基于分簇的干擾對齊預(yù)編碼方法和系統(tǒng)及解碼方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于分簇的干擾對齊預(yù)編碼方法和系統(tǒng)以及解碼方法和系統(tǒng)，所述基于分簇的干擾對齊預(yù)編碼方法包括：將所有基站和用戶對劃分成簇，其中每個簇內(nèi)的基站和用戶對滿足簇內(nèi)干擾對齊條件；在實現(xiàn)簇內(nèi)干擾對齊的預(yù)編碼矩陣的解空間中，基于最大化系統(tǒng)容量得到基站的預(yù)編碼矩陣；以及基于得到的預(yù)編碼矩陣對待發(fā)送的信號進行處理。本發(fā)明在實現(xiàn)簇內(nèi)干擾消除的基礎(chǔ)上，進一步提高了整個無線通信系統(tǒng)的容量。
【專利說明】基于分簇的干擾對齊預(yù)編碼方法和系統(tǒng)及解碼方法和系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】，以及更具體地，涉及一種基于分簇的干擾對齊預(yù)編碼方法和系統(tǒng)以及解碼方法和系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，對移動通信流量的需求也在飛速地增加。為了解決不斷增大的容量需求與有限的頻譜資源之間的矛盾，可在通訊熱點區(qū)域通過部署低功率無線接入節(jié)點為用戶提供短距離高質(zhì)量的無線接入來提升傳輸速率，這稱為小蜂窩技術(shù)，不同功率的小蜂窩與原有的移動通信宏蜂窩一起構(gòu)成了多層多小區(qū)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。由于頻譜資源的稀缺，難以對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的小區(qū)進行異頻部署，需考慮同頻部署。因此，小區(qū)用戶，尤其是小區(qū)邊緣的用戶會遭受非常強的小區(qū)間干擾。
[0003]干擾對齊作為一種干擾管理技術(shù)，其核心思想是將來自不同基站的干擾信號在一個空間里對齊，從而減少干擾空間的維度。然而，在多層多小區(qū)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景中利用干擾對齊技術(shù)進行多個小區(qū)間的干擾消除時，由于通信節(jié)點間信息共享的能力有限，難以實現(xiàn)全網(wǎng)對齊，因此可以考慮對通信節(jié)點進行分簇，使在每一個簇內(nèi)能夠滿足干擾對齊的條件，實現(xiàn)簇內(nèi)干擾對齊。
[0004]目前，一種基于分簇的干擾對齊方法是將基站-用戶對劃分為多個簇，使得每一個簇內(nèi)的干擾能被完全消除；不同的簇工作在不同時段上(即采用時分復(fù)用的方式)，這樣也不存在簇間干擾。然而這種方法的資源利用率比較低，不適用于未來無線資源稀缺的移動通信系統(tǒng)。另一種基于分簇的干擾對齊方法(本文也稱作CIA方法)通過分簇將相互間干擾很強的基站-用戶對放在一起，同時使每一個簇內(nèi)的基站-用戶對的數(shù)量能夠滿足干擾對齊的條件。這種方法雖然在資源利用率上好于前一種方法，但在對發(fā)送數(shù)據(jù)進行預(yù)編碼時沒有考慮簇間干擾，而簇間干擾對于無線通信系統(tǒng)的容量會起反作用，因此采用這種方法會導(dǎo)致系統(tǒng)容量較低。
[0005]綜上所述，上述方法盡管可以保證消除簇內(nèi)干擾，但系統(tǒng)容量比較低，如何進一步提高系統(tǒng)的容量仍然是一個有待解決的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述問題，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供一種基于分簇的干擾對齊預(yù)編碼方法，包括:
[0007]步驟I)、將所有基站和用戶對劃分成簇，其中每個簇內(nèi)的基站和用戶對滿足簇內(nèi)干擾對齊條件；
[0008]步驟2)、在實現(xiàn)簇內(nèi)干擾對齊的預(yù)編碼矩陣的解空間中，基于最大化系統(tǒng)容量得到基站的預(yù)編碼矩陣；
[0009]步驟3)、基于得到的預(yù)編碼矩陣對待發(fā)送的信號進行處理。
[0010]上述方法中，步驟2)可包括:
[0011]對于每個簇，在通過最小化該簇內(nèi)所有用戶的干擾空間之間的弦距離之和計算預(yù)編碼矩陣的每次迭代中，基于最大化系統(tǒng)容量修改預(yù)編碼矩陣；其中，所述系統(tǒng)容量與簇間干擾相關(guān)聯(lián)。
[0012]上述方法中,對于每個簇所述系統(tǒng)容量表示如下:
[0013]R= Σ 1θ82|Φ,|-1ο§2|Ψ,|

keA(i)
[0014]其中，
[0015]Φ* = Σ PumkW K + (^2 + Σ Σ A-? )Ι
?^Α(?}}Φ? n^A(j)
tool 6] ψ, = Σ PklPlKkW K + (^2+Σ ΣP^pn)!




