异构网络下的干扰管理预编码技术的制作方法

本发明涉及一种无线通信干扰管理方法，尤其涉及一种多个毫微微蜂窝网络与宏蜂窝网络共存下的、降低多用户下毫微微蜂窝基站所受干扰的方法。

背景技术：

干扰对齐作为一种新型的干扰管理技术，近年来受到了广泛的关注，干扰对齐通过压缩干扰所占的信号维度，使系统获得最大的自由度，针对毫微微蜂窝基站与宏蜂窝基站共存的异构网络场景，干扰对齐技术通过预编码技术使干扰在接收端重叠在一起，以彻底消除干扰对期望信号的影响，为各自网络创造出零干扰空间。

但随着室内用户对室内通信的重视程度越来越高，会有更多的用户选择在家庭安装毫微微蜂窝基站，加之无线用户的逐年递增，普通干扰对齐技术的单一的一层预编码与后置编码已经不足以应对复杂网络环境下的交错干扰，如何针对多用户多基站情形下的异构网络进行干扰管理是干扰对齐算法推广和普及的制约因素之一，经对现有干扰对齐技术的文章进行检索，发现：

Guler,B.和Yener,A.(Selective Interference Alignment for MIMO Cognitive Femtocell Networks,Selected Areas in Communications,IEEE Journal on,2014:439-450)针对多个毫微微蜂窝基站与单个宏蜂窝基站共存的异构网络小区，提出了一种可选择的干扰对齐，该方案对干扰源进行遴选，仅对齐毫微微蜂窝基站受到的强干扰，提高了毫微微蜂窝的服务质量的同时，降低了干扰对齐算法的复杂度，但该算法制约于宏蜂窝用户的个数以及所处的位置，并不具有普适性。

Qingzhong Li等人(Qingzhong Li,Xuemai Gu,Hanqing Li,Min Jia,“Interference alignment for MIMO downlink femtocell networks”,Networks(ICON),2013 19th IEEE International Conference,Singapore,pp.1-4)提出了一种双层异构网络中对于下行链路的干扰对齐，优化了宏蜂窝网络的下行链路速率，保 证了宏蜂窝用户的服务质量，但未针对毫微微蜂窝用户进行有效的干扰管理，并不能保证室内用户的通信质量。

Maso M.等人(Maso M.,Cardoso L.S.,Debbah M.,etal,“Cognitive interference alignment for OFDM two-tiered networks”,2012IEEE 13th Signal Processing Advances in Wireless Communications,Cesme,2012,pp.244-248)利用干扰对齐，使基于正交频分复用的宏蜂窝网络与认知微蜂窝网络得以共存，最大化认知链路的频谱效率的同时，保证了宏蜂窝网络的自由度，但文中所提系统模型过于简单，仅包含一个宏蜂窝用户和一个微基站用户。

李莉、杨敬文、周小平(CN104125577A)提出一种认知双层异构网络下的干扰管理策略，在双层异构网络(毫微微蜂窝/宏蜂窝)覆盖的小区中，针对改变宏蜂窝用户所处位置所在的区域，毫微微蜂窝用户对宏蜂窝用户的干扰也会相应的发生变化这一特点，首先通过信道信息对宏蜂窝用户所处区域进行判断，再根据不同区域内干扰分布的不同特点，对毫微微蜂窝用户和宏蜂窝用户所受到的干扰分别进行干扰对齐，降低了毫微微蜂窝用户、宏蜂窝用户的干扰，但该专利所提模型仅针对单个宏蜂窝与单个毫微微蜂窝基站进行讨论，并未针对多个毫微微蜂窝基站与宏蜂窝基站共存的网络环境进行研究。

