一種新的基站空域協(xié)作干擾抑制方案

王 珺， 葛萬成

0 引言

移動(dòng)通信技術(shù)經(jīng)歷了從第1代到第3代技術(shù)的發(fā)展，在頻譜效率、傳輸速率和延時(shí)上都有了很大改善，但是現(xiàn)有的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)存在小區(qū)邊緣和小區(qū)中心提供的速率差異大的問題，使得系統(tǒng)為小區(qū)邊緣用戶和小區(qū)中心用戶提供的服務(wù)有很大差異[1]。而小區(qū)邊緣和小區(qū)中心的速率差異主要是由于小區(qū)間干擾造成的，特別是為了提高頻率利用率而使得蜂窩小區(qū)系統(tǒng)的頻率復(fù)用系數(shù)為1時(shí)，小區(qū)間干擾更加嚴(yán)重。在第4代移動(dòng)通信系統(tǒng)LTE-Advanced的研究過程中[2]，引入了小區(qū)邊緣性能作為性能指標(biāo)，因此各種小區(qū)間干擾抑制技術(shù)也成為了當(dāng)前蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

對于整個(gè)蜂窩小區(qū)系統(tǒng)來說，對系統(tǒng)中的所有基站進(jìn)行空域協(xié)作沒有必要也沒有實(shí)現(xiàn)的可能性，當(dāng)每個(gè)基站都做空域協(xié)作時(shí)，計(jì)算預(yù)編碼矩陣的復(fù)雜度會(huì)變得很大。小區(qū)中心的用戶信干噪比高，所以對于小區(qū)中心用戶沒有進(jìn)行小區(qū)協(xié)作的必要；而對于小區(qū)邊緣噪聲受限的用戶，通過小區(qū)間協(xié)作帶來的增益較小，消除對鄰居小區(qū)用戶的干擾同時(shí)將會(huì)消耗自己基站發(fā)送給本小區(qū)用戶信號(hào)的空間自由度。若讓基站成簇地進(jìn)行協(xié)作，則可降低預(yù)編碼矩陣計(jì)算的復(fù)雜度[3]。通過成簇基站的分布式協(xié)作可以避免基站間信道信息的反饋所帶來的開銷。

在此背景下提出基于動(dòng)態(tài)簇的協(xié)作方案，其特點(diǎn)是在分布式算法的基礎(chǔ)上動(dòng)態(tài)形成協(xié)作簇，這樣既可以降低反饋開銷，又可以靈活地降低干擾。

1 動(dòng)態(tài)成簇協(xié)作的方案設(shè)計(jì)

1.1 動(dòng)態(tài)成簇的方案設(shè)計(jì)

考慮7個(gè)小區(qū)的場景，每個(gè)小區(qū)內(nèi)基站各與一個(gè)用戶進(jìn)行通信，假設(shè)每個(gè)基站至少配備3個(gè)天線，此時(shí)通信使用相同的時(shí)域、頻域、空域通信資源。通信場景如圖1所述，任意小區(qū)間干擾都可以歸納成2個(gè)小區(qū)間的干擾或者是3個(gè)小區(qū)間的干擾。

圖1 成簇協(xié)作的基本場景

用戶所在扇區(qū)如圖1所示，用戶1、用戶2、用戶3處于可能存在相互干擾的扇區(qū)中；用戶4與用戶5處于可能存在相互干擾的扇區(qū)中；用戶6、用戶7處于可能存在相互干擾的扇區(qū)中。在用戶1，用戶2，用戶3 的場景中判斷是否各個(gè)用戶受干擾嚴(yán)重，判斷原則是若 3個(gè)用戶均處于小區(qū)中心，即使受到另外兩基站的干擾，干擾也很??；或者在 3個(gè)用戶處于小區(qū)邊緣但信噪比很低的場景下，這時(shí)通過基站協(xié)作獲得的系統(tǒng)增益很小，則不做小區(qū)間協(xié)作，且各個(gè)小區(qū)的發(fā)送預(yù)編碼矩陣根據(jù)納什均衡（NE，Nash Equilibrium）算法求出；若3個(gè)用戶都處在小區(qū)邊緣，3個(gè)用戶均會(huì)受到嚴(yán)重的干擾，則基站1、基站2、基站3形成協(xié)作簇，進(jìn)行協(xié)作，協(xié)作算法根據(jù)傳送的數(shù)據(jù)量不同可以使用虛擬信干噪比（VSINR，Virtual Signal to Interference plus Noise Ratio）算法也可以使用層虛擬信干噪比（LVSINR，Layer Virtual Signal to Interference plus Noise Ratio）算法。同理，僅當(dāng)用戶4、用戶5、或者用戶6、用戶7均處于小區(qū)邊緣，采用VSINR算法或者LVSINR算法求出預(yù)編碼矩陣。

1.2 動(dòng)態(tài)成簇的干擾指示設(shè)計(jì)

