干扰对齐相关知识

干扰对齐相关知识Revised on November 25, 2020
1.干扰对齐（Interference Alignment IA）
是一种有效的干扰管理机制，通过预编码技术使干扰在接收端重叠在一起，以彻底消除干扰对期望信号的影响。

与忽略干扰、解码/消除干扰以及正交接入（避免干扰）等现有处理干扰的方法不同，IA通过压缩干扰所占的信号维度，使系统获得最大自由度。

由于可以彻底消除干扰，能够显着提高系统容量，IA 技术受到了广泛的关注获得预编码矩阵的方法有两种：直接法和迭代法，直接法需要理想的全局CSI，而迭代法则需要在收发双方反复交替迭代。

2. 无线频谱资源缺乏的新武器---干扰对齐
当多个用户进行无线通信时，相互之间会存在干扰，而干扰会影响信号接收质量，减小接收机的信道容量。

现有的处理干扰的技术，如频分复用(FDMA),时分复用(TDMA),和码分复用(CDMA)主要是通过信号的正交化来消除干扰信号对期望信号的影响。

其实，当多用户共享频谱资源时，这种处理方法只能做到将频谱资源在K个用户之间进行分配。

例如，当相互影响的用户数为K时，每个用户所能获得的频谱资源为单个用户时的1/K。

因此，当用户数量很大时，每个用户所能获得的频谱资源仍然非常有限。

干扰对齐技术的提出就是为了解决这一问题，它将信号空间划分为期望信号空间和干扰信号空间两个部分，通过预编码技术使干扰在接收端重叠，从而压缩干扰所占的信号容量，消除干扰对期望信号的影响，达到提高信道容量的目的。

目前加州大学欧文分校的Jafar助理教授已经从理论上证明，通过干扰对齐，在K个用户的无线通信信道中，每个用户最多能获得相当于只有一个用户时，总频谱资源的1/2,K个用户能够获得的频谱资源为只有一个用户时的k/2倍。

得克萨斯大学奥斯汀分校的Health教授对干扰对齐进行了实验验证，实验结果表明，干扰对齐能够极大提高系统的频谱利用率。

当然，干扰对齐技术还处于研究阶段，还有很多问题没有解决。

首先是干扰对齐所要求的全局信道状态信息在实际中很难达到；其次随着用户数量的增加，干扰对齐的约束条件会急剧增加而导致难以实现，这也是当前干扰对齐领域研究的热点。

3.信道边信息
信道边信息是一个很广泛的概念，它包括信道的瞬时状态信息，也包括信道的一些统计参数。

严格意义上来说，我们讲的信道状态信息（CSI)只是信道边信息的一个子部分。

2楼说得很好。

他举了一个瑞利衰落的例子，接受机把这个瑞利衰落的因子（sigma)反馈到发射端，那么这个因子就是信道的边信息。

我再举个例子，rice衰落中有个参数 k(直射路径能量与非视距能量之比），如果接收机把这个因子反馈到发射端，那么这个参数也叫做信道的边信息。

我们通常说的信道状态信息也属于信道边信息。

一个狭义，一个广义。

4.信道状态信息
信道状态信息（CSI）是一种笼统的概念，它包括信道矩阵。

只要是反应Channel的都叫信道状态信息。

信道矩阵只是MIMO系统中的一种信道状态信息。

其他的比如Channel profile，多径时延，多普勒频偏，MIMO信道的秩，波束形成向量，等等，都属于信道状态信息。

当前的信道矩阵H只能算是一种信道状态信息，但是是最常用的。

5.预编码
①预编码技术就是在已知信道状态信息的情况下，通过在发送端对发送的信号做一个预先的处理，以方便接收机进行信号检测。

②预测编码是根据离散信号之间存在着一定关联性的特点，利用前面一个或多个信号预测下一个信号进行，然后对实际值和预测值的差（预测误差）进行编码。

如果预测比较准确，误差就会很小。

在同等精度要求的条件下，就可以用比较少的比特进行编码，达到压缩数据的目的。

预测编码中典型的压缩方法有脉冲编码调制（PCM，Pulse Code Modulation）、差分脉冲编码调制（DPCM，Differential Pulse Code Modulation）、自适应差分脉冲编码调制（ADPCM，Adaptive Differential Pulse Code Modulation）等，它们较适合于声音、图像数据的压缩，因为这些数据由采样得到，相邻样值之间的差相差不会很大，可以用较少位来表示。

