一种动态干扰导向方法

一种动态干扰导向方法
【专利摘要】本发明公开了一种动态干扰导向方法，主要解决干扰管理方法中功率开销过大导致用户数据速率降低的问题。其方案是：各发射机之间信道状态和数据信息共享；目标和干扰通信对分别设计预编码向量与滤波向量；目标通信发射机计算干扰导向信号的预编码向量，使干扰导向信号与干扰信号在期望信号方向上的投影分量方向相反；进而计算最佳的动态干扰导向系数，将干扰导向功率开销与残留干扰折衷；再据此构造动态干扰导向信号，与期望信号一同向目标通信接收机发送，实现干扰动态导向；最后接收机恢复期望数据。本发明通过对受干扰的接收机所对应的发射机的发射功率进行合理分配，最大化受干扰接收机的频谱效率，用于接收机受干扰情况下的数据传输。
【专利说明】
_种动态干扰导向方法
技术领域
[0001 ]本发明属于通信技术领域，更进一步主要涉及干扰导向方法，具体是一种动态干 扰导向方法。可用于混合蜂窝网络，企业网等无线通信网络系统中。
【背景技术】
[0002]随着无线通信技术的快速发展，人们对于数据传输的需求不断提高，有限的区域 内将存在大量的用户和数据连接。人们一方面努力寻求高效的资源利用方式，另一方面也 意识到干扰已成为制约网络性能提升的重要因素。因此，干扰管理技术的重要性日益凸显。 [0003] 现有的干扰管理方式有迫零波束赋形（Zero-forcing Beamforming，ZFBF)、迫零 接收（Zero-forcing，ZF)、干扰对齐（Interference Alignment，ΙΑ)、干扰中和 (Interference Neutralization，IN)，它们可使干扰信号在接收端得到抑制或消除。但是 使用ZFBF和IA调整发射信号的波束方向会造成信号功率的损失。使用IN构造干扰中和信号 对干扰进行消除时，会导致发射功率的损耗。另外，ZFBF、IA和ZF技术比IN需要更多的接受 端自由度来区分干扰和期望信号，而IN使干扰信号在无线信道中传播时相互中和，不需要 消耗自由度。现有的干扰管理方法主要关注干扰的消除或抑制，却没有考虑管理的开销。
[0004] C . Suh , M . Ho , and D · Tse , "Downl ink interference al ignmentIEEE Trans.Commun· , vol · 59 ,no ·9 ,pp · 2616-2626,Sep· 2011 (下tx链路中的干扰对齐），提出为 了使通信系统的吞吐量性能提升四倍需要给每个接收机配置大量的天线。此方法的缺点是 需要调整发射信号的波束方向从而造成信号功率的损失，同时需要更多的接收端自由度来 区分干扰和期望信号。
[0005] H.Cao,P.Wang,L.Chen,et al.,uUser Satisfaction Based ZFBF Scheduling Algorithm in Multi-user ΜΙΜ0 System,，! IEEE 11th Inter.Conf.on Trust,pp.1486-1490 June 2012(多用户ΜΜ0系统中基于用户满意度的ZFBF调度算法），提出了一种基于用 户满意度的调度方法，在下行传输中采用ZFBF进行预编码。此方法虽然达到了通信系统中 每个用户需求的通信质量，但是没有考虑发射机的发射功率及接收端自由度方面的开销。
[0006] J.Chen,A.Singh,P.Elia,et al·,"Interference neutralization for separated multiuser uplink-downlink with distributed relays in Proc.of the Inf.Theory and Applications Workshop(ITA),pp. 1-9,2011(分布式中继多用户上下行 的干扰中和），提出了一种线性分布式IN方案，对不同用户的上行和下行双向通信系统进行 时间和空间上的编码。但是在进行干扰对齐消除干扰的同时也会消耗发射机的发射功率， 导致用于发送期望信号的功率减少。
[0007] T.Gou,S.A.Jafar,C.ffang,et al., Aligned interference neutralization and the degrees of freedom of the 2X2X2interference channel ,，! IEEE Trans · Inf · Theory ,vol · 58 ,no · 7 ,pp · 4381-4395,2012(基于2 X 2 X 2干扰信道的干扰对齐 中和及其自由度研究），将干扰对齐与干扰中和相结合，应用在由两个源节点、两个中继和 两个目的节点构成的网络中，发送端通过预编码处理实现干扰对齐，中继对解码的信号进 行转发，在接收端通过干扰中和实现期望信号的恢复，该方法适用于有中继的模型，也没有 考虑干扰中和对发射机的功率的消耗。
