干擾管理——提升無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)性能的核心技術(shù)

摘要： 文章闡述了無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)干擾管理的實(shí)現(xiàn)方法，該方法通過(guò)對(duì)干擾進(jìn)行多維建模，利用多種干擾管理技術(shù)，并結(jié)合資源管理手段，最終實(shí)現(xiàn)干擾的智能動(dòng)態(tài)聯(lián)合管理。干擾管理作為提升無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的核心技術(shù)，將成為緩解資源供需矛盾、有效規(guī)避或利用干擾、實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)性能持續(xù)改進(jìn)的重要手段。

關(guān)鍵詞： 干擾建模；干擾管理；資源管理；干擾協(xié)調(diào)

Abstract： In this paper， we discuss interference management in wireless networks. We propose a method for intelligent and dynamic interference management. This method involves modeling multidimensional interference and exploiting interference management techniques， when combine with resource management， interference management is necessary to improve wireless network performance and is important for alleviating resource shortages. It avoids or uses interference and continuously improves network performance.

Key words： interference modeling； interference management； resource management； interference alignment

隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的快速發(fā)展，人們正在通過(guò)多種類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)接入手段（2G，3G，LTE，WiFi，WiMax）等，享受著豐富多彩的信息服務(wù)。用戶(hù)擁有的無(wú)線(xiàn)終端數(shù)量以及用戶(hù)周?chē)蛇x擇的網(wǎng)絡(luò)種類(lèi)也在大幅度的提升，新的接入手段（如4G、IEEE 802.11ac/ad、中國(guó)新一代無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)）正在不斷涌現(xiàn)，用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)速率和服務(wù)質(zhì)量的需求也越來(lái)越高。人們?cè)谔剿鞲咚俾蕚鬏旙w制的同時(shí)，也更加注重?zé)o線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)性能的提高，比如：網(wǎng)絡(luò)容量提升、蜂窩小區(qū)邊緣用戶(hù)的性能改善、宏小區(qū)/femtocell之間的干擾規(guī)避，無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中干擾協(xié)調(diào)。由于實(shí)際的用戶(hù)通信受到可支配資源的制約，并且不同用戶(hù)資源使用中的沖突將導(dǎo)致各種各樣的干擾，因此無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的干擾管理、干擾對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量的影響以及如何通過(guò)干擾管理改善網(wǎng)絡(luò)容量在未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)發(fā)展中具有重要的研究意義。

未來(lái)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu)如圖1所示。未來(lái)無(wú)線(xiàn)內(nèi)容將是分層的蜂窩結(jié)構(gòu)+ad hoc+認(rèn)知。分層的蜂窩結(jié)構(gòu)（宏蜂窩/微蜂窩/微微蜂窩/femtocell）可以適應(yīng)不同的用戶(hù)密度，并且采用ad hoc方式能夠?yàn)橛脩?hù)提供靈活的接入。認(rèn)知技術(shù)則是提高資源利用效率的有效手段。

宏蜂窩之間、宏蜂窩與Femtocell之間、中繼傳輸之間、宏蜂窩與ad hoc網(wǎng)絡(luò)之間的干擾已成為限制無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)性能的重要因素。早期的干擾管理手段非常有限，造成這一結(jié)果的原因一方面是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單，干擾問(wèn)題還不是影響系統(tǒng)性能的瓶頸；另一方面是干擾并未得到全面準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。傳統(tǒng)的干擾管理方法包括功率控制、頻率復(fù)用、信號(hào)處理等。隨著無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的多樣化和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，以及多種新型通信技術(shù)的應(yīng)用，干擾問(wèn)題也變得越來(lái)越復(fù)雜，與多輸入多輸出（MIMO）、正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）、協(xié)作、認(rèn)知等技術(shù)相結(jié)合的干擾管理方面的研究近年來(lái)得到了廣泛重視，如何通過(guò)干擾管理改善無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信性能已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)心的問(wèn)題。

