CN109257134B - 基于全双工基站的多小区蜂窝网络干扰对齐方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于全双工基站的多小区蜂窝网络干扰对齐的方法，旨在提高多小区蜂窝网络***的***容量，实现步骤为：确定蜂窝小区位置坐标；选择用户组；构造干扰对齐矩阵、解码矩阵和接收矩阵；上行用户发送第一时隙上行信号，基站解码第一时隙上行信号，同时发送第一时隙下行信号；上行用户发送第二时隙上行信号，同时基站发送第二时隙下行信号；下行用户获取解码信号。本发明在每个蜂窝小区采用全双工基站，上行用户和基站分别通过两个时隙向基站和下行用户发送信号，并且每个蜂窝小区的基站与相邻小区的基站联合发送和解码信号，有效地消除了多蜂窝小区全双工通信的上下行干扰和小区间干扰，与现有技术相比，提高了***的***容量。

Description

基于全双工基站的多小区蜂窝网络干扰对齐方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种基于全双工基站的多小区蜂窝网络干扰对齐方法，可用于多小区蜂窝网络中基站工作在全双工模式下的无线通信***中

背景技术

在传统的蜂窝网络中，基站和用户都工作在半双工模式，即上行用户和下行用户分别工作在不同的频带，而全双工基站可以实现上、下行用户工作在相同的频带。相较于半双工通信，全双工通信在理论上可以提升一倍的***容量。但是全双工通信也带来了两个亟待解决的新问题：一是基站端上行天线和下行天线之间存在自干扰；二是上行用户同基站进行传输时，同时存在这上行用户到下行用户的信道，因此会对下行用户的通信带来干扰。在多小区蜂窝网络的通信中，全双工通信带来的干扰更为显著，不仅有小区内的上下行用户间干扰，还有小区间的上下行用户干扰，此外还有小区间上行用户对基站的干扰以及小区间基站对下行用户的干扰，这些干扰大大损害了***性能，降低了全双工带来的容量增益。目前已经有很多方法能够将基站端的自干扰消除，因此限制多小区全双工蜂窝网***容量的主要因素就是上行用户对下行用户的同区和跨区干扰，上行用户对基站的跨区干扰以及基站对下行用户的跨区干扰。为了消除这些干扰，干扰管理成了多小区全双工通信的重要领域之一。

常见的干扰管理技术有时分多址、频分多址、码分多址和干扰对齐等，干扰对齐可以有效地提高***的容量，它的主要思想是通过发射端的编码矩阵使干扰和期望信号分别映射到不同的子空间，在接收端用干扰的零空间消除干扰。

干扰对齐技术在单小区半双工通信中取得了良好的***容量增益，但随着小区个数的增加，小区之间的干扰也随之增多，半双工向全双工通信的发展，引进了上行用户对下行用户的干扰，需要对齐的干扰越来越多，严重影响了干扰对齐对***性能的改善。

为了提高多小区上行蜂窝网络的***容量，Vasilis等人在其发表的论文“Cellular interference alignment：omni-directional antennas and asymmetricconfigurations”(IEEE Transactions on Information Theory,2015,61(12):6663-6679)中，提出了一种针对多小区上行蜂窝网络的干扰对齐方法，该方法通过连续干扰抵消化小区间的双向干扰为单向干扰，再通过关闭部分蜂窝小区并在剩余的小区间实行分簇，使得簇内的各小区可以对齐来自相邻小区的干扰，获得更高的***容量，该方法存在的缺陷是只考虑了上行蜂窝网络的通信，在上行用户与基站的通信过程中，下行用户无法同时通信，与基于全双工基站的蜂窝网通信相比，损失了***容量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于全双工基站的多小区蜂窝网络干扰对齐的方法，旨在提高多小区蜂窝网络***的***容量。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：

(1)确定每个蜂窝小区位置的坐标：

以包括L个蜂窝小区的全双工基站蜂窝网络中任意一个蜂窝小区为原点小区，L≥5，其位置坐标为(0，0)，以(0，0)和任意与原点小区相邻的蜂窝小区的中心点的连线为实轴正方向，采用爱斯坦森整数Z(ω)＝a+bω确定其他L-1个蜂窝小区位置的坐标(a,b)，i为虚数单位；