③首先，如楼上说的，预编码用于闭环系统中，以下行为例，要实现下行预编码，需要上行相关的反馈信息。

至于定义，现在给的都很模糊，主要就是发送端利用反馈得到的信息，对信道矩阵做一定的处理，使收端得到更高的信噪比。

如下式：
r ＝ HWx+n
r为接收信号，H为信道，n为噪声，这里的矩阵W就是对信道H进行预编码处理。

而W的获取，是通过信号接收端反馈的信息去得到的。

④预编码：预编码分两种，一种线性的，一种是非线性的。

线性的可以有迫零预编码，迫零预编码又与发射波束成型紧密联系，非线性的是脏编码，脏编码能够实现下行链路的最大容量，但是比较复杂很难用于实践。

6.波束成形
①Beam-Forming，一般翻译为波束成形，源于自适应天线的一个概念。

简单的说，用于接收端的信号处理时，可以通过对多天线阵元接收到的各路信号进行加权合并形成所需的理想信号，从天线的方向图(pattern)或称为波束的角度来看，这样做等效于形成了规定指向上的波束，比如将全方向的接收方向图形成了有零点、有最大指向的波束方向图。

由于天线原理中的互易性，波束成形也可用于发射端，即对天线阵元馈电的进行幅度和相位的调整，达到形成所需形状的方向图，比如最早用于雷达的相控阵等等，
用于３Ｇ中的智能天线，如在TD-SCDMA中，提到了上下行的波束成形问题。

并在应用中
综合了联合检测技术。

在WCDMA中，也有学者进行了研究，目前多讨论反向链路的接收
信号处理问题。

②LTE-Beamforming(波束成形)算法简介
与传统的TDMA、FDMA或CDMA方式相比，LTE-A（LTE-Advanced）引入了第四维多址方式：空分多址（Spacial Division Multiple Access，SDMA）方式。

人们研究波束成形的最初动机是，在频谱资源日益拥挤的情况下考虑如何将自适应波束成形应用于蜂窝小区的基站，以便能更有效地增加系统容量和提高频谱利用率。

波束成形的基本思想是：天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户，在接收模式下，来波方向之外的信号被抑制，发射模式下，能使期望用户接收的信号功率最大，同时使窄波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小。

SDMA是利用用户空间位置的不同来区分不同用户，即在相同时隙、相同频率或相同地址码的情况下，仍然可以根据信号不同的中间传播路径而区分。

SDMA是一种信道增容的方式，可以实现频率的重复使用，充分利用频率资源。

因此，波束成形可以通过空分多址来区分一个小区内（或多个小区之间）的多个用户，使其共享相同的时频资源。

另外，MIMO系统的空间复用和传输分集这两种发射方案都不需要知道信道信息（Channel State Information，CSI）。

但理论研究证明，在发送端已经获取了CSI的情况下，通过联合采用传输波束成形（Transmit Beamforming，TBF）与接收合并（Receive Combining，RC）技术，可以进一步提升系统性能。

对于点对点的单用户MIMO系统（Single User MIMO，SU-MIMO），当发射天线数大于接收天线数，或者接收端信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）较低时，系统将受益于CSIT (Channel Side Information at the Transmiter，CSIT)。

对于点对多点的多用户MIMO系统（Multiple User MIMO，MU-MIMO），将始终受益于CSIT。

因为我们通过在基站端采用传输波束成形或一定的预编码算法，不但可以为需要的接收机获取较高的SNR，更重要的是可以消除或者在很大程度上减少来自网络中其他点用户的干扰。

至于基站端CSIT的获取，对于频分双工 (Frequency Division Duplex，FDD)系统，相当于闭环MIMO技术（Closed-Loop MIMO），即基站端发出导频，用户接收机利用该导频所携带的信息估计出H(dl) ，再通过反馈链路反馈给基站。

而对于时分双工 (Time Division Duplex，TDD)系统，相当于开环MIMO技术（Open-Loop MIMO），即用户端发出导频，基站接收机利用该导频所携带的信息估计出H(ul) ，再由信道互易性（Channel Reciprocity）, 做BF所需的下行
信道信息满足H(dl)=H(ul)。

波束成形除了可以进行单流的数据传输之外，还可以支持多流的数据传输和空分多址。

下图是发射波束成形的三种情况。

④为了满足3GPP长期演进（Long Term Evolution，LTE）在高数据率和高系统容量方面的需求，LTE系统支持下行应用多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术，包括传输分集（Transmit Diversity，TD），波束成形（Beamforming，BF）以及空间复用（Spatial Multiplexing，SM）。

