多小區(qū)全雙工MIMO系統(tǒng)中干擾對齊方案

景小榮, 張翠翠

(1. 重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院, 重慶 400065; 2. 移動通信技術(shù)重慶市重點實驗室, 重慶 400065)

0 引 言

在全雙工多輸入多輸出(full-duplex multiple-input multiple-output,FD-MIMO)無線系統(tǒng)中,基站在同時隙同頻段內(nèi)實現(xiàn)下行信號發(fā)送和上行信號接收。在通信過程中,系統(tǒng)中不但存在傳統(tǒng)的上/下行多輸入多輸出(multiple-input multiple-output,MIMO)信道間干擾,而且還存在基站發(fā)射信號對自身接收信號造成的自干擾(self-interference,SI)和上行用戶發(fā)送對下行用戶接收所造成的干擾(interference between uplink users transmitting and downlink users receiving,I-UuT-DuR),這些干擾的存在成為制約FD-MIMO技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用的主要障礙。以往針對全雙工(full-duplex, FD)技術(shù)的研究通常只專注于SI的消除,根據(jù)對最新相關(guān)研究成果的調(diào)研,目前 SI消除方面已取得相當(dāng)豐碩的理論成果[1-2]。而針對FD-MIMO系統(tǒng)的復(fù)雜干擾消除技術(shù)的研究,卻相對甚少。文獻(xiàn)[3-4]在消除SI的基礎(chǔ)上,以最大化頻譜效率和能量效率為目標(biāo),通過采用迭代優(yōu)化預(yù)編碼技術(shù),盡管有效地提升了系統(tǒng)的性能,但均忽略了I-UuT-DuR。在實際FD-MIMO通信場景中,I-UuT-DuR對系統(tǒng)性能的影響是不容忽視的。

在無線通信系統(tǒng)中,干擾對齊(interference alignment,IA)技術(shù)[5-7]因其適用范圍廣、干擾處理能力強(qiáng)等優(yōu)點而被業(yè)界深入研究。于是,面對FD-MIMO系統(tǒng)中如此復(fù)雜的干擾問題, 研究IA在FD-MIMO系統(tǒng)中的具體實現(xiàn)方案將具有重要的現(xiàn)實意義。截止目前,IA在FD-MIMO無線系統(tǒng)中的研究工作主要分為兩類,一類研究工作主要集中在IA在FD-MIMO無線系統(tǒng)中的可行性方面,另外一類研究工作主要集中在IA在FD-MIMO無線系統(tǒng)中的具體設(shè)計及實現(xiàn)方面。

IA技術(shù)在FD-MIMO無線系統(tǒng)中的可行性研究方面,文獻(xiàn)[8]針對單小區(qū)FD-MIMO系統(tǒng),分析了FD基站FD用戶(FD based station FD user,FD-BS-FD-User)模型下,IA實現(xiàn)的充要條件,同時給出了在該模型下對稱系統(tǒng)的可達(dá)自由度。文獻(xiàn)[9]從理論上分析了線性IA消除多小區(qū)FD-MIMO系統(tǒng)中I-UuT-DuR的可行性,同時給出相對于半雙工(half-duplex, HD)系統(tǒng),有/無上行協(xié)作、用戶數(shù)目足夠大/用戶數(shù)有限等情況下,FD復(fù)用增益的變化情況?；跁r域符號擴(kuò)展,文獻(xiàn)[10-11]分析了單小區(qū)FD系統(tǒng)中IA的可行性,同時,文獻(xiàn)[10]給出了FD基站HD用戶(FD based station HD user，F(xiàn)D-BS-HD-User)模式下,多輸入單輸出(multiple-input single-output,MISO)系統(tǒng)的自由度,分析了全局/部分信道狀態(tài)信息(channel state information,CSI)條件下IA的可行性;而文獻(xiàn)[11]則分別分析了FD-BS-FD-User和FD-BS-HD-User兩種模型下系統(tǒng)可達(dá)自由度上限。文獻(xiàn)[12]針對單小區(qū)FD-BS-HD-User MISO系統(tǒng),在基站端有/無CSI條件下,利用盲IA技術(shù)實現(xiàn)I-UuT-DuR的抑制?？傊?由于FD-MIMO IA算法設(shè)計相對比較復(fù)雜,而現(xiàn)有關(guān)于FD-MIMO IA研究方面的文獻(xiàn)相對比較少,主要專注于單小區(qū)場景,且假設(shè)系統(tǒng)中SI已被完全消除。