[0008] 上述方法，均未考虑干扰管理的功率开销，在发射机发射功率受限的条件下，用于 干扰管理的功率开销在实现干扰抑制的同时，也会导致用于传输期望信号的功率降低。因 此，有效的干扰管理方法应当对干扰管理开销与干扰管理的干扰抑制效果进行综合考虑和 优化设计。

【发明内容】

[0009] 本发明的目的在于提供一种动态干扰导向方法，旨在解决干扰管理方法的功率开 销过大导致用于传输期望信号的功率减少，进而降低可达数据速率的问题。
[0010] 本发明是一种动态干扰导向方法，主要适用于包括目标通信对和干扰通信对的混 合蜂窝网络中，其特征在于，包括有如下步骤：
[0011] (1)发射机之间实现信道状态信息和数据信息共享：
[0012] 目标通信接收机与干扰通信接收机分别估计各自的信道状态信息并反馈给各自 的发射机，目标通信发射机向自己的接收机发送目标数据XQ，干扰通信发射机向自己的接 收机发送干扰数据XI;
[0013] (2)目标通信对和干扰通信对分别根据各自的信道矩阵设计通信预编码向量与滤 波向量；
[0014] (3)目标通信发射机计算干扰导向信号预编码向量pDIS，使干扰导向信号与干扰信 号在期望信号方向上的分量方向相反；
[0015] (4)目标通信发射机计算最佳的动态干扰导向系数P'实现干扰导向所需的功率 开销与残留干扰的折衷；
[0016] (5)目标通信发射机构造动态干扰导向信号St:
[0017] 目标通信发射机根据干扰导向信号的预编码向量pDIS和最佳的动态干扰导向系数 P，勾造动态干扰导向信号st;
[0018] (6)目标通信发射机向其接收机发送动态干扰导向信号：
[0019]目标通信发射机将动态干扰导向信号st与期望信号一同发送给目标通信接收机， 目标通信发射机用此动态干扰导向信号动态地对目标通信接收机受到的干扰进行导向，目 标接收机再通过滤波向量f〇对目标接收机的数据XQ进行恢复，使目标通信接收机有效消除 了干扰，保证目标通信接收机的频谱效率最大。
[0020]本发明的设计思路是对干扰管理的收益与代价进行折衷，使发射机的总功率在导 向干扰所需的功率开销与期望信号的传输功率之间得到有效分配。通过干扰导向功率系数 的选择与发射预编码设计，实现动态的干扰导向，合理利用发射功率，最大化接收机的频谱 效率。
[0021 ]本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0022] 1、与现有技术相比，对于给定的发射机功率，采用本发明可以确定用于期望信号 发送和干扰导向的功率分配的最佳比例，从而实现发射功率的合理利用，最大化接收机信 的频谱效率。
[0023] 2、本发明提供的一种动态干扰导向方法，通过干扰导向系数选择与发射预编码设 计，能实现基于功率动态分配的干扰导向。
[0024] 3、本发明由受干扰的接收机对应的发射机进行干扰导向信号的构造与发送，受干 扰接收机需要估计其与干扰发射机之间的信道信息，没有增加其它的信号处理工作，便于 实现。
[0025] 4、本发明不仅适用于只存在一对目标通信对和一对干扰通信对的情况，还适用于 干扰通信对为一对但其传输多路数据，干扰通信对大于等于两对，目标通信对为一对但其 传输多路数据或者目标通信对大于等于两对时的通信场景。
[0026] 5、本发明不仅适用于基于信道矩阵奇异值分解的预编码向量和滤波向量设计，还 适用于其它各种预编码向量和滤波向量的设计算法。
【附图说明】
[0027] 图1是本发明的实现流程图；
[0028] 图2是本发明使用的混合蜂窝通信系统模型示意图；
[0029]图3是本发明在弱干扰情况下的微微用户频谱效率(Spectrum Efficiency，SE)与 干扰导向系数P的关系曲线图；
[0030] 图4是本发明在强干扰情况下的微微用户频谱效率SE与干扰导向系数P的关系曲 线图；
[0031] 图5是本发明在功率比值ξ取不同值时的微微用户的可达频谱效率图。
【具体实施方式】
[0032]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。
[0033]下面结合附图及具体实施例对本发明作详细描述。
[0034] 实施例1
[0035] 随着无线通信技术的快速发展，人们对于数据传输的需求不断提高，有限的区域 内将存在大量的用户和数据连接。人们一方面努力寻求高效的资源利用方式，另一方面也 意识到干扰已成为制约网络性能提升的重要因素。因此，干扰管理技术的重要性日益凸显。 至今人们提出了很多干扰管理方法，但是现有的干扰管理方法均未考虑干扰管理的功率开 销。在发射机发射功率受限的条件下，用于干扰管理的功率开销在实现干扰抑制的同时，也 会导致用于传输期望信号的功率降低。因此，有效的干扰管理方法应当对干扰管理开销与 干扰管理对干扰的抑制效果进行综合考虑和优化设计。