传输分集的主要原理是利用空间信道的弱相关性，结合时间/频率上的选择性，为信号的传递提供更多的副本，提高信号传输的可靠性，从而改善接收信号的信噪比。

LTE中传输分集技术的候选技术很多，比如空时编码（Space-Time Code，STC），循环延迟分集（Cyclic Delay Diversity，CDD）以及天线切换分集技术等。

波束成形技术是一种应用于小间距天线阵列的多天线传输技术，其主要原理是利用空间信道的强相关性，利用波的干涉原理产生强方向性的辐射方向图，使得辐射方向图的主瓣自适应地指向用户来波方向，从而提高信噪比，提高系统容量或者覆盖范围。

空间复用技术则是一种利用空间信道的弱相关性的技术，其主要工作原理是在多个相互独立的空间信道上传递不同的数据流，从而提高数据传输的峰值速率。

这三种技术对空间信道的要求不同，因而其应用的场景也有所不同。

典型的信道容量曲线在低信噪比区域的斜率比较大，应用传输分集技术和波束成形技术可以有效地提高接收信号的信噪比，从而提高传输速率或者覆盖范围，而在高信噪比区域，容量曲线接近平坦，再提高信噪比也无法明显改善传输速率，此时就可以利用空间复用技术来提高传输速率。

⑤对于波束成形，无论如何就是需要知道CSI，然后推算出预编码，这里的预编码有码本方式（接收端测量CSI反馈给发送端）和非码本方式（发送端通过逆向链路测量得知CSI）
7.信道自由度
在不同的文献中，信道自由度有时有不同的意思，一般的理解如下：
①信道自由度就是我们信道变量的个数，在通信过程中，我们总是希望信道自由度越多越好，这样我们就可以提高通信信道容量，从而提高系统吞吐量，这对于现在的高速通信来说，我们总是希望信道自由度越多越好。

②we define the degrees of freedom of the channel to be the dimension of the received signal space.
8.自由度
自由度(degree of freedom, df)在数学中能够自由取值的变量个数，如有3个变量x、y、z，但x+y+z=18，因此其自由度等于2。

在统计学中，自由度指的是计算某一统计量时，取值不受限制的变量个数。

通常df=n-k。

其中n为样本含量，k为被限制的条件数或变量个数，或计算某一统计量时用到其它独立统计量的个数。

自由度通常用于抽样分布中。

MIMO,MIMO是什么意思,什么是MIMO无线通信技术
MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)系统是一项考虑用于的技术。

是下一代标准，可将吞吐量提高到100Mbps。

同时，专有MIMO技术可改进已有
b/g网络的性能。

该技术最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。

根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO(Single-Input
Single-Output)系统，MIMO还可以包括SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系统和MISO(Multiple-Input Single-Output)系统。

1、MIMO概述
多用户MIMO示意图
MIMO 表示多输入多输出。

读/maimo/或/mimo/，通常美国人前者，英国人读后者，国际上研究这一领域的专家较多的都读读/maimo/。

通常用于IEEE ，但也可以用于其他技术。

MIMO 有时被称作空间多样，因为它使用多空间通道传送和接收数据。

只有站点（移动设备）或接入点（AP）支持 MIMO 时才能部署 MIMO。

MIMO 的优点是能够增加无线范围并提高性能。

连接到老的接入点的站点能够以更高的速度连接到更远的距离。

例如，如果使用老站点，从 25 英尺的距离连接到接入点的速度是 1Mbps；而使用 MIMO 时站点的速度为
2Mbps。

增加到 2Mbps 的范围，允许用户在更远的距离保持连接。

无线电发送的信号被反射时，会产生多份信号。

每份信号都是一个空间流。

使用单输入单输出（SISO）的当前或老系统一次只能发送或接收一个空间流。

MIMO 允许多个天线同时发送和接收多个空间流。

它允许天线同时传送和接收。

老接入点到老客户端 - 只发送和接收一个空间流
MIMO 接入点到 MIMO 客户端 - 同时发送和接收多个空间流
可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。

也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。

利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。

前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。

实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的BLAST算法、ZF算法、MMSE算法、ML算法。

ML算法具有很好的译码性能，但是复杂度比较大，对于实时性要求较高的无线通信不能满足要求。

ZF算
法简单容易实现，但是对信道的信噪比要求较高。

性能和复杂度最优的就是BLAST算法。

该算法实际上是使用ZF算法加上干扰删除技术得出的。

目前MIMO技术领域另一个研究热点就是空时编码。

常见的空时码有空时块码、空时格码。

空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。

通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。

然而研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。

MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道，MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。

