本发明公开了一种基于调度和两阶段干扰对齐的干扰消除方法，通过各用户测量各基站到自身的平均路径增益，并反馈给各自的基站；smallcell基站将信息发送给宏基站，宏基站进行下行传输链路调度；根据链路调度结果执行两阶段干扰对齐以获得被调度基站的发送波束成形矩阵；被调度的基站使用构建的发送波束成形矩阵给用户发送数据；用户设计接收波束成形矩阵，消除干扰并接收数据。本发明充分利用了异构网络的资源，通过链路调度使得每个时隙有尽可能多的链路同时传输，并利用两阶段干扰对齐同时解决了被调度链路间的跨层干扰和同层干扰，有效提升了频谱资源利用效率。
1.一种基于调度和两阶段干扰对齐的干扰消除方法，其特征在于，该基于调度和两阶段干扰对齐的干扰消除方法包括以下步骤：步骤一，每个基站选择一个用户接受服务，每个基站与服务的用户组成一条下行传输链路；
步骤二：每个被选择的用户测量各基站到自身的平均路径增益信息，并反馈给为自己服务的基站；
步骤三：各smallcell基站将用户反馈的平均路径增益信息发送给宏基站；
步骤四：宏基站根据得到的平均路径增益信息，进行下行传输链路调度；下行传输链路的调度过的实施步骤如下：第一步，宏基站根据得到的平均路径增益信息构建smallcell链路的冲突图，冲突图中的每一个顶点表示一条smallcell链路；如果两条smallcell链路相互干扰，则在冲突图中对应于这两条smallcell链路的两个顶点间存在一条边；冲突图中顶点间关系可由一个二维的邻接矩阵表示，如果两个顶点间存在一条边，则邻接矩阵中对应位置的值为1；具体的，冲突图邻接矩阵中的元素 为：
其中vi,vj为冲突图中对应于smallcell链路i,j的顶点， 为一个门限值，取值在配置系统参数时给定； 为smallcell链路j的发送端到smallcell链路i的接收端的平均路径增益信息；Pi表示small cell链路i中基站的发射功率，Pj表示small cell链路j中基站的发射功率；
第二步，参数初始化，令t＝1， 其中 为冲突图中所有顶点的集合， 为尚未被调度的传输链路所对应的顶点；
第四步，判断 是否大于2，如果是，进入第五步；否则，进入第六步；其中为在由顶点集合 构成的干扰图中的顶点vi的度，顶点的度是关联于该顶点的边的数目；
第五步，取顶点 然后将顶点v′i从由顶点集合 构成的图中移去，并更新 中剩余顶点的度；返回第四步；
第七步，判断 是否等于0，如果是，进入第九步；否则，进入第八步；
第八步，取顶点 然后将顶点v′k从由顶点集合 构成的图中移去，并更新 中剩余顶点的度；返回第七步；
第九步，判断 是否等于2，如果是，进入第十步；否则，进入第十一步；
第十一步，令 寻找一个顶点 满足条件 如果可以找到，进入第十二步；否则，进入第十三步；
cell链路x中基站的发射功率，Pp表示small cell链路p中基站的发射功率；
第十五步，判断 是否为空集，如果否，令t＝t+1，并返回第三步；如果是，进入步骤五；记 所对应的smallcell链路集合分别为ΩA(t)，ΩB(t)；ΩA(t)和ΩB(t)所包含的smallcell链路即为被调度在t时刻进行传输的smallcell链路；
步骤五：针对步骤四中得到的链路集合ΩA(t)和ΩB(t)，构建两阶段干扰对齐以获得链路集合ΩA(t)和ΩB(t)中基站的发送波束成形向量；构建两阶段干扰对齐的具体实施步骤如下：第一步，链路集合ΩA(t)中的用户测量信道矩阵 及宏小区链路对应的用户测量信道矩阵
并将信道矩阵反馈到各自的基站；其中a，b表示链路集合ΩA(t)中包含的两条链路，eq为ΩB(t)中的链路，q＝1,2,...,|ΩB(t)|，|ΩB(t)|为集合ΩB(t)的势，w为宏小区链路，Hi′,j′为链路j′中基站到链路i′中用户的信道矩阵，i′∈{a,b,w}，j′∈{a,b,w,eq}；
