收译码矩阵并反馈干扰泄漏值。基站端根据用户端的反馈选择S个具有最小干扰泄漏的用户，基站端根据设计的内外层预编码进行下行数据的传输。针对蜂窝网络下行干扰信道，综合考虑了小区内用户受到的小区间干扰和小区内干扰，提出一种基于机会干扰对齐的蜂窝下行信道中数据传输方法，该算法通过基站广播预设的干扰子空间，并根据用户的反馈值选择受到其他小区干扰最小的若干个用户进行通信，该级联预编码算法可以消除小区内用户间干扰同时有效抑制小区间的干扰。
【专利说明】
-种基于机会干扰对齐的蜂窝下行信道中数据传输方法
技术领域
[0001] 本发明属于多小区多用户ΜΙΜΟ信道的干扰消除技术领域，具体设计一种基于双层 预编码的干扰对齐数据传输方法，特别设及利用了信道随机性的机会式干扰对齐方法。
【背景技术】
[0002] 从上世纪末开始，输入多输出（Multiple I吨ut Multiple Output,ΜΙΜΟ)的多天 线技术已经逐渐从理论研究转化为实际应用，并在各种无线通信系统中得到广泛的应用， 有效地提高了无线传输的有效性和可靠性。研究表明，在高信噪比信道中，信道容量随着发 射天线和接收天线的数量最小值呈线性增长，与单天线通信系统相比，在相同的带宽下 ΜΙΜΟ系统利用空间资源不仅可W获得更大的复用增益和自由度，提高无线通信系统的传输 速率，也可W获得分集增益，提高无线系统的可靠性，因此多天线技术已经成为未来无线通 信的关键技术。但同时，随着通信技术的发展和用户数的快速增长，通信环境越来越复杂， 未来蜂窝通信系统中面临着更加复杂的小区内部和小区之间的相互干扰。传统的干扰消除 方法大部分是将利用信号的正交化或者将干扰当作噪声忽略处理，而ΜΙΜΟ系统可W利用多 天线获得的空间维度，为干扰消除提供了新的思路。其中，预编码技术是ΜΙΜΟ系统中比较常 用的利用信道状态信息(化annel S化te 1址〇1'111日1:;[0]1,〔51)对发送符号进行预处理^达到 消除干扰和提高系统容量目的的信号处理技术。干扰对齐是一种利用预编码技术进行干扰 消除的技术，常见的多小区ΜΙΜΟ系统中的干扰对齐方法大多存在着复杂度较高且需要迭代 计算的问题。
[0003] 申请号为CN201410721400.1的专利公开了一种基于分组的多用户蜂窝小区干扰 对齐系统及其方法，该方法包括了信道状态信息(CSI)获取模块、预编码设计模块、共享模 块、功率控制模块和干扰的消除模块，同时提供了基于分组的多址接入信道中的干扰对齐 算法，即将系统中的G体个用户分成Κ组后，针对每个接收端接收到的干扰信号，利用矩阵 的性质将系统中的干扰对齐。但是，基于分组的干扰对齐方法最终还是要回归于分布式算 法，存在着计算复杂度较高的问题，该方法仍然是一种将干扰对齐应用到蜂窝上行信道中 的很好解决方案。
[0004] 申请号为CN201510027052.2的专利公开了一种时分双工蜂窝网络上行机会式干 扰对齐及消除方法。在该方法中，各小区基站首先确定自己的信号空间并广播给所有用户， 每个用户计算自身的预编码矩阵及其调度准则，并将其反馈给自己的服务基站，在基站选 中若干个服务用户后，用户开始发送上行数据。该方法利用了机会式调度准则选择服务用 户，不需要迭代获得发送预编码矩阵及其基站的接收滤波矩阵，实现了较低了实施复杂度， 而且该方法可W充分利用蜂窝网络中的多用户分集增益，W及基站的回程链路资源，实现 网络吞吐量的提升。
[0005] 申请号为CN201510637611.1的专利提供了一种基于干扰对齐的蜂窝网络下行链 路自适应预编码方法，基于用户业务需求的带宽反馈设计，信道状态信息的统一设计，基站 协作模式的离线捜索与保存，基于业务请求的模式匹配，级联式预编码设计W及发射功率 控制方案等。在该方法中，信道状态信息(CSI)反馈设计采用了一种新的复合信道，与传统 的方法相比，节约了一半带宽。该方法可在双蜂窝小区全频率复用场景下，可W实现更少的 发射功率满足不同业务类型下用户需要的多种速率。
