摘 要： 在無線網(wǎng)絡(luò)中，帶寬和降低功耗的需求導(dǎo)致小區(qū)的覆蓋范圍變小，這就要求減少用戶與基站的距離，進(jìn)而增加系統(tǒng)容量。傳統(tǒng)宏蜂窩和低功率小蜂窩共存的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可以有效地提高系統(tǒng)容量，但是宏蜂窩和小蜂窩的同層干擾和跨層干擾嚴(yán)重影響了系統(tǒng)性能。提出了分層干擾對齊預(yù)編碼技術(shù)，有效地緩解了同層干擾和跨層干擾。
關(guān)鍵詞： 分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；干擾抑制；MIMO預(yù)編碼
0 引言
能源消耗和電磁污染正在成為發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家都必須面對的重要社會和經(jīng)濟挑戰(zhàn)，未來的通信設(shè)施演進(jìn)將不得不考慮這兩個因素[1]。用戶對于高速率、高質(zhì)量的無線服務(wù)的需求正呈現(xiàn)爆炸式增長，傳統(tǒng)的宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)已不能滿足用戶的需求，主要表現(xiàn)為宏蜂窩的覆蓋范圍廣，頻率復(fù)用率低，系統(tǒng)容量有限；對路徑損耗較大的環(huán)境（例如室內(nèi)、辦公場所），宏蜂窩無法形成有效的覆蓋，容易出現(xiàn)盲區(qū)和漏洞。
小蜂窩技術(shù)很好地解決了以上問題。小蜂窩是一種低功率的家庭網(wǎng)絡(luò)，覆蓋范圍通常為10米到數(shù)百米，擴展了蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，并給室內(nèi)用戶提供高速率的數(shù)據(jù)服務(wù)[2-3]。小蜂窩通過高速有線回程鏈路與骨干網(wǎng)相連，并復(fù)用宏蜂窩頻率資源進(jìn)行傳輸，形成了宏蜂窩和小蜂窩共存的雙層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)。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(fù)用率，而且填補了宏蜂窩的覆蓋漏洞，被認(rèn)為是有效提升系統(tǒng)容量的關(guān)鍵技術(shù)。
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(shù)的廣泛應(yīng)用，使用MIMO預(yù)編碼可以有效地抑制分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中的干擾[4-5]。
1 系統(tǒng)模型
考慮一個含有3個小區(qū)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型，它由一個宏蜂窩、兩個小蜂窩構(gòu)成，每個小蜂窩服務(wù)一個用戶，宏蜂窩同時服務(wù)兩個用戶。假設(shè)每個小蜂窩基站發(fā)射天線數(shù)為2，宏蜂窩基站發(fā)射天線數(shù)為4，所有的用戶接收天線數(shù)為2。為了簡單起見，基站向用戶傳輸一個流的數(shù)據(jù)符號矢量。用sk表示第k個用戶傳輸?shù)臄?shù)據(jù)符號矢量，發(fā)送功率滿足E{sk}≤P，nk表示加性高斯白噪聲矢量，方差。假設(shè)基站1是小蜂窩基站，對應(yīng)的用戶1是小蜂窩用戶；基站2是宏蜂窩基站，對應(yīng)的用戶2、用戶3是宏蜂窩用戶；基站3是小蜂窩基站，對應(yīng)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(fù)高斯隨機分布。vk、wk分別表示第k個用戶的預(yù)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(yù)編碼方案
分層干擾對齊預(yù)編碼算法順序地設(shè)計預(yù)編碼矢量，先設(shè)計發(fā)送天線數(shù)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(shè)計發(fā)送天數(shù)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：
?。?）設(shè)計小蜂窩用戶的預(yù)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(shù)據(jù)。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(yù)編碼矢量[6]為：
其中，eig（·）表示矩陣的特征向量。
（2）設(shè)計每個用戶的接收矢量。
設(shè)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(shè)計宏蜂窩用戶的預(yù)編碼矢量。
設(shè)計宏蜂窩用戶的預(yù)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(yù)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(yōu)點是宏蜂窩和小蜂窩的預(yù)編碼矢量和接收矢量是單向構(gòu)造，小蜂窩預(yù)編碼矢量構(gòu)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(yù)編碼構(gòu)造需要知道信道信息和小蜂窩預(yù)編碼矢量，簡化了預(yù)編碼矢量和接收矢量的計算過程。此外，這樣設(shè)計預(yù)編碼矢量可以使異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的自由度達(dá)到4[7]。
3 仿真結(jié)果及分析
假設(shè)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(fā)射天線數(shù)為4，小蜂窩發(fā)射天線數(shù)為2，用戶天線數(shù)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?cè)萘扛?。圖2所示為網(wǎng)絡(luò)可達(dá)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(qū)，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(qū)用戶發(fā)送兩個數(shù)據(jù)流，宏蜂窩基站向每個宏蜂窩用戶發(fā)送兩個數(shù)據(jù)流，形成多用戶MIMO系統(tǒng)，可以在3個時隙達(dá)到8/3個自由度[8]。分層干擾對齊可以達(dá)到最大的自由度4。
4 結(jié)論
通過分層干擾對齊可以完全消除異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的同層干擾和跨層干擾，簡化了求解預(yù)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。
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