1 干擾的建模與評(píng)估

為了進(jìn)行干擾管理，首先應(yīng)準(zhǔn)確地刻畫(huà)干擾。在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，干擾有信息并有特定的結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有功率、頻率和時(shí)間這些基本特征，隨著OFDM、MIMO、協(xié)作、認(rèn)知等技術(shù)的引入，干擾的頻譜特征復(fù)雜化的同時(shí)，還增加了空間、波束、極化方向等新的特征，因此干擾具有多維度的特點(diǎn)。例如：采用OFDM技術(shù)，需要刻畫(huà)干擾在多個(gè)子載波上的分布；MIMO技術(shù)的使用，增加了干擾波束的空間方向信息；協(xié)作場(chǎng)景中的干擾依賴(lài)于用戶(hù)之間的關(guān)系；認(rèn)知技術(shù)的引入將產(chǎn)生由于用戶(hù)優(yōu)先級(jí)不同而導(dǎo)致的非對(duì)稱(chēng)干擾問(wèn)題。此外，在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的分析、優(yōu)化以及接入、調(diào)度和路由機(jī)制設(shè)計(jì)中，常常需要通過(guò)抽象對(duì)無(wú)線(xiàn)信道干擾進(jìn)行建模[1]，而準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)干擾是進(jìn)行合理抽象的基礎(chǔ)。

對(duì)于無(wú)線(xiàn)傳輸鏈路，可以通過(guò)構(gòu)造干擾圖或干擾矩陣實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的建模。特定的通信技術(shù)和信號(hào)傳輸方式也會(huì)給干擾帶來(lái)新的特征，如MIMO，由于多天線(xiàn)及聯(lián)合處理導(dǎo)致的信號(hào)空間特征，需要根據(jù)不同的數(shù)據(jù)傳輸之間的空間相關(guān)度對(duì)共道干擾進(jìn)行定量評(píng)估。此外，在分層次的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，干擾的刻畫(huà)與建模也需要根據(jù)具體的干擾管理需求在不同的層面上進(jìn)行。

采用上述干擾建模的思想，結(jié)合未來(lái)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，從多個(gè)維度（時(shí)間、頻率、功率、用戶(hù)行為、業(yè)務(wù)流特性、網(wǎng)絡(luò)特性等）描述無(wú)線(xiàn)干擾的特征，并以不同的干擾參數(shù)作為不同的坐標(biāo)方向，研究人員建立了完善的網(wǎng)絡(luò)干擾表征與評(píng)價(jià)機(jī)制，并總結(jié)形成了具體的干擾空間描述以及干擾的運(yùn)算規(guī)則，為設(shè)計(jì)具體的干擾管理方法與管理結(jié)構(gòu)，改善網(wǎng)絡(luò)性能提供依據(jù)。

2 干擾與資源的聯(lián)合管理

資源的有效管理是現(xiàn)行無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)技術(shù)。干擾管理與資源管理存在密不可分的聯(lián)系。干擾的產(chǎn)生源于資源分配的非理想性，并且干擾就是對(duì)資源的沖突使用。當(dāng)多組通信鏈路共享相同域（頻率、時(shí)間、空間）的資源時(shí)，它們之間的相互干擾將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)和網(wǎng)絡(luò)性能的惡化。傳統(tǒng)的干擾管理將干擾視為不利因素，通過(guò)設(shè)計(jì)各種資源規(guī)劃、分配及調(diào)度機(jī)制實(shí)現(xiàn)干擾的消除或抑制。雖然這些方式能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)干擾的管理，但同時(shí)也降低了資源的使用效率。

隨著研究的深入，人們考慮通過(guò)有效利用干擾，將其作為可用資源的一部分加以對(duì)待。例如，網(wǎng)絡(luò)編碼正是在重新認(rèn)識(shí)干擾的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種重要技術(shù)，通過(guò)巧妙地利用無(wú)線(xiàn)干擾，可以提高傳輸速率，改善網(wǎng)絡(luò)性能。文獻(xiàn)[2]利用干擾信息設(shè)計(jì)調(diào)度、路由機(jī)制，獲得通信性能的提升。

圖2描述了干擾管理與資源管理的關(guān)系。對(duì)于無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)，其資源分配策略存在非理想性，主要表現(xiàn)在會(huì)出現(xiàn)各種各樣的干擾問(wèn)題，以及以犧牲資源利用率為代價(jià)的干擾規(guī)避技術(shù)可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)容量的降低。因此，需要綜合研究資源的全局動(dòng)態(tài)利用和干擾的管理，在二者之間進(jìn)行合理折衷。一方面，從資源分配的角度，提升資源利用的合理性，抑制非合理因素，為網(wǎng)絡(luò)容量提供增量；另一方面，通過(guò)對(duì)干擾狀態(tài)信息的利用，對(duì)資源分配策略進(jìn)行新的設(shè)計(jì)，助益于網(wǎng)絡(luò)容量。

