Mimo-ibc系統(tǒng)中基于兩層預(yù)編碼結(jié)構(gòu)的干擾對(duì)齊方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于通信【技術(shù)領(lǐng)域】，公開了一種適用于多輸入多輸出干擾廣播信道、基于兩層預(yù)編碼結(jié)構(gòu)的干擾對(duì)齊方法。在MIMO-IBC系統(tǒng)中，小區(qū)間干擾和用戶間干擾是制約信道容量的主要因素。首先運(yùn)用基站外層預(yù)編碼對(duì)齊ICI信號(hào)，然后運(yùn)用接收矩陣消除ICI信號(hào)，最后利用基站內(nèi)層預(yù)編碼消除IUI信號(hào)。該發(fā)明當(dāng)基站天線數(shù)目滿足條件時(shí)，可利用閉式求解將ICI信號(hào)對(duì)齊在一低維干擾信號(hào)子空間內(nèi)，反之，則可通過循環(huán)迭代將ICI信號(hào)對(duì)齊或逼近到一低維干擾信號(hào)子空間內(nèi)。本發(fā)明可有效地消除ICI和IUI信號(hào)，顯著提高系統(tǒng)容量，而且接收端可采用迫零技術(shù)，從而簡化接收處理，同時(shí)對(duì)接收端天線數(shù)目要求低。
【專利說明】ΜI MO-1BC系統(tǒng)中基于兩層預(yù)編碼結(jié)構(gòu)的干擾對(duì)齊方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及多輸入多輸出干擾廣播信道（Interference Broadcast Channel, IBC)系統(tǒng)中一種基于兩層預(yù)編碼結(jié)構(gòu)的干擾對(duì)齊（Interference Alignment, ΙΑ)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在ΜΜ0系統(tǒng)中，ICI是獲取高頻譜利用率的主要制約因素。小區(qū)間干擾 (Inter-Cell Interference，ICI)和用戶間干擾（Inter-User Interference，IUI)是制 約信道容量的主要因素。近年來，干擾對(duì)齊（Interference Alignment, ΙΑ)技術(shù)的提出為 ΜΜ0干擾信道（Interference Channel，1C)中ICI信號(hào)的管理提出了一種新的思路：接收 端將ICI信號(hào)對(duì)齊在特定的干擾子空間內(nèi)，而干擾子空間的正交子空間則用于期望信號(hào)的 傳輸。研究表明，在MM0-IC中，運(yùn)用IA技術(shù)，每個(gè)小區(qū)能獲得1/2的自由度（Degrees of Freedom, DoF)〇
[0003] 在早期研究中，IA技術(shù)多用于干擾信道，其主要研究集中在IA技術(shù)所能獲得的最 優(yōu)DoF、系統(tǒng)容量的上下限、實(shí)現(xiàn)ΙΑ所需要的收發(fā)天線數(shù)等問題。而在多小區(qū)MM0-IBC系 統(tǒng)中，一個(gè)基站對(duì)應(yīng)多個(gè)用戶，因此，用戶不僅接收到ICI信號(hào)，還接收到ΙΠ 信號(hào)，這比單 純的MM0-IC要復(fù)雜很多，而目前對(duì)多小區(qū)MM0-IBC系統(tǒng)中IA技術(shù)的研究并不是很多。
[0004] 在多小區(qū)多用戶場景中，IA技術(shù)能有效地消除ICI信號(hào)和ΙΠ 信號(hào)，從而顯著地 提升信道容量。目前，針對(duì)多小區(qū)多用戶環(huán)境下的IA算法研究可大致分為兩類：迭代算法 和直接算法。迭代算法通過不斷地循環(huán)迭代預(yù)編碼矩陣和接收矩陣來實(shí)現(xiàn)IA，而直接算法 則用閉式求解方式。迭代算法往往能獲得較高的信道容量，尤其在低信噪比條件下；但是， 迭代算法復(fù)雜度高、收斂速度慢。而直接算法主要針對(duì)2個(gè)小區(qū)的MM0-IBC系統(tǒng)，通過聯(lián) 合設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣和接收矩陣來實(shí)現(xiàn)干擾對(duì)齊，且要求收、發(fā)天線數(shù)目必須滿足特定條件。