干扰网络中基于分集与复用增益折中的动态模式切换方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种干扰网络中基于分集与复用增益折中的动态模式切换方法。

背景技术：

近年来无线通信的发展速度迅猛，第四代移动通信系统已经大规模商用，第五代移动通信系统的研究也在世界范围广泛展开。无线通信系统中小区的布设越来越密集，由此带来的小区间的干扰也越来越严重。对密集小区系统的理论研究，在信息论中的理论模型为干扰信道。近年来，对干扰信道的理论研究取得了很大进展。理论研究表明，干扰对齐技术在干扰信道中可以获得更高的自由度。然而，与现有技术相比干扰对齐技术在高信噪比下才有优势。因此，对于无线通信系统而言，由于信道的衰落特性，其接收机信噪比差异非常大。而且由于接收机或者信道中物体的移动，接收机的信噪比也存在时变特性。因此，对于小区边缘用户，要获得高的吞吐量，需要综合考虑各种情况。之前的设计方法，大多基于仿真分析进行设计，例如C.Suh，M.Ho和D.Tse在2011年9月第59卷第9期的IEEE无线通信会刊(IEEE Transact ions on Communicat ions)中的第2616-2626页，发表了文章《下行链路干扰对齐》(Downl ink interference al ignment)，设计了在多小区环境下的干扰对齐方法，但是此算法对干扰空间进行有色化，并基于仿真给出干扰空间有色化参数。同时，其对多小区下的干扰进行了统计分析，并且其方法是依据此统计分析结果。再例如李建东、马延军、刘伟和师超在2011年第38卷第5期的西安电子科技大学学报(自然科学版)中的第1-6页，发表了文章《多小区MU-MIMO系统中的动态模式切换算法》，综合考虑了小区边缘及小区中心等随机分布的用户设计了动态模式切换算法。小区中的所有用户根据各自受到干扰的情况，计算一阈值并自行在两中模式中选取一个。但是，以上的两个例子都是基于仿真的，并无理论依据，且第二个例子的动态模式切换算法仅仅考虑了在两种算法之间进行选择，同时，以上的两个例子中的方法只能适用与特定天线配置环境下，如仿真设置都是基于基站配置四根天线，小区中的用户都配置四根天线情况下。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种干扰网络中基于分集与复用增益折中的动态模式切换方法，其方法步骤简单，实现方便，适用范围广，能够获得更好的传输性能，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种干扰网络中基于分集与复用增益折中的动态模式切换方法，所述干扰网络包括两个小区组成的无线通信系统，每个小区内有一个基站和两个小区活动用户；其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、每个小区内的基站均发送训练序列到其服务的两个小区活动用户，小区活动用户接收到基站发送给其的训练序列后进行信道估计并反馈信道状态信息和信噪比到为其服务的基站；

步骤二、每个小区内的基站根据其接收到的小区活动用户的信噪比SNR，判断传输模式，具体过程为：

步骤201、判断是否满足条件SNR≥12dB，当满足条件SNR≥12dB时，判断传输模式为采用干扰对齐方法的传输模式，执行步骤三；否则，当不满足条件SNR≥12dB时，执行步骤202；

步骤202、判断是否满足条件SNR≥3dB，当满足条件SNR≥3dB时，判断传输模式为采用第一种干扰抑制方法的传输模式，执行步骤四；否则，当不满足条件SNR≥3dB时，执行步骤203；

步骤203、判断是否满足条件SNR≥-2dB，当满足条件SNR≥-2dB时，判断传输模式为采用第二种干扰抑制方法的传输模式，执行步骤五；否则，当不满足条件SNR≥-2dB时，判断传输模式为采用正交复用方法的传输模式，执行步骤六；

步骤三、两个小区的基站相互交换其服务的小区活动用户的信道状态信息，并采用干扰对齐方法的传输模式对四个小区活动用户进行调度；

步骤四、两个小区的基站相互交换其服务的小区活动用户的信道状态信息，并采用第一种干扰抑制方法的传输模式对四个小区活动用户进行调度；具体方法为：两个小区中的其中一个基站仅与本小区内的一个小区活动用户通信，两个小区中的另一个基站与本小区内的两个小区活动用户通信；

步骤五、两个小区的基站相互交换其服务的小区活动用户的信道状态信息，并采用第二种干扰抑制方法的传输模式对四个小区活动用户进行调度；具体方法为：两个小区中的基站均仅与本小区内的一个小区活动用户通信；

