基于最大独立集的MIMOIC链式干扰对齐方法与流程

基于最大独立集的mimo ic链式干扰对齐方法
技术领域
1.本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信技术领域中的一种基于最大独立集的多输入多输出mimo(multiple input multiple output)部分连接干扰信道ic(interference channel)中链式干扰对齐方法。本发明可用于mimo部分连接的干扰信道，通过设计干扰对齐链求解预编码矩阵和解码矩阵，提升系统自由度，达到干扰对齐的目的。


背景技术：

2.干扰对齐的思想是将信号空间划分为期望信号子空间和干扰信号子空间两个部分,通过预编码技术使干扰在接收端对齐,从而压缩干扰所占的信号维度,减少干扰对期望信号的影响,达到提高系统传输速率的目的。jafar教授已经从理论上证明,通过干扰对齐技术,在个k用户的无线干扰信道中,每个用户最多能获得相当于只有一个用户时总频谱资源的1/2，在k个用户能够获得的频谱资源为只有一个用户时的k/2倍。
3.w liu，z zhang，l huang，j xu和x chen在其发表的论文“alignment chain-based closed-form ia solution for multiple user mimo interference networks”(“ieee transactions on vehicular technology”2021，70(2)：1518-1527)中提出了一种mimo全连接干扰信道中的链式干扰对齐方法。该方法的实现步骤为：第一步：构建mimo全连接干扰信道模型，第二步：确定预编码子矩阵的对齐顺序，以此设计干扰对齐链，第三步：根据干扰对齐链确定干扰对齐方程，第四步：获取接收端的可达自由度以及信道状态信息矩阵，第五步：根据干扰对齐方程、可达自由度以及信道状态信息矩阵，通过迫零算法求解预编码矩阵和解码矩阵。该方法存在的不足之处是，只能固定的选取信道状态信息矩阵，并且只用到了mimo系统中每个收发节点中最小的天线数，而对于收发节点中多余的天线数并未有效利用。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对上述现有技术存在的缺陷，提出一种基于最大独立集的mimo ic链式干扰对齐方法，旨在解决现有技术中信道状态信息矩阵选取固定，收发节点的天线利用率低的条件限制。
5.本发明目的的技术思路是：本发明通过构建干扰对齐方案的冲突图获取冲突图的最大独立集得到不冲突的干扰对齐方案，刻画干扰对齐方案的冲突关系，选取信道状态信息矩阵，以此解决了信道状态信息矩阵选取固定、对齐的干扰范围缩小、系统干扰对齐不充分、信道传输速率低的问题。本发明通过获取每个接收端需要压缩的空间维度以及最大独立集得到的干扰对齐方案，确定每个接收节点的天线可以承载的干扰，设计链式干扰对齐方程，以此解决了收发节点天线利用率低、系统自由度低、信道传输速率低的问题。
6.为实现上述目的，本发明的主要步骤如下：
7.步骤1，设置系统参数：
8.设置多输入多输出mimo干扰信道系统中包括k对收发端，每个接收端配置nr根天
线，将每个发送端配置m
t
根天线，其中，m
t
≥2,nr≥2且nr＞m
t
，发送端对接收端发送d个数据流，
9.步骤2，构建mimo干扰信道的部分连接模型：
10.将p≥η时的干扰链路设置为1，将p＜η时的干扰链路设置为0，忽略置0干扰链路对系统传输的影响，得到有发送端与接收端之间的连接关系的mimo干扰信道的部分连接模型；其中，p表示来自多个干扰链路的干扰功率之和，η表示根据mimo干扰信道的传输要求设置的干扰门限；
11.步骤3，生成每个接收端的发送端集合：
12.由mimo干扰信道的部分连接模型中发送端与接收端之间的连接关系，生成与每个接收端有连接关系的发送端集合；