(2)选择每个蜂窝小区的用户组：

选择每个蜂窝小区中的一个上行用户和两个下行用户组成用户组；

(3)利用全局信道状态信息，构造解码矩阵干扰对齐矩阵和接收矩阵其中，h_ik,j表示坐标为j的蜂窝小区的基站与坐标为i的蜂窝小区的第k个下行用户间的信道系数，l_i,j表示坐标为j的蜂窝小区的基站与坐标为i的蜂窝小区的上行用户间的信道系数，表示坐标为j的蜂窝小区的第k个下行用户在第m个时隙的接收矩阵，和分别表示坐标为j的小区的基站和上行用户在第二时隙的附加相位，i,j∈{Z₀,Z₁,Z₂,Z₃,Z₄}，k＝1,2，[·]^-1表示对矩阵求逆；

(4)每个用户组中的上行用户发送第一时隙的上行信号，基站解码第一时隙的上行信号，同时发送第一时隙的下行信号：

(4a)每个用户组中的上行用户向基站发送第一时隙的上行信号：

坐标为z的蜂窝小区的上行用户向同小区的基站发送第一时隙的上行信号坐标为z+1的蜂窝小区和坐标为z-1-ω的蜂窝小区的上行用户，各自向同小区的基站发送第一时隙的上行信号和

(4b)每个用户组中的基站对第一时隙的上行信号进行解码：

坐标为z、z-1和z+1+ω的蜂窝小区的基站采用解码矩阵，联合对各自接收到的的第一时隙上行信号和进行解码，得到解码的第一时隙上行信号和

(4c)每个用户组中的基站向下行用户发送第一时隙的下行信号：

将坐标为z的蜂窝小区的基站拟向同小区两个下行用户发送的下行信号以及坐标为z+1的蜂窝小区和坐标为z-1-ω的蜂窝小区的基站各自拟向同小区的两个下行用户发送的下行信号和组成列向量，并将干扰对齐矩阵与该列向量左乘，得到过渡矩阵，再将过渡矩阵的一二行三四行和五六行分别作为坐标为z、z+1和z-1-ω小区基站的预编码矩阵，分别与各自对应的和左乘，将左乘结果和作为第一时隙的下行信号，发送给各基站对应的下行用户；

(5)每个用户组中的上行用户发送第二时隙的上行信号，同时基站发

送第二时隙的下行信号：

(5a)坐标为z的蜂窝小区的上行用户将第二时隙的附加相位与第一时隙发送的上行信号左乘，坐标为z+1的蜂窝小区的上行用户将第二时隙的附加相位与第一时隙发送的上行信号左乘，坐标为z-1-ω的蜂窝小区的上行用户将第二时隙的附加相位与第一时隙发送的上行信号左乘，并将左乘结果和分别作为坐标为z、z+1和z-1-ω小区第二时隙的上行信号，发送给各小区上行用户对应的基站；

(5b)坐标为z的蜂窝小区的基站将第二时隙的附加相位与第一时隙发送的下行信号左乘，坐标为z+1的蜂窝小区的基站将第二时隙的附加相位与第一时隙发送的下行信号左乘，坐标为z-1-ω的蜂窝小区的基站将第二时隙的附加相位与第一时隙发送的下行信号左乘，并将左乘结果和分别作为坐标为z、z+1和z-1-ω小区第二时隙的下行信号，发送给各小区基站对应的下行用户；

(6)每个蜂窝小区的用户组的下行用户获取解码信号：

(6a)坐标为z的蜂窝小区的两个下行用户将第一时隙的接收矩阵和第二时隙的接收矩阵和分别与第一时隙的接收信号和第二时隙的接收信号和左乘，两者相加得到每个下行用户的解码信号和

(6b)坐标为z+1的蜂窝小区的两个下行用户将第一时隙的接收矩阵和第二时隙的接收矩阵分别为和分别与第一时隙时的接收信号和第二时隙的接收信号和左乘，两者相加得到每个下行用户的解码信号和

(6c)坐标为z-1-ω的蜂窝小区的两个下行用户将第一时隙的接收矩阵和第二时隙的接收矩阵和分别与第一时隙的接收信号和第二时隙的接收信号和左乘，两者相加得到每个下行用户的解码信号和

