MIMO干扰广播信道的拓扑干扰对齐方法与流程

技术特征：

1.一种MIMO干扰广播信道的拓扑干扰对齐方法，包括：

1)系统设置:

设多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC系统有L个小区，每个小区包含一个基站和若干个用户，第i个小区MS i中服务本小区K_i个用户的基站为BS i，该小区中第j个用户表示为MS[i,j]，i∈{1,2,...,L},j∈{1,2,...,K_i}，基站BS i配置的天线数为M_i，用户MS[i,j]配置的天线数为N_ij，小区MS i配置的天线数目为N_i，设置M_i≥N_i，当M_i<N_i时，关闭(N_i-M_i)根接收天线即可得到M_i≥N_i；

2)利用多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC的拓扑信息，构建多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC的部分连接模型；

3)对构建的多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC部分连接模型中每个小区进行虚拟基站扩展，即假设每个小区的基站数量与该小区服务的用户数量相等，并对扩展的基站添加强干扰链路连接，得到多输入多输出干扰信道MIMO IC的部分连接模型；

4)根据多输入多输出干扰信道MIMO IC的部分连接模型，联合设计该模型满足拓扑干扰对齐条件的预编码矩阵和解码矩阵实现步骤为：

4a)将多输入多输出干扰信道MIMO IC的部分连接模型中的每个节点视作单天线节点，得到单输入单输出干扰信道SISO IC的部分连接模型，并求解得到的模型满足拓扑干扰对齐条件的预编码矩阵和解码矩阵

4b)利用预编码矩阵和解码矩阵设计多输入多输出干扰信道MIMO IC满足拓扑干扰对齐条件的预编码矩阵和解码矩阵

5)利用预编码矩阵和解码矩阵设计多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC的预编码矩阵V_i和解码矩阵u_ij，并利用预编码矩阵V_i和解码矩阵u_ij对小区间的干扰进行消除，得到用户端MS[i,j]处的转置接收信号向量l_ij，实现步骤为：

5a)根据多输入多输出干扰信道MIMO IC满足拓扑干扰对齐的预编码矩阵和解码矩阵为多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC系统分配预编码矩阵V_i和解码矩阵u_ij：

5b)构建基站BSi处维度为(N_ie×e)的发射信号块

5c)利用基站BS i的发射信号块以及预编码矩阵V_i，构建基站BSi的发射信号矩阵X_i，发射信号矩阵X_i经过信道作用后到达用户端MS[i,j]，得到用户端MS[i,j]的接收信号矩阵Y_ij；

5d)对用户端MS[i,j]接收到的信号矩阵Y_ij进行转置,得到转置后的接收信号矩阵并利用解码矩阵u_ij对该转置后的接收信号矩阵进行解码，得到用户端MS[i,j]处的转置接收信号向量l_ij；

6)对转置接收信号l_ij进行再转置，得到再转置后的接收信号再将小区MS i内所有用户的再转置接收信号进行累加，得到混合接收信号利用混合接收信号设计用于消除小区内干扰的预处理矩阵G_i，并将其代入小区MS i的混合接收信号得到无干扰的接收信号。

2.根据权利要求1所述的MIMO干扰广播信道的拓扑干扰对齐方法，其特征在于，步骤2)中所述的构建多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC的部分连接模型，按如下步骤实现：

首先对一个基站端BS m上所有天线到另一个小区中用户端MS[i,j]上所有天线的干扰信号功率进行集成，得到该条干扰链路的干扰功率，m≠i,m∈{1,2,...,L}；然后将每个用户端接收到的来自多个干扰链路的干扰功率之和P小于系统给定的干扰门限η的干扰链路均置为0，并忽略这些干扰链路，其余的干扰链路置为1，得到MIMO IBC的部分连接模型。

3.根据权利要求1所述的MIMO干扰广播信道的拓扑干扰对齐方法，其特征在于，步骤3)中所述的多输入多输出干扰信道MIMO IC的部分连接模型，按如下步骤获取：

首先将多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC的部分连接模型中每个小区内的基站数目扩展至和该小区内的服务用户数相等，然后在扩展后的部分连接模型中，给第i个小区内的第j个基站BS[i,j]配置与扩展前的基站BS i相同的发射天线数目M_i，最后给扩展的基站添加强干扰链路连接：对多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC部分连接模型中存在强干扰链路连接的基站BS m和用户MS[i,j]对应的多输入多输出干扰信道MIMO IC部分连接模型中的基站BS[m,n]和用户MS[i,j]添加强干扰链路连接，n∈{1,2,...,K_m}，得到多输入多输出干扰信道MIMO IC的部分连接模型。

4.根据权利要求1所述的MIMO干扰广播信道的拓扑干扰对齐方法，其特征在于，步骤4a)中所述的预编码矩阵和解码矩阵其获取步骤为：

4a1)将多输入多输出干扰信道MIMO IC的部分连接模型中的每个节点视作单天线节点，得到单输入单输出干扰信道SISO IC的部分连接模型，并根据得到的模型构建单输入单输出干扰信道SISO IC索引编码矩阵A的矩阵填充模型：

其中，表示索引编码矩阵A中第行第列的元素，表示强干扰收发对的集合，([m,n],[i,j])表示在虚拟基站扩展后的多输入多输出干扰信道MIMO IC的部分连接模型中，从基站BS[m,n]到用户MS[i,j]之间的强干扰链路，×表示需要进行填充的元素；

