小區(qū)間干擾利用的協(xié)作網絡高效傳輸算法

冀保峰 邢冰冰 李玉琦 李春國, 韓瑽琤 楊綠溪

(1. 河南科技大學信息工程學院, 河南洛陽 471023； 2. 中國科學院大氣物理研究所中層大氣和全球環(huán)境探測重點實驗室, 北京 100292; 3. 電子科技大學航空航天學院，四川成都 611731;4. 東南大學信息科學與工程學院, 江蘇南京 210096)

1 引言

近年來，隨著無線通信產業(yè)的快速發(fā)展，干擾問題成為現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)面臨的一個關鍵問題，雖然很多干擾管理/抑制技術已經提出，但是干擾網絡的一些基本問題至今都沒有得到很好的解決。在多小區(qū)的無線通信網絡中，干擾是制約網絡容量和信號接收質量的主要因素，傳統(tǒng)的雙向中繼網絡通過自干擾消除進行干擾管理[1-5]，而共享中繼網絡的小區(qū)間干擾則通過迫零預編碼等零陷技術進行干擾消除[6-7]。

Chen等人對多跳無線網絡進行研究，提出了一種新的跨層干擾消除和網絡編碼方法，顯著提高了多跳無線網絡的容量[8]。Weng等人提出一種多用戶MIMO中繼協(xié)議，利用自信息減去雙向通信系統(tǒng)中的干擾[9]。Zhang等人提出了具有反饋策略的下行空間小區(qū)間干擾消除以提高系統(tǒng)的吞吐量增益[10]。Sun等將其擴展至蜂窩網絡，針對于小區(qū)邊緣中繼通信，提出了基于竊聽信息的單小區(qū)上下行業(yè)務發(fā)送協(xié)議[11]。與傳統(tǒng)方案不同，本文將小區(qū)間干擾視為有用信息，通過小區(qū)間干擾利用的協(xié)作網絡高效傳輸算法，提高多小區(qū)網絡的系統(tǒng)性能。

利用竊聽信息進行干擾消除已被諸多學者廣泛研究。自干擾消除補充和維持了5G技術向更密集的異構網絡演進的潛力，憑借其特性，自干擾消除將對5G及其以后的網絡產生巨大影響[12]。Kim等將竊聽干擾消除原理應用于無線傳感網絡中，針對于遠處的傳感器節(jié)點不能直接與主控通信的情況，提出了基于監(jiān)聽的中繼操作[13]。同樣的Bandemer等則將該原理應用于WiFi網絡中，通過利用兩跳中的干擾消息的標識，在其初始傳輸中監(jiān)聽干擾消息并且消除其后的干擾進行干擾消除[14]。Yoon等人提出了將級聯(lián)的同信道干擾(CCI，cochannel interference)消除器用于多徑衰落信道張的直接序列擴頻多址(DS/SSMA，direct-sequence spread-spectrum multiaccess)接收機來進行干擾消除[15]。Hwang等研究了聯(lián)合網絡編碼的中繼系統(tǒng)自適應竊聽發(fā)送方法，通過中繼監(jiān)聽兩個獨立數(shù)據流的信息，然后調整傳輸速率以適應監(jiān)聽的數(shù)據流[16]。Huang等深入研究了兩種中繼傳輸方案下基于干擾竊聽的用戶分組優(yōu)化方法[17]。Xie等人針對于路由提出了編碼和偵聽一致原則[18]。除了中繼網絡中對于竊聽信息的利用，Gramaglia等將竊聽發(fā)送方法引入到非中繼系統(tǒng)的IP地址配置中[19]以及機會接入和位置定位中[20-21]。以上諸多研究足以表明竊聽信息以及中繼網絡的重要性，因此本文也基于中繼網絡和竊聽信息利用展開研究。需要說明的是本文主要關注如何利用竊聽干擾信息以提升系統(tǒng)性能，然而該方法在目前研究的雙向中繼系統(tǒng)中尚無報道[7]。

隨著5G通信的快速發(fā)展，大規(guī)模MIMO和超密集網絡也備受關注，Kim等人研究了MIMO系統(tǒng)中遞減天線選擇算法[22]，Wang等人提出了一種快速全局搜索接收天線選擇算法，用于MIMO陣列配置[23]。本文則建立在多小區(qū)MIMO基礎上進行研究。

