徐志宇（南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210003）

分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中的干擾抑制技術(shù)及分析

徐志宇
（南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210003）

在無線網(wǎng)絡(luò)中，帶寬和降低功耗的需求導(dǎo)致小區(qū)的覆蓋范圍變小，這就要求減少用戶與基站的距離，進(jìn)而增加系統(tǒng)容量。傳統(tǒng)宏蜂窩和低功率小蜂窩共存的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可以有效地提高系統(tǒng)容量，但是宏蜂窩和小蜂窩的同層干擾和跨層干擾嚴(yán)重影響了系統(tǒng)性能。提出了分層干擾對(duì)齊預(yù)編碼技術(shù)，有效地緩解了同層干擾和跨層干擾。

分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；干擾抑制；MIMO預(yù)編碼

0　引言

能源消耗和電磁污染正在成為發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家都必須面對(duì)的重要社會(huì)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)，未來的通信設(shè)施演進(jìn)將不得不考慮這兩個(gè)因素［1］。用戶對(duì)于高速率、高質(zhì)量的無線服務(wù)的需求正呈現(xiàn)爆炸式增長，傳統(tǒng)的宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)已不能滿足用戶的需求，主要表現(xiàn)為宏蜂窩的覆蓋范圍廣，頻率復(fù)用率低，系統(tǒng)容量有限；對(duì)路徑損耗較大的環(huán)境（例如室內(nèi)、辦公場所），宏蜂窩無法形成有效的覆蓋，容易出現(xiàn)盲區(qū)和漏洞。

小蜂窩技術(shù)很好地解決了以上問題。小蜂窩是一種低功率的家庭網(wǎng)絡(luò)，覆蓋范圍通常為10米到數(shù)百米，擴(kuò)展了蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，并給室內(nèi)用戶提供高速率的數(shù)據(jù)服務(wù)［2-3］。小蜂窩通過高速有線回程鏈路與骨干網(wǎng)相連，并復(fù)用宏蜂窩頻率資源進(jìn)行傳輸，形成了宏蜂窩和小蜂窩共存的雙層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)。小蜂窩基站的覆蓋范圍較小，不會(huì)對(duì)宏蜂窩造成大的影響。小蜂窩不僅提高了頻率資源復(fù)用率，而且填補(bǔ)了宏蜂窩的覆蓋漏洞，被認(rèn)為是有效提升系統(tǒng)容量的關(guān)鍵技術(shù)。

從小蜂窩誕生的第一天起，如何控制宏蜂窩和小蜂窩以及不同小蜂窩之間的同頻干擾成為急需解決的核心問題。目前隨著MIMO技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使用MIMO預(yù)編碼可以有效地抑制分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中的干擾［4-5］。

1　系統(tǒng)模型

考慮一個(gè)含有3個(gè)小區(qū)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型，它由一個(gè)宏蜂窩、兩個(gè)小蜂窩構(gòu)成，每個(gè)小蜂窩服務(wù)一個(gè)用戶，宏蜂窩同時(shí)服務(wù)兩個(gè)用戶。假設(shè)每個(gè)小蜂窩基站發(fā)射天線數(shù)為2，宏蜂窩基站發(fā)射天線數(shù)為4，所有的用戶接收天線數(shù)為2。為了簡單起見，基站向用戶傳輸一個(gè)流的數(shù)據(jù)符號(hào)矢量。用sk表示第k個(gè)用戶傳輸?shù)臄?shù)據(jù)符號(hào)矢量，發(fā)送功率滿足表示加性高斯白噪聲矢量，方差為σ2。假設(shè)基站1是小蜂窩基站，對(duì)應(yīng)的用戶1是小蜂窩用戶；基站2是宏蜂窩基站，對(duì)應(yīng)的用戶2、用戶3是宏蜂窩用戶；基站3是小蜂窩基站，對(duì)應(yīng)的用戶4是小蜂窩用戶。Hi，j表示第j個(gè)基站到第i個(gè)用戶的信道矩陣，每個(gè)元素都是獨(dú)立同分布，滿足均值為0、方差為1的復(fù)高斯隨機(jī)分布。vk、wk分別表示第 k個(gè)用戶的預(yù)編碼矢量和第k個(gè)用戶的接收矢量。

第k個(gè)用戶的接收信號(hào)可以表示為：

每個(gè)用戶的傳輸速率為：

自由度定義為：

2　分層干擾對(duì)齊預(yù)編碼方案

分層干擾對(duì)齊預(yù)編碼算法順序地設(shè)計(jì)預(yù)編碼矢量，先設(shè)計(jì)發(fā)送天線數(shù)少的小蜂窩基站，使干擾信號(hào)對(duì)齊到一個(gè)自由度較小的空間，然后再設(shè)計(jì)發(fā)送天數(shù)較多的宏蜂窩基站，抑制宏蜂窩信號(hào)對(duì)用戶的干擾。