传输信息流s(k)经过空时编码形成N个信息子流ci(k)，I=1，……，N。

这N个子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。

多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。

特别是，这N个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。

若各发射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。

通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。

MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。

这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。

系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。

对于发射天线数为N，接收天线数为M的多入多出（MIMO）系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设N、M很大，则信道容量C近似为：
C=[min(M,N)]Blog2(ρ/2)
其中B为信号带宽，ρ为接收端平均信噪比，min(M,N)为M，N的较小者。

上式表明，功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。

而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。

相对而言，多入多出对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。

3、MIMO 技术
MIMO技术大致可以分为两类：发射/接收分集和空间复用。

传统的多天线被用来增加分集度从而克服信道衰落。

具有相同信息的信号通过不同的路径被发送出去，在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制品，从而获得更高的接收可靠性。

举例来说，在慢瑞利衰落信道中，使用1根发射天线n 根接收天线，发送信号通过n个不同的路径。

如果各个天线之间的衰落是独立的，可以获得最大的分集增益为n，平均误差概率可以减小到，单天线衰落信道的平均误差概率为。

对于发射分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。

在一个具有m根发射天线n根接收天线的系统中，如果天
线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落，可以获得的最大分集增益为mn。

智能天线技术也是通过不同的发射天线来发送相同的数据，形成指向某些用户的赋形波束，从而有效的提高天线增益，降低用户间的干扰。

广义上来说，智能天线技术也可以算一种天线分集技术。

分集技术主要用来对抗信道衰落。

相反，MIMO信道中的衰落特性可以提供额外的信息来增加通信中的自由度(degrees of freedom)。

从本质上来讲，如果每对发送接收天线之间的衰落是独立的，那么可以产生多个并行的子信道。

如果在这些并行的子信道上传输不同的信息流，可以提供传输数据速率，这被成为空间复用。

需要特别指出的是在高SNR的情况下，传输速率是自由度受限的，此时对于m根发射天线n根接收天线，并且天线对之间是独立均匀分布的瑞利衰落的。

根据子数据流与天线之间的对应关系，空间多路复用系统大致分为三种模式：D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST。

D-BLAST最先由贝尔实验室的Gerard J. Foschini提出。

原始数据被分为若干子流，每个子流之间分别进行编码，但子流之间不共享信息比特，每一个子流与一根天线相对应，但是这种对应关系周期性改变，如图所示，它的每一层在时间与空间上均呈对角线形状，称为D-BLAST(Diagonally- BLAST)。

D-BLAST的好处是，使得所有层的数据可以通过不同的路径发送到接收机端，提高了链路的可靠性。

其主要缺点是，由于符号在空间与时间上呈对角线形状，使得一部分空时单元被浪费，或者增加了传输数据的冗余。

如图所示，在数据发送开始时，有一部分空时单元未被填入符号(对应图中右下角空白部分)，为了保证D-BLAST的空时结构，在发送结束肯定也有一部分空时单元被浪费。

如果采用burst模式的数字通信，并且一个burst的长度大于M(发送天线数目)个发送时间间隔，那么burst的长度越小，这种浪费越严重。

它的数据检测需要一层一层的进行，如图所示：先检测c0、c1和c2，然后a0、a1和a2，接着b0、b1和b2……
另外一种简化了的BLAST结构同样最先由贝尔实验室提出。

它采用一种直接的天线与层的对应关系，即编码后的第k个子流直接送到第k根天线，不进行数据流与天线之间对应关系的周期改变。

如图所示，它的数据流在时间与空间上为连续的垂直列向量，称为V-BLAST(Vertical-BLAST)。

由于V-BLAST中数据子流与天线之间只是简单的对应关系，因此在检测过程中，只要知道数据来自哪根天线即可以判断其是哪一层的数据，检测过程简单。

（图1）
考虑到D-BLAST以及V-BALST模式的优缺点，一种不同于D-DBLAST与V-BLAST的空时编码结构被提出：T-BLAST。

等文献分别提及这种结构。

它的层在空间与时间上呈螺纹(Threaded)状分布，如图2所示。

原始数据流被多路分解为若干子流之后，每个子流被对应的天线发送出去，并且这种对应关系周期性改变，与D-BLAST系统不同的是，在发送的初始阶段并不是只有一根天线进行发送，而是所有天线均进行发送，使得单从一个发送时间间隔来看，它的空时分布很像V-BALST，只不过在不同的时间间隔中，子数据流与天线的对应关系周期性改变。

