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)。