雖然目前已有大量文獻研究了運用干擾信息提高通信質量的方法，但是諸多研究工作并未關注多小區(qū)環(huán)境下強小區(qū)干擾的消除方法，因此本文提出了MIMO系統(tǒng)中小區(qū)間干擾利用的中繼協(xié)作網絡高效傳輸算法。值得說明的是Sun等人的系統(tǒng)模型與本文較為相似[11]，但其僅研究了單天線配置的場景，多小區(qū)干擾利用的多天線傳輸協(xié)議的研究目前鮮有報道，本文基于MIMO系統(tǒng)對小區(qū)間干擾利用的協(xié)作網絡高效傳輸協(xié)議進行研究，有效提升多小區(qū)網絡的頻譜效率和系統(tǒng)性能。

本文的主要貢獻如下：

(1)提出了多小區(qū)網絡上下行業(yè)務同時發(fā)送的竊聽傳輸算法；

(2)設計了小區(qū)間干擾利用的線性最小均方誤差(MMSE)接收機;

(3)獲得上下行業(yè)務速率和頻譜效率約束下，發(fā)送功率最小化的中繼預編碼優(yōu)化設計。

2 系統(tǒng)模型

本文主要在多小區(qū)的基礎上利用干擾信息來進行小區(qū)間的干擾消除。隨著互聯(lián)網和移動數(shù)據業(yè)務的需求快速增加，基站的數(shù)量也迅速增長，這就使得各個基站之間的距離較近，小區(qū)間就會產生干擾，影響通信質量。為了改變這一問題，提出了通過干擾信息提高通信吞吐量，如圖1所示，基站和移動臺可以分別竊聽到不同小區(qū)的基站和移動臺發(fā)送的信息，通過預編碼矩陣，利用這些竊聽到的信息進行干擾消除。

本文主要考慮相鄰小區(qū)利用共享多天線中繼進行上下行業(yè)務同時發(fā)送的場景(如圖1所示)，下行業(yè)務的基站記為BSDL，借助中繼轉發(fā)相對應的下行接收移動臺記為MTDL；同時，小區(qū)2進行上行業(yè)務發(fā)送的移動臺記為MTUL，其對應的基站記為BSUL。傳統(tǒng)雙向中繼網絡[3]第一時隙中繼站接收來自基站和移動臺的信號，第二時隙中繼站利用放大轉發(fā)、譯碼轉發(fā)等模式重發(fā)混合信號至基站和移動臺，由圖1可知，本文研究的系統(tǒng)模型中，第一時隙和第二時隙收發(fā)端的信息交互并非原收發(fā)端，兩者相比有顯著區(qū)別。其中多天線中繼站的工作模式為半雙工模式，且由于障礙物遮擋、嚴重路徑損耗[22,24]等原因，本文假定基站和移動臺之間無直達鏈路，基站通常部署位置較高且散射子較少，故其發(fā)送功率通常很高，因而本文假定相鄰小區(qū)基站間可相互偵聽[25-26]。處于相鄰小區(qū)邊緣的移動臺之間也可相互偵聽，但由于障礙物遮擋、路損等原因，移動臺之間無法直接從基站獲取信息而只能借助中繼站。

圖1 系統(tǒng)模型Fig.1 System model

值得說明的是實際環(huán)境中，本文針對相鄰小區(qū)利用共享多天線中繼進行上下行業(yè)務高效傳輸?shù)男帕罱换タ煞譃門DD(Time Division Duplex時分雙工)和FDD(Frequency Division Duplex)兩種模式，其中本文所提干擾利用的高效傳輸方案是集中式控制方式，而雙向業(yè)務流同時發(fā)送的預編碼設計和計算則主要通過中繼站完成。關于多點協(xié)作和信道估計等方面的研究可參考已有文獻[27-28]。在實際系統(tǒng)中要完成本文所提多小區(qū)干擾利用的高效傳輸，其全局信道狀態(tài)信息(Channel State Information, CSI)的獲取則需如下流程：

(1)TDD模式

第一階段內：BSDL向中繼站和BSUL發(fā)送信息，以及MTUL向MTDL和中繼站發(fā)送信息時，可通過將幀結構中插入導頻序列，由于TDD系統(tǒng)信道的互易性特點，因此中繼站可獲取BSDL和MTUL之間的上下行信道狀態(tài)信息；同時，MTDL也獲取了與MTUL的CSI，而BSUL獲取了與BSDL的CSI。