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明在每个蜂窝小区采用全双工基站，上行用户和基站分别通过两个时隙向基站和下行用户发送上行信号和下行信号，并且每个蜂窝小区的基站与相邻小区的基站联合发送信号和解码信号，有效地消除了多蜂窝小区全双工通信的上下行干扰和小区间干扰，上行用户与基站通信的同时，下行用户可以无干扰的与基站通信，与现有技术相比，提高了***的***容量。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2为本发明中确定蜂窝小区坐标所采用的爱斯坦森整数坐标图；

图3为本发明和现有技术***容量的仿真对比图。

具体实施方式

以下参照附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。

参照图1.一种基于全双工基站的多小区蜂窝网络干扰对齐方法，包括如下步骤：

步骤1)确定每个蜂窝小区位置的坐标：

每个蜂窝小区包括一个全双工基站、多个上行用户和多个下行用户，基站配置的天线数为M，上行用户和下行用户的配置的天线数均为N，本事实例设置M＝2，N＝2，所有蜂窝小区的上行用户在第二时隙的附加相位为所有蜂窝小区的基站在第二时隙的附加相位为

以包括L个蜂窝小区的全双工基站蜂窝网络中任意一个蜂窝小区为原点小区，L＝5，其位置坐标z₀为(0,0)，以(0,0)和任意与原点小区相邻的蜂窝小区的中心点的连线为实轴正方向，采用爱斯坦森整数Z(ω)＝a+bω确定其他4个蜂窝小区位置的坐标z₁、z₂、z₃、z₄，分别为(-1,0)、(1,1)、(-1,-1)、(1,0)，i为虚数单位；

步骤2)选择每个蜂窝小区的用户组：

选择每个蜂窝小区中的一个上行用户和两个下行用户组成用户组；

步骤3)构造解码矩阵和干扰对齐矩阵：

根据信道状态信息，构造解码矩阵A和干扰对齐矩阵B，

其中，h_ik,j表示坐标为j的蜂窝小区的基站与坐标为i的蜂窝小区的第k个下行用户间的信道系数，l_i,j表示坐标为j的蜂窝小区的基站与坐标为i的蜂窝小区的上行用户间的信道系数，表示坐标为j的蜂窝小区的第k个下行用户在第m个时隙的接收矩阵，和分别表示坐标为j的小区的基站和上行用户在第二时隙的附加相位，i,j∈{Z₀,Z₁,Z₂,Z₃,Z₄}，k＝1,2，[·]^-1表示对矩阵求逆；

步骤4)每个用户组中的上行用户发送第一时隙的上行信号，基站解码第一时隙的上行信号，同时发送第一时隙的下行信号：

步骤4.1)每个用户组中的上行用户向基站发送第一时隙的上行信号：

坐标为z₀的蜂窝小区的上行用户向同小区的基站发送第一时隙的上行信号与坐标为z的蜂窝小区相邻的坐标为z₃的蜂窝小区和坐标为z₄的蜂窝小区的上行用户，各自向同小区的基站发送第一时隙的上行信号和

步骤4.2)每个用户组中的基站对第一时隙的上行信号进行解码：

坐标为z₀、z₁和z₂的蜂窝小区的基站采用解码矩阵，联合对各自收到的第一时隙上行信号和进行解码，

得到解码的第一时隙上行信号和采用基站联合解码的方法，可以将来自相邻蜂窝小区上行用户的干扰信号视作期望信号一并解出。

步骤4.3)每个用户组中的基站向下行用户发送第一时隙的下行信号：

将坐标为z₀的蜂窝小区的基站拟向同小区两个下行用户发送的下行信号坐标为z₃的蜂窝小区和坐标为z₄的蜂窝小区的基站各自拟向同小区的两个下行用户发送的下行信号和组成列向量，并将干扰对齐矩阵B与该列向量左乘，得到过渡矩阵C，

再将过渡矩阵C的一二行三四行和五六行分别作为上述三个蜂窝小区的基站的预编码矩阵，和分别与各自对应的和左乘，

将左乘结果和作为第一时隙的下行信号，发送给各基站对应的下行用户，通过干扰对齐矩阵构建基站的预编码矩阵，由此一来，基站对相邻蜂窝小区下行用户的干扰可以视作期望信号，从而减少了下行用户收到的干扰；

