異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中下行鏈路的干擾抑制研究

王 歡, 李 莉, 江 楠, 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)

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中下行鏈路的干擾抑制研究

王 歡, 李 莉, 江 楠, 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)

針對(duì)蜂窩網(wǎng)與無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)共存的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)干擾問(wèn)題,提出一種干擾抑制方案:在發(fā)送端加設(shè)預(yù)編碼矩陣,最大化期望信號(hào)強(qiáng)度,減小干擾信號(hào)強(qiáng)度;在接收端加設(shè)干擾抑制編碼矩陣,抑制蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站對(duì)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)用戶(hù)設(shè)備的干擾及無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)(AP)對(duì)非期望用戶(hù)設(shè)備的干擾.仿真結(jié)果表明:該方案可以抑制異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下行鏈路的干擾問(wèn)題,提高異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)的傳輸速率.

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò); 預(yù)編碼矩陣; 干擾抑制矩陣; 無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)

0 引 言

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中涵蓋二種或二種以上無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò),能夠發(fā)揮各自網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì),被認(rèn)為是一種很有前景的新型網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型.然而,異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中蜂窩網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)重復(fù)使用相同的頻譜資源,用戶(hù)設(shè)備間會(huì)產(chǎn)生同信道干擾,是提高異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率的主要瓶頸.此外,隨著用戶(hù)的增加,經(jīng)典的基于頻率/空間復(fù)用和功率控制的技術(shù)無(wú)法應(yīng)對(duì)額外的干擾[1-2].

為解決同信道干擾,研究者提出了各種干擾管理技術(shù).其中,干擾對(duì)齊技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了更高的容量,而且還降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性,能有效抑制干擾.波束成形預(yù)編碼作為一種干擾對(duì)齊技術(shù),是指在接收端采取可分離的方式選擇所需信號(hào),其干擾信號(hào)是對(duì)齊的,即干擾矢量投射重疊[3].Oh等[4]介紹了一種在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中多用戶(hù)多進(jìn)多出 (MIMO)信道的收發(fā)器編解碼設(shè)計(jì)方案,在發(fā)送端設(shè)置波束成形預(yù)編碼,在接收端求取用戶(hù)接收到的干擾矩陣,設(shè)計(jì)解碼最大化抑制干擾.Niu等[5]解決了微小區(qū)(microcell)與微微小區(qū)(picocell)共存異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中用戶(hù)間干擾問(wèn)題,提出一種基于干擾對(duì)齊的比特分配方案,有效減少了接收天線(xiàn)約束,提高異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量,缺點(diǎn)是沒(méi)有考慮微微小區(qū)用戶(hù)干擾消除.Aziz等[6]將發(fā)送端預(yù)編碼設(shè)計(jì)與用戶(hù)選擇結(jié)合在一起,提出一種新方案解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下用戶(hù)間干擾問(wèn)題.Shin等[7]提出分層多級(jí)干擾對(duì)齊,將系統(tǒng)獲取預(yù)編碼矩陣過(guò)程分為多個(gè)階段.Lee等[8]和Tang等[9]皆考慮2個(gè)小區(qū)間多信道間用戶(hù)的干擾問(wèn)題,其中[9]通過(guò)采用量化的預(yù)編碼矩陣代替量化信道矩陣,與[8]對(duì)比,[9]可以顯著減少信道反饋數(shù)據(jù)量.楊敬文等[10]研究毫微微蜂窩網(wǎng)絡(luò)與宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,提出了一種雙層預(yù)編碼方案,可提高毫微微蜂窩網(wǎng)絡(luò)的吞吐量.