从现有技术来看，研究多个毫微微蜂窝网络与宏蜂窝网络共存下的多用户干扰管理预编码技术仍然具有十分重要的现实意义。

技术实现要素：

本发明针对多个毫微微蜂窝网络与宏蜂窝网络共存的无线网络环境，提出了一种异构网络中针对多用户的干扰管理预编码技术、以及降低毫微微蜂窝基站干扰的方法，通过对毫微微蜂窝用户和宏蜂窝用户预编码，降低毫微微蜂窝基站所受的干扰，保证了毫微微蜂窝用户的服务质量。

本发明第一个方面是提供一种异构网络中针对多用户的干扰管理预编码方法，包括：

设定通信场景中M个宏蜂窝用户(MU₁,...,MU_M)与一个宏蜂窝基站进行通信，K个毫微微蜂窝对应K个毫微微蜂窝基站(BS₁,BS₂,...,BS_K)，每个毫微微蜂窝拥有1个毫微微蜂窝用户，记为FU_k(k＝1,2,...,K)；其中，FU_k(k＝1,2,...,K)、 MU_m(m＝1,2,…,M)各自具有N_t根发射天线，毫微微蜂窝基站、宏蜂窝基站各自具有N_f根接收天线；

各毫微微蜂窝用户的发送端向各个毫微微蜂窝基站发送上行信号，毫微微蜂窝基站反馈信道信息，各毫微微蜂窝用户的发送端获取信道状况；

根据后台共享，各毫微微蜂窝用户的发送端可以获取自身传输信道以及干扰信道的信道状态信息；

其中，设定h_km，维数是N_f×N_t，为第m(m＝1,2,…,M)个宏蜂窝用户到第k(k＝1,2,...,K)个毫微微蜂窝基站的信道系数矩阵；设定H_ij，维数是N_f×N_t，为第j个毫微微蜂窝用户到第i个毫微微蜂窝基站的信道系数矩阵(i,j＝1,2,...,K)；各毫微微蜂窝用户与宏蜂窝用户的发送端对各自发射信号进行归一化处理，使其发射信号均值为0，方差为1；记FU_k的发射信号为s_k；BS_k接收到的噪声向量记做n_k，维数是N_f×1，服从均值为0，方差为σ²的高斯分布，E(n_k×(n_k)^H)＝σ²I，I为N_f阶的单位矩阵，上标H表示取共轭转置；

设计MU_m的预编码T_m，维数是N_t×1，使得所有毫微微蜂窝基站所受宏蜂窝用户的总干扰噪声功率J_sum最小：

$J_{sum}=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{J}_k$

其中，J_k为第k个毫微微蜂窝基站受到来自M个宏蜂窝用户的干扰加噪声的平均功率：

$J_k={(\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{h}_{ki}{T}_i+n_k)}^H(\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{h}_{ki}{T}_i+n_k)$

对J_sum求梯度，令▽J_sum＝0，得到：

$R=-\left(\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{Q}_k{)}^{-1}\right(\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{P}_k)$

其中Q_k＝(h_k1,…,h_kM)^H(h_k1,…,h_kM)，R＝(T₁^H,T₂^H,…,T_M^H)，P_k＝(h_k1,…,h_kM)^Hn_k；所得矩阵R中的分量T_m即为MU_m上的预编码(m＝1,2,…,M)；

设计FU_k上的预编码w_k，维数是N_t×1；设计BS_k上的干扰抑制矩阵g_k，维数是N_f×1；第k个毫微微蜂窝基站接收端信号均方误差计为ε_k，表示为：

则在功率受限的条件下，使所有毫微微蜂窝基站接收端信号均方误差最小，即：

$\underset{\underset{g_{\mathrm{1...}{g}_K}}{w_1\mathrm{...}{w}_K}}{\min }\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{\mathrm{\ϵ}}_k$

