文芳艷,孫長印,盧光躍,謝永斌

(西安郵電大學(xué)無線網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室,西安710121)

LTE-A高密異構(gòu)網(wǎng)場景下基于干擾排污技術(shù)的干擾管理*

文芳艷**,孫長印,盧光躍,謝永斌

(西安郵電大學(xué)無線網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室,西安710121)

在LTE-A高密異構(gòu)網(wǎng)場景下,干擾對(duì)齊(IA)被用來消除小區(qū)間的干擾。然而,隨著小區(qū)數(shù)目的增加,干擾對(duì)齊的條件會(huì)變得很難滿足。針對(duì)此問題,提出了干擾排污(ID)的思想,通過尋找未被充分利用的系統(tǒng)資源空間,并且適當(dāng)?shù)胤艑捀蓴_對(duì)齊的條件,實(shí)現(xiàn)對(duì)空域、頻域自由度(DOF)的充分利用。首先,尋找干擾排污空間,然后基于交替最小化的方法求解小區(qū)的預(yù)編碼矩陣和接收濾波器,最后對(duì)干擾排污空間用戶利用IRC(Interference Rejection Combine)算法重新求解其接收濾波器。仿真結(jié)果表明,可以在每個(gè)基站天線數(shù)目固定的條件下不斷地增加小區(qū)數(shù)目,并且同時(shí)獲得一定的吞吐量增益。

高密異構(gòu)網(wǎng);干擾對(duì)齊;干擾排污;自由度;交替最小化;IRC算法

1 引 言

干擾對(duì)齊(Interference Alignment,IA)作為端到端干擾網(wǎng)絡(luò)中一種非常有效的干擾消除技術(shù),已經(jīng)引起業(yè)界持續(xù)的關(guān)注。干擾對(duì)齊技術(shù)主要是利用發(fā)射端的預(yù)編碼矩陣把來自其他小區(qū)的干擾信號(hào)對(duì)齊到特定的空間上,然后在接收端把接收到的信號(hào)投影到與該特定子空間正交的空間上,以此實(shí)現(xiàn)多小區(qū)干擾抑制。假設(shè)基站知道完整的信道狀態(tài)信息,理論上講,在信噪比高的區(qū)域,所有并發(fā)的干擾對(duì)齊鏈路與干擾非對(duì)齊情形相比,可以獲得一半的系統(tǒng)容量。為此,干擾對(duì)齊技術(shù)被研究用作消除多小區(qū)干擾情形。

干擾對(duì)齊必須滿足干擾對(duì)齊條件。假設(shè)高密度異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景[1],采用空間復(fù)用模式將若干用戶的信息傳輸分配到兩個(gè)層上,其中層1有Kp個(gè)用戶,層2有Ks個(gè)用戶,層1的發(fā)射端和接收端分別有Mp和Np根天線,層2的發(fā)射端和接收端分別有Ms和Ns根天線,層1用戶有dp個(gè)數(shù)據(jù)流傳輸,層2用戶有ds個(gè)數(shù)據(jù)流傳輸。為了實(shí)現(xiàn)干擾對(duì)齊,即同時(shí)滿足層間干擾和層內(nèi)干擾對(duì)齊[2]的條件,顯然,對(duì)于高密度的異構(gòu)網(wǎng)場景,當(dāng)層1和層2用戶數(shù)目增加時(shí),也就是小區(qū)的數(shù)目增加時(shí),用戶的天線數(shù)目已超過實(shí)際可以承受的范圍。換句話說,對(duì)于固定的天線數(shù)目,IA能夠消除的小區(qū)間干擾是有限的。

干擾排污(Interference Draining,ID)就是為了克服IA方法的限制而提出來的[3],其基本思想是充分利用層1用戶未被利用的自由度,同時(shí),對(duì)層1用戶干擾最小。本質(zhì)而言,ID是層間資源共享情形IA概念的進(jìn)一步擴(kuò)展,具體表現(xiàn)在:干擾對(duì)齊的某些條件被適當(dāng)放寬;容許存在一定量的、接收端可容忍的干擾信號(hào);在上述條件假設(shè)下,滿足干擾對(duì)齊的條件,則可充分利用空域、頻域的自由度。

ID的研究包括空域和時(shí)域的ID技術(shù),以便在有限的天線數(shù)目情形下增加層2用戶的數(shù)目[1];基于時(shí)域的ID技術(shù),同時(shí)采用部分對(duì)齊的技術(shù),以增加層2用戶的吞吐量[4]。