上述干擾對(duì)齊方案作用的場(chǎng)景中,收發(fā)端編解碼大都通過(guò)準(zhǔn)則協(xié)作獲取,如[10]采用的最小化均方誤差(MMSE)算法,預(yù)編碼矩陣及干擾抑制矩陣是在MMSE準(zhǔn)則下獲取的.當(dāng)需要抑制蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站對(duì)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)用戶(hù)設(shè)備的干擾及AP對(duì)非期望用戶(hù)設(shè)備的干擾,且AP只作用于覆蓋范圍內(nèi)用戶(hù)時(shí),采用上述方法無(wú)法同時(shí)解決兩種干擾.基于[4],本文作者在發(fā)送端加設(shè)基于干擾對(duì)齊的最大化信號(hào)泄漏比(Max-SLNR)預(yù)編碼,并在接收端加設(shè)干擾抑制矩陣,用干擾抑制矩陣抑制接收到的干擾,提高用戶(hù)的平均傳輸速率.此外,為說(shuō)明Max-SLNR預(yù)編碼的效果,特在發(fā)送端設(shè)計(jì)迫零(ZF)預(yù)編碼,與其作對(duì)比,得出優(yōu)劣.

1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

圖1為多個(gè)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共同覆蓋下的小區(qū)示意圖,蜂窩基站覆蓋整個(gè)小區(qū),無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)處于小區(qū)之內(nèi)且覆蓋范圍小于蜂窩基站覆蓋范圍.蜂窩用戶(hù)隨機(jī)分布在蜂窩基站覆蓋范圍之內(nèi),無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)均有多個(gè)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)用戶(hù)與無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)(AP)進(jìn)行通信,無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)用戶(hù)位置局限在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi),只與無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)進(jìn)行通信.

圖1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)覆蓋示意圖

圖2為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中下行鏈路的干擾模型圖,設(shè)定在該通信場(chǎng)景內(nèi)擁有1個(gè)蜂窩基站,記為BS1,K-1個(gè)無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn),記為APj(j=2,3,…,K);T個(gè)蜂窩用戶(hù)設(shè)備(CUE[1,1],…,CUE[T,1])與一個(gè)蜂窩基站進(jìn)行通信,無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中每個(gè)APj對(duì)應(yīng)L個(gè)用戶(hù)設(shè)備(UE[1,j],…,UE[L,j]);其中BS1、APj都具有N個(gè)發(fā)射天線(xiàn).

圖2 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中下行鏈路的干擾模型

此通信場(chǎng)景中干擾主要來(lái)自:1)BS1發(fā)射信號(hào)對(duì)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)用戶(hù)設(shè)備的干擾;2)AP發(fā)射信號(hào)對(duì)非期望用戶(hù)設(shè)備的干擾.令xij是APj發(fā)給WLAN中用戶(hù)設(shè)備UE[i,j]的信號(hào)向量,維度是N×1;xt1是BS1發(fā)給蜂窩用戶(hù)設(shè)備CUE[t,1]的信號(hào)向量,維度是N×1.對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行預(yù)編碼處理之后,UE[i,j]接收到的信號(hào)電平為

(1)

式中Hij是APj與UE[i,j]之間的信道矩陣,維度為N×N;Vij是APj對(duì)UE[i,j]發(fā)送信號(hào)的預(yù)編碼矩陣,維度為N×N.nij是UE[i,j]接收到的環(huán)境噪聲,維度為N×1,服從均值為0的高斯分布,E(nijnijH)=σ2I,I為N階單位矩陣.

對(duì)UE[i,j]接收端進(jìn)行干擾抑制處理后,接收到的信號(hào)電平為

(2)

2 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)干擾抑制算法

本節(jié)介紹異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中下行鏈路的干擾抑制算法,算法分為兩部分:1)在發(fā)送端加設(shè)預(yù)編碼矩陣,最大化期望信號(hào)強(qiáng)度,減小干擾信號(hào)強(qiáng)度;2)在接收端加設(shè)干擾抑制矩陣,抑制干擾,提高用戶(hù)傳輸速率.該方法產(chǎn)生的預(yù)編碼矩陣及干擾抑制矩陣之間無(wú)需通過(guò)準(zhǔn)則聯(lián)系,各自在其作用端進(jìn)行設(shè)計(jì).