$s.t.w_k^H{w}_k\≤1,(k=1,2,\mathrm{...},K)$

由于ε_k为凸，所以上式必存在唯一解w_k、g_k。

在本发明上述内容中，求解w_k、g_k的方法，优选为通过牛顿迭代进行实施，包括：

初始化预编码矩阵w_k；

计算干扰抑制矩阵g_k：

$g_k=\frac{{(\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{H}_{ki}{w}_i{\left(H_{ki}{w}_i\right)}^H+J_{k}I)}^{-1}\left(H_{kk}{w}_k\right)}{\left|\right|{(\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{H}_{ki}{w}_i{\left(H_{ki}{w}_i\right)}^H+J_{k}J)}^{-1}\left(H_{kk}{w}_k\right)\left|\right|}$

根据矩阵g_k求得编码矩阵w_k：

$w_k=\frac{{\left(\underset{i=1}{\overset{K}{\Σ}}{H}_{ik}^H{g}_i{\left(H_{ik}^H{g}_i\right)}^H\right)}^{-1}\left(H_{kk}^H{g}_k\right)}{\left|\right|\left(\underset{i=1}{\overset{K}{\Σ}}{H}_{ik}^H{g}_i{\left(H_{ik}^H{g}_i\right)}^H{)}^{-1}\right(H_{kk}^H{g}_k)\left|\right|}$

重复上述计算g_k和w_k的步骤，直至ε_k收敛所得w_k、g_k即为所求解。

本发明在多个毫微微蜂窝网络与宏蜂窝网络共存的无线网络环境下，提出了一种异构网络中针对多用户的干扰管理预编码技术，在一个小区中覆盖了一个宏 蜂窝基站和多个毫微微蜂窝基站，定义宏蜂窝网络对毫微微蜂窝网络造成的干扰为跨层干扰，毫微微蜂窝网络之间的干扰为同层干扰，分别对毫微微蜂窝用户和宏蜂窝用户进行预编码，宏蜂窝用户的预编码使得跨层干扰最小，使之可比拟于背景噪声，毫微微蜂窝用户的预编码与毫微微蜂窝基站的后置编码进行迭代，以最小均方误差准则输出，最终极大地降低了毫微微蜂窝基站所受的干扰，保证了毫微微蜂窝用户的服务质量。

附图说明

图1为本发明实施例中异构网络结构系统模型示意图。

具体实施方式

如图1显示了一种异构网络下的干扰管理技术实施例的系统模型，在异构网络结构中包括2个宏蜂窝用户(MU₁、MU₂)与一个宏蜂窝基站进行通信，2个毫微微蜂窝对应2个毫微微蜂窝基站(BS₁、BS₂)。每个毫微微蜂窝拥有1个毫微微蜂窝用户FU_k(k＝1,2)，其中，FU_k(k＝1,2)、MU_m(m＝1,2)各自具有3根发射天线，毫微微蜂窝基站、宏蜂窝基站各自具有3根接收天线。本发明该实施例中降低毫微微蜂窝基站干扰的方法如下：

各用户的发送端向各个基站发送上行信号，基站反馈信道信息，各用户的发送端获取信道状况；

根据后台共享，各用户的发送端可以获取自身传输信道以及干扰信道的信道状态信息；

设定h_km，维数是3×3，为第m(m＝1,2)个宏蜂窝用户到第k(k＝1,2)个毫微微蜂窝基站的信道系数矩阵；设定H_ij，维数是3×3，为第j个毫微微蜂窝用户到第i个毫微微蜂窝基站的信道系数矩阵(i,j＝1,2)；记FU_k的发射信号为s_k,是均值为0方差为1的随机信号，BS_k接收端接收到的噪声向量记做n_k，维数是3×1，服从均值为0方差为1的高斯分布；E(n_k×(n_k)^H)＝I，I为3阶的单位矩阵，上标H表示取共轭转置；

