冀保峰 邢冰冰 李玉琦 李春國, 韓瑽琤 楊綠溪

(1. 河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院, 河南洛陽 471023； 2. 中國科學(xué)院大氣物理研究所中層大氣和全球環(huán)境探測重點實驗室, 北京 100292; 3. 電子科技大學(xué)航空航天學(xué)院，四川成都 611731;4. 東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇南京 210096)

1 引言

近年來，隨著無線通信產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，干擾問題成為現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)面臨的一個關(guān)鍵問題，雖然很多干擾管理/抑制技術(shù)已經(jīng)提出，但是干擾網(wǎng)絡(luò)的一些基本問題至今都沒有得到很好的解決。在多小區(qū)的無線通信網(wǎng)絡(luò)中，干擾是制約網(wǎng)絡(luò)容量和信號接收質(zhì)量的主要因素，傳統(tǒng)的雙向中繼網(wǎng)絡(luò)通過自干擾消除進行干擾管理[1-5]，而共享中繼網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)間干擾則通過迫零預(yù)編碼等零陷技術(shù)進行干擾消除[6-7]。

Chen等人對多跳無線網(wǎng)絡(luò)進行研究，提出了一種新的跨層干擾消除和網(wǎng)絡(luò)編碼方法，顯著提高了多跳無線網(wǎng)絡(luò)的容量[8]。Weng等人提出一種多用戶MIMO中繼協(xié)議，利用自信息減去雙向通信系統(tǒng)中的干擾[9]。Zhang等人提出了具有反饋策略的下行空間小區(qū)間干擾消除以提高系統(tǒng)的吞吐量增益[10]。Sun等將其擴展至蜂窩網(wǎng)絡(luò)，針對于小區(qū)邊緣中繼通信，提出了基于竊聽信息的單小區(qū)上下行業(yè)務(wù)發(fā)送協(xié)議[11]。與傳統(tǒng)方案不同，本文將小區(qū)間干擾視為有用信息，通過小區(qū)間干擾利用的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)高效傳輸算法，提高多小區(qū)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能。

利用竊聽信息進行干擾消除已被諸多學(xué)者廣泛研究。自干擾消除補充和維持了5G技術(shù)向更密集的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)演進的潛力，憑借其特性，自干擾消除將對5G及其以后的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生巨大影響[12]。Kim等將竊聽干擾消除原理應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，針對于遠處的傳感器節(jié)點不能直接與主控通信的情況，提出了基于監(jiān)聽的中繼操作[13]。同樣的Bandemer等則將該原理應(yīng)用于WiFi網(wǎng)絡(luò)中，通過利用兩跳中的干擾消息的標識，在其初始傳輸中監(jiān)聽干擾消息并且消除其后的干擾進行干擾消除[14]。Yoon等人提出了將級聯(lián)的同信道干擾(CCI，cochannel interference)消除器用于多徑衰落信道張的直接序列擴頻多址(DS/SSMA，direct-sequence spread-spectrum multiaccess)接收機來進行干擾消除[15]。Hwang等研究了聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)編碼的中繼系統(tǒng)自適應(yīng)竊聽發(fā)送方法，通過中繼監(jiān)聽兩個獨立數(shù)據(jù)流的信息，然后調(diào)整傳輸速率以適應(yīng)監(jiān)聽的數(shù)據(jù)流[16]。Huang等深入研究了兩種中繼傳輸方案下基于干擾竊聽的用戶分組優(yōu)化方法[17]。Xie等人針對于路由提出了編碼和偵聽一致原則[18]。除了中繼網(wǎng)絡(luò)中對于竊聽信息的利用，Gramaglia等將竊聽發(fā)送方法引入到非中繼系統(tǒng)的IP地址配置中[19]以及機會接入和位置定位中[20-21]。以上諸多研究足以表明竊聽信息以及中繼網(wǎng)絡(luò)的重要性，因此本文也基于中繼網(wǎng)絡(luò)和竊聽信息利用展開研究。需要說明的是本文主要關(guān)注如何利用竊聽干擾信息以提升系統(tǒng)性能，然而該方法在目前研究的雙向中繼系統(tǒng)中尚無報道[7]。

