异构网络中下行链路的干扰抑制研究

王 欢, 李 莉, 江 楠, 王发展

(上海师范大学 信息与机电工程学院,上海 200234)

异构网络中下行链路的干扰抑制研究

王 欢, 李 莉, 江 楠, 王发展

(上海师范大学 信息与机电工程学院,上海 200234)

针对蜂窝网与无线局域网(WLAN)共存的异构网络干扰问题,提出一种干扰抑制方案:在发送端加设预编码矩阵,最大化期望信号强度,减小干扰信号强度;在接收端加设干扰抑制编码矩阵,抑制蜂窝网络基站对无线局域网内用户设备的干扰及无线接入点(AP)对非期望用户设备的干扰.仿真结果表明:该方案可以抑制异构网络下行链路的干扰问题,提高异构网络用户的传输速率.

异构网络; 预编码矩阵; 干扰抑制矩阵; 无线接入点

0 引 言

异构网络中涵盖二种或二种以上无线通信网络,能够发挥各自网络的优势,被认为是一种很有前景的新型网络类型.然而,异构网络中蜂窝网络和无线局域网(WLAN)重复使用相同的频谱资源,用户设备间会产生同信道干扰,是提高异构网络数据传输速率的主要瓶颈.此外,随着用户的增加,经典的基于频率/空间复用和功率控制的技术无法应对额外的干扰[1-2].

为解决同信道干扰,研究者提出了各种干扰管理技术.其中,干扰对齐技术不仅实现了更高的容量,而且还降低了系统的复杂性,能有效抑制干扰.波束成形预编码作为一种干扰对齐技术,是指在接收端采取可分离的方式选择所需信号,其干扰信号是对齐的,即干扰矢量投射重叠[3].Oh等[4]介绍了一种在无线局域网中多用户多进多出 (MIMO)信道的收发器编解码设计方案,在发送端设置波束成形预编码,在接收端求取用户接收到的干扰矩阵,设计解码最大化抑制干扰.Niu等[5]解决了微小区(microcell)与微微小区(picocell)共存异构网络中用户间干扰问题,提出一种基于干扰对齐的比特分配方案,有效减少了接收天线约束,提高异构网络系统容量,缺点是没有考虑微微小区用户干扰消除.Aziz等[6]将发送端预编码设计与用户选择结合在一起,提出一种新方案解决异构网络场景下用户间干扰问题.Shin等[7]提出分层多级干扰对齐,将系统获取预编码矩阵过程分为多个阶段.Lee等[8]和Tang等[9]皆考虑2个小区间多信道间用户的干扰问题,其中[9]通过采用量化的预编码矩阵代替量化信道矩阵,与[8]对比,[9]可以显著减少信道反馈数据量.杨敬文等[10]研究毫微微蜂窝网络与宏蜂窝网络共存的网络环境,提出了一种双层预编码方案,可提高毫微微蜂窝网络的吞吐量.

上述干扰对齐方案作用的场景中,收发端编解码大都通过准则协作获取,如[10]采用的最小化均方误差(MMSE)算法,预编码矩阵及干扰抑制矩阵是在MMSE准则下获取的.当需要抑制蜂窝网络基站对无线局域网内用户设备的干扰及AP对非期望用户设备的干扰,且AP只作用于覆盖范围内用户时,采用上述方法无法同时解决两种干扰.基于[4],本文作者在发送端加设基于干扰对齐的最大化信号泄漏比(Max-SLNR)预编码,并在接收端加设干扰抑制矩阵,用干扰抑制矩阵抑制接收到的干扰,提高用户的平均传输速率.此外,为说明Max-SLNR预编码的效果,特在发送端设计迫零(ZF)预编码,与其作对比,得出优劣.

1 异构网络系统模型

图1为多个无线局域网络与蜂窝网络共同覆盖下的小区示意图,蜂窝基站覆盖整个小区,无线接入点处于小区之内且覆盖范围小于蜂窝基站覆盖范围.蜂窝用户随机分布在蜂窝基站覆盖范围之内,无线局域网络覆盖范围内均有多个无线局域网用户与无线接入点(AP)进行通信,无线局域网用户位置局限在无线局域网覆盖范围内,只与无线接入点进行通信.