[0036] 针对这种研究现状，本发明提出了一种动态干扰导向方法，主要适用于包括目标 通信对和干扰通信对的混合蜂窝网络中。参见图2,混合蜂窝网络中包含一个微微蜂窝网络 和一个宏蜂窝网络，其中微微蜂窝网络中的微微基站(PBS)和微微用户(PUE)分别为目标通 信发射机和目标通信接收机，宏蜂窝网络中的宏基站(MBS)和宏用户(MUE)分别为干扰通信 发射机和干扰通信接收机，微微基站(PBS)和微微用户(PUE)之间的信道矩阵为Ho,宏基站 (MBS)和宏用户(MUE)之间的信道矩阵为出，宏基站(MBS)微微用户(PUE)之间的信道矩阵为 HlO。微微蜂窝网络中的上部的线代表干扰导向信号，下部的线代表自己的目标数据XQ。宏蜂 窝网络中的上部的线代表干扰信号，下部的线代表自己的目标数据X1。通信网络系统中至 少包含两组发射机与接收机，定义一组发射机与接收机之间的通信为目标通信对，其余发 射机与接收机之间的通信对目标通信产生干扰，除了目标通信对外的发射机与接收机之间 的通信对称为干扰通信对。本发明对动态干扰导向的功率开销和残留干扰进行综合考虑与 优化设计，参见图1，包括有如下步骤：
[0037] (1)发射机之间实现信道状态信息和数据信息共享：
[0038] (la)目标通信接收机与干扰通信接收机分别估计各自的信道状态信息并反馈给 各自的发射机：
[0039]干扰通信接收机估计干扰通信对之间的信道状态信息，即得到干扰通信对之间的 信道矩阵m;受干扰的目标通信接收机估计目标通信对之间的信道状态信息，即得到目标 通信对之间的信道矩阵Ho;受干扰的目标通信接收机估计干扰通信发射机与目标通信接收 机之间的信道状态信息，即得到干扰信道矩阵H 1Q;并将这些信息反馈给各自的发射机。
[0040] (lb)目标通信发射机向自己的目标通信接收机发送目标数据xo,干扰通信发射机 向自己的干扰通信接收机发送干扰数据XI。
[0041] (2)目标通信对和干扰通信对分别根据各自的信道矩阵设计通信预编码向量与滤 波向量，当干扰通信对为一对时：
[0042] (2a)干扰通信发射机根据干扰通信对之间的信道矩阵出设计干扰通信预编码向 量P1。
[0043] (2b)目标通信发射机根据目标通信对之间的信道矩阵Ho设计目标通信预编码向 量P〇。
[0044] (2c)干扰通信接收机根据干扰通信对之间的信道矩阵出设计干扰通信滤波向量 flo
[0045] (2d)目标通信接收机根据目标通信对之间的信道矩阵Ho设计目标通信滤波向量 f〇o
[0046] (3)目标通信发射机计算干扰导向信号预编码向量pDIS，使干扰导向信号与干扰信 号在期望信号方向上的分量方向相反。
[0047] (4)目标通信发射机计算最佳的动态干扰导向系数P'实现干扰导向所需的功率 开销与残留干扰的最佳折衷。
[0048] (5)目标通信发射机构造动态干扰导向信号st:
[0049] 目标通信发射机根据干扰导向信号的预编码向量PDIS和最佳的动态干扰导向系数 P，勾造动态干扰导向信号st。
[0050] (6)目标通信发射机向其接收机发送动态干扰导向信号：
[0051]目标通信发射机将动态干扰导向信号st与期望信号一同发送给目标通信接收机， 目标通信发射机用此动态干扰导向信号动态地对目标通信接收机受到的干扰进行导向，目 标接收机再通过滤波向量f〇对目标接收机的数据XQ进行恢复，使目标通信接收机有效抑制 了干扰，保证目标通信接收机的频谱效率最大。期望信号是目标通信发射机向目标通信接 收机发送的已知数据X0。
[0052]对于给定的发射机功率，本发明采用动态干扰导向，首先受干扰的接收机对应的 发射机根据期望信号与干扰信号的强度以及空间特征的相关关系确定干扰导向信号的预 编码以及最佳的干扰导向系数，从而对受干扰影响的接收机观测到的干扰信号的空间特征 进行动态调整，使用于干扰导向的功率开销和残留的干扰达到最佳的平衡;然后受干扰的 接收机所对应的发射机根据干扰导向信号的预编码向量以及最佳的干扰导向系数构造干 扰导向信号，并将干扰导向信号与期望信号一同发送到接收机，实现对干扰的动态导向，使 受干扰的接收机恢复出期望数据。本发明通过确定用于发送期望信号和干扰导向信号的功 率达到最佳分配比例，对受干扰的接收机所对应的发射机的发射功率进行合理分配，能够 最大化受干扰接收机的频谱效率。
[0053] 实施例2
[0054] 一种动态干扰导向方法同实施例1，步骤(3)中目标通信发射机计算干扰导向信号 预编码向量，包括有如下步骤：
[0055] (3a)目标通信发射机计算期望信号的方向
和原始干扰信号与导向信 号合成的信号的方向