设计MU_m的预编码T_m，维数是3×1，使得所有毫微微蜂窝基站所受宏蜂窝用户的总干扰噪声功率J_sum最小：

$J_{sum}=\underset{k=1}{\overset{2}{\Σ}}{J}_k$

其中，J_k为第k个毫微微蜂窝基站受到来自M个宏蜂窝用户的干扰加噪声的平均功率：

$J_k={(\underset{i=1}{\overset{2}{\Σ}}{h}_{ki}{T}_i+n_k)}^H(\underset{i=1}{\overset{2}{\Σ}}{h}_{ki}{T}_i+n_k)$

令：R＝(T₁^H,T₂^H)，Q_k＝(h_k1,h_k2)^H(h_k1,h_k2)，P_k＝(h_k1,h_k2)^Hn_k；

则：$J_k=R^H{Q}_{k}R+R^H{P}_k+P_k{R}^H+n_k{n}_k^H$

$J_{sum}=\underset{k=1}{\overset{2}{\Σ}}{J}_k=R^H\underset{k=1}{\overset{2}{\Σ}}{Q}_{k}R+R^H\underset{k=1}{\overset{2}{\Σ}}{P}_k+\underset{k=1}{\overset{2}{\Σ}}{P}_k{R}^H+\underset{k=1}{\overset{2}{\Σ}}{n}_k{n}_k^H$

对J_sum求梯度，令▽J_sum＝0，得到：

$R=-{\left(\underset{k=1}{\overset{2}{\Σ}}{Q}_k\right)}^{-1}\left(\underset{k=1}{\overset{2}{\Σ}}{P}_k\right)$

所得矩阵R中的分量T_m即为MU_m上的预编码(m＝1,2)。

设计FU_k上的预编码w_k，维数是3×1；设计BS_k上的干扰抑制矩阵g_k，维数是3×1；第k个毫微微蜂窝基站接收端信号均方误差为ε_k，表示为：

在功率受限的条件下，使所有毫微微蜂窝基站接收端信号均方误差最小，即：

$\underset{\underset{g_1\mathrm{...}{g}_K}{w_1\mathrm{...}{w}_K}}{\min }\underset{k=1}{\overset{2}{\Σ}}{\mathrm{\ϵ}}_k$

$s.t.w_k^H{w}_k\≤1,(k=1,2)$

由于ε_k为凸，所以必存在唯一解，可以通过牛顿迭代获得，具体算法为：

1：初始化预编码矩阵w_k；

2：计算干扰抑制矩阵g_k：

$g_k=\frac{{(\underset{i=1}{\overset{2}{\Σ}}{H}_{ki}{w}_i{\left(H_{ki}{w}_i\right)}^H+J_{k}I)}^{-1}\left(H_{kk}{w}_k\right)}{\left|\right|{(\underset{i=1}{\overset{2}{\Σ}}{H}_i{w}_i{\left(H_{ki}{w}_i\right)}^H+J_{k}I)}^{-1}\left(H_{kk}{w}_k\right)\left|\right|}$

3、根据矩阵g_k求得编码矩阵w_k：

$w_k\frac{{\left(\underset{i=1}{\overset{2}{\Σ}}{H}_{ik}^H{g}_i{\left(H_{ik}^H{g}_i\right)}^H\right)}^{-1}\left(H_{kk}^H{g}_k\right)}{\left|\right|\left(\underset{i=1}{\overset{2}{\Σ}}{H}_{ik}^H{g}_i{\left(H_{ik}^H{g}_i\right)}^H{)}^{-1}\right(H_{kk}^H{g}_k)\left|\right|}$

重复上述计算g_k和w_k的步骤2和3，直至ε_k收敛所得w_k、g_k即为所求解。

如上所述，宏蜂窝用户的预编码使得跨层干扰最小，使之可比拟于背景噪声，毫微微蜂窝用户的预编码与毫微微蜂窝基站的后置编码进行迭代，以最小均方误差准则输出，最终极大的降低了毫微微蜂窝基站所受的干扰，保证了毫微微蜂窝用户的通信质量。该预编码方案为下一代无线蜂窝网络能达到更高的速率、更大的网络容量，提供了坚实的技术物质基础。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。