聯合基站用戶關聯的干擾消除方法
【專利摘要】本發明公開了一種聯合基站用戶關聯的干擾消除方法，主要解決現有干擾消除技術僅適用于求解基站用戶關聯固定的系統的自由度問題。其實現步驟是：(1)設置系統模型；(2)將系統自由度最大化問題轉化為一個最優化模型，然后求解該最優化模型；(3)根據最優化模型的解確定最優的基站用戶關聯關系以及系統最大可達自由度；(4)在基站用戶關聯關系最優的情況下，在基站端進行干擾消除，本發明適用范圍更廣，可提高系統最大可達自由度，有效消除干擾，可用于基站與用戶之間的關聯是任意的多小區MIMO的多址接入上行網絡。
【專利說明】
聯合基站用戶關聯的干擾消除方法
技術領域
[0001] 本發明屬于通信技術領域，特別設及一種干擾消除方法，可用于基站與用戶之間 的關聯是任意的多小區MIMO多址接入上行網絡。
【背景技術】
[0002] 在多小區MIMO無線網絡中，隨著用戶的數目W及用戶需求的不斷增多，基站與用 戶之間在進行數據傳輸時受到的其他小區干擾也會增多，運就嚴重影響了通信的質量。因 此有效的干擾消除方案，變得極其重要。為了極大程度的實現干擾消除，一個極其有效的方 法便是在干擾消除之前進行干擾對齊，通過對齊把干擾壓縮到一個很小維度的空間，然后 再針對運個小維度的干擾空間進行干擾消除。運一極具突破性的方法最早是由美國加州大 學的IE邸Fellow S. AJafar教授提出，對于一個K用戶的干擾信道，在時域或者頻域有無 限大的符號擴展的場景下，Jafar教授提出的方案可W將干擾信號壓縮在1/2倍信號總空間 的維度之內，將剩余的1/2倍信號總空間用來接收有用信號，最后在干擾信號所在的1/2倍 信號總空間中對干擾進行消除。Jafar教授提出的方案作為干擾處理技術的一個重大突破， 極大的提升了系統最大可達自由度。但是，實際通信系統不可能提供無限大的符號擴展。為 了克服運個問題，本領域的其他研究者提出了無符號擴展的干擾消除方案。
[0003] 對于無符號擴展的干擾消除方案，美國斯坦福大學的IE邸Fellow D.Tse教授針 對小區數大于等于=的多址接入信道，提出了一種子空間干擾對齊算法，將干擾空間進行 壓縮，最后在接收端對干擾進行消除，得到該系統下的最大可達自由度。但是運種方案只適 用于每個用戶傳輸的數據流為1的場景。美國普渡大學的D.J.Love教授研究了多小區同構 網絡的上行鏈路系統，提出了一種基于零空間的干擾對齊方法，通過迫零技術對干擾進行 消除，得到多小區MIMO多址接入恒參信道下系統的最優自由度。但是運種方法可行的前提 是信道矩陣的零空間必須存在。韓國首爾國立大學的Lee K教授對于多小區多用戶的上行 MIMO鏈路進行了研究，提出了一種信號空間的非迭代的干擾消除方案，并分析了系統的可 達自由度，推導出系統自由度會趨于一個恒定值。但是運種方法計算復雜度較高。韓國高麗 大學的C.G.Kang教授提出多小區MIMO高斯干擾多址接入信道場景下干擾消除算法，該算法 引入了回程鏈路使基站之間通過協作實現干擾消除。但是，運種方案只適用于基站和用戶 之間固定關聯的場景。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于針對上述已有技術中的不足，提出一種聯合基站用戶關聯的干 擾消除方法，W求出基站與用戶為在不固定場景下的最優組合，使系統的可達自由度最大 化。
[0005] 本發明的技術思路是：針對基站和用戶之間的關聯是任意的多小區MIMO上行網 絡，對該場景下基站與用戶之間的關聯關系進行數學建模，將該數學模型轉化為混合整數 線性規劃模型，并在該模型有解的條件下求出基站與用戶之間的最優關聯關系，最后在基 站端進行干擾消除，其實現方案包括如下：
[0006] 1)設置系統模型：
[0007] 設置G個基站和J個用戶，基站與基站之間設有回程鏈路，每個基站和用戶的天線 數均為M，每個用戶發送的數據流均為d，de U，2, 一MK第k個基站接收Nk個用戶發送來的 數據流，并將第j個給基站k發送數據流的用戶記作化J)，其中ke[l，G]，je[l，Nk]，Nk>0;