j^i HgA(J)
[0017]其中,A⑴表示當(dāng)前簇,Na表示劃分得到的簇的數(shù)量；P kl表示基站I到用戶k的大尺度衰落，P kn表示基站η到用戶k的大尺度衰落，P1表示基站I的總發(fā)射功率，Pn表示基站η的總發(fā)射功率，Hkl表示基站I到用戶k的信道矩陣，V/表示基站I的中間預(yù)編碼矩陣Ok表示用戶k接收到的噪聲功率。
[0018]上述方法中，步驟2)可包括對于每個簇執(zhí)行以下步驟:
[0019]步驟21)、為該簇內(nèi)的每個基站選取預(yù)編碼矩陣；
[0020]步驟22)、根據(jù)該簇內(nèi)所有用戶的干擾空間之間的弦距離之和的下降梯度方向，得到該簇內(nèi)的基站的中間預(yù)編碼矩陣；
[0021]步驟23)、計算系統(tǒng)容量對所述中間預(yù)編碼矩陣的共軛梯度，根據(jù)該共軛梯度修改所述中間預(yù)編碼矩陣；
[0022]步驟24)、當(dāng)該簇內(nèi)所有用戶的干擾空間之間的弦距離之和的變化大于預(yù)定閾值時，重復(fù)步驟22)和23)。
[0023]上述方法中，步驟22)包括對于簇內(nèi)的每個基站執(zhí)行以下步驟:
[0024]步驟221)、對于當(dāng)前基站k，根據(jù)下式計算該簇內(nèi)所有用戶的干擾空間之間的弦距離之和的下降梯度方向:
[0025]Z = -(I1-ViVf)V^g
[0026]其中，M表示基站的天線數(shù)量；Vk表示基站k當(dāng)前的預(yù)編碼矩陣Vkg表示該簇內(nèi)所有用戶的干擾空間之間的弦距離之和對Vk的梯度，并且
「00271 = 2 Σ [B；V, (VfBiV, )^1 YliAlYk - AlYk ](Vf B,V,)-'

ieA[i}\k
[0028]其中，A,=Hh并且B -HifH，A⑴表示當(dāng)前簇，Hlk表示基站k

md(i)、|Lk丨°/ — riIknIk y
到用戶I的信道矩陣，Pkm表示用戶k接收到的來自基站m的干擾信號的信號空間；
[0029]步驟222)、如果81^,)11;%+2 3 2)彡Str(ZHZ)，則令δ = 2 δ并且重復(fù)步驟222)；
[0030]其中，gk(Vk)表示在計算該簇內(nèi)所有用戶的干擾空間之間的弦距離之和的表達式中包括Vk項的表達式；gk(Vk+2 δ Ζ)表示將gk(Vk)中的Vk加上2 δ Z得到的表達式；tr (.)表示矩陣的跡；并且δ為正數(shù)；
[0031 ]步驟 223)、如果 gk (Vk) -gk (V δΖ) < 0.5 δ tr (ZhZ)，則令 δ = 0.5 δ 并且重復(fù)步驟 223)；
[0032]步驟224)、對矩陣Vk+ δ Z進行Gram-Schmidt正交化,得到基站k的中間預(yù)編碼矩陣Vk’ = Q1:d ;其中，Q為對矩陣Vk+ δ Z進行Gram-Schmidt正交化后生成的酉矩陣，d為基站k傳輸給用戶k的數(shù)據(jù)流的數(shù)量，Ql:d表示矩陣Q中的前d列。
[0033]上述方法中，步驟23)包括對于簇內(nèi)的每個基站執(zhí)行以下步驟:
[0034]步驟231)、根據(jù)下式計算系統(tǒng)容量對該基站的中間預(yù)編碼矩陣的共軛梯度:
[0035]= Σ P丨Σ
in I_
[0036]其中，k表示當(dāng)前基站，A⑴表示當(dāng)前簇，Vk’表示基站k的中間預(yù)編碼矩陣；
[0037]步驟232)、將該共軛梯度投影到格拉斯曼流形的切空間，得到
Vkr-(IM-V；Vf )▽ kR,并且計算奇異值分解Vf = GSFii ；
[0038]其中，G表示進行奇異值分解后得到的左奇異分量，F(xiàn)表示進行奇異值分解后得到的右奇異分量，M表示基站的天線數(shù)量；
[0039]步驟233)、根據(jù)下式修改該基站的中間預(yù)編碼矩陣，得到該基站的預(yù)編碼矩陣:
[0040]Vk = V' kF(cosXt)FH+G(sinXt)FH
[0041]其中，t表示步長且為正數(shù)。
[0042]上述方法中，步驟24)包括:
[0043]步驟241)、根據(jù)步驟233)求得的預(yù)編碼矩陣得到該簇內(nèi)所有用戶的干擾空間之間的弦距離之和，將其與執(zhí)行步驟22)和23)之前的該簇內(nèi)所有用戶的干擾空間之間的弦距離之和進行比較；
[0044]步驟242)、如果比較得到的差值大于預(yù)定閾值則返回步驟22);否則結(jié)束，將步驟233)求得的預(yù)編碼矩陣作為最終的預(yù)編碼矩陣。
[0045]進一步地，步驟242)包括:
[0046]如果比較得到的差值大于預(yù)定閾值，則令t= Yt并返回步驟22);其中，t表示步長，Y為大于O小于I的數(shù)。