最近,文獻(xiàn)[13]在非理想SI消除條件下,針對FD-BS-HD-User模型,提出閉式線性IA設(shè)計方案,并分析了系統(tǒng)的可達(dá)自由度,進(jìn)一步將其推廣到FD-BS-FD-User模型,但該方案僅考慮了小區(qū)間不存在干擾的理想情況。受文獻(xiàn)[13]啟發(fā),本文在非理想SI消除條件下,同時考慮實際小區(qū)間干擾問題,提出了一種適用于多小區(qū)多用戶FD-MIMO系統(tǒng)的空域IA方案。文中首先分析了多小區(qū)多用戶FD-MIMO系統(tǒng)線性IA實現(xiàn)的可行性條件,提出一種多對一(many-to-one,MTO)線性IA算法,該算法可有效地消除上/下行小區(qū)間干擾及小區(qū)內(nèi)用戶間干擾;然后,基于殘留I-UuT-DuR構(gòu)建目標(biāo)函數(shù),通過構(gòu)造下行用戶內(nèi)層接收干擾抑制矩陣輔助函數(shù),將目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為僅與上行用內(nèi)層戶預(yù)編碼矩陣相關(guān)的代價函數(shù),進(jìn)而基于格拉斯曼流形上的最速梯度下降法迭代求解預(yù)編碼矩陣。數(shù)值仿真結(jié)果表明,該方案可有效地解決多小區(qū)多用戶FD-MIMO系統(tǒng)中復(fù)雜的干擾問題,從而提高了系統(tǒng)的整體性能。需要進(jìn)一步指出的是,該方案中,在FD-BS-FD-User模型下,為了消除上/下行小區(qū)間干擾及小區(qū)內(nèi)用戶間干擾,所求下行預(yù)編碼矩陣和外層接收干擾抑制矩陣可通過上行接收干擾抑制矩陣和外層預(yù)編碼矩陣直接求得,此時,MTO線性IA算法僅需基站知道上行CSI,而無需CSI反饋,使得該方案在FD-BS-FD-User模型下的復(fù)雜度大幅度下降。

符號說明:用‖A‖F(xiàn)、A*、AT、AH和A?分別表示矩陣A的Frobenius范數(shù)、復(fù)共軛變換、轉(zhuǎn)置變換、共軛轉(zhuǎn)置變換和廣義逆矩陣; rank{A}、tr(A)、span(A)、null{A}、vec(A)、vec-1(A)分別表示矩陣A的秩、跡、生成子空間、零空間、列矢量化和列矢量化的逆運算;?表示Kronecker積。

1 系統(tǒng)模型

考慮一多小區(qū)多用戶FD-MIMO無線系統(tǒng),基站工作在FD模式。在實際系統(tǒng)中,由于用戶端FD技術(shù)的采用依賴于用戶自身的硬件條件,因此,文中分別考慮兩種情形:一種假設(shè)每個小區(qū)配置一組上行HD用戶和一組下行HD用戶,即圖1(a)對應(yīng)的多小區(qū)FD-BS-HD-User系統(tǒng)模型;另一種假設(shè)每個小區(qū)配置一組FD用戶,即圖1(b)對應(yīng)的多小區(qū)FD-BS-FD-User系統(tǒng)模型。根據(jù)3GPP相關(guān)協(xié)議,基站間可通過回程鏈路進(jìn)行信息交換,于是,文中假設(shè)基站端可完美重構(gòu)干擾信號,即可直接將其他小區(qū)基站上行發(fā)送對基站下行接收所產(chǎn)生的干擾進(jìn)行消除,因此,為了簡化分析,文中暫不考慮基站間上下行干擾問題。

1.1 多小區(qū)FD-BS-HD-User系統(tǒng)模型

(1)

圖1 多小區(qū)FD-MIMO系統(tǒng)模型Fig.1 Multi-cell FD-MIMO system model

每個基站不僅接收到本小區(qū)上行用戶發(fā)送的期望信號,也能接收來自其他小區(qū)上行用戶所發(fā)送的信號,此外,還能接收到SI信號,則小區(qū)a基站的上行接收信號可表示為