[0008] 針對基站和用戶之間的關聯是不固定的場景，設第j個用戶和第k個基站的關聯因 子為a(k,j)，月
[0009] 2)把每個用戶的最大數據流作為目標函數，確定目標函數需要滿足的約束條件：
[0010] 2.1)假設期望信號和干擾信號相互獨立，則約束條件為:Nkd+d<M，其中，Nk表示能 給第k個基站發送數據流的用戶數；
[OOW 2.2)假設從第化A+1)個小區W后不需要進行干擾對齊，1非IA含G，則在第化A+1) 個小區的基站端，則期望信號維度與所有干擾信號維度之間的約束條件為：
[0012] 3)根據步驟2)的約束條件，結合圖論，把系統自由度最大化問題轉化為最優化模 P，即 帯,'盧
[0013] 4)從Kia的取值范圍中任選一個整數代入最優化模型P中，求解Kia取該值時基站用 戶的最優關聯與最大數據流，將步驟3)中的最優化模型P轉化為一個二次約束整數規劃模 型 Pi，即 Pi:立a;/;
[0014] 5)求解二次約束整數規劃模型Pi;
[001引 5.1)將數據流d松弛到區間「1，扭iii[M，L2揪//訊內，且令d' = 1/d，使步驟3)中的二 次約束整數規劃模型Pl轉化為混合整數規劃模型P2,即其中L」表示向下取整數 值；
[0016] 5.2)求解混合整數規劃模型P2,得出最優的關聯因子{a(M)}和cT的值；
[0017] 5.3)根據y-Ll//」，將步驟5.2)求出的cT轉化為d，檢查d是否滿足二次約束整數規 劃模型P2的約束條件，如果滿足，則二次約束整數規劃模型Pi求解完畢，否則繼續執行步驟 5.4);
[0018] 5.4)將數據流d代入到混合整數規劃模型P2的約束條件中，定義一個與混合整數 規劃模型P2的約束條件不相關的目標表達式t，形成一個混合整數線性規劃模型P3,即P3: 咒Y其中te[0，l];
[0019] 5.5)求解步驟5.4)中的混合整數線性規劃模型P3,得到一組最優的關聯因子 {a(M) }，則二次約束整數規劃模型Pi求解完畢；
[0020] 6)結合步驟5)，求解最優化模型P:
[0021] 6.1)按照步驟5)的方法，遍歷所有的Kia的值，得到在不同Kia值下的一組關聯因子 Ia(M)巧日一組數據流；
[0022] 6.2)將步驟6.1)中求得的一組數據流進行比較，得到d的最大值和最優關聯因 {a(M)}，至此最優化模型P求解完畢；
[0023] 7)根據步驟6)中最優化模型P的解，確定系統中基站與用戶之間的最優關聯關系， W確保在基站端將干擾完全消除：
[0024] 對于第S個基站端，1含S含Kia,先將該基站收到的干擾信號對齊到一個最低維度的 空間中，W對干擾空間進行壓縮，再在壓縮后的干擾空間的零空間中設計該基站的解碼矩 陣，實現干擾消除；
[0025] 對于第r個基站端，Kia+1含r含G，通過在該基站的干擾空間的零空間中設計解碼矩 陣，實現干擾消除。
[0026] 本發明與現有技術相比，具有如下優點：
[0027] 1)擴展了適用范圍。
[0028] 現有的干擾消除方法中，基站與用戶之間的關聯都是固定的，所W現有的方法并 沒有普遍適用性，而本發明提出的方案中基站與用戶之間的關聯是任意的；
[0029] 2)提高了系統的可達自由度。
[0030] 現有的干擾消除方法都只確定了系統的可達自由度，本發明的干擾消除方法針對 基站與用戶關聯不固定的場景，可W得到一種最優的基站用戶關聯關系，從而得到系統的 最大可達自由度，因此，在系統配置相同的情況下本發明的干擾消除方法可使系統的可達 自由度得到提升。
【附圖說明】：
[0031 ]圖1為本發明的實現流程圖；
[0032] 圖2為本發明中設置的系統模型；
[0033] 圖3為本發明中對二次約束整數規劃模型Pi的求解子流程圖；
[0034] 圖4為本發明中的用戶數據流與現有干擾消除方法中用戶數據流在四個基站六個 用戶場景下的對比圖；