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對(duì)多小區(qū)MM0-IBC系統(tǒng)，采用迭代 算法復(fù)雜度高、收斂速度慢；采用直接算法通過聯(lián)合設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣和接收矩陣實(shí)現(xiàn)干擾 對(duì)齊，要求收、發(fā)天線數(shù)目必須滿足特定條件。根據(jù)多小區(qū)MM0-IBC系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出一種 基于兩層預(yù)編碼結(jié)構(gòu)的干擾對(duì)齊方法。
[0006] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是，設(shè)計(jì)一種基于兩層預(yù)編碼結(jié)構(gòu)的干擾對(duì) 齊方法。系統(tǒng)場景設(shè)置為：小區(qū)數(shù)為G，小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)為K，每個(gè)用戶均對(duì)應(yīng)d個(gè)數(shù)據(jù)流，所有 小區(qū)基站天線數(shù)均為N t、用戶天線數(shù)均為隊(duì)，并用（G，Nt) X (K，隊(duì)）來標(biāo)識(shí)，小區(qū)g中用戶k用 符號(hào)gk來表示，基站只向本小區(qū)內(nèi)的用戶傳輸信號(hào)。構(gòu)造任意Kd階非奇異矩陣{Q gl} (g尹1 ; g，1 = 1，... G)，設(shè)計(jì)基站的外層預(yù)編碼矩陣j P,: e C = 1.…G)，將所有ICI信號(hào)對(duì)齊 在一個(gè)低維度的干擾子空間內(nèi)；接收端設(shè)計(jì)接收矩陣…= 以消除1(：1信號(hào)；設(shè)計(jì)基站內(nèi)層預(yù)編碼矩陣{1^€(〇^/^ = 1，一64 = 1,-",/〇以消除皿 信號(hào)。其中，€5χΛ表示維度為NtXKd的復(fù)矩陣，Grfx&表示維度為dX隊(duì)的復(fù)矩陣，C： Mxrf 表示維度為KdXd的復(fù)矩陣。（)H表示求取矩陣的共軛轉(zhuǎn)置。具體包括如下步驟：
[0007] 設(shè)計(jì)基站的外層預(yù)編碼矩陣^ € C+v"A1(g = 1··'·(小將所有ICI信 號(hào)對(duì)齊在一個(gè)低維度的干擾子空間內(nèi)；設(shè)計(jì)用于消除ICI信號(hào)的接收矩陣 {W eC"'-、}(g = =丨，…,欠），因此，％是ICI信號(hào)的零空間。
[0008] 設(shè)計(jì)基站的內(nèi)層預(yù)編碼矩陣·}Β& eCw1(g = l，…G;A = 1，… 用于消除IUI信號(hào)，因此，Bgk是IUI信號(hào)的零空間，即：

【權(quán)利要求】
1. 多輸入多輸出干擾廣播信道系統(tǒng)中基于兩層預(yù)編碼結(jié)構(gòu)的干擾對(duì)齊方法，其特征在 于，包括步驟：構(gòu)造任意Kd階非奇異矩陣{Q gl}，設(shè)計(jì)基站的外層預(yù)編碼矩陣， 將所有ici信號(hào)對(duì)齊在一個(gè)低維度的干擾子空間內(nèi)；接收端設(shè)計(jì)接收矩陣以 消除ICI信號(hào)；設(shè)計(jì)基站內(nèi)層預(yù)編碼矩陣以消除in信號(hào)，其中，1 = 1，...G， g = 1，. . . G ;k = 1，. . .