一种分层异构多小区MIMO系统干扰消除方法及装置与流程

本发明涉及通信领域，具体涉及一种分层异构多小区MIMO系统信号干扰消除方法及装置。

背景技术：

智能电网技术通过对变电设备的实时监控，极大地提升了电网企业的监管水平和企业运行效率。无线通信技术作为智能电网检测数据传输的重要技术，是智能电网建设的重要部分。然而，智能电网系统电磁环境复杂，对无线通信技术提出了巨大的技术挑战。具体而言：智能电网中监控节点众多，多个小区并存并形成复杂的干扰结构；业务种类多样，即有高服务质量要求、低速率的设备监控数据，又有监控视频等高速数据传输需求；工作现场电磁环境复杂，其噪声与变电设备的运转息息相关，已不再服从蜂窝无线通信中所通常假设的高斯统计分布，还存在高强度脉冲噪声，进一步干扰了无线通信的正常进行。在这种情况下，传统的干扰管理技术难以适应工业无线网络传输高可靠性的要求。

在当前工业无线网络广泛使用无线局域网和短距离无线通信技术进行数据传输，包括采用802.11标准进行高速数据传输和采用802.15.4标准进行低速低功耗数据传输。这些设备均工作在ISM频段，大量设备的共存使得相互间产生严重的干扰，成为制约数据传输质量的关键因素之一。802.11和802.15.4标准均采用竞争接入的方式进行干扰管理，一方面，从本质上是对频谱资源的划分,并没有实质上消除干扰带来的不利影响；另一方面，采用载波侦听检测(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance,CSMA/CA)机制来竞争接入无线信道，在传输业务量大，网络密集部署的条件下，发射信号的碰撞和退避不仅会导致频谱资源的大量浪费，还会导致数据传输可靠性低，传输时延增大，时延抖动增加，难移满足工业数据传输对可靠性和实时性的需求。

在实际应用中，由于采集数据多样，现场电磁环境复杂，常形成分层异构的网络结构。例如在电网输配电现场，采用无线通信技术的站控层和过程层形成了典型的分层异构网络结构，其中站控层作为宏小区实现高速传输，过程层作为微小区实现低速数据采集。在这种复杂的网络结构和电磁环境下，如何有效的消除干扰，提高通信的可靠性，是当前无线通信领域面临的重要问题。多输入多输出技术(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)通过在发送端和接收端均采用多根天线，实现分集发送和接收，并构建多个并行的空间域传输信道。通过引入空域信号维度，MIMO系统能够增加信号传输的可靠性，并将原来仅仅在频域和时域空间的信号设计问题扩展到空间域，能够有效增加信号的自由度，提高系统的容量。但是，在分层异构多小区MIMO系统中，宏小区与微小区、微小区之间均广泛存在相互干扰，严重降低用户的信干比和整个通信系统的容量。

技术实现要素：

因此，本发明要解决的技术问题在于现有技术中分层异构多小区MIMO系统中存在干扰难以消除、影响通信质量。

本发明提供一种分层异构多小区MIMO系统干扰消除方法，所述分层异构多小区MIMO系统包括一个宏小区和在所述宏小区覆盖范围内的多个微小区，包括如下步骤：对微小区用户分组，针对微小区用户设置第一接收滤波矩阵，将宏小区基站对同一微小区的干扰对齐到相同的信号空间；对宏小区基站的发射信号进行第一预编码，消除宏小区基站对微小区用户的干扰；针对宏小区用户设置第二接收滤波矩阵，消除宏小区的用户间干扰；对微小区基站的发射信号进行第二预编码，消除微小区基站对宏小区用户的干扰以及同一微小区内其它用户的干扰。

优选地，所述对微小区用户分组，针对微小区用户设置第一接收滤波矩阵，将宏小区基站对同一微小区的干扰对齐到相同的信号空间，包括：

计算宏小区基站对微小区用户的分组，公式如下：

其中，G_l表示宏小区基站对微小区l内所有用户的干扰信号，宏小区的编号为0，微小区的编号为1,L,L，为从宏小区基站到用户(l,i)的信道矩阵，用户(l,i)表示第l个微小区中第i个用户；U_l,i为微小区l中用户i的接收滤波矩阵，K₁为宏小区的用户数量，K₂为微小区中的用户数量；

将宏小区基站对同一微小区的干扰对齐到相同的信号空间，通过如下干扰对齐公式计算：

其中，为(N₁×N₁)的单位矩阵，且

优选地，所述对宏小区基站的发射信号进行第一预编码，消除宏小区基站对微小区用户的干扰的步骤，包括：

通过如下第一预编码公式进行计算，V₀表示宏小区基站的发射信号预编码后的信号，

V₀＝null([G₁ G₂ L G_L])。

优选地，所述针对宏小区用户设置第二接收滤波矩阵的步骤，包括：

对宏小区用户α的第d个子数据流，其宏小区用户接收滤波矩阵公式为：

U_0,α,d＝ν₁(Q_0,α,d)

