一种基于注水功率分配的干扰对齐方法技术

本发明专利技术公开了一种基于注水功率分配的干扰对齐方法，基站首先随机广播预编码矩阵，用户以最小化干扰泄露功率总和为目标，采用基于格拉斯曼流形的梯度下降算法沿着传输速率上升的方向设计解码矩阵，然后反转通信方向，用户将更新的解码矩阵发送给基站，基站同样更新预编码矩阵，经过迭代之后达到收敛，最终获得干扰对齐的效果。然后基站负责进行功率分配，首先根据基站预先设定的最大可用功率给每个数据流平均分配功率，然后根据不同数据流的信道增益，使用注水的功率分配方式对发送给用户的不同数据流进行迭代功率分配。本发明专利技术在不显著增加复杂度的前提下，达到干扰对齐的同时可以获得­­更高的传输速率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于注水功率分配的干扰对齐方法
本专利技术涉及移动无线通信
，特别是一种基于注水功率分配的干扰对齐方法。
技术介绍
随着多天线技术的广泛应用，干扰已经成为限制无线网络性能提升的主要因素。传统的干扰抑制方法把干扰当作噪声处理或正交化，然而这些方法都有各自的不足之处，例如把干扰当作噪声来处理的方法虽然简单易行，但是并不能处理信号强度较大的干扰。干扰对齐技术是最新的干扰抑制技术之一，其基本思想是压缩接收端的干扰信号占用的空间维度，尽量保证期望信号的子空间维度足够大。干扰对齐技术的出现改变了人们之前对无线网络的容量受干扰限制的认识。由于干扰对齐技术有着传输速率高，易于实现和系统容量不受用户数限制等优点，是下一代通信网络中极具潜力的技术之一。传统的干扰对齐可以分为闭式解算法和分布式迭代干扰对齐算法，其中分布式算法以最小化接收端的干扰泄露为目标，利用信道的互易性，交替优化收发节点的干扰泄露功率，最终当干扰泄露为零时，即达到完美的干扰对齐，与闭式解算法相比，只需要知道每个节点的本地信道状态信息即可，并且大大降低了反馈开销。也有很多优化算法在分布式迭代算法的基础上，根据不同的目标函数来设计更新预编码和解码矩阵，可以达到更高的系统速率。但是这些算法都是对每个数据流平均分配功率的，为了更充分的利用系统的功率，近年来一些学者提出联合设计干扰对齐和功率分配算法，有的虽然能降低系统的误码率，但是以牺牲一部分传输速率为代价，有的则只能适用于部分应用场景，有一定的局限性，有的算法复杂度较高，难以应用到实际的工程中。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于注水功率分配的干扰对齐方法，本专利技术在不显著增加复杂度的前提下，达到干扰对齐的同时可以获得更高的系统传输速率。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：根据本专利技术提出的一种基于注水功率分配的干扰对齐方法，包括以下步骤：步骤1、初始化迭代次数q＝1，初始化步长t，初始化第k个基站的预编码矩阵Vk,0；基站将最大可用的功率平均分配给用户的数据流；步骤2、第k个基站随机产生M×d维预编码矩阵Vk,q-1给本小区的用户，且满足其中，I是单位矩阵，M为基站天线个数，d为基站发送给用户的数据流个数，上标H为共轭转置，k＝1,2,3…,K，K为基站的总个数；第k个基站所服务的第l个用户根据最小化干扰泄露准则计算出第q-1次迭代时第l个用户的解码矩阵Ul,q-1，其中，Hkl表示第k个基站到第l个用户的信道增益矩阵，l＝1,2,3,…,K，信道系数服从均值为零，方差为1的独立同分布的复高斯分布，Vk,q-1表示第q-1次迭代时第k个基站的预编码矩阵，表示矩阵*最小的d个特征值对应的特征向量,Pk为第k个基站的功率分配矩阵；步骤3、将Ul,q-1沿测地线向传输速率增大的方向移动，步长t用来调节Ul,q-1移动距离的大小，得到第q次迭代时第l个用户的解码矩阵Ul,q；步骤4、反转通信方向，第k个基站计算出第q次迭代时更新的预编码矩阵Vk,q，步骤5、更新步长t＝t×0.90；步骤6、当用户受到的最大干扰泄露功率总和不大于预设的最大干扰泄露功率，或者迭代次数达到了最大迭代次数时，此时得到的Vk,q，Ul,q即分别是使传输速率性能最好的预编码矩阵和解码矩阵此时的用户所受的干扰泄露功率为零，即达到了干扰对齐；否则令q＝q+1，重复步骤2到5；步骤7、使用二分法搜索出第k个基站的功率注水值λk的取值；步骤8、在最小化干扰泄露准则下以最大化有用信号空间功率为目标达到干扰对齐的基础上，根据获得的λk，通过注水的方式来对基站发送的不同数据流的功率pkj进行分配。作为本专利技术所述的一种基于注水功率分配的干扰对齐方法进一步优化方案，步骤1中初始化步长t为0.90。作为本专利技术所述的一种基于注水功率分配的干扰对齐方法进一步优化方案，步骤3中得到Ul,q的具体过程如下：先求出有用信号空间的功率对Ul,q-1的导数QklUl,q-1，其中，然后求出P沿格拉斯曼流形的梯度下降方向为Zk，并对Zk进行特征值分解得到GΣFH，其中G,F均为酉矩阵，Σ为对角矩阵；则更新的解码矩阵为Ul,q＝(Ul,q-1F(cosΣt)FH)+(G(sinΣt)FH)。作为本专利技术所述的一种基于注水功率分配的干扰对齐方法进一步优化方案，步骤6中最大迭代次数为5000次，预设的最大干扰泄露功率为10-6瓦。作为本专利技术所述的一种基于注水功率分配的干扰对齐方法进一步优化方案，步骤8中的各个数据流的功率pkj从以下公式获得：其中，参数tkj表示第k个基站的第j个数据流对其他数据流的干扰，Ilj是第l个用户受到的用户间干扰和数据流之间干扰总和，σ2为复高斯噪声的方差，为第k个基站的第j个数据流到第l个用户的第j个数据流的有效信道增益，(*)+＝max(*,0)，上标[*j]表示矩阵的第j列。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：(1)结合了干扰对齐和功率分配技术，首先使用最大化和速率干扰对齐方法设计预编码矩阵和解码矩阵，即将矩阵沿着传输速率增大的方向移动，在基站和用户端达到干扰对齐之后，与注水功率分配方法结合进一步提升系统的性能，由于该功率分配算法不仅考虑了用户间的干扰，还考虑了数据流之间的干扰，因此基站给用户的传输速率性能可以获得良好的提升；(2)以最大化功率为目标函数，采用基于格拉斯曼流形的梯度下降算法沿着传输速率上升的方向设计解码矩阵，可以简化求导运算，降低复杂度；本专利技术所述方法适用于MIMO干扰信道中无线数据传输场景。附图说明图1是本专利技术适用的K小区K用户系统的等效干扰信道图。图2为本专利技术实例适用的3小区3用户的等效场景图。图3为本专利技术的流程图。图4为本专利技术与传统的最小化干扰泄露方法的系统平均传输速率性能的比较图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：图1是本专利技术适用的K小区K用户系统的等效干扰信道图，本案例采用3个小区，每个小区服务一个用户，基站和用户都配备5根天线的下行链路场景，每个基站发送给用户2个数据流。系统工作在下行链路中。每个基站会对非本小区的用户产生干扰，尤其是小区间的边缘用户会受到较大的干扰，系统模型如图2所示，流程如图3所示，具体的实施步骤为：(1)、初始化迭代次数q＝1，初始化步长t，第k个基站初始化5×2维预编码矩阵Vk,0，k＝1,2,3，基站将最大可用的发射功率平均分配给用户的数据流。(2)第k个基站发射5×2维预编码矩阵Vk,q-1给本小区的用户，且满足其中，I是单位矩阵，k＝1,2,3。第k个基站所服务的第l个用户根据最小化干扰泄露准则设计出解码矩阵Ul,q-1，其中，Hkl表示第k个基站到第l个用户的信道增益矩阵，信道系数服从均值为零，方差为1的独立同分布的复高斯分布，Vk,q-1表示第q-1次迭代时第k个基站的预编码矩阵，表示矩阵*最小的d个特征值对应的特征向量,Pk为第k个基站的功率分配矩阵，k＝1,2,3。(3)先求出有用信号空间的功率对Ul,q-1的导数QklUl,q-1，其中，Hkl表示第k个基站到第l个用户的信道增益矩阵，Vk,q-1为第q-1次迭代时第k个基站的预编码矩阵，Ul,q-1是第q-1次迭代时第l个用户的解码矩阵本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于注水功率分配的干扰对齐方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、初始化迭代次数q＝1，初始化步长t，初始化第k个基站的预编码矩阵V

