一種最小化干擾功率與維度的干擾對齊方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種最小化干擾功率與維度的干擾對齊 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 多天線技術(shù)（MultipleI噸UtMultiple0u1:put，MIMO),因其能夠顯著提高無 線通信系統(tǒng)的吞吐量，而受到廣泛關(guān)注。該技術(shù)通過在發(fā)送端和接收端配置多根天線為通 信系統(tǒng)引入了額外的自由度，在無需增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下提高了信道容量和 頻譜利用率。雖然多天線技術(shù)開拓了空域資源，改善了通信質(zhì)量，提高了無線通信系統(tǒng)的 信道容量，但衰落和干擾一直是信息傳播中的兩大阻礙。信號在信道中傳播時，會產(chǎn)生多 徑效應(yīng)，每個被反射的信號都是空間流，引入多天線的同時，系統(tǒng)也由噪聲受限變?yōu)楦蓴_受 限?，F(xiàn)有的干擾處理技術(shù)如頻分多址（化equen巧DivisionMultipleAccess,抑MA),時 分多址（TimeDivisionMultipleAccess,TDMA)和碼分多址（CodeDivisionMultiple Access,CDMA)等，主要是通過信號的正交化來消除干擾信號對期望信號的影響。其實，當(dāng)多 用戶共享頻譜資源時，運種處理方法只能做到將頻譜資源在K個用戶之間進行分配。例如， 當(dāng)相互影響的用戶數(shù)為K時，每個用戶所能獲得的頻譜資源為單個用戶時的1/K。因此，當(dāng) 用戶數(shù)量很大時，每個用戶所能獲得的頻譜資源仍然非常有限。干擾對齊技術(shù)的提出就是 為了解決運一問題，它將信號空間劃分為期望信號空間和干擾信號空間兩個部分，通過預(yù) 編碼技術(shù)使干擾在接收端重疊，從而壓縮干擾所占的信號容量，消除干擾對期望信號的影 響，達到提高信道容量的目的。
[0003]C^idambeVR和JafarSA在IE?。?rans.Inf.IIieoiT, 2008 發(fā)表的《Interference AlignmentandDegreesofFreedomoftheK-UserInterferenceChannel》提出了干 擾對齊經(jīng)典法。經(jīng)典干擾對齊算法給出了干擾對齊的閉式解，但它要求并且發(fā)送天線數(shù)與 接收天線數(shù)必須相同，運就限制了發(fā)送機與接收機的設(shè)計。此外，當(dāng)用戶數(shù)量大于3時，約 束條件增加，經(jīng)典法無法得到準(zhǔn)確的預(yù)編碼矩陣。因此經(jīng)典法只能在幾種特定的情況下 使用。基于信道互易性的迭代算法逐漸取代經(jīng)典法，其中較為典型的是化dambeVR和 JafarSA在IEEEGlobalTelecommunicationsConference, 2008 發(fā)表的《Approaching theCapacityofWirelessNetworksthroughDistributedInterferenceAlignment》 提出的最小干擾泄漏算法，W及GomadamK等人在IE邸化ans.Inf.化ecxry, 2011發(fā)表的 《ADistributedNumericalApproachtoInterferenceAlignmentandApplications toWirelessInte;rferenceNetworks》提出的最大信干噪比算法。雖然運兩種算法都可 W獲得較高的系統(tǒng)容量，但兩者提供的無干擾維度卻很低，最大信干噪比算法甚至允許干 擾泄漏在整個可用空間。