Mimo-ibc系统中基于两层预编码结构的干扰对齐方法
【专利摘要】本发明属于通信【技术领域】，公开了一种适用于多输入多输出干扰广播信道、基于两层预编码结构的干扰对齐方法。在MIMO-IBC系统中，小区间干扰和用户间干扰是制约信道容量的主要因素。首先运用基站外层预编码对齐ICI信号，然后运用接收矩阵消除ICI信号，最后利用基站内层预编码消除IUI信号。该发明当基站天线数目满足条件时，可利用闭式求解将ICI信号对齐在一低维干扰信号子空间内，反之，则可通过循环迭代将ICI信号对齐或逼近到一低维干扰信号子空间内。本发明可有效地消除ICI和IUI信号，显著提高系统容量，而且接收端可采用迫零技术，从而简化接收处理，同时对接收端天线数目要求低。
【专利说明】ΜI MO-1BC系统中基于两层预编码结构的干扰对齐方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及通信【技术领域】，具体涉及多输入多输出干扰广播信道（Interference Broadcast Channel, IBC)系统中一种基于两层预编码结构的干扰对齐（Interference Alignment, ΙΑ)方法。
【背景技术】
[0002] 在ΜΜ0系统中，ICI是获取高频谱利用率的主要制约因素。小区间干扰 (Inter-Cell Interference，ICI)和用户间干扰（Inter-User Interference，IUI)是制 约信道容量的主要因素。近年来，干扰对齐（Interference Alignment, ΙΑ)技术的提出为 ΜΜ0干扰信道（Interference Channel，1C)中ICI信号的管理提出了一种新的思路：接收 端将ICI信号对齐在特定的干扰子空间内，而干扰子空间的正交子空间则用于期望信号的 传输。研究表明，在MM0-IC中，运用IA技术，每个小区能获得1/2的自由度（Degrees of Freedom, DoF)〇
[0003] 在早期研究中，IA技术多用于干扰信道，其主要研究集中在IA技术所能获得的最 优DoF、系统容量的上下限、实现ΙΑ所需要的收发天线数等问题。而在多小区MM0-IBC系 统中，一个基站对应多个用户，因此，用户不仅接收到ICI信号，还接收到ΙΠ 信号，这比单 纯的MM0-IC要复杂很多，而目前对多小区MM0-IBC系统中IA技术的研究并不是很多。
[0004] 在多小区多用户场景中，IA技术能有效地消除ICI信号和ΙΠ 信号，从而显著地 提升信道容量。目前，针对多小区多用户环境下的IA算法研究可大致分为两类：迭代算法 和直接算法。迭代算法通过不断地循环迭代预编码矩阵和接收矩阵来实现IA，而直接算法 则用闭式求解方式。迭代算法往往能获得较高的信道容量，尤其在低信噪比条件下；但是， 迭代算法复杂度高、收敛速度慢。而直接算法主要针对2个小区的MM0-IBC系统，通过联 合设计预编码矩阵和接收矩阵来实现干扰对齐，且要求收、发天线数目必须满足特定条件。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是，针对多小区MM0-IBC系统，采用迭代 算法复杂度高、收敛速度慢；采用直接算法通过联合设计预编码矩阵和接收矩阵实现干扰 对齐，要求收、发天线数目必须满足特定条件。根据多小区MM0-IBC系统的特点，提出一种 基于两层预编码结构的干扰对齐方法。
[0006] 本发明解决上述技术问题的技术方案是，设计一种基于两层预编码结构的干扰对 齐方法。系统场景设置为：小区数为G，小区内用户数为K，每个用户均对应d个数据流，所有 小区基站天线数均为N t、用户天线数均为队，并用（G，Nt) X (K，队）来标识，小区g中用户k用 符号gk来表示，基站只向本小区内的用户传输信号。构造任意Kd阶非奇异矩阵{Q gl} (g尹1 ; g，1 = 1，... G)，设计基站的外层预编码矩阵j P,: e C = 1.…G)，将所有ICI信号对齐 在一个低维度的干扰子空间内；接收端设计接收矩阵…= 以消除1(：1信号；设计基站内层预编码矩阵{1^€(〇^/^ = 1，一64 = 1,-",/〇以消除皿 信号。其中，€5χΛ表示维度为NtXKd的复矩阵，Grfx&表示维度为dX队的复矩阵，C： Mxrf 表示维度为KdXd的复矩阵。（)H表示求取矩阵的共轭转置。具体包括如下步骤：