13.步骤4，生成每个接收端的干扰对齐方案：
14.步骤4.1，判断部分连接模型中的每个接收端是否满足若是，则执行步骤4.2，否则，执行步骤5；其中，表示与第j个接收端有连接关系的发送端集合，|
·
|表示取基数操作；
15.步骤4.2，利用公式，计算每个接收端需要压缩的干扰空间维度，其中，nj表示第j个接收端需要压缩的干扰空间维度，表示向上取整操作；
16.步骤4.3，由每个接收端的集合，生成每个接收端所选的每个发送端的有序序列，将同一个接收端的所有发送端有序序列并集，得到该接收端的有序序列集合；
17.步骤4.4，从每个接收端的有序序列集合中，选取发送端左索引互不相同、发送端右索引互不相同的有序序列组成干扰对齐方案；
18.步骤5，构建代表干扰对齐方案的冲突图：
19.构建每个接收端的所有冲突图，每个冲突图中的每个顶点代表一个干扰对齐方案，将满足干扰对齐方案冲突条件的两个顶点用一条边连接，每条边表示由这条边所连接的两个顶点所代表的干扰对齐方案之间存在冲突关系；
20.步骤6，生成冲突图的最大独立集：
21.使用bron-kerbosch算法，计算每个接收端的所有冲突图的最大冲突团，将所有最大冲突团并集得到最大团，将冲突图中所有顶点中不属于最大团的顶点构成最大独立集；
22.步骤7，构建干扰对齐链方程：
23.步骤7.1，列举最大独立集包含的所有顶点所代表的干扰对齐方案，并列举干扰对齐方案包含的所有有序序列；
24.步骤7.2，由每一个有序序列构建d-1个对齐预编码列向量的干扰对齐方程；
25.步骤7.3，将包含相同预编码列向量的干扰对齐方程联立，得到干扰对齐链方程组；
26.步骤8，生成解码矩阵：
27.步骤8.1，通过迫零算法，求解每个干扰对齐链方程组，将所有干扰对齐链方程组
的解组成复数域的预编码矩阵；
28.步骤8.2，利用干扰对齐约束公式，从复数域中挑选元素生成解码矩阵；
29.步骤9，每个发送端同时发送数据流：
30.步骤9.1，利用预编码公式，对每个发送端拟发送的发送向量执行预编码操作；
31.步骤9.2，每个发送端向对应的接收端发送预编码后的发送向量；
32.步骤10，消除接收端的干扰信号：
33.步骤10.1，每个接收端接收到其对应的发送端发送的预编码后的期望信号向量，同时接收到其他的发送端发送的预编码后的干扰信号向量；
34.步骤10.2，利用解码公式，对每个接收端接收到的信号向量执行解码操作，将其期望信号向量与干扰信号向量分离；
35.步骤11，在每个接收端处得到无干扰的期望信号，结束干扰对齐。
36.本发明与现有技术相比，具有如下优点：
37.第一，本发明通过构建干扰对齐方案的冲突图，使用bron-kerbosch算法获取冲突图的最大团，以此获取冲突图的最大独立集得到不冲突的干扰对齐方案，从而刻画干扰对齐方案之间的冲突图关系，克服了现有技术选取信道状态信息矩阵固定、对齐的干扰范围缩小、系统干扰对齐不充分、信道传输速率低的问题，使得本发明增加了信道状态信息矩阵的选取范围，增加了对齐的干扰范围，充分对齐系统的干扰，提升信道传输速率。
38.第二，本发明通过获取每个接收节点需要压缩的空间维度以及最大独立集得到不冲突的干扰对齐方案，确定每个接收节点的天线可以承载的干扰，以此设计链式干扰对齐方程，得到预编码矩阵与解码矩阵，克服了现有技术收发节点天线利用率低、系统自由度低、信道传输速率低的问题，使得本发明提升了天线利用率，增加了系统自由度和信道传输速率。
附图说明
39.图1是本发明的实现流程图；
40.图2是多输入多输出mimo干扰信道的部分连接模型图。
41.图3是本发明的仿真结果图。
具体实施方式
42.以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
43.参照图1和实施例，对本发明的实现步骤作进一步详细描述。
44.步骤1，设置系统参数。
