南京邮电大学2010届本科生毕业设计（论文）
道。但是，我们可以演示出在下行信道，IA可以在没有回程协作下得到运用。
4.3.2 下行链路的IA算法
图4.4描绘了一个每小区两用户的下行IA 的例子。上行链路下行链路的两重性原理说明了上行链路的自由度与下行链路的自由度相等。因此，每个小区的自由度为2/3。要达到这种要求，每个基站需要在三个维度发送两个信号（流）。这个思想与上行IA的思想在某种意义上来说是一致的，两者都是两个维度用于传输所要传输的信号，而剩下的一个维度留给干扰信号。但是，上行IA和下行IA所使用的方法并不一样。
我们首先设置好基站?，?的预编码器中的3?2矩阵P。P矩阵把两个数据流分给三个维度资源使用。然后，每个用户，比如在小区?的用户1，使用导频信号(pilot)或者前导(preamble)测算G?1P。用户1随后产生一个向量u?1，这个向量分布在G?1P的零空间里，也就是G?1Pu?1?0。因为G?1P是3*2的矩阵，所以这样的向量u?1总是存在，并且当运用在接收的信号的时候，会将小区外的干扰清零。
注意到u?1并不保证小区内的干扰源完全消除（比如小区?内的用户2的信号），而这将在随后的操作中得到消除。在小区?中，每个小区用户（在使用接
*收的向量后）向他所在的基站?反馈它的等价信道u?其中H?k?C3?3，表kH?kP，
示基站?与小区用户k之间的直连信道。基站?随后使用额外的一个迫零预编码
**器（这个预编码器使用[u?。迫零预编码器保证了两1H?1P;u?2H?2P]的伪逆矩阵）*用户的H?1Pv?2在G?1P中。注意，u?1(H?1Pv?2)?0。
在这个IA方案中，一系列操作保证了干扰对齐的实现。我们不妨称这个IA方案为迫零IA方案。为了观测这种方案的实现效果，我们观察小区?用户1的干扰信号平面。我们注意到有三个干扰向量：两个小区外的干扰向量，一个是小区内的干扰向量。这三个干扰向量将被对齐到一个二维线性子空间。干扰对齐也就是可在小区外干扰和小区内干扰之间实现，从而节省出一个维度。类似地，用户2也可以节省出一个维度。所以，总共可以以牺牲一个维度来节省出两个维度，若小区内用户数为K，每个小区就可以以牺牲一个维度的代价节省出K个维度，随着K的数值的增大，这个损失可以忽略不计，而这一现象也类似于上行链路IA。
尽管下行链路的自由度和上行链路一致，但是两者IA实现的方法却截然不
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同。注意到上行链路IA，干扰对齐只是在小区外干扰向量间实现。而在下行链路里，干扰对齐是在小区内干扰向量和小区外干扰向量间实现，小区内各个用户会同时实现干扰对齐。
4.3.3 反馈机理
注意到这种技术中针对系统的两个关键点。首先，基站间或者不同小区用户间跨信道信息的交换并不一定要求实现。每个基站可以设置预编码器P，P独立于信道增益。每个用户可以特别约定空间正交于小区外的干扰信号空间。这使得用户在不知晓传输向量的情况下可以设计一个迫零接收向量。每个用户可以随后反馈等价信道u?kH?kP，而基站仅仅使用等价信道的反馈形成迫零传输向量。所以这种方案只需要一个小区内的反馈机理。而这与上行链路IA的情况形成了鲜明的反差（上行链路IA中要求不同基站间进行回程线路协作）。
其次，当要求用户向基站的反馈时，这种反馈与用于标准MIMO技术的反馈一致。但唯一的区别就是在下行IA使用了两个级联的预编码器，每个用户的接收向量被选定为小区外空间内的0向量。所以，对已知的支持多用户MIMO的蜂窝系统不需要做多少变化，这种下行的IA方案就可以实现。
4.3.4仿真结果分析
图4.5 在两个分离小区（4*4天线配置）环境下的下行链路干扰对齐算法的表现。机会用户选择在10个用户中选择3个作为干扰对齐对象。
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图4.3展示了迫零IA在两小区M=4的布局（4*4的天线布局）下sum-rate。我们以使用匹配滤波器的情况作为一个基准（匹配滤波器是多用户MIMO的标准技术之一[24][25]）。匹配滤波器方案使用直连信道中占绝对优势的左奇异向量作为接收向量。我们假定发送端的一个的迫零向量来清除小区内的干扰。清除小区内的干扰是相当重要的，因为它的能量和所要传输的信号有相同的数量级。
注意到接收发送向量是内部相关的，换言之，接收向量是发送向量的函数，反之亦然。使用重复算法是执行发送接收向量对的一种方法[24][25]，我们称这种方案为迭代匹配滤波（iterative matched filtering）。详情请见文献[26]。在图4.4中，因为开头我们已经充分比较过了CSI，所以，我们不需要为寻找一个匹配滤波器进行迭代操作。
很明显可以看到迫零IA在分离的2小区情况下表现相当出色（几乎是是大信噪比情况的最优方案），因为没有剩余的干扰源。但对于实际的多蜂窝环境，由于剩余干扰源的存在，迫零IA可能表现并不出色。为了针对多蜂窝环境，我们引入参数γ，γ用于描述占优势的干扰信号（某BS）与剩余干扰之间的强度对比：
??INRrem (4.12) INRdom这里的INRrem ，INRdom 分别表示占优势的干扰与总干扰与噪声强度的比值。注意到通过调整γ，我们可以把信号覆盖到任意移动台地点和蜂窝布局。
