王 歡, 李 莉, 江 楠, 王發(fā)展

(上海師范大學 信息與機電工程學院,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 信息與機電工程學院,上海 200234)

針對蜂窩網(wǎng)與無線局域網(wǎng)(WLAN)共存的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)干擾問題,提出一種干擾抑制方案:在發(fā)送端加設(shè)預編碼矩陣,最大化期望信號強度,減小干擾信號強度;在接收端加設(shè)干擾抑制編碼矩陣,抑制蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站對無線局域網(wǎng)內(nèi)用戶設(shè)備的干擾及無線接入點(AP)對非期望用戶設(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)下行鏈路的干擾問題,提高異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)用戶的傳輸速率.

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò); 預編碼矩陣; 干擾抑制矩陣; 無線接入點

0 引 言

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中涵蓋二種或二種以上無線通信網(wǎng)絡(luò),能夠發(fā)揮各自網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢,被認為是一種很有前景的新型網(wǎng)絡(luò)類型.然而,異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中蜂窩網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)(WLAN)重復使用相同的頻譜資源,用戶設(shè)備間會產(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,隨著用戶的增加,經(jīng)典的基于頻率/空間復用和功率控制的技術(shù)無法應對額外的干擾[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,干擾對齊技術(shù)不僅實現(xiàn)了更高的容量,而且還降低了系統(tǒng)的復雜性,能有效抑制干擾.波束成形預編碼作為一種干擾對齊技術(shù),是指在接收端采取可分離的方式選擇所需信號,其干擾信號是對齊的,即干擾矢量投射重疊[3].Oh等[4]介紹了一種在無線局域網(wǎng)中多用戶多進多出 (MIMO)信道的收發(fā)器編解碼設(shè)計方案,在發(fā)送端設(shè)置波束成形預編碼,在接收端求取用戶接收到的干擾矩陣,設(shè)計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)中用戶間干擾問題,提出一種基于干擾對齊的比特分配方案,有效減少了接收天線約束,提高異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量,缺點是沒有考慮微微小區(qū)用戶干擾消除.Aziz等[6]將發(fā)送端預編碼設(shè)計與用戶選擇結(jié)合在一起,提出一種新方案解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景下用戶間干擾問題.Shin等[7]提出分層多級干擾對齊,將系統(tǒng)獲取預編碼矩陣過程分為多個階段.Lee等[8]和Tang等[9]皆考慮2個小區(qū)間多信道間用戶的干擾問題,其中[9]通過采用量化的預編碼矩陣代替量化信道矩陣,與[8]對比,[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.

上述干擾對齊方案作用的場景中,收發(fā)端編解碼大都通過準則協(xié)作獲取,如[10]采用的最小化均方誤差(MMSE)算法,預編碼矩陣及干擾抑制矩陣是在MMSE準則下獲取的.當需要抑制蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站對無線局域網(wǎng)內(nèi)用戶設(shè)備的干擾及AP對非期望用戶設(shè)備的干擾,且AP只作用于覆蓋范圍內(nèi)用戶時,采用上述方法無法同時解決兩種干擾.基于[4],本文作者在發(fā)送端加設(shè)基于干擾對齊的最大化信號泄漏比(Max-SLNR)預編碼,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,提高用戶的平均傳輸速率.此外,為說明Max-SLNR預編碼的效果,特在發(fā)送端設(shè)計迫零(ZF)預編碼,與其作對比,得出優(yōu)劣.

1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

圖1為多個無線局域網(wǎng)絡(luò)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共同覆蓋下的小區(qū)示意圖,蜂窩基站覆蓋整個小區(qū),無線接入點處于小區(qū)之內(nèi)且覆蓋范圍小于蜂窩基站覆蓋范圍.蜂窩用戶隨機分布在蜂窩基站覆蓋范圍之內(nèi),無線局域網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)均有多個無線局域網(wǎng)用戶與無線接入點(AP)進行通信,無線局域網(wǎng)用戶位置局限在無線局域網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi),只與無線接入點進行通信.

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)定在該通信場景內(nèi)擁有1個蜂窩基站,記為BS1,K-1個無線接入點,記為APj(j=2,3,…,K);T個蜂窩用戶設(shè)備(CUE[1,1],…,CUE[T,1])與一個蜂窩基站進行通信,無線局域網(wǎng)中每個APj對應L個用戶設(shè)備(UE[1,j],…,UE[L,j]);其中BS1、APj都具有N個發(fā)射天線.