為了進(jìn)行聯(lián)合管理，可以采用效用函數(shù)作為衡量指標(biāo)。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，將多種干擾管理機(jī)制帶來(lái)的效用納入到效用函數(shù)中，從而包含與傳統(tǒng)的傳輸容量相比更多的因素，這可以作為實(shí)現(xiàn)干擾與資源聯(lián)合管理的一種思路。

3 智能動(dòng)態(tài)的干擾管理機(jī)制

目前可用于4G標(biāo)準(zhǔn)的干擾管理技術(shù)包括頻率復(fù)用、功率控制以及智能天線(xiàn)等。歐盟啟動(dòng)了FP7項(xiàng)目ARTIST4G，深入研究未來(lái)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的干擾問(wèn)題[3]。對(duì)于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，單一的干擾管理模式無(wú)法獲得最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)性能，因此聯(lián)合使用多種干擾管理方式才能最大化網(wǎng)絡(luò)性能。美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)的Thomas Hou教授研究了通過(guò)聯(lián)合使用串行干擾消除和干擾避免的方式提升多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的性能[4]。美國(guó)麻省理工學(xué)院的Dina Katabi教授通過(guò)聯(lián)合使用干擾協(xié)調(diào)和干擾消除技術(shù)提高了802.11n網(wǎng)絡(luò)的性能[5]。歐盟FP7項(xiàng)目ARTIST4G的研究人員也提出了將干擾避免與干擾利用相結(jié)合的理論。

3GPP對(duì)小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)（ICIC）進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，在Release 8-11中均提出了不同的增強(qiáng)技術(shù)，從ICIC到eICIC再到FeICIC等，如表1所示。此外，從Release 12的發(fā)展動(dòng)態(tài)中可以看出，在干擾管理方面一個(gè)很有潛力的研究領(lǐng)域就是收發(fā)端的聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題。

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的干擾環(huán)境具有動(dòng)態(tài)特征，一方面源于網(wǎng)絡(luò)本身，另一方面可能來(lái)自干擾管理行為。干擾環(huán)境的改變作用于干擾模型，而后者對(duì)接入、調(diào)度、路由等算法的性能有重要影響；反過(guò)來(lái)干擾管理機(jī)制的執(zhí)行又會(huì)導(dǎo)致干擾的動(dòng)態(tài)性和不確定性。因此，干擾管理與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的關(guān)系不是靜態(tài)、單向的，而是存在著反饋與互動(dòng)。干擾環(huán)境作為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的組成部分影響了可獲得的干擾信息，干擾模型是通過(guò)對(duì)干擾信息的加工處理得到的，不同層次的干擾模型決定了相應(yīng)的管理策略，而干擾管理行為又會(huì)導(dǎo)致干擾環(huán)境的變化，進(jìn)而重新作用于干擾管理策略的設(shè)計(jì)。因此，從這一相互關(guān)系出發(fā)，結(jié)合協(xié)作、認(rèn)知、資源管理等技術(shù)手段，設(shè)計(jì)智能動(dòng)態(tài)的干擾管理機(jī)制或?qū)⒊蔀槲磥?lái)研究的重點(diǎn)。

圖3給出了智能的動(dòng)態(tài)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)干擾管理體系。干擾感知模塊負(fù)責(zé)對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)干擾環(huán)境進(jìn)行感知，從而獲得干擾的分布特征，并利用干擾的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，形成描述干擾狀態(tài)的具體信息。干擾管理決策在干擾管理方法庫(kù)和干擾管理融合策略的支持下實(shí)現(xiàn)，前者包含了若干可采用的干擾管理方式，如干擾避免、干擾拒絕、干擾消除、干擾協(xié)調(diào)等，后者通過(guò)智能算法，產(chǎn)生融合的干擾管理策略，并對(duì)采用該策略后的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。執(zhí)行模塊根據(jù)決策在網(wǎng)絡(luò)和/或終端側(cè)進(jìn)行資源配置和信號(hào)處理等。干擾管理行為作用于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，影響干擾感知模塊開(kāi)展新一輪的狀態(tài)感知，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行評(píng)估。我們需要進(jìn)一步利用學(xué)習(xí)機(jī)制，獲得當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)性能與預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)性能的差異，以此作為干擾管理融合策略等的更新與修正依據(jù)，從而使干擾管理具有動(dòng)態(tài)環(huán)境適變的特點(diǎn)。