第二步，链路集合ΩA(t)中的smallcell基站将信道矩阵Ha,w,Ha,b及Hb,w,Hb,a发送给宏基站；
第三步，阶段一：宏基站及链路集合ΩA(t)中smallcell基站发送波束成形向量的设计；
宏基站根据得到的信道矩阵，按如下公式计算发送波束成形向量：
Vw,Va,Vb分别为链路w,a,b中基站的发送波束成形向量；
第四步，阶段二：链路集合ΩB(t)中smallcell基站发送波束成形向量的设计；宏基站按如下公式计算链路集合ΩB(t)中smallcell基站的发送波束成形向量：
是smallcell基站eq的发送波束成形向量，q＝1,2,...,|ΩB(t)|；
第五步，宏基站将发送波束成形向量Va,Vb和 分别发送给对应的smallcell基站；
步骤六，被调度链路集合ΩA(t)和ΩB(t)中的基站使用步骤五得到的发送波束成形向量给用户发送数据；
步骤七，链路集合ΩA(t)和ΩB(t)中的用户设计接收波束成形向量以接收数据；用户接收波束成形向量的设计方法如下：第一步，链路集合ΩA(t)中用户及宏用户的接收波束成形向量的设计按如下公式进行：
Uc为链路c中用户的接收波束成形矩阵，c∈{a,b,w}，h∈{a,b,w}，且h≠c；
第二步，链路集合ΩB(t)中用户接收波束成形向量的设计按如下公式进行：
Uf为链路f中用户的接收波束成形矩阵，f∈ΩB(t)；
步骤八，用户将步骤七中的接收波束成形矩阵取共轭转置，并乘以接收到的信号，以实现对干扰的消除，并成功接收自己的信号。
一种基于调度和两阶段干扰对齐的干扰消除方法
技术领域
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于调度和两阶段干扰对齐的干扰消除方法。
背景技术
[0002] 随着无线用户对移动业务需求的快速的增长，如何为用户提供无处不在的高速数据接入服务正成为无线通信面临的重要问题。已有研究表明，通过在宏蜂窝小区中的热点地区及覆盖盲点地区布设smallcell，例如microcell，picocell，femtocell，可以有效的提高频谱资源的利用效率，从而增加无线蜂窝网络的容量。但是，在这种异构网络中，smallcell与宏蜂窝网络复用相同的频谱资源，这导致了异构网络中严重的干扰问题。
[0003] 在异构蜂窝网络中同时存在两种干扰：跨层干扰和同层干扰。跨层干扰指的是异构蜂窝网络中不同层次的小区间的干扰，例如宏蜂窝跟smallcell间的相互干扰；同层干扰指的是异构蜂窝网络中处于相同层次的小区间的干扰，例如不同smallcell之间的干扰。现有的干扰管理的方法主要是通过资源划分的方法来实现。这种方法通过将频谱资源从时间域或频率域上进行正交划分，然后给相互干扰的小区分配正交的资源，从而达到干扰避免的目的。但这种方法大大降低了频谱的利用效率。
[0004] 最近提出的干扰对齐的方法可以通过将多个干扰信号对齐到一个子空间上使得其他子空间可以进行无干扰的传输，从而解决干扰问题。对于具有K条通信链路的MIMO干扰信道，干扰对齐技术通过设计发送端的发送波束成形矩阵，使得在每个接收端处来自K-1个干扰链路的信号对齐到同一信号空间中，然后每个接收端通过迫零接收得到自己需要的信号。由于没有充分考虑异构网络的异构性，如宏基站与smallcell基站间发送功率的异构性，当前的干扰对齐技术并不是非常适合于异构网络。而且由于干扰对齐受到可行性条件的限制，可以同时进行传输的链路数也受到限制。然而在异构网络中，通常会布设较多的smallcell，如果所有的基站同时传输会导致干扰对齐不可行。