[0035] 圖5為本發明中的用戶數據流與現有干擾消除方法中用戶數據流在五個基站八個 用戶場景下的對比圖。
【具體實施方式】
[0036] W下參照附圖對本發明的技術方案和效果作進一步詳細描述。
[0037] 參照圖1，本發明的實現步驟如下：
[0038] 步驟1，設置系統模型
[0039] 參照圖2,本發明設置的系統模型為多小區MIMO多址接入上行網絡，該網絡中包含 G個基站和J個用戶，基站與基站之間設有回程鏈路，基站在接收到本小區的信號后可W通 過回程鏈路傳遞給其他基站，基站和用戶之間的關聯是不固定的，每個基站和用戶的天線 數均為M，每個用戶發送的數據流均為d，de U，2, 一MK第k個基站接收Nk個用戶發送來的 數據流，并將第j個給基站k發送數據流的用戶記作化J)，其中ke[l，G]，je[l，Nk]，Nk>0;
[0040] 針對基站和用戶之間的關聯是不固定的場景，設第j個用戶和第k個基站的關聯因 子為a(M)，如果第j個用戶和第k個基站之間進行信息傳輸，則關聯因子a(M)置為1，否則關 甘#圧1^ 巧Rn P'如果帶個用戶與第A個基施t間進行信息傳輸 聯因子a(k' j)置為O，即：j Q其他 。
[0041] 步驟2,把每個用戶的數據流作為目標函數，確定目標函數需要滿足的約束條件。
[0042] 所述約束條件分為如下兩種情況：
[0043] 2.1)假設期望信號和干擾信號相互獨立，則約束條件為:Nkd+cKM，其中，Nk表示能 給第k個基站發送數據流的用戶數；
[0044] 2.2)假設從第化A+1)個基站W后不需要進行干擾對齊，1卽iA< G，則在第化A+ 1)個小區的基站端，則期望信號維度與所有干擾信號維度之間的約束條件為：
[0045] 步驟3,根據步驟2的約束條件，結合圖論，把系統自由度最大化問題轉化為最優化 模P。
[0046] 3.1)在第一個基站端到第Kia個基站端進行干擾對齊，結合圖論，設置最優化模型P 的約束條件：
[0047] 其中，化表示給第一個基站發送數據流的用戶數，Np表示給第P個基站發送數據流 的用戶數，l<P<KiA，Nk'表示給第k'個基站發送數據流的用戶數，KiA+l<k' <G;
[004引3.2)結合步驟3.1 )，設定從第Kia+1個基站開始，不需要進行干擾對齊就能消除全 部干擾，則Nk和數據流d之間滿足不等關系式>M ;
[0049] 3.3)設置每個用戶只能與一個基站關聯，貝U
[0050] 3.4)根據系統中用戶的總數為J，則系統中所有關聯因子之和數為J，即 祐法1。心=/;
[0051] 3.5)把關聯因子{a(M)}、數據流d和Kia作為可控變量，結合步驟2.1)-2.2)和步驟 3.1)-3.4)，得到將系統的最大自由度問題轉化為最優化模型P為：巧。/'并且根據步驟 2.1 )-2.2)和步驟3.1 )-3.4)得到最優化模型P的約束條件；
[0052] Nkd+d<M；
[005：3]
[0054] 過 =KuNkd>Mt
[0055] de{l，2，...M};
[0056] a 化,j)e{0，lh [0化7]
[0化引
[0化9]
[0060]
[0061 ] 步驟4,從Kia的取值范圍中任選一個整數U代入最優化模型P中，1 < U <G，求解Kia 取該數值時基站用戶的最優關聯與最大數據流，將步驟3中的最優化模型P轉化為一個二次 約束整數規劃模型Pi，即Pi: 石d '并且將Ku的值代入最優化模型P的約束條件中，得到二 次約束整數規劃模型Pl的約束條件如下：
[0062]
[0063]
[0064]
[00 化]
[0066]
[0067]
[006引
[0069]
[0070]
[0071 ]步驟5，求解二次約束整數規劃模型Pi;
[0072] 參照圖3,求解二次約束整數規劃模型Pi的步驟如下：