考虑极端情况，当γ=0时，迫零IA表现相当出色，但当γ>>1时，此方案性能并不佳，因为它已经完全失去了波束成形效益。迫零接收端独立于直连信道因为它只与干扰空间有关。与之相反，我们可以预测到匹配滤波在γ>>1时表现会比迫零IA出色。这使得研究人员萌生了发展一个新的IA的想法，这种IA将平衡自由度效益和独立于γ的匹配滤波的能量效益。
4.4蜂窝小区联合干扰对齐算法 4.4.1 思想来源
前一节提到的迫零IA和匹配滤波方案使我们联想到了在有色噪声存在点到点信道里采用的传统迫零接收端和匹配滤波接收端。所以，我们很自然而然的去合并两项技术得到一个新技术，比如MMSE（最小均方误差） 接收端。但是在蜂窝环境下，设计一个实际的MMSE接收端要求不同小区间进行卷积操作。但是该操作需要其他小区的传输向量。更严重的是，因为传输接收向量对的内部相关，鸡生蛋蛋生鸡的问题会在小区间出现。
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为了拆散小区间的向量设计，我们考虑无协作系统，换言之，不同小区间的传输向量信息并不进行交换。在建立这种假设前提下，我们来模仿MMSE接收端的设计原理。我们的想法是使用两个级联的预编码器以及一个固定在前端的预编码器P将干扰信号变为有色信号。固定的预编码器用于使信号空间有色，并且在一定程度上可以使信号空间独立于实际传输的信号。为了表示这种独立性，我们可以考虑实际加噪干扰的协方差矩阵：
SNR***?k?(1?INRrem)I?(G?kPB?B?PG?k)
S (4.13)
这里S是分配给小区内已调度用户的数据流总数(S≦M)，而B?表示占优势的干扰源(BS ?)对应的迫零预编码器：
假定除去占优势的干扰后剩余的全部干扰是高斯白B??[v?1,?,v?S]?CM?S，
噪声。在不失一般性的情况下，我们假定高斯噪声强度为1。假定全部的传输能量平均地分配到每个流上。
控制干扰信号的有色性的思路是P的最后几列分配不同的可变参数
?,(0???1)；
P?[f1,?,fS,?fS?1,?,?fM]?CM?M，
(4.14)
这里[f1,...,fM]是酉矩阵。因为我们假定是在不协调系统环境中，所以B?是未知的。这样，当我们使用B?对应的协方差矩阵的期望：
?k:?E[?k]?(1?INRrem)I?SNR(G?kPP*G?k) S (4.15)
1这里我们假定Bβ的每个元素服从独立同分布CN(0,)。
S两种极端情况使我们更加深入了解如何设计可变参数k。当已知的干扰可忽略不计时，信号的零空间可以被特定，独立于Bβ。在另一个极端情况下(γ>>1)，我们必须模仿匹配滤波的机理。这使得我们选择一个酉矩阵P。我们可以这样平滑地扫描出两种极端情况的范围：设置
??min(1?INRrem,1) SNR (4.16) 比较小），
IR这里的SNR是发送端的SNR可以被固定。注意到当???1时（Nmer?≈0；而当???1时（INRrem比较大，或者说SNR比较小），?为最大值1。
?值的选取必须小心谨慎。但是考虑到系统的若干个方面，正如前面提到的，
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?随着移动台的位置的变化而变化，这是因为INRrem是移动台位置的函数。这是我们不愿意看到的，因为基站的预编码器随着用户的位置不断的调整。因此，我们决定固定住l。例如，我们可以把k固定在SNR=20db，移动台位置在小区边缘并且网络布局已经固定的情况下。例如，在线性小区布局下，我们设置??0.24；在19六边形小区布局中，我们设置??0.64。。详细计算请见[26]。
有了?k，我们随后使用MMSE接收端的标准算法。类似于迭代匹配滤波技术，我们也可以迭代计算发送接收向量对。
4.4.2 新型IA算法
1）（初始化）：每个用户根据最大化SINR原则初始化一个接收向量
?k?{1,?,K},
?1(0)(0)u??normalization(?HPvkk?k?k)
?1 (4.17)
(0)**这里我们把v?k设置为PH?k?kH?kP的最大特征向量用于在一开始最大化
(0)*波束成形效益。每个用户随后反馈等价信道信息u?有了反kH?kP给自己的基站。
馈信息，基站就执行迫零传输向量：对于任意的K，H(1)*(H(1)H(1)*)?1等于的第K个标准化列向量。
这里
???? (0)*H(1):??uHP?k?k??????? (4.18)
2）（机会用户选择）：基站找到A*，A*满足：
?SNR(0)*(1)2?||u?kH?kv??k||?*? (4.19) A?argmax?log?1?SA?K'1?INRrem??K'?A??????K???这里K'是{1,...,K}的若干子集组成的合集，并且有基底S?|K'|??S?????。 ????3）（迭代，循环）对于A*，我们重复执行以下操作。基站使用预编码的导
(i)频信号通知各个用户v?k的信息。每个用户按如下操作更新接收向量：
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