一種新的基站空域協(xié)作干擾抑制方案

王 珺， 葛萬成

0 引言

移動(dòng)通信技術(shù)經(jīng)歷了從第1代到第3代技術(shù)的發(fā)展，在頻譜效率、傳輸速率和延時(shí)上都有了很大改善，但是現(xiàn)有的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)存在小區(qū)邊緣和小區(qū)中心提供的速率差異大的問題，使得系統(tǒng)為小區(qū)邊緣用戶和小區(qū)中心用戶提供的服務(wù)有很大差異[1]。而小區(qū)邊緣和小區(qū)中心的速率差異主要是由于小區(qū)間干擾造成的，特別是為了提高頻率利用率而使得蜂窩小區(qū)系統(tǒng)的頻率復(fù)用系數(shù)為1時(shí)，小區(qū)間干擾更加嚴(yán)重。在第4代移動(dòng)通信系統(tǒng)LTE-Advanced的研究過程中[2]，引入了小區(qū)邊緣性能作為性能指標(biāo)，因此各種小區(qū)間干擾抑制技術(shù)也成為了當(dāng)前蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

對(duì)于整個(gè)蜂窩小區(qū)系統(tǒng)來說，對(duì)系統(tǒng)中的所有基站進(jìn)行空域協(xié)作沒有必要也沒有實(shí)現(xiàn)的可能性，當(dāng)每個(gè)基站都做空域協(xié)作時(shí)，計(jì)算預(yù)編碼矩陣的復(fù)雜度會(huì)變得很大。小區(qū)中心的用戶信干噪比高，所以對(duì)于小區(qū)中心用戶沒有進(jìn)行小區(qū)協(xié)作的必要；而對(duì)于小區(qū)邊緣噪聲受限的用戶，通過小區(qū)間協(xié)作帶來的增益較小，消除對(duì)鄰居小區(qū)用戶的干擾同時(shí)將會(huì)消耗自己基站發(fā)送給本小區(qū)用戶信號(hào)的空間自由度。若讓基站成簇地進(jìn)行協(xié)作，則可降低預(yù)編碼矩陣計(jì)算的復(fù)雜度[3]。通過成簇基站的分布式協(xié)作可以避免基站間信道信息的反饋所帶來的開銷。

在此背景下提出基于動(dòng)態(tài)簇的協(xié)作方案，其特點(diǎn)是在分布式算法的基礎(chǔ)上動(dòng)態(tài)形成協(xié)作簇，這樣既可以降低反饋開銷，又可以靈活地降低干擾。

1 動(dòng)態(tài)成簇協(xié)作的方案設(shè)計(jì)

1.1 動(dòng)態(tài)成簇的方案設(shè)計(jì)

考慮7個(gè)小區(qū)的場景，每個(gè)小區(qū)內(nèi)基站各與一個(gè)用戶進(jìn)行通信，假設(shè)每個(gè)基站至少配備3個(gè)天線，此時(shí)通信使用相同的時(shí)域、頻域、空域通信資源。通信場景如圖1所述，任意小區(qū)間干擾都可以歸納成2個(gè)小區(qū)間的干擾或者是3個(gè)小區(qū)間的干擾。

圖1 成簇協(xié)作的基本場景

用戶所在扇區(qū)如圖1所示，用戶1、用戶2、用戶3處于可能存在相互干擾的扇區(qū)中；用戶4與用戶5處于可能存在相互干擾的扇區(qū)中；用戶6、用戶7處于可能存在相互干擾的扇區(qū)中。在用戶1，用戶2，用戶3 的場景中判斷是否各個(gè)用戶受干擾嚴(yán)重，判斷原則是若 3個(gè)用戶均處于小區(qū)中心，即使受到另外兩基站的干擾，干擾也很小；或者在 3個(gè)用戶處于小區(qū)邊緣但信噪比很低的場景下，這時(shí)通過基站協(xié)作獲得的系統(tǒng)增益很小，則不做小區(qū)間協(xié)作，且各個(gè)小區(qū)的發(fā)送預(yù)編碼矩陣根據(jù)納什均衡（NE，Nash Equilibrium）算法求出；若3個(gè)用戶都處在小區(qū)邊緣，3個(gè)用戶均會(huì)受到嚴(yán)重的干擾，則基站1、基站2、基站3形成協(xié)作簇，進(jìn)行協(xié)作，協(xié)作算法根據(jù)傳送的數(shù)據(jù)量不同可以使用虛擬信干噪比（VSINR，Virtual Signal to Interference plus Noise Ratio）算法也可以使用層虛擬信干噪比（LVSINR，Layer Virtual Signal to Interference plus Noise Ratio）算法。同理，僅當(dāng)用戶4、用戶5、或者用戶6、用戶7均處于小區(qū)邊緣，采用VSINR算法或者LVSINR算法求出預(yù)編碼矩陣。

1.2 動(dòng)態(tài)成簇的干擾指示設(shè)計(jì)