步骤六、两个小区的基站相互交换其服务的小区活动用户的信道状态信息，并采用正交复用方法的传输模式对四个小区活动用户进行调度。

上述的干扰网络中基于分集与复用增益折中的动态模式切换方法，其特征在于：步骤三中两个小区的基站采用干扰对齐方法的传输模式对四个小区活动用户进行调度的具体方法为：两个小区中的基站均分别与本小区内的两个小区活动用户通信。

上述的干扰网络中基于分集与复用增益折中的动态模式切换方法，其特征在于：步骤四中两个小区的基站采用第一种干扰抑制方法的传输模式对四个小区活动用户进行调度的具体方法为：第一个小区中的基站仅与本小区内的第一个小区活动用户通信，第二个小区中的基站与本小区内的两个小区活动用户通信。

上述的干扰网络中基于分集与复用增益折中的动态模式切换方法，其特征在于：步骤五中两个小区的基站采用第二种干扰抑制方法的传输模式对四个小区活动用户进行调度的具体方法为：第一个小区中的基站仅与本小区内的第一个小区活动用户通信，第二个小区中的基站仅与本小区内的第一个小区活动用户通信。

上述的干扰网络中基于分集与复用增益折中的动态模式切换方法，其特征在于：步骤六中两个小区的基站采用正交复用方法的传输模式对四个小区活动用户进行调度的具体方法为：两个小区中的基站同时与一个小区活动用户通信。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的方法步骤简单，实现方便。

2、本发明适用于由两个小区组成的干扰网络，基站配置3N根天线，用户配置2N根天线(N为非零的自然数)，现有技术中的方法无法应用到此场景。

3、本发明给出了干扰网络分集增益与复用增益的定义，并给出了适合此干扰网络天线配置的可行方法，在本发明提出的步骤三、四、五、六给出的方法之间做切换，能够获得更好的传输性能；而之前的基于仿真的动态模式切换算法仅仅根据仿真结果在两种算法之间切换，其性能增益有限。

4、本发明的适用范围广，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，本发明的方法步骤简单，实现方便，适用范围广，能够获得更好的传输性能，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本发明两个小区内各有一个基站和两个小区活动用户组成的干扰网络的结构示意图。

图3为本发明基站采用干扰对齐方法的传输模式对四个小区活动用户进行调度的示意图。

图4为本发明基站采用第一种干扰抑制方法的传输模式对四个小区活动用户进行调度的示意图。

图5为本发明基站采用第二种干扰抑制方法的传输模式对四个小区活动用户进行调度的示意图。

图6为本发明基站采用正交复用方法的传输模式对四个小区活动用户进行调度的示意图。

图7为本发明方法的仿真结果图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的干扰网络中基于分集与复用增益折中的动态模式切换方法，所述干扰网络包括两个小区组成的无线通信系统，每个小区内有一个基站和两个小区活动用户；该方法包括以下步骤：

步骤一、每个小区内的基站均发送训练序列到其服务的两个小区活动用户，小区活动用户接收到基站发送给其的训练序列后进行信道估计并反馈信道状态信息和信噪比到为其服务的基站；

步骤二、每个小区内的基站根据其接收到的小区活动用户的信噪比SNR，判断传输模式，具体过程为：

步骤201、判断是否满足条件SNR≥12dB，当满足条件SNR≥12dB时，判断传输模式为采用干扰对齐方法的传输模式，执行步骤三；否则，当不满足条件SNR≥12dB时，执行步骤202；

步骤202、判断是否满足条件SNR≥3dB，当满足条件SNR≥3dB时，判断传输模式为采用第一种干扰抑制方法的传输模式，执行步骤四；否则，当不满足条件SNR≥3dB时，执行步骤203；

步骤203、判断是否满足条件SNR≥-2dB，当满足条件SNR≥-2dB时，判断传输模式为采用第二种干扰抑制方法的传输模式，执行步骤五；否则，当不满足条件SNR≥-2dB时，判断传输模式为采用正交复用方法的传输模式，执行步骤六；

