基于有限回傳鏈路的小基站網絡重疊協(xié)作方法研究

張增峰　王天宇　宋令陽

采用一種小區(qū)間重疊協(xié)作的方法，解決了基于有限回傳鏈路的小基站網絡中的干擾管理問題。提出了一種新的基于下行協(xié)同波束賦形的小區(qū)間重疊協(xié)作算法，用于消除小基站網絡中不同小基站之間的下行干擾，提高系統(tǒng)吞吐量。仿真結果顯示，提出的算法能夠顯著提升以吞吐量為指標的系統(tǒng)性能。

小基站網絡；重疊協(xié)作；干擾消除

小基站網絡被看作是未來最有應用前景的一種提升無線網絡容量和覆蓋性能的解決方案。小基站網絡的基本思路是部署即插即用的、低成本、低功率的小基站，這些小基站由已有的回傳鏈路技術（比如數(shù)字用戶線路、電纜調制解調器、無線回傳鏈路等等）相連接[1]。文獻[1]的作者研究了小基站網絡的部署、物理層技術以及資源管理等等方面。小基站的種類包括由運營商部署的微微基站和由終端用戶在家庭場景或者辦公室場景中部署的家庭基站。近年來，小基站網絡得到了包括3GPP在內的一系列國際標準化組織的重視[1-3]。文獻[2]的作者指出，家庭基站在2010年底已經在數(shù)量上超過了傳統(tǒng)基站，他們探究了家庭基站的歷史發(fā)展軌跡，闡明了家庭基站的關鍵方面，并且指出小基站技術會在未來有一個迅速的發(fā)展。文獻[3]的作者研究了在存在兩種不同的接入控制方式，即開放式接入控制和封閉式接入控制兩種情況下兩層小基站異構網絡中的小區(qū)切換與小區(qū)選擇問題。小基站的部署被期望能夠提供高容量的無線接入，并且能夠在降低運營商的部署成本的同時為移動用戶提供新服務。此外，小基站網絡是幫助宏基站網絡分擔數(shù)據(jù)流量的一種重要手段[4]。文獻[4]的作者研究了正交頻分多址接入的家庭基站的部署對于現(xiàn)有的宏蜂窩網絡的影響，特別是對一個實際的正交頻分多址接入的宏蜂窩和家庭基站兩層網絡場景的覆蓋和干擾情況進行了分析。他們還研究了網絡中的頻譜分配和干擾減少問題，以及自配置技術和自優(yōu)化技術。

小基站網絡的成功引入帶來了許多關鍵技術挑戰(zhàn)，特別是干擾管理和干擾消除方面[4-9]。文獻[5]的作者提出了一種基于資源分塊和感知的小基站網絡干擾避免技術，并且不需要使用X2接口或者空中信令。文獻[6]的作者研究了在兩層宏蜂窩和小基站異構網絡中的小基站部署結構和宏蜂窩的數(shù)據(jù)卸載。文獻[7]的作者研究了一種有著服務質量限制的物理資源塊分配的自組織的策略，用于避免同層和跨層干擾。他們指出這種自組織策略包括自配置和自優(yōu)化兩方面，并追求物理資源塊使用效率的最大化。文獻[8]的作者研究了一種常見的基于效用最大化的小基站網絡中的干擾協(xié)調和資源分配問題。他們采用了一種信念傳播框架來得到問題的近似解。文獻[9]的作者研究了連續(xù)干擾消除技術在上行通信中的應用，并且定義了一種能夠描述連續(xù)干擾消除技術的性能增益的分析框架。在小基站網絡中，不同的小基站之間存在嚴重的下行同層干擾。這種下行干擾會嚴重損害系統(tǒng)性能，特別是當小基站的部署比較密集的時候，小基站用戶受到的來自其他小區(qū)的小基站的下行同層干擾尤為顯著，這大大降低了系統(tǒng)性能。現(xiàn)有的進行干擾消除的一種重要手段是協(xié)同多點技術[10-14]。文獻[10]的作者給出了關于多種協(xié)同多點技術的詳細描述，介紹了協(xié)同多點技術的信息論概念背景和實際應用中的算法，并對協(xié)同多點技術進行了大量的仿真測試和實地測試。文獻[11]的作者研究了協(xié)同多點技術在上行和下行鏈路中帶來的顯著增益，并分析了協(xié)同多點技術面臨的技術挑戰(zhàn)。他們還通過具體實驗展示了協(xié)同多點技術的基本可行性。文獻[12]的作者研究了多種協(xié)作通信技術，包括中繼技術、分布式天線系統(tǒng)技術、多小區(qū)協(xié)同技術、組合小區(qū)技術和協(xié)同多點發(fā)射和接收技術，并且對這些技術的特點進行了分析和對比。文獻[13]的作者研究了為了有效實現(xiàn)協(xié)同多點技術下行發(fā)射和上行接收的必要的標準支持，并且分析了具體設計的選擇。他們同時研究了協(xié)同多點技術部署需要的具體場景。文獻[14]的作者研究了異構回傳鏈路（有線回傳鏈路和空中回傳鏈路的組合）對于小基站網絡的影響。協(xié)同多點技術包括了協(xié)同調度和協(xié)同波束賦形、聯(lián)合傳輸和傳輸點選擇。其中主要的兩種技術是協(xié)同波束賦形和聯(lián)合傳輸。在聯(lián)合傳輸中，多個傳輸點共享數(shù)據(jù)，而在協(xié)同波束賦形中，一個用戶需要的數(shù)據(jù)只可以從一個傳輸點處獲得，多個傳輸點只能共享信道狀態(tài)信息。傳統(tǒng)的小基站網絡之中，小基站之間是非合作關系。

