CN105162505B - 基于干扰对齐的蜂窝网络下行链路自适应预编码方法 - Google Patents

基于干扰对齐的蜂窝网络下行链路自适应预编码方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于干扰对齐的蜂窝网络下行链路自适应预编码方法，基于用户业务需求的带宽反馈设计，信道状态信息的统一设计，基站协作模式的离线搜索与保存，基于业务请求的模式匹配，级联式预编码设计以及发射功率控制方案等。本发明中，信道状态信息（CSI）反馈设计采用了一种新的复合信道，与传统的方法相比，节约了一半带宽。本方法可在双蜂窝小区全频率复用场景下，以更少的发射功率满足不同业务类型下用户需要的多种速率。

Description

基于干扰对齐的蜂窝网络下行链路自适应预编码方法
技术领域
本发明涉及一种基于干扰对齐的蜂窝网络下行链路自适应预编码方法，属于蜂窝通信***基站物理层预编码技术领域。
背景技术
近几年来，随着高速无线通信业务的不断增长，新一代的移动通信***需要使用更宽的频带为用户提供速率达到上百兆的无线通信业务，频谱资源的短缺日益显著。传统的蜂窝网络采用的部分频率复用技术能达到的容量非常有限。虽然可以采用缩小小区半径的方法，如微蜂窝，微微蜂窝等技术来进行进一步的提高，但又带来了新的问题。例如，由于小区的半径缩小，同频小区间干扰问题(ICI)日益突出。这对于功率控制提出了很大的挑战。目前随着网络从4G到5G的演进，要求容量每年能翻倍，十年提高1000倍，采用目前的技术是难以达到的。
目前国际上对于下一代的网络的共识是采用同频复用，因此新的干扰协调技术是其重要内容。传统的干扰控制技术包括干扰的避免，干扰抵消等。干扰的避免要求事先感知干扰的时，频等信息，然后将信道进行正交分配实现干扰的避免。这样可以理想情况下实现1倍的信道利用率，但如果考虑感知检测等环节的开销，通常远远达不到。干扰抵消技术常用于多用户检测中，将最强干扰信号首先检测出来，然后重建后从总的信号中抵消掉，再依次检测其他次强的信号。这个过程的处理复杂度高，时延也较大。
最近国际上出现了一种新的干扰协调技术，干扰对齐(IA)。这种技术的核心思想是参与协调的各方进行编解码的联合设计，达到提高***的容量的目的。对于K对用户M天线的情况，每对用户都能够实现一半的信道容量。因此整个***的渐进容量是KM/2。这个方法震惊了业界。最初的干扰对齐技术是针对K对用户模型的，最近在蜂窝网络里渐渐也开始提出不同的实现方案。
虽然IA技术已经开始被研究应用到蜂窝网络中，但尚未有人研究基于用户反馈的带宽自适应的IA编解码方案。在移动互联网等应用中，基于数据的业务一个重要特点是带宽不同，如简单的即时聊天可能只需要较小的带宽，而视频应用则要较大的带宽。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于干扰对齐的蜂窝网络下行链路自适应预编码方法，首次提出移动用户根据不同业务的特征，可以反馈其需要的带宽或者速率，基站侧在进行干扰对齐(IA)协作编码的时候实现带宽的动态指配。该方法可以灵活处理多个移动用户的不同业务带宽请求，并能利用较小的发射功率很好地实现协作基站进行全频率复用的通信。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提供一种基于干扰对齐的蜂窝网络下行链路自适应预编码方法，用于全频率复用的协作双基站，其特征在于，包括以下具体步骤：
步骤1，双基站的用户区域内的所有用户将自身容量需求反馈至对应的基站；
步骤2，每个基站根据接收到的用户容量需求，基于干扰对齐技术向各自用户区域内的每个用户分配自由度；
步骤3，采用迫零算法设计基站的功率控制矩阵Λa，以满足所有用户的容量需求，具体为：
其中，σn为噪声功率均方值，为该基站对应的用户区域内第i个用户的容量需求，di为该基站对应的用户区域内第i个用户的自由度，i＝1,2,…,Ka，Ka为该基站对应的用户区域内的用户数，Ik为k阶单位阵，
步骤4，基站采用预编码矩阵对下行数据进行预编码传输，预编码矩阵由第一级编码矩阵和第二级编码矩阵级联而成，其中：
第一级编码矩阵Pa为N阶的酉矩阵P的前dA列，dA为该基站对应的用户区域内所有用户的自由度总数，N为基站子信道数；
第二级编码矩阵为：
式中，为矩阵P的从dB+1到dB+di列构成的子矩阵，dB为协作基站对应的用户区域内所有用户的自由度总数，T表示转置；Gbi为该基站对应的用户区域内第i个用户接收到的协作基站的干扰信道，为Gbi的逆矩阵，Hai为本用户区域内第i个用户接收到的直通信道。
