基于缓存的干扰信道网络拓扑干扰对齐方法与流程

1.本发明属于通信技术领域，涉及一种干扰对齐方法，具体涉及一种基于缓存的干扰信道网络拓扑干扰对齐方法。


背景技术：

2.第六代无线网络中超密集组网通过增加无线网络基站布设密度可以获得频率复用效率的巨大提升，从而实现系统容量的增加，但微蜂窝、微微蜂窝更密集的部署以及小区覆盖范围的重叠，带来了更为严重的干扰。如果没有合适的干扰管理策略，网络中的干扰会随着小区密度的增加而愈发严重，并成为限制无线网络无缝覆盖，可用信道链路利用度低的关键制约之一。
3.干扰对齐作为一种高效的干扰管理方法受到越来越多的关注。干扰对齐的主要思想是通过设计发送端预编码矩阵和接收端解码矩阵，使得在接收端接收信号的干扰信号空间重叠，从而接收端可以消除重叠的干扰，得到的没有干扰的接收信号。采用干扰对齐技术能够获得更高的用户对称自由度，从而提升文件传输成功率。
4.拓扑干扰对齐主要思想是通过获取网络中的基站和用户的拓扑连接关系，得到拓扑矩阵，通过拓扑矩阵设计基站预编码矩阵和接收端预编码矩阵，消除掉用户端接收到的干扰信号。并且拓扑干扰对齐中的基站具有不需要获取用户端的信道状态信息(csi)的特点。
5.然而，现有的拓扑干扰对齐方面的研究都只能对部分k用户k基站干扰信道网络进行拓扑干扰对齐，yoon j y,和no j s在2020年在ieee access上发表的论文analysis of maximal topologies and their dofs in topological interference management中，提出了一种干扰信道网络拓扑干扰对齐方法，通过建立网络拓扑矩阵，在网络拓扑中建立联盟集合和干扰块，通过干扰块的数量和联盟集合设计基站预编码向量和用户解码矩阵，能够实现对所有的k用户k基站干扰信道网络进行拓扑干扰对齐。虽然上述方法能够实现对所有的k用户k基站干扰信道网络进行拓扑干扰对齐，但其存在的不足之处在于，干扰信道网络中大量的干扰信号，会形成大量的干扰块，导致上述方法的用户的可达对称自由度较低。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于缓存的多干扰信道网络拓扑干扰对齐方法，旨在在用户端部署配置一部分文件缓存使得用户端能够利用内容缓存进行部分干扰信号的消除，提升无线网络中用户的可达对称自由度。
7.为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：
8.(1)构建干扰信道网络拓扑结构：
9.构建包括覆盖半径均为r的k个基站b＝{b1,...,b
i
,...,b
k
}及其对应的k个期望用户r＝{u1,...,u
i
,...,u
k
}的干扰信道网络结构，每个基站b
i
配置n根天线，其信号发射功率为p
i
，b
i
的坐标位置服从随机分布，b
i
的期望用户u
i
配置n根天线，其坐标位置
服从每个基站b
i
向其期望用户u
i
发送的期望文件为w
i
，b
i
的期望用户u
i
缓存除b
i
以外的f个基站发射的文件集合c
i
＝{w1,...,w
p
,...,w
f
}，其中k≥2，f≤k，n≥1，b
i
表示第i个基站；
10.(2)构建干扰信道网络信号强度矩阵：
11.(2a)计算每个基站b
i
与每个用户u
g
之间的距离并通过以及b
i
的信号发射功率p
i
，计算每个用户u
g
接收到的每个基站b
i
的信号强度
[0012][0013]
其中，g∈[1,k]，α表示值为非负实数的路径损耗参数；
[0014]
(2b)构建以b
i
为行索引、u
g
为列索引，以主对角线上的每个元素的值为1，其余元素值为的k
×
k维信号强度矩阵u，并将u每一列中满足的信号强度置为1，再计算每一列中不等于1的信号强度的和
[0015]
(2c)判断与平均噪声功率n0是否满足若是，将每一列中对应的信号强度置为0，否则，将对应的信号强度置为1，得到信号强度为0或1的干扰信道网络信号强度矩阵
