摘 要： 在无线网络中，带宽和降低功耗的需求导致小区的覆盖范围变小，这就要求减少用户与基站的距离，进而增加系统容量。传统宏蜂窝和低功率小蜂窝共存的异构网络可以有效地提高系统容量，但是宏蜂窝和小蜂窝的同层干扰和跨层干扰严重影响了系统性能。提出了分层干扰对齐预编码技术，有效地缓解了同层干扰和跨层干扰。
0 引言
能源消耗和电磁污染正在成为发达国家和发展中国家都必须面对的重要社会和经济挑战，未来的通信设施演进将不得不考虑这两个因素[1]。用户对于高速率、高质量的无线服务的需求正呈现爆炸式增长，传统的宏蜂窝网络已不能满足用户的需求，主要表现为宏蜂窝的覆盖范围广，频率复用率低，系统容量有限；对路径损耗较大的环境（例如室内、办公场所），宏蜂窝无法形成有效的覆盖，容易出现盲区和漏洞。
小蜂窝技术很好地解决了以上问题。小蜂窝是一种低功率的家庭网络，覆盖范围通常为10米到数百米，扩展了蜂窝网络的覆盖范围，并给室内用户提供高速率的数据服务[2-3]。小蜂窝通过高速有线回程链路与骨干网相连，并复用宏蜂窝频率资源进行传输，形成了宏蜂窝和小蜂窝共存的双层异构无线网络。小蜂窝基站的覆盖范围较小，不会对宏蜂窝造成大的影响。小蜂窝不仅提高了频率资源复用率，而且填补了宏蜂窝的覆盖漏洞，被认为是有效提升系统容量的关键技术。
从小蜂窝诞生的第一天起，如何控制宏蜂窝和小蜂窝以及不同小蜂窝之间的同频干扰成为急需解决的核心问题。目前随着MIMO技术的广泛应用，使用MIMO预编码可以有效地抑制分层异构无线网络中的干扰[4-5]。
1 系统模型
考虑一个含有3个小区的异构网络模型，它由一个宏蜂窝、两个小蜂窝构成，每个小蜂窝服务一个用户，宏蜂窝同时服务两个用户。假设每个小蜂窝基站发射天线数为2，宏蜂窝基站发射天线数为4，所有的用户接收天线数为2。为了简单起见，基站向用户传输一个流的数据符号矢量。用sk表示第k个用户传输的数据符号矢量，发送功率满足E{sk}≤P，nk表示加性高斯白噪声矢量，方差。假设基站1是小蜂窝基站，对应的用户1是小蜂窝用户；基站2是宏蜂窝基站，对应的用户2、用户3是宏蜂窝用户；基站3是小蜂窝基站，对应的用户4是小蜂窝用户。Hi，j表示第j个基站到第i个用户的信道矩阵，每个元素都是独立同分布，满足均值为0、方差为1的复高斯随机分布。vk、wk分别表示第k个用户的预编码矢量和第k个用户的接收矢量。
第k个用户的接收信号可以表示为：
每个用户的传输速率为：
自由度定义为：
2 分层干扰对齐预编码方案
分层干扰对齐预编码算法顺序地设计预编码矢量，先设计发送天线数少的小蜂窝基站，使干扰信号对齐到一个自由度较小的空间，然后再设计发送天数较多的宏蜂窝基站，抑制宏蜂窝信号对用户的干扰。
整个干扰抑制算法步骤如下：
（1）设计小蜂窝用户的预编码矢量。
首先考虑宏蜂窝用户2和用户3，把来自小蜂窝1和3的干扰对齐到同一信号子空间：
span（H2，1 ν1）=span（H2，3 ν4）（5）
span（H3，1 ν1）=span（H3，3 ν4）（6）
式（5）保证了小蜂窝1和小蜂窝3对用户2的干扰位于同一信号子空间，式（6）保证了小蜂窝1和小蜂窝3对用户3的干扰位于同一信号子空间。span（·）表示矩阵列张成的空间。式（5）和式（6）保证了每个小蜂窝用户有自由度为1的信号子空间来传输数据。由于H2，1和H3，1是可逆的，式（5）和式（6）可表示为：
可以得到小蜂窝用户的预编码矢量[6]为：
其中，eig（·）表示矩阵的特征向量。
（2）设计每个用户的接收矢量。
设计接收矢量来消除小蜂窝基站对本用户的干扰：
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）
（3）设计宏蜂窝用户的预编码矢量。
设计宏蜂窝用户的预编码矢量来消除宏蜂窝信号对所有用户的干扰：
至此，所有用户的预编码矢量和接收矢量都已算出。此方案可以完全消除同层干扰和跨层干扰。该算法的优点是宏蜂窝和小蜂窝的预编码矢量和接收矢量是单向构造，小蜂窝预编码矢量构造时仅需要知道小蜂窝基站到用户的信道信息，接收矢量和宏蜂窝预编码构造需要知道信道信息和小蜂窝预编码矢量，简化了预编码矢量和接收矢量的计算过程。此外，这样设计预编码矢量可以使异构网络的自由度达到4[7]。
3 仿真结果及分析
假设宏蜂窝的半径为1 000 m，小蜂窝的半径为30 m，宏蜂窝用户到宏蜂窝基站的距离为500 m，宏基站发射天线数为4，小蜂窝发射天线数为2，用户天线数为2。图1为小蜂窝用户SINR的CDF曲线。
从图1可以看出，分层干扰对齐有效地抑制了同层干扰和跨层干扰。另外，与其他方法相比，分层干扰对齐的总容量更高。图2所示为网络可达到的总的传输速率对比，可以看出在TDMA算法中，不同的时隙分配给不同的小区，因此宏蜂窝和小蜂窝之间没有干扰，每个小蜂窝基站向本小区用户发送两个数据流，宏蜂窝基站向每个宏蜂窝用户发送两个数据流，形成多用户MIMO系统，可以在3个时隙达到8/3个自由度[8]。分层干扰对齐可以达到最大的自由度4。
4 结论
通过分层干扰对齐可以完全消除异构网络中的同层干扰和跨层干扰，简化了求解预编码矢量和接收矢量的计算过程，以后的工作是把这种算法推广到更为一般的情况下。
参考文献
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