本文提出了一種基于下行波束賦形的小區(qū)間重疊協(xié)作的算法，用于解決存在回傳鏈路限制的小基站網絡中的干擾問題。通過采用我們提出的小基站之間的重疊協(xié)作算法，存在回傳鏈路限制的小基站網絡中的下行同層干擾能夠得到有效的消除，從而提高以系統(tǒng)吞吐量衡量的系統(tǒng)性能。

1 系統(tǒng)模型

小基站網絡系統(tǒng)模型如圖1所示。考慮一個下行多小區(qū)的小基站網絡，網絡中共有M個小區(qū)。每個小基站的編號依次為m=1、2……M。每個小基站擁有[Nt]根發(fā)射天線，每個小基站對應服務一個活躍用戶，即小區(qū)m中的用戶編號為m，每個用戶裝有1根接收天線。采用窄帶平衰落模型，設用戶m接收到的來自小基站k的接收功率為[Pm，k]，小區(qū)m的用戶和小基站k之間的信道為[hm，k]，小基站m處的波束賦形向量為[wm]。[hm，k]是一個[Nt]行1列的列向量，每個元素都是獨立同分布的隨機變量，并服從[CN0，1]分布。噪聲為[σ2]。因此，小區(qū)m內的用戶的瞬時SINR表示為：

[SINRm=Pm，mhHm，mwm2k≠mPm，khHm，kwm2+σ2] （1）

其中[*H]表示共軛轉置。

計算服務小基站和干擾小基站的接收功率所使用的路徑損耗模型公式為：

[Pm，k=P0dm，kR-α] （2）

其中R為小區(qū)半徑，[P0]是小區(qū)邊緣的接收功率，[α]是路徑損耗因子，[dm，k]是用戶m和小基站k之間的距離。

由以上公式，可以計算出每個小區(qū)m的用戶容量為：

[Rm=Elog21+SINRm ] （3）

接下來，我們可以計算出系統(tǒng)回報（以吞吐量衡量）為：

[S=m=1MRm] （4）

在傳統(tǒng)非合作場景中，每個小基站服務自己小區(qū)的用戶，并且不會消除來自其他小區(qū)的干擾。這種情況下，小基站采用最大比合并波束賦形方法來計算波束賦形向量。預編碼向量依據(jù)用戶自身的信道方向而進行設計。對于小基站m而言，對應的歸一化波束賦形向量為：

[wm=hm，mhm，m ] （5）

這樣可以保證波束賦形向量與用戶信道在同一方向上。

下面我們提出一種新的重疊協(xié)作算法，來解決存在回傳鏈路限制的小基站網絡中的干擾消除問題。

2 重疊協(xié)作算法設計

我們考慮基于下行協(xié)同波束賦形的重疊協(xié)作算法。協(xié)同波束賦形是指多個小基站通過回傳鏈路共享信道狀態(tài)信息，然后設計相應的波束賦形向量。我們采用部分迫零波束賦形方法，來求出波束賦形向量[15]。文獻[15]的作者研究了無線自組織網絡中的多天線通信的好處。波束賦形向量的一些自由度被用于消除小區(qū)間干擾。由于環(huán)境限制，每個基站m最多可以幫距離它最近的[Llim]個用戶消除干擾。設基站m決定幫助消除干擾的用戶集合為[Um=1，2，...，K]，并滿足[Um≤Llim≤Nt]。那么，波束賦形向量[wm]需要被選擇在信道向量[hm，m]在矩陣[Ηm=h1，m，h2，m，...，hK，m]的零空間上的投影方向上。因此，波束賦形向量的計算公式為：