第二階段內：中繼站與MTDL和BSUL之間的信令交互請求則可通過控制信道完成，首先中繼站向MTDL和BSUL發(fā)送“NDPA”(Null Data Packet Announcement, 空數(shù)據包通告)幀，則MTDL和BSUL則在收到NDP幀后，將CSI反饋給中繼站，同時，第一階段內MTDL和BSUL分別獲取的CSI也在反饋幀中發(fā)送給中繼站，因此，通過基站、移動終端和中繼站的信令交互，中繼站獲取了全局的CSI。

(2)FDD模式

第一階段內：BSDL向中繼站和BSUL發(fā)送“NDPA”幀請求CSI信息，同時，MTUL也向MTDL和中繼站發(fā)送CSI請求信息，站點在收到CSI請求幀后，則將通過信道估計等方法獲取的CSI反饋給發(fā)送端。

第二階段內：中繼站與MTDL和BSUL之間的信令交互請求則可通過控制信道完成，而相應的CSI信息則通過數(shù)據信道反饋給發(fā)送端；首先中繼站向MTDL和BSUL發(fā)送“NDPA”幀，則MTDL和BSUL則在收到NDP幀后將信道估計獲取的CSI反饋給中繼站，同時，第一階段內MTDL和BSUL分別獲取的CSI也在該反饋幀中發(fā)送給中繼站，因此，通過基站、移動終端和中繼站的信令交互，中繼站獲取了全局的CSI。

第一個時隙內，小區(qū)1的基站BSDL以功率p1發(fā)送信號x1，同時，小區(qū)2的移動臺MTUL以功率p2發(fā)送信號x2，到達多天線中繼站，則中繼站的接收信號矢量可表示為：

(1)

(2)

(3)

其中f1和f2分別是BS1,DL→BS2,UL和MT2,UL→MT1,DL的竊聽信道，ν1和ν2分別是兩個竊聽信道的AWGN噪聲且服從CN(0,1)，本文假定兩個業(yè)務流信道上無竊聽干擾。

(4)

(5)

(6)

公式(2)和(5)是移動臺MTDL的接收信號，而公式(3)和(6)是基站BSUL的接收信號，其中公式(3)和(6)中的竊聽干擾可被移動臺MTDL和基站BSUL的MMSE接收機所分別利用。值得注意的是多天線中繼的預編碼矩陣是系統(tǒng)性能優(yōu)化和提升的關鍵參數(shù)，下面將對該預編碼矩陣進行求解，并獲得移動臺MTDL和基站BSUL的最優(yōu)MMSE接收機。

3 干擾利用的中繼系統(tǒng)雙向業(yè)務流同時發(fā)送預編碼設計

本節(jié)首先推導小區(qū)1移動臺MTDL和小區(qū)2基站BSUL各自MMSE接收機的信干噪比(SINR)表達式，在此基礎上，形成多天線中繼竊聽系統(tǒng)預編碼設計的優(yōu)化問題模型，最后，通過將該問題轉化為二次型約束的二次規(guī)劃問題(QCQP)，利用半定規(guī)劃松弛方法進行求解。

A.多天線中繼竊聽系統(tǒng)預編碼設計優(yōu)化問題形成

移動臺MTDL在兩個時隙內的兩個接收信號可表示為：

(7)

其中x1是MTDL的期望信號，而x2是干擾信號。

(8)

注：從公式(7)可知當多小區(qū)系統(tǒng)存在多個竊聽干擾時，由于未知數(shù)多于方程數(shù)，則無法進行譯碼求解。當存在兩個以上竊聽移動臺MT時，第一時隙內接收信號干擾的處理不同于第二時隙，可采用干擾配準等方法處理多干擾情形[31]，以獲得期望譯碼信號?；谠摲椒ǎ疚乃岱桨缚蓴U展至多小區(qū)多用戶場景，具體公式推導可作為本文后續(xù)工作。

同樣，基站BSUL在兩個時隙內的接收信號可表示為：

(9)

(10)

需要說明的是本文主要關注如何利用竊聽干擾信息以提升系統(tǒng)性能，然而該方法在目前研究的雙向中繼系統(tǒng)中尚無報道。所提方法的代價函數(shù)是最小化中繼站的發(fā)送功率以實現(xiàn)最優(yōu)的預編碼矩陣W，從而利用公式(3)可計算中繼站的發(fā)送功率為：

(11)

盡管大部分目標函數(shù)的優(yōu)化問題常采用和速率最大化、誤碼率最小化以及功率最小化等準則進行系統(tǒng)預編碼設計，然而，作為未來綠色通信網絡的要求，功率消耗成為諸多學者研究的熱點。但考慮各個節(jié)點功率消耗的數(shù)學模型難以獲得，且其計算復雜度過高以至于實際中尚無法實現(xiàn)，本文利用能效通信的傳輸方法[30]，以發(fā)送功率最小化為目標設計雙向中繼的預編碼矩陣W。