图1 异构网络覆盖示意图

图2为异构网络中下行链路的干扰模型图,设定在该通信场景内拥有1个蜂窝基站,记为BS1,K-1个无线接入点,记为APj(j=2,3,…,K);T个蜂窝用户设备(CUE[1,1],…,CUE[T,1])与一个蜂窝基站进行通信,无线局域网中每个APj对应L个用户设备(UE[1,j],…,UE[L,j]);其中BS1、APj都具有N个发射天线.

图2 异构网络中下行链路的干扰模型

此通信场景中干扰主要来自:1)BS1发射信号对无线局域网内用户设备的干扰;2)AP发射信号对非期望用户设备的干扰.令xij是APj发给WLAN中用户设备UE[i,j]的信号向量,维度是N×1;xt1是BS1发给蜂窝用户设备CUE[t,1]的信号向量,维度是N×1.对发送信号进行预编码处理之后,UE[i,j]接收到的信号电平为

(1)

式中Hij是APj与UE[i,j]之间的信道矩阵,维度为N×N;Vij是APj对UE[i,j]发送信号的预编码矩阵,维度为N×N.nij是UE[i,j]接收到的环境噪声,维度为N×1,服从均值为0的高斯分布,E(nijnijH)=σ2I,I为N阶单位矩阵.

对UE[i,j]接收端进行干扰抑制处理后,接收到的信号电平为

(2)

2 异构网络干扰抑制算法

本节介绍异构网络中下行链路的干扰抑制算法,算法分为两部分:1)在发送端加设预编码矩阵,最大化期望信号强度,减小干扰信号强度;2)在接收端加设干扰抑制矩阵,抑制干扰,提高用户传输速率.该方法产生的预编码矩阵及干扰抑制矩阵之间无需通过准则联系,各自在其作用端进行设计.

2.1 预编码矩阵设计

Max-SLNR预编码方案解决了[4]中场景的干扰,效果优于文献中其他编码.为解决本文场景中干扰问题,特在用户发送端加设Max-SLNR预编码,而因ZF预编码易于实现且复杂度低,作为参照对象.Max-SLNR预编码和ZF预编码原理如下:

1)Max-SLNR预编码:设计发送端预编码矩阵Vij为SLNR预编码矩阵的最大特征值所对应的特征向量,则APj给UE[i,j]发送信号的预编码Vij为

(3)

式中eigvec(·)是求矩阵特征值的特征向量运算,Hij是APj到UE[i,j]之间的信道矩阵,σ2是信号噪声的方差.

(4)

(5)

此时,APj给UE[i,j]发送信号的ZF预编码为

(6)

式中null(,)为矩阵正交运算.

2.2 干扰抑制矩阵设计

干扰抑制矩阵作用于接收端,旨在最小化接收到的干扰信号.BS1发送信号对WLAN内用户设备造成的干扰,称为跨层干扰(Inter-interference);WLAN内下行链路间干扰,称为同层干扰(Intra-interference).用户UE[i,j]接收到的同层干扰矩阵为

(7)

用户UE[i,j]接收到的跨层干扰矩阵为

(8)

由(7)、(8)式用户UE[i,j]接收到的干扰矩阵为:

(9)

将用户UE[i,j]干扰矩阵乘以其转置矩阵,然后求取它们的最小特征值对应的特征向量,即用户UE[i,j]的干扰抑制矩阵为:

(10)

至此,异构网络中发送端预编码矩阵及接收端干扰抑制矩阵都已求出,下一节将通过实验数据来验证算法的效果.

3 实验结果与分析

本节对所提算法进行了仿真验证.具体场景中含有一个蜂窝基站BS1,对应2个CUE;3个AP,分别为AP2、AP3、AP4,每个AP对应2个UE;用户(CUE、UE)、BS、AP都配备4根天线;所有信道矩阵都服从高斯分布;噪声方差σ2=1;以下行传输速率为指标,用户UE[i,j]传输速率为

(11)

式中ρ表示信干噪比(SNR),ρ=P/σ2,P为发射功率

图3为Max-SLNR预编码的误比特率(BER)性能曲线图,此仿真旨在说明Max-SLNR预编码性能,与算法中2.2节的干扰抑制矩阵无关.为说明Max-SLNR预编码的BER性能,与MMSE预编码及ZF预编码对比,从曲线走势可知,随着ρ的增加,Max-SLNR预编码的BER性能指标优于其他两种预编码.