DimitrisS.Papailiopoulos和Alexan化OSG.Dimakis在IE邸 TransactionsonSignalProcessing, 2012發(fā)表的《InterferenceAlignmentasaRank ConstrainedRankMinimization》利用矩陣核范數(shù)是秩的凸包絡(luò)的特性提出秩約束秩最 小化算法（RCRM)，雖然解決了目標(biāo)函數(shù)非凸的問題，提升了用戶自由度，但是算法只限制了 干擾信號的維度，若泄漏的干擾功率很大，系統(tǒng)仍不能獲得很高的容量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種能夠提高接收信號質(zhì)量，提升系統(tǒng)容量和頻譜利用率 的，最小化干擾功率與維度的干擾對齊方法。 陽〇化]一種最小化干擾功率與維度的干擾對齊方法，包括W下步驟，
[0006] 步驟一：隨機生成干擾抑制矩陣，設(shè)定迭代次數(shù)iter;
[0007] 步驟二：W干擾映射矩陣的核范數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，令期望信號矩陣為化rmitian正 定矩陣，且W最小特征值大于等于100為約束條件，求取預(yù)編碼矩陣；
[0008] 步驟=:將接收的干擾信號作為整體，求出干擾協(xié)方差矩陣；
[0009] 步驟四：令干擾協(xié)方差矩陣最小的特征值對應(yīng)的的特征向量為干擾抑制矩陣的列 向量；
[0010] 步驟五：判斷是否完成所有的迭代次數(shù)，如果是，正交化預(yù)編碼矩陣和干擾抑制矩 陣；否則返回步驟二。
[0011] 本發(fā)明一種最小化干擾功率與維度的干擾對齊方法，還可W包括：
[0012] 1、包含K個發(fā)送端，K個接收端，每個發(fā)送端、接收端配置Mt根發(fā)射天線、Mf根接 收天線，第k個接收端收到的信號為：
[0014] 其中基站k發(fā)送的信號為XkGCdXi,Vf表示矩陣Vk的共輛轉(zhuǎn)置，Vf 和 1? 分別表示接收端k的預(yù)編碼矩陣和干擾抑制矩陣，Hkj表示每個元素均服從獨立 同分布零均值單位方差的復(fù)高斯隨機分布的基站j與用戶k之間的信道系數(shù)矩陣，為服從（0,O2ld)的高斯白噪聲，O是方差，Id表示d階單位陣。 陽〇1引2、干擾映射矩陣為：-化八(6,抑；
[0016] 期望信號矩陣為：S, =UfHwV,,A€A'。
[0017] 有益效果：
[0018] 本發(fā)明綜合考慮了干擾泄漏功率和無干擾信號維度兩個影響接收信號質(zhì)量的因 素。解決了僅最小化泄漏的干擾功率而帶來的無干擾維度降低，W及僅最小化干擾維度而 導(dǎo)致期望空間干擾強度增加問題。本發(fā)明通過干擾信號秩與功率的雙重約束，降低小區(qū)間 的干擾影響，提高了期望信號質(zhì)量，提升了系統(tǒng)容量和頻譜利用率。
【附圖說明】
[0019] 圖1本發(fā)明的算法流程圖；
[0020] 圖2多小區(qū)多天線干擾信道簡化模型；
[0021] 圖3本發(fā)明與其他方法系統(tǒng)可利用空間維度數(shù)比較圖d= 1 ;圖3(a)為本發(fā)明提 出的方法，圖3化）為最小干擾泄漏算法，圖3 (C)為秩約束秩最小化算法，圖3 (d)為最大信 干噪比算法；
[0022] 圖4本發(fā)明與其他方法系統(tǒng)可利用空間維度數(shù)比較圖d= 3 ;
[0023]圖5本發(fā)明與其他方法系統(tǒng)平均總速率比較圖d=1 ;
[0024] 圖6本發(fā)明與其他方法系統(tǒng)平均總速率比較圖d= 3。
【具體實施方式】
