基于子空間優(yōu)化與Rayleigh商的MIMO干擾對(duì)齊算法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于子空間優(yōu)化與Rayleigh商的MIMO干擾對(duì)齊算法，主要解決了傳統(tǒng)干擾對(duì)齊方法不能很好地提升網(wǎng)絡(luò)的總速率的問(wèn)題，其具體過(guò)程為：(1)初始化用戶發(fā)送端的預(yù)編碼矩陣Vl(l＝1，L，K)；(2)構(gòu)建速率最大的優(yōu)化目標(biāo)；(3)求得解碼矩陣Uk(k＝1，L，K)；(4)得到解碼矩陣Uk后，獲得預(yù)編碼矩陣Vl；(5)循環(huán)(3)-(4)，直到收斂。本發(fā)明能較好地提升網(wǎng)絡(luò)的總速率，可用于多用戶同時(shí)傳輸時(shí)干擾對(duì)齊預(yù)編碼和解碼矩陣的設(shè)計(jì)，也可用于在多網(wǎng)絡(luò)并存的干擾網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下為減小相互干擾的網(wǎng)絡(luò)預(yù)編碼設(shè)計(jì)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于子空間優(yōu)化與Rayleigh商的ΜΙΜΟ干擾對(duì)齊算法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說(shuō)是基于子空間優(yōu)化與Rayl e i gh商的ΜΙΜΟ 干擾對(duì)齊算法。

【背景技術(shù)】
[0002] 為最大化傳輸無(wú)干擾的數(shù)據(jù)流，干擾對(duì)齊技術(shù)常用于消除用戶之間的干擾，使用 戶達(dá)到獨(dú)立的傳輸數(shù)據(jù)。干擾對(duì)齊技術(shù)是無(wú)線通信和未來(lái)通信亟待解決的技術(shù)。
[0003] 現(xiàn)有的干擾對(duì)齊技術(shù)不能滿足現(xiàn)實(shí)的需求。以擴(kuò)展時(shí)隙或頻域等方式實(shí)現(xiàn)的干 擾對(duì)齊技術(shù)，由于所需要的時(shí)隙或頻域等空間過(guò)大，在實(shí)際應(yīng)用中，很難滿足如此大的空間 要求。這種方式的干擾對(duì)齊技術(shù)的經(jīng)典結(jié)論是：Κ對(duì)用戶同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，每個(gè)用戶實(shí)現(xiàn)1/2 個(gè)自由度所需要的時(shí)隙或頻域等空間維度為〇((幻V)##)。當(dāng)信道的狀態(tài)變化較快時(shí)，這 種方法所形成的干擾對(duì)齊很難適用。以最小化干擾泄漏為目標(biāo)的干擾對(duì)齊技術(shù)，由于忽略 了有用信號(hào)的功率，從而導(dǎo)致了低的信噪比和低的功率，不能滿足最大化數(shù)據(jù)速率的需求。 如交替最小化方法（Alternating Minimization)和最小化干擾泄漏方法（Min Leakage), 都是將最小化干擾泄漏作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行迭代，去最小化消除不了的干擾功率或干擾泄漏 而獲得預(yù)編碼和解碼矩陣，這些方法在低信噪比時(shí)對(duì)干擾的抑制相對(duì)明顯，當(dāng)信噪比較高 時(shí)，干擾泄漏就會(huì)增大而導(dǎo)致低的速率。文獻(xiàn)【B. Zhu，J. Ge，J. Li，and C. Sun. "Subspace optimisation-based iterative interference alignment algorithm on the Grassmann manifold，" IETCommun.，vol. 6, no. 18, pp. 3084-3090, Dec. 2012.】提出了一種增大有用信 號(hào)空間的干擾對(duì)齊方法（GM-S0IIA)，先通過(guò)交替最小化方法得到預(yù)編碼，然后再按增大有 用信號(hào)空間的方向去尋找預(yù)編碼，從而更新得到新的預(yù)編碼。在仿真中我們發(fā)現(xiàn)這種方法 很難操作，因?yàn)槭褂媒惶孀钚』椒ㄋ玫降念A(yù)編碼和干擾滿足一種"準(zhǔn)正交"的關(guān)系，當(dāng) 更新預(yù)編碼后，這種"準(zhǔn)正交"很難保持，從而增大干擾，降低有用信號(hào)的速率。文獻(xiàn)【J. Li， and Q. Dong,''Subspace optimization-based interference alignment algorithms for ΜΙΜ0 interference channel，，'in IEEE WCNC，Istanbul，Turkey，Apr. 2014】提出 了兩種 增大有用信號(hào)空間的干擾對(duì)齊方法，MUSI-SDP方法和MUSI-CGGM方法，目標(biāo)是增大有用信 號(hào)的空間并抑制干擾，但由于迭代的方式會(huì)帶來(lái)較大的計(jì)算誤差和較高的復(fù)雜度。因而，為 增大有用信號(hào)的速率并降低復(fù)雜度，必須提出新的計(jì)算方式以滿足現(xiàn)實(shí)適用的需求。
[0004] 發(fā)明的內(nèi)容