判斷用戶是否處于小區(qū)的邊緣或者處于小區(qū)的中心并沒有一個(gè)特定的標(biāo)準(zhǔn)，需要有一個(gè)用來指示用戶是否需要進(jìn)行小區(qū)間協(xié)作的標(biāo)識(shí)。為了方便協(xié)作方案的實(shí)現(xiàn)不需要修改通信系統(tǒng)的上層協(xié)議，這里利用長期演進(jìn)技術(shù)（LTE，Long term Evolution）系統(tǒng)協(xié)議中已有的一些標(biāo)識(shí)來作為是否需要小區(qū)間協(xié)作的標(biāo)識(shí)[4]。在LTE系統(tǒng)中服務(wù)小區(qū)的導(dǎo)頻信號(hào)強(qiáng)度（RSRP，Reference Signal Received Power）用來作為切換的指示標(biāo)識(shí)。當(dāng)服務(wù)小區(qū)的RSRP下降到一定門限時(shí)而相鄰某小區(qū)RSRP上升到一定門限時(shí)則會(huì)觸發(fā)切換，也可以利用這個(gè)RSRP來指示用戶是否需要進(jìn)行小區(qū)間協(xié)作，因?yàn)楫?dāng)服務(wù)小區(qū)下降到接近門限而鄰小區(qū)的RSRP上升到一定接近門限但是不足以觸發(fā)切換時(shí)，小區(qū)間干擾強(qiáng)度會(huì)比較高，這時(shí)可以認(rèn)為需要鄰小區(qū)進(jìn)行基站間協(xié)作。

1.3 動(dòng)態(tài)成簇協(xié)作的流程圖

動(dòng)態(tài)成簇協(xié)作方案的流程圖如圖2所示，首先采用移動(dòng)蜂窩小區(qū)系統(tǒng)建模方法初始化系統(tǒng)模型，然后利用大尺度衰落模型計(jì)算每個(gè)小區(qū)到其他相鄰小區(qū)之間的干擾并判斷是否需要相鄰基站進(jìn)行干擾協(xié)作，若不需要相鄰小區(qū)進(jìn)行干擾協(xié)作采用NE算法計(jì)算出預(yù)編碼矩陣，使系統(tǒng)合速率最大化；若需要?jiǎng)t動(dòng)態(tài)形成2小區(qū)或3小區(qū)的協(xié)作簇。形成協(xié)作簇后協(xié)作基站便對(duì)其與協(xié)作用戶之間的信道進(jìn)行信道衰落估計(jì)。獲得信道狀態(tài)信息之后便進(jìn)行協(xié)作預(yù)編碼計(jì)算出預(yù)編碼矩陣，可以根據(jù)獲得的信道狀態(tài)信息以及系統(tǒng)復(fù)雜度的權(quán)衡采用最大化VSINR算法或者采用最大化LVSINR算法，然后計(jì)算系統(tǒng)的合速率以及計(jì)算累計(jì)密度函數(shù)來進(jìn)行性能比較。

圖2 動(dòng)態(tài)協(xié)作簇方案仿真流程

2 分布式算法動(dòng)態(tài)成簇協(xié)作的仿真

分布式基站協(xié)作,基站間不需要相互連接，也不需要有控制單元存在?；局恍璜@得它到協(xié)作簇內(nèi)所有用戶信息到其到本基站，而不需要獲得其他基站到其用戶的信道信息，來進(jìn)行協(xié)作空域預(yù)編碼。分布式基站協(xié)作的算法包括：迫零算法、虛擬信干比[5]和層虛擬信干比[6]。

2.1 虛擬信干噪比算法動(dòng)態(tài)簇方案仿真

如式(1)所示，定義最大化發(fā)送端的到目標(biāo)用戶的信號(hào)和泄漏到非目標(biāo)用戶的干擾為目標(biāo)函數(shù)，最大化目標(biāo)函數(shù)來獲取預(yù)編碼矩陣。由于不是接收端的信干比，因此稱之為最大化虛擬信干噪比算法。

進(jìn)行動(dòng)態(tài)簇的基站協(xié)作仿真，對(duì)采用動(dòng)態(tài)協(xié)作簇算法的系統(tǒng)性能和沒有采用協(xié)作方案處于小區(qū)干擾場景的系統(tǒng)性能進(jìn)行比較，采用動(dòng)態(tài)簇的協(xié)作方案最大化虛擬信干比算法來比較系統(tǒng)性能提升如圖3所示。