本文的優(yōu)化問題以多天線中繼發(fā)送功率最小化為目標，以小區(qū)1的下行業(yè)務和小區(qū)2的上行業(yè)務速率最小化為約束條件，形成多天線中繼竊聽系統(tǒng)預編碼設計的優(yōu)化模型為：

(12)

B.非凸問題轉化和求解

1)目標問題等價轉化：

公式(12)的代價函數(shù)可等效推導如下：

(13)

(14)

其中

(15)

利用矩陣跡的性質、Kronecker積及SINRUL的矢量化，可推導獲得式(10)的等價轉化形式如式(16)所示：

(16)

(17)

(18)

因此，SINRUL的等價轉化可通過將式(16)、(17)和(18)代入式(11)獲得如下：

(19)

通過將式(13)、(14)和式(19)代入式(13)，可獲得式(12)優(yōu)化模型的轉化表達式為：

(20)

需要說明的是式(20)的兩個約束條件在不同信道環(huán)境下，可能出現(xiàn)不能同時滿足的情況，故該優(yōu)化問題的可行解不能保證一定存在。例如瞬時信道狀態(tài)信息非常小時的極端情況下，該優(yōu)化問題的可行解并不存在。因此，該優(yōu)化問題的求解需首先檢測不同約束條件下是否存在可行解，而本文則重點關注該優(yōu)化問題可行解的推導。

注：雙向中繼干擾利用系統(tǒng)預編碼的設計需要兩個標量竊聽信道f1和f2的獲取，本地信道狀態(tài)信息(CSI)的獲取可采用傳統(tǒng)雙向中繼系統(tǒng)的方法[1]，而竊聽信道的獲取可通過接收端的信道估計得到，不完全CSI的魯棒預編碼設計是本文的后續(xù)工作。

2)式(20)的QCQP等價形式的優(yōu)化問題最優(yōu)解可表示如下：

wH[p1A1-(22r1-1)A2]w≥22r1-1

wH[p2B1-(22r2-1)B2]w≥22r2-1

(21)

因此，原始優(yōu)化問題的代價函數(shù)和約束均為二次型，且預編碼矩陣w優(yōu)化問題的轉化形式如下：

s.t.wH[p1A1-(22r1-1)A2]w≥22r1-1

wH[p2B1-(22r2-1)B2]w≥22r2-1

(22)

該QCQP形式的等價優(yōu)化問題可通過SDR方法求解，而式(22)的SDR形式可表示為：

s.t. Tr{X[p1A1-(22r1-1)A2]}≥22r1-1

Tr{X[p2B1-(22r2-1)B2]}≥22r2-1

(23)

由于式(23)的松弛優(yōu)化問題不滿足通常的秩1約束條件，故本文利用隨機優(yōu)化方法將該解轉化為秩1[30]，其中SDR(Semidefinite Relaxation)方法的計算復雜度是O(M9log(1/ε))(ε>0是求解精度[31])，而隨機優(yōu)化法的復雜度是O(M6+LO(M3))，其中O(M6)是相應方陣奇異值分解的復雜度，L是隨機項數(shù)目[30]。

為了便于理解本文基于小區(qū)間干擾利用的協(xié)作網絡高效傳輸算法方法，將所提方案以算法形式表達如算法1所示。

算法1:基于小區(qū)間干擾利用的協(xié)作網絡高效傳輸算法1)移動臺MTUL和基站BSDL同時向中繼站發(fā)送上下行業(yè)務信號如式(1)所示;同時,基站BSUL和移動臺MTDL則竊聽收到的相應信號如式(2)所示。2)利用半定規(guī)劃松弛法SDR和隨機化方法對多天線中繼站的預編碼進行優(yōu)化設計如式(21)。3)移動臺MTDL和基站BSUL從共享中繼站接收信號和譯碼,而第一時隙內可通過MMSE接收機對下行竊聽信號(如式(5))和上行竊聽信號(如式(6))進行干擾利用和信號處理。

注：本文基于竊聽發(fā)送協(xié)議的預編碼設計方法可直接推廣應用至收發(fā)端波束成型的多天線宏基站，從而可提升上下行業(yè)務流同時發(fā)送時宏基站的傳輸性能。