[0006] 本发明提出了一种基于机会干扰对齐的蜂窝下行信道中数据传输方法，用非迭代 方式设计了发送预编码和译码矩阵，相比较于经典随机波束赋形的用户调度方法，本发明 提出的机会用户选择方式可W实现更大的系统和容量。
【发明内容】
[0007] 本发明为解决W上技术问题，本发明利用随机波束赋形中的机会调度用户思想， 提出一种基于机会干扰对齐的蜂窝下行信道中数据传输方法，用于解决传统的多小区ΜΙΜΟ 系统的干扰对齐需要迭代且复杂度较高的问题。
[000引本发明的技术方案如下：
[0009] -种基于机会干扰对齐的蜂窝下行信道中数据传输方法，假设蜂窝通信系统中小 区数目为Κ，每个小区基站端的天线数为Μ，收端天线数为L，本方法根据设定的算法机会式 选中S个用户进行下行的数据传输，其具体包括如下步骤:步骤1、基站广播包括S个MX 1维 的信号子空间给小区内的所有用户，信号子空间即外层预编码矩阵，Μ表示基站端的天线 数。
[0010] 步骤2、用户端在收到基站端的信号子空间后计算本小区信号子空间对应的零空 间W及收到的其他小区的干扰，并W小区间干扰最对齐为准则向基站反馈有用信号空间向 量和调度系数，基站根据调度系数选择S个用户进行下行通信，并根据迫零法设计内层预编 码矩阵；
[0011] 步骤3、基站端根据用户端的反馈选择S个具有最小干扰泄漏的用户；
[0012] 步骤4、步骤3选择出的用户采用步骤1设计的外层预编码矩阵、步骤2设计的内层 预编码矩阵进行下行数据的传输。
[0013] 进一步的，基站广播S个MX 1维的信号子空间即外层预编码矩阵，具体为：
[0014] 第k个小区的信号子空间为?1^=山,1<，...爪,山其中口3,把(：》><堪一组正交基^￡ K，s = l，. . .，S，第k个基站在Μ维空间下独立生成ps,k，cMxi表示的是一个向量的张成维度，说 明它是一个MX 1维的矩阵，则小区k到第i个小区内的j用户的等效信道矩阵为化U'J中k;S为 选中的用户数，Μ为基站端的天线数，基站将各自的信号子空间广播给用户，用户端已知了 等效信道矩阵^[i'J]Pk。
[0015] 进一步的，用户端W小区间干扰最对齐为准则向基站反馈有用信号空间向量和调 度系数，具体为：
[0016] 反馈调度系数为:定义i小区内第j个用户的接收端译码向量为：
[0017] u[i,j]ecLxi,i.e.，I |u[i,j] I |2=1，L表示的是用户收端的天线数目（1)
[001引该向量为；
[0019]
C2)
[0020] 其中：
[00別]G[i'j] =[化l[i'j]Pl)，...，化K[i'j]PK)]HeC化-WXLj表示小区数，S表示选中的用户 数，表示干扰矩阵(3)
[0022] 同时，定义i小区中j用户的调度系数可定义为接收的其他小区的干扰之和：
[0023]
巧
[0024] 对G[i'j]做奇异值分解，得到:G[i'j]=Ω[i'j]X[i'j￥i'j]H，其中，Ω[i'j]eC(κ-l)sxL，v 。'j]EcLxl是L列的正交向量，X以]=施帮(巧1山?']，...，巧^''別），巧产^' ]表示的是经过奇 异值分解后的奇异值，要求σ/''3之…> 选取勺最后一列作为u[i,^，即i小 区的j用户选取勺最小的奇异值对应的右奇异向量作为接收端译码向量，此时反馈的 调度系数为最小奇异值的二范数，即二表示最小奇异值的二范数， 所有用户都将该指数作为调度系数反馈给相应的基站，同时每个用户都可W根据接收 到的波束赋形估计接收到的其他小区的干扰，除了运个调度系数，每个用户同时还要向其 对应的基站报告有效的信道向量u[i,/H户啡1。
[0025] 进一步的，步骤3基站端根据用户端的反馈选择S个具有最小干扰泄漏的用户，具 体为:每个基站根据接收到的N个用户的调度系数选择S个干扰系数最小的用户即干扰泄漏 值最小的用户作为服务用户。
