法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2017-11-03
授权
授权
2015-06-24
实质审查的生效 IPC(主分类):H04L25/08 申请日:20150305
实质审查的生效
2015-05-27
公开
公开
技术领域
本发明涉及通信领域,尤其是一种消除MIMO干扰信道中多用 户干扰的方法。
背景技术
多输入多输出(MIMO,Multi-Input Multi-Output)技术在发送端和 接收端分别使用多根发送天线和多根接收天线,能显著提高系统的性 能。
从系统中所支撑的用户数来划分,MIMO技术分为单用户MIMO 技术和多用户MIMO技术。多用户MIMO中,多个发送端同时向多个 接收端发送信号。由于无线信道的广播特性,接收端存在多用户干扰, 严重影响了系统的性能。研究的最多的干扰消除方法是干扰对齐。干 扰对齐就是将干扰信号对齐到一个接收信号空间的子空间内,并且保 持干扰子空间与期望信号子空间相互独立。
干扰对齐研究之初,学者们研究的重点是如何提高系统的自由度, 即系统容量。然而,通信系统中的系统容量和可靠性相互矛盾,系统 容量较高时,可靠性就有待于提高。为了提高可靠性,有学者提出将 干扰对齐和空时编码相结合,以获得空时编码带来的分集增益。2013 年,文章“Combining interference alignment and alamouti codes for the 3-user mimo interference channel”将Alamouti编码引入到MIMO干扰信 道,通过干扰对齐以及接收端的单向协作链路消除了多用户干扰,分 集增益2,然而,该方案中其中的两个发送端需要已知信道状态信息, 反馈量较高,并且该方案只适用于每个发送端配置两根天线的场景。
发明内容
针对已有方案反馈量较高的问题,本发明提出了MIMO干扰信 道中无反馈的干扰消除方法,适用于三个发送端和三个接收端的干扰 信道,且每个发送端配置4根天线每个接收端配置2根天线。
实现本发明的技术思路是:为每个发送端设计了具有Alamouti 结构的空时码字,然后将码字进行线性组合并且引入了零矩阵。零矩 阵的引入消除了第3个接收端的多用户干扰;然后,通过对接收信号 进行线性操作,减少了前两个接收端的相互干扰的码字的数量;最后, 利用Alamouti码字对应的等效信道矩阵的正交特性,消除了多用户 干扰。
为了实现上述技术思路,本发明提出的MIMO干扰信道中无反 馈的干扰消除方法,适用于三个发送端和三个接收端的干扰信道,且 每个发送端配置4根天线每个接收端配置2根天线,包括如下步骤:
A,发送端1对其调制信号ck和sk进行空时编码,k=1,2,3,4,得 到2×2的码字A1和B1,发送端2对其调制信号ck和sk进行空时编码, k=5,6,7,8,得到2×2的码字A2和B2,发送端3对其调制信号ck和sk进 行空时编码,k=9,10,11,12,得到2×2的码字A3和B3,然后三个发送端 分别将码字组合并且引入零矩阵,得到4×6的码字并且发送出去;
B,接收端1根据发送端k到接收端1的信道矩阵H1k计算
C,接收端2根据发送端k到接收端2的信道矩阵H2k计算
D,接收端3根据发送端3到接收端3的信道矩阵H33计算
E,接收端1处理其接收信号Y1,得到接收信号的等效表达形式y1和y2;
F,接收端2处理其接收信号Y2,得到接收信号的等效表达形式y3和y4;
G,接收端3处理其接收信号Y3,得到接收信号的等效表达形式y5和y6;
H,3个接收端分别译码。
进一步,所述步骤A具体包括:
A1,发送端1对其调制信号ck和sk进行空时编码,k=1,2,3,4,得 到2×2的码字A1和B1,
A2,发送端2对其调制信号ck和sk进行空时编码,k=5,6,7,8,得 到2×2的码字A2和B2,
A3,发送端3对其调制信号ck和sk进行空时编码,k=9,10,11,12, 得到2×2的码字A3和B3,
A4,发送端1将码字A1和B1进行组合并且引入零矩阵,得到4×6 的码字S,
A5,发送端2将码字A2和B2进行组合并且引入零矩阵,得到4×6 的码字U,
A6,发送端3将码字A3和B3进行组合并且引入零矩阵,得到4×6 的码字V,