发明内容
[0005] 本发明实施例的目的在于提供一种基于调度和两阶段干扰对齐的干扰消除方法，旨在根据异构网络特点提出一种新的两阶段干扰对齐方法，并结合链路调度解决异构网络中的下行干扰问题。
[0006] 本发明实施例提供的基于调度和两阶段干扰对齐的干扰消除方法包括以下步骤：
[0007] 步骤一，每个基站选择一个用户接受服务，每个基站与服务的用户组成一条下行传输链路；
[0008] 步骤二：每个被选择的用户测量各基站到自身的平均路径增益信息，并反馈给为自己服务的基站；
[0009] 步骤三：各smallcell基站将用户反馈的平均路径增益信息发送给宏基站；
[0010] 步骤四：宏基站根据得到的平均路径增益信息，进行下行传输链路调度；下行传输链路的调度过的实施步骤如下：
[0011] 第一步，宏基站根据得到的平均路径增益信息构建smallcell链路的冲突图，冲突图中的每一个顶点表示一条smallcell链路；如果两条smallcell链路相互干扰，则在冲突图中对应于这两条smallcell链路的两个顶点间存在一条边；冲突图中顶点间关系可由一个二维的邻接矩阵表示，如果两个顶点间存在一条边，则邻接矩阵中对应位置的值为1；具体的，冲突图邻接矩阵中的元素 为：
[0012]
[0013] 其中vi,vj为冲突图中对应于smallcell链路i,j的顶点，为一个门限值，取值在配置系统参数时给定； 为smallcell链路j的发送端到smallcell链路i的接收端的平均路径增益信息；Pi表示small cell链路i中基站的发射功率，Pj表示small cell链路j中基站的发射功率；
[0014] 第二步，参数初始化，令t＝1， 其中 为冲突图中所有顶点的集合， 为尚未被调度的传输链路所对应的顶点；
[0015] 第三步，令
[0016] 第四步，判断 是否大于2，如果是，进入第五步；否则，进入第六步；其中为在由顶点集合 构成的干扰图中的顶点vi的度，顶点的度是关联于该顶点的边的数目；
[0017] 第五步，取顶点 然后将顶点v′i从由顶点集合 构成的图中移去，并更新 中剩余顶点的度；返回第四步；
[0018] 第六步，令 其中， 表示由属于 但不属于的元素构成的集合；并且更新
[0019] 第七步，判断 是否等于0，如果是，进入第九步；否则，进入第八步；
[0020] 第八步，取顶点 然后将顶点v′k从由顶点集合 构成的图中移去，并更新 中剩余顶点的度；返回第七步；
[0021] 第九步，判断 是否等于2，如果是，进入第十步；否则，进入第十一步；
[0022] 第十步，令 进入第十五步；
[0023] 第十一步，令 寻找一个顶点 满足条件 如果可以找到，进入第十二步；否则，进入第十三步；
[0024] 第十二步，令 其中 且满足 进入第十四步；
[0025] 第十三步，令 其中 Px表示small cell链路x中基站的发射功率，Pp表示small cell链路p中基站的发射功率；
[0026] 第十四步，令
[0027] 第十五步，判断 是否为空集，如果否，令t＝t+1，并返回第三步；如果是，进入步骤五；记 所对应的smallcell链路集合分别为ΩA(t)，ΩB(t)；ΩA(t)和ΩB(t)所包含的smallcell链路即为被调度在t时刻进行传输的smallcell链路；
[0028] 步骤五：针对步骤四中得到的链路集合ΩA(t)和ΩB(t)，构建两阶段干扰对齐以获得链路集合ΩA(t)和ΩB(t)中基站的发送波束成形向量；构建两阶段干扰对齐的具体实施步骤如下：
[0029] 第一步，链路集合ΩA(t)中的用户测量信道矩阵 及宏小区链路对应的用户测量信道矩阵