圖3 虛擬信干噪比算法的動(dòng)態(tài)簇協(xié)作方案系統(tǒng)性能

圖3中橫軸是協(xié)作系統(tǒng)的信干噪比，縱軸是信干噪比的累計(jì)密度函數(shù)。其中Nt=3指代的曲線是系統(tǒng)發(fā)送天線的個(gè)數(shù)為3時(shí)進(jìn)行小區(qū)間動(dòng)態(tài)協(xié)作之后的系統(tǒng)性能，Nt=4指代的曲線是系統(tǒng)發(fā)送天線的個(gè)數(shù)為 4時(shí)進(jìn)行小區(qū)間動(dòng)態(tài)協(xié)作之后的系統(tǒng)性能，Interf所指代的曲線是沒有采用干擾協(xié)作而處于小區(qū)間干擾狀態(tài)下的系統(tǒng)性能。由圖 3可以看出采用最大化虛擬信干噪比算法的動(dòng)態(tài)簇協(xié)作方案可以給系統(tǒng)性能帶來相當(dāng)大的增益。而且系統(tǒng)的性能隨著系統(tǒng)的發(fā)送天線的增大而提高，這是由于發(fā)送天線的增大提高了信號(hào)空間的自由度。

2.2 層虛擬信干噪比算法動(dòng)態(tài)簇方案仿真

定義最大化發(fā)送端的到目標(biāo)用戶的信號(hào)和泄漏到非目標(biāo)用戶以及泄漏到其他層上的干擾為目標(biāo)函數(shù)，可以通過最大化目標(biāo)函數(shù)來獲取預(yù)編碼矩陣，這種計(jì)算預(yù)編碼矩陣的算法稱為最大化層虛擬信干噪比算法。如式(2)所示：

對(duì)采用動(dòng)態(tài)簇的協(xié)作方案和最大化層虛擬信干比算法系統(tǒng)性能進(jìn)行比較分析，采用動(dòng)態(tài)簇的協(xié)作方案最大化層虛擬信干比算法來比較系統(tǒng)性能的提升，如圖4所示。

圖4中橫軸是協(xié)作系統(tǒng)的信干噪比，縱軸是信干噪比的累計(jì)密度函數(shù)?？梢钥闯霾捎米畲蠡瘜犹摂M信干噪比算法的動(dòng)態(tài)簇協(xié)作方案可以給系統(tǒng)性能帶來相當(dāng)大的增益。而且系統(tǒng)的性能隨著系統(tǒng)的發(fā)送天線的增大而提高。

2.3 動(dòng)態(tài)簇協(xié)作在不同發(fā)送天線條件下的算法比較

前面分別對(duì)采用最大化虛擬信干噪比算法和最大化層虛擬信干噪比算法的動(dòng)態(tài)簇的系統(tǒng)系統(tǒng)性能的分析，接下來將比較這兩種算法在動(dòng)態(tài)簇方案下的系統(tǒng)性能提高程度。比較結(jié)果如圖5和圖6所示，圖5是基站發(fā)送天下為3時(shí)的小區(qū)間協(xié)作性能，圖6是基站發(fā)送天下為4時(shí)的小區(qū)間協(xié)作性能。

圖4 層虛擬信干噪比算法的動(dòng)態(tài)簇協(xié)作方案系統(tǒng)性能

圖5 天線動(dòng)態(tài)協(xié)作簇的系統(tǒng)性能比較

圖6 天線動(dòng)態(tài)協(xié)作簇的系統(tǒng)性能比較

圖5和圖6中橫軸U1,U2,…,U7分別表示7個(gè)小區(qū)中的用戶，縱軸是每個(gè)用戶的頻譜利用率。由圖5和圖6可以看到采用最大化層虛擬信干比的動(dòng)態(tài)簇協(xié)作協(xié)作方案和采用最大化虛擬信干比的動(dòng)態(tài)簇協(xié)作方案都能為這個(gè)7小區(qū)場景的性能帶來很大的提高。前者所帶來的提高相比后者要大，但是這需要協(xié)作基站間共享數(shù)據(jù)，會(huì)帶來系統(tǒng)信令開銷。二者都是以分布式的協(xié)作為基礎(chǔ)，因此相比集中式的協(xié)作需要共享實(shí)時(shí)信道信息的復(fù)雜性和信令開銷還是要相對(duì)較低。因此采用最大化層虛擬信干比的動(dòng)態(tài)簇協(xié)作還是采用最大化虛擬信干比的動(dòng)態(tài)簇協(xié)作取決于性能與復(fù)雜度的權(quán)衡。

3 結(jié)語

基于動(dòng)態(tài)簇的空域協(xié)作機(jī)制提出了一種新的空域協(xié)作方案，此方案根據(jù)用戶受到的干擾動(dòng)態(tài)地對(duì)相鄰小區(qū)基站進(jìn)行劃分成協(xié)作簇。同時(shí)對(duì)基于虛擬信干噪比算法和基于層虛擬信干噪比算法的動(dòng)態(tài)協(xié)作簇方案在不同預(yù)編碼算法和配置不同發(fā)送天線數(shù)目的條件下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明這種動(dòng)態(tài)協(xié)作簇的小區(qū)間干擾抑制方案可以有效地抑制小區(qū)間干擾，提高系統(tǒng)的性能，而且層虛擬信干噪比算法比虛擬信干噪比算法有更好的性能。

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