[0016]
(3)获取缓存消除信号强度矩阵：
[0017]
将干扰信道网络信号强度矩阵中缓存发射文件的期望用户u
g
接收到的基站的信号强度置为0，实现对干扰信道网络信号强度矩阵中部分干扰信道网络信号的消除，得到缓存消除信号强度矩阵
[0018]
(4)构建缓存消除信号强度矩阵中的联盟：
[0019]
(4a)初始化缓存消除信号强度矩阵中的子矩阵行索引边界、列索引边界分别为γ、κ，联盟集合为ω，并令γ＝1，κ＝1，
[0020]
(4b)判断缓存消除信号强度矩阵中行索引范围为b
d
∈[γ,κ 1]、列索引范围为u
z
∈[γ,κ 1]的元素形成的子矩阵是否为单位阵，若是，执行步骤(4c)，否则执行步骤(4d)；
[0021]
(4c)令κ＝κ 1，并执行步骤(4b)；
[0022]
(4d)判断κ
‑
γ 1＝1是否成立，若是，将缓存消除信号强度矩阵中主对角线元素的行坐标索引{(b
d
,u
z
)|b
d
∈[γ,κ]和列坐标索引u
z
∈[γ,κ]}构成的集合表示为联盟，添加到联盟集合ω中，并执行步骤(4f)，否则执行步骤(4e)；
[0023]
(4e)将缓存消除信号强度矩阵中元素形成的子矩阵的主对角线元素的行坐标索引{(b
n
,u
n
)|b
n
∈[γ,κ]和列坐标索引u
n
∈[γ,κ]}构成的集合表示为联盟，添加到联盟集合ω中；
[0024]
(4f)判断κ 1>k是否成立，若是，得到m个联盟ω＝{λ1,...,λ
f
,...,λ
m
}，否则，
令γ＝κ 1，并执行步骤(4c)；
[0025]
(5)获取联盟的最大干扰块数量：
[0026]
(5a)初始化联盟集合ω的干扰块集合为φ＝{g1,...,g
f
,...,g
m
}，每个联盟λ
f
的干扰块集合
[0027]
(5b)获取联盟λ
f
中列索引集合μ＝{u
f
|u
f
∈λ
f
}，以及其他m
‑
1个联盟中的每个λ
j
的行索引集合l
f
＝{β1,...,β
j
,...,β
m
‑1}，遍历集合l
f
，将矩阵中行索引和列索引集合π
f,j
＝{(x,y)|x∈β
j
,y∈μ}中存在元素元素值为1的集合记为联盟λ
f
的干扰块，添加到干扰块集合g
f
中；其中β
j
＝{b
r
|b
r
∈λ
j
}，j∈[1,m]，f≠j；
[0028]
(5c)遍历每个联盟λ
f
对应的干扰块集合g
f
中干扰块的数量ψ
f
，得到缓存矩阵中最大的干扰块的数量em，其中：
[0029][0030]
(6)获取干扰信道网络拓扑干扰对齐结果：
[0031]
(6a)设计每个联盟λ
f
中所有基站b
f,i
的维度为(em 1)的预编码向量v
f
，得到联盟集合ω对应的且其中任意em 1个预编码向量线性独立的预编码向量集合v＝{v1,...,v
f
,...v
m
}；
[0032]
(6b)通过每个联盟λ
f
中所有基站b
f,i
的预编码向量v
f
和b
f,i
发送给期望用户u
f,i
的文件w
i
计算基站b
f,i
向期望用户u
f,i
发射编码信号
[0033]
(6c)通过编码信号获取期望用户u
f,i
的接收信号并计算中干扰信号的右零空间，得到u
f,i
的解码矩阵
[0034][0035][0036][0037][0038]
其中，和分别表示期望用户u
f,i
接收到的期望信号、非期望信号和高斯白噪声。
[0039]
(6c)将期望用户u
f,i
的解码矩阵与中的干扰信号相乘，得到用户u
f,i
的接收信号中为0，即中仅包含期望信号和高斯白噪声实现对干扰信道网络拓扑干扰对齐。
[0040]
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
[0041]
本发明通过构建干扰信道网络信号强度矩阵，利用用户缓存消除部分干扰信道网络信号，然后在消除部分干扰信道网络信号的信号强度矩阵中构建联盟，获取联盟的最大干扰块数量，最后根据最大干扰块数量设计基站预编码矩阵，联合设计用户解码矩阵，进行拓扑干扰对齐，充分利用了用户端缓存放置可以进行部分干扰信道的干扰信号的消除的优
