陳文

摘要：從干擾避讓、干擾抑制、干擾協(xié)調(diào)3個(gè)層次，針對(duì)高移動(dòng)通信不同的干擾場(chǎng)景、干擾形態(tài)和干擾特征，提出混疊信號(hào)分離的機(jī)理、指導(dǎo)原則、分離方法和評(píng)估方法的物理層思考。認(rèn)為必須在不同場(chǎng)景、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和用戶(hù)行為模式下，建立有效的干擾模型來(lái)分析和研究寬帶無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的信息容量，探討網(wǎng)絡(luò)自由度對(duì)系統(tǒng)性能的影響，發(fā)展新的理論和方法應(yīng)對(duì)干擾。

關(guān)鍵詞： 高移動(dòng)通信； 動(dòng)態(tài)干擾容量；干擾避讓?zhuān)桓蓴_抑制； 干擾協(xié)調(diào)

1 高移動(dòng)無(wú)線通信的背景

無(wú)線通信從最初的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、固定、窄帶逐步發(fā)展到目前的移動(dòng)、寬帶與規(guī)模網(wǎng)絡(luò)化。作為帶動(dòng)信息產(chǎn)業(yè)高速增長(zhǎng)的重要引擎，無(wú)線通信的平穩(wěn)快速發(fā)展，對(duì)于促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，改善提高人民生活質(zhì)量，提升中國(guó)在航空、航天、交通運(yùn)輸以及國(guó)防等領(lǐng)域的科技實(shí)力起著非常重要的作用。

然而，目前無(wú)線通信正面臨前所未有的挑戰(zhàn)。首先多媒體寬帶業(yè)務(wù)爆炸式發(fā)展，頻譜資源稀缺日益嚴(yán)重；用戶(hù)數(shù)與業(yè)務(wù)類(lèi)型激增，網(wǎng)內(nèi)、網(wǎng)間干擾成為制約性能和容量的瓶頸；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溱呌趶?fù)雜、規(guī)模日益增大，系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)難以實(shí)施；信號(hào)處理與協(xié)作技術(shù)的日益復(fù)雜更帶來(lái)設(shè)備復(fù)雜度、能耗與時(shí)延的大幅增加。此外，與民用及國(guó)防科技的迅猛發(fā)展相呼應(yīng)，各種新的、更為復(fù)雜的無(wú)線通信場(chǎng)景也應(yīng)運(yùn)而生，其中超高速移動(dòng)場(chǎng)景下穩(wěn)定、可靠、高效的寬帶無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)是未來(lái)無(wú)線通信發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。

目前超高移動(dòng)場(chǎng)景包括輪軌列車(chē)（最高測(cè)試速度574.8 km/h，最高運(yùn)營(yíng)速度380 km/h），磁懸浮列車(chē)（最高測(cè)試速度581 km/h，運(yùn)營(yíng)速度431 km/h），飛機(jī)（運(yùn)營(yíng)速度400～1 000 km/h），導(dǎo)彈（980～20 000 km/h）以及航天飛機(jī)（第一宇宙速度28 440 km/h環(huán)繞地球飛行，第二宇宙速度40 320 km/h脫離地球引力）等。中國(guó)目前已成為世界上高速鐵路系統(tǒng)技術(shù)最全、運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)、運(yùn)行速度最高、在建規(guī)模最大的國(guó)家。國(guó)家中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃已確定：到2020年中國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程將達(dá)到12萬(wàn)公里，其中高速鐵路1.8萬(wàn)公里。

目前，中國(guó)高鐵總長(zhǎng)已位居世界第一。除了高鐵之外，還有高速公路、磁懸浮列車(chē)等高速運(yùn)輸工具。這些高速交通工具的發(fā)展，對(duì)無(wú)線通信提出了更高的要求。一方面，旅客希望在高速移動(dòng)的交通工具上，獲得語(yǔ)音、視頻、網(wǎng)絡(luò)等服務(wù)；另一方面，也需要可靠傳輸車(chē)地海量視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和傳感器信息，以滿足公眾安全的需求。人們感到在乘座高鐵或動(dòng)車(chē)組時(shí)，因網(wǎng)絡(luò)不可靠，電話很難接通，即使接通了也會(huì)頻繁掉話，視頻上網(wǎng)幾乎更不可能。事實(shí)上，日本新干線、法國(guó)TGV、中國(guó)臺(tái)灣高鐵和京滬高鐵，目前最高只能提供2 Mbit/s以下數(shù)據(jù)傳輸速率，大部分只能提供幾十kbit/s傳輸速率，打開(kāi)簡(jiǎn)單的網(wǎng)頁(yè)都比較困難。同時(shí)，在高移動(dòng)環(huán)境下，手機(jī)電池用得特別快，甚至?xí)杏X(jué)到手機(jī)發(fā)燙。這些現(xiàn)象表明，現(xiàn)有技術(shù)還無(wú)法適應(yīng)高移動(dòng)環(huán)境下的寬帶業(yè)務(wù)需求。

