一种时分双工蜂窝网络上行机会式干扰对齐及消除方法

摘要

本发明公开了一种时分双工蜂窝网络上行机会式干扰对齐及消除方法，主要解决蜂窝网络中的上行干扰问题，其实现步骤是：(1)各小区基站确定自己的接收信号空间，并将接收信号空间的基广播给网络中所有的用户；(2)各基站发送导频信号，用户据此估计信道状态信息；(3)每个用户计算自身的预编码矩阵及调度准则值，并将调度准则值反馈给为自己服务的基站；(4)基站选择服务用户；(5)被选择的用户发送数据；(6)基站使用串行干扰消除技术解码数据。本发明利用多用户分集增益及基站间的回程链路，提升了网络吞吐量，并且具有较低的实施复杂度，可用于蜂窝网络通信。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及蜂窝网络上行通信中的机会 式干扰对齐及消除方法，可用于蜂窝网络中的上行干扰管理。

背景领域

无线业务的快速发展使得用户对网络速率的要求越来越高，这使 得无线通信网络容量亟待提升。为了提高蜂窝网络的容量，新一代蜂 窝网络倾向于使用全频率复用的方式以提高频谱资源的利用效率。但 这种方式会带来严重的小区间干扰。有效的干扰管理是蜂窝网络中一 个急需解决的问题。

传统的干扰避免方法通过对相邻小区分配正交的通信资源以避 免干扰，但这种方法大大降低了频谱资源的复用效率。最新提出的干 扰对齐方法被认为是一种解决无线网络干扰的有效方法。干扰对齐通 过设计发送预编码使得多个干扰信号对齐到用户的一个子信号维度 空间内，从而使得其他信号维度空间可以进行无干扰的传输。然而传 统的干扰对齐方法，发端通常需要全局的信道状态信息或者需要大量 的迭代操作以计算得到发送预编码矩阵，这使得传统的干扰对齐方法 实现复杂度较高。另一方面，由于可行性条件的限制，参与干扰对齐 的通信链路数目将会受到限制，从而限制了网络的容量。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种时分双工蜂窝网络上 行机会式干扰对齐及消除方法，通过充分利用蜂窝网络中的多用户分 集增益及基站间的回程链路以解决网络中的干扰问题并提升网络容 量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种时分双工蜂窝网络上行机会式干扰对齐及消除方法包括如 下步骤：

S1每个小区的基站确定自身的接收信号空间，并将自身接收信 号空间的基广播给网络中所有的用户，第i个基站的接收信号空间的 基U_i表示如下：

U_i＝[u_1,i,u_2,i,...,u_S,i],i＝1,...,L；

其中，每个小区均对应一个基站，L是网络中小区的数目即基站 的数目，S为每个基站最多可同时服务的用户数目；

S2每个基站发送导频信号，每个用户均根据导频信号估计对应 的基站到自身的下行信道矩阵，并利用该下行信道矩阵得到相应的上 行信道矩阵；

S3每个用户根据接收到的各基站接收信号空间的基，以及估计 得到的上行信道矩阵，计算自身的发送预编码矩阵及调度准则值，并 将调度准则值反馈给为自己服务的基站；

S4各基站根据接收到的用户反馈的调度准则值，进行用户调度， 然后计算确定被选择用户的发送功率；

S5各基站将步骤S4中确定的发送功率值发送给相应的被选择用 户；

S6所述被选择用户使用步骤S3中得到的发送预编码矩阵及步骤 S5中接收到的发送功率值，发送数据；

S7各个基站使用通过串行干扰消除方法解码其所服务的用户的 数据信息。

需要说明的是，步骤S2中，下行信道矩阵的共轭转置即为上行 信道矩阵。

需要说明的是，步骤S3中，用户的发送预编码矩阵以及调度准 则值计算如下：

v^[k,i]＝eig_min(Q^[k,i])；

η^[k,i]＝λ_min(Q^[k,i])；

其中，v^[k,i]为第i个小区中的第k个用户的发送预编码矩阵， eig_min(Q^[k,i])为矩阵Q^[k,i]的最小特征值所对应的特征向量；η^[k,i]为第i个 小区中的第k个用户的调度准则值，λ_min(Q^[k,i])为矩阵Q^[k,i]的最小特征 值；矩阵Q^[k,i]根据第i个小区中的第k个用户的上行信道矩阵及对应基 站的接收信号空间的基得出。