[0047]上述方法中，步驟I)包括:
[0048]將所有基站和用戶對劃分成簇，每個簇內(nèi)的基站和用戶對的數(shù)量不超過^ + 2，其中M表示基站的天線數(shù)量，N表示用戶的天線數(shù)量。
[0049]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，還提供一種基于分簇的干擾對齊預(yù)編碼系統(tǒng)，包括:
[0050]用于將所有基站和用戶對劃分成簇的設(shè)備，其中每個簇內(nèi)的基站和用戶對滿足簇內(nèi)干擾對齊條件；
[0051]用于在實現(xiàn)簇內(nèi)干擾對齊的預(yù)編碼矩陣的解空間中，基于最大化系統(tǒng)容量，得到基站的預(yù)編碼矩陣的設(shè)備；
[0052]用于基于得到的預(yù)編碼矩陣對待發(fā)送的信號進行處理的設(shè)備。
[0053]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，還提供一種對采用上述預(yù)編碼方法預(yù)編碼的信號進行解碼的方法，包括:
[0054]利用接收濾波器對接收到的信號進行解碼。其中，根據(jù)以下步驟確定每個用戶的接收濾波器:
[0055]步驟A)、在該用戶所在的簇內(nèi)選取干擾基站，根據(jù)下式將該基站對該用戶的有效干擾信道進行奇異值分解:
[0056]0]Nf
[0057]其中，Heff，kl表示基站I對用戶k的有效干擾信道；Akl表示非零的奇異值N:表示右奇異向量；Ml?]表示左奇異向量，對應(yīng)前d個左奇異向量，對應(yīng)后N-d
個右奇異向量，d表示基站傳輸給用戶的數(shù)據(jù)流的數(shù)量，N表示用戶的天線數(shù)量；
[0058]步驟B)、根據(jù)下式得到該用戶的接收濾波器Uk:
[0059]Ua = 。
[0060]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，還提供一種對采用上述預(yù)編碼方法預(yù)編碼的信號進行解碼的系統(tǒng)，包括:
[0061]用于利用接收濾波器對接收到的信號進行解碼的設(shè)備。
[0062]本發(fā)明在實現(xiàn)簇內(nèi)干擾消除的基礎(chǔ)上，將簇間剩余干擾考慮為白噪聲，在滿足簇內(nèi)干擾對齊的解空間中尋找能夠提高系統(tǒng)容量的解，通過這種方式來提高整個無線通信系統(tǒng)的容量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0063]以下附圖僅對本發(fā)明做示意性說明和解釋，并不用于限定本發(fā)明的范圍，其中:
[0064]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的基于分簇的干擾對齊預(yù)編碼方法的流程圖；
[0065]圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的多小區(qū)MMO干擾信道系統(tǒng)的示意圖；以及
[0066]圖3是采用本發(fā)明提供的干擾對齊預(yù)編碼方法與現(xiàn)有方法在系統(tǒng)容量上的比較示意圖。

【具體實施方式】
[0067]為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0068]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供一種基于分簇的干擾對齊預(yù)編碼方法。
[0069]參考圖1且概括而言，該方法包括:將所有基站和用戶對劃分成簇，其中在每個簇內(nèi)的基站和用戶對滿足簇內(nèi)干擾對齊條件；在實現(xiàn)簇內(nèi)干擾對齊的預(yù)編碼矩陣的解空間中，基于最大化系統(tǒng)容量，得到基站的預(yù)編碼矩陣；以及，基于得到的預(yù)編碼矩陣對待發(fā)送的信號進行處理并發(fā)送。
[0070]下文將具體描述該干擾對齊方法的各個步驟。
[0071]第一步:將無線通信系統(tǒng)中的所有基站和用戶對劃分成簇，其中在每個簇內(nèi)的基站和用戶對能夠滿足簇內(nèi)干擾對齊條件(即能夠?qū)崿F(xiàn)簇內(nèi)干擾的消除)。
[0072]作為本領(lǐng)域的公知常識，在簇內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)干擾對齊的條件是指簇內(nèi)的基站和用戶對的數(shù)量、基站的天線數(shù)量M，以及用戶的天線數(shù)量N之間需要滿足一定的關(guān)系:
Lw= ^ + 2，其中Lmax是每個簇內(nèi)所允許的最大基站和用戶對數(shù)量。
[0073]參見圖2,對于有K個小區(qū)的蜂窩系統(tǒng),小區(qū)內(nèi)基站(圖中不為基站1，基站2，...，基站K)只服務(wù)一個用戶(圖中示為用戶1，用戶2，...，用戶K)，其中每個基站配置了 M根天線，每個用戶配置了 N根天線，每個基站k (k = 1，...，K)傳輸d個數(shù)據(jù)流Sk給用戶k，用戶k的接收信號可表示為:
[0074]
Ya- = KWk ++%⑴

J*k
[0075]其中，Pkk為小區(qū)k中基站(基站k)到小區(qū)k中用戶(用戶k)的大尺度衰落；P kJ為小區(qū)j中基站到小區(qū)k中用戶的大尺度衰落；HW表示基站j到用戶k的信道矩陣，其元素服從均值為O方差為I的復(fù)高斯分布，且元素之間是獨立同分布的；'表示基站j的預(yù)編碼矩陣；xk表示小區(qū)k中基站發(fā)送給本小區(qū)用戶的信號矢量，且滿足功率約束條件
EjXkXk} <Pk，其中Pk表示小區(qū)k中基站的總發(fā)射功率，X^1為xk的共軛轉(zhuǎn)置；nk表示小區(qū)
k中用戶接收到的加性高斯白噪聲，其分布滿足nk?CN(0，σ2Ι)。在公式⑴中，等號右側(cè)的第一項為用戶k的有用信號，第二項為來自其他小區(qū)的干擾。當(dāng)小區(qū)k中的用戶接收到信號后，該用戶用接收濾波器Uk處理該信號。
[0076]在分簇前，定義A為所有K個小區(qū)可能的分簇。對于每一個分簇結(jié)果A e A，令A(yù)={A(1)，...，A(Na)};其中A(i)是第i個簇，Na為該分簇結(jié)果中簇的數(shù)量。其中，分簇需要滿足如下的限制條件:
[0077]
=K;A(i)門 A(_/) = 0,i 矣 j;、
1=1I 2 )
[0078]為了實現(xiàn)簇內(nèi)干擾對齊，該分簇問題可以表示為:
[0079]

N4
max imizc Xir(A(/),A(/))(3)
Α?ζΑ i=l
[0080]在求解上式時，需要滿足約束條件:V/el,.A 1^40)6 U并且需要滿足公式
(2)中的限制條件。
M
[0081]其中，Anax=— + 2 ; W(A ⑴，A(i)) =Σ keA(i)，leA(i)wkl,表示 A(i)中所有的估計速率損耗之和，Wkl表示第k個基站-用戶對和第I個基站-用戶對之間的估計速率損耗，表示如下:
[0082] 1g2 Jfl+ PkkPkPk,Pl Yl+ PilP,PlkPl ]}, k^l(.X
? = [I ^+ρ,Λ+ρ,,Ρ,Α ^ +P11P1+Ρ,Λ)1(4)
O5k = l
[0083]以上示例性地描述了一種分簇方法的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，可采用其他現(xiàn)有技術(shù)對所有基站和用戶對進行分簇，同時每個簇內(nèi)的基站和用戶對滿足簇內(nèi)干擾對齊條件。
[0084]第二步:在實現(xiàn)簇內(nèi)干擾對齊的預(yù)編碼矩陣的解空間中，基于最大化系統(tǒng)容量得到基站的預(yù)編碼矩陣。
[0085]在一個實施例中，要消除簇內(nèi)干擾，可以通過在每個簇內(nèi)最小化接收端的干擾空間之間的弦距離之和，將來自不同干擾端的干擾放在同一個信號空間里面。其中，用戶k接收到的來自基站I的干擾信號的信號空間可定義為:
[0086]
Pkl = H?V; (VfHgHitΜ)—1 = UklYl (HwV7 f( 5 )
[0087]最小化每個簇內(nèi)所有用戶的干擾空間之間的弦距離之和可以表示如下:
[0088]
Mmimizc §=Σ Σ Σ HwV, ( Hh V.f-HtmVm (HfaiiYni )f '(6)
keA{i] ieA{i]\k meA{i]\\kJ}^
[0089]可以通過迭代法來實現(xiàn)最小化每個簇內(nèi)所有用戶的干擾空間之間的弦距離之和，從而得到每個簇內(nèi)的基站預(yù)編碼矩陣。
[0090]如上文所述，上述方法僅能夠?qū)崿F(xiàn)簇內(nèi)的干擾對齊，卻忽略了簇間干擾對系統(tǒng)容量的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)容量不高，因此在預(yù)編碼時還需要考慮簇間干擾。在一個實施例中，對于每個簇來說，可以在通過最小化該簇內(nèi)所有用戶的干擾空間之間的弦距離之和來計算預(yù)編碼矩陣的迭代過程中，基于最大化系統(tǒng)容量來修改基站的預(yù)編碼矩陣，其中系統(tǒng)容量與簇間干擾相關(guān)聯(lián)。本發(fā)明將簇間干擾考慮為白噪聲，從平均的角度看待所有的簇間干擾，則簇A(i)中第k個用戶看到的簇間干擾可以表示為:
[0091]
N4/ N4Λ
E Σ Σ ,Vf Hf = Σ Σ 1N( 7 )
_ i豐i neA{j)_ ^ }ψ? n&A{j)y
[0092]其中，Pn表示小區(qū)n中基站的總發(fā)射功率，N表示用戶的天線數(shù)量。系統(tǒng)容量包含簇間干擾因素，最大化系統(tǒng)容量可表示為:
[0093]
maximize R=工 1g2 PiJ-1og2IvFiJ(8)

keA(1、
[0094]其中，
[0095]
Φ, = Σ+ (CJ1k +X X PknPn )1( 9 )
l^A(i)n^A(j)
[0096]
ψ, = Σ PklPlRkWl1K+(σ；+Σ Σ PknpJ、10)
/e^(z)\k}Φ? n^A(j)
[0097]其中Ok指用戶k接收到的噪聲功率。從公式(9)和(10)的等式右邊的第二項可見，該系統(tǒng)容量考慮了簇間干擾(參見公式(7))。
[0098]進一步地，由于最小化每個簇內(nèi)所有用戶的干擾空間之間的弦距離之和得到的解空間是定義在格拉斯曼流形中的，因而可通過格拉斯曼流形方法來進一步找出能夠提高系統(tǒng)容量的解，從而獲得最終的基站預(yù)編碼矩陣。
[0099]根據(jù)上面的描述，在一個實施例中，可將本步驟描述為:對于每個簇(下文中以A(i)為例)，執(zhí)行以下子步驟。
[0100]1.為A(i)內(nèi)的每個基站選取任意的基站預(yù)編碼矩陣，并且初始化迭代次數(shù)η =
1
[0101]例如為基站k選取預(yù)編碼矩陣使得=Id;其中k e A(i)，d表示基站k發(fā)送給本小區(qū)用戶的數(shù)據(jù)流個數(shù)。
[0102]2.根據(jù)下式計算A(i)內(nèi)所有用戶的干擾空間之間的弦距離之和:
[0103]
*(/7)= X X X ;Ilpw-(Ii)
[0104]其中，Pkl=HfaV,(VfHgH1-,Vj1 VfHg =HwVi(H^)+，表示用戶 k 接收到的來自基站I的干擾信號的信號空間屮^表示用戶k接收到的來自基站m的干擾信號的信號空間。
[0105]3.當(dāng)I g(n)-g(n_l) I > ε時或者η = I時,執(zhí)行步驟4 ;否則結(jié)束。
[0106]其中，ε為一個很小的正數(shù)，例如ε = 10Ε-4。
[0107]本步驟用于判斷是否進行本次迭代，應(yīng)理解，該步驟也可以放在第6步中，用于判斷是否進行下次迭代。
[0108]4.對于A(i)中每一個基站k，k e A(i)，執(zhí)行以下過程:
[0109]4.1)、計算g(n)的下降梯度方向:
[0110]
Z = -(Im-YX)Wkg(12)
[0111]其中，M表示基站的天線數(shù)量；vkg表示g(n)對Vk的梯度，表示如下:
[0112]
v,g = 2 Σ [B^i(VfBiVi)-1VfA7Y, -AlVkJ(VfBlVk)-1( 13 )
leA{i)\k
[om]其中，=HH P-)H?-，且 Bi=HfH,,。
[0114]4.2)、如果8,%)11^1;+2 6 2)彡 Str (ZhZ)，那么令 δ = 2δ 并且重復(fù)步驟 4.2)。其中，gk(Vk)指g(n)中只包含Vk項的表達式；Vk+2 δ Z表示加過2 δ Z之后的基站k的預(yù)編碼矩陣，gk(Vk+2SZ)表示將gk (Vk)中的Vk加上2δΖ得到的表達式；tr(.)表示矩陣的跡；δ為步長因子且是正數(shù)，優(yōu)選地，δ = I。
[0115]4.3)、如果 gk(Vk)-gk(V δΖ) < 0.5 δ tr (ZhZ)，那么令 δ = 0.5 δ 并且重復(fù)步驟
4.3)。
[0116]4.4)、對矩陣 Vk+ δ Z 進行 Gram-Schmidt 正交化，即:
[0117]Vk+ δ Z = QR (14)
[0118]其中，QR表示Gram-Schmidt正交化后生成的兩個矩陣，Q為酉矩陣，R為上三角矩陣。
[0119]4.4)、令中間預(yù)編碼矩陣Vk’ =Q1:d。
[0120]5.對于A(i)中的每個基站k執(zhí)行以下過程:
[0121]5.1)、計算系統(tǒng)容量公式(15)對中間預(yù)編碼矩陣Vk’的共軛梯度(18):
[0122]
R= Σ 1g2|φ,1-1og2M(15)
keA{i]
[0123]其中，
[0124]
Φ*= Σ A/肌/V/ν,ΗΧσ,2 +? ΣΡΜ1( 16 )
leA(i)neAfj;
[0125]
Ψ = Σ AAHiWH- +(σΙ+Σ ΣΡΜ1( 17 )
leA(i}\kj^i neAfjJ
[0126]
= Σ- Σ Ρ,ΛΚ^,%Χ(18)