【技术特征摘要】
1.一种基于注水功率分配的干扰对齐方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、初始化迭代次数q＝1，初始化步长t，初始化第k个基站的预编码矩阵Vk,0；基站将最大可用的功率平均分配给用户的数据流；步骤2、第k个基站随机产生M×d维预编码矩阵Vk,q-1给本小区的用户，且满足其中，I是单位矩阵，M为基站天线个数，d为基站发送给用户的数据流个数，上标H为共轭转置，k＝1,2,3…,K，K为基站的总个数；第k个基站所服务的第l个用户根据最小化干扰泄露准则计算出第q-1次迭代时第l个用户的解码矩阵Ul,q-1，其中，Hkl表示第k个基站到第l个用户的信道增益矩阵，l＝1,2,3,…,K，信道系数服从均值为零，方差为1的独立同分布的复高斯分布，Vk,q-1表示第q-1次迭代时第k个基站的预编码矩阵，表示矩阵*最小的d个特征值对应的特征向量,Pk为第k个基站的功率分配矩阵；步骤3、将Ul,q-1沿测地线向传输速率增大的方向移动，步长t用来调节Ul,q-1移动距离的大小，得到第q次迭代时第l个用户的解码矩阵Ul,q；步骤4、反转通信方向，第k个基站计算出第q次迭代时更新的预编码矩阵Vk,q，步骤5、更新步长t＝t×0.90；步骤6、当用户受到的最大干扰泄露功率总和不大于预设的最大干扰泄露功率，或者迭代次数达到了最大迭代次数时，此时得到的Vk,q，Ul,q即分别是使传输速率性能最好的预编码矩阵和解码矩阵此时的用户所受的干扰泄露功率为零，即达到了干...

【专利技术属性】
技术研发人员：董恒，李晨曦，刘思琴，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32