CN107682060B - 一种基于干扰规避的频谱共享方法及通信接收机 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信技术领域,公开了一种基于干扰规避的频谱共享方法及通信接收机,通过计算干扰对期望信号的影响,干扰在期望信号上投影的大小,动态选择传输期望信号所占用的空间自由度。与现有技术相比,本发明根据干扰与期望信号之间的空间相关度,干扰强度以及期望信号传输可用的主特征模式与次特征模式的功率增益的比值,选择干扰规避的方法。本发明实现空间自由度的合理使用,在不改变干扰特征的情况下,改善受干扰接收机的信干噪比,实现目标通信对与干扰通信对的频谱共享。可用于受到干扰的目标通信对合理选择数据传输使用的空间自由度,在不改变干扰特征的情况下,改善受干扰接收机的信干噪比,实现目标通信对与干扰通信对的频谱共享。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域,尤其涉及一种基于干扰规避的频谱共享方法及通信接收机。
背景技术
无线频谱资源的紧缺是限制无线通信与服务应用持续发展的瓶颈,进行高效的频谱共享能够大大降低频谱和带宽限制对无线通信技术发展的束缚,改变目前无线频谱资源紧缺的状况。频谱共享带来了频谱资源复用程度的提高,共享频谱的不同通信对之间的干扰问题日益凸显,例如在工业、科研和医疗ISM频段,众多无线设备可以共享频谱资源,而使用相同频率资源的设备间便存在共道干扰,特别是在医疗物联网领域,共道干扰导致的通信失败或其它问题带来的后果可能是致命的。早期的研究中人们通过在时域或频域上为相互干扰的通信分配不同的资源块来消除干扰。现有技术一中,大功率发射台和小功率发射台在相同的载波频率上分时交替地发射大功率发射信号和小功率发射信号,这是一种用时域划分的方法规避相同的载波频率下的干扰。现有技术二异***间频谱共享情况下的干扰抑制方法和设备,通过限制认知小区在认知频段上的下行最大发射功率和/或上行最大发射功率,有效降低认知***和授权***共享频谱的情况下两个***之间的干扰,这是用频域分隔的方法规避相同频谱中的干扰。随着研究的深入,人们开始尝试从多个维度发掘通信机会,空域资源便是其中的一个重要方面,在经典的点对点多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术中,通过对通信对之间的信道矩阵进行奇异值分解,可以将MIMO信道等效为一组去耦并行子信道,子信道的数目即为通信对之间空间自由度的数目;空间子信道中增益最大的称为主特征模式,其余为次特征模式。在空域中,共享频谱的干扰通信对目标通信造成的影响本质上体现在干扰在期望信号上的投影。当接收机受到一个高强度且与其期望传输的主特征模式空间相关度大的干扰时,期望信号受到的有效干扰强。在这种情况下,采用主特征模式进行的数据传输受到了严重的破坏。通过奇异值分解技术分解信道矩阵,采用主特征模式进行数据传输,没有考虑干扰严重污染主特征模式的情况下数据传输的实现。路标法,共享频谱的用户之间可以通过计算其信道状态信息与预先设定的正交方向之间的夹角来推测自己与其它用户的正交性,进而实现频谱共享下的干扰消除。这种方法虽然在空域上消除了干扰,但是预先设定的正交方向与真实的信道状态信息匹配度差,会造成期望通信的频谱效率的降低。通过联合设计干扰与期望信号的预编码来达到消除干扰的目的,但没有考虑当干扰的状态无法改变,即干扰与期望信号的预编码无法进行联合设计时的频谱共享实现。
综上所述,现有技术存在的问题是:目前规避相同频谱中的干扰方法存在采用主特征模式进行的数据传输受到严重的破坏;预先设定的正交方向与真实的信道状态信息匹配度差,造成期望通信的频谱效率降低;干扰与期望信号的预编码无法进行联合设计时的频谱共享实现。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种基于干扰规避的频谱共享方法及通信接收机。
