摘  要： 在無(wú)線(xiàn)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(hù)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(duì)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(guó)家和發(fā)展中國(guó)家都必須面對(duì)的重要社會(huì)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn),，未來(lái)的通信設(shè)施演進(jìn)將不得不考慮這兩個(gè)因素[1],。用戶(hù)對(duì)于高速率、高質(zhì)量的無(wú)線(xiàn)服務(wù)的需求正呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng),，傳統(tǒng)的宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)已不能滿(mǎn)足用戶(hù)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(duì)路徑損耗較大的環(huán)境（例如室內(nèi)、辦公場(chǎng)所）,，宏蜂窩無(wú)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(wèn)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(kuò)展了蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍,，并給室內(nèi)用戶(hù)提供高速率的數(shù)據(jù)服務(wù)[2-3]。小蜂窩通過(guò)高速有線(xiàn)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。小蜂窩基站的覆蓋范圍較小,，不會(huì)對(duì)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(bǔ)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(wèn)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的干擾[4-5]。

1 系統(tǒng)模型

　　考慮一個(gè)含有3個(gè)小區(qū)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型,，它由一個(gè)宏蜂窩,、兩個(gè)小蜂窩構(gòu)成，每個(gè)小蜂窩服務(wù)一個(gè)用戶(hù),，宏蜂窩同時(shí)服務(wù)兩個(gè)用戶(hù),。假設(shè)每個(gè)小蜂窩基站發(fā)射天線(xiàn)數(shù)為2，宏蜂窩基站發(fā)射天線(xiàn)數(shù)為4,，所有的用戶(hù)接收天線(xiàn)數(shù)為2,。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn),，基站向用戶(hù)傳輸一個(gè)流的數(shù)據(jù)符號(hào)矢量。用sk表示第k個(gè)用戶(hù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)符號(hào)矢量,，發(fā)送功率滿(mǎn)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(duì)應(yīng)的用戶(hù)1是小蜂窩用戶(hù)；基站2是宏蜂窩基站,，對(duì)應(yīng)的用戶(hù)2,、用戶(hù)3是宏蜂窩用戶(hù)；基站3是小蜂窩基站,，對(duì)應(yīng)的用戶(hù)4是小蜂窩用戶(hù),。Hi，j表示第j個(gè)基站到第i個(gè)用戶(hù)的信道矩陣,，每個(gè)元素都是獨(dú)立同分布,，滿(mǎn)足均值為0、方差為1的復(fù)高斯隨機(jī)分布,。vk,、wk分別表示第k個(gè)用戶(hù)的預(yù)編碼矢量和第k個(gè)用戶(hù)的接收矢量。

　　第k個(gè)用戶(hù)的接收信號(hào)可以表示為：

　　每個(gè)用戶(hù)的傳輸速率為：

　　自由度定義為：

2 分層干擾對(duì)齊預(yù)編碼方案

　　分層干擾對(duì)齊預(yù)編碼算法順序地設(shè)計(jì)預(yù)編碼矢量,，先設(shè)計(jì)發(fā)送天線(xiàn)數(shù)少的小蜂窩基站,，使干擾信號(hào)對(duì)齊到一個(gè)自由度較小的空間，然后再設(shè)計(jì)發(fā)送天數(shù)較多的宏蜂窩基站,，抑制宏蜂窩信號(hào)對(duì)用戶(hù)的干擾,。

　　整個(gè)干擾抑制算法步驟如下：

　　（1）設(shè)計(jì)小蜂窩用戶(hù)的預(yù)編碼矢量,。

　　首先考慮宏蜂窩用戶(hù)2和用戶(hù)3,，把來(lái)自小蜂窩1和3的干擾對(duì)齊到同一信號(hào)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(duì)用戶(hù)2的干擾位于同一信號(hào)子空間,，式（6）保證了小蜂窩1和小蜂窩3對(duì)用戶(hù)3的干擾位于同一信號(hào)子空間,。span（·）表示矩陣列張成的空間。式（5）和式（6）保證了每個(gè)小蜂窩用戶(hù)有自由度為1的信號(hào)子空間來(lái)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(hù)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(jì)每個(gè)用戶(hù)的接收矢量,。