作为本发明的进一步优化方案，N阶的酉矩阵P通过奇异值分解获得。
作为本发明的进一步优化方案，当基站的发射功率设限时，设计功率控制因子以实现发射功率恒定，具体为：
功率控制因子其中，P0为基站的发射功率设限值，H表示矩阵的共轭转置。
作为本发明的进一步优化方案，在接收端，设计接收干扰抑制矩阵以恢复数据，具体为：
第i个用户的干扰抑制矩阵为：其中，H表示矩阵的共轭转置。
作为本发明的进一步优化方案，用户端采用2比特编码向基站反馈自身容量需求。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明与其他的固定分配干扰对齐方案相比，本方法具有以下优点：(1)在达到相同容量的情况下，发射功率大大降低；(2)应用了多个干扰对齐模式，与用户需求的匹配度更好；(3)信道反馈的设计巧妙，减少了一半的反馈量；(4)反馈误差不敏感，即时有误差也能完全消除小区间干扰。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
图2是协作基站模型。
图3是与经典干扰对齐方案的容量比较。
图4是与经典干扰对齐方案的发射功率比较。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明一种基于干扰对齐的蜂窝网络下行链路自适应预编码方法，具体步骤如图1所示，此处不再赘述。
以如图2所示的两个基站(A和B)协作为例，考虑N个子信道，且频率全复用的下行蜂窝链路。其中，基站A对应用户区域A，基站B对应用户区域B。
1)用户反馈设计
一、用户带宽需求反馈设计
用户根据不同的业务性质，反馈不同的速率需求。不同大小的速率，经过编码后反馈。例如，如果需要的速率等级为10,20,40,80kbps，则可采用2比特编码，即每个用户将用2比特反馈来通知基站自己需要的带宽。
二、用户信道信息反馈设计
用户区域A中的每个用户都将受到来自基站B的干扰，即区域间干扰。对于用户区域B中的用户，也是如此。以用户区域A中的第i个用户为例，其直通信道为Hai，也是N阶矩阵从基站B来的干扰信道为Gbi。不同于一般的***的是，本发明提出反馈的信道状态信息是其中，为Gbi的逆矩阵。这种反馈设计与将两个矩阵都反馈相比可以节约一半的反向信道开销。
2)基站的协作方案
一、基站的自由度离线搜索
协作基站***根据可用资源(频道数目，每用户区域内的用户数目等)计算出可用的自由度并保存。这些计算不需要每次进行，可以脱机完成。
二、模式匹配
在接收到移动用户的业务需求后，基站将采用以下准则进行调度分配，即和干扰对齐的允许模式进行匹配，实际上类似于求内积。每个用户的业务需求排列成一个向量，将需求向量和上一步的保存的模式进行相关匹配，匹配的结果是每个用户分配到的自由度。假设第j个用户分配到的自由度记为dj。
3)预编码设计
基站的编码方案设计为级联式，即由第一级编码矩阵和第二级编码矩阵级联组成。其中，第一级编码矩阵的目的是消除区域间的干扰，第二级编码矩阵的目的是消除本区域内用户间干扰。
首先，找到一个N阶的酉矩阵P，这可通过奇异值分解获得。
对于基站A来说，第一级编码矩阵Pa为N阶的酉矩阵P的前dA列，dA为用户区域A内所有用户的自由度总数，N为基站子信道数；
第二级编码矩阵为：
式中，为矩阵P的从dB+1到dB+di列构成的子矩阵，dB为用户区域B内所有用户的自由度总数，T表示转置；Gbi为用户区域A内第i个用户接收到的协作基站B的干扰信道，为Gbi的逆矩阵，Hai为用户区域A内第i个用户接收到的直通信道。
同理对于基站B来说，第一级编码矩阵Pb为N阶的酉矩阵P的前dB列，dB为用户区域B内所有用户的自由度总数；
第二级编码矩阵j＝1,2,…Kb，Kb为用户区域B内的用户数，为矩阵P的从m到n列构成的子矩阵；Gai为用户区域B内第j个用户接收到的协作基站A的干扰信道，为Gai的逆矩阵，Hbi为用户区域B内第j个用户接收到的直通信道。
4)用户容量的调度
为满足所有用户的容量需求，采用迫零算法设计基站的功率控制矩阵Λa，具体为：
其中，σn为噪声功率均方值，为该基站对应的用户区域内第i个用户的容量需求，di为该基站对应的用户区域内第i个用户的自由度，i＝1,2,…,Ka，Ka为该基站对应的用户区域内的用户数，Ik为k阶单位阵，
当基站的发射功率设限时，设计功率控制因子以实现发射功率恒定，具体为：
功率控制因子其中，P0为基站的发射功率设限值，H表示矩阵的共轭转置。