步骤5)每个用户组中的上行用户发送第二时隙的上行信号，同时基站发送第二时隙的下行信号：

步骤5.1)坐标为z₀的蜂窝小区的上行用户将第二时隙的附加相位与第一时隙发送的上行信号左乘，坐标为z₃的蜂窝小区的上行用户将第二时隙的附加相位与第一时隙发送的上行信号左乘，坐标为z₄的蜂窝小区的上行用户将第二时隙的附加相位与第一时隙发送的上行信号左乘，

并将左乘结果和分别作为上述三个蜂窝小区第二时隙的上行信号，发送给各小区上行用户对应的基站，对于上行用户发送的第二时隙上行信号，基站无须进行解码，基站在第一时隙已经得到解码信号，上行用户发送的第二时隙上行信号可以被下行用户接收用来抵消下行用户在第一时隙收到的上行干扰；

步骤5.2)坐标为z₀的蜂窝小区的基站将第二时隙的附加相位与第一时隙发送的下行信号左乘，坐标为z₃的蜂窝小区的基站将第二时隙的附加相位与第一时隙发送的下行信号左乘，坐标为z₄的蜂窝小区的基站将第二时隙的附加相位与第一时隙发送的下行信号左乘，

并将左乘结果和分别作为上述三个蜂窝小区第二时隙的下行信号，发送给各小区基站对应的下行用户；

步骤6)每个蜂窝小区的用户组的下行用户获取解码信号：

步骤6.1)坐标为z₀的蜂窝小区的两个下行用户将第一时隙的接收矩阵和第二时隙的接收矩阵和分别与第一时隙的接收信号和第二时隙的接收信号和左乘，两者相加得到每个下行用户的解码信号和

步骤6.2)坐标为z₁的蜂窝小区的两个下行用户将第一时隙的接收矩阵和第二时隙的接收矩阵分别为和分别与第一时隙时的接收信号和第二时隙的接收信号和左乘，两者相加得到每个下行用户的解码信号和

将两个时隙的信号合并，可以抵消下行用户受到的来自上行用户的第一时隙和第二时隙干扰。

步骤6.3)坐标为z₂的蜂窝小区的两个下行用户将第一时隙的接收矩阵和第二时隙的接收矩阵和分别与第一时隙的接收信号和第二时隙的接收信号和左乘，两者相加得到每个下行用户的解码信号和

以下通过仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：

1.仿真条件和内容：

本发明和现有技术对多小区蜂窝网络***容量仿真在Matlab中编程实现，设置由5个蜂窝小区组成的蜂窝网络***，每个蜂窝小区包括一个上行用户，两个下行用户，每个蜂窝小区的基站、上行用户和下行用户配置的天线数均为2，信道采用时变的瑞利平坦衰落信道，在不同的信噪比条件下，分别用本发明和基于半双工基站的多小区蜂窝网络的干扰对齐方法，对蜂窝***的容量进行仿真，其结果如图3所示。

2.仿真结果分析：

对本发明和基于半双工基站的多小区蜂窝网络的干扰对齐方法在由5个蜂窝小区组成的蜂窝网络，每个蜂窝小区包括一个上行用户，两个下行用户的场景下***容量的仿真，验证了本发明能够提高***的容量。

参照图3，横轴表示***的信噪比，单位为dB，纵轴表示***容量，单位为bps/Hz，可以看出，随着信噪比的提高，本发明和基于半双工基站的多小区蜂窝网络的干扰对齐方法所获得的***容量均呈增高趋势，同时本发明使***获得的***容量高于基于半双工基站的多小区蜂窝网络的干扰对齐方法。

Claims (1)

1.一种基于全双工基站的多小区蜂窝网络干扰对齐方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)确定每个蜂窝小区位置的坐标：

以包括L个蜂窝小区的全双工基站蜂窝网络中任意一个蜂窝小区为原点小区，L≥5，其位置坐标为(0，0)，以(0，0)和任意与原点小区相邻的蜂窝小区的中心点的连线为实轴正方向，采用爱斯坦森整数Z(ω)＝a+bω确定其他L-1个蜂窝小区位置的坐标(a,b)，i为虚数单位；