隨著5G通信的快速發(fā)展，大規(guī)模MIMO和超密集網(wǎng)絡(luò)也備受關(guān)注，Kim等人研究了MIMO系統(tǒng)中遞減天線選擇算法[22]，Wang等人提出了一種快速全局搜索接收天線選擇算法，用于MIMO陣列配置[23]。本文則建立在多小區(qū)MIMO基礎(chǔ)上進行研究。

雖然目前已有大量文獻研究了運用干擾信息提高通信質(zhì)量的方法，但是諸多研究工作并未關(guān)注多小區(qū)環(huán)境下強小區(qū)干擾的消除方法，因此本文提出了MIMO系統(tǒng)中小區(qū)間干擾利用的中繼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)高效傳輸算法。值得說明的是Sun等人的系統(tǒng)模型與本文較為相似[11]，但其僅研究了單天線配置的場景，多小區(qū)干擾利用的多天線傳輸協(xié)議的研究目前鮮有報道，本文基于MIMO系統(tǒng)對小區(qū)間干擾利用的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)高效傳輸協(xié)議進行研究，有效提升多小區(qū)網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率和系統(tǒng)性能。

本文的主要貢獻如下：

(1)提出了多小區(qū)網(wǎng)絡(luò)上下行業(yè)務(wù)同時發(fā)送的竊聽傳輸算法；

(2)設(shè)計了小區(qū)間干擾利用的線性最小均方誤差(MMSE)接收機;

(3)獲得上下行業(yè)務(wù)速率和頻譜效率約束下，發(fā)送功率最小化的中繼預(yù)編碼優(yōu)化設(shè)計。

2 系統(tǒng)模型

本文主要在多小區(qū)的基礎(chǔ)上利用干擾信息來進行小區(qū)間的干擾消除。隨著互聯(lián)網(wǎng)和移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求快速增加，基站的數(shù)量也迅速增長，這就使得各個基站之間的距離較近，小區(qū)間就會產(chǎn)生干擾，影響通信質(zhì)量。為了改變這一問題，提出了通過干擾信息提高通信吞吐量，如圖1所示，基站和移動臺可以分別竊聽到不同小區(qū)的基站和移動臺發(fā)送的信息，通過預(yù)編碼矩陣，利用這些竊聽到的信息進行干擾消除。

本文主要考慮相鄰小區(qū)利用共享多天線中繼進行上下行業(yè)務(wù)同時發(fā)送的場景(如圖1所示)，下行業(yè)務(wù)的基站記為BSDL，借助中繼轉(zhuǎn)發(fā)相對應(yīng)的下行接收移動臺記為MTDL；同時，小區(qū)2進行上行業(yè)務(wù)發(fā)送的移動臺記為MTUL，其對應(yīng)的基站記為BSUL。傳統(tǒng)雙向中繼網(wǎng)絡(luò)[3]第一時隙中繼站接收來自基站和移動臺的信號，第二時隙中繼站利用放大轉(zhuǎn)發(fā)、譯碼轉(zhuǎn)發(fā)等模式重發(fā)混合信號至基站和移動臺，由圖1可知，本文研究的系統(tǒng)模型中，第一時隙和第二時隙收發(fā)端的信息交互并非原收發(fā)端，兩者相比有顯著區(qū)別。其中多天線中繼站的工作模式為半雙工模式，且由于障礙物遮擋、嚴重路徑損耗[22,24]等原因，本文假定基站和移動臺之間無直達鏈路，基站通常部署位置較高且散射子較少，故其發(fā)送功率通常很高，因而本文假定相鄰小區(qū)基站間可相互偵聽[25-26]。處于相鄰小區(qū)邊緣的移動臺之間也可相互偵聽，但由于障礙物遮擋、路損等原因，移動臺之間無法直接從基站獲取信息而只能借助中繼站。