进一步地，需要说明的是，对于第1个小区中的第k个用户，矩 阵Q^[k,1]计算如下：

$Q^{[k,1]}={\left(H_1^{[k,1]}\right)}^H{U}_1{U}_1^H{H}_1^{[k,1]};$

其中，为第1个小区中的第k个用户到第1个基站的上行信 道矩阵，k＝1,...,K，K为每个小区内总的用户数；(·)^H表示共轭转置 操作；

而对于第j(j＝2,...,L)个小区中的第k个用户，Q^[k,j]计算如下：

$Q^{[k,j]}=\underset{l=1}{\overset{j-1}{\Sigma }}{P}_{\max }{\left(H_l^{[k,j]}\right)}^H{U}_l{U}_l^H{H}_l^{[k,j]};$

其中，为第j个小区中的第k个用户到第l个基站的上行信 道矩阵，P_max为每个用户的最大发送功率，k＝1,...,K。

需要说明的是，所述步骤S4具体包括：

4.1)令i＝L；

4.2)第i个基站执行用户选择过程：首先，第i个基站选择T(T≥S) 个具有最小调度准则值的用户作为候选用户，并将这T个候选用户所 组成的集合记为这T个候选用户将步骤S3中计算得到的发送预 编码矩阵发送给为自己服务的基站；

4.3)令其中表示第i个基站从中所选择的用户 的集合；

4.4)对于第i个基站的每个用户计算向量g^[k,i]:

$g^{[k,i]}=U_i^H{H}_i^{[k.i]}{v}^{[k,i]}-\underset{j=1}{\overset{r-1}{\Sigma }}\frac{{\left(g^{[\pi \left(j\right),i]}\right)}^H{U}_i^H{H}_i^{[k,i]}{v}^{[k,i]}}{{\left|\right|g^{[\pi \left(j\right),i]}\left|\right|}^2}{g}^{[\pi \left(j\right),i]};$

其中，v^[k,i]为用户k个的发送预编码矩阵，为用户k到为其 提供服务的第i个基站的上行信道矩阵，π(j),j＝1,...,r-1表示基站已 经选择的第j个用户；当r＝1时，

4.5)令计算用户的发送功率P^[k,i]：

$P^{[k,i]}=\frac{(I_{\mathrm{IC}}^{[k,i]}+{\sigma }^2)\delta }{{\left|\right|g^{[k,i]}\left|\right|}^2}$

其中，σ²为噪声功率值，δ为用户所需求的最小信干噪比， 表示小区i中第k用户所受到 的小区间干扰，表示第l个基站所选择的用户的集合；

4.6)如果第i个基站选择用户k，第i个基站已选用户 π(j),j＝1,...,r-1需要更新其发送功率以满足最小信干噪比的要求，记 第i个基站已选用户π(j)的最新发送功率为

$P_k^{[\pi \left(j\right),i]}=\frac{(I_{k,\mathrm{IU}}^{[\pi \left(j\right),i]}+I_{\mathrm{IC}}^{[\pi \left(j\right),i]}+{\sigma }^2)\delta }{{\left|\right|g^{[\pi \left(j\right),i]}\left|\right|}^2};$