[0026] 进一步的，步骤4、基站端进行下行数据的传输具体为：
[0027] 基站i发送给本小区内用户j的传输信号为v[i,讲，其中x[i'j堪传输符号功率， 对于给定的S个用户内层预编码矩阵为：
[002引 Vi=[vi'i, . . . ,vi's]。(5)
[0029] 其中，乂1,3^(：5><1，巧1(，3￡8{1，...，5}，小区1的传输信号向量是义1=^[1'1]，...，又 叫T，因此小区i内j用户的接收信号可W写作：
[0030]
[0031] 其中，是附加噪声，i小区的j用户经过接收端波束赋形向量处理后可 W写成：
[0033] 在(7)中，第一项为期望信号，第二项为小区内的（S-1)个干扰，第Ξ项为小区间干
[0032] 扰。
[0034] 进一步的，在设计好内层预编码矩阵v[l,リ和接收滤波矩阵11[1,山后，小区i中第j个 用户的第m个数据流上的信干噪比SINRmU'J崎W表示为：
[0035]
巧）
[0036] 其中iJ"嘴接收译码矩阵喘第m列，为预编码矩阵的第m列。
[0037] 本发明的优点及有益效果如下：
[0038] 本发明结合了级联预编码和随机波束赋形思想。考虑基站向其服务的每个用户只 发送1个数据流，即不考虑数据流间干扰，且信道为理想信道。基站首先将预定义的信号子 空间广播给所有用户，每个用户计算本小区信号子空间对应的零空间W及收到的其他小区 的干扰，并W小区间干扰最对齐为准则向基站反馈有用信号空间向量和调度系数，基站根 据反馈系数选择S个用户进行下行通信，并根据迫零法设计内层预编码矩阵。该算法通过基 站广播预设的干扰子空间，基站再根据用户的反馈值选择受到其他小区干扰最小的若干个 用户进行通信，该级联预编码算法可W消除小区内用户间干扰同时有效抑制小区间的干 扰。
【附图说明】
[0039] 图1是本发明提供优选实施例方法适用的干扰模型图；
[0040] 图2本发明方法流程图；
[0041] 图3本发明方法适用的Ξ小区多用户系统的等效图；
[0042] 图4本发明方法的用户端的反馈图。
【具体实施方式】
[0043] W下结合附图，对本发明作进一步说明：
[0044] 如图1所示，本专利申请适用的干扰信道系统如图1所示，图2为本发明的方法流程 图。包括步骤:步骤1、基站广播包括S个MX 1维的信号子空间给小区内的所有用户；
[0045] 步骤2、用户端根据使用尽可能与干扰向量正交的原则设计接收译码矩阵并反馈 干扰泄漏值；
[0046] 步骤3、基站端根据用户端的反馈选择S个具有最小干扰泄漏的用户；
[0047] 步骤4、基站端根据设计的内外层预编码进行下行数据的传输。
[004引优选的，步骤1、基站广播S个MX 1维的信号子空间即外层预编码矩阵，具体为：
[00例第k个小区的信号子空间为Pk=[pi,k，...，ps,k]，其中Ps,kecMxi是一组正交基ke K，s = l，...，S，第k个基站在Μ维空间下独立生成ps,k。则小区k到第i个小区内的j用户的等 效信道矩阵为^[i'J]Pk。
[0050] S为选中的用户数，Μ为基站端的天线数。基站将各自的信号子空间广播给用户，用 户端已知了等效信道矩阵。
[0051] 优选的，步骤2、用户端根据尽可能与干扰向量正交原则设计接收端译码矩阵并反 馈干扰泄漏值，具体为：
[0052] 反馈调度系数为:定义i小区内第j个用户的接收端译码向量为：
[0053] u[ij]ecLxi,i.e.，I |u[i,j] I |2=1， (1)
[0054] 其设计思想为：设计的接收端译码向量尽可能与用户干扰子空间正交，运样该向 量为：
[0055]
(2)
[0056] 其中；
[0化7]
[0058] 同时，定义i小区中j用户的调度系数可定义为接收的其他小区的干扰之和：
[0059]
約）