并将信道矩阵反馈到各自的基站；其中a，b表示链路集合ΩA(t)中包含的两条链路，eq为ΩB(t)中的链路，q＝1,2,...,｜ΩB(t)|，|ΩB(t)|为集合ΩB(t)的势，w为宏小区链路，Hi′,j′为链路j′中基站到链路i′中用户的信道矩阵，i′∈{a,b,w}，j′∈{a,b,w,eq}；
[0030] 第二步，链路集合ΩA(t)中的smallcell基站将信道矩阵Ha,w,Ha,b及Hb,w,Hb,a发送给宏基站；
[0031] 第三步，阶段一：宏基站及链路集合ΩA(t)中smallcell基站发送波束成形向量的设计；宏基站根据得到的信道矩阵，按如下公式计算发送波束成形向量：
[0032]
[0033]
[0034] Vw,Va,Vb分别为链路w,a,b中基站的发送波束成形向量；
[0035] 第四步，阶段二：链路集合ΩB(t)中smallcell基站发送波束成形向量的设计；宏基站按如下公式计算链路集合ΩB(t)中smallcell基站的发送波束成形向量：
[0036]
[0037] 是smallcell基站eq的发送波束成形向量，q＝1,2,...,|ΩB(t)|；
[0038] 第五步，宏基站将发送波束成形向量Va,Vb和 分别发送给对应的smallcell基站；
[0039] 步骤六，被调度链路集合ΩA(t)和ΩB(t)中的基站使用步骤五得到的发送波束成形向量给用户发送数据；
[0040] 步骤七，链路集合ΩA(t)和ΩB(t)中的用户设计接收波束成形向量以接收数据；
[0041] 步骤八，用户将步骤七中的接收波束成形矩阵取共轭转置，并乘以接收到的信号，以实现对干扰的消除，并成功接收自己的信号。
[0042] 进一步，在步骤七中，用户接收波束成形向量的设计方法如下：
[0043] 第一步，链路集合ΩA(t)中用户及宏用户的接收波束成形向量的设计按如下公式进行：
[0044]
[0045] Uc为链路c中用户的接收波束成形矩阵，c∈{a,b,w}，h∈{a,b,w}，且h≠c；
[0046] 第二步，链路集合ΩB(t)中用户接收波束成形向量的设计按如下公式进行：
[0047]
[0048] Uf为链路f中用户的接收波束成形矩阵，f∈ΩB(t)。
[0049] 本发明提供的基于调度和两阶段干扰对齐的干扰消除方法，通过各用户测量各基站到自身的平均路径增益，并反馈给各自的基站；smallcell基站将信息发送给宏基站，宏基站进行下行传输链路调度；根据链路调度结果执行两阶段干扰对齐以获得被调度基站的发送波束成形矩阵；被调度的基站使用构建的发送波束成形矩阵给用户发送数据；用户设计接收波束成形矩阵，消除干扰并接收数据。本发明根据两阶段干扰对齐的实施条件在每个时隙调度尽可能多的链路进行传输，并利用两阶段干扰对齐解决了被调度链路间的相互干扰，提升了网络吞吐量，可用于异构网络通信；
[0050] 本发明具有如下优点：
[0051] 1.本发明利用异构网络的异构特点，设计了两阶段干扰对齐的方法，充分利用了异构网络的资源，提升了网络的频谱效率；
[0052] 2.本发明在链路调度的过程中，在同一时隙中调度尽可能多的链路同时传输，提升了频谱资源的利用效率；
[0053] 3.本发明使用的两阶段干扰对齐方法使得宏基站与部分smallcell基站可以使用相同的频谱资源同时传输，同时消除了异构蜂窝网络中的跨层干扰和同层干扰。
附图说明
[0054] 图1是本发明实施例提供的基于调度和两阶段干扰对齐的干扰消除方法流程图；
[0055] 图2是本发明实施例提供的总体流程图；
[0056] 图3是本发明实施例提供的传输链路调度的子流程图；
[0057] 图4是本发明实施例提供的两阶段干扰对齐的子流程图。
具体实施方式
