MIMO干扰广播信道的拓扑干扰对齐方法技术

本发明专利技术提出了一种MIMO干扰广播信道的拓扑干扰对齐方法，用以解决现有技术无法实现广义MIMO IBC的拓扑干扰对齐的技术问题，实现步骤为：设置系统；构建MIMO IBC的部分连接模型，然后通过虚拟基站扩展将其转化为MIMO IC的部分连接模型；求解MIMO IC系统满足拓扑干扰条件的预编码矩阵和解码矩阵；设计MIMO IBC预编码矩阵以及解码矩阵，并结合恰当的信号处理技术来消除小区间干扰；设计基站端的预编码矩阵来消除小区内干扰。本发明专利技术能够实现广义MIMO IBC的拓扑干扰对齐，并能够分析出给定拓扑信息的MIMO IBC系统可达自由度的下界。

MIMO interference broadcast channel topology interference alignment method

The invention provides a MIMO interference topology broadcast channel interference alignment method, using technology to solve the problem of the existing technology can not realize interference alignment of generalized MIMO topology IBC, implementation steps: setting system; construction of MIMO IBC part connection model, and then through the virtual base station will be extended into MIMO IC the connection part topology model; interference conditions to meet the IC system for MIMO precoding matrix and decoding matrix; design of MIMO IBC pre encoding matrix and decoding matrix, and combined with signal processing techniques appropriate to eliminate inter cell interference; design of base station precoding matrix to eliminate intra cell interference. The invention can realize interference alignment of generalized MIMO IBC topology, and we can analyze the MIMO IBC system up to degrees of freedom of the lower bound given topology information.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于通信
，涉及一种拓扑干扰对齐方法，具体涉及一种MIMO干扰广播信道的拓扑干扰对齐方法，可用于多输入多输出干扰广播信道MIMOIBC系统。
技术介绍
在无线通信系统中，由于信号传播环境的复杂性，如何克服多径衰落，阴影效应等因素，从而有效地提升无线系统的传输速率和频谱利用率，是无线通信技术的研究和发展所要解决的一个关键问题。多输入多输出MIMO技术的提出，为解决这些问题提供了全新的思路，其作为一种有效提升系统传输速率和频谱利用率的技术，成为了无线通信的研究热点。随着无线通信技术的进一步发展，无线通信信道的种类也越来越多样化，其中由一个基站服务本小区内多个用户的干扰广播信道IBC因其基站数和小区内用户数的配置灵活性而得到了广泛应用。然而随着通信技术的发展以及更高的系统传输速率要求，基站数，小区内用户数以及天线配置数的迅速增长使得多输入多输出干扰广播信道MIMOIBC系统的干扰问题更为突出。因此，高性能的干扰管理技术研究在当前以及未来的无线通信中都将扮演相当重要的角色。