上述技術(shù)層1和層2間實(shí)際上是松耦合,即未進(jìn)行緊密的協(xié)作,為此,ID需要采取合理的協(xié)作策略,以便使得層2用戶可以動(dòng)態(tài)的復(fù)用層1用戶未被充分利用的空域和頻域自由度,這方面的研究可參見文獻(xiàn)[4-7]。

2 ID信號(hào)模型

研究考慮K個(gè)用戶的下行鏈路傳輸。假定基站和用戶分別具有Nt個(gè)發(fā)射天線和Nr個(gè)接收天線。為簡單起見,在每個(gè)小區(qū)的每個(gè)載波上發(fā)送功率保持不變。

用gk=Hk,kFk表示在某個(gè)鏈路k的信道增益, Hk,k表示信道,Fk表示波束形成矩陣,Φk∈CNr×1表示接收矩陣,假設(shè)是塊衰落場景,則信干噪比為

基于ID算法的求解方法:將小區(qū)間干擾分為兩個(gè)層次,即層1和層2;層1提供干擾排污子空間Ω;在子空間Ω中,下屬關(guān)系成立:?Ω

上式中第一個(gè)條件表示在層2中,相互干擾的鏈路在用戶k的接收端,有用信號(hào)和干擾是正交的;同時(shí),層2發(fā)射端對(duì)層1用戶p的干擾小區(qū)其容忍閾值為δ。

3 干擾排污空間選擇及準(zhǔn)則設(shè)計(jì)

ID算法設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 ID方案總體框圖Fig.1 The general block diagram of ID scheme

從圖1中可以看出,首先要做的就是干擾排污區(qū)域的確定。干擾排污空間選擇依據(jù)排污空間選擇準(zhǔn)則進(jìn)行。本文考慮的排污空間準(zhǔn)則設(shè)計(jì)為

式(3)表示排污空間選擇信干噪比足夠高的鏈路,即使其他鏈路的干擾排放,也不足以影響原鏈路的傳輸質(zhì)量,或傳輸質(zhì)量的下降在原用戶的容忍范圍之內(nèi)。而式(4)則表示干擾排污鏈路具有不同的鏈路質(zhì)量空間,此時(shí),其他鏈路可采用集中排放的方式,占用鏈路質(zhì)量差的自由度空間。前者為均勻排污,而后者則為集中排污。

4 基于交替最小化方法的ID算法

在確定了干擾排污空間Ω后,我們就可以在排污空間Ω中進(jìn)行干擾對(duì)齊。干擾排污用戶仍然要滿足式(3)和式(4)。在本文中,我們利用交替最小化的方法實(shí)現(xiàn)干擾對(duì)齊。

根據(jù)干擾對(duì)齊的思想,干擾對(duì)齊可通過最小化接收信號(hào)子空間的總干擾投影[8]實(shí)現(xiàn),為此,算法的目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)為

式中,Fl是發(fā)射端用戶l的預(yù)編碼矩陣,而Φk為接收端用戶k的接收矩陣,sl是用戶l的發(fā)送信號(hào), Hk,l是用戶l到用戶k的信道矩陣,K是用戶數(shù),且k,l=1,2,…,K,k≠l。

估計(jì)該期望,并且利用信號(hào)的相互獨(dú)立性有

以圖2所示的干擾鏈路為例,假如用戶2和用戶5被選為干擾排污空間用戶,即kd=2,{} 5,同時(shí),定義

即I(k)是接收端k的所有干擾發(fā)射端,而即I-1(l)是發(fā)射端l的所有干擾接收端。顯然,I-1(2)= {1,3,4,6},I-1(5)={1,3,4,6},而對(duì)其他發(fā)射端l, I-1(l)={k},k=1～6,k≠l且k?kd。

圖2 干擾排污圖例Fig.2 The legend of ID

采用交替最小化方法[9]得到預(yù)編碼矩陣和接收濾波器每次迭代的解,在每次迭代中,Fl的解為

而且,對(duì)所有給定的預(yù)編碼矩陣,Φk的解為

式中,Sk為傳輸?shù)目臻g數(shù)據(jù)流個(gè)數(shù)。上述交替最小化方法的初值通過對(duì)信道矩陣進(jìn)行特征值分解,并把最小特征值對(duì)應(yīng)的特征向量賦給F和Φ。