其中，表示小区i中已选用户π(j)所受到的小区间干扰，计 算如下：

而表示小区i中已选用户π(j)所受到的小区内干扰，其计算 方法如下：

$I_{k,\mathrm{IU}}^{[\pi \left(j\right),i]}=\underset{m=j+1}{\overset{r-1}{\Sigma }}{P}_k^{[\pi \left(m\right),i]}{\left|\right|{\left(f^{[\pi \left(j\right),i]}\right)}^H{U}_i^H{H}_i^{[\pi \left(m\right),i]}{v}^{[\pi \left(m\right),i]}\left|\right|}^2+P^{[k,i]}{\left|\right|{\left(f^{[\pi \left(j\right),i]}\right)}^H{U}_i^H{H}_i^{[k,i]}{v}^{[k,i]}\left|\right|}^2;$

4.7)由于每个用户的最大发送功率为P_max，如果用户k可以被选 择，必须满足以下条件：

$\max \{{\max }_{j=1,...,r-1}{P}_k^{[\pi \left(j\right),i]},P^{[k,i]}\}\le P_{\max }$

记满足以上条件的集合中的候选用户的集合为即

第i个基站的第r个服务用户的选择方法如下：

4.8)更新集合及如下：

$P_i=[P_{\pi \left(r\right)}^{[\pi \left(1\right),i]},P_{\pi \left(r\right)}^{[\pi (r-1),i]},...,P^{[\pi \left(r\right),i]}]$

表示从集合中去除元素π(r)，P_i为第i个基站当前已 选用户的发送功率；

4.9)如果并且r＜S，令r＝r+1，并返回步骤4.4)，否则， 进入步骤4.9)；

4.10)如果i＞1，第i个基站通过回程链路将P_i，发送给第 1,...,i-1个基站，并令i＝i-1，返回步骤4.2)，否则，进入步骤S5。

需要说明的是，所述步骤S7具体包括：

7.1)令i＝1；

7.2)当i＝1时，第i个基站使用以下接收滤波器解码自己所服务 用户的信息：

其中U_i已在步骤S1中给定，已在步骤S4中给定， 表示集合中元素的个数；

当i＞1时，第i个基站根据接收到的来自第1,...,i-1个基站解码后的 用户数据x^[k',l]，k'∈K_l,l＝1,...,i-1，重建来自第1,...,i-1个小区的干扰信 号If_i，并将干扰信号从自己接收到的信号中减去：

然后使用如下接收滤波器解码自己所服务用户的信息：

其中U_i已在步骤S1中给定，已在步骤S4中给定， 表示集合中元素的个数；

第i个基站将解码后的信息通过基站间的回程链路发送给还没有 解码的基站，即第i+1,...,L个基站；

7.3)如果i＜L，返回步骤7.2)，否则，步骤S7结束。

本发明的有益效果在于：

1、本发明通过机会式调度的方法选择每个基站的服务用户，不 需要使用迭代的方法以获得用户的发送预编码矩阵及基站的接收滤 波器，从而具有较低的实施复杂度；

2、本发明通过利用干扰消除技术消除了部分小区间干扰，放松 了传统干扰对齐可行性条件的限制，使得更多的用户可以同时传输数 据，增加了网络容量；

3、本发明充分利用了蜂窝网络中的多用户分集增益，以及基站 的回程链路资源，增加了网络的吞吐量。

附图说明

图1是本发明的实现总流程图；

图2是本发明中进行用户调度的子流程图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实 施例以本技术方案为前提，给出详细的实施方式和具体的操作过程， 但本发明的保护范围并不限于本实施例。

如图1所示，一种时分双工蜂窝网络上行机会式干扰对齐及消除 方法包括如下步骤：

S1每个小区的基站确定自身的接收信号空间，并将自身接收信 号空间的基广播给网络中所有的用户，第i个基站的接收信号空间的 基U_i表示如下：

U_i＝[u_1,i,u_2,i,...,u_S,i],i＝1,...,L；

其中，每个小区均对应一个基站，L是网络中小区的数目即基站 数目，S为每个基站最多可同时服务的用户数目；

S2每个基站发送导频信号，每个用户均根据导频信号估计对应 的基站到自身的下行信道矩阵，并利用该下行信道矩阵得到所对应的 上行信道矩阵；下行信道矩阵的共轭转置即为上行信道矩阵。