(2)选择每个蜂窝小区的用户组：

选择每个蜂窝小区中的一个上行用户和两个下行用户组成用户组；

(3)利用全局信道状态信息，构造解码矩阵干扰对齐矩阵和接收矩阵其中，h_ik,j表示坐标为j的蜂窝小区的基站与坐标为i的蜂窝小区的第k个下行用户间的信道系数，l_i,j表示坐标为j的蜂窝小区的基站与坐标为i的蜂窝小区的上行用户间的信道系数，表示坐标为j的蜂窝小区的第k个下行用户在第m个时隙的接收矩阵，和分别表示坐标为j的小区的基站和上行用户在第二时隙的附加相位，i,j∈{Z₀,Z₁,Z₂,Z₃,Z₄}，k＝1,2，[·]^-1表示对矩阵求逆；

(4)每个用户组中的上行用户发送第一时隙的上行信号，基站解码第一时隙的上行信号，同时发送第一时隙的下行信号：

(4a)每个用户组中的上行用户向基站发送第一时隙的上行信号：

坐标为z的蜂窝小区的上行用户向同小区的基站发送第一时隙的上行信号坐标为z+1的蜂窝小区和坐标为z-1-ω的蜂窝小区的上行用户，各自向同小区的基站发送第一时隙的上行信号和

(4b)每个用户组中的基站对第一时隙的上行信号进行解码：

坐标为z、z-1和z+1+ω的蜂窝小区的基站采用解码矩阵，联合对各自接收到的的第一时隙上行信号和进行解码，得到解码的第一时隙上行信号和

(4c)每个用户组中的基站向下行用户发送第一时隙的下行信号：

将坐标为z的蜂窝小区的基站拟向同小区两个下行用户发送的下行信号以及坐标为z+1的蜂窝小区和坐标为z-1-ω的蜂窝小区的基站各自拟向同小区的两个下行用户发送的下行信号和组成列向量，并将干扰对齐矩阵与该列向量左乘，得到过渡矩阵，再将过渡矩阵的一二行三四行和五六行分别作为上述三个坐标为z、z+1和z-1-ω小区基站的预编码矩阵，分别与各自对应的和左乘，将左乘结果和作为第一时隙的下行信号，发送给各基站对应的下行用户；

(5)每个用户组中的上行用户发送第二时隙的上行信号，同时基站发送第二时隙的下行信号：

(5a)坐标为z的蜂窝小区的上行用户将第二时隙的附加相位与第一时隙发送的上行信号左乘，坐标为z+1的蜂窝小区的上行用户将第二时隙的附加相位与第一时隙发送的上行信号左乘，坐标为z-1-ω的蜂窝小区的上行用户将第二时隙的附加相位与第一时隙发送的上行信号左乘，并将左乘结果和分别作为上述三个坐标为z、z+1和z-1-ω小区第二时隙的上行信号，发送给各小区上行用户对应的基站；

(5b)坐标为z的蜂窝小区的基站将第二时隙的附加相位与第一时隙发送的下行信号左乘，坐标为z+1的蜂窝小区的基站将第二时隙的附加相位与第一时隙发送的下行信号左乘，坐标为z-1-ω的蜂窝小区的基站将第二时隙的附加相位与第一时隙发送的下行信号左乘，并将左乘结果和分别作为上述三个坐标为z、z+1和z-1-ω小区第二时隙的下行信号，发送给各小区基站对应的下行用户；

(6)每个蜂窝小区的用户组的下行用户获取解码信号：

(6a)坐标为z的蜂窝小区的两个下行用户将第一时隙的接收矩阵和第二时隙的接收矩阵和分别与第一时隙的接收信号和第二时隙的接收信号和左乘，两者相加得到每个下行用户的解码信号和

(6b)坐标为z+1的蜂窝小区的两个下行用户将第一时隙的接收矩阵和第二时隙的接收矩阵分别为和分别与第一时隙时的接收信号和第二时隙的接收信号和左乘，两者相加得到每个下行用户的解码信号和

(6c)坐标为z-1-ω的蜂窝小区的两个下行用户将第一时隙的接收矩阵和第二时隙的接收矩阵和分别与第一时隙的接收信号和第二时隙的接收信号和左乘，两者相加得到每个下行用户的解码信号和