出現(xiàn)這些現(xiàn)象主要是因?yàn)榻K端高速移動(dòng)時(shí)，物理層信道出現(xiàn)快變，傳輸層鏈路發(fā)生快變，并且網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浒l(fā)生快變。此時(shí)，信道和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)難以獲取，多重干擾難以消除，導(dǎo)致通信系統(tǒng)性能急劇下降。具體表現(xiàn)為：隨著終端移動(dòng)速度增大，通信的差錯(cuò)概率上升，頻譜效率和能量效率下降。

為此，我們面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)主要為：在快速移動(dòng)環(huán)境下，如何保證良好的傳輸質(zhì)量？如何傳送更多的數(shù)據(jù)信息？如何能夠節(jié)省更多的電池能量？

2 高移動(dòng)無(wú)線通信面臨的

挑戰(zhàn)

由于現(xiàn)有無(wú)線通信系統(tǒng)的應(yīng)用主要是面向中低速場(chǎng)景，如何針對(duì)上述超高速移動(dòng)場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)信息的高效、可靠傳輸也是無(wú)線通信發(fā)展面臨的新挑戰(zhàn)。如果說(shuō)無(wú)線通信的發(fā)展是依賴(lài)于信息論的發(fā)展，那么如今無(wú)線通信所面臨的新挑戰(zhàn)也就是信息論所面臨的挑戰(zhàn)。功率、能耗、時(shí)延、復(fù)雜度、移動(dòng)性等多約束條件，高譜效、高能效、高可靠性等多元優(yōu)化目標(biāo)，空、時(shí)、頻、碼多處理域，以及不同系統(tǒng)架構(gòu)、信道條件和承載業(yè)務(wù)所帶來(lái)的復(fù)雜場(chǎng)景，這些多因素交織在一起使得無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)變得錯(cuò)綜復(fù)雜。這就使得我們比任何時(shí)候都更需要新的信息理論來(lái)為我們提供強(qiáng)有力的理論支撐，讓我們知道到底網(wǎng)絡(luò)容量的極限在哪里？復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化應(yīng)該遵循怎樣的準(zhǔn)則？如果能夠從更深、更廣的角度來(lái)研究和發(fā)展信息理論，并以此為基礎(chǔ)建立起涵蓋高速移動(dòng)、復(fù)雜干擾等場(chǎng)景的寬帶無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)理論體系，就能夠應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，解決無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的一些基礎(chǔ)性和關(guān)鍵性問(wèn)題并為無(wú)線通信未來(lái)發(fā)展探明方向。

為了應(yīng)對(duì)這些技術(shù)挑戰(zhàn)，需要研究無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)資源制約性能的規(guī)律、高效的網(wǎng)絡(luò)傳輸機(jī)理和混疊信號(hào)可分離機(jī)理。這些問(wèn)題相互銜接、密切相關(guān)，其中性能規(guī)律主要揭示高移動(dòng)性條件下通信的性能極限和理論界，而傳輸機(jī)理和信號(hào)分離機(jī)理則從不同角度揭示了系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原理與方法，以逼近理論界。由于移動(dòng)通信系統(tǒng)中的干擾日趨豐富復(fù)雜、動(dòng)態(tài)多變，現(xiàn)有將干擾視為噪聲的方法沒(méi)有充分利用干擾的結(jié)構(gòu)化特征，所以需解決如何建立移動(dòng)環(huán)境下的動(dòng)態(tài)干擾模型和如何能夠有效地利用干擾特性以實(shí)現(xiàn)性能提升的問(wèn)題。

3 高移動(dòng)無(wú)線通信的干擾

特征

計(jì)算多用戶(hù)高斯干擾信道的容量區(qū)域是網(wǎng)絡(luò)信息論的公開(kāi)問(wèn)題之一，目前僅解決了強(qiáng)干擾與弱干擾兩種情況下的容量問(wèn)題。但是無(wú)線寬帶通信網(wǎng)絡(luò)快速多變與復(fù)雜干擾環(huán)境使得無(wú)線電干擾形態(tài)呈現(xiàn)多樣化，多用戶(hù)、多小區(qū)和多網(wǎng)絡(luò)之間都可能存在干擾；信號(hào)中繼和鄰近節(jié)點(diǎn)協(xié)作等會(huì)引入新的干擾；用戶(hù)行為越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)無(wú)線頻譜的使用呈現(xiàn)很大的不確定性，使得網(wǎng)絡(luò)干擾呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)性；高速移動(dòng)場(chǎng)景下快變的無(wú)線寬帶信道也使干擾形態(tài)更為復(fù)雜。如高移動(dòng)寬帶通信中多普勒頻移產(chǎn)生的載波間干擾，頻繁切換引起的小區(qū)間干擾，以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)用戶(hù)間的不對(duì)稱(chēng)干擾等。