[0127]5.2)、將該共軛梯度投影到格拉斯曼流形的切空間，得到Vkr = (IM K) VkR。計算奇異值分解Vf = GEFii，其中G是矩陣ViF進行奇異值分解后得到的左奇異分量，F(xiàn)是矩陣Γ進行奇異值分解后得到的右奇異分量。
[0128]5.3)、將步驟4.4)得到的V' k沿著ΚΓ所給的格拉斯曼流形的測地線方向移動，
得到當(dāng)前基站k的預(yù)編碼矩陣，即:
[0129]Vk = V' kF(cosXt)FH+G(sinXt)FH (19)
[0130]這里t為每次移動的步長，在初始階段步長較大，初始值優(yōu)選為1，隨著迭代移動步長開始變小直到變?yōu)镺 (參見步驟6)，從而保證了算法的收斂性。
[0131]6.令n = n+1、t = Y t，并且返回步驟2重新計算所有接收端的干擾空間的弦距離之和。其中Y為大于O小于I的數(shù)，優(yōu)選地，Y =0.95。
[0132]在一個實施例中，可以將第3步并在本步驟中。具體來說，在令n = n+1后，計算g(n)(參見第2步)，當(dāng)I g(n)-g(n-l) I > ε時,返回步驟4 ;否則結(jié)束。
[0133]第三步:基于得到的預(yù)編碼矩陣對待發(fā)送的信號進行處理。
[0134]作為本領(lǐng)域的公知常識，要實現(xiàn)簇內(nèi)干擾對齊，在基站向用戶發(fā)送信號之前，需根據(jù)該基站的預(yù)編碼矩陣對待發(fā)送的信號進行預(yù)處理。這樣，用戶在接收到處理過的信號時，可以使用該用戶的接收濾波器將來自簇內(nèi)其他小區(qū)基站的干擾信號全部過濾而只解調(diào)剩余的信號。
[0135]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，還提供一種基于分簇的干擾對齊預(yù)編碼系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:
[0136]用于將所有基站和用戶對劃分成簇的設(shè)備，其中每個簇內(nèi)的基站和用戶對滿足簇內(nèi)干擾對齊條件；
[0137]用于在實現(xiàn)簇內(nèi)干擾對齊的預(yù)編碼矩陣的解空間中，基于最大化系統(tǒng)容量得到基站的預(yù)編碼矩陣的設(shè)備；
[0138]用于基于得到的預(yù)編碼矩陣對待發(fā)送的信號進行處理的設(shè)備。
[0139]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，還提供一種對采用上述預(yù)編碼方法預(yù)編碼的信號進行解碼的方法，包括:利用接收濾波器對接收到的信號進行解碼。
[0140]用戶的接收濾波器正交于簇內(nèi)干擾空間，用戶可以用接收濾波器將來自簇內(nèi)其他小區(qū)基站的干擾信號全部過濾而只解調(diào)剩余信號。在一個實施例中，可按照以下方法確定用戶的接收濾波器:
[0141]在每個簇內(nèi)，對于用戶k，任意選取該簇內(nèi)的一個干擾端1，并令Hrftkl = HklV1為有效干擾信道(指基站I對用戶k造成的干擾)，其中V1為基站I的預(yù)編碼矩陣，對該有效干擾信道進行奇異值分解可得:
[0142]
Η#=[Μ-- M{:i][Akl 0]Nf(20)
[0143]其中，[M<? 表示左奇異向量，表示右奇異向量，Mjj對應(yīng)前d個左奇異向量，而對應(yīng)后N-d個右奇異向量；Akl表示Heftkl進行奇異值分解之后的非零奇異值；則用戶k的接收濾波器表示為Ujt = M<f。
[0144]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，還提供一種對采用上述預(yù)編碼方法預(yù)編碼的信號進行解碼的系統(tǒng)，包括:用于利用接收濾波器對接收到的信號進行解碼的設(shè)備。
[0145]本發(fā)明在保證簇內(nèi)干擾消除的前提下，通過將簇間干擾看作白噪聲，從滿足簇內(nèi)干擾對齊的解中找出進一步提高整個無線通信系統(tǒng)容量的解。因此，本發(fā)明提供的方法可以消除所有對用戶的強干擾(簇內(nèi)干擾)，同時提高整個系統(tǒng)容量。
[0146]為驗證本發(fā)明的有效性，發(fā)明人基于以下場景進行了實驗:小區(qū)數(shù)為K = 8(即基站和用戶數(shù)目分別為8)，基站和用戶的天線數(shù)目分別為M = 10和N = 4，小區(qū)內(nèi)基站給用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)流個數(shù)d為2，所有的基站發(fā)射功率都相等(即Pk = P)，且對每個數(shù)據(jù)流采取平均功率分配。