[w'm=I-Phm，m] （6）

其中，[Ηm]上的投影矩陣為[P=ΗmΗ*mΗm-1Η*m]，這里*是共軛轉置算符。

接下來，對波束賦形向量歸一化，得到：

[wm=w'mw'm] （7）

有了部分迫零波束賦形方法，我們可以把為用戶m消除干擾的基站集[Bm]看做一個協(xié)作小組。消除干擾時用戶需要把自己的信道信息反饋給自己的服務基站，再由服務基站通過回傳鏈路傳給目標基站。由于回傳鏈路的限制，每個用戶最多可以由[Tlim]個基站幫忙消除干擾，即[Bm≤Tlim]。由于一個基站可以為多個用戶消除干擾，也即一個基站可以加入多個協(xié)作小組，因此我們的方法是重疊協(xié)作的。具體的小基站網絡重疊協(xié)作算法如圖2所示。

（1）在初始狀態(tài)下，網絡中的所有基站都是非合作關系，采用最大比合并波束賦形方法求解波束賦形向量，從而計算系統(tǒng)回報。

（2）每一輪重復進行如下操作：

對網絡中的每一個基站，改變它當前的幫助消除干擾的用戶集[Um]，同時其他相應基站的用戶集也隨之改變，判斷新加入消除干擾用戶集的用戶所對應的消除干擾的基站數(shù)量是否超出回傳鏈路限制，并計算新的系統(tǒng)回報，判斷系統(tǒng)回報是否提升。如果所有用戶都未超出回傳鏈路限制，系統(tǒng)回報又有提升，那么完成一次用戶集改變。

（3）重復（2）中的操作，直到遍歷一遍所有基站時，所有基站的消除干擾的用戶集都沒有改變。此時，算法收斂，達到穩(wěn)定，確定每個基站幫助消除干擾的用戶集[Um]。

（4）依據(jù)每個基站幫助消除干擾的用戶集[Um]，采用重疊協(xié)作方法計算出每個基站的部分迫零波束賦形向量。

（5）依據(jù)每個基站的波束賦形向量計算出算法得到的最終系統(tǒng)回報。

有了以上的重疊協(xié)作算法，能夠有效消除存在回傳鏈路限制的小基站網絡中的干擾，提升系統(tǒng)性能。

3 仿真結果

本節(jié)給出主要的仿真結果。小基站隨機均勻地分布在以宏基站為圓心的一個圓形區(qū)域內。每個小基站的覆蓋范圍也為一個圓形區(qū)域。小基站的發(fā)射功率為23 dBm。圖2中我們給出了網絡中小基站數(shù)量不同的情況下的傳統(tǒng)非協(xié)作場景和我們提出的重疊協(xié)作算法的系統(tǒng)性能對比。

不同小基站數(shù)量情況下的兩種場景的系統(tǒng)回報對比如圖3所示。由圖3可以看出，當小基站數(shù)量較小時，由于小基站之間的干擾較小，我們提出的重疊協(xié)作算法相比于非協(xié)作算法對于系統(tǒng)回報有一定的提升。隨著小基站數(shù)量的不斷增長，其他小區(qū)小基站到本小區(qū)用戶的下行同層干擾越來越嚴重，因此我們的重疊協(xié)作算法相比于非協(xié)作場景對于系統(tǒng)性能的提升效果越來越顯著。因此，對于存在回傳鏈路限制的小基站網絡，我們提出的基于下行協(xié)同波束賦形的重疊協(xié)作算法相比于非協(xié)作場景而言，能夠大幅減少小區(qū)間的下行同層干擾，有效提升以系統(tǒng)吞吐量為指標的系統(tǒng)性能。

4 結束語

本文提出了一種在有限回傳鏈路的小基站網絡場景中應用的基于下行協(xié)同波束賦形的重疊協(xié)作算法，用于解決小基站網絡中的下行同層干擾消除問題。本文提出的重疊協(xié)作算法采用了部分迫零波束賦形方式計算波束賦形向量，有效地降低了小基站網絡中的下行同層干擾。仿真結果表明，相比于傳統(tǒng)的非協(xié)作場景，本文提出的基于下行協(xié)同波束賦形的重疊協(xié)作算法能夠顯著降低有限回傳鏈路中的小基站網絡的下行同層干擾，并最終提升以系統(tǒng)吞吐量為指標的系統(tǒng)性能。

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