在各種干擾管理機(jī)制中，干擾協(xié)調(diào)（IA）是一種比較新穎并受到廣泛關(guān)注的方法，它借助信號(hào)處理手段，在發(fā)射端構(gòu)造發(fā)射向量，將接收機(jī)收到的干擾信號(hào)協(xié)調(diào)到特定的子空間中，從而使更多的自由度用于傳輸期望信號(hào)。IA最初是由Maddah-Ali等[6]在研究MIMO X信道的自由度時(shí)給出，隨后Cadambe和Jafar[7]在由K對(duì)用戶(hù)組成的干擾信道中應(yīng)用了IA技術(shù)，并得到了相應(yīng)的自由度結(jié)論。目前對(duì)于IA的研究已經(jīng)擴(kuò)展到“X”網(wǎng)絡(luò)、蜂窩網(wǎng)等。IA本質(zhì)上是利用特定發(fā)射方式導(dǎo)致的干擾的結(jié)構(gòu)化特征，并通過(guò)適當(dāng)?shù)男畔⒔换?shí)現(xiàn)多個(gè)數(shù)據(jù)流的傳輸，相關(guān)設(shè)計(jì)可以嘗試在多個(gè)域（如時(shí)間、空間、碼字等）中獨(dú)立或聯(lián)合進(jìn)行。通過(guò)將IA與其他干擾管理方法相結(jié)合，如干擾消除（IC），網(wǎng)絡(luò)通信性能可以得到進(jìn)一步的提升[5]。此外，在協(xié)作多點(diǎn)傳輸（CoMP）方面，基于IA（IC）的設(shè)計(jì)也能夠?yàn)榻鉀Q小區(qū)間干擾，改善小區(qū)邊緣用戶(hù)的性能提供新穎的設(shè)計(jì)思路。對(duì)于認(rèn)知通信，IA（IC）技術(shù)同樣可以為干擾的有效管理，資源使用效率的提升提供幫助。

4 干擾管理與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量

干擾管理作為改善網(wǎng)絡(luò)性能的重要手段，其與網(wǎng)絡(luò)容量的關(guān)系具有十分重要的研究意義，相關(guān)工作可以對(duì)具體的干擾管理方法設(shè)計(jì)與評(píng)估起到指導(dǎo)作用。

在未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)中，頻譜利用和用戶(hù)決策行為的動(dòng)態(tài)性，通信業(yè)務(wù)種類(lèi)及其性能需求的多樣性，以及多用戶(hù)之間存在競(jìng)爭(zhēng)、協(xié)作、信息交互等行為都將使網(wǎng)絡(luò)容量的分析變得復(fù)雜并具有挑戰(zhàn)性。經(jīng)典的信息理論在通信發(fā)展過(guò)程中起到了巨大的推進(jìn)作用，但隨著通信技術(shù)的不斷進(jìn)步和新型無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的出現(xiàn)，無(wú)法使用經(jīng)典信息理論去分析這些新型網(wǎng)絡(luò)的容量。為了進(jìn)行基于干擾管理的容量域分析，一方面需要準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)容量定義，可以參考近年來(lái)出現(xiàn)的注水容量、安全/行為容量、后香農(nóng)容量以及認(rèn)知干擾信道容量等；另一方面需要借助有效的分析方法[7]。以無(wú)線(xiàn)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)為例，文獻(xiàn)[8]建立了經(jīng)典的自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型，給出了用于分析無(wú)線(xiàn)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)容量的理論基礎(chǔ)，提出了無(wú)線(xiàn)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的兩種容量定義，其中傳送容量的定義首次將無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量與傳輸距離聯(lián)系起來(lái)，在自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)容量研究領(lǐng)域具有里程碑意義。在容量域分析方面，多用戶(hù)信息論中的干擾信道容量域問(wèn)題已經(jīng)提出了近50年，目前為止已知的最佳速率域由Han和Kobayashi在1981年提出[9]，Tse等人[10-11]對(duì)干擾信道信息傳輸限以及協(xié)作體制下的干擾管理和容量域也進(jìn)行了深入探索。此外，博弈理論以其在處理多用戶(hù)的資源競(jìng)爭(zhēng)與分配方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，受到了廣泛關(guān)注。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，干擾問(wèn)題已成為制約網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素。利用干擾的結(jié)構(gòu)化特征，實(shí)現(xiàn)干擾的多維度建模，探索干擾管理與資源管理的有機(jī)融合，設(shè)計(jì)與無(wú)線(xiàn)環(huán)境相適配的智能的動(dòng)態(tài)管理機(jī)制，獲得干擾管理與網(wǎng)絡(luò)容量關(guān)系，將成為緩解資源供需矛盾、有效規(guī)避或利用干擾、實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)性能持續(xù)改進(jìn)的重要思路，能夠?yàn)闊o(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供支持。

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