　　設(shè)計(jì)接收矢量來(lái)消除小蜂窩基站對(duì)本用戶(hù)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）

　?。?）設(shè)計(jì)宏蜂窩用戶(hù)的預(yù)編碼矢量。

　　設(shè)計(jì)宏蜂窩用戶(hù)的預(yù)編碼矢量來(lái)消除宏蜂窩信號(hào)對(duì)所有用戶(hù)的干擾：

　　至此,，所有用戶(hù)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(diǎn)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(shí)僅需要知道小蜂窩基站到用戶(hù)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(jiǎn)化了預(yù)編碼矢量和接收矢量的計(jì)算過(guò)程,。此外,，這樣設(shè)計(jì)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(hù)到宏蜂窩基站的距離為500 m,，宏基站發(fā)射天線(xiàn)數(shù)為4,，小蜂窩發(fā)射天線(xiàn)數(shù)為2，用戶(hù)天線(xiàn)數(shù)為2,。圖1為小蜂窩用戶(hù)SINR的CDF曲線(xiàn),。

　　從圖1可以看出，分層干擾對(duì)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(duì)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(duì)比,，可以看出在TDMA算法中，不同的時(shí)隙分配給不同的小區(qū),，因此宏蜂窩和小蜂窩之間沒(méi)有干擾,，每個(gè)小蜂窩基站向本小區(qū)用戶(hù)發(fā)送兩個(gè)數(shù)據(jù)流，宏蜂窩基站向每個(gè)宏蜂窩用戶(hù)發(fā)送兩個(gè)數(shù)據(jù)流，形成多用戶(hù)MIMO系統(tǒng),，可以在3個(gè)時(shí)隙達(dá)到8/3個(gè)自由度[8],。分層干擾對(duì)齊可以達(dá)到最大的自由度4。

4 結(jié)論

　　通過(guò)分層干擾對(duì)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(jiǎn)化了求解預(yù)編碼矢量和接收矢量的計(jì)算過(guò)程,，以后的工作是把這種算法推廣到更為一般的情況下。

參考文獻(xiàn)

　　[1] Chen Yan,， Zhang Shunqing,， Xu Shugong， et al. Fundamental trade-offs on green wireless networks[J]. IEEE Communications Magazine,， 2011,，49（6）：30-37.

　　[2] CHANDRASEKHAR V， ANDREWS J G,， GATHERER A. Femtocell networks： a survey[J]. IEEE Communications Magazine,， 2008，46（9）：59-67.

　　[3] CALIN D,， CLAUSSEN H,， UZUNALIOGLU H. On femto deployment architectures and macrocell offloading benefits in joint macro-femto deployments[J]. IEEE Communications Magazine， 2010,，48（1）：26-32.

　　[4] CHENG S M,， LIEN S Y， CHU F S,， et al. On exploiting cognitive radio to mitigate interference in macro/femto heterogeneous networks[J]. IEEE Wireless Communications Magazine,， 2011，18（3）：40-47.

　　[5] JEONG Y,， QUEK T Q S,， SHIN H. Beamforming optimization for multiuser two-tier networks[J]. Journal of Communications and Networks， 2011,，13（4）：327-338.

　　[6] GOLUB G,， LOAN C V. Matrix computation（second edition）[M]. The Johns Hopkins Press， Baltimore,， Maryland,， 1989.

　　[7] JAFAR S， FAKHEREDDIN M. Degrees of freedom for the MIMO interference channel[C]. IEEE Transactions on Information Theory,， 2007,，53（7）：2637-2642.

　　[8] SPENCER Q， SWINDLEHURST A L,， HAARDT M. Zero-forcing methods for downlink spatial multiplexing in multiuser MIMO channels[C]. IEEE Transactions on Signal Processing,， 2004，52（2）：461-471.