A7,在相同的时间内,发送端1发送S,发送端2发送U,发送 端3发送V。
进一步,所述步骤B具体包括:
B1,接收端1根据信道矩阵计算得到Z11、Z21、Z31和Z41, Z11=2(H1,11+H2,11)、Z21=2(H1,12+H2,12)、Z31=2(H1,11-H2,11)和 Z41=2(H1,12-H2,12),H1,1k是H1k的前两列组成的矩阵,H2,1k是H1k的后 两列组成的矩阵,k=1,2;
B2,令
B3,令
B4,接收端1根据G11、G21、G31、G41、G51、G61、G71和G81计算 得到
进一步,所述步骤C具体包括:
C1,接收端2根据信道矩阵计算得到Z12、Z22、Z32和Z42, Z12=2(H1,21+H2,21)、Z22=2(H1,22+H2,22)、Z32=2(H1,21-H2,21)和 Z42=2(H1,22-H2,22),H1,2k是H2k的前两列组成的矩阵,H2,2k是H2k的后 两列组成的矩阵,k=1,2;
C2,令
C3,令
C4,接收端2根据G12、G22、G32、G42、G52、G62、G72和G82计算 得到
进一步,所述步骤D具体包括:
D1,接收端3令Z13=H1,33且Z23=H2,33,其中,H1,33是H33的前两 列组成的矩阵,H2,33是H33的后两列组成的矩阵;
D2,令
D3,接收端3根据G13、G23、G33和G43计算得到
进一步,所述步骤E具体包括:
E1,接收端1用Y11表示Y1的前两列组成的矩阵,用Y21表示Y1的第 三列和第四列组成的矩阵,令Y1′=Y11+Y21且Y2′=Y11-Y21;
E2,接收端1根据Y1′和Y2′得到向量y11、y21、y12和y22,
E3,接收端1用G21和G41处理y11和y21,得到(·)H表示共轭转置,||·||表示范数;
E4,接收端1用G61和G81处理y12和y22,得到(·)H表示共轭转置,||·||表示范数。
进一步,所述步骤F具体包括:
F1,接收端2用Y12表示Y2的前两列组成的矩阵,用Y22表示Y2的 第三列和第四列组成的矩阵,令Y3′=Y12+Y22且Y4′=Y12-Y22;
F2,接收端2根据Y3′和Y4′得到向量y13、y23、y14和y24,
F3,接收端2用G12和G32处理y13和y23,得到(·)H表示共轭转置,||·||表示范数;
F4,接收端2用G52和G72处理y14和y24,得到(·)H表示共轭转置,||·||表示范数。
进一步,所述步骤G具体包括:
G1,接收端3用Y33表示Y3的最后两列组成的矩阵,接收端3根 据Y33得到向量y15和y25,
G2,接收端3用G23和G43处理y15和y25,得到(·)H表示共轭转置,||·||表示范数;
G3,接收端3用G13和G33处理y15和y25,得到(·)H表示共轭转置,||·||表示范数。
进一步,所述步骤H具体包括:
H1,接收端1以
H2,接收端1以
H3,接收端2以
H4,接收端2以
H5,接收端3以
H6,接收端3以
与现有方案相比,本发明通过在码字中引入零矩阵消除了第3个 接收端的多用户干扰;然后,通过对接收信号进行线性操作,减少了 前两个接收端的相互干扰的码字的数量;最后,利用Alamouti码字 对应的等效信道矩阵的正交特性,消除了多用户干扰。本发明不需要 任何反馈信息。
附图说明
图1是本发明实施例的系统模型;
图2是本发明的流程图;
图3是本发明中发送端的编码和发送过程流程图;
图4是本发明中接收端的译码过程流程图;
具体实施方式
下面给出本发明的一种实施例,对本发明做进一步详细的说明。 系统模型如图1所示。系统包含三个发送端和三个接收端Ri,i=1,2,3, 每个发送端配置4根天线,每个接收端配置2根天线。Hik是第k个 发送端到第i个接收端的信道矩阵,它们的阶数均为2×4,i=1,2,3, k=1,2,3。
Ai和Bi是第i个接收端的期望接收码字,i=1,2,3,Ai和Bi的表达 形式如下,
其中,am=c2m-1+ejθc2m,bm=s2m-1+ejθs2m,m=1,2,L,6,ck和sk是调制信 号,k=1,2,L,12,θ的取值使得am和bm非零,(·)*表示共轭。 如果将am和bm视为一个调制符号,m=1,2,L,6,则Ai和Bi都具有 Alamouti码字的结构,i=1,2,3。