[0007] 设计基站的外层预编码矩阵^ € C+v"A1(g = 1··'·(小将所有ICI信 号对齐在一个低维度的干扰子空间内；设计用于消除ICI信号的接收矩阵 {W eC"'-、}(g = =丨，…,欠），因此，％是ICI信号的零空间。
[0008] 设计基站的内层预编码矩阵·}Β& eCw1(g = l，…G;A = 1，… 用于消除IUI信号，因此，Bgk是IUI信号的零空间，即：
【权利要求】
1. 多输入多输出干扰广播信道系统中基于两层预编码结构的干扰对齐方法，其特征在 于，包括步骤：构造任意Kd阶非奇异矩阵{Q gl}，设计基站的外层预编码矩阵， 将所有ici信号对齐在一个低维度的干扰子空间内；接收端设计接收矩阵以 消除ICI信号；设计基站内层预编码矩阵以消除in信号，其中，1 = 1，...G， g = 1，. . . G ;k = 1，. . .，K，G为系统中的小区数，K为每个小区内用户数，Nt和队分别为基 站、用户配置的天线数，d为每个用户对应的数据流，表示维度为NtXKd的复矩阵， 夂表示维度为dXN,的复矩阵，(〇 κ<Μ表示维度为KdXd的复矩阵，（)H表示求取矩阵的 共轭转置。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所有ICI信号对齐在一个低维度的 干扰子空间内，具体包括：对于小区g中的用户，将ICI信号对齐或逼近到来自第g+Ι小区 的干扰信号子空间，基站外层预编码矩阵P.满足公式：
其中，Qgl为Kd阶非奇异矩阵，I是与Qgl同阶的单位阵，Hgl表示基站1到小区g的平坦 瑞利衰落信道，？8表示基站g的外层预编码矩阵，g尹1 ;g，l = 1，...G，0表示KdKN,XKdNt 维的零矩阵，矩阵fi e 表示维度为（G-2) GKdK队X GKdNt 的复矩阵，（"表示求取矩阵的转置，vec〇表示求取矩阵的列向量化函数。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将来自第g+Ι小区的干扰信号对齐到来自 于剩余小区干扰信号组成的子空间内，基站外层预编码矩阵P g满足公式：
其中，Qgl为Kd阶非奇异矩阵，I是与Qgl同阶的单位阵，Hgl表示基站1到小区g的平 坦瑞利衰落信道，Pg表示基站g的外层预编码矩阵，〇表示KdK队XKdNt维的零矩阵，矩阵 1 e , 表示维度为GKdKN,XGKdNt的复矩阵，（)τ表示求取矩阵的转 置，vecO表示求取矩阵的列向量化函数。
4. 根据权利要求1-3其中之一所述的方法，其特征在于，接收矩阵是ICI信号的零 空间，其中，·}?^ e€<w;}，CT/X巧表示维度为dX队的复矩阵。
5. 根据权利要求1-3其中之一所述的方法，其特征在于，设计基站的内层预编码矩阵 Bgk是皿信号的零空间，其中，，c&rf表示维度为KdXd的复矩阵。
6. 根据权利要求1-3其中之一所述的方法，其特征在于，接收矩阵在接收端将信号空 间分为干扰信号子空间和期望信号子空间，用户间干扰信号和小区间干扰信号将被对齐到 干扰信号子空间，期望信号则被对齐到期望信号子空间，期望信号子空间的维度大于等于 要传输的数据流个数。
7. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当Nt > (G-2)KN,时，矩阵Qgl为任意Kd 阶非奇异矩阵，或任意非零常数；当Nt < (G-2)K队时，通过循环迭代矩阵Qgl与向量p，使 rank(fi)< 、或者使|?|接近0 ;当Nt = (G-2)KNr时，矩阵Qgl为非零常数。其中，g 是维度为（G_2)GKdKN,XGKdNt的复矩阵，其元素由信道矩阵与非奇异阵Qgl构成，向量p的 元素由基站外层预编码矩阵Pg的向量化函数构成，rank()表示求矩阵的秩，| | | |表示求向 量的2-范数。
【文档编号】H04L25/03GK104052697SQ201410266956
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月16日 优先权日:2014年5月9日
【发明者】景小荣, 赵月芳, 张祖凡, 陈前斌 申请人:重庆邮电大学