S3每个用户根据接收到的各基站接收信号空间的基，以及估计 得到的上行信道矩阵，计算自身的预编码矩阵及调度准则值，并将调 度准则值反馈给为自己服务的基站；预编码矩阵及调度准则值的计算 过程如下：

步骤3.1、第i个小区中的第k个用户计算矩阵Q^[k,i]，其中， i＝1,...,L，k＝1,...,K，L是网络中小区的数目，K为每个小区内总的 用户数。

对于第1个小区中的第k个用户，Q^[k,1]的计算方法如下：

$Q^{[k,1]}={\left(H_1^{[k,1]}\right)}^H{U}_1{U}_1^H{H}_1^{[k,1]};$

其中，为第1个小区中的第k个用户到第1个基站的上行信 道矩阵，(·)^H表示共轭转置操作。

对于第j(j＝2,...,L)个小区中的第k个用户，Q^[k,j]计算方法如 下：

$Q^{[k,j]}=\underset{l=1}{\overset{j-1}{\Sigma }}{P}_{\max }{\left(H_l^{[k,j]}\right)}^H{U}_l{U}_l^H{H}_l^{[k,j]};$

其中，为第j个小区中的第k个用户到第l个基站的上行信道 矩阵，P_max为每个用户的最大发送功率，k＝1,...,K；

步骤3.2、第i个小区中的第k个用户对计算得到的矩阵Q^[k,i]进 行特征值分解，可得到其发送预编码矩阵及调度准则值分别为

v^[k,i]＝eig_min(Q^[k,i])；

η^[k,i]＝λ_min(Q^[k,i])；

其中，v^[k,i]为第i个小区中的第k个用户的发送预编码矩阵， eig_min(Q^[k,i])为矩阵Q^[k,i]的最小特征值所对应的特征向量；η^[k,i]为第i个 小区中的第k个用户的调度准则值，λ_min(Q^[k,i])为矩阵Q^[k,i]的最小特征 值。

S4各基站根据接收到的用户反馈的调度准则值，进行用户调度， 并计算确定用户的发送功率；用户调度过程如图2所示：

步骤4.1、令i＝L；

步骤4.2、第i个基站执行用户选择。首先，第i个基站选择T(T≥S) 个具有最小调度准则值的用户作为候选用户，并将这T个候选用户所 组成的集合记为这T个候选用户将步骤S3中计算得到的发送预 编码矩阵发送给为自己服务的基站；

步骤4.3、令其中表示第i个基站从中选择的用 户的集合；

步骤4.4、对于每个用户计算向量g^[k,i]

$g^{[k,i]}=U_i^H{H}_i^{[k.i]}{v}^{[k,i]}-\underset{j=1}{\overset{r-1}{\Sigma }}\frac{{\left(g^{[\pi \left(j\right),i]}\right)}^H{U}_i^H{H}_i^{[k,i]}{v}^{[k,i]}}{{\left|\right|g^{[\pi \left(j\right),i]}\left|\right|}^2}{g}^{[\pi \left(j\right),i]};$

其中，v^[k,i]为步骤3.2中得到的第i个小区中的第k个用户的发送 预编码矩阵，为第i个小区中的第k个用户到为其提供服务的第i 个基站的上行信道矩阵，π(j),j＝1,...,r-1表示基站已经选择的第j个 用户；当r＝1时，

步骤4.5、令

步骤4.6、计算用户的发送功率P^[k,i]

$P^{[k,i]}=\frac{(I_{\mathrm{IC}}^{[k,i]}+{\sigma }^2)\delta }{{\left|\right|g^{[k,i]}\left|\right|}^2};$