其中

其中，为从宏小区基站到宏小区用户(0,α)的信道矩阵，V_0,β,p表示宏小区用户β的第p个子数据流的预编码矢量，V_0,α,d表示宏小区用户α的第d个子数据流的预编码矢量。

优选地，所述对微小区基站的发射信号进行第二预编码的步骤，包括：

通过以下第二预编码公式进行计算：

其中，宏小区的用户数量为K₁，微小区l中的用户数量为K₂，为从微小区基站l到宏小区用户(0,α)的信道矩阵，α＝1，…，K₁；U_l,i为微小区l中用户i的接收滤波矩阵，为从微小区l到用户(l,i)的信道矩阵，i＝1，…K₂。

优选地，所述干扰对齐公式中F_l的维度为K₂N₁×(N₁+K₂M₂)，需要满足：

其中宏小区基站数量分别为N₁，微小区用户数量为M₂，每个微小区中的用户数量为K₂。

优选地，所述第一预编码公式中，[G₁ G₂ L G_L]的维度为：N₁×L，每个宏小区用户的自由度为D₁，需要满足条件：N₁≥L+K₁D₁，K₁为宏小区的用户数量，宏小区用户数量为M₁。

优选地，所述宏小区用户接收滤波矩阵公式中，需要满足M₁≥K₁D₁。

优选地，所述第二预编码公式中V_l,i的维度为N₂×(K₁D₁+K₂-1)，需要满足的条件为：N₂≥K₁D₁+K₂，N₂为微小区基站数量。

此外，本发明还提供一种分层异构多小区MIMO系统干扰消除装置，所述分层异构多小区MIMO系统包括一个宏小区和在所述宏小区覆盖范围内的多个微小区，包括：微小区接收滤波矩阵设置单元21，用于对微小区用户分组，针对微小区用户设置第一接收滤波矩阵，将宏小区基站对同一微小区的干扰对齐到相同的信号空间；宏小区预编码单元22，用于对宏小区基站的发射信号进行第一预编码，消除宏小区基站对微小区用户的干扰；宏小区接收滤波矩阵设置单元23，用于针对宏小区用户设置第二接收滤波矩阵，消除宏小区的用户间干扰；微小区编码单元24，用于对微小区基站的发射信号进行第二预编码，消除微小区基站对宏小区用户的干扰以及同一微小区内其它用户的干扰。

本发明技术方案，具有如下优点：

1、本发明提供的分层异构多小区MIMO系统干扰消除方法，通过对宏小区用户和基站、微小区用户和基站进行联合预编码，能够有效消除小区间的相互干扰。首先通过对微小区用户进行接收滤波矩阵设计，将宏小区基站对同一微小区的干扰对齐到相同的信号空间，其次通过宏小区发送预编码的设计，完全消除宏小区基站对微小区用户的干扰。在此基础上，根据宏小区和微小区对传输速率的不同需求，通过宏小区接收滤波矩阵的设计消除宏小区的用户间干扰，并通过微小区基站发送预编码的设计消除。该方法通过减少和消除小区间的相互干扰，因而能够显著提升多小区多用户并存状态下和复杂电磁环境下的无线通信性能，在智能电网等各类复杂多小区网络中的可靠传输具有良好的应用潜力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中分层异构多小区MIMO系统干扰消除方法的一个具体示例的流程图；

图2为本发明实施例2中分层异构多小区MIMO系统干扰消除装置的一个具体示例的结构框图；

图3、图4为本发明实施例1中的仿真效果图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例中提供一种分层异构多小区MIMO系统干扰消除方法，针对一个分层异构多小区MIMO系统的下行链路，该分层异构多小区MIMO系统中包含1个宏小区，在该宏小区覆盖范围内存在多个微小区，每个宏小区内包含若干高速通信用户，而每个微小区内均包含着若干个低速高可靠性通信用户。

FDD通信系统下行链路中，宏小区数量为1个，宏小区覆盖范围内存在L个微小区。宏小区的用户数量为K₁，而微小区的用户数量为K₂。宏小区基站和用户的天线数量分别为N₁和M₁，微小区基站和用户的天线数量分别为N₂和M₂。每个微小区用户的自由度为1，每个宏小区用户的自由度为D。设宏小区的编号为0，微小区的编号为1,L,L，微小区l内用户i记为用户(l,i)，则宏小区内用户α记为用户(0,α)，用户(0,α)的接收信号为：