圖1 系統(tǒng)模型Fig.1 System model

值得說明的是實際環(huán)境中，本文針對相鄰小區(qū)利用共享多天線中繼進行上下行業(yè)務(wù)高效傳輸?shù)男帕罱换タ煞譃門DD(Time Division Duplex時分雙工)和FDD(Frequency Division Duplex)兩種模式，其中本文所提干擾利用的高效傳輸方案是集中式控制方式，而雙向業(yè)務(wù)流同時發(fā)送的預(yù)編碼設(shè)計和計算則主要通過中繼站完成。關(guān)于多點協(xié)作和信道估計等方面的研究可參考已有文獻[27-28]。在實際系統(tǒng)中要完成本文所提多小區(qū)干擾利用的高效傳輸，其全局信道狀態(tài)信息(Channel State Information, CSI)的獲取則需如下流程：

(1)TDD模式

第一階段內(nèi)：BSDL向中繼站和BSUL發(fā)送信息，以及MTUL向MTDL和中繼站發(fā)送信息時，可通過將幀結(jié)構(gòu)中插入導(dǎo)頻序列，由于TDD系統(tǒng)信道的互易性特點，因此中繼站可獲取BSDL和MTUL之間的上下行信道狀態(tài)信息；同時，MTDL也獲取了與MTUL的CSI，而BSUL獲取了與BSDL的CSI。

第二階段內(nèi)：中繼站與MTDL和BSUL之間的信令交互請求則可通過控制信道完成，首先中繼站向MTDL和BSUL發(fā)送“NDPA”(Null Data Packet Announcement, 空數(shù)據(jù)包通告)幀，則MTDL和BSUL則在收到NDP幀后，將CSI反饋給中繼站，同時，第一階段內(nèi)MTDL和BSUL分別獲取的CSI也在反饋幀中發(fā)送給中繼站，因此，通過基站、移動終端和中繼站的信令交互，中繼站獲取了全局的CSI。

(2)FDD模式

第一階段內(nèi)：BSDL向中繼站和BSUL發(fā)送“NDPA”幀請求CSI信息，同時，MTUL也向MTDL和中繼站發(fā)送CSI請求信息，站點在收到CSI請求幀后，則將通過信道估計等方法獲取的CSI反饋給發(fā)送端。

第二階段內(nèi)：中繼站與MTDL和BSUL之間的信令交互請求則可通過控制信道完成，而相應(yīng)的CSI信息則通過數(shù)據(jù)信道反饋給發(fā)送端；首先中繼站向MTDL和BSUL發(fā)送“NDPA”幀，則MTDL和BSUL則在收到NDP幀后將信道估計獲取的CSI反饋給中繼站，同時，第一階段內(nèi)MTDL和BSUL分別獲取的CSI也在該反饋幀中發(fā)送給中繼站，因此，通過基站、移動終端和中繼站的信令交互，中繼站獲取了全局的CSI。

第一個時隙內(nèi)，小區(qū)1的基站BSDL以功率p1發(fā)送信號x1，同時，小區(qū)2的移動臺MTUL以功率p2發(fā)送信號x2，到達多天線中繼站，則中繼站的接收信號矢量可表示為：

(1)

(2)

(3)

其中f1和f2分別是BS1,DL→BS2,UL和MT2,UL→MT1,DL的竊聽信道，ν1和ν2分別是兩個竊聽信道的AWGN噪聲且服從CN(0,1)，本文假定兩個業(yè)務(wù)流信道上無竊聽干擾。

(4)

(5)

(6)

公式(2)和(5)是移動臺MTDL的接收信號，而公式(3)和(6)是基站BSUL的接收信號，其中公式(3)和(6)中的竊聽干擾可被移動臺MTDL和基站BSUL的MMSE接收機所分別利用。值得注意的是多天線中繼的預(yù)編碼矩陣是系統(tǒng)性能優(yōu)化和提升的關(guān)鍵參數(shù)，下面將對該預(yù)編碼矩陣進行求解，并獲得移動臺MTDL和基站BSUL的最優(yōu)MMSE接收機。

