CN104158573B - 消除干扰的预编码方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种消除干扰的预编码方法和系统，上述方法包括：S1，检测多个微基站对宏基站的多个用户中每个用户的干扰值，将多个微基站中对多个用户中任一用户的干扰值大于预设值的若干个微基站进行聚类，以形成微基站群；S2，通过迫零信道反转变换和QR分解消除微基站群中的用户间干扰；S3，通过格基规约变换和迫零信道反转变换消除微基站群中的用户内干扰。通过本发明的技术方案，能够提高预编码运算的速度，提高预编码的效果，并降低预编码运算的整体复杂度，提高消除干扰的效果。

Description

消除干扰的预编码方法及系统

技术领域

本发明涉及通信网络技术领域，具体而言，涉及一种消除干扰的预编码方法和一种消除干扰的预编码系统。

背景技术

在复杂网络中，宏基站和微基站组成的双层网络已成为前景最好的频谱共享网络架构。在同信道模式下，低功率微基站凭借其高频谱效率、高室内覆盖率、高网络性能以及节能等优势成为未来室内通信的主流。然而双层网络的系统性能受到同层网络干扰和跨层网络干扰的严重影响。现有的技术如部分频率复用、分时复用等效率不高。多输入多输出(MIMO)系统因为其潜在的容量增长能力备受关注。如果我们在发射端和接收端均使用多个天线，并且设计一个合适的预编码矩阵，信道干扰就可以在发射端提前消除，从而实现在不增加传输功率的情况下增强信道传输能力和性能。预编码技术利用接收端反馈的信道统计/量化信息，在发送端通过与编码方式，对每个天线功率进行最优分配，抑制天线与小区间干扰，提高信道容量。基于MIMO的多点协作传输接收技术是一种小区内干扰消除的有效技术。对于联合处理的多点协作传输接收技术(CoMP-JP)，编码能够达到理论上最好性能，然而由于其非线性特点，带来了巨大的计算负担。像块对角化编码(BD)等线性预编码方案复杂度相对较低，因此在更适合实际应用。BD预编码通过迫零来消除小区间干扰，将多用户MIMO下行信道分解为若干平行的单用户信道。

现有方案中大多更关注宏基站的干扰消除，然而随着LTE技术的成熟以及用户群的增长，在4G系统中广泛使用的微基站间的干扰需要引起更多的重视。同时，块对角化(BD)预编码方案在现有的蜂窝系统中应用的较为广泛，但是由于BD算法计算过程中有2次SVD(奇异值分解)运算，使运算复杂度较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，如何提高预编码方案的运算速度，并降低预编码方案中的运算复杂度。

为此目的，本发明提出了一种消除干扰的预编码方法，包括：。S1，检测多个微基站对宏基站的多个用户中每个用户的干扰值，将所述多个微基站中对所述多个用户中任一用户的干扰值大于预设值的若干个微基站进行聚类，以形成微基站群；S2，通过迫零信道反转变换和QR分解消除所述微基站群中的用户间干扰；S3，通过格基规约变换和迫零信道反转变换消除所述微基站群中的用户内干扰。

优选地，所述步骤S2包括：S21，对所述微基站群和所述多个用户中任一用户的组合信道矩阵进行迫零信道反转变换，得到所述组合信道矩阵的伪逆矩阵；S22，对所述伪逆矩阵的子矩阵进行QR分解，以确定所述微基站群中任一微基站的用户的有效信道矩阵。

优选地，所述步骤S3包括：S31，对所述有效信道矩阵的共轭转置矩阵进行格基规约变换；S32，对变换得到的矩阵进行迫零信道反转变换，以得到预编码矩阵。

优选地，在所述步骤S1还包括：在对所述多个用户进行干扰对齐时，将所述微基站群中的预设数目的天线设置为待激活状态，以消除所述微基站群与所述宏基站之间的跨层干扰。

优选地，所述步骤S1包括：根据所述微基站群中天线的状态生成天线选择矩阵，将所述微基站群中任一用户的接收信号矩阵与所述天线选择矩阵相乘，以计算所述微基站群中任一用户的预编码矩阵。