_，且要求原始干扰信号被导向到与期望 信号正交的方向上，既满足条佴0、4i.、> = (ML:中，Ho表示目标通信对之间的信道矩阵，H10 表示干扰通信发射机与目标通信接收机之间的信道矩阵，po表示目标通信发射机对xo的预 编码向量，P1表示目标通信发射机对XI的预编码向量，pis表示目标通信接收机对干扰导向 信号的预编码向量。if = /「?Κ) 表示干扰通信发射机的发射功率经过路径损耗后的功率，
L!为干扰通信发射机到干扰通信接收机的路径损耗,1^ = 128.1+37.61〇g1Q[n(i)/103]dB， η⑴为干扰通信发射机到干扰通信接收机的距离，单位为米(m);巧=表示目标发 射机发送干扰导向信号的发射功率经过路径损耗后的功率，L〇为目标通信发射机到目标通 信接收机的路径损耗，L Q=128.1+37.61og1Q[n(())/l03]dB，n(())为微微基站到微微用户的距 离，单位为米(m)。
[0056] (3b)目标通信发射机计算干扰信号在期望信号方向上的分量 其 中P为投影矩阵，投影矩阵/? = <(?疒<。
[0057] (3c)目标通信发射机计算干扰导向信号预编码向量
'使该干 扰导向信号与干扰信号在期望信号方向上的投影分量方向相反。
[0058] 本发明根据接收机估计出的信道矩阵、计算得到的预编码向量、目标通信发射机 和干扰通信发射机的发射功率，计算出期望信号的方向、原始干扰信号与导向信号合成的 信号的方向以及投影矩阵，进一步计算出干扰导向信号的预编码向量。
[0059] 实施例3
[0060] 一种动态干扰导向方法同实施例1-2,步骤(4)中目标通信发射机计算最佳的动态 干扰导向系数P'实现干扰导向所需的功率开销与残留干扰的最佳折衷，包括有如下步骤： [0061] (4a)目标通信发射机计算目标通信滤波向量与干扰信号在期望信号方向上的投 影分量的空间特征PH1QP1之间的空间相关度;Τ = if ，其中if表示目标通信接收机对 χ〇滤波向量的共辄转置。
[0062] (4b)目标通信发射机根据目标通信发射机的发射功率Po计算干扰导向系数取值 范围的上限
[0063] pmax受目标通信发射机的发射功率Po的限制，当PoSPil |g| |2时，能进行完全干扰 导向，此时pmax=i;当p^Pil |g| I2时，不能进行完全干扰导向：
5所以动 态干扰导向系数的取值范围为pe (〇，pm]，
，Λ = ()iUΛ"表示 目标通信发射机的发射功率经过路径损耗后的功率，g为等效向量，发=。
[0064] (4C)目标通信发射机根据Pmax计算最佳的干扰导向 中 JKH11]2，忍 m|2[40]2，C = P^\X\-+a；t ,D = 2Pie|x|\E = Pie|x|2, A=(BC +AE)2-ABD2，Λ#为目标通信矩阵H〇的最大奇异值。
[0065] 本发明根据目标通信发射机和干扰通信发射机的发射功率计算动态干扰导向系 数P的范围，目标通信发射机再根据动态干扰导向系数的范围计算最佳的动态干扰导向系 数P'实现干扰导向所需的功率开销与残留干扰的最佳折衷。
[0066] 实施例4
[0067] -种动态干扰导向方法同实施例1-3,步骤(5)中目标通信发射机构造动态干扰导 向信号，包括有如下步骤：
[0068] (5a)目标通信发射机根据动态干扰导向系数P确定动态干扰导向信号的发射功率 经过路径损耗后的功率/^ = p2/f 。
[0069] (5b)目标通信发射机根据干扰导向信号的预编码向量
，干扰导
向系数P以及干扰数据信息XI构造动态干扰导向
[0070] 当目标通信对为一对，干扰通信对至少为两对时，目标通信接收机将接受到多路 干扰信号，此时目标通信发射机将重复步骤(1)~(4)计算出相应的干扰导向信号的预编码 和干扰导向系数，然后构造多路干扰的动态干扰导向系数即可。
[0071] 本发明中目标通信发射机根据干扰导向信号的预编码向量PDIS和最佳的动态干扰 导向系数构造动态干扰导向信号st，此干扰导向信号可以将原始干扰信号导向到最佳的 方向上，实现进行干扰管理的收益和代价的最佳折衷。
[0072] 实施例5
[0073] -种动态干扰导向方法同实施例1-4,步骤(6)中目标通信发射机发送干扰导向信 号st，用以动态导向目标通信接收机观测到的干扰，包括有如下步骤：
[0074] (6a)目标通信接收机收到包括期望信号和干扰信号的混合信号为：
[0075]
信接收机收到的来自目标通信发射机的期望信号
为目标通信接收机观 测到的来自干扰通信发射机的干扰信号，no为零均值单位方差的加性高斯白噪声；
[0076] (6b)通过目标通信发射机将动态干扰导向信号


，为目标通信发射机发送干扰导向信号的发射功率 与期望信号一同发送给目标通信接收机发射对干扰信号 向，得到由期望信号和残留的干扰信号组成的混合信号 经过路径损耗后的功率，
[0077] 本发明中当干扰强度过大，SPPil |g| |2>P〇时，目标通信发射机没有足够的发射功 率产生完全干扰导向所需的导向信号，干扰导向系数的取值范围为