3 干擾利用的中繼系統(tǒng)雙向業(yè)務(wù)流同時發(fā)送預(yù)編碼設(shè)計

本節(jié)首先推導(dǎo)小區(qū)1移動臺MTDL和小區(qū)2基站BSUL各自MMSE接收機的信干噪比(SINR)表達式，在此基礎(chǔ)上，形成多天線中繼竊聽系統(tǒng)預(yù)編碼設(shè)計的優(yōu)化問題模型，最后，通過將該問題轉(zhuǎn)化為二次型約束的二次規(guī)劃問題(QCQP)，利用半定規(guī)劃松弛方法進行求解。

A.多天線中繼竊聽系統(tǒng)預(yù)編碼設(shè)計優(yōu)化問題形成

移動臺MTDL在兩個時隙內(nèi)的兩個接收信號可表示為：

(7)

其中x1是MTDL的期望信號，而x2是干擾信號。

(8)

注：從公式(7)可知當多小區(qū)系統(tǒng)存在多個竊聽干擾時，由于未知數(shù)多于方程數(shù)，則無法進行譯碼求解。當存在兩個以上竊聽移動臺MT時，第一時隙內(nèi)接收信號干擾的處理不同于第二時隙，可采用干擾配準等方法處理多干擾情形[31]，以獲得期望譯碼信號?；谠摲椒?，本文所提方案可擴展至多小區(qū)多用戶場景，具體公式推導(dǎo)可作為本文后續(xù)工作。

同樣，基站BSUL在兩個時隙內(nèi)的接收信號可表示為：

(9)

(10)

需要說明的是本文主要關(guān)注如何利用竊聽干擾信息以提升系統(tǒng)性能，然而該方法在目前研究的雙向中繼系統(tǒng)中尚無報道。所提方法的代價函數(shù)是最小化中繼站的發(fā)送功率以實現(xiàn)最優(yōu)的預(yù)編碼矩陣W，從而利用公式(3)可計算中繼站的發(fā)送功率為：

(11)

盡管大部分目標函數(shù)的優(yōu)化問題常采用和速率最大化、誤碼率最小化以及功率最小化等準則進行系統(tǒng)預(yù)編碼設(shè)計，然而，作為未來綠色通信網(wǎng)絡(luò)的要求，功率消耗成為諸多學(xué)者研究的熱點。但考慮各個節(jié)點功率消耗的數(shù)學(xué)模型難以獲得，且其計算復(fù)雜度過高以至于實際中尚無法實現(xiàn)，本文利用能效通信的傳輸方法[30]，以發(fā)送功率最小化為目標設(shè)計雙向中繼的預(yù)編碼矩陣W。

本文的優(yōu)化問題以多天線中繼發(fā)送功率最小化為目標，以小區(qū)1的下行業(yè)務(wù)和小區(qū)2的上行業(yè)務(wù)速率最小化為約束條件，形成多天線中繼竊聽系統(tǒng)預(yù)編碼設(shè)計的優(yōu)化模型為：

(12)

B.非凸問題轉(zhuǎn)化和求解

1)目標問題等價轉(zhuǎn)化：

公式(12)的代價函數(shù)可等效推導(dǎo)如下：

(13)

(14)

其中

(15)

利用矩陣跡的性質(zhì)、Kronecker積及SINRUL的矢量化，可推導(dǎo)獲得式(10)的等價轉(zhuǎn)化形式如式(16)所示：

(16)

(17)

(18)

因此，SINRUL的等價轉(zhuǎn)化可通過將式(16)、(17)和(18)代入式(11)獲得如下：

(19)

通過將式(13)、(14)和式(19)代入式(13)，可獲得式(12)優(yōu)化模型的轉(zhuǎn)化表達式為：

(20)

需要說明的是式(20)的兩個約束條件在不同信道環(huán)境下，可能出現(xiàn)不能同時滿足的情況，故該優(yōu)化問題的可行解不能保證一定存在。例如瞬時信道狀態(tài)信息非常小時的極端情況下，該優(yōu)化問題的可行解并不存在。因此，該優(yōu)化問題的求解需首先檢測不同約束條件下是否存在可行解，而本文則重點關(guān)注該優(yōu)化問題可行解的推導(dǎo)。