5)接收端的干扰抑制
真正地消除区域间的干扰和用户区域内用户间的干扰，需要在移动台侧完成。我们设计了接收干扰抑制矩阵来实现此目标。在接收端，设计接收干扰抑制矩阵，以恢复数据，具体为：
用户区域A内第i个用户的干扰抑制矩阵为：其中，H表示矩阵的共轭转置。
下面通过具体仿真结果对本发明的技术方案作进一步阐述：
为分析本发明基于干扰对齐的蜂窝***下行链路自适应预编码方案的性能，我们在仿真中与经典干扰对齐算法进行了对比：一)与经典的干扰对齐方法在满足相同容量要求下，发射功率的对比；二)在发射功率受限条件下，最终实现的容量占比的比较。
仿真条件如下：假设用户区域内的用户反馈的容量为四个等级，按照2比特反馈：5,10,15，20bps。可用子信道数目为32，小区内用户数服从均值为5的泊松分布。信道高斯噪声的方差为10-3。
仿真结果如图3和4所示，显而易见，与经典干扰对齐算法相比，本发明的方案在发射功率和容量上均具有较大的优势。图3是两种方案的发射功率的分布函数对比。注意到本发明的方案在相同概率的情况下，发射功率比经典的干扰对齐要低10dB以上。图4是仿真了发射机功率受限情况下，最终实现的容量与用户需求的容量的比例。在发射功率仅仅为6dB的条件下，本发明实现的容量占比约93％，而经典的方法仅仅实现了不到25％的容量。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.基于干扰对齐的蜂窝网络下行链路自适应预编码方法，用于全频率复用的协作双基站，其特征在于，包括以下具体步骤：
步骤1，双基站的用户区域内的所有用户将自身容量需求反馈至对应的基站；
步骤2，每个基站根据接收到的用户容量需求，基于干扰对齐技术向各自用户区域内的每个用户分配自由度；
步骤3，采用迫零算法设计基站的功率控制矩阵Λa，以满足所有用户的容量需求，具体为：
<mrow> <msub> <mi>&amp;Lambda;</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>n</mi> </msub> <mfenced open = "(" close = ")"> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msqrt> <mrow> <msup> <mn>2</mn> <mrow> <msubsup> <mi>c</mi> <mi>d</mi> <mn>1</mn> </msubsup> <mo>/</mo> <msub> <mi>d</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> </msup> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msqrt> <msub> <mi>I</mi> <msub> <mi>d</mi> <mn>1</mn> </msub> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow></mrow> </mtd> <mtd> <mrow></mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow></mrow> </mtd> <mtd> <mn>...</mn> </mtd> <mtd> <mrow></mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow></mrow> </mtd> <mtd> <mrow></mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msqrt> <mrow> <msup> <mn>2</mn> <mrow> <msubsup> <mi>c</mi> <mi>d</mi> <msub> <mi>K</mi> <mi>a</mi> </msub> </msubsup> <mo>/</mo> <msub> <mi>d</mi> <msub> <mi>K</mi> <mi>a</mi> </msub> </msub> </mrow> </msup> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msqrt> <msub> <mi>I</mi> <msub> <mi>d</mi> <msub> <mi>K</mi> <mi>a</mi> </msub> </msub> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