上式右边第一项为期望信号，第二项为宏小区内用户间干扰，第三项为微小区对宏小区用户的干扰，最后一项为噪声。上式中U_0,α为宏小区用户的接收滤波矩阵，V_0,α和V_l,k分别为宏小区用户(0,α)和微小区用户(l,k)的发送预编码矩阵，为从微小区基站l到用户(0,α)的信道矩阵，为宏小区基站到宏小区用户(0,α)的信道矩阵，Z_0,α为宏小区用户(0,α)接收机的噪声。

类似地，微小区l内用户i即用户(l,i)的接收信号为：

上式右边第一项为期望信号，第二项为所在微小区内用户间干扰，第三项为其它微小区基站产生的干扰，第四项为宏小区基站的干扰，最后一项为噪声。上式中U_l,i为微小区l中用户i的接收滤波矩阵，和分别为从微小区j和宏小区基站到用户(l,i)的信道矩阵，Z_l,i为微小区用户(l,i)接收机的噪声。

本实施例中，采用发送端和接收端预编码的方式进行干扰消除。考虑到微小区主要传输低速高可靠性业务，因此采用单数据流的方式进行传输，即每个微小区用户的自由度为1，并重点消除对本小区用户的干扰。而宏小区主要传输高速业务，因此采用多数据流的方式进行传输，即每个宏小区用户的自由度大于1。

本实施例中的分层异构多小区MIMO系统干扰消除方法，包括如下步骤：

S1、对微小区用户分组，针对微小区用户设置第一接收滤波矩阵，将宏小区基站对同一微小区的干扰对齐到相同的信号空间。

通过对微小区用户的接收滤波器进行设计，实现对微小区用户的分组，将宏小区对同一微小区内所有用户的干扰对齐到相同的信号空间。即对任意为小区l，使：

对上式进行求解，可以通过下式得到干扰空间和微小区用户的接收滤波矩阵：

其中，为(N₁×N₁)的单位矩阵，且

S2、对宏小区基站的发射信号进行第一预编码，消除宏小区基站对微小区用户的干扰。

通过对宏小区的预编码设计，完全消除宏小区基站对微小区用户的干扰，具体方法如下：

V₀＝null([G₁ G₂ L G_L]) ---公式(5)，

G_l的定义同上。

S3、针对宏小区用户设置第二接收滤波矩阵，消除宏小区的用户间干扰。

考虑到宏小区用户传输速率高，对干扰更为敏感，需要完全消除对宏小区用户的干扰，首先通过宏小区用户接收滤波矩阵的设计使宏小区用户间干扰最小化，具体方法如下：

对宏小区用户k的第d个子数据流，其接收滤波矩阵为：

U_0,α,d＝ν₁(Q_0,α,d) ---公式(6)

其中

ν₁(A)为矩阵A的最小的特征值所对应的特征向量,其中为从宏小区基站到宏小区用户(0,α)的信道矩阵，V_0,β,p表示宏小区用户β的第p个子数据流的预编码矢量，V_0,α,d表示宏小区用户α的第d个子数据流的预编码矢量。

考虑到宏小区用户的传输速率高，对干扰更为敏感，需要完全消除所受到的干扰，设计预编码矩阵消除宏小区用户产生的用户间干扰。

S4、对微小区基站的发射信号进行第二预编码，消除微小区基站对宏小区用户的干扰以及同一微小区内其它用户的干扰。

考虑到微小区基站数据速率低，发射功率低，相互干扰较弱。为降低对天线数量的要求，对微小区预编码矩阵的设计以消除对宏小区用户和同一微小区其它用户的干扰为目标，具体方法如下：

其中，宏小区的用户数量为K₁，微小区l中的用户数量为K₂，为从微小区基站l到宏小区用户(0,α)的信道矩阵，α＝1，…，K₁；U_l,i为微小区l中用户i的接收滤波矩阵，为从微小区l到用户(l,i)的信道矩阵，i＝1，…K₂。

由于受到天线数量的限制，微小区基站不可能完全消除小区间干扰，因此，通过微小区发射预编码的设计，消除每个微小区基站对宏小区用户和同一微小区其它用户的干扰，而将对其它微小区用户的干扰作为噪声处理。

在上述步骤S1、S2、S3、S4中，要能够有解，需要对其可行性条件进行判断。

要实现对微小区用户的分组和宏小区基站干扰的消除，式(4)和(5)必须满足可行性条件；要实现宏小区用户间干扰消除，(6)式必须满足可行性条件；要实现微小区基站对宏小区用户和同一微小区其它用户的干扰消除，式(7)必须满足可行性条件

首先分析式(4)的可行性条件，式中F_l的维度为K₂N₁×(N₁+K₂M₂)，要使X_l有解，必须满足以下条件：

K₂N₁+1≤(N₁+K₂M₂)