[0078] 当干扰较弱，8卩朽| |g| |2<P〇时，目标通信发射机的发射功率足够产生完全干扰导 向所需的导向信号，干扰导向系数的取值范围为P<1;
[0079] 当取p = 0时，表示最佳干扰导向系数f大于干扰导向系数的最大值pmax，此时不采
[0080] 当取P = 1时，表示将干扰导向到与期望信号的空间特征正交的方向上，Ir = 0;
[0081] 当取P<1时，表示将干扰导向到与期望信号的空间特征非正交的方向上，此时目 标通信接收机受到残留干扰的影响，;
[0082] 当干扰导向系数P = p1寸，实现了干扰导向所需的功率开销与残留干扰的最优折 衷，目标通信接收机获得最大的频谱效率。
[0083]本发明不仅提出了一种动态干扰导向方法还对干扰强度进行了分段，即干扰较强 和干扰较弱两种情况，使此发明便于实施便于工程化。
[0084] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步描述。
[0085] 实施例6
[0086] -种动态干扰导向方法同实施例1-5，
[0087]参照图2,本发明实施例使用的系统模型是混合蜂窝网络的下行通信系统，系统中 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。微微小区采用开放接入模式。宏 基站到宏用户的发射信号会对微微基站与微微用户的信号产生干扰，由于微微基站的覆盖 范围受限，且宏用户位于微微基站覆盖范围之外，因此微微基站对宏用户产生的干扰可以 忽略，在本例中不予讨论。
[0088]参照图1，本发明的实现步骤如下：
[0089]步骤1，用户估计信道状态信息，两基站之间实现信道状态信息和数据信息共享。
[0090] (la)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 知训练序列进行判决反馈，实现宏基站与宏用户之间的宏信道矩阵Hi和宏基站与微微用户 之间的宏微信道矩阵H 1Q的估计;宏用户通过上行通信信道将宏信道矩阵出反馈给宏基站， 微微用户通过上行通信信道将宏微信道矩阵H 1Q反馈给微微基站；
[0091] (lb)微微基站在向位于微微小区的微微用户发送的信号前端添加微用户已知的 训练序列;再由微微用户对收到的已知训练序列进行判决反馈，实现对微微信道矩阵Ho的 估计；并通过上行通信信道将宏信道矩阵Ho反馈给微微基站;基站间通过X2接口实现信道 状态信息共享和数据信息交互。
[0092] (lc)微微基站采用波束成形的发射方式发射单个期望数据XQ，宏基站采用波束成 形的发射方式发射单个干扰数据 X1。
[0093] 步骤2,分别根据通信矩阵设计通信预编码向量与滤波向量。
[0094] (2a)微微基站对微微信道矩阵Ho进行奇异值分解，即Ho = Uo Σ 〇(Vo)H，Uo和Vo分别为 微微信道矩阵Ho的左奇异矩阵与右奇异矩阵。
[0095] (2b)微微基站计算预编码向量凡svf，ν?1：)为微微信道矩阵Ho的右奇异矩阵的第 一列。
[0096] (2c)微微用户计算滤波向量为微微信道矩阵Ho的左奇异矩阵的第一 列。
[0097] (2d)宏基站对宏信道矩阵出进行奇异值分解出=1]1乙1(￥ 1)11，1]1和￥1分别为宏信道 矩阵Hi的左奇异矩阵与右奇异矩阵。
[0098] (2e)宏基站计算预编码向量灼=vp, if为宏信道矩阵压的右奇异矩阵的第一列。
[0099] (2f)宏用户计算滤波向量为宏信道矩阵压的左奇异矩阵的第一列。
[0100]步骤3,微微基站计算干扰导向信号的预编码向量pDIS，使该干扰导向信号与干扰 信号在期望信号方向上的分量方向相反。
[0101]根据微微基站与微微用户之间的微微信道矩阵Ho,宏基站与微微用户之间的宏微 信道矩阵H1Q，干扰信号的预编码向量信息P1以及投影矩阵P确定干扰导向信号的预编码向 量：
[0104] 步骤4,微微基站计算干扰导向系数P，实现干扰导向所需的功率开销与残留干扰 的折衷。
[0105] (4a)微微基站根据目标数据的滤波向量宏基站与微微用户之间的宏微信道 矩阵H1Q及干扰数据的预编码向量P1，计算微微用户滤波向量与干扰信号在期望信号方向上 的分量的空间特征之间的空间相关度X:
[0106] d 藤 1οΛ
[0107] 其中[· ]Η表示矩阵的共辄转置。
[0108] (4b)微微基站计算最佳的干扰导向
实现导向干扰所需
的功率开销与残余干扰的折衷， Δ =(BC+AE)2-ABD2; 〇巧1〇 "1￡〇、/Τ' =以(）"叫分别表示微微基站 和宏基站的发射功率经过路径损耗后的功率;Lo为微微基站到微微用户的路径损耗，Lo = 128.1+37.61呢1()[11(())/103](^，11(())为微微基站到微微用户的距离，单位为111;1^为宏基站到 微微用户的路径损耗，L 1Q=128.1+37.61〇g1Q[n(i())/103]dB，n(i())为宏基站到微微用户的距 离，单位为m; 为微微信道矩阵出的最大奇异值4为等效向量，￥ = /^1/>斤。几。