上面我們求出了k?kd的用戶的接收濾波器,那么對(duì)于干擾排污用戶(即k∈kd)的接收濾波器的設(shè)計(jì),我們考慮到該用戶的信干噪比很高,所以,可通過其信道的特征值分解求解它們的接收濾波器,或者IRC(Interference Rejection Combine)算法[10]。

因?yàn)镮RC將信號(hào)向主要干擾信號(hào)的垂直自空間投影,而且它能很好地從受干擾的信號(hào)中檢測出目標(biāo)信號(hào),所以它較信道的特征值分解能獲得更好的吞吐量增益。其計(jì)算過程如下:

式中,Rk是干擾信號(hào)和噪聲的協(xié)方差矩陣[11],nk是高斯白噪聲。從上面已經(jīng)知道gk=Hk,kFk表示在某個(gè)鏈路k的信道增益,則對(duì)干擾排污用戶k∈kd,我們就可以求得它的接收矩陣如下式:

這樣我們就求得了所有的接收濾波器。

5 干擾排污方案的性能仿真

本節(jié)對(duì)干擾排污算法進(jìn)行仿真性能比較,仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters

宏基站和微基站的路損是根據(jù)其功率所設(shè)定的,綜合實(shí)際信號(hào)傳輸場景特點(diǎn),本文采用以上兩種路徑損耗。仿真場景分別如圖3、圖5和圖7所示,大圓代表宏小區(qū),圓心代表宏小區(qū)的基站;小圓代表微小區(qū),圓心代表微小區(qū)的基站,并且微小區(qū)按照田字形進(jìn)行分布,里面藍(lán)色的星星代表用戶,它們隨機(jī)分布在微基站的周圍。

5.1 第一組仿真

仿真場景如圖3所示,仿真結(jié)果見圖4。

圖3 5小區(qū)仿真場景Fig.3 Simulation scenario of 5 cells

圖4 5小區(qū)吞吐量的CDF曲線Fig.4 CDF curve of throughput of 5 cells

從圖4中可以看出,在小區(qū)數(shù)目相對(duì)比較少的情況下,干擾對(duì)齊的性能比干擾排污的性能好,這是因?yàn)楫?dāng)小區(qū)數(shù)目比較少時(shí),小區(qū)之間的干擾很小,干擾對(duì)齊的效果比較理想,我們可以不用放棄某個(gè)鏈路專門進(jìn)行干擾排污,并且利用全部的空間自由度進(jìn)行干擾的對(duì)齊和信號(hào)的傳輸,所以干擾對(duì)齊的吞吐量增益比較好。

5.2 第二組仿真

仿真場景如圖5所示,仿真結(jié)果見圖6。

圖5 37小區(qū)仿真場景Fig.5 Simulation scenario of 37 cells

圖6 37小區(qū)吞吐量的CDF曲線Fig.6 CDF curve of throughput of 37 cells

從圖6中可以看出,干擾對(duì)齊的性能沒有干擾排污的性能好,這是因?yàn)楫?dāng)隨著小區(qū)的數(shù)目增加時(shí),小區(qū)之間的信道狀態(tài)信息變得異常復(fù)雜,每個(gè)小區(qū)受到其他小區(qū)的干擾會(huì)越來越多,干擾對(duì)齊的效果非常不理想,這時(shí),我們就選擇信干噪比大于500 dB的鏈路專門進(jìn)行干擾排污,而且這樣不會(huì)影響原鏈路的傳輸質(zhì)量,或者傳輸質(zhì)量的下降在可以忍受的范圍內(nèi),這樣整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量也會(huì)得到提高。

5.3 第三組仿真

仿真場景如圖7所示,仿真結(jié)果見圖8。

圖7 5小區(qū)仿真場景Fig.7 Simulation scenario of 5 cells

圖8 5小區(qū)接收端IRC算法和特征值分解Fig.8 CDF curve of throughput of IRC algorithm and Eigen value decomposition in receiving end.