其中，σ²为噪声功率值，δ为用户所需求的最小信干噪比， 表示小区i中第k用户所受到 的小区间干扰，表示第l个基站所选择的用户的集合；

步骤4.7、如果第i个基站选择用户k，第i个基站已选用户 π(j),j＝1,...,r-1需要更新其发送功率以满足最小信干噪比的要求。记 第i个基站已选用户π(j)的最新发送功率为

$P_k^{[\pi \left(j\right),i]}=\frac{(I_{k,\mathrm{IU}}^{[\pi \left(j\right),i]}+I_{\mathrm{IC}}^{[\pi \left(j\right),i]}+{\sigma }^2)\delta }{{\left|\right|g^{[\pi \left(j\right),i]}\left|\right|}^2};$

其中：表示小区i中已选用户π(j)所受到的小区间干扰，其 计算方法如下：

而表示小区i中已选用户π(j)所受到的小区内干扰，其计算 方法如下：

$I_{k,\mathrm{IU}}^{[\pi \left(j\right),i]}=\underset{m=j+1}{\overset{r-1}{\Sigma }}{P}_k^{[\pi \left(m\right),i]}{\left|\right|{\left(f^{[\pi \left(j\right),i]}\right)}^H{U}_i^H{H}_i^{[\pi \left(m\right),i]}{v}^{[\pi \left(m\right),i]}\left|\right|}^2+P^{[k,i]}{\left|\right|{\left(f^{[\pi \left(j\right),i]}\right)}^H{U}_i^H{H}_i^{[k,i]}{v}^{[k,i]}\left|\right|}^2;$

步骤4.8、由于每个用户的最大发送功率为P_max，如果用户k可以 被选择，必须满足以下条件：

$\max \{{\max }_{j=1,...,r-1}{P}_k^{[\pi \left(j\right),i]},P^{[k,i]}\}\le P_{\max }$

记满足以上条件的集合中的用户的集合为即

第i个基站的第r个服务用户的选择方法如下：

步骤4.9、更新集合及如下

$P_i=[P_{\pi \left(r\right)}^{[\pi \left(1\right),i]},P_{\pi \left(r\right)}^{[\pi (r-1),i]},...,P^{[\pi \left(r\right),i]}];$

表示从集合中去除元素π(r)，P_i为当前已选用户的发 送功率。

步骤4.10、如果并且r＜S，令r＝r+1，并返回步骤4.4； 否则，进入步骤4.11。

步骤4.11、如果i＞1，第i个基站通过回程链路将P_i，发送给 第1,...,i-1个基站，并令i＝i-1，返回步骤4.2，否则，进入步骤S5。

S5各基站将步骤S4中确定的发送功率值发送给被选择的用户；

S6所述被选择的用户使用步骤S3中得到的预编码矩阵及步骤S5 中接收到的发送功率值，发送数据；

S7各个基站使用通过串行干扰消除方法解码其所服务的用户的 数据信息。具体解码过程如下：

具体解码过程如下：

步骤7.1、令i＝1；

步骤7.2、当i＝1时，第i个基站使用以下接收滤波器解码自己所 服务用户的信息：

其中U_i已在步骤S1中给定，已在步骤S4中给定， 表示集合中元素的个数；

当i＞1时，第i个基站根据接收到的来自第1,...,i-1个基站解码后 的用户数据重建来自第1,...,i-1个小区的干扰信 号If_i，

并将干扰信号从自己接收到的信号中减去，然后使用如下接收滤 波器解码自己所服务用户的信息

其中U_i已在步骤S1中给定，已在步骤S4中给定， 表示集合中元素的个数；

第i个基站将解码后的信息通过基站间的回程链路发送给还没有 解码的基站，即第i+1,...,L个基站；

步骤7.3、如果i＜L，返回步骤7.2，否则，算法结束。

对于本发明的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思， 作出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括 在本发明权利要求的保护范围之内。