本发明还提出了一种消除干扰的预编码系统，包括：检测单元，用于检测多个微基站对宏基站的多个用户中每个用户的干扰值；聚类单元，用于将所述多个微基站中对所述多个用户中任一用户的干扰值大于预设值的若干个微基站进行聚类，以形成微基站群；计算单元，用于通过迫零信道反转变换和QR分解消除所述微基站群中的用户间干扰，通过格基规约变换和迫零信道反转变换消除所述微基站群中的用户内干扰。

优选地，所述计算单元用于对所述微基站群和所述多个用户中任一用户的组合信道矩阵进行迫零信道反转变换，得到所述组合信道矩阵的伪逆矩阵，以及对所述伪逆矩阵的子矩阵进行QR分解，以确定所述微基站群中任一微基站的用户的有效信道矩阵。

优选地，所述计算单元还用于对所述有效信道矩阵的共轭转置矩阵进行格基规约变换，以及对变换得到的矩阵进行迫零信道反转变换，以得到预编码矩阵。

优选地，还包括：状态设置单元，用于在对所述多个用户进行干扰对齐时，将所述微基站群中的预设数目的天线设置为待激活状态，以消除所述微基站群与所述宏基站之间的跨层干扰。

优选地，所述计算单元还用于根据所述微基站群中天线的状态生成天线选择矩阵，将所述微基站群中任一用户的接收信号矩阵与所述天线选择矩阵相乘，以计算所述微基站群中任一用户的预编码矩阵。

根据上述技术方案，能够通过对微基站的聚类提高预编码运算的速度，并通过将部分天线设置为待激活状态来实现宏基站的用户零空间内的干扰对齐，从而提高预编码的效果，以及通过迫零信道反转变换、QR分解和格基规约变化来实现预编码运算，降低预编码运算的整体复杂度，提高消除干扰的效果。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的宏基站与微基站之间的干扰关系示意图；

图2示出了根据本发明一个实施例的消除干扰的预编码方法的示意流程图；

图3示出了根据本发明一个实施例的消除干扰的预编码系统的示意框图。

具体实施方式

了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

图1示出了根据本发明一个实施例的宏基站与微基站之间的干扰关系示意图。

如图1所示，宏基站(MBS)和在宏基站覆盖范围内随机分布的若干个微基站(FBS)的双层微基站网络。设微基站数目为F_tot，宏基站和每个微基站分别装有和个发射天线，每个用户(包括宏基站用户MUE和微基站用户FUE)的接收天线个数为N_r。微基站为单用户MIMO，宏基站为多用户MIMO。对于通信系统中的多个微基站，可以根据微基站对于宏基站用户的干扰值对微基站进行聚类，形成N个微基站群。参量F_i表示第i个微基站群中微基站的数目，群的总数为N。在同一个群内的微基站共享该群FUE的信道状态信息，宏基站也通过反馈信道将它的MUE信道状态信息发送给相关的群。

图2示出了根据本发明一个实施例的消除干扰的预编码方法的示意流程图。

如图2所示，根据本发明一个实施例的消除干扰的预编码方法包括：S1，检测多个微基站对宏基站的多个用户中每个用户的干扰值，将多个微基站中对多个用户中任一用户的干扰值大于预设值的若干个微基站进行聚类，以形成微基站群；S2，通过迫零信道反转变换和QR分解消除微基站群中的用户间干扰；S3，通过格基规约变换和迫零信道反转变换消除微基站群中的用户内干扰。

因为每个FBS的天线数是有限的，将所有微基站对每个MUE的干扰消除是难以实现的。所以可以通过对微基站进行聚类，实现选择算法，将多个微基站中对多个用户中任一用户的干扰值大于预设值的若干个微基站进行聚类，即将某个MUE的干扰值大于预设值的微基站进行聚类形成一个微基站群，然后至将该微基站群中的微基站与该MUE进行干扰对齐，从而减少了进行干扰对齐的微基站和MUE的数量，提高了干扰对齐的速度，进而提高预编码的速度。