注：雙向中繼干擾利用系統(tǒng)預(yù)編碼的設(shè)計需要兩個標量竊聽信道f1和f2的獲取，本地信道狀態(tài)信息(CSI)的獲取可采用傳統(tǒng)雙向中繼系統(tǒng)的方法[1]，而竊聽信道的獲取可通過接收端的信道估計得到，不完全CSI的魯棒預(yù)編碼設(shè)計是本文的后續(xù)工作。

2)式(20)的QCQP等價形式的優(yōu)化問題最優(yōu)解可表示如下：

wH[p1A1-(22r1-1)A2]w≥22r1-1

wH[p2B1-(22r2-1)B2]w≥22r2-1

(21)

因此，原始優(yōu)化問題的代價函數(shù)和約束均為二次型，且預(yù)編碼矩陣w優(yōu)化問題的轉(zhuǎn)化形式如下：

s.t.wH[p1A1-(22r1-1)A2]w≥22r1-1

wH[p2B1-(22r2-1)B2]w≥22r2-1

(22)

該QCQP形式的等價優(yōu)化問題可通過SDR方法求解，而式(22)的SDR形式可表示為：

s.t. Tr{X[p1A1-(22r1-1)A2]}≥22r1-1

Tr{X[p2B1-(22r2-1)B2]}≥22r2-1

(23)

由于式(23)的松弛優(yōu)化問題不滿足通常的秩1約束條件，故本文利用隨機優(yōu)化方法將該解轉(zhuǎn)化為秩1[30]，其中SDR(Semidefinite Relaxation)方法的計算復(fù)雜度是O(M9log(1/ε))(ε>0是求解精度[31])，而隨機優(yōu)化法的復(fù)雜度是O(M6+LO(M3))，其中O(M6)是相應(yīng)方陣奇異值分解的復(fù)雜度，L是隨機項數(shù)目[30]。

為了便于理解本文基于小區(qū)間干擾利用的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)高效傳輸算法方法，將所提方案以算法形式表達如算法1所示。

算法1:基于小區(qū)間干擾利用的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)高效傳輸算法1)移動臺MTUL和基站BSDL同時向中繼站發(fā)送上下行業(yè)務(wù)信號如式(1)所示;同時,基站BSUL和移動臺MTDL則竊聽收到的相應(yīng)信號如式(2)所示。2)利用半定規(guī)劃松弛法SDR和隨機化方法對多天線中繼站的預(yù)編碼進行優(yōu)化設(shè)計如式(21)。3)移動臺MTDL和基站BSUL從共享中繼站接收信號和譯碼,而第一時隙內(nèi)可通過MMSE接收機對下行竊聽信號(如式(5))和上行竊聽信號(如式(6))進行干擾利用和信號處理。

注：本文基于竊聽發(fā)送協(xié)議的預(yù)編碼設(shè)計方法可直接推廣應(yīng)用至收發(fā)端波束成型的多天線宏基站，從而可提升上下行業(yè)務(wù)流同時發(fā)送時宏基站的傳輸性能。

4 仿真和分析

本文的共享中繼多天線數(shù)配置為M=2，所有信道系數(shù)均為獨立同分布且服從CN(0,1)，利用Matlab的CVX2.0工具包獲得凸優(yōu)化數(shù)值解。CVX的隨機項數(shù)置為200，Monte Carlo循環(huán)次數(shù)置為10000，若碰到部分生成信道無可行解時則丟棄該次仿真數(shù)據(jù)。

本文仿真對比了無干擾利用方法的系統(tǒng)性能，其代價函數(shù)仍為最小化中繼站的發(fā)送功率，而其兩個約束條件分別是小區(qū)1下行鏈路和小區(qū)2上行鏈路的最小化速率需求，該情況的上下行信干噪比可表示為：

(24)

(25)