(2)

1.2 多小區(qū)FD-BS-FD-User系統(tǒng)模型

2 IA的可行性分析

2.1 FD-BS-HD-User模型

(3)

(4)

針對該模型,實現(xiàn)線性IA,對于小區(qū)i內(nèi)下行用戶j,必須滿足以下條件

(5)

(6)

(7)

(8)

對于小區(qū)a上行用戶b,必須滿足以下條件

(9)

(10)

(11)

2.2 FD-BS-FD-User模型

(12)

(13)

按照第1.2節(jié),將一FD用戶等效為一上行用戶和一下行用戶,同時令K=KD=KU,d=dU=dD,則FD-BS-FD-User模型實現(xiàn)線性IA的條件等同于FD-BS-FD-User模型。

3 FD-MIMO系統(tǒng)中基于IA的干擾解決方案

在所提方案中,為了有效地對齊/消除相應(yīng)的干擾,對于基站預(yù)編碼矩陣和接收干擾抑制矩陣將分別采用兩個級聯(lián)矩陣來設(shè)計,即

(14)

(15)

(16)

在該方案中,為了消除DIcIuI、DICI和UIcIuI、UICI,首先給出一種MTO線性IA算法,該算法又可分解為下行MTO IA和上行MTO IA,即通過設(shè)計基站預(yù)編碼矩陣、下行用戶外層接收干擾抑制矩陣和基站接收干擾抑制矩陣、上行用戶外層預(yù)編碼矩陣,達(dá)到消除上述干擾的目的。MTO線性IA算法同時適用于FD-BS-HD-User和FD-BS-FD-User兩種系統(tǒng)模型,但對于FD-BS-FD-User模型,該算法只需基站確知上行CSI,而基站發(fā)送預(yù)編碼和下行用戶外層接收干擾抑制矩陣均可通過上行用戶外層發(fā)送預(yù)編碼和基站接收干擾抑制矩陣直接求得,因此,極大地減小了算法復(fù)雜度。在此基礎(chǔ)上,為了抑制I-UuT-DuR,提出一種迭代IA算法。該算法以最小化I-UuT-DuR殘留干擾為目標(biāo),構(gòu)造一單邊復(fù)合代價函數(shù),進(jìn)而通過格拉斯曼流形上的最速梯度下降法在上行用戶端實現(xiàn)上行用戶內(nèi)層預(yù)編碼矩陣的優(yōu)化求解。該算法同樣適用于FD-BS-HD-User和FD-BS-FD-User兩種模型。

3.1 MTO線性IA算法

3.1.1 FD-BS-HD-User模型

(17)

(18)

(19)

(20)

綜上,通過式(18),完成基站內(nèi)層接收干擾抑制矩陣的設(shè)計,從而將上行用戶對其他小區(qū)所造成的UICI對齊到與該上行用戶對應(yīng)的干擾子空間內(nèi)。將上述結(jié)果擴(kuò)展到G個小區(qū),式(18)可改寫成式(21)。

(21)

(22)

(23)

式中，s≠a。由式(21)和式(23)可知,

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

式(26)表示設(shè)計基站內(nèi)層發(fā)送預(yù)編碼矩陣,將下行用戶所接收到的來自其他小區(qū)的DICI對齊到與該下行用戶相對應(yīng)的干擾子空間內(nèi)。將上述結(jié)果擴(kuò)展到G個小區(qū),式(26)可改寫成式(29)。

(29)

(30)

(31)

式中，i≠a,由式(29)和式(31)可推得

(32)

通過上述MTO 線性IA算法的設(shè)計過程,UIcIuI、UICI和DIcIuI、DICI均被完全消除,對應(yīng)的IA可行性條件式(5)、式(6)、式(9)、式(10)均得到滿足。

3.1.2 FD-BS-FD-User模型

按照第1.2節(jié),將一FD用戶等效為一上行用戶和一下行用戶。類似于FD-BS-HD-User系統(tǒng)模型,對于上行部分,通過上行MTO線性IA算法的設(shè)計以滿足可行性條件式(5)、式(6),實現(xiàn)UIcIuI和UICI的消除。對于下行部分,通過下行MTO線性IA算法的設(shè)計,使其滿足可行性條件式(9)、式(10),實現(xiàn)DIcIuI和DICI的消除。本小節(jié)中i,c,a,s∈{1,2,…,G},b,t,j,r∈{1,2,…,K}。