[0005] 本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提供一種最大化有用信號(hào)且抑制干 擾的，并通過(guò)Rayleigh商求解的ΜΜ0干擾對(duì)齊算法（MUSI-RQ)，既能將用戶接收的來(lái)自其 他用戶的干擾進(jìn)行抑制，又能有效地提升有用信號(hào)的速率，從而增加網(wǎng)絡(luò)的總速率。另外， 本發(fā)明方法復(fù)雜度較低，能夠滿足現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用需求。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)思路是：將用戶接收的有用信號(hào)功率作為最大化的目標(biāo)進(jìn)行 優(yōu)化，同時(shí)將用戶接收的來(lái)自其他用戶的干擾放在約束中進(jìn)行抑制，通過(guò)等價(jià)變換，應(yīng)用 Rayleigh商獲取目標(biāo)方程的解，從而得到用戶發(fā)端的預(yù)編碼矩陣和用戶收端的解碼矩陣。 通過(guò)選取合適的干擾泄漏歸一化因子，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)總體速率的提升。其具體步驟包括如下：
[0007] (1)初始化用戶發(fā)送端的預(yù)編碼矩陣％ (1 = 1，L，K)，初始化Ω，令ω = 〇,其中

【權(quán)利要求】
1. 基于子空間優(yōu)化與Rayleigh商的MMO干擾對(duì)齊算法，其特征在于：其具體步驟包 括如下： (1) 初始化用戶發(fā)端的預(yù)編碼矩陣％(1 = 1，L，K)，初始化Ω，令ω = 〇,其中 K ，￡μ~;指維度為MiXdi的復(fù)數(shù)矩陣，吣為第1個(gè)發(fā)送端的天線數(shù)， di為第1個(gè) 用戶接收數(shù)據(jù)的自由度，Ω為最大迭代次數(shù)； (2) 在干擾消除的條件下，最大化用戶的接收功率，最優(yōu)化問(wèn)題建模為
其中，I I · I |F表示斐波納西范數(shù)，Uk為第k個(gè)用戶的解碼矩陣，Hkl表示第1個(gè)發(fā)送端 到第k個(gè)接收端的信道矩陣，Pk表示第k個(gè)用戶的發(fā)送功率，表示維度為dk的單位矩陣； (·) Η表示矩陣的轉(zhuǎn)置； (3) 固定 ％(1 = 1，L，K)，求解解碼矩陣 Uk(k= 1，L，K); (4) 得到解碼矩陣Uk后，固定Uk(k = 1，L，K)，求解預(yù)編碼矩陣％ ; (5) 獲得預(yù)編碼矩陣Vk和解碼矩陣Uk后，迭代（3)-(4)步驟，直到收斂或ω = Ω。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的干擾對(duì)齊算法，其中第（3)步所述的求解解碼矩陣Uk，按如 下步驟構(gòu)造： (2a)構(gòu)建用戶端的接收矩陣
其中yk表示第k個(gè)用戶的接收信號(hào)，Xl為第1個(gè)用戶的發(fā)送信號(hào)，nk表示第k個(gè)用戶 接收的噪聲； (2b)構(gòu)建形成干擾對(duì)齊的等效信道和干擾泄漏矩陣。當(dāng)干擾被完全消除時(shí)，用戶的接 收信號(hào)為： yk = Uk HkkVkxk + Uk nk 實(shí)際上干擾并不能被完全消除，因而，干擾泄漏表示為： Jk=Tr[U^QkUk] Tr[·]表示矩陣的跡，其4
(2c)根據(jù)權(quán)利要求1第（2)步的目標(biāo)函數(shù)，當(dāng)干擾完全消除時(shí)，目標(biāo)函數(shù)可分解為k個(gè) 獨(dú)立的優(yōu)化目標(biāo)求解，最優(yōu)化第k個(gè)用戶的功率，問(wèn)題建模為：
"· UHkQkUk:Idt (2d)令
a k為第k個(gè)用戶的干擾歸一化因子，為方便簡(jiǎn)潔，忽略下標(biāo)，原問(wèn)題轉(zhuǎn)化為： max F = TrUHBU s. t. UhQU = Id (1) (2e)U的獲取按如下方法 方法1 : (1)式等價(jià)為
因而，U的列取的d個(gè)最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量。 方法2 : 1) 令 a = q1/2bq_1/2,行= ρ1/2?/，原問(wèn)題變?yōu)椋? max F =Τν? Α? s.t. Θ G = Id (2) 2) 式（2)等價(jià)為下面式子
因而，行的列取A的d個(gè)最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量，?/ = 24/2行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的干擾對(duì)齊算法，其中第（4)步所述的求解預(yù)編碼矩陣 '，按 如下步驟構(gòu)造： (3a)與權(quán)利要求2相似，構(gòu)建第1個(gè)發(fā)送端預(yù)編碼優(yōu)化目標(biāo)，
令 a,
為方便簡(jiǎn)潔，忽略下標(biāo)，原問(wèn)題轉(zhuǎn)化為： max J ^TrVHBV sX. VH^V = Id ⑶ (3b) V的獲取按如下方法 方法1 :式子（3)等價(jià)為
因而，V的列取g_1另的d個(gè)最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量。 方法2 : 1) 令3 = g1/2抑_1/2，P=gVV，原問(wèn)題變?yōu)椋? max J =TrpH (4) 2) 由于式（4)可以等價(jià)為如下式子，利用Rayleigh商方法求解爐
p的列取3的d個(gè)最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量，F(xiàn) = g_V2爐。
【文檔編號(hào)】H04B7/04GK104253778SQ201410311759
【公開(kāi)日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2014年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月1日
【發(fā)明者】李建東, 董全, 趙林靖, 陳睿, 閆繼壘, 李釗, 黃金晶, 劉偉, 盛敏, 李紅艷 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)