[0147]圖3示出了使用現(xiàn)有的干擾對齊方法(CIA)和本發(fā)明提供的基于分簇的干擾對齊預(yù)編碼方法(CIA-Throughput)的仿真結(jié)果。根據(jù)圖3可以看出相比于傳統(tǒng)的干擾對齊方法，本發(fā)明提供的方法在系統(tǒng)容量上表現(xiàn)更優(yōu)。
[0148]應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書是按照各個實施例描述的，但并非每個實施例僅包含一個獨立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個整體，各實施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實施方式。
[0149]以上所述僅為本發(fā)明示意性的【具體實施方式】，并非用以限定本發(fā)明的范圍。任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和原則的前提下所作的等同變化、修改與結(jié)合，均應(yīng)屬于本發(fā)明保護的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于分簇的干擾對齊預(yù)編碼方法，包括: 步驟I)、將所有基站和用戶對劃分成簇，其中每個簇內(nèi)的基站和用戶對滿足簇內(nèi)干擾對齊條件； 步驟2)、在實現(xiàn)簇內(nèi)干擾對齊的預(yù)編碼矩陣的解空間中，基于最大化系統(tǒng)容量得到基站的預(yù)編碼矩陣； 步驟3)、基于得到的預(yù)編碼矩陣對待發(fā)送的信號進行處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟2)包括: 對于每個簇，在通過最小化該簇內(nèi)所有用戶的干擾空間之間的弦距離之和計算預(yù)編碼矩陣的每次迭代中，基于最大化系統(tǒng)容量修改預(yù)編碼矩陣；其中，所述系統(tǒng)容量與簇間干擾相關(guān)聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，對于每個簇所述系統(tǒng)容量表示如下:
其中，A(i)表示當(dāng)前簇,Na表示劃分得到的簇的數(shù)量；P kl表示基站I到用戶k的大尺度衰落，P kn表示基站η到用戶k的大尺度衰落，P1表示基站I的總發(fā)射功率，Pn表示基站η的總發(fā)射功率，Hkl表示基站I到用戶k的信道矩陣，V表示基站I的中間預(yù)編碼矩陣， 表示用戶k接收到的噪聲功率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任何一個所述的方法，其中，步驟2)包括對于每個簇執(zhí)行以下步驟: 步驟21)、為該簇內(nèi)的每個基站選取預(yù)編碼矩陣； 步驟22)、根據(jù)該簇內(nèi)所有用戶的干擾空間之間的弦距離之和的下降梯度方向，得到該簇內(nèi)的基站的中間預(yù)編碼矩陣； 步驟23)、計算系統(tǒng)容量對所述中間預(yù)編碼矩陣的共軛梯度，根據(jù)該共軛梯度修改所述中間預(yù)編碼矩陣； 步驟24)、當(dāng)該簇內(nèi)所有用戶的干擾空間之間的弦距離之和的變化大于預(yù)定閾值時，重復(fù)步驟22)和23)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，步驟22)包括對于簇內(nèi)的每個基站執(zhí)行以下步驟: 步驟221)、對于當(dāng)前基站k，根據(jù)下式計算該簇內(nèi)所有用戶的干擾空間之間的弦距離之和的下降梯度方向:
Z = -(IM-V1-Vf)V^g 其中，M表示基站的天線數(shù)量；Vk表示基站k當(dāng)前的預(yù)編碼矩陣；Vkg表示該簇內(nèi)所有用戶的干擾空間之間的弦距離之和對Vk的梯度，并且
▽ig = 2 X [B,V, (VfBzVi )-1 VfAiV, - A,V, !(VfB7V,)-'