干扰对齐作为一种有效的干扰管理技术最初由美国加州大学的Jafar教授提出，它的思想是将接收端的接收空间划分为期望信号子空间和干扰子空间两个部分，通过联合设计预编码和解码的技术使得干扰对齐到接收端的干扰子空间中，从而减少干扰对期望信号的影响，并且压缩干扰子空间所占的维度，使其达到提高系统传输速率和频谱利用率的目的。针对时变信道系数的K个用户单输入单输出干扰信道SISOIC，Jafar教授从理论上证明，运用干扰对齐技术可以使得该系统达到K/2个自由度。这是无线通信领域中关于干扰网络系统可达速率研究的一个重大突破。接下来，针对时变信道参数的K用户多输入多输出干扰信道MIMOIC，每个发射端和接收端分别配置M和N根天线，Jafar教授证明，通过渐近式干扰对齐技术，当K≤R时，系统总的自由度是min(M,N)K；当K＞R时，系统总的自由度是其中R＝max(M,N)/min(M,N)。之后的研究，又将渐近式干扰对齐技术运用到了多输入多输出MIMOX网络中，并且对其网络可达自由度的研究产生了重要的影响。然而，渐近式干扰对齐技术因其需要无限的时延扩展，使得其仅具有很强的理论指导意义而并不契合实际。因此，基于有限时延扩展的线性干扰对齐技术逐步成为了干扰对齐技术的研究热点。线性干扰对齐技术被运用到了蜂窝网络中，针对多小区干扰多址接入信道IMAC，一种子空间干扰对齐方法被美国斯坦福大学的DavidTse教授提出，该方法能够将干扰信号对齐到一个多维度的干扰子空间中，随后这种子空间干扰对齐方法被推广到了多输入多输出干扰广播信道MIMOIBC，并且带来了明显的系统增益。此外，对于干扰多址接入信道IMAC，通过一种普适的零空间线性干扰对齐算法可以求得系统的最优可达自由度。除过针对这些特定系统与场景的干扰对齐算法，对于线性干扰对齐技术可行性的研究分析也引起了广泛关注。以上基于干扰对齐算法的研究成果对于无线通信系统速率限制方面取得了重大突破，但是其研究前提均是完整的信道状态信息CSI，然而在实际的通信场景中，由于系统时延，信道时延等原因，获取完整的信道状态信息并不切合实际。因此，基于非完整信道状态信息的干扰对齐技术逐步成为了研究热点，例如，基于混合CSI，延时CSI，具有相干模式的CSI和可替换的CSI等。除此之外，针对时不变信道，Jafar教授又创造性地提出了拓扑干扰对齐技术，该技术仅仅是在区分点到点的单跳链路的干扰功率强弱的前提下，设计具体的干扰对齐方案，并且通过将该场景下的拓扑干扰对齐问题转化为索引编码问题进行分析解决的方法，证明了针对单输入单输出干扰信道SISOIC和对称的多输入多输出干扰信道MIMOIC，拓扑干扰对齐技术能够使其达到其系统自由度的理论上界。基于Jafar教授分析的拓扑干扰对齐与索引编码之间的联系，美国加州理工大学的Hassibi教授针对时不变单输出单输出干扰信道SISOIC的拓扑干扰对齐问题，又进一步将其转化成为矩阵填充问题，并且分析了系统能够达到的最优自由度。与此同时，拓扑干扰对齐问题与索引编码以及矩阵填充问题三者之间的紧密联系也被深入地挖掘和讨论。针对一种特定的时不变单输入多输出干扰信道SIMOIC，Jafar提出了空间分解的拓扑干扰对齐技术，从而使其达到了系统的最优可达自由度，然而由于研究模型的特定性，该拓扑干扰对齐方法不具有推广性。针对一般配置的时不变多输入多输出干扰信道MIMOIC，一种通过联合设计预编码和解码矩阵的对齐方案能够使得其达到拓扑干扰对齐的目的，该方案对于时不变多输入多输出干扰广播信道MIMOIBC的拓扑干扰对齐具有一定的指导意义，但是由于系统模型的差异性而难于推广。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，针对时不变信道，提出了一种MIMO干扰广播信道的拓扑干扰对齐方法，用以解决现有技术无法实现普适的多输入多输出干扰广播信道MIMOIBC的拓扑干扰对齐的技术问题。本专利技术的技术思路是：通过虚拟基站扩展，将多输入多输出干扰广播信道MIMOIBC的部分连接模型转化为多输入多输出干扰信道的MIMOIC的部分连接模型，然后将多输入多输出干扰信道MIMOIC的部分连接模型映射至与其具有相同网络拓扑信息的的单输入单输出干扰信道SISOIC的部分连接模型，基于单输入单输出干扰信道SISOIC的拓扑干扰对齐解来设计多输入多输出干扰信道MIMOIC的拓扑干扰对齐解，最后为多输入多输出广播信道MIMOIBC分配预编码矩阵和解码矩阵，并结合时延扩展和转置的信号处理技术消除小区间干扰，小区内干扰则采用设计预处理矩阵的方案来消除，从而完成拓扑干扰对齐目的。