因而我們必須在不同場(chǎng)景、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和用戶(hù)行為模式下，建立有效的干擾模型來(lái)分析和研究寬帶無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的信息容量，探討網(wǎng)絡(luò)自由度對(duì)系統(tǒng)性能的影響，發(fā)展新的理論和方法應(yīng)對(duì)干擾。

4 干擾抑制和協(xié)調(diào)

4.1 干擾抑制和協(xié)調(diào)中的問(wèn)題

多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)[1]、空時(shí)編碼技術(shù)[2]、機(jī)會(huì)調(diào)度、Turbo碼[3]、混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求（HARQ）、協(xié)作中繼[4]等技術(shù)的出現(xiàn)，使得信道衰落和加性噪聲對(duì)通信系統(tǒng)造成的影響成為次要因素，而小區(qū)內(nèi)、小區(qū)間和網(wǎng)絡(luò)間的干擾上升為制約通信系統(tǒng)性能與容量提升的瓶頸。過(guò)去三十年里，不斷涌現(xiàn)出了一些新穎的、應(yīng)對(duì)通信干擾的關(guān)鍵技術(shù)和理論方法。采用碼分多址（CDMA）/時(shí)分多址（TDMA）/正交頻分復(fù)用（OFDMA）等多址技術(shù)可有效抑制多用戶(hù)間的接入干擾[5-6]；廣義自由度的概念可以幫助我們較為直觀明了地分析干擾信道性能限；干擾對(duì)齊試圖把所有干擾信號(hào)都“排列”在同一個(gè)子空間中來(lái)使有用信號(hào)擁有更多的自由度[7]；網(wǎng)絡(luò)編碼和協(xié)作通信可以通過(guò)多用戶(hù)間的信號(hào)聯(lián)合設(shè)計(jì)[8]，將用戶(hù)間干擾轉(zhuǎn)化為有用信息的傳輸策略；博弈論以及機(jī)會(huì)式調(diào)度也是處理資源競(jìng)爭(zhēng)條件下干擾問(wèn)題的有效方法[9]。然而，目前還存在很多問(wèn)題需要探討，主要包括：混疊信號(hào)可分離機(jī)理、現(xiàn)有抗干擾技術(shù)的有效性評(píng)估方法、干擾協(xié)調(diào)策略的設(shè)計(jì)指導(dǎo)準(zhǔn)則、高速移動(dòng)場(chǎng)景下新型抗干擾方法。

（1）混疊信號(hào)可分離機(jī)理

在復(fù)雜干擾場(chǎng)景下，任何通信節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)都可能是多個(gè)無(wú)線電信號(hào)的疊加。為了從混疊信號(hào)中恢復(fù)出有用信號(hào)，必須深入研究混疊信號(hào)的可分離機(jī)理——混疊信號(hào)的可分離性原理與分離實(shí)現(xiàn)方法。更重要的是，混疊信號(hào)的可分離性原理也可以用適于指導(dǎo)無(wú)線通信信號(hào)的設(shè)計(jì)。

（2）現(xiàn)有抗干擾技術(shù)的有效性評(píng)估方法

在無(wú)線通信系統(tǒng)中，干擾的構(gòu)成源于系統(tǒng)架構(gòu)、頻譜管理和分配策略、多址接入方式等因素。對(duì)于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)而言，干擾主要來(lái)自于小區(qū)間；對(duì)于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)而言，干擾主要是由多節(jié)點(diǎn)同時(shí)傳輸造成的信號(hào)重疊；對(duì)于無(wú)線局域網(wǎng)而言，子網(wǎng)間干擾是它的主要干擾形式。目前，盡管可以利用有效的多址方式、復(fù)雜的檢測(cè)算法和用戶(hù)協(xié)作等方法來(lái)對(duì)抗這些干擾，但如何從信息資源有效利用的角度在信息論層面評(píng)估它們的有效性目前尚缺乏必要的理論做支撐。