可以在微基站中设置信号检测单元，通过检测环境环境中的信号来确定它们下行信号干扰的附近MUE以及将受干扰值大于预设值的MUE进行上报。将上述MUE定义为X＝{X¹,X²,...,X^F}为，这里：

其中，表示第j个FBS与第n个MUE之间的信道矩阵。微基站具体通过以下方式聚类：

F_i表示第i个群中包含的微基站个数。

需要说明的是，上述聚类方式只是一种优选的聚类方式，还可以根据具体需要设置相应的聚类方式，而MUE对应的微基站群可能因为聚类方式不同而不一样，例如也可以使用信道增益和用户基站相对位置等方式进行聚类。

优选地，步骤S2包括：S21，对微基站群和多个用户中任一用户的组合信道矩阵进行迫零信道反转变换，得到组合信道矩阵的伪逆矩阵；S22，对伪逆矩阵的子矩阵进行QR分解，以确定微基站群中任一微基站的用户的有效信道矩阵。

因为微基站用户FUE的信噪比通常较高，可以将迫零信道反转变换应用到第i个群和第m个MUE的组合信道矩阵H_i，定义伪逆矩阵为：

其中，为的子矩阵，在的补空间里，其中，表示乘以天线选择矩阵之后的第i个微基站群中对于第n个FUE的聚合干扰信道矩阵，因此有进一步对进行QR分解其中Q_i,n为正交矩阵，R_i,n为上三角矩阵。以上满足

由于R_i,n是可逆的，因此有

由上式可以看出，Q_i,n的列空间在的补空间上，因此由Q_i,n的线性组合构造的迫零信道反转与编码器可以有效地减小用户间干扰。也就是说Q_i,n可以完成与BD预编码器一样的工作。因此，对于第n个FUE的有效信道可以写为：

该运算中，只使用了一次信道反转和F_i次QR分解运算，每次处理的均为信道矩阵维度为的独立用户，其中F表示微基站的数目，表示微基站发射天线的数目，相对于BD算法中的SVD运算，算法整体复杂度大大降低。

优选地，步骤S3包括：S31，对有效信道矩阵的共轭转置矩阵进行格基规约变换；S32，对变换得到的矩阵进行迫零信道反转变换，以得到预编码矩阵。

为了找到新的正交基底，对得到的有效信道的共轭转置矩阵进行格基规约变换：

其中，U_i,n为单模矩阵，行列式值为1，从而使得在变换之后信道能量保持不变。然后对变换得到的矩阵再次进行迫零信道反转变换，得到的预编码矩阵为：

使用格基规约的预编码矩阵具有近正交列，因此相比于通过BD算法得到的第二个预编码器，该编码器可以将干扰减小到更低的水平。即通过上述转换能够使用更少的传输能量获得更好的性能。

最后的预编码矩阵可以写为：其中l表示每个宏基站用户(MBS)接收数据流的数目。

相关技术中对于宏基站的多用户MIMO下行信道，使用BD算法进行用户间干扰消除的计算过程如下：

预编码矩阵的设计原则为：其中m≠j，表示从宏基站到它的第m个用户的信道矩阵。这里第m个MUE和第j个MUE被安排在了同一个资源块。第m个MUE的下行干扰信道矩阵可以写为：

为了使干扰为0，必须使预编码矩阵W_m位于的零空间内。定义的奇异值分解(SVD)为：

其中， 和为酉矩阵，且 可以写成其中为零特征值对应的特征向量，满足设则包含列。可以用作消除用户间干扰的预编码矩阵。

对有效信道再次进行SVD来消除用户内干扰：

的前l列被选作形成预编码矩阵预编码矩阵乘以来防止能量过界。

最后预编码矩阵可以写为：

由于需要两次SVD运算才能得到预编码矩阵，运算过程相对复杂，而根据本发明的技术方案，则可以通过迫零信道反转变换、QR分解以及格基规约变换来得到预编码矩阵，相对于两次SVD运算，运算复杂度得到了降低，并且消除干扰的效果得到了提升。