定義 3[9] (1) Hom-Jordan李代數(shù)(L,[·,·]L,α,δ)稱為保積的,若α為態(tài)設(shè),滿足α([x,y])=[α(x),α(y)]; (2) 子空間η?L稱為Hom-Jordan李代數(shù)(L,[·,·]L,α,δ)的Hom理想,若α(η)?η并且[x,y]η, ?η, L。

整個(gè)干擾抑制算法步驟如下：

（1）設(shè)計(jì)小蜂窩用戶的預(yù)編碼矢量。

首先考慮宏蜂窩用戶2和用戶3，把來自小蜂窩1 和3的干擾對(duì)齊到同一信號(hào)子空間：

式（5）保證了小蜂窩1和小蜂窩3對(duì)用戶2的干擾位于同一信號(hào)子空間，式（6）保證了小蜂窩 1和小蜂窩3對(duì)用戶3的干擾位于同一信號(hào)子空間。span（·）表示矩陣列張成的空間。式（5）和式（6）保證了每個(gè)小蜂窩用戶有自由度為 1的信號(hào)子空間來傳輸數(shù)據(jù)。由于 H2，1和H3，1是可逆的，式（5）和式（6）可表示為：

可以得到小蜂窩用戶的預(yù)編碼矢量［6］為：

其中，eig（·）表示矩陣的特征向量。

（2）設(shè)計(jì)每個(gè)用戶的接收矢量。

設(shè)計(jì)接收矢量來消除小蜂窩基站對(duì)本用戶的干擾：

（3）設(shè)計(jì)宏蜂窩用戶的預(yù)編碼矢量。

設(shè)計(jì)宏蜂窩用戶的預(yù)編碼矢量來消除宏蜂窩信號(hào)對(duì)所有用戶的干擾：

至此，所有用戶的預(yù)編碼矢量和接收矢量都已算出。此方案可以完全消除同層干擾和跨層干擾。該算法的優(yōu)點(diǎn)是宏蜂窩和小蜂窩的預(yù)編碼矢量和接收矢量是單向構(gòu)造，小蜂窩預(yù)編碼矢量構(gòu)造時(shí)僅需要知道小蜂窩基站到用戶的信道信息，接收矢量和宏蜂窩預(yù)編碼構(gòu)造需要知道信道信息和小蜂窩預(yù)編碼矢量，簡化了預(yù)編碼矢量和接收矢量的計(jì)算過程。此外，這樣設(shè)計(jì)預(yù)編碼矢量可以使異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的自由度達(dá)到4［7］。

3　仿真結(jié)果及分析

假設(shè)宏蜂窩的半徑為1 000 m，小蜂窩的半徑為30 m，宏蜂窩用戶到宏蜂窩基站的距離為 500 m，宏基站發(fā)射天線數(shù)為4，小蜂窩發(fā)射天線數(shù)為2，用戶天線數(shù)為2。圖1為小蜂窩用戶SINR的CDF曲線。

圖1　小蜂窩用戶信干噪比的累積分布函數(shù)

從圖1可以看出，分層干擾對(duì)齊有效地抑制了同層干擾和跨層干擾。另外，與其他方法相比，分層干擾對(duì)齊的總?cè)萘扛摺D2所示為網(wǎng)絡(luò)可達(dá)到的總的傳輸速率對(duì)比，可以看出在TDMA算法中，不同的時(shí)隙分配給不同的小區(qū)，因此宏蜂窩和小蜂窩之間沒有干擾，每個(gè)小蜂窩基站向本小區(qū)用戶發(fā)送兩個(gè)數(shù)據(jù)流，宏蜂窩基站向每個(gè)宏蜂窩用戶發(fā)送兩個(gè)數(shù)據(jù)流，形成多用戶MIMO系統(tǒng)，可以在3個(gè)時(shí)隙達(dá)到 8/3個(gè)自由度［8］。分層干擾對(duì)齊可以達(dá)到最大的自由度4。

4　結(jié)論

通過分層干擾對(duì)齊可以完全消除異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的同

圖2　網(wǎng)絡(luò)可達(dá)到的總的傳輸速率對(duì)比

層干擾和跨層干擾，簡化了求解預(yù)編碼矢量和接收矢量的計(jì)算過程，以后的工作是把這種算法推廣到更為一般的情況下。

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The analysis of interference suppression in heterogeneous multi-tiered network

Xu Zhiyu
（Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China）

The need for bandwidth and the incitation to reduce power consumption leads to the reduction of cell size in wireless networks，which allows reducing the distance between user and the base station to increase the capacity.The traditional marcro cells and the lowpower small cells from the heterogeneous multi-tiered network can improve the capacity of wireless systems.However，the interference between marcro cells and small cells in the same frequency band degrades the performance of system.This paper proposes hierarchical interference alignment to mitigate the interference in heterogeneous networks.

hetergonous multi-tiered network；interference suppression；MIMO precoding

TN929.5

A

1674-7720（2015）02-0067-02

（2014-09-16）

徐志宇（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：無線數(shù)據(jù)與移動(dòng)計(jì)算。