步骤三、两个小区的基站相互交换其服务的小区活动用户的信道状态信息，并采用干扰对齐方法的传输模式对四个小区活动用户进行调度；

步骤四、两个小区的基站相互交换其服务的小区活动用户的信道状态信息，并采用第一种干扰抑制方法的传输模式对四个小区活动用户进行调度；具体方法为：两个小区中的其中一个基站仅与本小区内的一个小区活动用户通信，两个小区中的另一个基站与本小区内的两个小区活动用户通信；

步骤五、两个小区的基站相互交换其服务的小区活动用户的信道状态信息，并采用第二种干扰抑制方法的传输模式对四个小区活动用户进行调度；具体方法为：两个小区中的基站均仅与本小区内的一个小区活动用户通信；

步骤六、两个小区的基站相互交换其服务的小区活动用户的信道状态信息，并采用正交复用方法的传输模式对四个小区活动用户进行调度。

例如，如图2所示的干扰网络，两个小区内各有一个基站和两个小区活动用户，两个基站表示为基站1和基站2，小区活动用户表示为用户[1,1]、用户[1,2]、用户[2,1]、用户[2,2]，用户[i,j]表示第i小区中的第j用户；基站配置3根天线，用户均配置2根天线；考虑上行链路传输场景(根据上下行链路的对偶性也适用于下行链路)；V^[i]＝[v^[i1]v^[i2]]为第i基站的接收波束成型滤波器矩阵(i＝1,2)，W^[ij]为用户[i,j]的预编码矩阵，x^[ij]为用户[i,j]发送的数据流，y^[ij]为基站i解调后得到的其第j用户的期望信号。为用户[i,j]到基站k的信道矩阵(k＝1,2)。考虑信道模型为平坦衰落信道，定义干扰网络的复用增益为且满足如下关系：

$R=\underset{j=1}{\overset{2}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{2}{\Σ}}{r}_{ij}{\log }_2\left({\mathrm{SNR}}_{ij}\right)---\left(1\right)$

其中，R为整个干扰网络的可达速率，SNR_ij为用户[i,j]的链路信噪比，r_ij为用户[i,j]链路的复用增益。定义干扰网络中用户[i,j]链路的分集增益为：

$\underset{{\mathrm{SNR}}_{ij}\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{{\log }_2{p}_{out}\left(r_{ij}log{\mathrm{SNR}}_{ij}\right)}{log{\mathrm{SNR}}_{ij}}=-d_{ij}---\left(2\right)$

其中，p_out(·)为中断概率，则平均每条链路的分集增益为

本实施例中，步骤三中两个小区的基站采用干扰对齐方法的传输模式对四个小区活动用户进行调度的具体方法为：两个小区中的基站均分别与本小区内的两个小区活动用户通信。

如图3所示，考虑上行链路情况，即用户分别发送数据到为自己服务的基站。但是由于无线信道的开放性，基站1实际收到的信号为用户[1,1]，用户[1,2]，用户[2,1]及用户[2,2]的叠加，即基站1收到的信号为：及的叠加。基站1为了解调x^[11]和x^[12]，这就需要来自于小区2中用户的信号仅仅占用一个信号空间，即：

$span(H_1^{\[21\]}{W}^{\[21\]},H_1^{\[22\]}{W}^{\[22\]})=1---\left(3\right)$

同理，在基站2为：

$span(H_2^{\[11\]}{W}^{\[11\]},H_2^{\[12\]}{W}^{\[12\]})=1---\left(4\right)$

基站计算干扰抑制滤波器矩阵为：

$V^{\[1\]}=null(H_1^{\[21\]}{W}^{\[21\]},H_1^{\[22\]}{W}^{\[22\]})---\left(5\right)$

$V^{\[2\]}=null(H_2^{\[11\]}{W}^{\[11\]},H_2^{\[12\]}{W}^{\[12\]})---\left(6\right)$

经过收发滤波器处理后，小区间的干扰全部抑制，每个小区均不受另外一个小区的影响。每个小区等效为基站有2根天线，小区中的用户均有1根天线，等效信道为

进一步，每个小区可等效为2个独立的点到点链路。此干扰网络可等效为4个独立的点到点的信道，即采用干扰对齐方法，可以获得的自由度为4，即在此网络中同时可以发送的数据流数量为4，其最大复用增益为4。对于每条链路来讲，其中断概率为p_out≈SNR_ij^-1，即d_ij≈1。从而平均每条链路的分集增益为d≈1。