[0060] 对G[i'j]做奇异值分解(SVD)，得到:G[i'j]=Ω[i'j]X[i'j￥i'j]H，其中，Ω[i'j]eC(κ -i)sxL，v[i'j] EcLxl是L列的正交向量，
要求
选取yU'叫勺最后一列作为u[ij]。即i小区的j用户选取沪'叫勺最小 的奇异值对应的右奇异向量作为接收端译码向量。此时反馈的调度系数为最小奇异值的二 范数，即：巧以]=σ产沖
[0061] 所有用户都将该指数作为调度系数反馈给相应的基站，同时每个用户都可W 根据接收到的波束赋形估计接收到的其他小区的干扰。除了运个调度系数，每个用户同时 还要向其对应的基站报告有效的信道向量11[1,/化[1'啡1。
[0062] 优选的，步骤3、基站端根据用户端的反馈选择S个具有最小干扰泄漏的用户，具体 为：
[0063] 每个基站根据接收到的N个用户的调度系数选择S个干扰系数最小的用户即干扰 泄漏值最小的用户作为服务用户。
[0064] 优选的，步骤4、基站端进行下行数据的传输具体为：
[00化]基站i发送给本小区内用户j的传输信号为，其中x[i'j]是传输符号功率， 对于给定的S个用户内层预编码矩阵为：
[0066] Vi=[vi,i, . . . ,Vi,s]〇 (5)
[0067] 其中，乂1,3￡(：5><14￡1(，3￡8{1，...，5}，小区1的传输信号向量是义1=^"'13，...，又 叫T，因此小区i内j用户的接收信号可W写作：
[006引
[0069] 其中，zU'J^ecSxi是附加噪声，i小区的j用户经过接收端波束赋形向量处理后可 W写成：
[0070]
[0071] 在上式中，第一项为期望信号，第二项为小区内的（S-1)个干扰，根据迫零预编码 设计的内层预编码矩阵可W有效的消除该干扰，第Ξ项为小区间干扰，采用本方法设计的 接收端译码矩阵可W有效的消除该干扰。因此，接收端可W很好的还原出发送信号。
[0072] 在设计好内层预编码矩阵v[l,リ和接收滤波矩阵11[1,山后，小区i中第j个用户的第m 个数据流上的信干噪比SINRmU'^3可W表示为：
[0073]
[0074] 其中iJ"嘴接收译码矩阵喘第m列，为预编码矩阵的第m列。
[007引本发明将W图3中；小区多用户的ΜΙΜΟ干扰系统作为一个实例，即考虑由K个小区 构成的下行链路，每个基站为Ν个用户，信道形式为多小区ΜΙΜΟ干扰广播信道。每个基站的 天线数为Μ，每个用户的天线数为L，第k个基站到第i个小区的第j个用户的信道矩阵化 EcLxm为平坦衰落信道，信道矩阵心坤的元素相互独立并且服从均值为0,方差为1的复 高斯分布。
[0076] W上运些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在 阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可W对本发明作各种改动或修改，运些等效变 化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
【主权项】
1. 一种基于机会干扰对齐的蜂窝下行信道中数据传输方法，其特征在于:假设系统中 小区数目为K，每个小区基站端的天线数为M，收端天线数为L，根据设定的算法机会式选中S 个用户进行下行的数据传输，其具体包括如下步骤： 步骤1、基站广播S个MX 1维的信号子空间给小区内的所有用户，信号子空间即外层预 编码矩阵，Μ表示基站端的天线数； 步骤2、用户端在收到基站端的信号子空间后计算本小区信号子空间对应的零空间以 及收到的其他小区的干扰，并以小区间干扰最对齐为准则向基站反馈有用信号空间向量和 调度系数，基站根据调度系数选择S个用户进行下行通信，并根据迫零法设计内层预编码矩 阵； 步骤3、基站端根据用户端的反馈选择S个具有最小干扰泄漏的用户； 步骤4、根据步骤3选择出的用户机会式干扰对齐确实需要选择用户进行数据传输，采 用步骤1设计的外层预编码矩阵、步骤2设计的内层预编码矩阵进行下行数据的传输。