根据最终转化成的单输入单输出干扰信道SISOIC的拓扑干扰对齐解，设计通过虚拟基站扩展转化而来的多输入多输出干扰信道MIMOIC的拓扑干扰对齐解，进一步为原始的多输入多输出干扰广播信道MIMOIBC分配预编码矩阵和解码矩阵，并结合时延扩展和转置的信号处理技术，使其达到干扰对齐的效果，分析通过拓扑干扰对齐技术能够使得该系统所能达到的自由度。其实现方案包括如下：1)系统设置:设多输入多输出干扰广播信道MIMOIBC系统有L个小区，每个小区包含一个基站和若干个用户，第i个小区MSi中服务本小区Ki个用户的基站为BSi，该小区中第j个用户表示为MS[i,j]，i∈{1,2,...,L本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MIMO干扰广播信道的拓扑干扰对齐方法，包括：1)系统设置:设多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC系统有L个小区，每个小区包含一个基站和若干个用户，第i个小区MS i中服务本小区Ki个用户的基站为BS i，该小区中第j个用户表示为MS[i,j]，i∈{1,2,...,L},j∈{1,2,...,Ki}，基站BS i配置的天线数为Mi，用户MS[i,j]配置的天线数为Nij，小区MS i配置的天线数目为Ni，设置Mi≥Ni，当Mi<Ni时，关闭(Ni‑Mi)根接收天线即可得到Mi≥Ni；2)利用多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC的拓扑信息，构建多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC的部分连接模型；3)对构建的多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC部分连接模型中每个小区进行虚拟基站扩展，即假设每个小区的基站数量与该小区服务的用户数量相等，并对扩展的基站添加强干扰链路连接，得到多输入多输出干扰信道MIMO IC的部分连接模型；4)根据多输入多输出干扰信道MIMO IC的部分连接模型，联合设计该模型满足拓扑干扰对齐条件的预编码矩阵和解码矩阵实现步骤为：4a)将多输入多输出干扰信道MIMO IC的部分连接模型中的每个节点视作单天线节点，得到单输入单输出干扰信道SISO IC的部分连接模型，并求解得到的模型满足拓扑干扰对齐条件的预编码矩阵和解码矩阵4b)利用预编码矩阵和解码矩阵设计多输入多输出干扰信道MIMO IC满足拓扑干扰对齐条件的预编码矩阵和解码矩阵5)利用预编码矩阵和解码矩阵设计多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC的预编码矩阵Vi和解码矩阵uij，并利用预编码矩阵Vi和解码矩阵uij对小区间的干扰进行消除，得到用户端MS[i,j]处的转置接收信号向量lij，实现步骤为：5a)根据多输入多输出干扰信道MIMO IC满足拓扑干扰对齐的预编码矩阵和解码矩阵为多输入多输出干扰广播信道MIMO IBC系统分配预编码矩阵Vi和解码矩阵uij：5b)构建基站BSi处维度为(Nie×e)的发射信号块5c)利用基站BS i的发射信号块以及预编码矩阵Vi，构建基站BSi的发射信号矩阵Xi，发射信号矩阵Xi经过信道作用后到达用户端MS[i,j]，得到用户端MS[i,j]的接收信号矩阵Yij；5d)对用户端MS[i,j]接收到的信号矩阵Yij进行转置,得到转置后的接收信号矩阵并利用解码矩阵uij对该转置后的接收信号矩阵进行解码，得到用户端MS[i,j]处的转置接收信号向量lij；6)对转置接收信号lij进行再转置，得到再转置后的接收信号再将小区MS i内所有用户的再转置接收信号进行累加，得到混合接收信号利用混合接收信号设计用于消除小区内干扰的预处理矩阵Gi，并将其代入小区MS i的混合接收信号得到无干扰的接收信号。...

【技术特征摘要】
1.一种MIMO干扰广播信道的拓扑干扰对齐方法，包括：1)系统设置:设多输入多输出干扰广播信道MIMOIBC系统有L个小区，每个小区包含一...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟，陈丹，李建东，刘勤，黄鹏宇，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61