摘 要： 在無線網絡中，帶寬和降低功耗的需求導致小區的覆蓋范圍變小，這就要求減少用戶與基站的距離，進而增加系統容量。傳統宏蜂窩和低功率小蜂窩共存的異構網絡可以有效地提高系統容量，但是宏蜂窩和小蜂窩的同層干擾和跨層干擾嚴重影響了系統性能。提出了分層干擾對齊預編碼技術，有效地緩解了同層干擾和跨層干擾。
0 引言
能源消耗和電磁污染正在成為發達國家和發展中國家都必須面對的重要社會和經濟挑戰，未來的通信設施演進將不得不考慮這兩個因素[1]。用戶對于高速率、高質量的無線服務的需求正呈現爆炸式增長，傳統的宏蜂窩網絡已不能滿足用戶的需求，主要表現為宏蜂窩的覆蓋范圍廣，頻率復用率低，系統容量有限；對路徑損耗較大的環境（例如室內、辦公場所），宏蜂窩無法形成有效的覆蓋，容易出現盲區和漏洞。
小蜂窩技術很好地解決了以上問題。小蜂窩是一種低功率的家庭網絡，覆蓋范圍通常為10米到數百米，擴展了蜂窩網絡的覆蓋范圍，并給室內用戶提供高速率的數據服務[2-3]。小蜂窩通過高速有線回程鏈路與骨干網相連，并復用宏蜂窩頻率資源進行傳輸，形成了宏蜂窩和小蜂窩共存的雙層異構無線網絡。小蜂窩基站的覆蓋范圍較小，不會對宏蜂窩造成大的影響。小蜂窩不僅提高了頻率資源復用率，而且填補了宏蜂窩的覆蓋漏洞，被認為是有效提升系統容量的關鍵技術。
從小蜂窩誕生的第一天起，如何控制宏蜂窩和小蜂窩以及不同小蜂窩之間的同頻干擾成為急需解決的核心問題。目前隨著MIMO技術的廣泛應用，使用MIMO預編碼可以有效地抑制分層異構無線網絡中的干擾[4-5]。
1 系統模型
考慮一個含有3個小區的異構網絡模型，它由一個宏蜂窩、兩個小蜂窩構成，每個小蜂窩服務一個用戶，宏蜂窩同時服務兩個用戶。假設每個小蜂窩基站發射天線數為2，宏蜂窩基站發射天線數為4，所有的用戶接收天線數為2。為了簡單起見，基站向用戶傳輸一個流的數據符號矢量。用sk表示第k個用戶傳輸的數據符號矢量，發送功率滿足E{sk}≤P，nk表示加性高斯白噪聲矢量，方差。假設基站1是小蜂窩基站，對應的用戶1是小蜂窩用戶；基站2是宏蜂窩基站，對應的用戶2、用戶3是宏蜂窩用戶；基站3是小蜂窩基站，對應的用戶4是小蜂窩用戶。Hi，j表示第j個基站到第i個用戶的信道矩陣，每個元素都是獨立同分布，滿足均值為0、方差為1的復高斯隨機分布。vk、wk分別表示第k個用戶的預編碼矢量和第k個用戶的接收矢量。
第k個用戶的接收信號可以表示為：
每個用戶的傳輸速率為：
自由度定義為：
2 分層干擾對齊預編碼方案
分層干擾對齊預編碼算法順序地設計預編碼矢量，先設計發送天線數少的小蜂窩基站，使干擾信號對齊到一個自由度較小的空間，然后再設計發送天數較多的宏蜂窩基站，抑制宏蜂窩信號對用戶的干擾。
整個干擾抑制算法步驟如下：
（1）設計小蜂窩用戶的預編碼矢量。
首先考慮宏蜂窩用戶2和用戶3，把來自小蜂窩1和3的干擾對齊到同一信號子空間：
span（H2，1 ν1）=span（H2，3 ν4）（5）
span（H3，1 ν1）=span（H3，3 ν4）（6）
式（5）保證了小蜂窩1和小蜂窩3對用戶2的干擾位于同一信號子空間，式（6）保證了小蜂窩1和小蜂窩3對用戶3的干擾位于同一信號子空間。span（·）表示矩陣列張成的空間。式（5）和式（6）保證了每個小蜂窩用戶有自由度為1的信號子空間來傳輸數據。由于H2，1和H3，1是可逆的，式（5）和式（6）可表示為：
可以得到小蜂窩用戶的預編碼矢量[6]為：
其中，eig（·）表示矩陣的特征向量。
（2）設計每個用戶的接收矢量。
設計接收矢量來消除小蜂窩基站對本用戶的干擾：
w1=null（（H1，3 ν4）H）（10）
w4=null（（H4，1 ν1）H）（11）
w2=null（（H2，1 ν1）H）=null（（H2，3 ν4）H）（12）
w3=null（（H3，1 ν1）H）=null（（H3，3 ν4）H）（13）
（3）設計宏蜂窩用戶的預編碼矢量。
設計宏蜂窩用戶的預編碼矢量來消除宏蜂窩信號對所有用戶的干擾：
至此，所有用戶的預編碼矢量和接收矢量都已算出。此方案可以完全消除同層干擾和跨層干擾。該算法的優點是宏蜂窩和小蜂窩的預編碼矢量和接收矢量是單向構造，小蜂窩預編碼矢量構造時僅需要知道小蜂窩基站到用戶的信道信息，接收矢量和宏蜂窩預編碼構造需要知道信道信息和小蜂窩預編碼矢量，簡化了預編碼矢量和接收矢量的計算過程。此外，這樣設計預編碼矢量可以使異構網絡的自由度達到4[7]。
3 仿真結果及分析
假設宏蜂窩的半徑為1 000 m，小蜂窩的半徑為30 m，宏蜂窩用戶到宏蜂窩基站的距離為500 m，宏基站發射天線數為4，小蜂窩發射天線數為2，用戶天線數為2。圖1為小蜂窩用戶SINR的CDF曲線。
從圖1可以看出，分層干擾對齊有效地抑制了同層干擾和跨層干擾。另外，與其他方法相比，分層干擾對齊的總容量更高。圖2所示為網絡可達到的總的傳輸速率對比，可以看出在TDMA算法中，不同的時隙分配給不同的小區，因此宏蜂窩和小蜂窩之間沒有干擾，每個小蜂窩基站向本小區用戶發送兩個數據流，宏蜂窩基站向每個宏蜂窩用戶發送兩個數據流，形成多用戶MIMO系統，可以在3個時隙達到8/3個自由度[8]。分層干擾對齊可以達到最大的自由度4。
4 結論
通過分層干擾對齊可以完全消除異構網絡中的同層干擾和跨層干擾，簡化了求解預編碼矢量和接收矢量的計算過程，以后的工作是把這種算法推廣到更為一般的情況下。
參考文獻
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