2.1 預(yù)編碼矩陣設(shè)計(jì)

Max-SLNR預(yù)編碼方案解決了[4]中場(chǎng)景的干擾,效果優(yōu)于文獻(xiàn)中其他編碼.為解決本文場(chǎng)景中干擾問(wèn)題,特在用戶(hù)發(fā)送端加設(shè)Max-SLNR預(yù)編碼,而因ZF預(yù)編碼易于實(shí)現(xiàn)且復(fù)雜度低,作為參照對(duì)象.Max-SLNR預(yù)編碼和ZF預(yù)編碼原理如下:

1)Max-SLNR預(yù)編碼:設(shè)計(jì)發(fā)送端預(yù)編碼矩陣Vij為SLNR預(yù)編碼矩陣的最大特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量,則APj給UE[i,j]發(fā)送信號(hào)的預(yù)編碼Vij為

(3)

式中eigvec(·)是求矩陣特征值的特征向量運(yùn)算,Hij是APj到UE[i,j]之間的信道矩陣,σ2是信號(hào)噪聲的方差.

(4)

(5)

此時(shí),APj給UE[i,j]發(fā)送信號(hào)的ZF預(yù)編碼為

(6)

式中null(,)為矩陣正交運(yùn)算.

2.2 干擾抑制矩陣設(shè)計(jì)

干擾抑制矩陣作用于接收端,旨在最小化接收到的干擾信號(hào).BS1發(fā)送信號(hào)對(duì)WLAN內(nèi)用戶(hù)設(shè)備造成的干擾,稱(chēng)為跨層干擾(Inter-interference);WLAN內(nèi)下行鏈路間干擾,稱(chēng)為同層干擾(Intra-interference).用戶(hù)UE[i,j]接收到的同層干擾矩陣為

(7)

用戶(hù)UE[i,j]接收到的跨層干擾矩陣為

(8)

由(7)、(8)式用戶(hù)UE[i,j]接收到的干擾矩陣為:

(9)

將用戶(hù)UE[i,j]干擾矩陣乘以其轉(zhuǎn)置矩陣,然后求取它們的最小特征值對(duì)應(yīng)的特征向量,即用戶(hù)UE[i,j]的干擾抑制矩陣為:

(10)

至此,異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送端預(yù)編碼矩陣及接收端干擾抑制矩陣都已求出,下一節(jié)將通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證算法的效果.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本節(jié)對(duì)所提算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證.具體場(chǎng)景中含有一個(gè)蜂窩基站BS1,對(duì)應(yīng)2個(gè)CUE;3個(gè)AP,分別為AP2、AP3、AP4,每個(gè)AP對(duì)應(yīng)2個(gè)UE;用戶(hù)(CUE、UE)、BS、AP都配備4根天線(xiàn);所有信道矩陣都服從高斯分布;噪聲方差σ2=1;以下行傳輸速率為指標(biāo),用戶(hù)UE[i,j]傳輸速率為

(11)

式中ρ表示信干噪比(SNR),ρ=P/σ2,P為發(fā)射功率

圖3為Max-SLNR預(yù)編碼的誤比特率(BER)性能曲線(xiàn)圖,此仿真旨在說(shuō)明Max-SLNR預(yù)編碼性能,與算法中2.2節(jié)的干擾抑制矩陣無(wú)關(guān).為說(shuō)明Max-SLNR預(yù)編碼的BER性能,與MMSE預(yù)編碼及ZF預(yù)編碼對(duì)比,從曲線(xiàn)走勢(shì)可知,隨著ρ的增加,Max-SLNR預(yù)編碼的BER性能指標(biāo)優(yōu)于其他兩種預(yù)編碼.