4a2)运用交替投影算法对矩阵填充模型中需要进行填充的元素×进行填充,得到填充后的索引编码矩阵A以及A的秩e，实现步骤为：

4a21)设交替投影算法的起始随机矩阵为A^m；

4a22)对A^m进行投影，得到矩阵A^m的一个秩为e的最佳近似矩阵：B^m＝svds(A^m,e),其中，svds(,)表示截断奇异值分解；

4a23)对B^m进行投影，得到填充矩阵A^m+1：

其中,S^c表示集合S的补集,表示集合S^c中的元素对应的矩阵元素按矩阵Β^m中的对应元素取值,I表示单位矩阵；

4a24)对4a22)和4a23)进行迭代运算，当4a22)中的迭代结果B^m满足：# 或4a23)中的迭代结果A^m+1满足:时，交替投影收敛，得到填充后的索引编码矩阵A以及A的秩e，其中，表示集合S^c中的元素对应的矩阵元素按矩阵B^m中的对应元素取值，表示集合S^c中的元素对应的矩阵元素按矩阵A^m+1中的对应元素取值；

4a3)对索引编码矩阵A进行分解，得到单输入单输出干扰信道SISO IC的预编码矩阵和解码矩阵分解公式为：

其中，U表示将单输入单输出干扰信道6，62#，&的预编码矩阵的转置按行累加得#到的矩阵，V表示将单输入单输出干扰信道SISO IC的预编码矩阵按列累加得到的矩阵，T表示矩阵转置。

5.根据权利要求1所述的MIMO干扰广播信道的拓扑干扰对齐方法，其特征在于，步骤4b)中所述的设计多输入多输出干扰信道MIMO IC满足拓扑干扰对齐条件的预编码矩阵 和解码矩阵实现步骤为：

4b1)利用Kronecker积，对单输入单输出干扰信道SISO IC中基站BS[m,n]处的预编码矩阵进行时延扩展，得到多输入多输出干扰信道MIMO IC中基站BS[m,n]的预编码矩阵其中，的维度为(N_mn×N_mne)，表示阶数为N_mn的单位矩阵；

4b2)设计多输入多输出干扰信道MIMO IC系统中接收端MS[i,j]处的解码矩阵为： 。

6.根据权利要求1所述的MIMO干扰广播信道的拓扑干扰对齐方法，其特征在于，步骤5a)中所述的为多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC系统分配预编码矩阵V_i和解码矩阵u_ij，实现步骤为：

5a1)根据多输入多输出干扰信道MIMO IC的预编码矩阵设计多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC基站BS i处维度为(N_i×N_ie)的预编码矩阵V_i：

5a2)根据多输入多输出干扰信道MIMO IC的解码矩阵设计多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC中接收端MS[i,j]处维度为(e×1)的解码矩阵u_ij为：

7.根据权利要求1所述的MIMO干扰广播信道的拓扑干扰对齐方法，其特征在于，步骤5b)中所述的构建基站BSi处维度为(N_ie×e)的发射信号块实现步骤为：

5b1)设计维度为(N_ij×1)的发射信号向量其中，G_ij是维度为(N_ij×N_i)的矩阵，它由基站i处的维度为(N_i×N_i)的预处理矩阵G_i中第行到第行元素组成；

5b2)利用发射信号向量设计维度为(N_ije×e)的发射信号子块其中，I_e表示阶数为e的单位矩阵；

5b3)利用发射信号子块构建基站BS i处维度为(N_ie×e)的发射信号块

8.根据权利要求1所述的MIMO干扰广播信道的拓扑干扰对齐方法，其特征在于，步骤5c)中所述的用户端MS[i,j]的接收信号矩阵Y_ij，其获取步骤为：

5c1)利用基站BS i的发射信号块以及预编码矩阵V_i，构建发射端BS i处的发射信号矩阵X_i为：

5c2)设计二次预处理矩阵F_i，并对发射信号矩阵X_i左乘F_i，得到维度为(M_i×e)的发射信号

其中，是一个(M_i×N_i)维矩阵；

5c3)发射信号矩阵X_i经过信道作用后到达用户端MS[i,j]，得到用户端MS[i,j]的接收信号矩阵Y_ij：

其中，表示由基站BS m到用户MS[i,j]之间(N_ij×N_m)维的等价信道矩阵，它由(N_ij×M_m)维的信道矩阵的前N_m列构成。

9.根据权利要求1所述的MIMO干扰广播信道的拓扑干扰对齐方法，其特征在于，步骤5d)中所述的用户端MS[i,j]处的转置接收信号向量l_ij，其获取步骤为：

5d1)将用户端MS[i,j]处的接收信号矩阵Y_ij进行转置,得到转置后的接收信号矩阵

其中，

5d2)利用解码矩阵u_ij对转置后的接收信号矩阵进行解码，得到用户端MS[i,j]的转置接收信号向量l_ij：

其中，

10.根据权利要求1所述的MIMO干扰广播信道的拓扑干扰对齐方法，其特征在于，步骤6)所述的无干扰的接收信号，其获取步骤为：

6a)对转置接收信号l_ij进行再转置，得到再转置后的接收信号

其中，是(N_ij×N_in)维的矩阵，它包括了等效信道矩阵中第行到第行的元素；

6b)将小区MS i内所有用户的再转置接收信号进行累加，得到混合接收信号

其中，表示从基站BS i到小区MS i之间(N_i×N_i)维满秩的等效信道矩阵，其表达式为：

6c)设计用于消除小区内干扰的预处理矩阵G_i，并将其代入小区MS i的混合接收信号 得到无干扰的接收信号：