802.11ac無線網(wǎng)絡(luò)下行鏈路的干擾抑制

王　歡, 李　莉, 凌　峰, 王發(fā)展

(上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海 200234)

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802.11ac無線網(wǎng)絡(luò)下行鏈路的干擾抑制

王歡, 李莉, 凌峰, 王發(fā)展

(上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海 200234)

摘要:在802.11ac無線局域網(wǎng)絡(luò)中,無線智能設(shè)備(WID)需通過無線接入點(diǎn)(AP)連接到網(wǎng)絡(luò),下行傳輸過程中其他AP會(huì)對(duì)目標(biāo)WID造成干擾.提出采用基于迭代最小化均方誤差干擾對(duì)齊算法(IMMSE-IA),抑制其他AP對(duì)目標(biāo)WID的干擾.該方法通過對(duì)AP端和WID端分別進(jìn)行線性預(yù)編碼和后置編碼處理,在最小化均方誤差準(zhǔn)則和功率限制約束下,得到最優(yōu)預(yù)編碼和后置編碼.仿真結(jié)果表明:本方法在信噪比為5 dB情況下,單位帶寬傳輸速率相對(duì)于傳統(tǒng)最大化信干噪比算法求得的傳輸速率增加了1 bit/s.

關(guān)鍵詞:802.11ac; 無線接入點(diǎn); 線性預(yù)編碼; 后置編碼; IMMSE-IA算法; Mas-SINR算法

0引言

無線智能設(shè)備(WID)如智能手機(jī)、平板電腦等可通過無線接入點(diǎn)(AP)連接到無線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)中,獲得很多免費(fèi)應(yīng)用服務(wù),包括視頻數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)備份、操作系統(tǒng)或固件升級(jí)等.智能設(shè)備的增加就需要更多的無線接入點(diǎn).為了滿足人們對(duì)于無線網(wǎng)絡(luò)的需求及增強(qiáng)WLAN的平均吞吐率,IEEE 在802.11n基礎(chǔ)上推出了802.11ac標(biāo)準(zhǔn),它通過5 GHz頻帶進(jìn)行通信,理論上能夠提供最少1 Gbps帶寬進(jìn)行無線局域網(wǎng)通信,這樣WLAN中就能容納更多的WID.同時(shí),WID與AP采用多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)進(jìn)行通信,進(jìn)一步提高系統(tǒng)吞吐量.但802.11ac無線局域網(wǎng)絡(luò)中,WID通過AP連接到網(wǎng)絡(luò)后,下行傳輸過程中其他AP會(huì)對(duì)目標(biāo)WID造成干擾.

針對(duì)WLAN中下行鏈路的干擾問題,干擾對(duì)齊算法因能夠很好地消除多節(jié)點(diǎn)之間的干擾、提高無線頻譜使用率等優(yōu)點(diǎn)而獲得啟用.干擾對(duì)齊通過預(yù)編碼技術(shù)使干擾在接收端重疊在一起[1],以此來消除干擾,壓縮干擾所占的信號(hào)維度,使系統(tǒng)獲得最大自由度[2].此外,將MIMO技術(shù)應(yīng)用于WLAN下行鏈路的干擾網(wǎng)絡(luò)中,可以進(jìn)一步利用MIMO的復(fù)用增益來提高WLAN的吞吐量[3].文獻(xiàn)[4]中研究了多小區(qū)多用戶MIMO系統(tǒng)干擾消除問題,設(shè)置發(fā)送端線性預(yù)編碼,將其他用戶發(fā)射機(jī)的干擾信號(hào)對(duì)齊到接收機(jī)同一信號(hào)的子空間內(nèi),然后通過接收端后置編碼消除干擾,很好地解決了多用戶之間的干擾.專利[5]中提出了認(rèn)知MIMO系統(tǒng)二級(jí)預(yù)編碼設(shè)計(jì),很好解決了認(rèn)知用戶的干擾,利用MIMO通信提高了系統(tǒng)吞吐量.

文獻(xiàn)[6]在傳統(tǒng)最大化信干噪比干擾對(duì)齊算法基礎(chǔ)上,引入拉格朗日乘數(shù),列出拉格朗日目標(biāo)函數(shù),采用Karush-Kuhn-Tucker(KKT)優(yōu)化方法,在發(fā)送功率限制約束條件下,求出最小化均方誤差的預(yù)編碼和后置編碼,在不完全消除干擾的情況,最大化系統(tǒng)的吞吐量.文獻(xiàn)[7]在文獻(xiàn)[6]之上,結(jié)合牛頓迭代計(jì)算方法,迭代優(yōu)化線性預(yù)編碼和后置編碼.文獻(xiàn)[8]將最大化信干噪比等傳統(tǒng)的干擾對(duì)齊算法運(yùn)用到WLAN收發(fā)器中,分別對(duì)AP端和WID端設(shè)置線性預(yù)編碼和后置編碼,來消除它們之間的干擾,但發(fā)送端和接收端編碼相互之間沒有通過準(zhǔn)則聯(lián)系起來,而是單獨(dú)起作用.

