王霆儀，姜 靜，徐 政

(西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，陜西西安 710061)

隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展，無線中繼、微微小區(qū)、家庭基站、終端直通等技術(shù)不斷涌現(xiàn)，以滿足用戶隨時隨地獲得高質(zhì)量無線業(yè)務(wù)的需求，使分層異構(gòu)覆蓋逐漸為移動通信網(wǎng)絡(luò)的重要工作場景。分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)引入了相對于傳統(tǒng)的小區(qū)基站發(fā)射功率更小的發(fā)射節(jié)點，包括微微蜂窩(Picocell)、毫微微蜂窩(Femtocells)以及用于信號中繼的中繼站(Relay)。這些節(jié)點發(fā)射功率小，便于靈活部署網(wǎng)絡(luò)，為室內(nèi)和熱點場景提供了高速傳輸速率;同時這些節(jié)點的覆蓋范圍小，可以更加有效地利用LTE－Advanced如3.5 GHz的高頻段頻譜。但分層異構(gòu)技術(shù)為人們提供高速/便捷的移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)的同時，也帶來了諸多問題，如可用頻譜資源日益匱乏，網(wǎng)絡(luò)間干擾復(fù)雜多變，業(yè)務(wù)質(zhì)量難以得到可靠保證，能量消耗增多等。這些問題導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源能效利用率低下，嚴(yán)重影響無線網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)發(fā)展，因此如何降低無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中不同小區(qū)間的干擾和提高能效，是移動通信急需解決的問題。

協(xié)作多點傳輸(CoMP)根據(jù)小區(qū)間的信道信息交互，進行聯(lián)合處理、干擾避免或聯(lián)合資源調(diào)度，可有效消除干擾，提高系統(tǒng)容量。如何利用協(xié)作多點傳輸消除分層異構(gòu)網(wǎng)的干擾，也是目前討論的熱點。本文在研究多用戶和多小區(qū)干擾消除的基礎(chǔ)上，討論分層異構(gòu)網(wǎng)的干擾避免技術(shù)。文獻［1］在下行鏈路多用戶MIMO系統(tǒng)中，對基于SLNR的線性預(yù)編碼進行了性能分析，通過同時優(yōu)化期望端與干擾端的波束權(quán)值，以減少小區(qū)內(nèi)用戶間的干擾。文獻［2］中采用基于SLNR線性預(yù)編碼算法的同時，提出了在MU－MIMO信道中一種自適應(yīng)功率分配方案;利用如 ZF、BD［3－4］、廣義特征值分解［5－6］算法對系統(tǒng)中的干擾端進行處理，來實現(xiàn)對用戶間干擾信號的消除。在文獻［4］中涉及到在發(fā)射總功率一定的情況下，基站的功率控制問題，通過利用注水算法，實現(xiàn)了功率的合理分配，提高了能量利用效率。在文獻［7］中提出在MIMO系統(tǒng)中基于協(xié)作波束賦形的GSVD算法，在GSVD算法中允許兩個維度相等的信道，進行聯(lián)合對角化。在多小區(qū)多用戶的系統(tǒng)中，文獻［8］在下行鏈路提出一種基于迭代的SINR算法，來優(yōu)化小區(qū)間干擾問題，該算法可以實現(xiàn)對小區(qū)間干擾的抑制，且分配功率給發(fā)射端最佳波束向量。但基于迭代的算法增大了計算的復(fù)雜度。文獻［9］將文獻［5～6］中廣義特征值算法應(yīng)用于兩個小區(qū)兩個用戶的系統(tǒng)中，通過對邊緣小區(qū)用戶進行廣義特征值分解處理，消除了干擾基站對邊緣用戶的干擾。文獻［9］中還提出一種通過MMSE協(xié)作波束賦形的算法，通過同時優(yōu)化主基站與干擾基站的波束權(quán)值，來實現(xiàn)避免對邊緣小區(qū)用戶的干擾。文獻［10］中在多個小區(qū)系統(tǒng)中采用一種分布式算法來實現(xiàn)協(xié)作波束賦形，提出QoS波束賦形，使得總功率消耗的最小化，同時保證每個用戶的接收SINR高于預(yù)定值。文獻［11～12］展現(xiàn)了在MIMO廣播信道中的信道容量。文獻［12］介紹了MIMO廣播信道的兩種類型，并分析了在發(fā)射總功率一定的情況下，MIMO廣播信道的信道容量。結(jié)果顯示即使是在多發(fā)單收的系統(tǒng)中，也具有較高的頻譜效率。

本文提出了一種基于塊干擾消除的分層異構(gòu)網(wǎng)干擾避免算法，通過對干擾矩陣的塊對角化處理，實現(xiàn)了位于宏小區(qū)與微小區(qū)邊緣的用戶對干擾的消除。該算法通過對干擾項進行兩次SVD分解求得其零空間得正交基，使得干擾項消除，計算復(fù)雜度低，誤碼率性能好。通過仿真驗證，該算法所能實現(xiàn)的邊緣用戶性能趨近于理想情況下零干擾時用戶的性能。

1 系統(tǒng)模型

在如圖1所示的分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，由一個宏小區(qū)與微小區(qū)組成。一個宏蜂窩中有一個微微蜂窩增強覆蓋，此時宏蜂窩和微微蜂窩的兩個基站為各自小區(qū)內(nèi)的用戶傳輸數(shù)據(jù)。假設(shè)宏小區(qū)和微小區(qū)的基站配置的天線個數(shù)相同，為Nt根天線。假設(shè)在每一個用戶端，只有一個數(shù)據(jù)流進行數(shù)據(jù)傳輸。每個接收用戶配置的接收天線數(shù)相同，為Nr根。