更普通的T-BLAST结构是这种对应关系不是周期性改变，而是随机改变。

这样T-BLAST不仅可以使得所有子流共享空间信道，而且没有空时单元的浪费，并且可以使用V-BLAST检测算法进行检测。

5、MIMO 的应用
为了提高系统容量，下一代的无线宽带移动通信系统将会采用MIMO 技术，即在基站端放置多个天线，在移动台也放置多个天线，基站和移动台之间形成MIMO通信链路。

应用MIMO技术的无线宽带移动通信系统从基站端的多天线放置方法上可以分为两大类：一类是多个基站天线集中排列形成天线阵列，放置于覆盖小区，这一类可以称为集中式MIMO；另一类是基站的多个天线分散放置在覆盖小区，可以称为分布式MIMO。

MIMO技术可以比较简单地直接应用于传统蜂窝移动通信系统，将基站的单天线换为多个天线构成的天线阵列。

基站通过天线阵列与小区内的具有多个天线的移动台进行MIMO通信。

从系统结构的角度看，这样的MIMO系统与传统的单入单出(SISO)蜂窝通信系统相比并没有根本的区别。

传统的分布式天线系统可以克服大尺度衰落和阴影衰落造成的信道路径损耗，能够在小区内形成良好的系统覆盖，解决小区内的通信死角，提高通信服务质量。

最近在MIMO技术的研究中发现，传统的分布式天线系统与MIMO技术相结合可以提高系统容量，这种新的分布式MIMO系统结构——分布式无线通信系统(DWCS)[8]成为MIMO技术的重要研究热点。

在采用分布式MIMO的DWCS系统中，分散在小区内的多个天线通过光纤和基站处理器相连接。

具有多天线的移动台和分散在附近的基站天线进行通信，与基站建立了MIMO通信链路。

这样的系统结构不仅具备了传统的分
布式天线系统的优势，减少了路径损耗，克服了阴影效应，同时还通过MIMO 技术显着提高了信道容量。

与集中式MIMO相比，DWCS的基站天线之间距离较远，不同天线与移动台之间形成的信道衰落可以看作完全不相关，信道容量更大。

总体上说，分布式MIMO系统的信道容量更大，系统功耗更小，系统覆盖性能更好，系统具有更好的扩展性和灵活性。

分布式MIMO的DWCS系统也带来了一些新问题。

移动台和小区内邻近的天线建立的MIMO链路，由于基站不同天线的位置不同，它们距离移动台的距离不同，使得基站端的多个天线的信号到达移动台的延时也不同，因此带来新的研究问题。

目前在这方面研究较多的是进行容量分析。

除此之外的研究内容还包括：具体的同步技术、信道估计、天线选择、发射方案、信号检测技术等，这些问题有待深入研究。

10. 频率复用
①频率复用因子表示一个频率复用簇（Reuse Cluster）当中的频点的数量。

复用因子越大，表示复用距离越大。

第一代移动通信（AMPS)的复用因子为
9~11，第二代移动通信（GSM)的复用因子为4~7。

在CDMA技术出现以后，由于CDMA技术的抗干扰的特性，普遍采用了复用因子为1，也称为普遍频率复用（Universal Frequency Reuse）和同频复用。

②所谓频率复用，以OFDM为例，假设有1、2、3、4个总共4个子载波，假设小区1、小区2里的用户都可以调度到这4个子载波，那么就是全频率复用，那么小区间干扰最大；假设小区1中心用户能够调度到全部子载波，但边缘用户只能调度到1、2个子载波，而小区2中心用户能够调度到全部子载波，但边缘用户只能调度到3、4个子载波，那就是部分频率复用。

显然，此时采用部分频率复用可以降低小区间的干扰，不过频谱效率会有一定程度的降低。

③简单点说，频率复用就是一个频率在多少个小区后可以再用！CDMA因为是码分多址，所以，每个小区频率都可以一样，也就是1：1复用。

GSM因为采用4X3复用方式，即第十三个小区可以重复使用频率。

④ＧＳＭ网上的频率复用
频率复用技术是指同一载频的无线信道覆盖不同地区，这些使用相同载频的地区之间相隔一定的距离以使同频干扰抑制在可接受的范围内。

作为目前全世界最为流行的移动通信技术，ＧＳＭ网络在全球拥有最多。