分別采用Max-SLNR預(yù)編碼及ZF預(yù)編碼,對(duì)用戶(hù)的平均傳輸速率性能進(jìn)行了仿真,結(jié)果如圖4所示.隨著ρ的增大,用戶(hù)獲得的平均傳輸速率逐步增大,表明干擾得到良好的抑制.由圖4可知,相同ρ情況下,采用Max-SLNR預(yù)編碼的性能優(yōu)于采用ZF預(yù)編碼,當(dāng)ρ=10dB時(shí),采用Max-SLNR預(yù)編碼的平均傳輸速率比采用ZF預(yù)編碼的高0.6bit/s.

圖3 Max-SLNR預(yù)編碼的BER性能

圖4 采用Max-SLNR預(yù)編碼與ZF預(yù)編碼的平均傳輸速率對(duì)比

圖5 系統(tǒng)中AP數(shù)目與平均傳輸速率關(guān)系圖

圖5為系統(tǒng)中AP數(shù)量與平均傳輸速率的曲線(xiàn)關(guān)系圖,仿真參數(shù)默認(rèn)BS及AP都分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)CUE及UE.從圖5可知,當(dāng)ρ=10dB,AP數(shù)量為1與3時(shí),用戶(hù)平均傳輸速率相差0.25bit/s,說(shuō)明增加AP數(shù)目方案仍能有效抑制干擾.綜上可知,所述場(chǎng)景中用戶(hù)UE傳輸速率與預(yù)編碼矩陣和干擾抑制矩陣相關(guān),與AP數(shù)目無(wú)關(guān).

4 總 結(jié)

提出了一種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中下行鏈路的干擾抑制算法,在發(fā)送端采用預(yù)編碼技術(shù),然后將同層干擾矩陣及跨層干擾矩陣合并成干擾矩陣,最后在接收端加設(shè)干擾抑制矩陣加以抑制.該方法很好地解決了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中下行鏈路的干擾問(wèn)題,當(dāng)SNR為10dB時(shí),在發(fā)送端采用Max-SLNR預(yù)編碼的平均傳輸速率比采用ZF預(yù)編碼的高0.6bit/s.且無(wú)需考慮天線(xiàn)數(shù)目對(duì)干擾對(duì)齊的約束,預(yù)編碼矩陣與干擾抑制矩陣也不需通過(guò)準(zhǔn)則聯(lián)系起來(lái),求取最優(yōu)解,方法復(fù)雜度低于傳統(tǒng)干擾對(duì)齊算法.但場(chǎng)景中基站覆蓋范圍及AP覆蓋范圍沒(méi)有加以限制,未考慮蜂窩用戶(hù)傳輸速率等性能.算法并未完全消除干擾,AP數(shù)增加會(huì)造成干擾的累積.在下一步研究中,需兼顧蜂窩用戶(hù)及WLAN用戶(hù),進(jìn)一步明確場(chǎng)景參數(shù),使之更趨近于現(xiàn)實(shí).

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(責(zé)任編輯：顧浩然)

Downlink interference suppression in heterogeneous networks

Wang Huan, Li Li, Jiang Nan, Wang Fazhan

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

In order to deal with the problem of heterogeneous network interference in cellular network and wireless local area network (WLAN),we propose an interference suppression scheme:We design precoding matrix at transmitter,which maximizes the expected signal strength and reduces the interference signal strength;then we design interference suppression coding matrix at receiver,which inhibits both interference from base station (BS) on WLAN user equipment and one from access points (AP)on unexpected user equipment.Simulation results show that the proposed scheme can restrain the interference in downlink of heterogeneous networks,and improve the transmission rate of heterogeneous network users.

heterogeneous networks; precoding matrix; interference suppression matrix; wireless access point

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2017.01.008

2016-11-29

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(61503251)

王 歡(1990-),男,碩士研究生,主要從事無(wú)線(xiàn)通信方面的研究.E-mail:1124234395@qq.com

導(dǎo)師簡(jiǎn)介: 李 莉(1962-),女,教授,主要從事自適應(yīng)信號(hào)處理與無(wú)線(xiàn)通信方面的研究.E-mail:lilyxuan@shnu.edu.cn(通信聯(lián)系人)

TN 929.5

A

1000-5137(2017)01-0042-06