判斷用戶是否處于小區(qū)的邊緣或者處于小區(qū)的中心并沒有一個(gè)特定的標(biāo)準(zhǔn)，需要有一個(gè)用來指示用戶是否需要進(jìn)行小區(qū)間協(xié)作的標(biāo)識(shí)。為了方便協(xié)作方案的實(shí)現(xiàn)不需要修改通信系統(tǒng)的上層協(xié)議，這里利用長期演進(jìn)技術(shù)（LTE，Long term Evolution）系統(tǒng)協(xié)議中已有的一些標(biāo)識(shí)來作為是否需要小區(qū)間協(xié)作的標(biāo)識(shí)[4]。在LTE系統(tǒng)中服務(wù)小區(qū)的導(dǎo)頻信號(hào)強(qiáng)度（RSRP，Reference Signal Received Power）用來作為切換的指示標(biāo)識(shí)。當(dāng)服務(wù)小區(qū)的RSRP下降到一定門限時(shí)而相鄰某小區(qū)RSRP上升到一定門限時(shí)則會(huì)觸發(fā)切換，也可以利用這個(gè)RSRP來指示用戶是否需要進(jìn)行小區(qū)間協(xié)作，因?yàn)楫?dāng)服務(wù)小區(qū)下降到接近門限而鄰小區(qū)的RSRP上升到一定接近門限但是不足以觸發(fā)切換時(shí)，小區(qū)間干擾強(qiáng)度會(huì)比較高，這時(shí)可以認(rèn)為需要鄰小區(qū)進(jìn)行基站間協(xié)作。

1.3 動(dòng)態(tài)成簇協(xié)作的流程圖

動(dòng)態(tài)成簇協(xié)作方案的流程圖如圖2所示，首先采用移動(dòng)蜂窩小區(qū)系統(tǒng)建模方法初始化系統(tǒng)模型，然后利用大尺度衰落模型計(jì)算每個(gè)小區(qū)到其他相鄰小區(qū)之間的干擾并判斷是否需要相鄰基站進(jìn)行干擾協(xié)作，若不需要相鄰小區(qū)進(jìn)行干擾協(xié)作采用NE算法計(jì)算出預(yù)編碼矩陣，使系統(tǒng)合速率最大化；若需要?jiǎng)t動(dòng)態(tài)形成2小區(qū)或3小區(qū)的協(xié)作簇。形成協(xié)作簇后協(xié)作基站便對其與協(xié)作用戶之間的信道進(jìn)行信道衰落估計(jì)。獲得信道狀態(tài)信息之后便進(jìn)行協(xié)作預(yù)編碼計(jì)算出預(yù)編碼矩陣，可以根據(jù)獲得的信道狀態(tài)信息以及系統(tǒng)復(fù)雜度的權(quán)衡采用最大化VSINR算法或者采用最大化LVSINR算法，然后計(jì)算系統(tǒng)的合速率以及計(jì)算累計(jì)密度函數(shù)來進(jìn)行性能比較。

圖2 動(dòng)態(tài)協(xié)作簇方案仿真流程

2 分布式算法動(dòng)態(tài)成簇協(xié)作的仿真

分布式基站協(xié)作,基站間不需要相互連接，也不需要有控制單元存在?；局恍璜@得它到協(xié)作簇內(nèi)所有用戶信息到其到本基站，而不需要獲得其他基站到其用戶的信道信息，來進(jìn)行協(xié)作空域預(yù)編碼。分布式基站協(xié)作的算法包括：迫零算法、虛擬信干比[5]和層虛擬信干比[6]。

2.1 虛擬信干噪比算法動(dòng)態(tài)簇方案仿真

如式(1)所示，定義最大化發(fā)送端的到目標(biāo)用戶的信號(hào)和泄漏到非目標(biāo)用戶的干擾為目標(biāo)函數(shù)，最大化目標(biāo)函數(shù)來獲取預(yù)編碼矩陣。由于不是接收端的信干比，因此稱之為最大化虛擬信干噪比算法。

進(jìn)行動(dòng)態(tài)簇的基站協(xié)作仿真，對采用動(dòng)態(tài)協(xié)作簇算法的系統(tǒng)性能和沒有采用協(xié)作方案處于小區(qū)干擾場景的系統(tǒng)性能進(jìn)行比較，采用動(dòng)態(tài)簇的協(xié)作方案最大化虛擬信干比算法來比較系統(tǒng)性能提升如圖3所示。