（3）干擾協(xié)調(diào)策略的設(shè)計(jì)指導(dǎo)的準(zhǔn)則

現(xiàn)有的各種干擾協(xié)調(diào)方法均是以犧牲某種資源為代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此各有利弊。正交多址方式用容量換取了接收機(jī)復(fù)雜度降低；干擾對(duì)齊用反饋信道狀態(tài)信息（CSI）的開(kāi)銷(xiāo)換取了自由度的提升；多用戶(hù)多輸入多輸出用戶(hù)協(xié)作和交換信道狀態(tài)信息等開(kāi)銷(xiāo)換取了容量的提升；而在認(rèn)知無(wú)線電中，則通過(guò)頻譜感知與頻譜動(dòng)態(tài)接入的開(kāi)銷(xiāo)換取了頻譜利用率的提升。

因此，需要基于信息理論和混疊信號(hào)可分離機(jī)理，給出一定資源優(yōu)化目標(biāo)下的干擾協(xié)調(diào)策略設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步研究應(yīng)對(duì)復(fù)雜干擾的新理論與新方法。

（4）高速移動(dòng)場(chǎng)景下新型抗干擾方法

高速運(yùn)動(dòng)的設(shè)備會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)歷經(jīng)多個(gè)復(fù)雜變化的電磁環(huán)境，由此引入的干擾具有快速時(shí)變特性，一方面會(huì)使得對(duì)干擾的估計(jì)和跟蹤變得更為困難，另一方面由于信號(hào)時(shí)域相關(guān)性的降低，也為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了額外的自由度。因此需展開(kāi)適合高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景的抗干擾技術(shù)研究，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)在的信息傳輸規(guī)律。

4.2干擾抑制和協(xié)調(diào)的基本方法

總體來(lái)看，無(wú)線通信系統(tǒng)處理干擾的基本方法可以分為3類(lèi)：第1種方法是利用正交化的方法避免干擾，如頻分多址（FDMA）、時(shí)分多址（TDMA）、正交碼分多址（CDMA）、正交頻分復(fù)用（OFDM）以及機(jī)會(huì)式頻譜接入等；第2種方法允許用戶(hù)共享系統(tǒng)的所有自由度并把干擾完全當(dāng)成噪聲，如IDMA等；第3種方法是在允許用戶(hù)共享系統(tǒng)的所有自由度的同時(shí)，利用干擾結(jié)構(gòu)，在發(fā)送端、接收端（或同時(shí)）對(duì)信號(hào)與干擾進(jìn)行一系列的聯(lián)合處理[10]。

在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單用戶(hù)傳輸中，通過(guò)多信道復(fù)用，單個(gè)用戶(hù)可以使用多個(gè)并行信道提高傳輸速率。這種方式由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的天線均為集中放置，因此可以通過(guò)發(fā)送與接收端信號(hào)的聯(lián)合處理來(lái)提高容量，例如基于奇異值分解（SVD）的多輸入多輸出復(fù)用技術(shù)[11]。

多用戶(hù)廣播信道，往往采用發(fā)端信號(hào)聯(lián)合處理技術(shù)。預(yù)編碼技術(shù)在發(fā)送端實(shí)現(xiàn)與信道匹配的預(yù)處理，可有效抑制多用戶(hù)間干擾，通用的技術(shù)包括線性預(yù)編碼技術(shù)（如迫零算法（ZF）、塊對(duì)角化和最小均方誤差（MMSE）等）[12]和非線性預(yù)編碼技術(shù)（如Tomlinson-Harashima預(yù)編碼（THP）、迫零臟紙編碼（ZF-DPC）等）。污紙預(yù)編碼（DPC）技術(shù)是另外一種重疊編碼技術(shù)，適合于發(fā)送端已知干擾的信道信息，可用于逼近諸如多用戶(hù)多輸入多輸出廣播信道等容量限[13-15]。

多用戶(hù)多址接入信道，往往采用接收端聯(lián)合信號(hào)檢測(cè)技術(shù)。Verdu的工作加速了多用戶(hù)檢測(cè)理論的發(fā)展。蜂窩系統(tǒng)中的多基站協(xié)作可以看作是多播信道，此時(shí)發(fā)射及與接收均為分布式的，需要進(jìn)行信息的交換以及預(yù)編碼設(shè)計(jì)；而基于中繼的傳輸則可以看成是點(diǎn)到點(diǎn)信道、廣播信道和多址接入信道的組合，其復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得發(fā)送、中繼、接收端的處理技術(shù)以及資源優(yōu)化分配策略變得更為復(fù)雜。