[0073] 5.1)將數據流(1松弛到區間「1:，〇血批,枠八/證內，且令(1'=1/(1，使步驟 3)中的二 次約束整數規劃模型Pi轉化為混合整數規劃模型P2，即P2: ,SS;/ '并且將d ' = 1/d代入到二 次約束整數規劃模型Pl的約束條件中，得到混合整數規劃模型P2的約束條件如下：
[0074]
[0075]
[0076]
[0077]
[007引
[0079]
[0080]
[0081]
[0082] 其中L」表示向下取整數值；
[0083] 5.2)求解混合整數規劃模型P2,得出最優的關聯因子{a(M)}和cT的值；
[0084] 5.3)根據</=[_心」，將步驟5.2)求出的(T轉化為d，檢查d是否滿足二次約束整數規 劃模型Pi的約束條件，如果滿足，則二次約束整數規劃模型Pi求解完畢，否則繼續執行步驟 5.4);
[0085] 5.4)將數據流d代入到混合整數規劃模型P2的約束條件中，定義一個與混合整數 規劃模型P2的約束條件不相關的目標表達式t，形成一個混合整數線性規劃模型P3,即P3: '并且將(1代入到混合整數規劃模型?2的約束條件中，得到混合整數線性規劃模型口3的 約束條件如下：
[0086]
[0087]
[008引
[0089]
[0090]
[0091]
[0092]
[0093]
[0094]
[00M] 5.5)求解步驟5.4)中的混合整數線性規劃模型P3,得到一組最優的關聯因子 {a(M) }，則二次約束整數規劃模型Pi求解完畢。
[0096] 步驟6，結合步驟5，求解最優化模型P:
[0097] 6.1)按照步驟5的方法，遍歷所有的Kia的值，得到在不同Kia值下的一組關聯因子 Ia(M)巧日一組數據流；
[0098] 6.2)將步驟6.1)中求得的一組數據流進行比較，得到數據流d的最大值和最優關 聯因{a(M) }，至此最優化模型P求解完畢。
[0099] 步驟7,根據步驟6中最優化模型P的解，確定系統中基站與用戶之間的最優關聯關 系，W確保在基站端將干擾完全消除。
[0100] 對于第S個基站端，1 < S < Kia,先將該基站收到的干擾信號對齊到一個最低維度的 空間中，W對干擾空間進行壓縮，再在壓縮后的干擾空間的零空間中設計該基站的解碼矩 陣，實現干擾消除；
[0101] 對于第r個基站端，Kia+1含r含G，通過在該基站的干擾空間的零空間中設計解碼矩 陣，實現干擾消除。
[0102] 本發明的效果可W通過W下仿真結果進一步說明：
[0103] 仿真1.對于四小區六用戶的MIMO多址接入上行網絡，在不同天線配置下，分別用 本發明提出的干擾消除方法和現有的干擾消除方法，對比用戶發送的最大數據流的大小， 結果如圖4所示；
[0104] 仿真2.對于五小區八用戶的MIMO多址接入上行網絡，在不同天線配置下，分別用 本發明提出的干擾消除方法和現有的干擾消除方法，對比用戶發送的最大數據流的大小， 結果如圖5所示；
[0105] 從圖4和圖5可W看出，本發明提出的干擾消除方法中的用戶數據流數目大于現有 干擾消除方法中的用戶數據流數目，即系統的自由度得到明顯提高。
【主權項】
1. 一種聯合基站用戶關聯的干擾消除方法，包括： 1) 設置系統模型： 設置G個基站和J個用戶，基站與基站之間設有回程鏈路，每個基站和用戶的天線數均 為M，每個用戶發送的數據流均為(1，(1￡{1，2，-，1}，第4個基站接收飾個用戶發送來的數據 流，并將第j個給基站k發送數據流的用戶記作化J)，其中ke[l，G]，je[l，Nk]，Nk>0; 針對基站和用戶之間的關聯是不固定的場景，設第j個用戶和第k個基站的關聯因子為 。 [1,如巧第/個用戶與第A個基站之間進行信息傳輸 a(M)，且心>=|〇,其化 ; 2) 把每個用戶的最大數據流作為目標函數，確定目標函數需要滿足的約束條件： 2.1) 假設期望信號和干擾信號相互獨立，則約束條件為:Nkd+cKM，其中，Nk表示能給第 k個基站發送數據流的用戶數； 2.2) 假設從第化14+1)個小區^后不需要進行干擾對齊，1<1(14<6，則在第化14+1)個小 區的基站端，則期望信號維度與所有干擾信號維度之間的約束條件為:乙已^+, < Μ ; 3) 根據步驟2)的約束條件，結合圖論，把系統自由度最大化問題轉化為最優化模型Ρ， 即 晉 4) 從ΚΙΑ的取值范圍中任選一個整數代入最優化模型Ρ中，求解ΚΙΑ取該值時基站用戶的 最優關聯與最大數據流，將步驟3)中的最優化模型Ρ轉化為一個二次約束整數規劃模型Pi， 即 Pi:'J咒/; 5) 求解二次約束整數規劃模型Pi; 5.1) 將數據流(1松弛到區間[1，111^^12始/7]]]內，且令(1' = 1/(1，使步驟3)中的二次 約束整數規劃模型Pi轉化為混合整數規劃模型P2，目陽2: '其中L」表示向下取整數值； 5.2) 求解混合整數規劃模型P2,得出最優的關聯因子{a(M)巧日d'的值； 5.3) 根據μ//」，將步驟5.2)求出的d'轉化為d，檢查d是否滿足二次約束整數規劃模 型P2的約束條件，如果滿足，則二次約束整數規劃模型Pi求解完畢，否則繼續執行步驟5.4); 5.4) 將數據流d代入到混合整數規劃模型P2的約束條件中，定義一個與混合整數規劃模 型P2的約束條件不相關的目標表達式t，形成一個混合整數線性規劃模型P3，目陽3: 其中 te[0，l]; 5.5) 求解步驟5.4)中的混合整數線性規劃模型P3,得到一組最優的關聯因子{a(k,j)}， 則二次約束整數規劃模型Pi求解完畢； 6) 結合步驟5)，求解最優化模型P: 6.1) 按照步驟5)的方法，遍歷所有的KiA的值，得到在不同KiA值下的一組關聯因子 (a(M)巧日一組數據流； 6.2) 將步驟6.1)中求得的一組數據流進行比較，得到d的最大值和最優關聯因{a(M)}， 至此最優化模型P求解完畢； 7) 根據步驟6)中最優化模型P的解，確定系統中基站與用戶之間的最優關聯關系，W確 保在基站端將干擾完全消除： 對于第s個基站端，1含S含KlA，先將該基站收到的干擾信號對齊到一個最低維度的空間 中，W對干擾空間進行壓縮，再在壓縮后的干擾空間的零空間中設計該基站的解碼矩陣，實 現干擾消除； 對于第r個基站端，KiA+1含r含G，通過在該基站的干擾空間的零空間中設計解碼矩陣， 實現干擾消除。2. 根據權利要求1所述的方法，其中步驟3)中的把系統自由度最大化問題轉化為最優 化模型P，按如下步驟進行： 3.1) 在第一個基站端到第KiA個基站端進行干擾對齊，結合圖論，設置最優化模型P的約 束條件：其中，化表示給第一個基站發送數據流的用戶數，Np表示給第P個基站發送數據流的用 戶數，1 < P < KiA，Nk'表示給第k '個基站發送數據流的用戶數，KiA+1 < k' < G; 3.2) 結合步驟3.1)，設定從第KiA+1個基站開始，不需要進行干擾對齊就能消除全部干 擾，則Nk和數據流d之間滿足不等關系式S已; 3.3) 設置每個用戶只能與一個基站關聯，貝3.4) 根據系統中用戶的總數為J，則系統中所有關聯因子之和數為J，即S：；記巳 3.5) 把關聯因子{a(M)K數據流d和KiA作為可控變量，結合步驟2.1)-2.2)和步驟3.1)- 3.4)，得到將系統的最大自由度問題轉化為最優化模型P為:;晉并且根據步驟2.1)- 2.2)和步驟3.1 )-3.4)得到最優化模型P的約束條件；3. 根據權利要求1所述的方法，其中步驟5.3)中二次約束整數規劃模型Pi的約束條件 為： Nkd+d<M；a(k'j)E{〇,l};4.根據權利要求1所述的方法，其中步驟5.4)中混合整數規劃模型P2的約束條件為： Nk+1 <Md'；
【文檔編號】H04J11/00GK105846944SQ201610182136
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月28日
【發明人】劉偉, 蔡靜, 李建東, 黃鵬宇, 劉勤
【申請人】西安電子科技大學