三个发送端分别对码字进行组合并且引入零矩阵,得到
其中,02×2表示2×2的零矩阵。
三个发送端同时发送S、U和V,则Ri的接收信号Yi分别表示为
Y1=H11S+H12U+H13V+N1 (5)
Y2=H21S+H22U+H23V+N2 (6)
Y3=H31S+H32U+H33V+N3 (7)
其中,Ni是高斯噪声,Yi和Ni的阶数均为2×6,i=1,2,3。
分别用H1,1k和N11表示H1k和N1的前两列组成的矩阵,分别用H2,1k和N21表示H1k和N1的第三列和第四列组成的矩阵,分别用H3,1k和N31表示H1k和N1的最后两列组成的矩阵,k=1,2,3。将式(2-4)带入式(5) 可得,
上式中,(·)T表示转置,Y11是Y1的前两列组成的矩阵,Y21是Y1的第三 列和第四列组成的矩阵,Y31是Y1的后两列组成的矩阵。对Y11和Y21分 别做加减运算可得,
Y11-Y21=2(H1,11-H2,11)B1+2(H1,12-H2,12)B2+N11-N21 (10)
同理,令Yi=[Y1i Y2i Y3i],Ni=[N1i N2i N3i],i=2,3,Yki和Nki的阶 数均为2×2,k=1,2,3,计算可得,
Y12+Y22=2(H1,21+H2,21)A1+2(H1,22+H2,22)A2+N12+N22 (11)
Y12-Y22=2(H1,21-H2,21)B1+2(H1,22-H2,22)B2+N12-N22 (12)
Y33=H1,33A3+H2,33B3+N3 (13)
式(13)包含第3个接收端的期望接收信号,而不包含第1个接收 端和第2个接收端的期望接收信号,因此,零矩阵的引入消除了第3 个接收端的多用户干扰;式(9-12)包含第1个接收端和第2个接收端 的期望接收信号,而不包含第3个接收端的期望接收信号,因此,通 过引入零矩阵并且对接收信号进行线性操作,减少了前两个接收端的 多用户干扰。
R1的期望接收信号在式(9-10)中,然而,式(9-10)还包含R2的期望 接收信号。R2的期望接收信号在式(11-12)中,然而,式(11-12)还包含 R1的期望接收信号。要想消除R1和R2的多用户干扰,就要分离式(9) 和式(11)中的A1和A2,还要分离式(10)和式(12)中的B1和B2。
下面给出分离式(9)中A1和A2的方法。令
y1im表示Y1′的第i行第m列的元素,nij表示N的第i行第m列的元素, i=1,2,m=1,2。Gi1是
以上处理过程分离了
分离式(9-10)中的码字后,R1可以分别译码A1和B1,而不受其他 码字的干扰,从而消除了R1的多用户干扰。分离式(11-12)中的码字后, R2可以分别译码A2和B2,而不受其他码字的干扰,从而消除了R2的 多用户干扰。由式(13)可看出,R3的期望接收信号包含在Y33中,R3可 采用类似的方法分离Y33中的A3和B3,并且分别译码A3和B3。
由以上分析知,该干扰消除方法不需要任何反馈信息。
下面结合附图,对本发明的具体实施过程做进一步说明。
结合本发明的流程图即图2,发送端的编码方式以及接收端的译 码方式的具体步骤如下:
A,发送端1对其调制信号ck和sk进行空时编码,k=1,2,3,4,得 到2×2的码字A1和B1,发送端2对其调制信号ck和sk进行空时编码, k=5,6,7,8,得到2×2的码字A2和B2,发送端3对其调制信号ck和sk进 行空时编码,k=9,10,11,12,得到2×2的码字A3和B3,然后三个发送端 分别将码字组合并且引入零矩阵,得到4×6的码字并且发送出去;
B,接收端1根据发送端k到接收端1的信道矩阵H1k计算
C,接收端2根据发送端k到接收端2的信道矩阵H2k计算
D,接收端3根据发送端3到接收端3的信道矩阵H33计算
E,接收端1处理其接收信号Y1,得到接收信号的等效表达形式y1和y2;
F,接收端2处理其接收信号Y2,得到接收信号的等效表达形式y3和y4;
G,接收端3处理其接收信号Y3,得到接收信号的等效表达形式y5和y6;
H,3个接收端分别译码。
图3是本发明方法中发送端的编码和发送过程流程图。本发明中 发送端的编码和发送过程如下:
A1,发送端1对其调制信号进行空时编码,得到2×2的码字A1和 B1,
A2,发送端2对其调制信号进行空时编码,得到2×2的码字A2和 B2,
A3,发送端3对其调制信号进行空时编码,得到2×2的码字A3和 B3,
A4,发送端1将码字A1和B1进行组合并且引入零矩阵,得到4×6 的码字S,
A5,发送端2将码字A2和B2进行组合并且引入零矩阵,得到4×6 的码字U,
A6,发送端3将码字A3和B3进行组合并且引入零矩阵,得到4×6 的码字V,
A7,在相同的时间内,发送端1发送S,发送端2发送U,发送 端3发送V。
图4是本发明方法中接收端的译码过程流程图。结合图2和图4, 本发明中接收端的译码过程如下:
B1,接收端1根据信道矩阵计算得到Z11、Z21、Z31和Z41, Z11=2(H1,11+H2,11)、Z21=2(H1,12+H2,12)、Z31=2(H1,11-H2,11)和 Z41=2(H1,12-H2,12),H1,1k是H1k的前两列组成的矩阵,H2,1k是H1k的后 两列组成的矩阵,k=1,2;
B2,令
B3,令
B4,接收端1根据G11、G21、G31、G41、G51、G61、G71和G81计算 得到
C1,接收端2根据信道矩阵计算得到Z12、Z22、Z32和Z42, Z12=2(H1,21+H2,21)、Z22=2(H1,22+H2,22)、Z32=2(H1,21-H2,21)和 Z42=2(H1,22-H2,22),H1,2k是H2k的前两列组成的矩阵,H2,2k是H2k的后 两列组成的矩阵,k=1,2;
C2,令
C3,令
C4,接收端2根据G12、G22、G32、G42、G52、G62、G72和G82计算 得到
D1,接收端3令Z13=H1,33且Z23=H2,33,其中,H1,33是H33的前两 列组成的矩阵,H2,33是H33的后两列组成的矩阵;
D2,令
D3,接收端3根据G13、G23、G33和G43计算得到
E1,接收端1用Y11表示Y1的前两列组成的矩阵,用Y21表示Y1的第 三列和第四列组成的矩阵,令Y1′=Y11+Y21且Y2′=Y11-Y21;
E2,接收端1根据Y1′和Y2′得到向量y11、y21、y12和y22,
E3,接收端1用G21和G41处理y11和y21,得到(·)H表示共轭转置,||·||表示范数;
E4,接收端1用G61和G81处理y12和y22,得到(·)H表示共轭转置,||·||表示范数;
F1,接收端2用Y12表示Y2的前两列组成的矩阵,用Y22表示Y2的 第三列和第四列组成的矩阵,令Y3′=Y12+Y22且Y4′=Y12-Y22;
F2,接收端2根据Y3′和Y4′得到向量y13、y23、y14和y24,
F3,接收端2用G12和G32处理y13和y23,得到(·)H表示共轭转置,||·||表示范数;
F4,接收端2用G52和G72处理y14和y24,得到(·)H表示共轭转置,||·||表示范数;
G1,接收端3用Y33表示Y3的最后两列组成的矩阵,接收端3根 据Y33得到向量y15和y25,
G2,接收端3用G23和G43处理y15和y25,得到(·)H表示共轭转置,||·||表示范数;
G3,接收端3用G13和G33处理y15和y25,得到(·)H表示共轭转置,||·||表示范数;
H1,接收端1以
H2,接收端1以
H3,接收端2以
H4,接收端2以
H5,接收端3以
H6,接收端3以
以上实施例仅仅是对本发明的举例说明,本领域的技术人员可以 对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样, 倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的 范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
机译: MIMO接收机中干扰消除的装置,MIMO接收机中干扰消除的方法和MIMO接收机
机译: MIMO接收机中干扰消除的装置,MIMO接收机中干扰消除的方法和MIMO接收机
机译: 用于在小区间干扰情况下能够提高性能的多输入多输出(MIMO)接收器中使用的干扰消除器,在MIMO接收器中消除干扰的方法和MIMO接收器