MIMO异构网络下行链路干扰对齐

李　川

(西安邮电大学 计算机科学学院，陕西 西安 710061)

近年来，无线网络经历了迅猛的发展，高频谱效率传输受到极大的关注．同时，异构网络的部署，例如，微小区部署在一个宏小区内，可以有效地提高无线移动网络的频谱效率[1]．

然而，异构网络的应用不可避免地带来干扰[2]．作为一种先进的干扰管理技术，文献[3]提出了干扰对齐技术．针对同构蜂窝网络，干扰对齐技术得到了广泛研究[4-8]．对于异构网络，针对由一个宏小区和两个微小区组成的多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)的下行链路，并且只有两个宏用户的场景，文献[9]提出了分级干扰对齐方案，联合设计了闭式的收发机波束成形矩阵．对于多于两个宏用户的情况，文献[10]提出了一种迭代式的干扰对齐方案．文献[11]对异构网络下行链路的可行性条件进行了研究．但是，针对宏小区中多于两用户的带有闭式解的MIMO异构网络的干扰对齐方案仍然没有得到有效解决．

针对这一难题，文中考虑由一个宏小区和两个微小区组成的MIMO异构网络的下行网络，同时宏小区可以服务多个用户的场景，提出一种基于零空间的干扰对齐方案，并且可以给出闭式解．该方案在传统干扰对齐方案的不可行区间内可以有效消除微基站到宏用户的干扰．

图1　无线异构网络示意图

1　系统模型

文中研究的系统如图1所示，由一个宏小区和两个微小区构成．基站2表示宏基站，基站1和基站3分别表示微基站．假设宏基站服务K2个宏小区用户，每个微基站只服务一个微小区用户．假设每个用户配置Nr根接收天线，每个微基站配置Nt根发射天线，宏基站配置Mt根发射天线．假设每个基站发送d个独立的数据流给相应的目标用户，即每个用户的自由度为d．宏用户分别受到来自宏基站的多用户干扰和来自微基站的层间干扰．类似地，微小区用户受到来自宏基站的层间干扰和来自其他微基站的同层干扰．第l个小区中的第k个用户 (l=1，2，3)可以表示为用户[k，l]．发送给用户[k，l]的信号向量x[k，l]可以表示为

(1)

(2)

(3)

对于宏用户[k，l]，为了解码期望信号，多用户干扰和层间干扰都应该被考虑．为此，可以采用干扰对齐技术，设计收发波束成形矩阵满足下列条件[7]:

其中，式(4)用于消除层间干扰，式(5)用于消除多用户干扰．此外，式(6)保证宏用户[k，l]应该达到的自由度．在文中的信道模型下，条件式(6)可以被满足[12]．对于微用户[k，l]，也存在类似的干扰对齐条件以消除层间干扰和同层干扰．

2　基于零空间的干扰对齐

针对K2是偶数的情况，提出一种基于零空间的干扰对齐方案，该方案可以直接扩展到K2是奇数的情况．将所有的K2个用户分成两组，k∈ {1，2，…，K2/2} 的用户[k，2]记为组1，将k∈ {K2/2+1，…，K2}用户[k，2]记为组2．将组1和基站1关联，组2和基站3关联．然后，按下列步骤设计干扰对齐方案．

步骤1设计微基站l处的第一级发射波束成形矩阵Tl，l=1，3．

微基站1处第1级发射波束成形矩阵表示为T1，用于消除微基站1对组2中的宏用户的干扰．因此，T1可以通过满足下列条件确定:

(10)

步骤2设计微基站l处的第2级发射波束成形矩阵Pl，l=1，3．

(11)

d≤(K2/2-1)(Nt-(K2/2+1)Nr)．

(12)

步骤3设计宏小区用户处的接收波束成形矩阵．

步骤4设计微小区用户处的接收波束成形矩阵．

(13)

步骤5设计宏基站处发射波束成形矩阵．

设计Mt×d维的发射波束成形矩阵V[k，2](k∈{1，2，…，K2})，消除宏小区内的多用户干扰和宏基站对微小区用户的层间干扰．因此，发射波束成形矩阵V[1，2]需要满足下列条件:

(15)

类似地，可以设计其他用户的发射波束成形矩阵V[k，2](k∈{1，2，…，K2})．为了确保波形成形矩阵V[k，2]存在，需要满足条件Md≤Mt/ (K2+2)．

另一方面，传统的基于分组的干扰对齐方案需要满足条件 2Nr>Nt[7]，它与文中所提的零空间干扰对齐方案中Nt> 3Nr的约束相冲突．因此，文中所提的零空间干扰对齐方案可以适用于传统分组干扰对齐方案不可行的情景．

3　仿真结果

下面验证所提的基于零空间的干扰对齐方案的性能．图2绘制了微基站发射天线数Nt和用户自由度的关系图．其中K2=4，Mt=30，Nr=6．如图2所示，在可行域内，随着微基站天线数目Nt增加，自由度增加或者保持为一个常数．图3绘制了接收天线数Nr和用户自由度的关系图．其中K2=4，Mt=30，Nt=27 或者Nt=28．如图3所示，在可行域内，随着用户天线数目的增加，自由度增加或者保持为一个常数．

图2 微基站发射天线数与自由度关系示意图图3 接收天线数与自由度关系示意图

4　结　　论

文中研究了异构MIMO下行网络的干扰对齐方案，该网络中的宏小区可以支持任意多的用户．提出了一种基于零空间的干扰对齐方案来消除微基站到宏用户的干扰，从而得到一个闭式解．并且文中所提方案在传统干扰对齐方案的不可行区域内有效．

参考文献：

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