圖1 分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中宏小區(qū)與微小區(qū)組成圖

假設(shè)微小區(qū)到邊緣用戶2的信號對宏小區(qū)第k個用戶產(chǎn)生干擾，則宏小區(qū)1的第k個用戶的接收信號可表示為

微小區(qū)2的第k個用戶的接收信號可表示為

式中，為方便說明算法流程，設(shè)宏小區(qū)與微小區(qū)基站同為 8 陣元圓形陣列，發(fā)射天線數(shù) Nt=8。β1，k，β2，k分別是宏基站和微基站到目標(biāo)用戶的大尺度衰落系數(shù)，包括路徑損耗和陰影衰落;hi，k(i=1，2)為本小區(qū)基站i到邊緣用戶k的Nr×Nt維信道矩陣;xi，k為基站i(i=1，2)到小區(qū)用戶 k 的期望信號;fi，k為 Nt× Nr維波束權(quán)值向量;nk為加性高斯白噪聲，滿足均值為0，方差為 σ2I。

2 基于塊干擾消除算法

在分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)模型下，考慮采用塊干擾消除算法來解決位于宏小區(qū)、微小區(qū)邊緣用戶的干擾問題。塊對角化通過對用戶k的等效干擾信道H～k進行一次SVD分解，求得其零空間的正交基，使得信號模型中干擾項等于0。

如圖1所示，假設(shè)在分層異構(gòu)網(wǎng)的系統(tǒng)中，宏小區(qū)和微小區(qū)各含一個邊緣用戶。假設(shè)宏小區(qū)到小區(qū)用戶1的信道為 H1，1，到用戶 2 的信道為 H1，2，微小區(qū)基站到用戶1 的信道為 H2，1，到用戶 2 的信道為 H2，2。宏小區(qū)基站1到用戶1波束權(quán)值為f1，1，微小區(qū)基站2到用戶 2 波束權(quán)值為 f2，2。

則位于宏小區(qū)的用戶1接收信號可表示為

而對于微小區(qū)的用戶2來說，接收信號為

對用戶1而言，宏小區(qū)基站對其傳輸數(shù)據(jù)流為期望信號，信道為 β1，1H1，1。微小區(qū)基站對用戶1 形成干擾信號，信道為 β2，1H2，1。由此可得到等效干擾矩陣

求 β2，1H2，1矩陣的秩:L1，1=rank(β2，1H2，1)，利用秩對 V2，1進行分塊，其中 V(1)2，1為 β2，1H2，1的前 L1，1個奇異向量。

故推出

將f1，1帶入式(3)，又由于經(jīng)過塊干擾消除后，信號模型式中后半段的干擾項恰好為0。從而實現(xiàn)在信號模型中，對干擾信號的消除。綜上所述，在分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，做一次塊干擾消除，需要經(jīng)過兩次SVD分解。在如圖1所示的分層異構(gòu)網(wǎng)系統(tǒng)中，利用塊干擾消除可實現(xiàn)的最大化和速率為

3 仿真結(jié)果

使用鏈路級仿真對所提的塊干擾消除進行分析，在仿真中，對比了協(xié)作波束賦形(CoMP－CB)中經(jīng)典的MAX－SLNR算法。MAX－SLNR的下行鏈路預(yù)編碼矩陣可表示為 f1=max eigenvector((I+h2H，1h2，1)－1hHh)，具體仿真參數(shù)如表 1 所示。1，11，1

表1 基于塊干擾消除下行預(yù)編碼算法系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖2 各算法之間的誤碼率曲線

圖3 分層異構(gòu)網(wǎng)系統(tǒng)中和速率性能曲線

在分層異構(gòu)網(wǎng)的系統(tǒng)中，對宏小區(qū)與微小區(qū)邊緣用戶未做協(xié)作波束賦形時，用戶誤碼率SNR=15時，趨于10－2。說明小區(qū)邊緣用戶受到來自相鄰小區(qū)干擾較大，系統(tǒng)性能不優(yōu)異。而對于采用了塊干擾消除算法后，用戶誤碼率SNR=7時，已趨于10－4，這說明位于小區(qū)邊緣的用戶在協(xié)作波束干擾避免后，性能有了較大提升。由式(11)可計算得出，在分層異構(gòu)網(wǎng)系統(tǒng)中系統(tǒng)的和速率。分層異構(gòu)網(wǎng)系統(tǒng)中的和速率性能曲線如圖3所示。利用塊干擾消除算法對邊緣小區(qū)做協(xié)作波束賦形后，系統(tǒng)的和速率曲線無限趨近于無干擾情況下系統(tǒng)和速率曲線。對比可得，在對邊緣小區(qū)做了協(xié)作波束賦形后，相鄰小區(qū)基站對邊緣用戶的干擾得到了良好的抑制，系統(tǒng)性能大幅提升。

4 結(jié)束語

LTE－A系統(tǒng)小區(qū)內(nèi)頻率復(fù)用因子為1，由此產(chǎn)生的小區(qū)間干擾成為系統(tǒng)性能提高的瓶頸。CoMP技術(shù)能在多個小區(qū)間共享信道信息與數(shù)據(jù)信息，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化多個小區(qū)的系統(tǒng)性能，而協(xié)作波束賦形則是多點協(xié)作傳輸中關(guān)鍵的支撐技術(shù)之一。本文研究異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中相鄰小區(qū)對本小區(qū)用戶干擾的問題，通過對已有干擾消除算法的研究，提出了異構(gòu)網(wǎng)中基于BD的協(xié)作波束賦形算法。仿真實驗結(jié)果證明，采用協(xié)作波束賦形技術(shù)后，系統(tǒng)性能有了明顯提升。此外，該算法復(fù)雜度低，能消除相鄰小區(qū)所帶來的干擾，并可有效提高系統(tǒng)和速率。

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