[发明专利]一种基于极化-空域信息协同处理的认知异构蜂窝网络干扰对齐方法

权利要求书

1.一种基于极化-空域信息协同处理的认知异构蜂窝网络干扰对齐方法，所应用的认知异构蜂窝网络包含一个宏蜂窝基站、一个宏蜂窝用户和K个小蜂窝网络，K为大于2的正整数；每个小蜂窝网络中包含一个小蜂窝基站和用户，小蜂窝基站的发送天线和小蜂窝用户的接收天线均配置正交双极化MIMO天线；其特征在于，所述的方法为了获得最优的小蜂窝基站发送端的极化-空域信息协同预编码矩阵和小蜂窝用户接收端的极化-空域信息协同干扰抑制矩阵包括如下步骤：

步骤S1，考虑目标信号、跨层干扰信号、同层干扰信号和噪声，获得宏蜂窝用户的接收信号r_p和第k个小蜂窝用户的接收信号r_k,k＝1,2,…,K；

设宏蜂窝的发送极化状态和接收极化状态分别为和宏蜂窝基站对宏蜂窝用户的目标信道为H_pp，第k个小蜂窝网络内部基站对小蜂窝用户的目标信道为H_kk，宏蜂窝基站对第k个小蜂窝内用户的干扰信道为H_pk，第k个小蜂窝基站对宏蜂窝用户的干扰信道为H_kp，第l个和第k个小蜂窝网络之间的干扰信道为H_lk；则：

宏蜂窝用户的接收信号r_p为：

第k个小蜂窝用户的接收信号r_k为：

其中，(·)^H表示共轭转置；G_p是宏蜂窝基站的发送信号功率，G_k、G_l分别是第k个、第l个小蜂窝基站的发送信号功率；s_p是宏蜂窝基站发送给第k个小蜂窝网络用户的信号序列，s_k、s_l分别是第k个、第l个小蜂窝网络的基站发送给各自网络内用户的信号序列；n_p是宏蜂窝用户的零均值、方差为的加性高斯白噪声；n_k是第k个小蜂窝用户的零均值、方差为的加性高斯白噪声；表示第l个小蜂窝基站的发送端的极化-空域信息协同预编码矩阵；

步骤S2，以小蜂窝用户接收信号与目标接收信号的均方误差最小为原则，以宏蜂窝用户受到的所有小蜂窝基站发送给小蜂窝用户的干扰信号功率低于宏蜂窝的干扰门限为约束，建立优化模型，求解优化模型，获得最优的小蜂窝基站发送端的极化-空域信息协同预编码矩阵和小蜂窝用户接收端的极化-空域信息协同干扰抑制矩阵；

建立带有干扰功率约束的最小化均方误差的干扰对齐优化模型，如下：

s.t.I_total≤I_th

其中，表示所建立的优化模型，标记为第1个优化问题模型，I_th为宏蜂窝用户能忍受的最大干扰功率；I_total为所有小蜂窝基站对宏蜂窝用户造成的跨层干扰信号功率；MSE_k为第k个小蜂窝网络的信号传输的均方误差；

其中，在求解优化模型时，首先利用估计得到的宏蜂窝基站对小蜂窝用户的干扰信道矩阵和宏蜂窝的发送极化状态构造正交投影算子，如下：

利用估计得到的干扰信道矩阵H_pk和宏蜂窝信号发送极化状态构造正交投影算子如下：

其中，I是单位矩阵，(.)^-1是求矩阵的逆；

然后小蜂窝接收端利用该算子进行滤波处理，消除宏蜂窝对小蜂窝的跨层干扰，获得滤波后的小蜂窝用户的接收信号，建立滤波后化简的优化模型；

小蜂窝接收端利用所述正交投影算子构造滤波器，对于第i个小蜂窝网络基站到第j个小蜂窝网络用户的传输信道H_ij，滤波后的等效信道为：

滤波后的第k个小蜂窝用户的接收信号为：

其中，表示第l个小蜂窝网络基站到第k个小蜂窝网络用户的滤波后的等效传输信道；

进一步建立滤波后化简的优化模型，如下：

s.t.I_total≤I_th

其中，为标记的第2个优化问题模型，MSE_IC,k表示滤波化简后第k个小蜂窝网络的信号传输的均方误差；

对化简的优化模型求解获取最优的和根据拉格朗日乘子法，得到如下等式：

I_total＝I_th；

其中，表示第k个小蜂窝网络基站到第l个小蜂窝网络用户滤波后的等效传输信道，表示第l个小蜂窝网络用户接收端极化-空域信息协同干扰抑制矩阵，表示第l个小蜂窝网络基站到第k个小蜂窝网络用户滤波后的等效传输信道，表示第k个小蜂窝网络基站到第k个小蜂窝网络用户滤波后的等效传输信道；

利用启发式方法求解小蜂窝网络基站发送端的极化-空域预编码矩阵再根据和的表达式将二者迭代求解，获得二者最优的数值解；其中，利用启发式方法求解的过程包括：

首先，引入标量因子将优化问题模型进行变换为如下：

s.t.I_total≤I_th

其中，β_k表示第k个小蜂窝基站的发送端的标量因子，通过调节标量因子来提高小蜂窝基站接收端的信噪比；

其次，进行拉格朗日求解，设拉格朗日乘子为构造关于的拉格朗日对偶函数为：

根据KKT条件，得到如下三个等式：

其中，A、B表示矩阵；

进一步地，根据第一个等式得到发送端的极化-空域信息协同预编码矩阵其中，

设所有小蜂窝对宏蜂窝造成的干扰影响是相同的，则由上述三个等式得到

建立基于香农公式的最大化系统容量优化模型，满足跨层干扰功率I_th和天线最大功率G_max,k的约束条件，求解最优的β_k；

所述的最大化系统容量优化模型如下：

s.t.I_total≤I_th

其中，C表示系统容量，B是每个小蜂窝通信占用的相同的频带宽度；

进一步地，得到标量因子β_k，如下：

其中，min(a,b)表示比较a和b的大小取其中最小值；

最后，根据已得到的发送端极化-空域信息协同预编码矩阵和接收端极化-空域信息协同干扰抑制矩阵的表达式迭代计算直到收敛，即可求得和的最优取值。