本文作者針對(duì)802.11ac無線局域網(wǎng)絡(luò)中下行鏈路干擾問題,提出一種基于迭代最小化均方誤差干擾對(duì)齊算法,設(shè)計(jì)AP端線性預(yù)編碼和無線智能設(shè)備端后置編碼,在最小化均方誤差準(zhǔn)則和功率限制約束下,通過引入拉格朗日乘數(shù),列出拉格朗日目標(biāo)函數(shù),計(jì)算得到最優(yōu)預(yù)編碼和后置編碼.該算法既有效地抑制了其他AP對(duì)目標(biāo)WID的干擾,同時(shí)能夠提高AP的下行傳輸速率.

1系統(tǒng)模型

假定一個(gè)AP只接入一個(gè)WID.AP對(duì)WID的干擾信道模型如圖1所示,系統(tǒng)模型包含K個(gè)AP和K個(gè)WID,假設(shè)AP和WID都具備N根天線,同時(shí)設(shè)AP可以獲得完美信道狀態(tài)信息.WID連接到對(duì)應(yīng)的AP之后,AP對(duì)WID進(jìn)行下行鏈路通信,令sk是APk發(fā)送給WIDk的信號(hào)向量,維度是d×1,其中d表示信息比特?cái)?shù).對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行預(yù)編碼處理之后,WIDk接收到的信號(hào)電平y(tǒng)k可表示為:

(1)

(2)

其中,Uk是WIDk上的后置編碼,維度是N×d;上標(biāo)H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置.

圖1　802.11ac無線局域網(wǎng)中干擾信道模型

2基于迭代最小化均方誤差干擾對(duì)齊算法(IMMSE-IA)

針對(duì)WLAN中下行鏈路干擾問題,在AP端進(jìn)行線性預(yù)編碼和WID接收端進(jìn)行后置編碼處理的前提下,以最小化WID接收信號(hào)均方誤差為準(zhǔn)則和發(fā)送功率約束的條件下,引入拉格朗日乘數(shù)和列出拉格朗日目標(biāo)函數(shù)后,用迭代求值方法,得到預(yù)編碼矩陣Vk(k=1,…,K)和后置編碼矩陣Uk(k=1,…,K),抑制其他AP對(duì)目標(biāo)WID的干擾.算法目標(biāo)是抑制式(2)中等號(hào)右邊的第二項(xiàng)表示的干擾.

以WIDk作為研究對(duì)象,那么其均方誤差(MSE)可用如下表達(dá)式計(jì)算:

(3)

然后,優(yōu)化問題可以建模為:

(4)

通過引入APk的拉格朗日乘數(shù)λk,優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為求拉格朗日函數(shù)極值問題,如下所示:

(5)

分別對(duì)拉格朗日函數(shù)求預(yù)編碼矩陣Vk和后置編碼矩陣Uk的偏導(dǎo)數(shù),如下所示:

(6)

可以得到如下表達(dá)式:

(7)

(8)

由(7),(8)二式,可以看到,預(yù)編碼矩陣Vk表達(dá)式中包含后置編碼矩陣Uk,后置編碼Uk的表達(dá)式同樣包含預(yù)編碼矩陣Vk.對(duì)于這個(gè)問題,直接求解Vk、Uk很難求得.為了解決這一問題,采用迭代求值方法,具體步驟如下:

(1) 初始化預(yù)編碼矩陣Vk:按維度初始化為隨機(jī)矩陣;

(2) 把預(yù)編碼矩陣Vk代入式(8),計(jì)算出后置編碼矩陣Uk;

(4) 計(jì)算出WIDk的均方誤差MSEk;

(5) 重復(fù)步驟2、3、4,直至MSEk收斂,得到的Vk、Uk即為所求解;

獲得了預(yù)編碼矩陣Vk和后置編碼矩陣Uk之后,WIDk上的信干噪比(SINR)可表示如下:

(9)

此時(shí)所有客戶端(STA)的和速率為:

(10)

圖2顯示了WID的均方誤差與信噪比(SNR)關(guān)系曲線圖,對(duì)4個(gè)AP和4個(gè)WID的干擾信道模型進(jìn)行了仿真,AP和WID具備2根天線,從圖2可以看出,當(dāng)?shù)螖?shù)為16次時(shí),隨著SNR的增大,MSE的值趨近于0.1;而迭代次數(shù)為18次時(shí),SNR=20時(shí),MSE的值已經(jīng)小于0.1.此時(shí),繼續(xù)增加迭代次數(shù),只會(huì)增加運(yùn)算量且MSE至多趨近于0,意義不大.

圖2　接收端均方誤差與迭代次數(shù)關(guān)系圖

3仿真結(jié)果與分析

本節(jié)對(duì)IMMSE-IA進(jìn)行仿真.選取4個(gè)AP和4個(gè)WID,編號(hào)都為1,2,3,4;AP和WID都配備2根天線,即N=2,所有信道矩陣都服從高斯分布;以下行傳輸速率作為指標(biāo),總的發(fā)送功率限制為40mW,設(shè)定噪聲方差σ2=1.

