MIMO異構網絡下行鏈路干擾對齊

李　川

(西安郵電大學 計算機科學學院，陜西 西安 710061)

近年來，無線網絡經歷了迅猛的發展，高頻譜效率傳輸受到極大的關注．同時，異構網絡的部署，例如，微小區部署在一個宏小區內，可以有效地提高無線移動網絡的頻譜效率[1]．

然而，異構網絡的應用不可避免地帶來干擾[2]．作為一種先進的干擾管理技術，文獻[3]提出了干擾對齊技術．針對同構蜂窩網絡，干擾對齊技術得到了廣泛研究[4-8]．對于異構網絡，針對由一個宏小區和兩個微小區組成的多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)的下行鏈路，并且只有兩個宏用戶的場景，文獻[9]提出了分級干擾對齊方案，聯合設計了閉式的收發機波束成形矩陣．對于多于兩個宏用戶的情況，文獻[10]提出了一種迭代式的干擾對齊方案．文獻[11]對異構網絡下行鏈路的可行性條件進行了研究．但是，針對宏小區中多于兩用戶的帶有閉式解的MIMO異構網絡的干擾對齊方案仍然沒有得到有效解決．

針對這一難題，文中考慮由一個宏小區和兩個微小區組成的MIMO異構網絡的下行網絡，同時宏小區可以服務多個用戶的場景，提出一種基于零空間的干擾對齊方案，并且可以給出閉式解．該方案在傳統干擾對齊方案的不可行區間內可以有效消除微基站到宏用戶的干擾．

圖1　無線異構網絡示意圖

1　系統模型

文中研究的系統如圖1所示，由一個宏小區和兩個微小區構成．基站2表示宏基站，基站1和基站3分別表示微基站．假設宏基站服務K2個宏小區用戶，每個微基站只服務一個微小區用戶．假設每個用戶配置Nr根接收天線，每個微基站配置Nt根發射天線，宏基站配置Mt根發射天線．假設每個基站發送d個獨立的數據流給相應的目標用戶，即每個用戶的自由度為d．宏用戶分別受到來自宏基站的多用戶干擾和來自微基站的層間干擾．類似地，微小區用戶受到來自宏基站的層間干擾和來自其他微基站的同層干擾．第l個小區中的第k個用戶 (l=1，2，3)可以表示為用戶[k，l]．發送給用戶[k，l]的信號向量x[k，l]可以表示為

(1)

(2)

(3)

對于宏用戶[k，l]，為了解碼期望信號，多用戶干擾和層間干擾都應該被考慮．為此，可以采用干擾對齊技術，設計收發波束成形矩陣滿足下列條件[7]:

其中，式(4)用于消除層間干擾，式(5)用于消除多用戶干擾．此外，式(6)保證宏用戶[k，l]應該達到的自由度．在文中的信道模型下，條件式(6)可以被滿足[12]．對于微用戶[k，l]，也存在類似的干擾對齊條件以消除層間干擾和同層干擾．

2　基于零空間的干擾對齊

針對K2是偶數的情況，提出一種基于零空間的干擾對齊方案，該方案可以直接擴展到K2是奇數的情況．將所有的K2個用戶分成兩組，k∈ {1，2，…，K2/2} 的用戶[k，2]記為組1，將k∈ {K2/2+1，…，K2}用戶[k，2]記為組2．將組1和基站1關聯，組2和基站3關聯．然后，按下列步驟設計干擾對齊方案．

步驟1設計微基站l處的第一級發射波束成形矩陣Tl，l=1，3．

微基站1處第1級發射波束成形矩陣表示為T1，用于消除微基站1對組2中的宏用戶的干擾．因此，T1可以通過滿足下列條件確定:

(10)

步驟2設計微基站l處的第2級發射波束成形矩陣Pl，l=1，3．

(11)

d≤(K2/2-1)(Nt-(K2/2+1)Nr)．

(12)

步驟3設計宏小區用戶處的接收波束成形矩陣．

步驟4設計微小區用戶處的接收波束成形矩陣．

(13)

步驟5設計宏基站處發射波束成形矩陣．

設計Mt×d維的發射波束成形矩陣V[k，2](k∈{1，2，…，K2})，消除宏小區內的多用戶干擾和宏基站對微小區用戶的層間干擾．因此，發射波束成形矩陣V[1，2]需要滿足下列條件:

(15)

類似地，可以設計其他用戶的發射波束成形矩陣V[k，2](k∈{1，2，…，K2})．為了確保波形成形矩陣V[k，2]存在，需要滿足條件Md≤Mt/ (K2+2)．

另一方面，傳統的基于分組的干擾對齊方案需要滿足條件 2Nr>Nt[7]，它與文中所提的零空間干擾對齊方案中Nt> 3Nr的約束相沖突．因此，文中所提的零空間干擾對齊方案可以適用于傳統分組干擾對齊方案不可行的情景．

3　仿真結果

下面驗證所提的基于零空間的干擾對齊方案的性能．圖2繪制了微基站發射天線數Nt和用戶自由度的關系圖．其中K2=4，Mt=30，Nr=6．如圖2所示，在可行域內，隨著微基站天線數目Nt增加，自由度增加或者保持為一個常數．圖3繪制了接收天線數Nr和用戶自由度的關系圖．其中K2=4，Mt=30，Nt=27 或者Nt=28．如圖3所示，在可行域內，隨著用戶天線數目的增加，自由度增加或者保持為一個常數．

圖2 微基站發射天線數與自由度關系示意圖圖3 接收天線數與自由度關系示意圖

4　結　　論

文中研究了異構MIMO下行網絡的干擾對齊方案，該網絡中的宏小區可以支持任意多的用戶．提出了一種基于零空間的干擾對齊方案來消除微基站到宏用戶的干擾，從而得到一個閉式解．并且文中所提方案在傳統干擾對齊方案的不可行區域內有效．

參考文獻：

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[11]LIU W, CAI J, LI J, et al. Interference Alignment with Finite Extensions in Partially Connected Networks[J]. IEEE Transactions on Communications, 2017, 65(2): 851-862.

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