[00巧]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。 陽0%] 本發(fā)明提出一種最小化干擾功率與維度的干擾對齊算法，將干擾秩的約束與干擾 功率約束相結(jié)合。本發(fā)明放寬了對信道互易性的要求，不僅降低干擾信號占據(jù)的空間維度， 同時減小干擾泄漏功率。此外，本發(fā)明強制期望信號矩陣為化rmitian正定矩陣，并加入對 期望信號功率的約束，
[0027] 一種最小化干擾功率與維度的干擾對齊算法，包括W下步驟：
[0028] 步驟一：隨機生成干擾抑制矩陣，選取合適的迭代次數(shù)iter;
[0029] 步驟二：計算干擾映射矩陣的核范數(shù)，強制期望信號矩陣為化rmitian正定矩陣， 且最小特征值大于等于100 ;
[0030] 步驟S:計算預(yù)編碼矩陣；
[0031] 步驟四：將接收的干擾信號作為整體，求出干擾協(xié)方差矩陣；
[0032] 步驟五：干擾抑制矩陣的列向量為干擾協(xié)方差矩陣最小的特征值對應(yīng)的的特征向 量；
[0033] 步驟六：重復(fù)步驟二~四，直至迭代完所有的次數(shù)；
[0034] 步驟屯：正交化預(yù)編碼矩陣和干擾抑制矩陣；
[0035] 將未經(jīng)干擾抑制濾波器處理的干擾部分的信號稱為干擾映射信號。通過最小化干 擾映射矩陣的秩，降低干擾信號占據(jù)的維度。由于將秩作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，尚且不能證明 該函數(shù)是否是凸函數(shù)，又因為矩陣的核范數(shù)是矩陣秩的凸包絡(luò)，因此本發(fā)明通過最小化矩 陣的核范數(shù)代替最小化矩陣的秩。
[0036] 理想干擾對齊要求期望矩陣為滿秩矩陣，因此，本發(fā)明強制期望信號矩陣為正定 矩陣。正定矩陣除要求矩陣滿秩外，還要求最小特征值大于零，本發(fā)明進一步約束接收端的 期望信號矩陣最小特征值為100 (功率20地）。運對信噪比小于20地的情況也是適用的。
[0037] 將接收端的干擾信號看作一個信號，并用矩陣跡的形式求出其功率表達式，取其 中包含干擾基站端預(yù)編碼矩陣和干擾信道的部分作為干擾協(xié)方差矩陣。干擾抑制矩陣第i 列的向量是干擾協(xié)方差矩陣第i個最小特征值對應(yīng)的特征向量。
[0038] 本發(fā)明是一種最小化干擾功率與維度的干擾對齊算法，算法流程如圖1所示，包 括W下步驟：
[0039] 步驟一：隨機生成干擾抑制矩陣，選取合適的迭代次數(shù)iter;
[0040] 本發(fā)明考慮一個平坦瑞利衰落信道，系統(tǒng)包含K個發(fā)送端，K個接收端，每個發(fā)送 端、接收端配置Mt根發(fā)射天線、Mf根接收天線。所有的MIMO系統(tǒng)都是可實現(xiàn)的，即
(I)
[0042]d為發(fā)送自由度。假設(shè)基站k發(fā)送的信號為XkGCdXi,Xk為d行的復(fù)矢量，功率約 束為Pk，f{xfX, } <巧，出于實際的情況，本發(fā)明令 (2) W44] Vf表示矩陣Vk的共輛轉(zhuǎn)置，VteC"'x#，分別表示接收端k的預(yù)編碼矩 陣和干擾抑制矩陣，其列向量分別為發(fā)送空間和接收空間的正交標(biāo)準(zhǔn)基。因此第k個接收 端收到的信號為
(3)
[0046] 其中Hk,表示每個元素均服從獨立同分布零均值單位方差的復(fù)高斯隨機分布的基 站j與用戶k之間的信道系數(shù)矩陣，Ufllt為服從（0,曰2ld)的高斯白噪聲，O是方差，Id表 示d階單位陣。
[0047] 本發(fā)明算法的迭代次數(shù)選擇10的原因?qū)⒃诓襟E六中說明。
[0048] 步驟二：計算干擾映射