[0109] (4c)微微基站计算干扰导向系数取值范围的上限，
并将该最大值与最佳的干扰导向系数进行比较，确定最终的动态干扰导向系数P:gf> pmax，则令动态干扰导向功率系数P = 〇说明干扰强度过大，不进行干扰导向；否则令P = P' 实现导向干扰导向的功率开销与残留干扰的最佳折衷。
[011 0]步骤5，微微基站构造动态干扰导向信号。
[0111] (5a)微微基站根据干扰导向系数P，微微基站与微微用户之间的微微信道矩阵Ho， 宏基站与微微用户之间的宏微信道矩阵H1Q以及干扰信号的预编码向量?1和干扰信号的发 射功率Ple，确定干扰导向信号的发射功率经过路径损耗之后的功率
[0113] 其中变量if =片KTft4干扰信号幻的经过路径损耗后的发送功率，; Lo为微微基站到微微用户的路径损耗，LQ = 128.1+37.61〇g1Q[n(())/103]dB，n(())为微微基站 到微微用户的距离，单位为m。
[0114] (5b)根据干扰导向信号预编码向量pDIS、发射功率信息P國和干扰数据信息 X1构造 干扰导向信号St

[0115] 步骤6,微微基站发射动态干扰导向信号，用以动态地对微微用户接收到的干扰进 行导向，再通过滤波向量fo对微微用户接收的数据xo进行恢复，使目标通信接收机的频谱效 率最大。
[0116] (6a)微微用户接收包括期望信号和干扰信号的混合信号为： 其中：
[0119] no为零均值单位方差的加性高斯白噪声；
[0120] (6b)微微基站发射干扰导向信号
消除干扰信
，得到了期望信号和残留的干扰信号组成的混合信号r〇'：
[0122] 当干扰导向系数p = 0时，表示干扰强度过大，微基站没有足够的功率产生所需的 最佳干扰导向信号，不进行干扰导向；
[0123] 当取p=l时，表示将干扰导向到与期望信号的空间特征正交的方向上，即干扰信 号在期望信号方向上的分量被完全消除，此时为完全干扰导向；
[0124] 当取ρ<1时，表示将干扰导向到与期望信号的空间特征非正交的方向上，此时微 微用户受到残留干扰的影响，及不完全的干扰导向；
[0125] 当干扰导向系数P = p1寸，表示消除了部分干扰，实现了干扰导向所需的功率开销 与残留干扰的折衷，微微基站获得最大的频谱效率。
[0126] (6c)微微用户不对剩余干扰信号
进行处理，仅对
采用滤波向量fo进行恢复，得到期望数据xo。
[0127] 本发明对干扰管理的收益与代价进行折衷，使发射机的总功率在导向干扰所需的 功率开销与期望信号的传输功率之间得到有效分配。通过干扰导向功率系数的选择与发射 预编码设计，实现动态的干扰导向，合理利用发射功率，最大化接收机的频谱效率。
[0128] 本发明的应用效果通过以下的仿真实验做进一步说明：
[0129] 实施例7
[0130] -种动态干扰导向方法同实施例1-6，
[0131] -、仿真条件：
[0132] 表1中列出了混合蜂窝网络下的仿真环境参数设置。为了更清楚的表述，定义
表示来自微微基站的期望信号的发射功率经路径损耗后的功率与 噪声的比值
4表示微微基站的期望信号发射功率经路径损耗后的功率与来自 宏基站的干扰信号发射功率经路径损耗后的功率的比值，其中表示微微基站 发送的期望信号发射功率经过路径损耗后到达微微用户的功率，= 表示宏基站 发送的干扰信号发射功率经过路径损耗后到达微微用户的功率;在实际中，微微基站的部 署位置与宏基站不会很近，且微微小区采用开放的接入模式，用户会根据从多个接入点接 收到的信号的强弱选择信号质量最优的接入点，在仿真中设置ξ e [0. 1，i00]dB。
[0133] 表1混合蜂窝网络仿真环境参数设置
[0135] 二、仿真内容：
[0136] 仿真1，设置仿真参数7 = (k/i?，功率比值ξ = 1，在上述仿真条件下用本发明方法在 弱干扰的情况下确定微微用户的频谱效率(Spectrum Efficiency，SE)与干扰导向系数Ρ的 关系曲线，结果如图3所示。
[0137] 当干扰较弱时原始干扰可以被完全导向，最大的动态干扰导向系数pmax的值可以 达到1。微微用户在采用动态干扰导向方式下，其频谱效率SE的表达式为：
[0139] erf表示零均值加性高斯白噪声的方差。
[0140] 由图3可见，干扰比较弱的情况下，即Pi| |g| |2<Po时，导向系数最大值pmax=l，用 于干扰导向的功率足够大，实现完全的干扰导向。经过本发明对用于干扰导向的功率开销 和残留干扰的最佳折衷，可以最大化微微用户的频谱效率。
[0141] 实施例8