比如使用浮点计算次数来衡量复杂度。根据相关文献，复值矩阵各种运算所需的浮点计算次数为：

m×n矩阵与n×p矩阵的乘法：8mnp；

m×n矩阵的SVD运算：24mn²+48m²n+54m³；

m×m矩阵的反转：4m³/3；

m×n矩阵的QR分解：

m×n矩阵的LR变换：

则使用SVD运算的BD算法的计算复杂度如表1所示：

表1

使用本发明的技术方案中的迫零信道反转变换、QR分解以及格基规约变换来进行运算的复杂度如表2所示：

将表1和表2进行比对可知，本发明中通过零信道反转变换、QR分解以及格基规约变换得到预编码矩阵的算法相对于相关技术中经过两次SVD运算的算法，运算复杂度降低约22.4％，从而提高了运算速度。

优选地，在步骤S1还包括：在对多个用户进行干扰对齐时，将微基站群中的预设数目的天线设置为待激活状态，以消除微基站群与宏基站之间的跨层干扰。

优选地，步骤S1包括：根据微基站群中天线的状态生成天线选择矩阵，将微基站群中任一用户的接收信号矩阵与天线选择矩阵相乘，以计算微基站群中任一用户的预编码矩阵。

微基站的预编码方案需要处理同层干扰和跨层干扰。例如CoMP-JP，一个微基站群中的所有微基站可以看成一个单频网络，F_i个分布式传输点和F_i个用户对形成了一个的虚拟MIMO系统。群内最大数据流数目由下式限定：

通过以上结构能够完全估计同层干扰。然而，对于跨层干扰消除，可以空闲出群内的一些发送天线为与MUE零空间的干扰对齐提供一定自由度。在预编码算法中，要求接收天线的总数必须不大于总发射天线数，因此可以空闲出一些发射天线，将其设置为待激活状态。进而在运算过程中可以定义一个天线选择矩阵是单位矩阵的子集，通过取的l列获得。例如接收天线为N_r＝2，群内微基站数目为F_i＝4。矩阵{(1,0),(0,1),(1,1),(0,0)}表示第一个用户的第二个接收天线，第二个用户的第一个接收天线，第四个用户的所有天线为去激活状态，对应的天线选择矩阵可以表示为则在运算过程中，第i个群中的第n个FUE的接收信号需要乘以如果聚类的FBS使用个数据流，那么能够用来消除微基站对MUE干扰的自由度数目被约束为：

为了完全消除干扰，需要保证φ的数目至少等于第m个MUE泄露矩阵的秩，比如所以具体可以空闲出N_r个发射天线，或者相等地将群内的F_iN_r个接收天线中的N_r个进行去激活，从而保证跨层干扰的完全消除，提高干扰消除效果。因此群内网络中流的数目被限定为

进一步可以设定天线的激活是随机的，第i个群和第m个MUE的组合信道矩阵可以写为：

第i个群中的第n个FUE的聚合干扰矩阵为：

第n个FUE的预编码矩阵可以通过与MBS预编码方案一样使用2次SVD运算的方法得到。最后的预编码矩阵为：

这里为零特征值对应的特征向量，I表示自由度，即φ，且满足 为的秩。矩阵包含用于消除用户内部干扰的奇异向量。

图3示出了根据本发明一个实施例的消除干扰的预编码系统的示意框图。

如图3所示，根据本发明一个实施例的消除干扰的预编码系统200包括：

检测单元20，用于检测多个微基站对宏基站的多个用户中每个用户的干扰值；聚类单元22，用于将多个微基站中对多个用户中任一用户的干扰值大于预设值的若干个微基站进行聚类，以形成微基站群；计算单元24，用于通过迫零信道反转变换和QR分解消除微基站群中的用户间干扰，通过格基规约变换和迫零信道反转变换消除微基站群中的用户内干扰。