其中，σn为噪声功率均方值，为该基站对应的用户区域内第i个用户的容量需求，di为该基站对应的用户区域内第i个用户的自由度，i＝1,2,…,Ka，Ka为该基站对应的用户区域内的用户数，Ik为k阶单位阵，
步骤4，基站采用预编码矩阵对下行数据进行预编码传输，预编码矩阵由第一级编码矩阵和第二级编码矩阵级联而成，其中：
第一级编码矩阵Pa为N阶的酉矩阵P的前dA列，dA为该基站对应的用户区域内所有用户的自由度总数，N为基站子信道数；
第二级编码矩阵为：
<mrow> <msub> <mi>B</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>V</mi> <mn>1</mn> </msub> <msubsup> <mi>G</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mn>1</mn> </mrow> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msubsup> <msub> <mi>H</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <msub> <mi>P</mi> <mi>a</mi> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>V</mi> <mn>2</mn> </msub> <msubsup> <mi>G</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mn>2</mn> </mrow> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msubsup> <msub> <mi>H</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <msub> <mi>P</mi> <mi>a</mi> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>...</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>V</mi> <msub> <mi>K</mi> <mi>a</mi> </msub> </msub> <msubsup> <mi>G</mi> <mrow> <msub> <mi>bK</mi> <mi>a</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msubsup> <msub> <mi>H</mi> <mrow> <msub> <mi>aK</mi> <mi>a</mi> </msub> </mrow> </msub> <msub> <mi>P</mi> <mi>a</mi> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> </mrow>
式中， 为矩阵P的从dB+1到dB+di列构成的子矩阵，dB为协作基站对应的用户区域内所有用户的自由度总数，T表示转置；Gbi为该基站对应的用户区域内第i个用户接收到的协作基站的干扰信道，为Gbi的逆矩阵，Hai为本用户区域内第i个用户接收到的直通信道。
2.根据权利要求1所述的基于干扰对齐的蜂窝网络下行链路自适应预编码方法，其特征在于，N阶的酉矩阵P通过奇异值分解获得。
3.根据权利要求1所述的基于干扰对齐的蜂窝网络下行链路自适应预编码方法，其特征在于，当基站的发射功率设限时，设计功率控制因子以实现发射功率恒定，具体为：
功率控制因子其中，P0为基站的发射功率设限值，H表示矩阵的共轭转置。
4.根据权利要求1所述的基于干扰对齐的蜂窝网络下行链路自适应预编码方法，其特征在于，在接收端，设计接收干扰抑制矩阵以恢复数据，具体为：
第i个用户的干扰抑制矩阵为：其中，H表示矩阵的共轭转置。
5.根据权利要求1所述的基于干扰对齐的蜂窝网络下行链路自适应预编码方法，其特征在于，用户端采用2比特编码向基站反馈自身容量需求。
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