[0058] 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，对本发明进行进一步详细说明。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。
[0059] 下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
[0060] 如图1所示，本发明实施例的基于调度和两阶段干扰对齐的干扰消除方法包括以下步骤：
[0061] S101：各用户测量各基站到自身的平均路径增益，并反馈给各自的基站；
[0062] S102：smallcell基站将信息发送给宏基站，宏基站进行下行传输链路调度；
[0063] S103：根据链路调度结果执行两阶段干扰对齐以获得被调度基站的发送波束成形矩阵，并发送给各基站；
[0064] S104：被调度的基站使用构建的发送波束成形矩阵给用户发送数据；
[0065] S105：用户设计接收波束成形矩阵，消除干扰并接收数据。
[0066] 如图2所示，本发明的具体实施步骤如下：
[0067] 步骤一：每个基站选择一个用户接受服务，每个基站与其服务的用户组成一条下行传输链路；
[0068] 步骤二：每个被选择的用户测量各基站到自身的平均路径增益(由路径损耗及阴影衰落决定)信息，并反馈给为自己服务的基站；
[0069] 步骤三：各smallcell基站将用户反馈的平均路径增益信息发送给宏基站；
[0070] 步骤四：宏基站根据得到的平均路径增益信息，进行下行传输链路调度；
[0071] 如图3所示，下行传输链路的调度过的实施步骤如下：
[0072] 第一步，宏基站根据得到的平均路径增益信息构建smallcell链路的冲突图，冲突图中的每一个顶点表示一条smallcell链路；如果两条smallcell链路相互干扰，则在冲突图中对应于这两条smallcell链路的两个顶点间存在一条边；冲突图中顶点间关系可由一个二维的邻接矩阵表示，如果两个顶点间存在一条边，则邻接矩阵中对应位置的值为1；具体的，冲突图邻接矩阵中的元素 为：
[0073]
[0074] 其中vi,vj为冲突图中对应于smallcell链路i,j的顶点，为一个门限值，其取值在配置系统参数时给定； 为smallcell链路j的发送端到smallcell链路i的接收端的平均路径增益信息；Pi表示small cell链路i中基站的发射功率，Pj表示small cell链路j中基站的发射功率；
[0075] 第二步，参数初始化，令t＝1， 其中 为冲突图中所有顶点的集合， 为尚未被调度的传输链路所对应的顶点；
[0076] 第三步，令
[0077] 第四步，判断 是否大于2，如果是，进入第五步；否则，进入第六步；其中为在由顶点集合 构成的干扰图中的顶点vi的度，顶点的度是关联于该顶点的边的数目；
[0078] 第五步，取顶点 然后将顶点v′i从由顶点集合 构成的图中移去，并更新 中剩余顶点的度；返回第四步；
[0079] 第六步，令 其中， 表示由属于 但不属于的元素构成的集合；并且更新
[0080] 第七步，判断 是否等于0，如果是，进入第九步；否则，进入第八步；
[0081] 第八步，取顶点 然后将顶点v′k从由顶点集合 构成的图中移去，并更新 中剩余顶点的度；返回第七步；
[0082] 第九步，判断 是否等于2，如果是，进入第十步；否则，进入第十一步；
[0083] 第十步，令 进入第十五步；
[0084] 第十一步，令 寻找一个顶点 满足条件 如果可以找到，进入第十二步；否则，进入第十三步；
[0085] 第十二步，令 其中 且满足 进入第十四步；