分别采用Max-SLNR预编码及ZF预编码,对用户的平均传输速率性能进行了仿真,结果如图4所示.随着ρ的增大,用户获得的平均传输速率逐步增大,表明干扰得到良好的抑制.由图4可知,相同ρ情况下,采用Max-SLNR预编码的性能优于采用ZF预编码,当ρ=10dB时,采用Max-SLNR预编码的平均传输速率比采用ZF预编码的高0.6bit/s.

图3 Max-SLNR预编码的BER性能

图4 采用Max-SLNR预编码与ZF预编码的平均传输速率对比

图5 系统中AP数目与平均传输速率关系图

图5为系统中AP数量与平均传输速率的曲线关系图,仿真参数默认BS及AP都分别对应两个CUE及UE.从图5可知,当ρ=10dB,AP数量为1与3时,用户平均传输速率相差0.25bit/s,说明增加AP数目方案仍能有效抑制干扰.综上可知,所述场景中用户UE传输速率与预编码矩阵和干扰抑制矩阵相关,与AP数目无关.

4 总 结

提出了一种异构网络中下行链路的干扰抑制算法,在发送端采用预编码技术,然后将同层干扰矩阵及跨层干扰矩阵合并成干扰矩阵,最后在接收端加设干扰抑制矩阵加以抑制.该方法很好地解决了异构网络中下行链路的干扰问题,当SNR为10dB时,在发送端采用Max-SLNR预编码的平均传输速率比采用ZF预编码的高0.6bit/s.且无需考虑天线数目对干扰对齐的约束,预编码矩阵与干扰抑制矩阵也不需通过准则联系起来,求取最优解,方法复杂度低于传统干扰对齐算法.但场景中基站覆盖范围及AP覆盖范围没有加以限制,未考虑蜂窝用户传输速率等性能.算法并未完全消除干扰,AP数增加会造成干扰的累积.在下一步研究中,需兼顾蜂窝用户及WLAN用户,进一步明确场景参数,使之更趋近于现实.

[1] Kang T S,Seo B.Joint optimization of user set selectionand transmit power allocation for orthogonal random beamforming in multiuser MIMO systems [J].ETRI Journal,2012,34(6):879-884.

[2] Cadambe V R,Jafar S A.Interference alignment and degrees of freedom of theK-user interference channel [J].IEEE Transactions on Information Theory,2008,54(8):3425-3441.

[3] Sung H,Park S H,Lee K J,et al.Linear precoder designs for K-user interference channels [J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2010,9(1):291-301.

[4] Oh J,Choi J,Song M,et al.Simple linear transceiver designs for interference alignment in IEEE 802.11ac interfering network [C]//2014 International Symposium on Communications and Information Technologies (ISCIT),Incheon:IEEE,2014.

[5] Niu Q,Zeng Z M,Zhang T K.Interference alignment and bit allocation in heterogeneous networks with limited feedback [C]//17th International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications (WPMC2014),Sydney:IEEE,2014.

[6] Aziz D,Mazhar M,Weber A.Multi user inter cell interference alignment in heterogeneous cellular networks [C]//2014 IEEE 79th Vehicular Technology Conference (VTC Spring),Seoul:IEEE,2014.

[7] Shin W,Lee N,Lim J B,et al.On the design of interference alignment scheme for two-cell MIMO interfering broadcast channels [J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2011,10(2):437-442.

[8] Lee H H,Ko Y C.Linear transceiver design based on interference alignment for MIMO heterogeneous networks [C]//2012 IEEE 23rd International Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC),Sydney:IEEE,2012.

[9] Tang J,Lambotharan S.Interference alignment techniques for MIMO multi-cell interfering broadcast channels [J].IEEE Transactions on Communications,2012,61(1):164-175.

[10] 杨敬文,李莉,邱昊.双层异构网络下多用户干扰对齐算法 [J].上海师范大学学报(自然科学版),2016,45(2):150-154.

Yang J W,Li L,Qiu H.Multiple-users interference alignment base on two-tiredheterogeneous networks [J].Journal of Shanghai Normal University (Natural Sciences),2016,45(2):150-154.

(责任编辑：顾浩然)

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

国家自然科学基金青年科学基金(61503251)

王 欢(1990-),男,硕士研究生,主要从事无线通信方面的研究.E-mail:1124234395@qq.com

导师简介: 李 莉(1962-),女,教授,主要从事自适应信号处理与无线通信方面的研究.E-mail:lilyxuan@shnu.edu.cn(通信联系人)

TN 929.5

A

1000-5137(2017)01-0042-06