干擾對(duì)齊是一種新型的預(yù)編碼方法，它把所有干擾信號(hào)都“排列”在同一個(gè)子空間中，使每個(gè)用戶(hù)（在特定信道限制下）能獲得接近1/2的自由度[16]。干擾對(duì)齊的思想可以應(yīng)用到上述各種干擾信道中，但有許多細(xì)節(jié)問(wèn)題需要解決。例如，哪些數(shù)量的天線配置和自由度要求能夠通過(guò)干擾對(duì)齊來(lái)實(shí)現(xiàn)，如何求解出需要的預(yù)編碼和解碼矩陣等。另外，對(duì)于3個(gè)用戶(hù)以上的一般情況，目前只有次優(yōu)的迭代求解方法。干擾對(duì)齊要求發(fā)送端確知信道信息，對(duì)于已知部分信道信息或有限反饋情況下的干擾對(duì)齊技術(shù)，目前我們還需要做進(jìn)一步的研究。

4.3干擾抑制和協(xié)調(diào)的研究?jī)?nèi)容

未來(lái)移動(dòng)通信的發(fā)展要求增加網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，提高傳輸速率，支持高移動(dòng)性，同時(shí)要求容納更多的用戶(hù)，而用戶(hù)密度的提高導(dǎo)致小區(qū)內(nèi)、小區(qū)間和網(wǎng)絡(luò)間的干擾日趨復(fù)雜，成為嚴(yán)重制約通信系統(tǒng)性能與用戶(hù)容量提升的瓶頸。

目前，應(yīng)對(duì)干擾的方法可以從干擾信號(hào)分離、干擾避讓、干擾博弈、干擾協(xié)調(diào)和干擾利用等多個(gè)角度展開(kāi)，包括有效的多址接入方式、基于確定與統(tǒng)計(jì)特性的干擾分離方法，基于多用戶(hù)分集的機(jī)會(huì)式調(diào)度算法，以及基于干擾對(duì)齊、預(yù)編碼、協(xié)作通信等的干擾協(xié)調(diào)和基于網(wǎng)絡(luò)編碼的干擾利用技術(shù)。隨著無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展，現(xiàn)有抗干擾理論面臨著高頻譜效率與多用戶(hù)容量巨大需求、各種無(wú)線應(yīng)用需求的多樣化以及快速多變的復(fù)雜環(huán)境等多方面的挑戰(zhàn)，需要發(fā)展新的抗干擾理論，包括：如何利用信號(hào)的不同特征區(qū)分不同用戶(hù)，探索混疊信號(hào)的可分離機(jī)理與分離方法；如何設(shè)計(jì)高頻譜效率、高用戶(hù)容量以及低復(fù)雜度的新型多址接入方法；如何根據(jù)不同干擾環(huán)境的本質(zhì)特征，以更合理地提煉干擾網(wǎng)絡(luò)模型，并發(fā)展相應(yīng)的“干擾避讓”、“干擾協(xié)調(diào)”和“干擾利用”等一系列抗干擾理論和方法，以更好地適應(yīng)復(fù)雜多變的無(wú)線干擾環(huán)境。

面向高速移動(dòng)等快變復(fù)雜場(chǎng)景，需研究混疊信號(hào)的可分離機(jī)理與分離方法、新型多址接入理論、從干擾分離、干擾避讓、干擾協(xié)調(diào)與干擾利用展開(kāi)抗干擾理論與策略研究。主要內(nèi)容如下：

（1）干擾分離機(jī)理與干擾避讓方法

·混疊信號(hào)可分離機(jī)理

·基于正交多址的干擾避讓理論與方法

·基于混疊多址的干擾分離理論與方法

·基于認(rèn)知的網(wǎng)間干擾避讓理論與方法

（2）新型抗干擾理論與方法

·基于干擾信道容量的抗干擾度量理論

·基于頻譜共享的干擾博弈理論與方法

·基于網(wǎng)絡(luò)的多輸入多輸出以及干擾對(duì)齊的相關(guān)干擾協(xié)調(diào)理論與方法

·基于物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的用戶(hù)間干擾利用理論與方法

5結(jié)束語(yǔ)

文章針對(duì)高移動(dòng)無(wú)線通信場(chǎng)景干擾的多變性和復(fù)雜特性，討論了高移動(dòng)通信干擾應(yīng)對(duì)物理層理論和方法，特別是從干擾避讓、干擾抑制和干擾協(xié)調(diào)等層面，探討了高移動(dòng)通信干擾分離的機(jī)理和方法，并提出了需要研究的問(wèn)題，為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供參考。以上論述表明，物理層干擾應(yīng)對(duì)方案是高移動(dòng)通信干擾處理的主要方法，較之系統(tǒng)構(gòu)架的優(yōu)化更為基本，并可以給人們帶來(lái)更大的系統(tǒng)增益。

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