45.本发明实施例中设置的多输入多输出mimo干扰信道系统中包括k对收发端，k＝8，每个接收端配置nr根天线，nr＝34，将每个发送端配置m
t
根天线，m
t
＝29，其中，m
t
,nr≥2且nr＞m
t
，发送端对接收端发送d个数据流，d＝6。
46.步骤2，构建多输入多输出mimo干扰信道的部分连接模型。
47.参照附图2，对构建多输入多输出mimo干扰信道的部分连接模型的具体结构描述如下。
48.图2中的tx i表示多输入多输出mimo干扰信道中的第i个发送端，rx j表示多输入多输出mimo干扰信道中的第j个接收端，i,j∈{1,2...,k}，∈表示属于符号。
49.将p≥η时的干扰链路设置为1，将p＜η时的干扰链路设置为0，忽略置0干扰链路对系统传输的影响，得到有发送端与接收端之间的连接关系的mimo干扰信道的部分连接模型；其中，p表示来自多个干扰链路的干扰功率之和，η表示根据mimo干扰信道的传输要求设置的干扰门限。
50.步骤3，由多输入多输出mimo干扰信道的部分连接模型图，生成与每个接收端有连接关系的发送端集合。接关系的发送端集合。其中，表示与第j个接收端有连接关系的发送端集合，表示第1个接收端与第5,6,7,8个发送端有连接关系。
51.步骤4，生成每个接收端的干扰对齐方案。
52.步骤4.1，判断mimo干扰信道的部分连接模型中的每个接收端是否满足若是，则判定接收端的天线数不足以承载干扰空间维度和有用信号空间维度，执行步骤4.2，否则，判定接收端的天线数足够承载干扰子空间维度和有用信号空间维度，执行步骤5；其中，|
·
|表示取基数操作；
53.步骤4.2，利用确定每个接收端需要压缩的干扰空间维度，n4＝n5＝n6＝1,n7＝2,n8＝3，其中，nj表示第j个接收端需要压缩的干扰空间维度，表示向上取整操作；
54.步骤4.3，获取每个接收端的有序序列l，并组成有序序列集合，其中，第j个接收端的有序序列l＝{j,i1,i2}，i1表示发送端左索引，i2表示发送端右索引，第5个接收端的有序序列集合为{5,1,3},{5,1,6},{5,1,7},{5,1,8},{5,3,1}
…
,{5,8,6},{5,8,7}；
55.步骤4.4，从每个接收端的有序序列集合中选取有序序列l组成干扰对齐方案，其中，第j个接收端需要选取nj个有序序列。为了避免后续产生相交的对齐链导致预编码列向量求解出现矛盾，同一个干扰对齐方案内，每个有序序列的发送端左索引互不相同，每个有序序列的发送端右索引互不相同。
56.步骤5，构建代表干扰对齐方案的冲突图。
57.构建一个冲突图，冲突图中的每个顶点代表一个干扰对齐方案，将满足干扰对齐方案冲突条件的两个顶点用一条边连接，每条边表示由这条边所连接的两个顶点所代表的干扰对齐方案之间存在冲突关系。所述干扰对齐方案冲突条件指的是满足下述三个条件中任意一个条件的情形：
58.条件1，顶点所代表的干扰对齐方案中存在一个有序序列的发送端左索引与另一个顶点所代表的干扰对齐方案中的发送端左索引相同；
59.条件2，顶点所代表的干扰对齐方案中存在一个有序序列的发送端右索引与另一个顶点所代表的干扰对齐方案中的发送端右索引相同；
60.条件3，两个顶点所代表的干扰对齐方案是同一个接收端的干扰对齐方案。
61.步骤6，生成冲突图的最大独立集。
62.使用bron-kerbosch算法，获取每个接收端的所有冲突图的最大冲突团，将所有最大冲突团并集得到最大团，将冲突图中所有顶点中不属于最大团的顶点构成最大独立集；
63.步骤7，构建干扰对齐链方程。
64.步骤7.1，列举最大独立集包含的所有干扰对齐方案，并根据干扰对齐方案列举所有的有序序列；
65.步骤7.2，由有序序列l构建5个干扰对齐方程，其中，h
ji1
表示第i1个发送端到第j个接收端的信道状态信息矩阵，表示第i2个发送端到第j个接收端的信道状态信息矩阵，表示预编码矩阵的第k个预编码列向量；