將AP端的線性預(yù)編碼和WID端的后置編碼聯(lián)合在一起考慮,通過最小化均方誤差的準(zhǔn)則和功率限制約束下,得到最優(yōu)的線性預(yù)編碼和后置編碼,抑制其他AP端對(duì)目標(biāo)WID的干擾,仿真結(jié)果曲線是在迭代18次基礎(chǔ)上得出的;為了說明迭代最小化均方誤差算法提高和速率的效果,分別對(duì)文獻(xiàn)[7]中的最大化信干噪比的干擾對(duì)齊算法(Max-SINR)和不采用干擾對(duì)齊算法(IA)進(jìn)行仿真,得到3種方法的比較圖,如圖3所示.

圖3　3種干擾對(duì)齊算法性能比較

從圖3中可以看到,隨著SNR的增大,WLAN系統(tǒng)的和速率增大,說明干擾得到了良好的抑制,采用IMMSE-IA時(shí),系統(tǒng)的和速率明顯高于文獻(xiàn)[7]采用的傳統(tǒng)Max-SINR,因文獻(xiàn)[7]沒有將收發(fā)端的編碼聯(lián)合在一起進(jìn)行考慮,而是分割開來,各自發(fā)揮作用,作用有限.

為表述簡(jiǎn)潔,用[K,N]表示W(wǎng)LAN中共有K個(gè)AP和4個(gè)WID,AP和WID都配備N根天線;注意到[2,2]與[4,2]二種不同配置下,2條曲線相交.在相同的天線數(shù)下,當(dāng)總發(fā)送功率一定時(shí),增加用戶數(shù),由于AP的發(fā)送功率降低,在信噪比小于0時(shí),導(dǎo)致4AP和WID的和速率低于2AP主WID的和速率.同時(shí),觀察[4,2]發(fā)現(xiàn)其和速率低于[3,2],在SNR等于10dB時(shí),配置為[3,2]的和速率相較于配置為[4,2],提高了0.4bit/s,說明在發(fā)送功率約束條件下,用戶不是越多越好,越多相應(yīng)的干擾也會(huì)越多,導(dǎo)致和速率下降.

圖4　不同配置條件下系統(tǒng)和速率

4總結(jié)

本文作者研究了WLAN中下行鏈路干擾抑制問題,在文獻(xiàn)[6]方法的基礎(chǔ)上,采用更為復(fù)雜但效果更好的IMMSE-IA,該方法將AP端和WID端通過編碼聯(lián)系在一起,協(xié)作抑制其他AP對(duì)目標(biāo)WID的干擾,而不是文獻(xiàn)[7]中所述的AP端和WID端之間割裂開來,各自發(fā)揮作用.假設(shè)已知信道狀態(tài)信息和總發(fā)送功率的情況下,對(duì)AP端設(shè)置線性預(yù)編碼和WID端設(shè)置后置編碼,通過最小化接收端均方誤差,采用迭代求值的方法,得到最優(yōu)預(yù)編碼和后置編碼.仿真結(jié)果表明:在信噪比為5dB情況下,采用的方法單位帶寬傳輸速率相對(duì)于傳統(tǒng)最大化信干噪比算法所得傳輸速率,可以增加1bit/s.

本算法接收端需獲得完美的信道反饋,當(dāng)選取4AP和4WID時(shí),該算法需要花費(fèi)時(shí)間大約是傳統(tǒng)最大化信干噪比算法的3倍,當(dāng)系統(tǒng)接入更多WID時(shí),其計(jì)算量更加繁重;而且算法沒有完全消除干擾,隨著WID的增加,干擾累積,對(duì)WID會(huì)造成更大影響.

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(責(zé)任編輯：包震宇)

Downlink interference suppression of 802.11ac wireless network

WANG Huan, LI Li, LING Feng, WANG Fazhan

(College of Information,Mechnical and Electrical Engineering,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China)

Abstract:In the 802.11ac wireless local area network,wireless intelligent devices(WID) need to be connected to the network through the wireless access point(AP),and other wireless APs in the downlink transmission process will cause interference to the target WID.In this paper,we propose a method based on iterative minimum mean square error interference alignment,which can suppress the interference from the other wireless APs to the target WIDs.The wireless access terminal and wireless smart devices have designed linear precode and decode respectively.Under the minimum mean square error criterion and limitation the power constraint,optimal precode and decode can be received.Simulation results show that the proposed method,when the signal to noise ratio is 5 dB,the transmission rate of the unit bandwidth transmission rate is increased by 1 bit/s compared with the traditional Max-SINR algorithm.

Key words:802.11ac; wireless access point; linear precode; decode; iterative minimum mean square error interference alignment algorithm; Max-SINR algorithm

中圖分類號(hào):TN 929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1000-5137(2016)02-0155-06

通信作者:李莉,中國(guó)上海市徐匯區(qū)桂林路100號(hào),上海師范大學(xué)信息與機(jī)電工程學(xué)院,郵編:200234,E-mail:lilyxuan@shnu.edu.cn

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61503251)

收稿日期:2016-01-06