优选地，计算单元24用于对微基站群和多个用户中任一用户的组合信道矩阵进行迫零信道反转变换，得到组合信道矩阵的伪逆矩阵，以及对伪逆矩阵的子矩阵进行QR分解，以确定微基站群中任一微基站的用户的有效信道矩阵。

优选地，计算单元24还用于对有效信道矩阵的共轭转置矩阵进行格基规约变换，以及对变换得到的矩阵进行迫零信道反转变换，以得到预编码矩阵。

优选地，还包括：状态设置单元26，用于在对多个用户进行干扰对齐时，将微基站群中的预设数目的天线设置为待激活状态，以消除微基站群与宏基站之间的跨层干扰。

优选地，计算单元24还用于根据微基站群中天线的状态生成天线选择矩阵，将微基站群中任一用户的接收信号矩阵与天线选择矩阵相乘，以计算微基站群中任一用户的预编码矩阵。

在本发明中，术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种消除干扰的预编码方法，其特征在于，包括：

S1，检测多个微基站对宏基站的多个用户中每个用户的干扰值，将所述多个微基站中对所述多个用户中任一用户的干扰值大于预设值的若干个微基站进行聚类，以形成微基站群；其中，在对所述宏基站中的多个用户进行干扰对齐时，将所述微基站群中的预设数目的天线设置为待激活状态，以消除所述微基站群与所述宏基站之间的跨层干扰；

S2，通过迫零信道反转变换和QR分解消除所述微基站群中的用户间干扰；

S3，通过格基规约变换和迫零信道反转变换消除所述微基站群中的用户内干扰；

其中，所述步骤S2包括：

S21，对所述微基站群和所述多个用户中任一用户的组合信道矩阵进行迫零信道反转变换，得到所述组合信道矩阵的伪逆矩阵；

S22，对所述伪逆矩阵的子矩阵进行QR分解，以确定所述微基站群中任一微基站的用户的有效信道矩阵；

所述步骤S3包括：

S31，对所述有效信道矩阵的共轭转置矩阵进行格基规约变换；

S32，对变换得到的矩阵进行迫零信道反转变换，以得到预编码矩阵。

2.根据权利要求1所述消除干扰的预编码方法，其特征在于，所述步骤S1包括：根据所述微基站群中天线的状态生成天线选择矩阵，将所述微基站群中任一用户的接收信号矩阵与所述天线选择矩阵相乘，以计算所述微基站群中任一用户的预编码矩阵。

3.一种消除干扰的预编码系统，其特征在于，包括：

检测单元，用于检测多个微基站对宏基站的多个用户中每个用户的干扰值；

聚类单元，用于将所述多个微基站中对所述多个用户中任一用户的干扰值大于预设值的若干个微基站进行聚类，以形成微基站群；

状态设置单元，用于在对所述多个用户进行干扰对齐时，将所述微基站群中的预设数目的天线设置为待激活状态，以消除所述微基站群与所述宏基站之间的跨层干扰；

计算单元，用于通过迫零信道反转变换和QR分解消除所述微基站群中的用户间干扰，通过格基规约变换和迫零信道反转变换消除所述微基站群中的用户内干扰；

其中，所述计算单元具体用于对所述微基站群和所述多个用户中任一用户的组合信道矩阵进行迫零信道反转变换，得到所述组合信道矩阵的伪逆矩阵，以及对所述伪逆矩阵的子矩阵进行QR分解，以确定所述微基站群中任一微基站的用户的有效信道矩阵；

以及，所述计算单元还具体用于对所述有效信道矩阵的共轭转置矩阵进行格基规约变换，以及对变换得到的矩阵进行迫零信道反转变换，以得到预编码矩阵。

4.根据权利要求3所述消除干扰的预编码系统，其特征在于，所述计算单元还用于根据所述微基站群中天线的状态生成天线选择矩阵，将所述微基站群中任一用户的接收信号矩阵与所述天线选择矩阵相乘，以计算所述微基站群中任一用户的预编码矩阵。