圖8表明,在相同的場景下,對(duì)干擾排污用戶采取IRC算法時(shí),由于IRC將信號(hào)向主要干擾信號(hào)的垂直自空間投影,所以,可以大大消除干擾信號(hào)(即其他干擾排污用戶的影響),相比于對(duì)干擾排污用戶采取特征值分解系統(tǒng)能獲得更好的吞吐量增益。

6 結(jié)束語

在高密異構(gòu)網(wǎng)情形下,干擾排污克服了干擾對(duì)齊所帶來的局限性,即在小區(qū)數(shù)目不斷增加而基站天線數(shù)目固定的情況下,干擾排污相對(duì)于干擾對(duì)齊方案,充分利用層1用戶未被利用的自由度,消除了傳統(tǒng)干擾對(duì)齊算法在此情形的自由度限制,消除了小區(qū)間的干擾,為系統(tǒng)帶來了更多的吞吐量增益,而這在實(shí)際的超高密度小區(qū)是非常重要的,如5G的超高密度微微小區(qū)場景,所以本文研究對(duì)于未來移動(dòng)通信系統(tǒng)具有非常重要的意義。

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WEN FangyanwasborninXianyang, Shaanxi Province,in 1991.She is now a graduate student.Her research concerns communication signal processing and application.

Email:18729581334@163.com

孫長印(1963—),男,陜西人,2000年于西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號(hào)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獲博士學(xué)位,現(xiàn)為副教授,主要研究方向?yàn)橄乱淮鸁o線通信技術(shù);

SUN Changyin was born in Shannxi Province,in 1963.He received the Ph.D.degree from Xidian University in 2000.He is now an associate professor.His research concerns next generation mobile communication technology.

Email:changyin_sun@163.com

盧光躍(1972—),男,陜西西安人,博士,教授,主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信;

LU Guangyue was born in Xi′an,Shaanxi Province,in 1972.He is now a professor with the Ph.D.degree.His research concerns mobile communication.

Email:744016522@qq.com

謝永斌(1965—),男,山西人,1996年于西安交通大學(xué)獲博士學(xué)位,現(xiàn)為西安郵電大學(xué)教授,主要研究方向?yàn)闊o線通信技術(shù)。

XIE Yongbin was born in Shanxi Province,in 1965.He received the Ph.D.degree from Xi′an Jiaotong University in 1996.He is now a professor.His research concerns wireless communication.

Email:xieyongbin007@163.com

Interference Management Based on Interference Draining Technology in LTE-A High-density Heterogeneous Network

WEN Fangyan,SUN Changyin,LU Guangyue,XIE Yongbin
(National Engineering Laboratory of Wireless Network Security, Xi′an University of Post and Telecommunications,Xi′an 710121,China)

Interference alignment(IA)technology can be used to eliminate inter-cell interference(ICI)in the LTE-A high-density heterogeneous network.However,due to an increase of cell number,interference alignment conditions cannot be always met.In view of this problem,this paper proposes a scheme based on interference draining(ID)thoughts.By looking for the underused space of system resource and appropriately relaxing the IA conditions,the full utilization of degrees of freedom(DOF)in the spatial and frequency domain is achieved.Firstly,it looks for the available draining space,then obtains the pre-coding and receive filter according to the alternating minimization approach.Finally,for the draining space provider,it uses Interference Rejection Combine(IRC)algorithm to solve the receiving filter again.Simulation results indicate that the scheme is effective to get some throughput gain when fixed number of base station antennas is assumed and the number of cells continues to increase.

high-density heterogeneous network;interference alignment;interference draining;degrees of freedom,alternating minimization approach;IRC algorithm

The National High-tech R&D Program of China(863 Program)(2014AA01A703);The Natural Science Foundation of Shaanxi Province(2014JM8317,2013JK1045)

date:2015-04-13;Revised date:2015-07-02

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2014AA01A703);陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014JM8317,2013JK1045)

**通訊作者:18729581334@163.com Corresponding author:18729581334@163.com

TN929.5

A

1001-893X(2015)12-1337-05

文芳艷(1991—),女,陜西咸陽人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)橥ㄐ判盘?hào)處理及應(yīng)用;

10.3969/j.issn.1001-893x.2015.12.005

文芳艷,孫長印,盧光躍,等.LTE-A高密異構(gòu)網(wǎng)場景下基于干擾排污技術(shù)的干擾管理[J].電訊技術(shù),2015,55(12):1337-1341. [WEN Fangyan,SUN Changyin,LU Guangyue,et al.Interference Management Based on Interference Draining Technology in LTE-A Highdensity Heterogeneous Network[J].Telecommunication Engineering,2015,55(12):1337-1341.]

2015-04-13;

2015-07-02