(33)

(34)

(35)

類似于FD-BS-HD-User系統(tǒng)模型,通過式(18)～式(20)設(shè)計FD用戶所對應(yīng)的基站的內(nèi)層接收干擾抑制矩陣。對于G個小區(qū),其結(jié)果類似于式(21),即

(36)

式中,i≠a。通過式(26)～式(28)設(shè)計FD用戶所對應(yīng)的基站的內(nèi)層預(yù)編碼矩陣。對于G個小區(qū),同樣地,可得到類似于式(29)的結(jié)果。

(37)

式中,c≠i。為保證式(37)和式(38)成立,則需滿足:

(38)

通過上述過程,式(36)所設(shè)計的基站端內(nèi)層接收干擾抑制矩陣,將FD用戶上行發(fā)送信號對其他小區(qū)所造成的(G-1)Kd維的UICI對齊到FD用戶端的d維干擾子空間內(nèi);式(37)設(shè)計基站端內(nèi)層發(fā)送預(yù)編碼矩陣,將各FD用戶接收到的來自其他小區(qū)的(G-1)Kd維的DICI被對齊到FD用戶端的d維干擾子空間內(nèi)。到此為止,基站端內(nèi)層接收干擾抑制矩陣和內(nèi)層預(yù)編碼矩陣均完成設(shè)計,下面推導(dǎo)二者之間的關(guān)系。

(39)

從而對于G個小區(qū),式(22)和式(31)中,對應(yīng)元素滿足如下關(guān)系，即

MD=MU

(40)

進(jìn)而可推得

(41)

(42)

(43)

從而可推得

(44)

通過以上推導(dǎo)過程,對于 FD-BS-FD-User模型,利用MTO線性IA算法實現(xiàn)了UIcIuI、UICI和DIcIuI、DICI完全消除。由于FD-BS-FD-User模型的特殊性,所設(shè)計的基站端預(yù)編碼矩陣和接收干擾抑制矩陣相等,用戶端外層預(yù)編碼矩陣和外層接收干擾抑制矩陣也相等。因此,在FD-BS-FD-User系統(tǒng)模型下,只需求得上行用戶的外層發(fā)送預(yù)編碼和基站的接收干擾抑制矩陣即可,此時,MTO線性IA算法僅需基站知道上行CSI,使得該方案在FD-BS-FD-User模型下的復(fù)雜度大幅度下降。

3.2 I-UuT-DuR抑制

通過第4.1節(jié)提出的MTO 線性IA算法,實現(xiàn)了UIcIuI、UICI和DIcIuI、DICI完全消除,在此基礎(chǔ)上,通過設(shè)計上行用戶內(nèi)層預(yù)編碼矩陣和下行用戶內(nèi)層接收干擾抑制矩陣,實現(xiàn)I-UuT-DuR的抑制。

在FD-MIMO系統(tǒng)中, I-UuT-DuR的消除只能在用戶端完成,同時,在實際情況中,I-UuT-DuR又難以完全消除,因此,提出一種基于迭代IA的I-UuT-DuR抑制算法,以逼近式(7.3)的效果。所提的迭代IA算法同樣適用于FD-BS-HD-User和FD-BS-FD-User兩種模型,為了便于分析,在FD-BS-HD-User模型下,令dU=dD=d;而在FD-BS-FD-User模型中,如第1.2節(jié)所提,將FD用戶從形式上分為一上行用戶和一下行用戶。在此基礎(chǔ)上,基于迭代IA的I-UuT-DuR抑制算法設(shè)計過程如下。

(45)

(46)

(47)

(48)

(49)

(50)

(51)

(52)

(53)

(55)

上行用戶內(nèi)層預(yù)編碼變量沿格拉斯曼流形測地線移動的最速下降方向Zab可表示為

(56)

(57)

因此, 格拉斯曼最速下降方向表示為

(58)

綜上所述,以抑制I-UuT-DuR為目標(biāo),基于格拉斯曼流形上的最速下降法迭代求解上行用戶內(nèi)層預(yù)編碼矩陣的算法過程可用表1來表述。其中,對于最優(yōu)步長的選取,參考已有研究本算法采用具有自適應(yīng)功能的Armijo步長選擇機(jī)制[17]。表1中qf{·}表示歐氏空間向?qū)?yīng)的格拉斯曼流形上的投影計算。