圖2 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中下行鏈路的干擾模型

此通信場景中干擾主要來自:1)BS1發(fā)射信號對無線局域網(wǎng)內(nèi)用戶設(shè)備的干擾;2)AP發(fā)射信號對非期望用戶設(shè)備的干擾.令xij是APj發(fā)給WLAN中用戶設(shè)備UE[i,j]的信號向量,維度是N×1;xt1是BS1發(fā)給蜂窩用戶設(shè)備CUE[t,1]的信號向量,維度是N×1.對發(fā)送信號進行預編碼處理之后,UE[i,j]接收到的信號電平為

(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UE[i,j]發(fā)送信號的預編碼矩陣,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UE[i,j]接收端進行干擾抑制處理后,接收到的信號電平為

(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)預編碼矩陣,最大化期望信號強度,減小干擾信號強度;2)在接收端加設(shè)干擾抑制矩陣,抑制干擾,提高用戶傳輸速率.該方法產(chǎn)生的預編碼矩陣及干擾抑制矩陣之間無需通過準則聯(lián)系,各自在其作用端進行設(shè)計.

2.1 預編碼矩陣設(shè)計

Max-SLNR預編碼方案解決了[4]中場景的干擾,效果優(yōu)于文獻中其他編碼.為解決本文場景中干擾問題,特在用戶發(fā)送端加設(shè)Max-SLNR預編碼,而因ZF預編碼易于實現(xiàn)且復雜度低,作為參照對象.Max-SLNR預編碼和ZF預編碼原理如下:

1)Max-SLNR預編碼:設(shè)計發(fā)送端預編碼矩陣Vij為SLNR預編碼矩陣的最大特征值所對應的特征向量,則APj給UE[i,j]發(fā)送信號的預編碼Vij為

(3)

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

(4)

(5)

此時,APj給UE[i,j]發(fā)送信號的ZF預編碼為

(6)

式中null(,)為矩陣正交運算.

2.2 干擾抑制矩陣設(shè)計

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.BS1發(fā)送信號對WLAN內(nèi)用戶設(shè)備造成的干擾,稱為跨層干擾(Inter-interference);WLAN內(nèi)下行鏈路間干擾,稱為同層干擾(Intra-interference).用戶UE[i,j]接收到的同層干擾矩陣為

(7)

用戶UE[i,j]接收到的跨層干擾矩陣為

(8)

由(7)、(8)式用戶UE[i,j]接收到的干擾矩陣為:

(9)

將用戶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應的特征向量,即用戶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)將通過實驗數(shù)據(jù)來驗證算法的效果.

3 實驗結(jié)果與分析

本節(jié)對所提算法進行了仿真驗證.具體場景中含有一個蜂窩基站BS1,對應2個CUE;3個AP,分別為AP2、AP3、AP4,每個AP對應2個UE;用戶(CUE、UE)、BS、AP都配備4根天線;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,用戶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預編碼的誤比特率(BER)性能曲線圖,此仿真旨在說明Max-SLNR預編碼性能,與算法中2.2節(jié)的干擾抑制矩陣無關(guān).為說明Max-SLNR預編碼的BER性能,與MMSE預編碼及ZF預編碼對比,從曲線走勢可知,隨著ρ的增加,Max-SLNR預編碼的BER性能指標優(yōu)于其他兩種預編碼.

分別采用Max-SLNR預編碼及ZF預編碼,對用戶的平均傳輸速率性能進行了仿真,結(jié)果如圖4所示.隨著ρ的增大,用戶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預編碼的性能優(yōu)于采用ZF預編碼,當ρ=10dB時,采用Max-SLNR預編碼的平均傳輸速率比采用ZF預編碼的高0.6bit/s.

圖3 Max-SLNR預編碼的BER性能

圖4 采用Max-SLNR預編碼與ZF預編碼的平均傳輸速率對比

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關(guān)系圖,仿真參數(shù)默認BS及AP都分別對應兩個CUE及UE.從圖5可知,當ρ=10dB,AP數(shù)量為1與3時,用戶平均傳輸速率相差0.25bit/s,說明增加AP數(shù)目方案仍能有效抑制干擾.綜上可知,所述場景中用戶UE傳輸速率與預編碼矩陣和干擾抑制矩陣相關(guān),與AP數(shù)目無關(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題,當SNR為10dB時,在發(fā)送端采用Max-SLNR預編碼的平均傳輸速率比采用ZF預編碼的高0.6bit/s.且無需考慮天線數(shù)目對干擾對齊的約束,預編碼矩陣與干擾抑制矩陣也不需通過準則聯(lián)系起來,求取最優(yōu)解,方法復雜度低于傳統(tǒng)干擾對齊算法.但場景中基站覆蓋范圍及AP覆蓋范圍沒有加以限制,未考慮蜂窩用戶傳輸速率等性能.算法并未完全消除干擾,AP數(shù)增加會造成干擾的累積.在下一步研究中,需兼顧蜂窩用戶及WLAN用戶,進一步明確場景參數(shù),使之更趨近于現(xiàn)實.

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(責任編輯：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

國家自然科學基金青年科學基金(61503251)

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

導師簡介: 李 莉(1962-),女,教授,主要從事自適應信號處理與無線通信方面的研究.E-mail:lilyxuan@shnu.edu.cn(通信聯(lián)系人)

TN 929.5

A

1000-5137(2017)01-0042-06