本实施例中，步骤四中两个小区的基站采用第一种干扰抑制方法的传输模式对四个小区活动用户进行调度的具体方法为：第一个小区中的基站仅与本小区内的第一个小区活动用户通信，第二个小区中的基站与本小区内的两个小区活动用户通信。

如图4所示，在此方法中，基站1仅仅与其中的用户[1,1]通信，数据流数量为1。基站2与2个小区活动用户通信，每个用户的数据流数量为1。由于无线信道的开放性，基站2会收到来自用户[1,1]的干扰信号此干扰信号会占用基站2的一个信号空间。采用干扰抑制方法，取：

$V^{\[2\]}=null\left(H_2^{\[11\]}{W}^{\[11\]}\right)---\left(7\right)$

从而剩余2个信号空间可以用来分别发送一个数据流到用户[2,1]及用户[2,2]。同时，用户[2,1]及用户[2,2]计算预编码矩阵为：

$W^{\[21\]}=\mathrm{\λ}\left({\left(V^{\[2\]}\right)}^H{H}_2^{\[21\]}\right)---\left(8\right)$

$W^{\[22\]}=\mathrm{\λ}\left({\left(V^{\[2\]}\right)}^H{H}_2^{\[22\]}\right)---\left(9\right)$

其中，λ(·)表示最大特征值对应的特征向量；从而，获得最大的分集增益。

通过以上分析，由2个小区组成的干扰网络分解成为3个独立的链路。每条等效链路基站配置1根天线，用户配置2根天线。对于每条链路其自由度为1，分集增益为2。从而，整个网络总结的自由度为3，平均每条链路的分集增益为2。

本实施例中，步骤五中两个小区的基站采用第二种干扰抑制方法的传输模式对四个小区活动用户进行调度的具体方法为：第一个小区中的基站仅与本小区内的第一个小区活动用户通信，第二个小区中的基站仅与本小区内的第一个小区活动用户通信。

如图5所示，在此方法中，每个基站仅与一个活动用户通信，且基站与用户之间仅有一个数据流，取：

$V^{\[1\]}=null\left(H_1^{\[21\]}{W}^{\[21\]}\right)---\left(10\right)$

$V^{\[2\]}=null\left(H_2^{\[11\]}{W}^{\[11\]}\right)---\left(11\right)$

如此设计后，2个干扰小区分解为2条相互独立的链路。基站配置2根天线，用户配置2根天线。则总的发送的数据流数量为2，平均每条链路的自由度为4。

本实施例中，步骤六中两个小区的基站采用正交复用方法的传输模式对四个小区活动用户进行调度的具体方法为：两个小区中的基站同时与一个小区活动用户通信。采用传统的正交复用方法(频分、时分等)，系统等效为2个独立的小区，假定基站同时仅与一个用户通信，且发送一个数据流。从而其自由度为1，分集增益为6。

为了验证本发明的有效性，对本发明提出的步骤三、四、五、六给出的方法进行了复用增益与分集增益的折中分析对比，采用MATLAB软件绘制的复用增益与分集增益的折中分析对比图如图6所示，从图6中可以看出，采用干扰对齐技术其自由度最高为4，采用传统的正交复用方法每条链路的分集增益最大为6。随着系统中用户的信噪比的变化，应当分别采用不同的工作模式。高信噪比情况下采用自由度大的方法，信噪比低的时候，采用分集增益大的方法。如此，整个网络的性能得到提高。

为了进一步验证本发明的有效性，采用蒙特卡罗方法对本发明进行了仿真，两个小区内各有一个基站和两个小区活动用户，组成干扰网络，基站配置3根天线，用户配置2根天线。用户发送一个数据流到基站。对于干扰对齐方法(IA)，每用户分配功率为P。对于干第一种干扰抑制方法(IR1)，第一个小区仅有一个活动用户，该用户分配功率为2P，第二个小区有2个活动用户，每个用户分配功率为P。对于第二种干扰抑制方法(IR2)，每个小区仅有一个活动用户，每用户分配功率为2P。对于正交复用方法(Orth)，每用户分配功率为4P。从而，对于整个网络来讲，每种工作方法总的分配功率均为4P，保证了仿真的公平性。仿真结果图如图7所示，由图7可以看到单独采用任何一种方法仅仅在某些情况下可达速率高于其他算法。而如果采用本发明所设计的动态模式切换方法(DMS)，可达速率优于任何一种单独的方法。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。