[0086] 第十三步，令 其中 Px表示small cell链路x中基站的发射功率，Pp表示small cell链路p中基站的发射功率；
[0087] 第十四步，令
[0088] 第十五步，判断 是否为空集，如果否，令t＝t+1，并返回第三步；如果是，进入步骤五；记 所对应的smallcell链路集合分别为ΩA(t)，ΩB(t)；ΩA(t)和ΩB(t)所包含的smallcell链路即为被调度在t时刻进行传输的smallcell链路；
[0089] 步骤五：针对步骤四中得到的链路集合ΩA(t)和ΩB(t)，构建两阶段干扰对齐以获得链路集合ΩA(t)和ΩB(t)中基站的发送波束成形向量；
[0090] 如图4所示，构建两阶段干扰对齐的具体实施步骤如下：
[0091] 第一步，链路集合ΩA(t)中的用户测量信道矩阵 及宏小区链路对应的用户测量信道矩阵
并将信道矩阵反馈到各自的基站；其中a，b表示链路集合ΩA(t)中包含的两条链路，eq为ΩB(t)中的链路，q＝1,2,...,|ΩB(t)|，|ΩB(t)|为集合ΩB(t)的势，w为宏小区链路，Hi′,j′为链路j′中基站到链路i′中用户的信道矩阵，i′∈{a,b,w}，j′∈{a,b,w,eq}；
[0092] 第二步，链路集合ΩA(t)中的smallcell基站将信道矩阵Ha,w,Ha,b及Hb,w,Hb,a发送给宏基站；
[0093] 第三步，阶段一：宏基站及链路集合ΩA(t)中smallcell基站发送波束成形向量的设计；宏基站根据得到的信道矩阵，按如下公式计算发送波束成形向量：
[0094]
[0095]
[0096] Vw,Va,Vb分别为链路w,a,b中基站的发送波束成形向量；
[0097] 第四步，阶段二：链路集合ΩB(t)中smallcell基站发送波束成形向量的设计；宏基站按如下公式计算链路集合ΩB(t)中smallcell基站的发送波束成形向量：
[0098]
[0099] 是smallcell基站eq的发送波束成形向量，q＝1,2,...,|ΩB(t)|；
[0100] 第五步，宏基站将发送波束成形向量Va,Vb和 分别发送给对应的smallcell基站；
[0101] 步骤六，被调度链路集合ΩA(t)和ΩB(t)中的基站使用步骤五得到的发送波束成形向量给用户发送数据；
[0102] 步骤七，链路集合ΩA(t)和ΩB(t)中的用户设计接收波束成形向量以接收数据，用户接收波束成形向量的设计方法如下：
[0103] 第一步，链路集合ΩA(t)中用户及宏用户的接收波束成形向量的设计按如下公式进行：
[0104]
[0105] Uc为链路c中用户的接收波束成形矩阵，c∈{a,b,w}，h∈{a,b,w}，且h≠c；
[0106] 第二步，链路集合ΩB(t)中用户接收波束成形向量的设计按如下公式进行：
[0107]
[0108] Uf为链路f中用户的接收波束成形矩阵，f∈ΩB(t)；
[0109] 步骤八，用户将步骤七中的接收波束成形矩阵取共轭转置，并乘以接收到的信号，以实现对干扰的消除，并成功接收自己的信号。
[0110] 本发明具有如下优点：
[0111] 1.本发明利用异构网络的异构特点，设计了两阶段干扰对齐的方法，此方法可以更加充分利用异构网络的资源，从而提升网络的频谱效率。
[0112] 2.本发明在链路调度的过程中，在同一时隙中调度尽可能多的链路同时传输，从而提升了频谱资源的利用效率。
[0113] 3.本发明使用的两阶段干扰对齐方法使得宏基站与部分smallcell基站可以使用相同的频谱资源同时传输，从而同时消除了异构蜂窝网络中的跨层干扰和同层干扰。
[0114] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