[0142] -种动态干扰导向方法同实施例1-7,仿真条件和仿真内容同实施例7，
[0143] 仿真2,设置仿真参数f = (k//i，功率比值ξ = 1，在上述仿真条件下用本发明方法在 强干扰的情况下确定微微用户的频谱效率SE与干扰导向系数Ρ的关系曲线，结果如图4。
[0144] 当干扰较强时原始干扰不可以被完全导向，最大的动态干扰导向系数pmax的值为
-小于1。最佳的导向系数f大于导向系数最大值
时，微微基站没有足够的功率进行干扰导向，用户将不进行干扰导向，选取P = 0,此时微微 用户的频谱效率的表达式为：
[0146] 表示零均值加性高斯白噪声的方差。
[0147] 由图4可见，干扰比较强的情况下，SPPil |g| |2>Ρο时，如果最佳的导向系数f大于 导向系数最大值
，即>pmax时，微微基站没有足够的功率用于导 向。本发明不仅能适用于较弱的干扰信号导向，也能对较强的干扰进行导向，但是干扰信号 的强度不能过强，即P$>Pmax时就不再采用干扰导向的干扰管理方法对干扰信号进行导向 处理。
[0148] 实施例9
[0149] -种动态干扰导向方法同实施例1-7,仿真条件和仿真内容同实施例7，
[0150] 仿真3,设置仿真参数f = 在上述仿真条件下用本发明方法在不同功率比值 的情况下，计算微微用户的平均可达频谱效率，结果如图5,其中：
[0151] 图5中五角星代表最高频谱效率对应的导向系数值P。当功率比值时，由于干 扰相对于目标通信发射机的发射功率较强，最佳导向系数f较小。当功率比值ξ多1时，由于 干扰相对于微微基站的发射功率较弱，逐渐趋于1。
[0152]从图5来看，最佳导向系数f随着ξ的增加而增大。不进行干扰导向，即Ρ = 0的情况 是动态干扰导向的一种特例，所以不进行干扰导向时的频谱效率不会超过采用了动态干扰 导向方式的频谱效率。进行完全干扰导向，即p=1的情况是动态干扰导向的一种特例，所以 进行完全干扰导向时的频谱效率也不会超过采用了动态干扰导向方式的频谱效率。当ξ的 值很高时，大部分干扰能被导向掉，当ξ达到100时，最佳导向系数^可以达到0.9。本发明的 仿真结果表明，动态干扰导向的干扰管理方法对于不同的功率比值都能达到很好的效果， 实现了进行干扰管理的收益和代价的最佳折衷。
[0153] 综上所述，本发明公开的一种动态干扰导向方法，主要解决现有的干扰管理方法 功率开销过大导致用于传输期望信号的功率减少，进而降低用户数据速率的问题。本发明 中，受干扰的接收机和干扰接收机之间实现信道状态信息和数据信息共享，受干扰的接收 机对应的发射机根据期望信号与干扰信号的强度以及空间特征的相关关系确定干扰导向 信号的预编码以及最佳的干扰导向系数，从而对受干扰影响的接收机观测到的干扰信号的 空间特征进行动态调整，使用于干扰导向的功率开销和残留的干扰达到最佳的平衡;本发 明中受干扰的接收机所对应的发射机根据干扰导向信号的预编码向量以及最佳的干扰导 向系数构造干扰导向信号，并将干扰导向信号与期望信号一同发送到接收机，实现对干扰 的动态导向，使受干扰的接收机恢复出期望数据。本发明通过对受干扰的接收机所对应的 发射机的发射功率进行合理分配，能够最大化受干扰接收机的频谱效率，可用于接收机受 干扰情况下的数据传输。
[0154] 对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的 改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种动态干扰导向方法，主要适用于包括目标通信对和干扰通信对的混合蜂窝网络 中，其特征在于，包括有如下步骤： (1) 发射机之间实现信道状态信息和数据信息共享： 目标通信接收机与干扰通信接收机分别估计各自的信道状态信息并反馈给各自的发 射机，目标通信发射机向自己的接收机发送目标数据XQ，干扰通信发射机向自己的接收机 发送干扰数据Xl; (2) 目标通信对和干扰通信对分别根据各自的信道矩阵设计通信预编码向量与滤波向 量； (3) 目标通信发射机计算干扰导向信号预编码向量pDIS，使干扰导向信号与干扰信号在 期望信号方向上的投影分量方向相反； (4) 目标通信发射机计算最佳的动态干扰导向系数P'实现干扰导向所需的功率开销与 残留干扰的最佳折衷； (5) 目标通信发射机构造动态干扰导向信号st: 目标通信发射机根据干扰导向信号的预编码向量pDIS和最佳的动态干扰导向系数Pl勾 造动态干扰导向信号St; (6) 目标通信发射机向其接收机发送动态干扰导向信号： 目标通信发射机将动态干扰导向信号St与期望信号一同发送给目标通信接收机，目标 通信发射机用此动态干扰导向信号动态地对目标通信接收机受到的干扰进行动态的导向， 目标接收机再通过滤波向量f Q对目标接收机的数据XQ进行恢复，使目标通信接收机有效抑 制了干扰，保证目标通信接收机的频谱效率最大。