I^A(i)\k 其中，Αι -Hft( ^并且B, =HfH,, , A⑴表示當(dāng)前簇，Hlk表示基站k到用戶I的信道矩陣，Pkm表示用戶k接收到的來自基站m的干擾信號的信號空間； 步驟 222)、如果 gk(Vk)-gk(Vk+2SZ)彡 Str (ZhZ)，則令 δ = 2 δ 并且重復(fù)步驟 222)；其中，gk(Vk)表示在計算該簇內(nèi)所有用戶的干擾空間之間的弦距離之和的表達式中包括Vk項的表達式；gk(Vk+2 δ Ζ)表示將gk(Vk)中的Vk加上2 δ Z得到的表達式；tr (.)表示矩陣的跡；并且δ為正數(shù)； 步驟 223)、如果 gk(Vk)-gk(V δΖ) < 0.5 δ tr (ZhZ)，則令 δ = 0.5 δ 并且重復(fù)步驟223)； 步驟224)、對矩陣Vk+ δ Z進行Gram-Schmidt正交化，得到基站k的中間預(yù)編碼矩陣Vk’=Q1:d ;其中，Q為對矩陣Vk+ δ Z進行Gram-Schmidt正交化后生成的酉矩陣，d為基站k傳輸給用戶k的數(shù)據(jù)流的數(shù)量，Q1:d表示矩陣Q中的前d列。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，步驟23)包括對于簇內(nèi)的每個基站執(zhí)行以下步驟: 步驟231)、根據(jù)下式計算系統(tǒng)容量對該基站的中間預(yù)編碼矩陣的共軛梯度:
= Σ PllPkH^1UlkYk - X PlkPkU^1HlkVk
Ill/eyi{/i\{kE 其中，k表示當(dāng)前基站，A(i)表示當(dāng)前簇，Vk’表示基站k的中間預(yù)編碼矩陣； 步驟232)、將該共軛梯度投影到格拉斯曼流形的切空間，得到Vkr-(IM-V；Vr )▽ kR，并且計算奇異值分解VJ = GSFh ； 其中，G表示進行奇異值分解后得到的左奇異分量，F(xiàn)表示進行奇異值分解后得到的右奇異分量，M表示基站的天線數(shù)量； 步驟233)、根據(jù)下式修改該基站的中間預(yù)編碼矩陣，得到該矩陣的預(yù)編碼矩陣:
Vk = V' kF(cosXt)FH+G(sinXt)FH
其中，t表示步長且為正數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，步驟24)包括: 步驟241)、根據(jù)步驟233)求得的預(yù)編碼矩陣得到該簇內(nèi)所有用戶的干擾空間之間的弦距離之和，將其與執(zhí)行步驟22)和23)之前的該簇內(nèi)所有用戶的干擾空間之間的弦距離之和進行比較； 步驟242)、如果比較得到的差值大于預(yù)定閾值則返回步驟22);否則結(jié)束，將步驟233)求得的預(yù)編碼矩陣作為最終的預(yù)編碼矩陣。
8.根據(jù)要求7所述的方法，其中，步驟242)包括: 如果比較得到的差值大于預(yù)定閾值，則令t = Yt并返回步驟22);其中，t表示步長，Y為大于O小于I的數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任何一個所述的方法，其中，步驟I)包括: 將所有基站和用戶對劃分成簇，每個簇內(nèi)的基站和用戶對的數(shù)量不超過1 + 2，其中M表示基站的天線數(shù)量，N表示用戶的天線數(shù)量。
10.一種基于分簇的干擾對齊預(yù)編碼系統(tǒng)，包括: 用于將所有基站和用戶對劃分成簇的設(shè)備，其中每個簇內(nèi)的基站和用戶對滿足簇內(nèi)干擾對齊條件； 用于在實現(xiàn)簇內(nèi)干擾對齊的預(yù)編碼矩陣的解空間中，基于最大化系統(tǒng)容量得到基站的預(yù)編碼矩陣的設(shè)備； 用于基于得到的預(yù)編碼矩陣對待發(fā)送的信號進行處理的設(shè)備。
11.一種對采用如權(quán)利要求1-9中任何一個所述的方法預(yù)編碼的信號進行解碼的方法，包括: 利用接收濾波器對接收到的信號進行解碼。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，根據(jù)以下步驟確定每個用戶的接收濾波器: 步驟A)、在該用戶所在的簇內(nèi)選取干擾基站，根據(jù)下式將該基站對該用戶的有效干擾信道進行奇異值分解: η;;/;=[μ? μ!?][λη 0]nJ 其中，Heftkl表示基站I對用戶k的有效干擾信道；Akl表示非零的奇異值；Nf表示右奇異向量JmJs? Mf1]表示左奇異向量，對應(yīng)前d個左奇異向量，MT對應(yīng)后N-d個右 __lKlKl奇異向量，d表示基站傳輸給用戶的數(shù)據(jù)流的數(shù)量，N表示用戶的天線數(shù)量； 步驟B)、根據(jù)下式得到該用戶的接收濾波器Uk: U,= 。
13.—種對采用如權(quán)利要求1-9中任何一個所述的方法預(yù)編碼的信號進行解碼的系統(tǒng)，包括: 用于利用接收濾波器對接收到的信號進行解碼的設(shè)備。
【文檔編號】H04L1/00GK104202120SQ201410427662
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月27日
【發(fā)明者】陳宏超, 周一青, 田霖, 石晶林, 劉智國 申請人:中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所