即：

其次分析式(5)的可行性条件，式中等式右边中[G₁ G₂ L G_L]的维度为：N₁×L，因此，要使V₀有解，且每个宏小区用户的自由度达到D₁，必须满足N₁≥L+K₁D₁。

再次，分析(6)的可行性条件，要使用户间干扰最小化到零，宏小区用户的接收机信号空间必须大于等于所有用户的自由度，即必须满足M₁≥K₁D₁

最后，分析式(7)的可行性条件，式中等号左边求解零空间矩阵的维度为：N₂×(K₁D₁+K₂-1)，因此，要使V_l,i有解，必须满足N₂≥K₁D₁+K₂

综上所述，该方法实现的可行性条件为：

本实施例中的干扰消除方法，可用于用于针对以智能电网无线传输网络为代表的短距离工业无线通信系统，由于分层异构多小区MIMO系统模型中，将高速广域传输系统作为宏小区，将短距离低速高可靠传输系统作为微小区，各小区之间存在相互干扰。本实施例中的针对分层异构多小区MIMO系统干扰消除的方法，通过对宏小区基站和用户、微小区基站和用户的联合预编码，依赖于全局信道状态信息，可有效消除多小区之间的干扰，有效提高系统吞吐量。该方法适用于天线数目有限，电磁环境复杂的分层异构多小区MIMO系统的理论分析和实际应用，可以有效降低干扰信号的强度，提升系统容量。在实现过程中，均采用解析式进行求解设计，不需要迭代运算，实现复杂度低，可有效降低设备的成本。

对本实施例中所提出的干扰消除方法进行了计算机仿真，得到对于前文所述分层异构多小区MIMO系统干扰消除性能，其中宏小区系统性能如图3所示，微小区系统性能如图4所示。

仿真条件设置为：宏小区基站、微小区基站、宏小区用户、微小区用户的天线数量分别为6，6，4，4；宏小区用户的自由度均为2，微小区用户的自由度均为1，微小区个数为2。无线传输信道小尺度衰落为高斯白噪声信道，其信道矩阵的每一个元素均为均值为0，方差为1的复随机变量。大尺度衰落采用ITU标准，如下所示：

η＝40log₁₀r+30log₁₀f+49[dB]

其中r为发射机到接收机的距离，单位为km，f为工作频率，单位为MHz，仿真中设置为2GHz。

性能比较基准采用如下两种方式：

(1)匹配滤波算法。匹配滤波算法是多用户MIMO系统的标准技术之一，其基本原理是忽略噪声的影响，在获取全局信道状态信息的基础上最大化接收信号信干噪比，从而提高系统容量。

(2)竞争接入机制。考虑到当前802.11和802.15.4标准均采用以CSMA/CD为代表的竞争接入机制，能够根据业务量灵活分配信号传输所需时间或频率资源，设每个时段仅允许一个小区发射信号，各小区通过时分复用的方式工作，并以参数gamma表示宏小区传输时间和所有微小区传输时间之比。仿真中考虑到宏小区用户业务量要远高于微小区用户，因此在该基准算法中，分别仿真了gamma为0.8和0.5两种情况。需要说明的是，考虑到竞争介入机制中大量冲突的存在，实际工作时系统性能要弱于仿真结果。

图3显示随着宏小区基站发射功率增大，宏小区系统容量的增长趋势。从图中可以看出，本发明提出的干扰消除算法，相对于传统匹配滤波方法法和竞争接入方法，在系统容量上具有显著的提升。

图4显示随着微小区基站发射功率增大，微小区系统容量的增长趋势。从图中可以看出，本发明提出的干扰消除算法，在宏小区进行高速传输时也能获得稳定的系统容量，且明显优于匹配滤波法。

综上所述，本实施例中所设计的干扰消除方法，在有限的天线配置条件下，基于干扰对齐技术的预编码设计，可以满足分层异构网络中对系统传输容量的不同需求，具有良好的应用价值。

实施例2

本施例提供一种分层异构多小区MIMO系统干扰消除装置，所述分层异构多小区MIMO系统包括一个宏小区和在所述宏小区覆盖范围内的多个微小区，包括：

微小区接收滤波矩阵设置单元21，用于对微小区用户分组，针对微小区用户设置第一接收滤波矩阵，将宏小区基站对同一微小区的干扰对齐到相同的信号空间；

宏小区预编码单元22，用于对宏小区基站的发射信号进行第一预编码，消除宏小区基站对微小区用户的干扰；

宏小区接收滤波矩阵设置单元23，用于针对宏小区用户设置第二接收滤波矩阵，消除宏小区的用户间干扰；

微小区编码单元24，用于对微小区基站的发射信号进行第二预编码，消除微小区基站对宏小区用户的干扰以及同一微小区内其它用户的干扰。

上述各个单元中的具体实施方式与实施例1中的相同，在此不再赘述。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。