势，提升了无线网络用户的可达对称自由度。
附图说明
[0042]
图1是本发明的实现流程图。
[0043]
图2是本发明与现有技术用户可达对称自由度的仿真结果对比图。
具体实施方式
[0044]
以下参照附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
[0045]
参照图1，本发明包括如下步骤：
[0046]
步骤1)构建干扰信道网络拓扑结构：
[0047]
构建包括覆盖半径均为r＝200m的k个基站b＝{b1,...,b
i
,...,b
k
}及其对应的k个期望用户r＝{u1,...,u
i
,...,u
k
}的干扰信道网络结构，每个基站b
i
配置n根天线，其信号发射功率为p
i
，b
i
的坐标位置服从随机分布，b
i
的期望用户u
i
配置n根天线，其坐标位置服从每个基站b
i
向其期望用户u
i
发送的期望文件为w
i
，b
i
的期望用户u
i
缓存除b
i
以外的f个基站发射的文件集合c
i
＝{w1,...,w
p
,...,w
f
}，其中k＝6，f＝2，b
i
表示第i个基站；
[0048]
步骤2)构建干扰信道网络信号强度矩阵：
[0049]
(2a)计算每个基站b
i
与每个用户u
g
之间的距离并通过以及b
i
的信号发射功率p
i
，计算每个用户u
g
接收到的每个基站b
i
的信号强度
[0050][0051]
其中，g∈[1,k]，α＝2表示值为非负实数的路径损耗参数，p
i
随机取10～20mw；
[0052]
(2b)构建以b
i
为行索引、u
g
为列索引，以主对角线上的每个元素的值为1，其余元素值为的k
×
k维信号强度矩阵u，并将u每一列中满足的信号强度置为1，再计算每一列中不等于1的信号强度的和
[0053]
(2c)判断与平均噪声功率n0是否满足若是，将每一列中对应的信号强度置为0，否则，将对应的信号强度置为1，得到信号强度为0或1的干扰信道网络信号强度矩阵
[0054]
步骤3)通过用户缓存消除部分干扰信道网络信号：
[0055]
由于基站发射的文件经过预编码形成的信号在用户端是会被解码还原出原文件的，所以，当用户端缓存了基站的发射文件之后，用户可以在接收到该基站发射的文件之后，利用用户本地的缓存文件，将基站发射的干扰信号形成的文件消除，减少了用户接收到的干扰信号，提高网络中信道利用率；所以先获取每个用户u
g
的缓存的基站的发送文件集合c
g
，通过c
g
中缓存的文件索引w
p
找到对应的基站索引p，然后将干扰信道网络信号强度矩阵中行索引为p，列索引为u
i
的元素的信号强度为1的元素值置为0，得到消除部
分干扰信道网络信号的信号强度矩阵
[0056]
步骤4)构建缓存消除信号强度矩阵的联盟：
[0057]
(4a)将部分干扰信道网络信号的信号强度矩阵中主对角线上单位阵的对角线元素行索引和列索引对集合表示为联盟，初始化消除部分干扰信道网络信号的信号强度矩阵中的子矩阵行索引边界、列索引边界分别为γ、κ，联盟集合为ω，并令γ＝1，κ＝1，
[0058]
(4b)判断中行索引范围为b
d
∈[γ,κ 1]、列索引范围为u
z
∈[γ,κ 1]的元素形成的子矩阵是否为单位阵，若是，执行步骤(4c)，否则执行步骤(4d)；
[0059]
(4c)令κ＝κ 1，并执行步骤(4b)；
[0060]
(4d)判断κ
‑
γ 1＝1是否成立，若是，将缓存消除信号强度矩阵中主对角线元素的行坐标索引{(b
d
,u
z
)|b
d
∈[γ,κ]和列坐标索引u
z
∈[γ,κ]}构成的集合表示为联盟，添加到联盟集合ω中，并执行步骤(4f)，否则执行步骤(4e)；
[0061]
(4e)将缓存消除信号强度矩阵中元素形成的子矩阵的主对角线元素的行坐标索引{(b
n
,u
n
)|b
n
∈[γ,κ]和列坐标索引u
n
∈[γ,κ]}构成的集合表示为联盟，添加到联盟集合ω中；
[0062]