本发明是这样实现的,一种基于干扰规避的频谱共享方法,所述基于干扰规避的频谱共享方法的通信接收机估计与对应的通信发射机之间的信道状态信息并反馈给该通信发射机;目标通信发射机向其对应的目标通信接收机发送目标数据,干扰通信发射机向对应的干扰通信接收机发送干扰数据,目标通信发射机与干扰通信发射机均采用波束成形的传输方式;干扰通信对根据信道状态信息设计通信预编码向量与滤波向量;干扰通信发射机根据干扰通信信道矩阵设计预编码向量;干扰通信接收机根据干扰通信信道矩阵设计滤波向量;目标通信对根据信道状态信息以及目标通信接收机所受干扰的情况设计预编码向量与滤波向量。
进一步,所述基于干扰规避的频谱共享方法具体包括以下步骤:
步骤一,通信接收机估计与对应的通信发射机之间的信道状态信息并反馈给该通信发射机:干扰通信接收机估计其与对应的干扰通信发射机之间的信道状态信息,干扰通信信道矩阵h1;受到干扰的目标通信接收机估计其与目标通信发射机之间的信道状态信息,目标通信信道矩阵h0;受到干扰的目标通信接收机估计其与干扰通信发射机之间的信道状态信息,干扰信道矩阵h10;并将信道状态信息反馈给对应的发射机;
步骤二,目标通信发射机向其对应的目标通信接收机发送目标数据x0,干扰通信发射机向对应的干扰通信接收机发送干扰数据x1,目标通信发射机与干扰通信发射机均采用波束成形的传输方式;
步骤三,干扰通信对根据信道状态信息h1设计通信预编码向量与滤波向量:干扰通信发射机根据干扰通信信道矩阵h1设计预编码向量s1;干扰通信接收机根据干扰通信信道矩阵h1设计滤波向量w1;
步骤四,目标通信对根据信道状态信息h0以及目标通信接收机所受干扰的情况设计预编码向量s0与滤波向量w0。
进一步,所述步骤一中干扰通信接收机根据接收到的来自干扰通信发射机的信号估计干扰通信信道矩阵h1,是先由干扰通信发射机在向干扰通信接收机发送的数据信号前端添加干扰通信接收机已知的训练序列;再由干扰通信接收机根据收到的已知训练序列进行计算,实现对干扰通信信道矩阵的估计。
进一步,所述步骤一中目标通信接收机根据接收到的来自目标通信发射机的信号估计目标通信信道矩阵h0,是先由目标通信发射机在向目标通信接收机发送的数据信号前端添加目标通信接收机已知的训练序列;再由目标通信接收机根据收到的已知训练序列进行计算,实现对目标通信信道矩阵的估计。
进一步,所述步骤一中目标通信接收机根据接收到的来自干扰通信发射机的信号估计干扰信道矩阵h10,先由干扰通信发射机在向干扰通信接收机发送的数据信号前端添加干扰通信接收机与目标通信接收机已知的训练序列;再由目标通信接收机根据收到的已知训练序列进行计算,实现对干扰信道矩阵的估计。
进一步,所述步骤三中干扰通信发射机根据h1设计干扰通信预编码向量s1,干扰通信接收机根据h1设计干扰通信滤波向量w1,步骤如下:
(1)对干扰通信发射机与干扰通信接收机之间的干扰通信信道矩阵h1进行奇异值分解,h1=U1Λ1V1 H,其中V1和U1分别为h1的左奇异矩阵和右奇异矩阵;
进一步,所述步骤四具体包括:
(4)目标通信接收机计算目标通信信道的主特征模式与观测到的干扰信号的空间特征之间的空间相关度:
(5)目标通信接收机根据不等式确定采用哪个特征模式进行期望信号的传输,如果上述不等式成立,则目标通信发射机采用干扰规避的方法,改用次特征模式向目标通信接收机发送数据,并通知目标通信发射机传输方式的改变,否则,不等式不成立,目标通信对继续使用主特征模式进行数据传输;
进一步,所述(1)中目标通信接收机估计干扰功率与噪声功率的比值Z:
2)目标通信接收机根据干扰信号发射机的发射功率通过目标通信接收机与干扰通信发射机之间的距离计算得到的路径损耗L10、目标通信接收机与干扰通信发射机之间的干扰信道矩阵h10以及干扰信号的预编码向量s1,计算目标通信接收机接收到的经过路损的干扰功率
本发明的另一目的在于提供一种使用所述基于干扰规避的频谱共享方法的通信接收机。
本发明的优点及积极效果为:通过计算干扰对期望信号的影响,即干扰在期望信号上投影的大小,动态选择传输期望信号所占用的空间自由度。与现有技术相比,本发明根据干扰与期望信号之间的空间相关度,干扰强度以及期望信号传输可用的主特征模式与次特征模式的功率增益的比值,选择干扰规避的方法。采用本发明可以实现空间自由度的合理使用,在不改变干扰特征的情况下,改善受干扰接收机的信干噪比,实现目标通信对与干扰通信对的频谱共享。可用于受到干扰的目标通信对合理选择数据传输使用的空间自由度,在不改变干扰特征的情况下,改善受干扰接收机的信干噪比,实现目标通信对与干扰通信对的频谱共享。
