[發明專利]一種基于極化-空域信息協同處理的認知異構蜂窩網絡干擾對齊方法

有效

• 申請號: 201910122787.1
• 申請日: 2019-02-19
• 公開（公告）號: CN109743092B
• 公開（公告）日: 2021-05-07
• 發明（設計）人: 郭彩麗;高小芳;馮春燕
• 申請（專利權）人: 北京郵電大學
• 主分類號: H04B7/0456
• 分類號: H04B7/0456;H04J11/00
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 祗志潔

1.一種基于極化-空域信息協同處理的認知異構蜂窩網絡干擾對齊方法，所應用的認知異構蜂窩網絡包含一個宏蜂窩基站、一個宏蜂窩用戶和K個小蜂窩網絡，K為大于2的正整數；每個小蜂窩網絡中包含一個小蜂窩基站和用戶，小蜂窩基站的發送天線和小蜂窩用戶的接收天線均配置正交雙極化MIMO天線；其特征在于，所述的方法為了獲得最優的小蜂窩基站發送端的極化-空域信息協同預編碼矩陣和小蜂窩用戶接收端的極化-空域信息協同干擾抑制矩陣包括如下步驟：

步驟S1，考慮目標信號、跨層干擾信號、同層干擾信號和噪聲，獲得宏蜂窩用戶的接收信號r_p和第k個小蜂窩用戶的接收信號r_k,k＝1,2,…,K；

設宏蜂窩的發送極化狀態和接收極化狀態分別為和宏蜂窩基站對宏蜂窩用戶的目標信道為H_pp，第k個小蜂窩網絡內部基站對小蜂窩用戶的目標信道為H_kk，宏蜂窩基站對第k個小蜂窩內用戶的干擾信道為H_pk，第k個小蜂窩基站對宏蜂窩用戶的干擾信道為H_kp，第l個和第k個小蜂窩網絡之間的干擾信道為H_lk；則：

宏蜂窩用戶的接收信號r_p為：

第k個小蜂窩用戶的接收信號r_k為：

其中，(·)^H表示共軛轉置；G_p是宏蜂窩基站的發送信號功率，G_k、G_l分別是第k個、第l個小蜂窩基站的發送信號功率；s_p是宏蜂窩基站發送給第k個小蜂窩網絡用戶的信號序列，s_k、s_l分別是第k個、第l個小蜂窩網絡的基站發送給各自網絡內用戶的信號序列；n_p是宏蜂窩用戶的零均值、方差為的加性高斯白噪聲；n_k是第k個小蜂窩用戶的零均值、方差為的加性高斯白噪聲；表示第l個小蜂窩基站的發送端的極化-空域信息協同預編碼矩陣；

步驟S2，以小蜂窩用戶接收信號與目標接收信號的均方誤差最小為原則，以宏蜂窩用戶受到的所有小蜂窩基站發送給小蜂窩用戶的干擾信號功率低于宏蜂窩的干擾門限為約束，建立優化模型，求解優化模型，獲得最優的小蜂窩基站發送端的極化-空域信息協同預編碼矩陣和小蜂窩用戶接收端的極化-空域信息協同干擾抑制矩陣；

建立帶有干擾功率約束的最小化均方誤差的干擾對齊優化模型，如下：

s.t.I_total≤I_th

其中，表示所建立的優化模型，標記為第1個優化問題模型，I_th為宏蜂窩用戶能忍受的最大干擾功率；I_total為所有小蜂窩基站對宏蜂窩用戶造成的跨層干擾信號功率；MSE_k為第k個小蜂窩網絡的信號傳輸的均方誤差；

其中，在求解優化模型時，首先利用估計得到的宏蜂窩基站對小蜂窩用戶的干擾信道矩陣和宏蜂窩的發送極化狀態構造正交投影算子，如下：

利用估計得到的干擾信道矩陣H_pk和宏蜂窩信號發送極化狀態構造正交投影算子如下：

其中，I是單位矩陣，(.)^-1是求矩陣的逆；

然后小蜂窩接收端利用該算子進行濾波處理，消除宏蜂窩對小蜂窩的跨層干擾，獲得濾波后的小蜂窩用戶的接收信號，建立濾波后化簡的優化模型；

小蜂窩接收端利用所述正交投影算子構造濾波器，對于第i個小蜂窩網絡基站到第j個小蜂窩網絡用戶的傳輸信道H_ij，濾波后的等效信道為：

濾波后的第k個小蜂窩用戶的接收信號為：

其中，表示第l個小蜂窩網絡基站到第k個小蜂窩網絡用戶的濾波后的等效傳輸信道；

進一步建立濾波后化簡的優化模型，如下：

s.t.I_total≤I_th

其中，為標記的第2個優化問題模型，MSE_IC,k表示濾波化簡后第k個小蜂窩網絡的信號傳輸的均方誤差；

對化簡的優化模型求解獲取最優的和根據拉格朗日乘子法，得到如下等式：

I_total＝I_th；

其中，表示第k個小蜂窩網絡基站到第l個小蜂窩網絡用戶濾波后的等效傳輸信道，表示第l個小蜂窩網絡用戶接收端極化-空域信息協同干擾抑制矩陣，表示第l個小蜂窩網絡基站到第k個小蜂窩網絡用戶濾波后的等效傳輸信道，表示第k個小蜂窩網絡基站到第k個小蜂窩網絡用戶濾波后的等效傳輸信道；

利用啟發式方法求解小蜂窩網絡基站發送端的極化-空域預編碼矩陣再根據和的表達式將二者迭代求解，獲得二者最優的數值解；其中，利用啟發式方法求解的過程包括：

首先，引入標量因子將優化問題模型進行變換為如下：

s.t.I_total≤I_th

其中，β_k表示第k個小蜂窩基站的發送端的標量因子，通過調節標量因子來提高小蜂窩基站接收端的信噪比；

其次，進行拉格朗日求解，設拉格朗日乘子為構造關于的拉格朗日對偶函數為：

根據KKT條件，得到如下三個等式：

其中，A、B表示矩陣；

進一步地，根據第一個等式得到發送端的極化-空域信息協同預編碼矩陣其中，

設所有小蜂窩對宏蜂窩造成的干擾影響是相同的，則由上述三個等式得到

建立基于香農公式的最大化系統容量優化模型，滿足跨層干擾功率I_th和天線最大功率G_max,k的約束條件，求解最優的β_k；

所述的最大化系統容量優化模型如下：

s.t.I_total≤I_th

其中，C表示系統容量，B是每個小蜂窩通信占用的相同的頻帶寬度；

進一步地，得到標量因子β_k，如下：

其中，min(a,b)表示比較a和b的大小取其中最小值；

最后，根據已得到的發送端極化-空域信息協同預編碼矩陣和接收端極化-空域信息協同干擾抑制矩陣的表達式迭代計算直到收斂，即可求得和的最優取值。