2. 根据权利要求1所述的基于机会干扰对齐的蜂窝下行信道中数据传输方法，其特征 在于，基站广播S个Μ X 1维的信号子空间即外层预编码矩阵，具体为： 第k个小区的信号子空间为Pk= [Pl,k，...，ps,k]，其中p s,kecMxl是一组正交基，keK，s =1，.. .，S，第k个基站在Μ维空间下独立生成ps,k，CMxl表示的是一个向量的张成维度，说明 它是一个MX1维的矩阵，则小区k到第i个小区内的j用户的等效信道矩阵为H k[u]Pk，S为选 中的用户数，Μ为基站端的天线数，基站将各自的信号子空间广播给用户，用户端根据广播 的子空间获得等效的信道矩阵H k[U]Pk。3. 根据权利要求1或2所述的基于机会干扰对齐的蜂窝下行信道中数据传输方法，其特 征在于，用户端以小区间干扰最对齐为准则向基站反馈有用信号空间向量和调度系数，具 体为： 反馈调度系数为:定义i小区内第j个用户的接收端译码向量为： ιι[?,」]ε(^χ1，；?.θ.，| |u[i,j] | |2 = 1，L表示的是用户收端的天线数目（1)该向量为：其中： G[1』= [(Hi[1』Pi)，...，（Hk[ 1』Pk)]hgC(K-1)SXL， K表示小区数，s表示选中的用户数，G[1'B表示干扰矩阵（3) 同时，定义i小区中j用户的调度系数n[M]可定义为接收的其他小区的干扰之和：对6[1』做奇异值分解，得到:6[1』=〇[1』乂[。￥。 ]11，其中，0[^]￡(：(1(-1)5'￥ [1』￡ Clx^L列的正交向量，=办驭(^^'气""^/'巧"^^表示的是经过奇异值分 解后的奇异值，要求之…之选取乂[^]的最后一列作为ιι[^]，即i小区的j用 户选取G[ 1，j ]的最小的奇异值对应的右奇异向量作为接收端译码向量，此时反馈的调度系数 为最小奇异值的二范数，即： = 表示最小奇异值的二范数，所有用户 都将该指数n[u]作为调度系数反馈给相应的基站，同时每个用户都可以根据接收到的波束 赋形估计接收到的其他小区的干扰，除了这个调度系数，每个用户同时还要向其对应的基 站报告有效的信道向量4. 根据权利要求1或2所述的基于机会干扰对齐的蜂窝下行信道中数据传输方法，其特 征在于，步骤3基站端根据用户端的反馈选择S个具有最小干扰泄漏的用户，具体为:每个 基站根据接收到的N个用户的调度系数选择S个干扰系数最小的用户即干扰泄漏值ri [^]最 小的用户作为服务用户。5. 根据权利要求1或2所述的基于机会干扰对齐的蜂窝下行信道中数据传输方法，其特 征在于，步骤4、基站端进行下行数据的传输具体为： 基站i发送给本小区内用户j的传输信号为，其中x[u]是传输符号功率，对于 给定的S个用户内层预编码矩阵为： Vi - [vi,l, . . . ,Vi,s]〇 (5) 其中，％#(^14￡1(，8￡3{1，...，5}，小区1的传输信号向量是叉1=4 [1，1]，...4[1，5] ]T，因此小区i内j用户的接收信号可以写作：其中，z[U]eCsxl是附加噪声，i小区的j用户经过接收端波束赋形向量处理后可以写 成：在(7)中，第一项为期望信号，第二项为小区内的（S-1)个干扰，第三项为小区间干扰。6. 根据权利要求5所述的基于机会干扰对齐的蜂窝下行信道中数据传输方法，其特征 在于，在设计好内层预编码矩阵和接收滤波矩阵uu』后，小区i中第j个用户的第m个 数据流上的信干噪比SINR m[U]可以表示为：其中um[1』为接收译码矩阵1![1』的第m列，Vm [1』为预编码矩阵的第m列。
【文档编号】H04B7/04GK106060950SQ201610357552
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】李兆玉, 叶宗刚, 赵迎芝, 刘远航, 黄祥
【申请人】重庆邮电大学