本发明与现有技术对比,具有以下优势:
1、与现有技术相比,采用本发明可以确定用于数据传输的空间自由度,从而实现空间自由度的合理分配,最大化接收机信干噪比。
2、本发明由于通过受干扰接收机对应的发射机进行预编码的设计,受干扰的接收机只估计与对应发射机之间的信道信息,没有增加其它信号处理工作,便于实现。
3、本发明不仅适用于只存在一对干扰通信对的情况,还适用于干扰通信对大于等于两对时的通信场景。
4、本发明由于在期望数据传输采用干扰规避之后,干扰仍会对期望信号造成影响,因此可以将现有的干扰管理方法与干扰规避相互结合,在消除干扰影响的基础上进一步提高***的频谱效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于干扰规避的频谱共享方法流程图。
图2是本发明实施例提供的使用混合蜂窝通信***模型图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明的干扰规避当接收机受到的干扰与主特征模式的空间相关度大,而与其余次特征模式的相关度小时,可以仅在目标通信发射端将期望数据调整到次特征模式上进行传输而无需调整干扰的状态,从而降低干扰对期望数据传输的影响。当数据传输可用的空间自由度越多时,选择的余地越大,规避带来的增益也将越大。本发明基于受干扰接收机观测到的干扰的强度、干扰与主特征模式的空间相关度、受干扰通信对主特征模式与次特征模式的功率增益的比值之间的关系,合理选择干扰规避的方法完成数据传输。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示,本发明实施例提供的基于干扰规避的频谱共享方法包括以下步骤:
S101:通信接收机估计其与对应的通信发射机之间的信道状态信息并反馈给该通信发射机;
S102:目标通信发射机向其对应的目标通信接收机发送目标数据,干扰通信发射机向对应的干扰通信接收机发送干扰数据,目标通信发射机与干扰通信发射机均采用波束成形的传输方式;
S103:干扰通信对根据信道状态信息设计通信预编码向量与滤波向量;干扰通信发射机根据干扰通信信道矩阵设计预编码向量;干扰通信接收机根据干扰通信信道矩阵设计滤波向量;
S104:目标通信对根据信道状态信息以及目标通信接收机所受干扰的情况设计预编码向量与滤波向量。
下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。
如图2所示,本发明实施例使用的***模型是混合蜂窝网络的下行通信***,***中包含2个基站,2个用户,所有基站和用户的均配置2根天线,即微微用户可用的空间自由度数目为2。微小区采用开放接入模式。
本发明的实现步骤如下:
步骤1,用户估计信道状态信息,并反馈相应的基站。
(1a)宏基站在发送的信号前添加用户侧已知的训练序列;再由各用户对收到的已知训练序列进行计算,实现宏基站与宏用户之间的宏信道矩阵h1和宏基站与微微用户之间的宏微信道矩阵h10的估计;宏用户通过上行通信信道将宏信道矩阵h1反馈给宏基站;
(1b)微基站在向位于微小区的微微用户发送的信号前端添加微微用户已知的训练序列;再由微微用户对收到的已知训练序列进行计算,实现对微信道矩阵h0的估计;并通过上行通信信道将微信道矩阵h0反馈给微基站;
步骤2,微基站采用波束成形的发射方式发射单个期望数据x0,宏基站采用波束成形的发射方式发射单个干扰数据x1。其中 分别表示微基站和宏基站的发射功率,表示数学期望,||·||表示Frobenius范数。
步骤3,宏基站根据信道状态信息矩阵设计通信预编码向量与滤波向量:
(3a)宏基站对宏信道矩阵h1进行奇异值分解h1=U1Λ1V1 H,U1和V1分别为宏信道矩阵h1的左奇异矩阵与右奇异矩阵;
步骤4,根据微基站与微微用户之间的信道状态信息以及干扰的信息设计预编码向量与滤波向量:
(4a.2)微微用户根据宏基站的发射功率通过宏基站与微微用户之间的距离计算得到的路径损耗L10、宏基站与微微用户之间的干扰信道矩阵h10以及干扰信号的预编码向量s1,计算微微用户接收到的经过路损的干扰功率
(4d)微微用户计算目标通信信道的主特征模式与干扰信号之间的空间相关度:
(4e)微微用户根据不等式确定采用哪个特征模式进行期望信号的传输,如果上述不等式成立,则微基站采用干扰规避的方法,即改用次特征模式向微微用户发送数据,并通知微基站传输方式的改变,否则,不等式不成立,微基站继续使用主特征模式进行数据传输;
(4g)微微用户根据预编码信息s0与微信道矩阵h0设计接收滤波向量
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于干扰规避的频谱共享方法,其特征在于,所述基于干扰规避的频谱共享方法的通信接收机估计与对应的通信发射机之间的信道状态信息并反馈给该通信发射机;目标通信发射机向其对应的目标通信接收机发送目标数据,干扰通信发射机向对应的干扰通信接收机发送干扰数据,目标通信发射机与干扰通信发射机均采用波束成形的传输方式;干扰通信对根据信道状态信息设计通信预编码向量与滤波向量;干扰通信发射机根据干扰通信信道矩阵设计预编码向量;干扰通信接收机根据干扰通信信道矩阵设计滤波向量;目标通信对根据信道状态信息以及目标通信接收机所受干扰的情况设计预编码向量与滤波向量;
所述基于干扰规避的频谱共享方法具体包括以下步骤:
步骤一,通信接收机估计与对应的通信发射机之间的信道状态信息并反馈给该通信发射机:干扰通信接收机估计其与对应的干扰通信发射机之间的信道状态信息,干扰通信信道矩阵h1;受到干扰的目标通信接收机估计其与目标通信发射机之间的信道状态信息,目标通信信道矩阵h0;受到干扰的目标通信接收机估计其与干扰通信发射机之间的信道状态信息,干扰信道矩阵h10;并将信道状态信息反馈给对应的发射机;
步骤二,目标通信发射机向其对应的目标通信接收机发送目标数据x0,干扰通信发射机向对应的干扰通信接收机发送干扰数据x1,目标通信发射机与干扰通信发射机均采用波束成形的传输方式;
步骤三,干扰通信对根据信道状态信息h1设计通信预编码向量与滤波向量:干扰通信发射机根据干扰通信信道矩阵h1设计预编码向量s1;干扰通信接收机根据干扰通信信道矩阵h1设计滤波向量w1;
步骤四,目标通信对根据信道状态信息h0以及目标通信接收机所受干扰的情况设计预编码向量s0与滤波向量w0;具体包括:
(1)目标通信接收机估计干扰功率与噪声功率的比值其中为干扰发射机的发射功率,L10是通过目标通信接收机与干扰通信发射机之间的距离计算得到的路径损耗,是目标通信接收机在无任何通信的情况下受到的噪声的功率;
(4)目标通信接收机计算目标通信信道的主特征模式与观测到的干扰信号的空间特征之间的空间相关度:
(5)目标通信接收机根据不等式确定采用哪个特征模式进行期望信号的传输,如果上述不等式成立,则目标通信发射机采用干扰规避的方法,改用次特征模式向目标通信接收机发送数据,并通知目标通信发射机传输方式的改变,否则,不等式不成立,目标通信对继续使用主特征模式进行数据传输;
2.如权利要求1所述的基于干扰规避的频谱共享方法,其特征在于,所述步骤一中干扰通信接收机根据接收到的来自干扰通信发射机的信号估计干扰通信信道矩阵h1,是先由干扰通信发射机在向干扰通信接收机发送的数据信号前端添加干扰通信接收机已知的训练序列;再由干扰通信接收机根据收到的已知训练序列进行计算,实现对干扰通信信道矩阵的估计。
3.如权利要求1所述的基于干扰规避的频谱共享方法,其特征在于,所述步骤一中目标通信接收机根据接收到的来自目标通信发射机的信号估计目标通信信道矩阵h0,是先由目标通信发射机在向目标通信接收机发送的数据信号前端添加目标通信接收机已知的训练序列;再由目标通信接收机根据收到的已知训练序列进行计算,实现对目标通信信道矩阵的估计。
4.如权利要求1所述的基于干扰规避的频谱共享方法,其特征在于,所述步骤一中目标通信接收机根据接收到的来自干扰通信发射机的信号估计干扰信道矩阵h10,先由干扰通信发射机在向干扰通信接收机发送的数据信号前端添加干扰通信接收机与目标通信接收机已知的训练序列;再由目标通信接收机根据收到的已知训练序列进行计算,实现对干扰信道矩阵的估计。
7.一种使用权利要求1~6任意一项所述基于干扰规避的频谱共享方法的通信接收机。
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