4 仿真和分析

本文的共享中繼多天線數(shù)配置為M=2，所有信道系數(shù)均為獨立同分布且服從CN(0,1)，利用Matlab的CVX2.0工具包獲得凸優(yōu)化數(shù)值解。CVX的隨機項數(shù)置為200，Monte Carlo循環(huán)次數(shù)置為10000，若碰到部分生成信道無可行解時則丟棄該次仿真數(shù)據。

本文仿真對比了無干擾利用方法的系統(tǒng)性能，其代價函數(shù)仍為最小化中繼站的發(fā)送功率，而其兩個約束條件分別是小區(qū)1下行鏈路和小區(qū)2上行鏈路的最小化速率需求，該情況的上下行信干噪比可表示為：

(24)

(25)

本文仿真的中繼預編碼矩陣根據最大比合并(MRC)準則設計，即Wmrc=ρ[g1,g2][h1,h2]T，其中ρ用于使Wmrc滿足兩個速率條件的約束，變量ρ的主要作用是滿足業(yè)務速率要求的中繼站發(fā)送功率的提升。

圖2表明中繼站的發(fā)送功率可滿足增強的約束條件r1(r2)，由圖2可看到所提的基于小區(qū)間干擾利用的協(xié)作網絡高效傳輸協(xié)議的中繼站預編碼設計可獲得最優(yōu)性能，而仿真對比表明線性MRC預編碼性能損失嚴重。圖2可看到無干擾利用發(fā)送協(xié)議的MRC預編碼性能損失達6 dB，而本文所提基于小區(qū)間干擾利用的協(xié)作網絡高效傳輸協(xié)議與其他兩種傳輸方案隨著目標數(shù)據速率的增加，其性能增益逐漸減小，這是由于中繼站采用的放大轉發(fā)(AF)模式，其固有的噪聲放大影響所致。由于MRC預編碼無法同時匹配兩跳信道的雙方向發(fā)送，因而該竊聽場景下多天線中繼的MRC預編碼性能最差。因此，該竊聽場景下利用兩個方向的多天線中繼站預編碼的設計可有效提升該系統(tǒng)的性能。

圖3表明系統(tǒng)BER與發(fā)送功率之間不同方案的性能對比，其中調制方式采用16QAM，由圖3可看到本文所提基于小區(qū)間干擾利用的協(xié)作網絡竊聽預編碼方案的性能，要優(yōu)于無干擾利用的協(xié)議設計和線性MRC預編碼兩種預編碼方案。

圖2 上下行目標速率約束與中繼發(fā)送功率關系Fig.2 Relationship between uplink and downlink target rate constraints and relay transmit power

圖3 不同預編碼方案的BER對比(16QAM調制)Fig.3 BER comparison of different precoding schemes (16QAM modulation)

圖4對比了所提算法與不同預編碼傳輸方案的“和速率”性能，其中包括迫零預編碼(ZF)、最大比發(fā)送-最大比合并(MRC-MRT)、文獻[11]所提方案，且調制方式采用了16QAM，由圖可知，本文所提算法的和速率比其他方案性能優(yōu)越。圖5對比了不同預編碼方案的最小均方誤差接收機性能，由圖可知本文所提算法的最小均方誤差接收機性能要優(yōu)于其他方案。

圖4 不同預編碼方案的“和速率”對比(16QAM調制)Fig.4 Rate comparison of different precoding schemes (16QAM modulation)

圖5 不同預編碼方案的最小均方誤差接收機性能對比Fig.5 Performance comparison of MMSE receiver for different precoding schemes

5 結論

本文提出相鄰小區(qū)間干擾利用的多天線中繼高效傳輸算法，以提升多小區(qū)的信號質量和吞吐量，其中相鄰小區(qū)是通過多天線中繼站完成的上下行業(yè)務流傳輸，而且本文所提方法利用空分多址或干擾配準技術可擴展應用至多天線多用戶場景，該協(xié)議可看作是雙向中繼系統(tǒng)的增強擴展。本文所研究的小區(qū)間干擾利用的雙向中繼系統(tǒng)中，中繼站采用線性AF模式，而接收機采用MMSE檢測技術，基于中繼預編碼矩陣的SINR表達式，建模出目標頻譜效率約束下最小化中繼功率的非凸預編碼優(yōu)化模型，通過將該非凸優(yōu)化問題轉化為二次型約束的二次規(guī)劃形式，利用半定松弛規(guī)劃方法求解該優(yōu)化問題，所設計的最優(yōu)中繼預編碼矩陣可較大程度降低系統(tǒng)功耗，為未來綠色通信網絡等場景的研究提供了理論基礎和技術保障。