2. 根据权利要求1所述的动态干扰导向方法，其特征在于，步骤(3)中目标通信发射机 计算干扰导向信号预编码向量，包括有如下步骤： (3a)目标通信发射机计算期望信号的方向印原始干扰信号与导向信号合 成的信号的方卩且要求原始干扰信号被导向到与期望信号 正交的方向上，既满足条件: 其中，Ho表示目标通信对之间的信道矩阵，Hiq表示干扰通信发射机与目标通信接收机 之间的信道矩阵，PO表示目标通信发射机对XO的预编码向量，口:表示目标通信发射机对幻的 预编码向量，Pis表示目标通信接收机对干扰导向信号的预编码向量，if =fl〇 aUl表示干扰 通信发射机的发射功率经过路径损耗后的功率，L1为干扰通信发射机到干扰通信接收机的 路径损耗，1^ = 128.1+37.61〇81〇[11(1)/1〇3](^，11⑴为干扰通信发射机到干扰通信接收机的 距离，单位为米(m)，G = 表示目标发射机发送干扰导向信号的发射功率经过路径 损耗后的功率，Lo为目标通信发射机到目标通信接收机的路径损耗，Lo= 128.1+37.61og10 [n(o)/l〇3]dB，rU())为微微基站到微微用户的距离，单位为米(m); (3b)目标通信发射机计算干扰信号在期望信号方向上的分量严，其中P为 投影矩阵，投影矩P(3c)目标通信发射机计算干扰导向信号预编码向量'使该干扰导 向信号与干扰信号在期望信号方向上的投影分量方向相反。3. 根据权利要求1所述的动态干扰导向方法，其特征在于，步骤(4)中目标通信发射机 计算最佳的动态干扰导向系数P*，实现干扰导向所需的功率开销与残留干扰的折衷，包括 有如下步骤： (4a)目标通信发射机计算目标通信滤波向量与干扰信号在期望信号方向上的投影分 量的空间特征PHiqpi之间的空间相关！I示目标通信接收机对X0滤 波向量的共辄转置； (4b)目标通信发射机根据目标通信发射机的发射功率Po计算干扰导向系数取值范围的 上限，即最大1Pmax受目标通信发射机的发射功率Po的限制，当PAP1I |g| I2时，能进行完全干扰导向， 此时Pmax=I;当P〇<Pl I |g| I 2时，不能进行完全干扰导向，此珩，所以动态干 扰导向系数的取值范围为pe (0，pmax]，jC = °'1￡°表示目标通信发射机的发射功率经过路径损耗后的功率，g为等效向量 (4c)目标通信发射机根据Pmax计算最佳的干扰导向系数 其中Δ =(BC+AE )2-ABD2，Α?11为目标通信矩阵Ho的最大奇异值。4. 根据权利要求1所述的动态干扰导向方法，其特征在于，步骤(5)中目标通信发射机 构造动态干扰导向信号，包括有如下步骤： (5a)目标通信发射机根据动态干扰导向系数P确定动态干扰导向信号的发射功率经过 路径损耗后的功(5b)目标通信发射机根据干扰导向信号的预编码向j干扰导向 系数P以及干扰数据信息X1构诰动杰干桄导向信号5. 根据权利要求1所述的动态干扰导向方法，其特征在于，步骤(6)中目标通信发射机 发送干扰导向信号st，用以动态导向目标通信接收机观测到的干扰，包括有如下步骤： (6a)目标通信接收机收到包括期望信号和干扰信号的混合信号为：3目标通信接 收机收到的来自目标通信发射机的期望信号，# 10 为目标通信接收机观测到 的来自干扰通信发射机的干扰信号，no为零均值单位方差的加性高斯白噪声； (6b)通过目标通信发射机将动态干扰导向信，与期望信号一同发送给目标通信接收机发射对干扰信号Ααλ 进行动态的导向，得到由期望信号和残留的干扰信号组成的混合信号b，其中户；= χ°，为目标通信 发射机发送干扰导向信号的发射功率经过路径损耗后的功率，表不残留干扰信号。 当干扰强度过大，即P1I |g| Ι2>ρ〇时，目标通信发射机没有足够的发射功率产生完全干 扰导向所需的导向信号，干扰导向系数的取值范围为当干扰较弱，即P1I |g| I2<Pq时，目标通信发射机的发射功率足够产生完全干扰导向所 需的导向信号，干扰导向系数的取值范围为P<1; 当取p=o时，表示最佳干扰导向系数P*大于干扰导向系数的最大值Pmax，此时不采用干 扰导向方沒当取P = 1时，表示将干扰导向到与期望信号的空间特征正交的方向上，Ir = 0 ; 当取ρ<1时，表示将干扰导向到与期望信号的空间特征非正交的方向上，此时目标通 信接收机受到残留干扰的影响，Ir#〇 ; 当干扰导向系数P=Pl寸，实现了干扰导向所需的功率开销与残留干扰的最优折衷，目 标通信接收机获得最大的频谱效率。
【文档编号】H04W52/24GK106028434SQ201610364292
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】李钊, 郭风娟, 舒灿宇, 肖丽媛, 丁汉清, 姚俊良, 马骁, 韩维佳
【申请人】西安电子科技大学