表1 I-UuT-DuR抑制算法

4 仿真及性能分析

圖2 不同SNR系統(tǒng)和速率曲線Fig.2 Sum-rate of system in different SNR

圖2表明,SNR較低時,本文方案系統(tǒng)和速率低于ZF-MRC算法,這是由于在低SNR情況下,本文方案在進(jìn)行空域IA的同時,削弱了期望信號的功率,而ZF-MRC算法則致力于最大化期望信號;SNR較高時,本文方案性能明顯優(yōu)于ZF-MRC算法,且隨SNR增加,性能優(yōu)勢更加突出,這是由于隨SNR的增加,系統(tǒng)干擾將會變得越來越嚴(yán)重,此時,系統(tǒng)性能主要受制于系統(tǒng)干擾,而本文方案恰好能有效地抑制系統(tǒng)干擾。

同時,在圖2(a)～圖2(c)中,用戶端分別配置了5、7、8根天線,而根據(jù)前述方案分析,本文分別采用3、5、6根天線實現(xiàn)了I-UuT-DuR的抑制,而ZF-MRC算法中并沒有對I-UuT-DuR進(jìn)行相應(yīng)的處理,因此,在同等天線配置條件下,本文方案可帶來可觀的和速率增益。進(jìn)一步,對于ZF-MRC算法,若直接采用ZF算法消除I-UuT-DuR,對于圖2(a)～圖2(c)中3種配置,用戶端則至少需要6、9、12根天線,雖然其可實現(xiàn)I-UuT-DuR的完全消除,但所需天線數(shù)目明顯多于本文方案,造成天線資源的浪費。

圖3 不同下系統(tǒng)和速率曲線Fig.3 Sum-rate of system in different SI index

圖4 系統(tǒng)和速率累積分布圖Fig.4 Cumulative distribution function of sum-rate

觀察圖4(b),對于下行和速率性能,本文方案以80%以上的概率優(yōu)于HD系統(tǒng)ZF-MRC算法,而FD系統(tǒng)ZF-MRC算法遠(yuǎn)低于HD系統(tǒng)ZF-MRC算法,這是由于本文方案和FD-BS-HD-User系統(tǒng)ZF-MRC算法可利用的傳輸資源均為HD系統(tǒng)ZF-MRC算法的兩倍,但FD-BS-HD-User系統(tǒng)ZF-MRC算法受到嚴(yán)重的I-UuT-DuR,而本文方案有效地抑制了I-UuT-DuR。

圖4(c)表明,本文方案總和速率性能明顯優(yōu)于ZF-MRC算法。這說明:本文所提方案充分利用FD-MIMO系統(tǒng)中的傳輸資源,有效地解決了FD-MIMO系統(tǒng)中復(fù)雜的干擾問題,因而使得系統(tǒng)和速率得到大幅度提升。

5 結(jié) 論

FD-MIMO技術(shù)盡管具有成倍提升系統(tǒng)頻譜效率的潛力,但由此引起的復(fù)雜干擾問題成為制約其商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵因素。文中針對多小區(qū)多用戶FD-MIMO系統(tǒng),在分析FD-MIMO系統(tǒng)IA可行性條件的基礎(chǔ)上,結(jié)合IA,提出一種適用于FD-MIMO系統(tǒng)的干擾解決方案,從而為消除FD-MIMO系統(tǒng)中繁雜干擾提供了新思路。該方案同時適用于FD-BS-FD-User和 FD-BS-HD-User兩種模型下的多小區(qū)FD-MIMO系統(tǒng)。

該方案由MTO線性IA算法和基于格拉斯曼流形上的迭代IA算法組成,其中MTO線性IA算法主要用于消除UIcIuI、UICI及DIcIuI和DICI;而基于格拉斯曼流形上的迭代IA算法主要用于抑制I-UuT-DuR。理論分析和數(shù)值仿真表明,與傳統(tǒng)算法相比,本文所提算法有效地解決了多小區(qū)FD-MIMO系統(tǒng)中干擾問題,相對HD-MIMO系統(tǒng),系統(tǒng)和速率得到明顯提升。

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