，K，G為系統(tǒng)中的小區(qū)數(shù)，K為每個(gè)小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)，Nt和隊(duì)分別為基 站、用戶配置的天線數(shù)，d為每個(gè)用戶對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)流，表示維度為NtXKd的復(fù)矩陣， 夂表示維度為dXN,的復(fù)矩陣，(〇 κ<Μ表示維度為KdXd的復(fù)矩陣，（)H表示求取矩陣的 共軛轉(zhuǎn)置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述將所有ICI信號(hào)對(duì)齊在一個(gè)低維度的 干擾子空間內(nèi)，具體包括：對(duì)于小區(qū)g中的用戶，將ICI信號(hào)對(duì)齊或逼近到來自第g+Ι小區(qū) 的干擾信號(hào)子空間，基站外層預(yù)編碼矩陣P.滿足公式：
其中，Qgl為Kd階非奇異矩陣，I是與Qgl同階的單位陣，Hgl表示基站1到小區(qū)g的平坦 瑞利衰落信道，？8表示基站g的外層預(yù)編碼矩陣，g尹1 ;g，l = 1，...G，0表示KdKN,XKdNt 維的零矩陣，矩陣fi e 表示維度為（G-2) GKdK隊(duì)X GKdNt 的復(fù)矩陣，（"表示求取矩陣的轉(zhuǎn)置，vec〇表示求取矩陣的列向量化函數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將來自第g+Ι小區(qū)的干擾信號(hào)對(duì)齊到來自 于剩余小區(qū)干擾信號(hào)組成的子空間內(nèi)，基站外層預(yù)編碼矩陣P g滿足公式：
其中，Qgl為Kd階非奇異矩陣，I是與Qgl同階的單位陣，Hgl表示基站1到小區(qū)g的平 坦瑞利衰落信道，Pg表示基站g的外層預(yù)編碼矩陣，〇表示KdK隊(duì)XKdNt維的零矩陣，矩陣 1 e , 表示維度為GKdKN,XGKdNt的復(fù)矩陣，（)τ表示求取矩陣的轉(zhuǎn) 置，vecO表示求取矩陣的列向量化函數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3其中之一所述的方法，其特征在于，接收矩陣是ICI信號(hào)的零 空間，其中，·}?^ e€<w;}，CT/X巧表示維度為dX隊(duì)的復(fù)矩陣。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-3其中之一所述的方法，其特征在于，設(shè)計(jì)基站的內(nèi)層預(yù)編碼矩陣 Bgk是皿信號(hào)的零空間，其中，，c&rf表示維度為KdXd的復(fù)矩陣。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-3其中之一所述的方法，其特征在于，接收矩陣在接收端將信號(hào)空 間分為干擾信號(hào)子空間和期望信號(hào)子空間，用戶間干擾信號(hào)和小區(qū)間干擾信號(hào)將被對(duì)齊到 干擾信號(hào)子空間，期望信號(hào)則被對(duì)齊到期望信號(hào)子空間，期望信號(hào)子空間的維度大于等于 要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流個(gè)數(shù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，當(dāng)Nt > (G-2)KN,時(shí)，矩陣Qgl為任意Kd 階非奇異矩陣，或任意非零常數(shù)；當(dāng)Nt < (G-2)K隊(duì)時(shí)，通過循環(huán)迭代矩陣Qgl與向量p，使 rank(fi)< 、或者使|?|接近0 ;當(dāng)Nt = (G-2)KNr時(shí)，矩陣Qgl為非零常數(shù)。其中，g 是維度為（G_2)GKdKN,XGKdNt的復(fù)矩陣，其元素由信道矩陣與非奇異陣Qgl構(gòu)成，向量p的 元素由基站外層預(yù)編碼矩陣Pg的向量化函數(shù)構(gòu)成，rank()表示求矩陣的秩，| | | |表示求向 量的2-范數(shù)。
【文檔編號(hào)】H04L25/03GK104052697SQ201410266956
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月9日
【發(fā)明者】景小榮, 趙月芳, 張祖凡, 陳前斌 申請(qǐng)人:重慶郵電大學(xué)