本文仿真的中繼預(yù)編碼矩陣根據(jù)最大比合并(MRC)準則設(shè)計，即Wmrc=ρ[g1,g2][h1,h2]T，其中ρ用于使Wmrc滿足兩個速率條件的約束，變量ρ的主要作用是滿足業(yè)務(wù)速率要求的中繼站發(fā)送功率的提升。

圖2表明中繼站的發(fā)送功率可滿足增強的約束條件r1(r2)，由圖2可看到所提的基于小區(qū)間干擾利用的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)高效傳輸協(xié)議的中繼站預(yù)編碼設(shè)計可獲得最優(yōu)性能，而仿真對比表明線性MRC預(yù)編碼性能損失嚴重。圖2可看到無干擾利用發(fā)送協(xié)議的MRC預(yù)編碼性能損失達6 dB，而本文所提基于小區(qū)間干擾利用的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)高效傳輸協(xié)議與其他兩種傳輸方案隨著目標數(shù)據(jù)速率的增加，其性能增益逐漸減小，這是由于中繼站采用的放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)模式，其固有的噪聲放大影響所致。由于MRC預(yù)編碼無法同時匹配兩跳信道的雙方向發(fā)送，因而該竊聽場景下多天線中繼的MRC預(yù)編碼性能最差。因此，該竊聽場景下利用兩個方向的多天線中繼站預(yù)編碼的設(shè)計可有效提升該系統(tǒng)的性能。

圖3表明系統(tǒng)BER與發(fā)送功率之間不同方案的性能對比，其中調(diào)制方式采用16QAM，由圖3可看到本文所提基于小區(qū)間干擾利用的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)竊聽預(yù)編碼方案的性能，要優(yōu)于無干擾利用的協(xié)議設(shè)計和線性MRC預(yù)編碼兩種預(yù)編碼方案。

圖2 上下行目標速率約束與中繼發(fā)送功率關(guān)系Fig.2 Relationship between uplink and downlink target rate constraints and relay transmit power

圖3 不同預(yù)編碼方案的BER對比(16QAM調(diào)制)Fig.3 BER comparison of different precoding schemes (16QAM modulation)

圖4對比了所提算法與不同預(yù)編碼傳輸方案的“和速率”性能，其中包括迫零預(yù)編碼(ZF)、最大比發(fā)送-最大比合并(MRC-MRT)、文獻[11]所提方案，且調(diào)制方式采用了16QAM，由圖可知，本文所提算法的和速率比其他方案性能優(yōu)越。圖5對比了不同預(yù)編碼方案的最小均方誤差接收機性能，由圖可知本文所提算法的最小均方誤差接收機性能要優(yōu)于其他方案。

圖4 不同預(yù)編碼方案的“和速率”對比(16QAM調(diào)制)Fig.4 Rate comparison of different precoding schemes (16QAM modulation)

圖5 不同預(yù)編碼方案的最小均方誤差接收機性能對比Fig.5 Performance comparison of MMSE receiver for different precoding schemes

5 結(jié)論

本文提出相鄰小區(qū)間干擾利用的多天線中繼高效傳輸算法，以提升多小區(qū)的信號質(zhì)量和吞吐量，其中相鄰小區(qū)是通過多天線中繼站完成的上下行業(yè)務(wù)流傳輸，而且本文所提方法利用空分多址或干擾配準技術(shù)可擴展應(yīng)用至多天線多用戶場景，該協(xié)議可看作是雙向中繼系統(tǒng)的增強擴展。本文所研究的小區(qū)間干擾利用的雙向中繼系統(tǒng)中，中繼站采用線性AF模式，而接收機采用MMSE檢測技術(shù)，基于中繼預(yù)編碼矩陣的SINR表達式，建模出目標頻譜效率約束下最小化中繼功率的非凸預(yù)編碼優(yōu)化模型，通過將該非凸優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為二次型約束的二次規(guī)劃形式，利用半定松弛規(guī)劃方法求解該優(yōu)化問題，所設(shè)計的最優(yōu)中繼預(yù)編碼矩陣可較大程度降低系統(tǒng)功耗，為未來綠色通信網(wǎng)絡(luò)等場景的研究提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)保障。