66.步骤7.3，将包含相同预编码列向量的干扰对齐方程联立，得到干扰对齐链方程组。
67.步骤8，生成解码矩阵。
68.步骤8.1，通过迫零算法，求解每个干扰对齐链方程组，将所有干扰对齐链方程组的解组成复数域的预编码矩阵；
69.步骤8.2，利用公式(uj)hh
jivi
＝0，从复数域中挑选元素生成解码矩阵，其中，uj表示第j个解码矩阵，h
ji
表示第i个发送端到第j个接收端的信道状态信息矩阵，vi表示第i个预编码矩阵。
70.步骤9，每个发送端同时发送数据流。
71.步骤9.1，利用公式si＝vixi，对每个发送端拟发送的发送向量执行预编码操作，其中，si表示第i个发送端进行预编码后的发送向量，xi表示第i个发送端的发送向量。
72.步骤9.2，每个发送端向对应的接收端发送预编码后的发送向量。
73.步骤10，消除接收端的干扰信号。
74.步骤10.1，每个接收端接收到其对应的发送端发送的预编码后的期望信号向量，同时接收到其他的发送端发送的预编码后的干扰信号向量。
75.步骤10.2，利用公式yj＝(uj)hpj，对每个接收端接收到的信号向量执行解码操作，将其期望信号向量与干扰信号向量分离，其中，yj表示第j个接收端的期望信号向量，h表示共轭转置操作，pj表示第j个接收机接收到的信号向量。
76.步骤11，在每个接收端处得到无干扰的期望信号，结束干扰对齐。
77.下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的说明：
78.1.仿真实验条件：
79.本发明的仿真实验的硬件平台为：处理器为inter xeon silver 4208 cpu,主频为2.1ghz，内存128g。
80.本发明的仿真实验的软件平台为：windows10操作系统python3.7仿真软件。
81.2.仿真内容及其结果分析：
82.本发明仿真实验是利用python3.7仿真软件中编程模拟了一个多输入多输出mimo干扰信道的部分连接网络，网络中的每个发射机分别配置29根天线，每个接收机分别配置34根天线，每个发射机发射6个数据流，采用本发明和一个现有技术(mimo干扰信道中的链
式干扰对齐方法)在收发端数分别为6，7，8，9，10，11，12时，对网络的总自由度进行仿真，其结果如图3所示。
83.在仿真实验中，采用的一个现有技术是指：
84.w liu等人在其发表的论文“alignment chain-based closed-form ia solution for multiple user mimo interference networks”(“ieee transactions on vehicular technology”2021，70(2)：1518-1527)中提出的mimo干扰信道中的链式干扰对齐方法。
85.下面结合图3的仿真图对本发明的效果做进一步的描述。
86.图3为在相同配置的mimo干扰信道部分连接网络下，采用本发明的方法与现有技术的方法分别获得的网络总自由度比较图。图3中的横坐标表示mimo干扰信道部分连接网络中的收发端数目。纵坐标表示mimo干扰信道部分连接网络的总自由度。图3中以圆形形标示的曲线表示采用现有技术的仿真结果曲线，以星形标示的曲线表示采用本发明的方法仿真结果曲线。
87.由图3中的两条仿真曲线可以看出，本发明得到的mimo干扰信道部分连接网络的总自由度，明显高于现有技术得到的mimo干扰信道部分连接网络的总自由度。
88.以上仿真实验结果表明，在网络中收发端数目相同的情况下，本发明得到的mimo干扰信道部分连接网络的总自由度明显高于现有技术得到的mimo干扰信道部分连接网络的总自由度。本发明增加了信道状态信息矩阵的选取范围，增加了对齐的干扰范围，充分对齐系统的干扰；克服了现有技术收发节点天线利用率低、系统自由度低、信道传输速率低的问题，使得本发明提升了天线利用率，增加了系统自由度和信道传输速率。