圖3 虛擬信干噪比算法的動(dòng)態(tài)簇協(xié)作方案系統(tǒng)性能

圖3中橫軸是協(xié)作系統(tǒng)的信干噪比，縱軸是信干噪比的累計(jì)密度函數(shù)。其中Nt=3指代的曲線是系統(tǒng)發(fā)送天線的個(gè)數(shù)為3時(shí)進(jìn)行小區(qū)間動(dòng)態(tài)協(xié)作之后的系統(tǒng)性能，Nt=4指代的曲線是系統(tǒng)發(fā)送天線的個(gè)數(shù)為 4時(shí)進(jìn)行小區(qū)間動(dòng)態(tài)協(xié)作之后的系統(tǒng)性能，Interf所指代的曲線是沒有采用干擾協(xié)作而處于小區(qū)間干擾狀態(tài)下的系統(tǒng)性能。由圖 3可以看出采用最大化虛擬信干噪比算法的動(dòng)態(tài)簇協(xié)作方案可以給系統(tǒng)性能帶來相當(dāng)大的增益。而且系統(tǒng)的性能隨著系統(tǒng)的發(fā)送天線的增大而提高，這是由于發(fā)送天線的增大提高了信號(hào)空間的自由度。

2.2 層虛擬信干噪比算法動(dòng)態(tài)簇方案仿真

定義最大化發(fā)送端的到目標(biāo)用戶的信號(hào)和泄漏到非目標(biāo)用戶以及泄漏到其他層上的干擾為目標(biāo)函數(shù)，可以通過最大化目標(biāo)函數(shù)來獲取預(yù)編碼矩陣，這種計(jì)算預(yù)編碼矩陣的算法稱為最大化層虛擬信干噪比算法。如式(2)所示：

對采用動(dòng)態(tài)簇的協(xié)作方案和最大化層虛擬信干比算法系統(tǒng)性能進(jìn)行比較分析，采用動(dòng)態(tài)簇的協(xié)作方案最大化層虛擬信干比算法來比較系統(tǒng)性能的提升，如圖4所示。

圖4中橫軸是協(xié)作系統(tǒng)的信干噪比，縱軸是信干噪比的累計(jì)密度函數(shù)?？梢钥闯霾捎米畲蠡瘜犹摂M信干噪比算法的動(dòng)態(tài)簇協(xié)作方案可以給系統(tǒng)性能帶來相當(dāng)大的增益。而且系統(tǒng)的性能隨著系統(tǒng)的發(fā)送天線的增大而提高。

2.3 動(dòng)態(tài)簇協(xié)作在不同發(fā)送天線條件下的算法比較

前面分別對采用最大化虛擬信干噪比算法和最大化層虛擬信干噪比算法的動(dòng)態(tài)簇的系統(tǒng)系統(tǒng)性能的分析，接下來將比較這兩種算法在動(dòng)態(tài)簇方案下的系統(tǒng)性能提高程度。比較結(jié)果如圖5和圖6所示，圖5是基站發(fā)送天下為3時(shí)的小區(qū)間協(xié)作性能，圖6是基站發(fā)送天下為4時(shí)的小區(qū)間協(xié)作性能。

圖4 層虛擬信干噪比算法的動(dòng)態(tài)簇協(xié)作方案系統(tǒng)性能

圖5 天線動(dòng)態(tài)協(xié)作簇的系統(tǒng)性能比較

圖6 天線動(dòng)態(tài)協(xié)作簇的系統(tǒng)性能比較

圖5和圖6中橫軸U1,U2,…,U7分別表示7個(gè)小區(qū)中的用戶，縱軸是每個(gè)用戶的頻譜利用率。由圖5和圖6可以看到采用最大化層虛擬信干比的動(dòng)態(tài)簇協(xié)作協(xié)作方案和采用最大化虛擬信干比的動(dòng)態(tài)簇協(xié)作方案都能為這個(gè)7小區(qū)場景的性能帶來很大的提高。前者所帶來的提高相比后者要大，但是這需要協(xié)作基站間共享數(shù)據(jù)，會(huì)帶來系統(tǒng)信令開銷。二者都是以分布式的協(xié)作為基礎(chǔ)，因此相比集中式的協(xié)作需要共享實(shí)時(shí)信道信息的復(fù)雜性和信令開銷還是要相對較低。因此采用最大化層虛擬信干比的動(dòng)態(tài)簇協(xié)作還是采用最大化虛擬信干比的動(dòng)態(tài)簇協(xié)作取決于性能與復(fù)雜度的權(quán)衡。

3 結(jié)語

基于動(dòng)態(tài)簇的空域協(xié)作機(jī)制提出了一種新的空域協(xié)作方案，此方案根據(jù)用戶受到的干擾動(dòng)態(tài)地對相鄰小區(qū)基站進(jìn)行劃分成協(xié)作簇。同時(shí)對基于虛擬信干噪比算法和基于層虛擬信干噪比算法的動(dòng)態(tài)協(xié)作簇方案在不同預(yù)編碼算法和配置不同發(fā)送天線數(shù)目的條件下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明這種動(dòng)態(tài)協(xié)作簇的小區(qū)間干擾抑制方案可以有效地抑制小區(qū)間干擾，提高系統(tǒng)的性能，而且層虛擬信干噪比算法比虛擬信干噪比算法有更好的性能。

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