(4f)判断κ 1>k是否成立，若是，得到m个联盟ω＝{λ1,...,λ
f
,...,λ
m
}，否则，令γ＝κ 1，并执行步骤(4c)；
[0063]
步骤5)获取联盟的最大干扰块数量：
[0064]
(5a)获取每两个联盟中一个联盟λ
δ
的行索引集合和另一个联盟λ
γ
的列索引集合，判断缓存消除信号强度矩阵中该行索引和列索引对应的子矩阵的元素中是否存在信号强度为1，如果是，则该子矩阵的行索引和列索引构成联盟λ
δ
的干扰块；初始化联盟集合ω的干扰块集合为φ＝{g1,...,g
f
,...,g
m
}，每个联盟λ
f
的干扰块集合
[0065]
(5b)获取联盟λ
f
中列索引集合μ＝{u
f
|u
f
∈λ
f
}，以及其他m
‑
1个联盟中的每个λ
j
的行索引集合l
f
＝{β1,...,β
j
,...,β
m
‑1}，遍历集合l
f
，将矩阵中行索引和列索引集合π
f,j
＝{(x,y)|x∈β
j
,y∈μ}中存在元素元素值为1的集合记为联盟λ
f
的干扰块，添加到干扰块集合g
f
中；其中β
j
＝{b
r
|b
r
∈λ
j
}，j∈[1,m]，f≠j；
[0066]
(5c)遍历每个联盟λ
f
对应的干扰块集合g
f
中干扰块的数量ψ
f
，得到缓存矩阵中最大的干扰块的数量em，其中：
[0067][0068]
步骤6)获取干扰信道网络拓扑干扰对齐结果：
[0069]
(6a)通过联盟集合ω和最大的干扰块的数量em，设计每个联盟λ
f
中所有基站b
f,i
的维度为(em 1)的预编码向量v
f
，v
f
中的元素值为随机生成，得到联盟集合ω对应的且其中任意em 1个预编码向量线性独立的预编码向量集合v＝{v1,...,v
f
,...v
m
}；
[0070]
(6b)通过每个联盟λ
f
中所有基站b
f,i
的预编码向量v
f
和b
f,i
发送给期望用户u
f,i
的文件w
i
计算基站b
f,i
向期望用户u
f,i
发射编码信号
[0071]
(6c)通过每个联盟λ
f
中所有基站b
f,i
发射的编码信号可以获取期望用户u
f,i
的接收信号并计算中干扰信号的右零空间，得到u
f,i
的解码矩阵
[0072][0073][0074][0075][0076]
其中，是基站b
f,i
和用户u
f,i
之间的信道系数，和分别表示期望用户u
f,i
接收到的期望信号、非期望信号和高斯白噪声。
[0077]
(6c)将期望用户u
f,i
的解码矩阵与中的干扰信号相乘，得到用户u
f,i
的接收信号中为0，即中仅包含期望信号和高斯白噪声实现对干扰信道网络拓扑干扰对齐。
[0078]
下面结合仿真实验对本发明的技术效果做进一步的说明：
[0079]
1.仿真实验条件：
[0080]
仿真实验的硬件平台为：处理器为inter xeon silver 4208cpu,主频为2.1ghz，内存128g。
[0081]
仿真实验的软件平台为：windows10操作系统matlab r2016a。每次仿真实验基站和用户的天线数都配置为1,2,3,4,5。
[0082]
2.仿真内容及其结果分析：
[0083]
对本发明和现有的干扰信道网络拓扑干扰对齐方法的用户可达自由度进行了对比仿真，其结果如图2所示。
[0084]
参照图2，横坐标表示干扰信道网络中每个基站和用户配置的天线数量，纵坐标表示网络中用户可达的对称自由度。其中以带星号的曲线标示的曲线表示采用本发明仿真结果曲线，以带三角的曲线标示的曲线表示采用现有技术的仿真结果曲线。
[0085]
从图2中可知，当用户缓存基站的文件能够消除部分已缓存对应的基站发射的干扰信号，有效提高网络中用户的对称自由度。
[0086]
以上仿真实验结果表明，本发明利用基于缓存的干扰信道网络拓扑干扰对齐方法，解决了现有技术单一地从干扰对齐的方向进行干扰管理，导致信道利用率差的问题，利用了用户端缓存放置可以进行部分干扰信道的干扰信号的消除的优势，结合拓扑干扰对齐技术，提升了无线网络用户的可达对称自由度。